多様な形態で存在する異性体は、一般に構造異性体と立体異性体に大別される。構造異性体は、結合の配列および／または結合の連結様式が互いに異なる。一方、個々の結合の配列と結合様式が同一である立体異性体は、結合した原子の三次元配置が異なる。イソメラーゼのサブカテゴリーに属する分子内リアーゼ、酸化還元酵素および転移酵素は構造異性体間の相互変換を触媒し、ラセマーゼ、エピメラーゼおよびシス‐トランス異性化酵素は立体異性体間の相互変換を促進する。自然界における異性体の存在比は、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一部依存する。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る。イソメラーゼは異性化エネルギーを低下させ、それにより反応速度を増大させ得る。

分類

イソメラーゼにはEC番号としてEC 5が付与されており、さらに6つのサブクラスに分類される。

a. ラセマーゼ、エピメラーゼ

EC 5.1に分類されるイソメラーゼにはラセマーゼおよびエピメラーゼが含まれ、いずれも標的となる不斉炭素における立体化学を反転させる。ラセマーゼは主として不斉炭素を1つのみ有する分子に作用して立体化学を反転させるのに対し、エピメラーゼは複数の不斉炭素を有する分子のうち、その一部位に作用する。複数の不斉炭素のうち1つで異性化が起こると、1つの不斉炭素における絶対配置のみが異なるエピマーが生成する。本クラスは、酵素が作用する官能基に応じてさらに細分類される。

b. cis-trans異性化酵素

EC 5.2に分類されるイソメラーゼは、cis-trans異性体の異性化を触媒する酵素である。これらの異性体は絶対配置ではなく、二重結合や環構造などの基準面に対する置換基の位置関係によって区別される。置換基が同じ側にある分子はcis異性体に属し、反対側にある場合はtrans異性体である。本カテゴリーには以下のエントリーが含まれる。

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位へ電子を移動させる反応を触媒する。すなわち、分子の一部の酸化と別部位の還元が同時に進行するよう、この種の酵素により触媒される。本クラスのサブカテゴリーを以下に示す。

d. 分子内転移酵素

EC 5.4に分類される分子内転移酵素（ムターゼ）は、分子内の一部から別の部位への官能基移動を促進する。酵素が転移する官能基に応じて、さらに5群に分類される。

e. 分子内リアーゼ

EC 5.5に分類されるイソメラーゼは分子内リアーゼであり、分子の一部から基が脱離したと見なせる一方で分子に共有結合したまま残存し、その結果として二重結合が形成される反応を触媒する。これらの反応の一部には環構造の開裂を伴うものがある。本カテゴリーはこれ以上細分類できず、現時点の全エントリーを以下の表に示す。

イソメラーゼの作用機序

イソメラーゼの種類により作用様式は異なり、主として、互変異性体を介した環拡大・環縮小、エピメリ化、分子内転移、および分子内酸化還元が含まれる。 

a. 互変異性体を介した環拡大・環縮小

グルコース（6員環を有するアルデヒド）からフルクトース（5員環を有するケトン）への異性化は、分子内酸化還元酵素であるグルコース-6-リン酸イソメラーゼにより触媒される環開裂および環縮小の古典的例である。この反応では、酸／塩基触媒により環が開裂してアルドースを形成し、cis-エンジオール中間体が生成する。続いて、プロトン化された直鎖状ケトースが形成され、再び環が閉じる。

b. エピメリ化

カルビン回路において、リブロースリン酸3-エピメラーゼがD-リブロース-5-リン酸をD-キシルロース-5-リン酸へ変換する反応はエピメリ化に該当し、基質と生成物は鎖状構造の第3炭素における立体化学のみが異なる。当該炭素の脱プロトン化により反応性の高いエノラート中間体が形成されることが基盤機構である可能性が高く、この平面状中間体が、その後反対側からのプロトン化により逆のキラリティーを獲得する。これらの脱プロトン化―安定化―プロトン化の段階が連動することで、第3炭素の立体化学が反転する。

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、コリスマートをプレフェン酸へ変換する反応を触媒し、プレフェン酸は一部の植物および細菌においてL-チロシンおよびL-フェニルアラニンの前駆体として利用される。本反応はクライゼン転位に属し、イソメラーゼの存在下でも非存在下でも進行し得るが、基質がトランス-ジアキシアル位をとる椅子型遷移状態を経由する。イソメラーゼが椅子型遷移状態に選択的に結合し、この結合が静電的効果により遷移状態を安定化し得ることが示唆されている。これにより、ムターゼ存在下、または活性部位に特定位置のカチオンを付加した場合に反応速度が顕著に増大することが説明される。

d. 分子内酸化還元

イソペンテニル二リン酸ΔイソメラーゼI型（IPPイソメラーゼ）は、単一プロトンの立体選択的なアンタラフェイシャル転位を介して、イソペンテニル二リン酸（IPP）をジメチルアリル二リン酸（DMAPP）へ変換する反応に関与する。この過程では、安定な炭素‐炭素二重結合が再配列し、高い求電子性を有するアリル型異性体が生成する。C4の二重結合がプロトン化されることでC3に第三級カルボカチオン中間体が形成され、続いて隣接炭素であるC2が反対側から脱プロトン化されて二重結合が再形成される。すなわち、二重結合がシフトする。

用途

現時点で最も一般的なイソメラーゼの用途は糖製造である。グルコースイソメラーゼはD-グルコースをD-フルクトースへ変換する反応を触媒し、高果糖コーンシロップ製造における重要工程である。副生成物を最小限に抑えつつ高収率でフルクトースを得られるため、従来の化学的方法によるフルクトース製造よりも特異性の高いプロセスが可能となる。グルコースイソメラーゼ利用における主要な懸念点は、高温条件での失活および反応時に高pHを要する点である。本酵素の最適活性は、Co²⁺またはMg²⁺などの二価カチオンの存在下でのみ達成され、製造者に追加コストをもたらす。また、本酵素はグルコースよりキシロースに対する親和性がはるかに高いため、環境条件の厳密な管理が必要となる。

グルコースイソメラーゼ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、腐植物質を栄養源とする細菌に自然に見られる。キシルロースの発酵によりエタノールを生産できることから、商業的価値が示されている。グルコースイソメラーゼは、D-リボース、D-アロース、L-アラビノースを含む他の各種糖の異性化も促進し得る。同酵素の現行の作用機構モデルは、同位体交換およびX線結晶構造解析により示されたヒドリドシフトである。総じて、遺伝子工学分野では、工業プロセスからのグルコースイソメラーゼの最適化および回収（再使用）に関する研究が広範に進められている。

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