グルコースイソメラーゼ

グルコースイソメラーゼ（GI、EC 5.3.1.5）、別名キシロースイソメラーゼ、D-キシロースイソメラーゼ、D-キシロースケトイソメラーゼ、D-キシロースケトールイソメラーゼは、D-キシロース、D-グルコース、D-リボースなどのアルドースを対応するケトースに異性化するイソメラーゼです。この酵素クラスの系統名はD-キシロースアルドース-ケトース-イソメラーゼです。グルコースイソメラーゼは、細菌、真菌、放線菌などの微生物、植物、動物など、幅広い供給源を持っています。グルコースイソメラーゼは、高フルクトースコーンシロップと燃料エタノールの工業生産における重要な酵素です。

酵素特性

• 基質特異性

グルコースイソメラーゼは、D-グルコースやD-キシロースに加えて、D-リボース、L-アラビノース、L-ラムノース、D-アロース、デオキシグルコースなどの基質も触媒することができます。しかし、グルコースイソメラーゼはD-グルコースまたはD-キシロースのアルファ光学異性体の変換のみを触媒でき、ベータ光学異性体は触媒できません。

• 最適温度とpH

グルコースイソメラーゼの最適pHは通常わずかにアルカリ性で、7.0から9.0の間です。酸性条件下では、ほとんどの種の酵素活性は非常に低いです。グルコースイソメラーゼの最適反応温度は一般的に70-80°Cです。

• 金属イオンの要求と阻害剤

GIは、最大活性のためにMg²⁺、Co²⁺、またはMn²⁺のような二価カチオン、またはこれらのカチオンの組み合わせを必要とします。Mg²⁺とCo²⁺の両方が活性に不可欠ですが、それぞれ異なる役割を果たします。Mg²⁺は活性化剤としてCo²⁺より優れていますが、Co²⁺は酵素の秩序ある構造、特に四次構造を保持することによって酵素の安定化に寄与します。

構造

異なる種のグルコースイソメラーゼは、タンパク質の一次構造において特定の違いがありますが、空間構造は類似しています。グルコースイソメラーゼはすべて非糖タンパク質であり、一般的にテトラマーまたはダイマーの形で存在します。そのサブユニットモノマーの分子量は19-52 kDです。テトラマーサブユニットは、ジスルフィド結合なしで非共有結合によって結合されており、ダイマー間の結合はダイマー内のサブユニット間の結合よりも強いです。サブユニットのグループは対称的に分布しており、各サブユニットモノマーは2つのドメインに分かれています。

N末端の主ドメインは、8本のα/βヘリカル折りたたみ構造からなる「触媒ポケット」で構成されており、内層は8本の平行βシートで構成され、外層はβシートに交互に隣接する8本のαヘリックスから構成されています。αヘリックスのペプチド鎖はβシートに対して逆平行であり、活性中心はβシートのC末端近くに位置しています。C末端の小ドメインは、N末端から離れた不規則な円形構造にランダムに巻かれた数本のαヘリックスによって構成され、サブユニット間の相互作用と活性中心の構築に関与しています。テトラマーのグルコースイソメラーゼは4つの活性中心を持ち、ポケット状であり、活性中心はサブユニット触媒ドメインのβバレルのC末端近くに位置しています。各活性中心は2つの隣接するサブユニットから構成され、2つの二価金属イオン結合部位と基質結合および触媒プロセスに関連する保存された残基を含んでいます。

作用機序

GIの触媒機構は研究者にとって大きな関心の対象となっています。以前は、GIは糖リン酸イソメラーゼと同様の方法で機能し、エン-ジオール機構に従うと考えられていました。最近の研究では、GIの作用が水素移動機構に起因することが示されています。活性部位の構成に関する知識は、酵素の構造-機能関係を研究するための前提条件です。GIの活性部位を研究し、その作用機序を明確にするために、さまざまなアプローチが使用されています。これには、(i) 化学修飾、(ii) X線結晶構造解析、(iii) 同位体交換が含まれます。GIのために提案された機構の主な特徴は、基質の環の開口、C-2からC-1への水素移動を介した異性化、および生成物の環の閉鎖です。

図1. GIの作用機序。(a) シス-エンジオール。(b) プロトン移動。(c) 水素移動。
(Bhosale, S.H., et al. 1996)

グルコースの異性化において、ヒスチジン53がO1からO5へのプロトン移動を触媒するために使用されます。キシロースの異性化において、結晶データはキシロース糖が開鎖構造で酵素に結合することを示しています。金属1はO2およびO4に結合し、一度結合すると、金属2は遷移状態でO1およびO2に結合し、これらの相互作用とリジン残基が異性化に必要な水素移動を触媒するのに役立ちます。遷移状態は、高エネルギーのカーボニウムイオンで構成され、糖基質とのすべての金属相互作用によって安定化されます。

生産と応用

酵素の生産コストは、工業用途に対する適合性を評価する上で重要な要素です。経済的に実現可能な技術を開発することを目指して、GIの生産のための発酵パラメータを最適化するために集中的な努力がなされています。研究は3つの主要な側面に焦点を当てています：(i) GIの収量の改善、(ii) キシロースの安価な代替品による置換に特に言及した発酵培地の最適化、および(iii) 酵素の固定化。この酵素の最も広く使用される応用は、グルコースをフルクトースに変換して高フルクトースコーンシロップ（HFCS）を生産することです。キシロースイソメラーゼは、自然界で細菌がセルロースを食物として利用するために使用する酵素の1つであり、工業および学術研究のもう1つの焦点は、バイオ燃料の生産に役立つ可能性のあるキシロースイソメラーゼのバージョンを開発しています。

参考文献