En bioquímica , las isomerasas son una clase general de enzimas que convierten una molécula de un isómero a otro. Las isomerasas facilitan los reordenamientos intramoleculares en los que se rompen y forman enlaces . La forma general de tal reacción es la siguiente:
Sólo hay un sustrato que produce un producto. Este producto tiene la misma fórmula molecular que el sustrato pero difiere en la conectividad de los enlaces o la disposición espacial. Las isomerasas catalizan reacciones en muchos procesos biológicos, como la glucólisis y el metabolismo de los carbohidratos .
Las isomerasas catalizan cambios dentro de una molécula. [1] Convierten un isómero en otro, lo que significa que el producto final tiene la misma fórmula molecular pero una estructura física diferente. Los propios isómeros existen en muchas variedades, pero generalmente pueden clasificarse como isómeros estructurales o estereoisómeros . Los isómeros estructurales tienen un orden diferente de enlaces y/o diferente conectividad de enlaces entre sí, como en el caso del hexano y sus otras cuatro formas isoméricas ( 2-metilpentano , 3-metilpentano , 2,2-dimetilbutano y 2,3- dimetilbutano ).
Los estereoisómeros tienen el mismo orden de enlaces individuales y la misma conectividad, pero la disposición tridimensional de los átomos unidos difiere. Por ejemplo, el 2-buteno existe en dos formas isoméricas: cis -2-buteno y trans -2-buteno. [2] Las subcategorías de isomerasas que contienen racemasas, epimerasas e isómeros cis-trans son ejemplos de enzimas que catalizan la interconversión de estereoisómeros. Las liasas intramoleculares, oxidorreductasas y transferasas catalizan la interconversión de isómeros estructurales.
La prevalencia de cada isómero en la naturaleza depende en parte de la energía de isomerización , la diferencia de energía entre isómeros. Los isómeros cercanos en energía pueden interconvertirse fácilmente y a menudo se ven en proporciones comparables. La energía de isomerización, por ejemplo, para convertir de un isómero cis estable a un isómero trans menos estable es mayor que para la reacción inversa, lo que explica por qué en ausencia de isomerasas o de una fuente de energía externa como la radiación ultravioleta, un isómero cis dado tiende a estar presente en mayores cantidades que el isómero trans . Las isomerasas pueden aumentar la velocidad de reacción al reducir la energía de isomerización. [3]
Calcular la cinética de la isomerasa a partir de datos experimentales puede resultar más difícil que para otras enzimas porque el uso de experimentos de inhibición del producto no es práctico. [4] Es decir, la isomerización no es una reacción irreversible ya que un recipiente de reacción contendrá un sustrato y un producto, por lo que el modelo simplificado típico para calcular la cinética de reacción no se cumple. También existen dificultades prácticas para determinar el paso determinante de la velocidad a altas concentraciones en una sola isomerización. En cambio, la perturbación del trazador puede superar estas dificultades técnicas si hay dos formas de enzima libre. Esta técnica utiliza el intercambio de isótopos para medir indirectamente la interconversión de la enzima libre entre sus dos formas. El sustrato y el producto radiomarcados se difunden en función del tiempo. Cuando el sistema alcanza el equilibrio , la adición de sustrato sin etiquetar lo perturba o lo desequilibra. A medida que se restablece el equilibrio, se rastrea el sustrato y el producto radiomarcados para determinar la información energética. [5]
El primer uso de esta técnica aclaró la cinética y el mecanismo subyacente a la acción de la fosfoglucomutasa , favoreciendo el modelo de transferencia indirecta de fosfato con un intermediario y la transferencia directa de glucosa . [6] Esta técnica se adoptó luego para estudiar el perfil de la prolina racemasa y sus dos estados: la forma que isomeriza la L- prolina y la otra para la D-prolina. En altas concentraciones se demostró que el estado de transición en esta interconversión es limitante de la velocidad y que estas formas enzimáticas pueden diferir solo en la protonación en los grupos ácidos y básicos del sitio activo . [5]
Generalmente, "los nombres de las isomerasas se forman como " sustrato isomerasa" (por ejemplo, enoil CoA isomerasa ), o como " tipo sustrato de isomerasa " (por ejemplo, fosfoglucomutasa )". [7]
Cada una de las reacciones catalizadas por enzimas tiene un número de clasificación asignado de forma única. Las reacciones catalizadas por isomerasa tienen su propia categoría EC : EC 5. [8] Las isomerasas se clasifican además en seis subclases:
Esta categoría (EC 5.1) incluye ( racemasas ) y epimerasas ). Estas isomerasas invierten la estereoquímica en el carbono quiral objetivo . Las racemasas actúan sobre moléculas con un carbono quiral para invertir la estereoquímica, mientras que las epimerasas se dirigen a moléculas con múltiples carbonos quirales y actúan sobre uno de ellos. Una molécula con un solo carbono quiral tiene dos formas enantioméricas , como la serina que tiene las isoformas D-serina y L-serina que difieren sólo en la configuración absoluta alrededor del carbono quiral. Una molécula con múltiples carbonos quirales tiene dos formas en cada carbono quiral. La isomerización en un carbono quiral de varios produce epímeros , que se diferencian entre sí en su configuración absoluta en un solo carbono quiral. [2] Por ejemplo, la D- glucosa y la D- manosa difieren en su configuración en un solo carbono quiral. Esta clase se divide aún más según el grupo sobre el que actúa la enzima:
Esta categoría (EC 5.2) incluye enzimas que catalizan la isomerización de isómeros cis-trans . Los alquenos y cicloalcanos pueden tener estereoisómeros cis-trans. Estos isómeros no se distinguen por su configuración absoluta sino más bien por la posición de los grupos sustituyentes con respecto a un plano de referencia, como a través de un doble enlace o con respecto a una estructura de anillo. Los isómeros cis tienen grupos sustituyentes en el mismo lado y los isómeros trans tienen grupos en lados opuestos. [2]
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Esta categoría (EC 5.3) incluye oxidorreductasas intramoleculares . Estas isomerasas catalizan la transferencia de electrones de una parte de la molécula a otra. En otras palabras, catalizan la oxidación de una parte de la molécula y la reducción simultánea de otra parte. [8] Las subcategorías de esta clase son:
Esta categoría (EC 5.4) incluye transferasas intramoleculares ( mutasas ). Estas isomerasas catalizan la transferencia de grupos funcionales de una parte de una molécula a otra. [8] Las fosfotransferasas (EC 5.4.2) se clasificaron como transferasas (EC 2.7.5) con regeneración de donantes hasta 1983. [9] Esta subclase se puede dividir según el grupo funcional que transfiere la enzima:
Esta categoría (EC 5.5) incluye liasas intramoleculares . Estas enzimas catalizan "reacciones en las que un grupo puede considerarse eliminado de una parte de una molécula, dejando un doble enlace, mientras permanece unido covalentemente a la molécula". [8] Algunas de estas reacciones catalizadas implican la rotura de una estructura de anillo.
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Un ejemplo clásico de apertura y contracción de anillo es la isomerización de glucosa (un aldehído con un anillo de seis miembros) a fructosa (una cetona con un anillo de cinco miembros). La conversión de D-glucosa-6-fosfato en D-fructosa-6-fosfato está catalizada por la glucosa-6-fosfato isomerasa , una oxidorreductasa intramolecular . La reacción general implica la apertura del anillo para formar una aldosa mediante catálisis ácido/base y la posterior formación de un intermedio cis-endiol. Luego se forma una cetosa y el anillo se vuelve a cerrar.
La glucosa-6-fosfato se une primero al sitio activo de la isomerasa. La isomerasa abre el anillo: su residuo His388 protona el oxígeno en el anillo de glucosa (y así rompe el enlace O5-C1) junto con Lys518 que desprotona el oxígeno del hidroxilo C1 . El anillo se abre para formar una aldosa de cadena lineal con un protón C2 ácido. El enlace C3-C4 gira y Glu357 (asistido por His388) desprona C2 para formar un doble enlace entre C1 y C2. Se crea un intermedio cis-endiol y el oxígeno C1 es protonado por el residuo catalítico, acompañado de la desprotonación del oxígeno endiol C2. Se forma la cetosa de cadena lineal . Para cerrar el anillo de fructosa, se produce lo contrario a la apertura del anillo y se protona la cetosa. [10]
Un ejemplo de epimerización se encuentra en el ciclo de Calvin cuando la D-ribulosa-5-fosfato se convierte en D-xilulosa-5-fosfato por la ribulosa-fosfato 3-epimerasa . El sustrato y el producto difieren sólo en la estereoquímica en el tercer carbono de la cadena. El mecanismo subyacente implica la desprotonación de ese tercer carbono para formar un intermedio enolato reactivo . El sitio activo de la enzima contiene dos residuos de Asp . Después de que el sustrato se une a la enzima, el primer Asp desprotona el tercer carbono de un lado de la molécula. Esto deja un intermedio plano con hibridación sp 2 . El segundo Asp está ubicado en el lado opuesto del lado activo y protona la molécula, agregando efectivamente un protón desde el lado posterior. Estos pasos acoplados invierten la estereoquímica en el tercer carbono. [11]
La corismato mutasa es una transferasa intramolecular y cataliza la conversión de corismato en prefenato , utilizado como precursor de L-tirosina y L-fenilalanina en algunas plantas y bacterias. Esta reacción es un reordenamiento de Claisen que puede ocurrir con o sin isomerasa, aunque la velocidad aumenta 10 6 veces en presencia de corismato mutasa. La reacción pasa por un estado de transición en silla con el sustrato en una posición transdiaxial. [12] La evidencia experimental indica que la isomerasa se une selectivamente al estado de transición de la silla, aunque se desconoce el mecanismo exacto de catálisis . Se cree que esta unión estabiliza el estado de transición a través de efectos electrostáticos, lo que explica el dramático aumento en la velocidad de reacción en presencia de la mutasa o tras la adición de un catión específicamente colocado en el sitio activo. [13]
La isopentenil-difosfato delta isomerasa tipo I (también conocida como IPP isomerasa) se observa en la síntesis de colesterol y, en particular, cataliza la conversión de isopentenil difosfato (IPP) en dimetilalil difosfato (DMAPP). En esta reacción de isomerización, un doble enlace carbono-carbono estable se reorganiza para crear un isómero alílico altamente electrófilo . La IPP isomerasa cataliza esta reacción mediante la transposición antarafacial estereoselectiva de un solo protón. El doble enlace se protona en C4 para formar un carbocatión terciario intermedio en C3. El carbono adyacente, C2, se desprotona de la cara opuesta para producir un doble enlace. [14] En efecto, el doble enlace se desplaza.
La isomerasa juega un papel en las enfermedades humanas. Las deficiencias de esta enzima pueden provocar trastornos en los seres humanos.
La deficiencia de fosfohexosa isomerasa (PHI) también se conoce como deficiencia de fosfoglucosa isomerasa o deficiencia de glucosa-6-fosfato isomerasa, y es una deficiencia enzimática hereditaria. La PHI es la segunda ertoenzopatía más frecuente en la glucólisis después de la deficiencia de piruvato quinasa , y se asocia con anemia hemolítica no esferocítica de gravedad variable. [15] [16] Esta enfermedad se centra en la proteína glucosa-6-fosfato. Esta proteína se puede encontrar en la secreción de algunas células cancerosas. [17] PHI es el resultado de una enzima dimérica que cataliza la interconversión reversible de fructosa-6-fosfato y glucosa-6-fosfato. [15]
La PHI es una enfermedad muy rara, con sólo 50 casos reportados en la literatura hasta la fecha. [15]
El diagnóstico se realiza sobre la base del cuadro clínico asociado a estudios bioquímicos que revelan una deficiencia de GPI en eritrocitos (entre el 7 y el 60% de lo normal) y la identificación de una mutación en el gen GPI mediante análisis molecular. [15]
La deficiencia de fosfohexosa isomerasa puede provocar una afección denominada síndrome hemolítico. Al igual que en los seres humanos, el síndrome hemolítico, que se caracteriza por una disminución del número de eritrocitos, un hematocrito más bajo, una hemoglobina más baja , un mayor número de reticulocitos y una concentración de bilirrubina plasmática, así como un aumento de los índices somáticos del hígado y el bazo, se manifestaba exclusivamente en mutantes homocigotos. . [dieciséis]
La enfermedad conocida como deficiencia de triosafosfato isomerasa (TPI) es un trastorno multisistémico hereditario autosómico recesivo grave del metabolismo glucolítico. [18] Se caracteriza por anemia hemolítica y neurodegeneración, y es causada por una disfunción metabólica anaeróbica. Esta disfunción resulta de una mutación sin sentido que afecta a la proteína TPI codificada. [19] La mutación más común es la sustitución del gen Glu104Asp, que produce el fenotipo más grave y es responsable de aproximadamente el 80% de la deficiencia clínica de TPI. [18]
La deficiencia de TPI es muy rara, con menos de 50 casos reportados en la literatura. [20] Al ser una enfermedad hereditaria autosómica recesiva, la deficiencia de TPI tiene un riesgo de recurrencia del 25% en el caso de padres heterocigotos. [18] [20] Es una enfermedad congénita que ocurre con mayor frecuencia con anemia hemolítica y se manifiesta con ictericia. [18] La mayoría de los pacientes con TPI para la mutación Glu104Asp o heterocigotos para un alelo nulo de TPI y Glu104Asp tienen una esperanza de vida desde la infancia hasta la primera infancia. Los pacientes con TPI con otras mutaciones generalmente muestran una esperanza de vida más larga. Hasta la fecha, solo hay dos casos de personas con TPI que vivieron más de 6 años. Estos casos involucran a dos hermanos de Hungría, uno que no desarrolló síntomas neurológicos hasta los 12 años y el hermano mayor que no tiene síntomas neurológicos y Sólo sufre de anemia. [21]
Las personas con TPI muestran síntomas evidentes después de los 6 a 24 meses de edad. Estos síntomas incluyen: distonía, temblor, discinesia, signos del tracto piramidal, miocardiopatía y afectación de la neurona motora espinal. [18] Los pacientes también muestran frecuentes infecciones bacterianas del sistema respiratorio. [18]
El TPI se detecta mediante la deficiencia de la actividad enzimática y la acumulación de fosfato de dihidroxiacetona (DHAP), que es un sustrato tóxico, en los eritrocitos. [18] [20] Esto se puede detectar mediante un examen físico y una serie de análisis de laboratorio. En la detección, generalmente se observan cambios miopáticos en los músculos y neuropatía axonal crónica en los nervios. [18] El diagnóstico de TPI se puede confirmar mediante genética molecular. [18] El análisis del ADN de las vellosidades coriónicas o el análisis de los glóbulos rojos fetales se pueden utilizar para detectar TPI en el diagnóstico prenatal. [18]
El tratamiento del TPI no es específico, sino que varía según los distintos casos. Debido a la variedad de síntomas que causa la TPI, es posible que se necesite un equipo de especialistas para brindar tratamiento a un solo individuo. Ese equipo de especialistas estaría formado por pediatras, cardiólogos, neurólogos y otros profesionales de la salud que pueden desarrollar un plan de acción integral. [22]
También se pueden tomar medidas de apoyo, como transfusiones de glóbulos rojos en casos de anemia grave, para tratar la TPI. En algunos casos, la extirpación del bazo (esplenectomía) puede mejorar la anemia. No existe ningún tratamiento para prevenir el deterioro neurológico progresivo de cualquier otra manifestación clínica no hematológica de las enfermedades. [23]
Con diferencia, el uso más común de las isomerasas en aplicaciones industriales es la fabricación de azúcar . La glucosa isomerasa (también conocida como xilosa isomerasa ) cataliza la conversión de D- xilosa y D- glucosa en D- xilulosa y D- fructosa . Como la mayoría de las isomerasas de azúcar, la glucosa isomerasa cataliza la interconversión de aldosas y cetosas . [24]
La conversión de glucosa en fructosa es un componente clave en la producción de jarabe de maíz con alto contenido de fructosa . La isomerización es más específica que los métodos químicos más antiguos de producción de fructosa, lo que da como resultado un mayor rendimiento de fructosa y sin productos secundarios . [24] La fructosa producida a partir de esta reacción de isomerización es más pura y no tiene sabores residuales de contaminantes . Muchos fabricantes de dulces y refrescos prefieren el jarabe de maíz con alto contenido de fructosa debido al alto poder edulcorante de la fructosa (el doble que la sacarosa [25] ), su costo relativamente bajo y su incapacidad de cristalizar. La fructosa también se utiliza como edulcorante para los diabéticos . [24] Los principales problemas del uso de glucosa isomerasa implican su inactivación a temperaturas más altas y el requisito de un pH alto (entre 7,0 y 9,0) en el entorno de reacción. Las temperaturas moderadamente altas, superiores a 70 °C, aumentan el rendimiento de fructosa al menos a la mitad en la etapa de isomerización. [26] La enzima requiere un catión divalente como Co 2+ y Mg 2+ para alcanzar su actividad máxima, lo que supone un coste adicional para los fabricantes. La glucosa isomerasa también tiene una afinidad mucho mayor por la xilosa que por la glucosa, lo que requiere un entorno cuidadosamente controlado. [24]
La isomerización de xilosa a xilulosa tiene sus propias aplicaciones comerciales a medida que ha aumentado el interés en los biocombustibles . Esta reacción se observa a menudo de forma natural en bacterias que se alimentan de materia vegetal en descomposición. Su uso industrial más común es en la producción de etanol , logrado mediante la fermentación de xilulosa . El uso de hemicelulosa como material de partida es muy común. La hemicelulosa contiene xilano , que a su vez está compuesto de xilosa en enlaces β(1,4) . [27] El uso de glucosa isomerasa convierte de manera muy eficiente la xilosa en xilulosa, que luego puede actuar sobre la fermentación de la levadura . En general, se ha invertido una extensa investigación en ingeniería genética para optimizar la glucosa isomerasa y facilitar su recuperación de aplicaciones industriales para su reutilización.
La glucosa isomerasa es capaz de catalizar la isomerización de una variedad de otros azúcares, incluidos D- ribosa , D- alosa y L- arabinosa . Los sustratos más eficientes son aquellos similares a la glucosa y la xilosa, que tienen grupos hidroxilo ecuatoriales en el tercer y cuarto carbono. [28] El modelo actual para el mecanismo de la glucosa isomerasa es el de un cambio de hidruro basado en cristalografía de rayos X y estudios de intercambio de isótopos. [24]
Algunas isomerasas se asocian con membranas biológicas como proteínas de membrana periféricas o ancladas a través de una única hélice transmembrana , [29] por ejemplo isomerasas con el dominio tiorredoxina y ciertas prolil isomerasas .
![{\displaystyle {\ce {AB}}\quad {\xrightarrow[{\text{ isomerasa }}]{}}\quad {\ce {BA}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3e7114e4d3961ea355ca13869f9ea72fc1b38e08)
