Loading article…
| キシロースイソメラーゼ | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 | |||||||||
| 識別子 | |||||||||
| EC番号 | 5.3.1.5 | ||||||||
| CAS番号 | 9023-82-9 | ||||||||
| データベース | |||||||||
| インテンズ | IntEnzビュー | ||||||||
| ブレンダ | BRENDAエントリー | ||||||||
| エクスパス | NiceZyme ビュー | ||||||||
| ケッグ | KEGGエントリー | ||||||||
| メタサイク | 代謝経路 | ||||||||
| プリアモス | プロフィール | ||||||||
| PDB構造 | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
| 遺伝子オントロジー | アミゴー / クイックゴー | ||||||||
| |||||||||
酵素学では、キシロースイソメラーゼ（EC 5.3.1.5）は、D-キシロースとD-キシルロースの相互変換 を触媒する酵素です。この酵素はイソメラーゼファミリーに属し、特にアルドースとケトースを相互変換する分子内酸化還元酵素に属します。イソメラーゼは現在、約100種の細菌で観察されています。[2]キシロースイソメラーゼは、グルコースとフルクトースを相互変換する能力があるため、一般にグルコースイソメラーゼまたはフルクトースイソメラーゼとも呼ばれます。この酵素クラスの系統名は、α-D-キシロピラノースアルドースケトースイソメラーゼです。よく使われる他の名前には、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、およびD-キシロースケトールイソメラーゼがあります。[3]
歴史
D-キシロース イソメラーゼの活性は、1953年に三橋とランプンによって細菌ラクトバチルス・ペントーサスで初めて観察されました。[4]また、形質転換された 大腸菌で生産することに成功しました。[5] 1957年に、D-グルコースからD-フルクトースへの変換におけるD-キシロースイソメラーゼの活性が、KooiとMarshallによって指摘されました。[6]現在では、イソメラーゼは幅広い基質特異性を持つことがわかっています。ほとんどのペントースと一部のヘキソースはすべて、D-キシロースイソメラーゼの基質です。例としては、D-リボース、L-アラビノース、L-ラムノース、D-アロースなどがあります。[7]
キシロースイソメラーゼによるグルコースからフルクトースへの変換は、1960年代に初めて特許を取得しました。しかし、酵素が溶液中にあったため、このプロセスは工業的には実用的ではなく、酵素のリサイクルには問題がありました。[7]固体表面に固定された固定キシロースイソメラーゼは、日本で初めて高梨によって開発されました。[7]これらの開発は、高果糖コーンシロップの製造に使用される工業用発酵プロセスの開発に不可欠でした。[8] : 27 [9] : 808–813 [10]
いくつかの微生物キシロースイソメラーゼの三次構造は、1980年代半ばから決定されました（1988年にストレプトマイセス・オリボクロモゲネス、 1988年にストレプトマイセス・ビオラセオニガー、 1984年にストレプトマイセス・ルビギノサス、1986年にアルスロバクターB3728、 1992年にアクチノプラネス・ミズーリエンシス、 1990年にクロストリジウム・サーモサルフォゲネス）。[8] : 366
関数
この酵素は、ペントースとグルクロン酸の相互変換、およびフルクトースとマンノースの代謝に関与する。国際希少糖協会によると、最も生体利用可能な糖は、グルコース、ガラクトース、マンノース、フルクトース、キシロース、リボース、および L-アラビノースである。キシルロースを含む 20 種類のヘキソースと 9 種類のペントースは「希少糖」と見なされていた。したがって、D-キシロースイソメラーゼは、存在量が少ないにもかかわらず、生物学で非常に重要な用途を持つこれらの希少糖を生成するために使用される。[11]
特徴づけ
キシロースイソメラーゼは、細菌Lactobacillus xylosus を含む中国の赤米酒から分離することができます。[12]この細菌は、通常L-アラビノース糖で生育し、D-キシロースで生育することはめったにないL. plantarumとして誤って分類されました。L . xylosus は、 D-キシロースで生育する能力を持つ点で独特であると認識されました。[13] L. xylosus のキシロースイソメラーゼの分子量は約 183000 ダルトンです。[14] L. lactis の最適生育 pH は約 7.5 ですが、 L.brevisキシロース酵素などの株は、よりアルカリ性の環境を好みます。 L. lactis株はpH6.5～11.0の範囲で安定しており、pH変化に耐性の低いL. brevis酵素はpH5.7～7.0の範囲で活性を示している。 [14] Kei Y.とNoritaka T.による熱試験も行われ、キシロースイソメラーゼは約60℃まで熱的に安定していることが判明した[14]
活性部位とメカニズム
キシロースイソメラーゼは、2つの二価マグネシウムイオンを保持する活性部位を形成する8つのアルファ/ベータバレルに基づく構造を持っています。キシロースイソメラーゼ酵素は、バレルの中央に活性部位があり、四量体の四次構造であるTIMバレルフォールドを示します。[15] PDB構造は、右側の情報ボックスのリンクで利用できます。タンパク質は、一対のバレルがほぼ同軸である四量体であり、2つの空洞を形成し、その中で二価金属が両方とも2つの空洞の1つに結合しています。金属は八面体形状です。金属部位1は基質にしっかりと結合し、金属部位2は基質に緩く結合します。どちらも、2つのカチオンを橋渡しする酵素のグルタミン酸216という酸残基を共有しています。2つの塩基性アミノ酸が負に帯電したリガンドを取り囲み、それらを中和します。2番目の空洞は金属空洞に面しており、両方の空洞は同じアクセスルートを共有しています。 2番目の空洞は疎水性で、アスパラギン酸残基によって活性化されたヒスチジン残基が水素結合している。このヒスチジン残基はグルコースの異性化に重要である。 [16]
グルコースの異性化では、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。開環機構の図を以下に示します。前述の最初の金属はO3とO4に配位し、基質をドッキングするために使用されます。[16]
キシロースの異性化において、結晶データからキシロースは開鎖として酵素に結合することが分かる。金属1はO2とO4に結合し、結合すると遷移状態で金属2はO1とO2に結合する。これらの相互作用はリジン残基とともに異性化に必要な水素化物シフトを触媒する。[17] [16]遷移状態は糖基質とのすべての金属相互作用を通じて安定化された高エネルギーカルボニウムイオンで構成される。 [16]
産業における応用
この酵素の最も広く使われている用途は、グルコースをフルクトースに変換して高果糖コーンシロップ（HFCS）を製造することです。[8] : 27 デンプンからHFCSを製造するには、一般的に3つのステップがあります。[9] : 808–813
このプロセスはバイオリアクター内で60～65℃で行われる。 [8] : 27 多くの酵素はこの温度で変性するため、研究の焦点の1つは、キシロースイソメラーゼとプロセス中の他の酵素のより耐熱性の高いバージョンを設計することであった。 [8] : 27 [18] 酵素は一般にスループットを向上させるために固定化されており、これをより良く行う方法を見つけることがもう一つの研究の焦点であった。[8] : 358–360 [19]
キシロースイソメラーゼは、ヘミセルロースをエネルギー源として利用するために自然界の細菌が使用する酵素の1つであり、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の開発が産業界と学術研究のもう一つの焦点となっている。[8] : 358 [20] [21]
栄養補助食品として
キシロースイソメラーゼはグルコースとフルクトースを変換する能力があるため、フルクトース吸収不良の治療薬として提案されています。[22] [23]この酵素は産業現場で使用されており、ヒトではアレルギー反応を引き起こさないことが示されています。[22]
キシロースイソメラーゼを含む製品は、フルクトース吸収不良と戦うための市販の（OTC）栄養補助食品として、 Fructaid、Fructease、Fructase、Fructose Digest、Fructosinなどのブランド名で販売されています。OTC酵素の有効性に関する一般的な懸念は別として、[24]現在、栄養補助食品としてのキシロースイソメラーゼに関する研究は非常に限られており、[25] [22]唯一の科学的研究[26]では、吸収不良に関連する吐き気や腹痛に良い効果があると示されていますが、膨満感に対する効果は示されていません。[23] [25] [22]この研究で実証された呼気中の水素排泄量の減少は、フルクトースがよりよく吸収されたことの潜在的な兆候です。[22]しかし、この研究の結果は他の研究によって確認されておらず、この研究では長期的な健康への影響は評価されておらず、キシロースイソメラーゼによる治療に最も適した患者を特定しようともしていない。[22] [23]
参考文献
- ^ Katz AK, Li X, Carrell HL, Hanson BL, Langan P, Coates L, et al. (2006年5月). 「D-キシロースイソメラーゼの活性部位水素原子の位置特定：飛行時間中性子回折」。米国科学アカデミー紀要。103 ( 22): 8342– 8347。Bibcode :2006PNAS..103.8342K。doi : 10.1073 / pnas.0602598103。PMC 1482496。PMID 16707576。
- ^ Xiao H, Gu Y, Ning Y, Yang Y, Mitchell WJ, Jiang W, et al. (2011年11月). 「グルコースホスホエノールピルビン酸依存性ホスホトランスフェラーゼ系欠損型クロストリジウムアセトブチリカムにおけるキシロース代謝ボトルネックの確認と解消によるグルコース、キシロース、アラビノースの同時利用」.応用環境微生物学. 77 (22): 7886– 7895. Bibcode :2011ApEnM..77.7886X. doi :10.1128/AEM.00644-11. PMC 3208996. PMID 21926197 .
- ^ Mu W 、Hassanin HA、Zhou L、Jiang B（2018年12月）。「希少糖とバイオプロセスの背後にある化学」。農業および食品化学ジャーナル。66 （51）：13343– 13345。doi ：10.1021 / acs.jafc.8b06293。PMID 30543101。S2CID 56145019。
- ^ Mitsuhashi S, Lampen JO (1953年10月). 「Lactobacillus pentosus抽出物中のD-キシロースからD-キシルロースへの変換」(PDF) . The Journal of Biological Chemistry . 204 (2): 1011– 1018. doi : 10.1016/S0021-9258(18)66103-4 . PMID 13117877. 2020年1月2日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) . 2017年1月16日閲覧。
- ^ Schomburg D, Schomburg I (2001). 「キシロースイソメラーゼ」.酵素ハンドブック. 第5巻 クラス5: イソメラーゼ. ニューヨーク: Springer. pp. 259– 260. ISBN 978-3-540-41008-9. 2020年7月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。2020年7月19日閲覧。
- ^ Marshall RO, Kooi ER (1957年4月). 「D-グルコースからD-フルクトースへの酵素的変換」. Science . 125 (3249): 648– 649. Bibcode :1957Sci...125..648M. doi :10.1126/science.125.3249.648. PMID 13421660.
- ^ abc Jokela J、Pastinen O、 Leisola M (2002)。「架橋キシロースイソメラーゼ結晶を充填した酵素リアクターによるペントース糖およびヘキソース糖の異性化」。酵素および微生物技術。31 ( 1–2 ): 67–76。doi :10.1016/s0141-0229(02)00074-1。
- ^ abcdefg Wong DW (1995).食品酵素の構造とメカニズム. ボストン、マサチューセッツ州: Springer US. ISBN 978-1-4757-2349-6。
- ^ ab Hobbs L (2009). 「21 - デンプンからの甘味料：製造、特性および用途」。BeMiller JN、Whistler RL（編）『デンプン：化学と技術（第3版）』。ロンドン：Academic Press/Elsevier。pp. 797–832。ISBN 978-0-12-746275-2。
- ^ 「コーンシロップとその料理への利用：摂取しても安全か？」。タイムズ・オブ・インディア。ISSN 0971-8257 。2024年2月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2024年2月16日閲覧。
- ^ Beerens K、Desmet T、 Soetaert W (2012 年 6 月)。「希少糖の生体触媒生産のための酵素」。Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology。39 ( 6): 823– 834。doi : 10.1007 /s10295-012-1089- x。PMID 22350065。S2CID 14877957 。
- ^ 北原K. (1966). 「乳酸菌の研究」。乳産金の研究：67～69。
- ^ Buchanan RE, Gibbons NE (1974). Bergey's Manual of Determining Bacteriology (第8版). ボルチモア: The Williams and Wilkins Co. p. 584.
- ^ abc Yamanaka K, Takahara N (1977). 「Lactobacillus xylosus由来D-キシロースイソメラーゼの精製と特性」. Agric. Biol. Chem . 41 (10): 1909– 1915. doi : 10.1271/bbb1961.41.1909 .
- ^ 「非推奨のサービス < EMBL-EBI」。2024年4月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年2月6日閲覧。
- ^ abcd Blow DM、Collyer CA、 Goldberg JD、Smart OS (1992)。「D-キシロースイソメラーゼの構造とメカニズム」。Faraday Discussions。93 ( 93 ): 67– 73。Bibcode :1992FaDi...93...67B。doi :10.1039/fd9929300067。PMID 1290940 。
- ^ Nam KH (2022) . 「グルコースイソメラーゼ：機能、構造、および応用」。応用科学。12 ：428。doi ：10.3390/app12010428。 この記事には、CC BY 4.0 ライセンスの下で利用可能なこのソースからのテキストが組み込まれています。
- ^ Qiu Y、Wu M、Bao H、Liu W、Shen Y（2023年9月）。「グルコースとキシロースの共発酵のためのSaccharomyces cerevisiaeのエンジニアリング：現状と展望」。エンジニアリング微生物学。3（3）：100084。doi ：10.1016/ j.engmic.2023.100084。ISSN 2667-3703。PMC 11611035 。
- ^ Volkin DB、Klibanov AM (1989 年4月)。「固定化グルコース イソメラーゼの熱不活性化のメカニズム」。バイオテクノロジーとバイオエンジニアリング。33 (9): 1104– 1111。doi : 10.1002/bit.260330905。PMID 18588027。S2CID 39076432。
- ^ ファン マリス AJ、ウィンクラー AA、カイパー M、デ ラート WT、ファン ダイケン JP、プロンク JT (2007)。 「出芽酵母における効率的なキシロース発酵の開発: 主要成分としてのキシロースイソメラーゼ」。生化学工学/バイオテクノロジーの進歩。108 : 179–204。土井:10.1007/10_2007_057。ISBN 978-3-540-73650-9. PMID 17846724. 2023年12月31日時点のオリジナルよりアーカイブ。2023年12月31日閲覧。
- ^ Silva PC, Ceja-Navarro JA, Azevedo F, Karaoz U, Brodie EL, Johansson B (2021年2月). 「木材を食べる甲虫Odontotaenius disjunctusの腸管から得られた新規D-キシロースイソメラーゼがSaccharomyces cerevisiaeで効率的に発現」. Scientific Reports . 11 (1): 4766. Bibcode :2021NatSR..11.4766S. doi : 10.1038/s41598-021-83937-z. hdl : 1822/72966 . PMC 7910561. PMID 33637780.
- ^ abcdefg Benardout M、Le Gresley A、ElShaer A、Wren SP (2022年2月)。「フルクトース吸収不良：原因、診断、治療」。 英国栄養学ジャーナル。127 (4): 481– 489。doi : 10.1017/S0007114521001215。PMID 33818329。 この記事には、CC BY 4.0 ライセンスの下で利用可能なこのソースからのテキストが組み込まれています。
- ^ abc Fernández-Bañares F (2022年5月). 「炭水化物の消化不良と不耐性」.栄養素. 14 (9): 1923. doi : 10.3390/nu14091923 . PMC 9099680. PMID 35565890 . この記事には、CC BY 4.0 ライセンスの下で利用可能なこのソースからのテキストが組み込まれています。
- ^ Komericki P、Akkilic-Materna M、Strimitzer T、Weyermair K、Hammer HF、Aberer W (2012 年 11 月)。「経口キシロースイソメラーゼは呼気中の水素排泄を減少させ、フルクトース吸収不良患者の胃腸症状を改善する - 二重盲検プラセボ対照試験」Alimentary Pharmacology & Therapeutics 36 ( 10): 980– 987. doi : 10.1111/apt.12057 . PMID 23002720. S2CID 6047336.
- ^ ab Singh RS 、 Singh T、Pandey A (2019)。「微生物酵素—概要」。酵素技術の進歩。pp. 1– 40。doi :10.1016/ B978-0-444-64114-4.00001-7。ISBN 978-0-444-64114-4。
- ^ Komericki P、Akkilic-Materna M、Strimitzer T、Weyermair K、Hammer HF、Aberer W (2012 年 11 月)。「経口キシロースイソメラーゼは呼気中の水素排泄を減少させ、フルクトース吸収不良患者の胃腸症状を改善する - 二重盲検プラセボ対照試験」Alimentary Pharmacology & Therapeutics 36 ( 10): 980– 987. doi : 10.1111/apt.12057 . PMID 23002720. S2CID 6047336.
さらに読む
- Hochster RM、 Watson RW (1954 年 1 月)。「D-キシロースから D-キシルロースへの酵素異性化」。生化学および生物物理学のアーカイブ。48 (1): 120– 129。doi :10.1016/0003-9861(54)90313-6。PMID 13125579 。
- スライン MW (1955)。 「パスツレラ・ペスティス由来のキシロースイソメラーゼ、A-1122株」。J.Am.化学。社会。77 (6): 1663–1667。土井:10.1021/ja01611a074。
- 山中 憲一 (1968 年 3 月). 「Lactobacillus brevis 由来の D-キシロースイソメラーゼの精製、結晶化および特性」. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Enzymology . 151 (3): 670– 680. doi :10.1016/0005-2744(68)90015-6. PMID 5646045.
