En enzimología , una xilosa isomerasa ( EC 5.3.1.5) es una enzima que cataliza la interconversión de D-xilosa y D-xilulosa . Esta enzima pertenece a la familia de las isomerasas , específicamente aquellas oxidorreductasas intramoleculares que interconvierten aldosas y cetosas . La isomerasa se ha observado en casi cien especies de bacterias. [2] Las xilosa -isomerasas también se denominan comúnmente fructosa-isomerasas debido a su capacidad para interconvertir glucosa y fructosa. El nombre sistemático de esta clase de enzimas es D-xilosa aldosa-cetosa-isomerasa. Otros nombres de uso común incluyen D-xilosa isomerasa, D-xilosa cetoisomerasa y D-xilosa cetol-isomerasa. [3]
La actividad de la D-xilosa isomerasa fue observada por primera vez por Mitsuhashi y Lampen en 1953 en la bacteria Lactobacillus pentosus . [4] La producción artificial a través de E. coli transformada también ha tenido éxito. [5] En 1957, Kooi y Marshall observaron la actividad de la D-xilosa isomerasa en la conversión de D-glucosa a D-fructosa. [6] Ahora se sabe que las isomerasas tienen una amplia especificidad de sustrato. La mayoría de las pentosas y algunas hexosas son sustratos para la D-xilosa isomerasa. Algunos ejemplos incluyen: D-ribosa, L-arabinosa, L-ramnosa y D-alosa. [7]
La conversión de glucosa en fructosa por la xilosa isomerasa se patentó por primera vez en la década de 1960, sin embargo, el proceso no era viable industrialmente ya que las enzimas estaban suspendidas en solución y el reciclaje de la enzima era problemático. [7] Takanashi desarrolló por primera vez en Japón una xilosa isomerasa inmóvil que se fijaba en una superficie sólida. [7] Estos desarrollos fueron esenciales para el desarrollo de los procesos de fermentación industrial utilizados en la fabricación de jarabe de maíz con alto contenido de fructosa . [8] : 27 [9] : 808–813 [10]
La estructura terciaria se determinó para varias isomerasas de xilosa de microbios a partir de mediados de la década de 1980 ( Streptomyces olivochromogenes en 1988, Streptomyces violaceoniger en 1988, Streptomyces rubiginosus en 1984, Arthrobacter B3728 en 1986, Actinoplanes missouriensis en 1992 y Clostridium thermosulfurogenes en 1990). [8] : 366
Esta enzima participa en las interconversiones de pentosas y glucuronatos y en el metabolismo de fructosa y manosa . Los azúcares más biodisponibles según la Sociedad Internacional de Azúcares Raros son: glucosa, galactosa, manosa, fructosa, xilosa, ribosa y L-arabinosa. Veinte hexosas y nueve pentosas, incluida la xilulosa, se consideraron "azúcares raros". Por lo tanto, la D-xilosa isomerasa se utiliza para producir estos azúcares raros que tienen aplicaciones muy importantes en biología a pesar de su baja abundancia. [11]
La xilosa isomerasa se puede aislar del vino de arroz chino tinto, que contiene la bacteria Lactobacillus xylosus . [12] Esta bacteria se clasificó erróneamente como L. plantarum , que normalmente crece en el azúcar L-arabinosa , y rara vez crece en D-xilosa. Se reconoció que L. xylosus se distinguía por su capacidad de crecer en D-xilosa. [13] La xilosa isomerasa en L. xylosus tiene un peso molecular de aproximadamente 183000 daltons. [14] Su pH de crecimiento óptimo es de aproximadamente 7,5 para L. lactis , sin embargo, cepas como la enzima xilosa L. brevis prefieren un entorno más alcalino. La cepa L. lactis es estable en el rango de pH de 6,5 a 11,0, y la enzima L. brevis , que es menos tolerante a los cambios de pH, muestra actividad en el rango de pH de 5,7 a 7,0. [14] Kei Y. y Noritaka T. también realizaron pruebas térmicas y descubrieron que la xilosa isomerasa era térmicamente estable a aproximadamente 60 grados Celsius [14].
La xilosa isomerasa tiene una estructura basada en ocho barriles alfa/beta que crean un sitio activo que contiene dos iones de magnesio divalentes. Las enzimas xilosa isomerasas presentan un pliegue de barril TIM con el sitio activo en el centro del barril y una estructura cuaternaria tetramérica . [15] Las estructuras PDB están disponibles en los enlaces del cuadro de información a la derecha. La proteína es un tetrámero donde los barriles pareados son casi coaxiales, lo que forma dos cavidades en las que los metales divalentes están unidos a una de las dos cavidades. Los metales están en una geometría octaédrica. El sitio de metal 1 une el sustrato firmemente, mientras que el sitio de metal 2 lo une de forma laxa. Ambos comparten un residuo ácido, el ácido glutámico 216 de la enzima, que une los dos cationes. Dos aminoácidos básicos rodean los ligandos cargados negativamente para neutralizarlos. La segunda cavidad está orientada hacia la cavidad del metal y ambas cavidades comparten la misma ruta de acceso. La segunda cavidad es hidrófoba y tiene un residuo de histidina activado por un residuo de aspartato unido a él por enlaces de hidrógeno . Este residuo de histidina es importante en la isomerización de la glucosa. [16]
En la isomerización de la glucosa, la histidina 53 se utiliza para catalizar la transferencia de protones de O1 a O5; el diagrama del mecanismo de apertura del anillo se muestra a continuación. El primer metal, mencionado anteriormente, se coordina con O3 y O4, y se utiliza para acoplar el sustrato. [16]
En la isomerización de la xilosa, los datos de los cristales muestran que la xilosa se une a la enzima como una cadena abierta. El metal 1 se une a O2 y O4, y una vez unido, el metal 2 se une a O1 y O2 en el estado de transición. Estas interacciones junto con un residuo de lisina ayudan a catalizar el cambio de hidruro necesario para la isomerización. [17] [16] El estado de transición consiste en un ion carbonio de alta energía que se estabiliza a través de todas las interacciones del metal con el sustrato de azúcar. [16]
La aplicación más utilizada de esta enzima es la conversión de glucosa en fructosa para producir jarabe de maíz con alto contenido de fructosa (JMAF). [8] : 27 Hay tres pasos generales en la producción de JMAF a partir de almidón: [9] : 808–813
El proceso se lleva a cabo en biorreactores a 60–65 °C. [8] : 27 Las enzimas se desnaturalizan a estas temperaturas, y un foco de investigación ha sido la ingeniería de versiones más termoestables de la xilosa isomerasa y las otras enzimas en el proceso. [8] : 27 [18] Las enzimas generalmente se inmovilizan para aumentar el rendimiento, y encontrar mejores formas de hacerlo ha sido otro foco de investigación. [8] : 358–360 [19]
La xilosa isomerasa es una de las enzimas utilizadas por las bacterias en la naturaleza para utilizar la hemicelulosa como fuente de energía, y otro foco de la investigación industrial y académica ha sido el desarrollo de versiones de la xilosa isomerasa que podrían ser útiles en la producción de biocombustibles . [8] : 358 [20] [21]
La capacidad de la xilosa isomerasa para convertir glucosa en fructosa ha llevado a su propuesta como tratamiento para la malabsorción de fructosa. [22] [23] Esta enzima se utiliza en entornos industriales y se ha demostrado que no produce ninguna respuesta alérgica en humanos. [22]
Los productos que contienen xilosa isomerasa se venden como suplementos dietéticos de venta libre (OTC) para combatir la malabsorción de fructosa , bajo marcas comerciales que incluyen Fructaid , Fructease , Fructase , Fructose Digest y Fructosin . Aparte de las preocupaciones generales sobre la eficacia de las enzimas de venta libre, [24] actualmente hay muy poca investigación disponible sobre la xilosa-isomerasa como suplemento dietético, [25] [22] con el único estudio científico [26] que indica un efecto positivo sobre las náuseas y el dolor abdominal relacionados con la malabsorción, pero ninguno sobre la hinchazón. [23] [25] [22] Esta disminución en la excreción de hidrógeno en el aliento demostrada en este estudio es una señal potencial de que la fructosa se absorbió mucho mejor. [22] Sin embargo, los resultados de este estudio no fueron confirmados por otros estudios, y este estudio no evaluó los efectos a largo plazo para la salud y no intentó determinar qué pacientes son los más adecuados para el tratamiento con xilosa isomerasa, si es que lo es. [22] [23]
