異性体は多くの種類に存在し、一般的に構造異性体と立体異性体に大別されます。構造異性体は、互いに結合の配列や結合のつながり方が異なります。立体異性体は、個々の結合の順序や結合の種類が同じでありながら、結合した原子の三次元的な配置が異なります。異性化酵素のサブカテゴリに含まれる分子内リアーゼ、酸化還元酵素、転移酵素は構造異性体の相互変換を触媒し、ラセマーゼ、エピメラーゼ、シス-トランス異性体は立体異性体の相互変換を促進します。自然界における異性体の存在比は、部分的には異性化エネルギー、すなわち異性体間の内部エネルギー差に依存します。エネルギー準位が近い異性体は容易に相互変換し、通常は同程度の割合で検出されます。異性化酵素は異性化エネルギーを低減し、反応速度を高めることができます。

分類

異性化酵素はEC番号EC 5に割り当てられており、さらに6つのサブクラスに分類されます。

a. ラセマーゼ、エピメラーゼ

EC 5.1に属する異性化酵素にはラセマーゼとエピメラーゼが含まれ、いずれも標的キラル炭素の立体化学を反転させます。ラセマーゼは主に1つのキラル炭素を持つ分子に作用し、立体化学の反転を行いますが、エピメラーゼは複数のキラル炭素を持つ分子のうち1つに作用します。複数のキラル炭素のうち1つで異性化が起こると、エピマーが生成され、これは1つのキラル炭素の絶対配置のみが異なります。このクラスは、酵素が作用する基に応じてさらに細分化されます。

b. シス-トランス異性化酵素

EC 5.2に属する異性化酵素は、シス-トランス異性体の異性化を触媒する酵素であり、絶対配置ではなく、二重結合や環構造などの基準面に対する置換基の位置によって区別されます。同じ側に置換基がある分子はシス異性体、反対側にあるものはトランス異性体です。このカテゴリには以下のエントリーが含まれます。

c. 分子内酸化還元酵素

分子内酸化還元酵素はEC 5.3に分類され、分子内の一部から別の部分への電子の移動を触媒します。つまり、分子の一部の酸化と別の部分の還元が同時にこのタイプの酵素によって触媒されます。このクラスのサブカテゴリは以下の通りです。

d. 分子内転移酵素

EC 5.4に属する分子内転移酵素（ムターゼ）は、分子内の一部から別の部分への官能基の転移を促進します。酵素が転移する官能基に応じて、さらに5つのグループに分類されます。

e. 分子内リアーゼ

EC 5.5に属する異性化酵素は分子内リアーゼであり、分子の一部から基が除去されて二重結合が残る一方で、基が分子に共有結合したままになる反応を触媒します。これらの反応の中には環構造の破壊を伴うものもあります。このカテゴリはこれ以上細分化されず、現在の全エントリーは以下の表に示されています。

異性化酵素の作用機構

異なるタイプの異性化酵素は異なる作用様式を持ち、主にトートマーを介した環の開閉、エピメリ化、分子内転移、分子内酸化還元が含まれます。

a. トートマーを介した環の開閉

グルコース（六員環のアルデヒド）からフルクトース（五員環のケトン）への異性化は、分子内酸化還元酵素であるグルコース-6-リン酸異性化酵素による環の開裂と縮小の古典的な例であり、酸/塩基触媒による環の開裂とシス-エンジオール中間体の形成を含みます。その後、プロトン化された直鎖ケトースが形成され、再び環が閉じます。

b. エピメリ化

リブロース-リン酸3-エピメラーゼによるカルビン回路でのD-リブロース-5-リン酸からD-キシルロース-5-リン酸への変換はエピメリ化に該当し、基質と生成物は鎖の3番目の炭素の立体化学のみが異なります。その炭素の脱プロトン化による反応性エノラート中間体の形成が基礎的な機構であると考えられ、平面中間体が後に反対側からプロトン化されて逆のキラリティを獲得します。これらの脱プロトン化-安定化-プロトン化のステップの連携により、3番目の炭素の立体化学が反転します。

c. 分子内転移

分子内転移酵素であるコリスマートムターゼは、コリスマートからプレフェネートへの変換を触媒し、これは一部の植物や細菌でL-チロシンやL-フェニルアラニンの前駆体として利用されます。この反応はクライゼン転位に属し、異性化酵素の有無にかかわらず進行し、基質がトランス-ジアキシャル位置にある椅子型遷移状態を経由します。異性化酵素は椅子型遷移状態に選択的に結合し、この結合が静電効果によって遷移状態を安定化させることが示されており、これがムターゼ存在下や活性部位に特定のカチオンを加えた際の反応速度の急激な増加の要因となっています。

d. 分子内酸化還元

イソペンテニル二リン酸デルタ異性化酵素タイプI（IPP異性化酵素）は、イソペンテニル二リン酸（IPP）からジメチルアリル二リン酸（DMAPP）への変換に関与し、単一プロトンの立体選択的アンタラファシアル転座を介して進行します。この過程で安定な炭素-炭素二重結合が再配置され、高い求電子性を持つアリル異性体が生成されます。C3で三級カルボカチオン中間体が、C4の二重結合のプロトン化によって形成され、隣接するC2が反対側から脱プロトン化されて二重結合が得られます。実際、二重結合が移動します。

応用

現在まで、異性化酵素の応用で最も一般的なのは糖製造分野です。グルコース異性化酵素はD-グルコースをD-フルクトースに変換し、高果糖コーンシロップの製造において重要な役割を果たし、副生成物が最小限で高収率のフルクトースを得ることができます。これにより、従来の化学的方法よりも特異的なフルクトース生産が可能となります。グルコース異性化酵素の利用における主な課題は、高温での失活や反応時に高pHが必要な点です。この酵素の最適活性は、Co²⁺やMg²⁺などの二価カチオンの存在下でのみ得られ、製造業者にとって追加コストとなります。また、この酵素はグルコースよりもキシロースに対してはるかに高い親和性を持つため、厳密に制御された環境が必要です。

グルコース異性化酵素によるキシロースからキシルロースへの効率的な異性化は、枯れた植物質を餌とする細菌に自然に見られます。キシルロースの発酵によるエタノール生産を通じて商業的価値が示されています。グルコース異性化酵素はまた、D-リボース、D-アロース、L-アラビノースなど他のさまざまな糖の異性化も促進できます。グルコース異性化酵素の現在の作用機構モデルは、水素移動であり、同位体交換やX線結晶構造解析によって明らかにされています。全体として、遺伝子工学による研究は、工業プロセスからのグルコース異性化酵素の最適化と回収、再利用に重点が置かれています。

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