葡萄醣異構酶異構化葡萄醣的機制與應用

異構酶，是一種催化同分異構物互相轉換的酶，有催化消除旋光度的消旋酶、

催化順反異構物轉換的順反異構酶、催化分子內氧化還原的氧化還原酶……等等。

葡萄醣異構酶(glucose isomerase)，是一種催化葡萄醣異構化成果醣的異構酶，全 名叫做 D-木醣-醛醣-酮醣異構酶(D-xylose aldose-ketose-isomerase)，本來此酵素 是用來催化木醣(xylose)變成木酮醣(xylulose)，之後發現也可以用來催化葡萄醣 (醛醣)異構化成果醣(酮醣)而被人們廣泛的使用。

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本研究所使用的葡萄醣異構酶是由 Streptomyces rubiginosus 這個菌種提煉 出來的，雖然從各菌種提煉出的葡萄醣異構酶主要催化性都差不多，不過所透過 的機制卻完全不同，所以導致每種酵素的催化效率也不一樣。

葡萄醣異構酶通常需要的反應條件為中性至微鹼性，且有金屬二價離子的環 境會更好，通常需要的是鎂離子、鈷離子或錳離子^36,37。這些離子都可以幫助葡 萄醣異構酶的維持構型，藉由離子的正電和酵素形成吸引力來穩定酵素的構型以 維持酵素的活性，鎂離子還有活化葡萄醣異構酶的功用³⁸；另外，如果溶液裡面 含有鈣離子、鋅離子……等等這些，則會降低葡萄醣異構酶的活性，甚至使葡萄 醣異構酶失去活性³⁹。

葡萄醣異構酶把葡萄醣異構化成果醣的機制，會因為酶的種類不同而有很大 的差異。如其中一種含有磷酸官能基的葡萄糖異構酶，它會催化葡萄醣進行烯二 醇(enediol)機制之後轉變成果醣 ³⁸。如圖 1.9 所示，此種葡萄醣異構酶中的組胺 酸(histidine)會參與催化的機制，首先在鹼性的溶液中有氫氧根離子(OH^-,圖中代 號為 B)，會先取走下方氫離子，而鍵結電子會形成孤對電子，會被迫推到中間 的碳-碳鍵中形成烯類，上方尾端醛基氧的雙鍵被迫推出去形成氧離子(O^-)，會把 鄰近葡萄醣異構酶中，組胺酸的氫離子取過來形成尾端羥基，這樣就形成中間體，

也就是順式的烯二醇類；接著組胺酸會催化把下方羥基的氫離子拿走，孤對電子 跑到碳-氧鍵中形成雙鍵，而碳-碳雙鍵的電子就會被擠壓到上方的碳形成孤對電 子，此孤對電子會把水中的氫離子搶回來，形成最右邊的酮醣。

圖 1.9 含有磷酸根的葡萄糖異構酶異構機制

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本研究使用的葡萄醣異構酶在催化葡萄醣異構化成果醣時所經過的機制是 另外一種，叫做氫陰離子轉移機制(hydride shift mechanism)。根據文獻的研究，

結果圖 1.10 所示⁴⁰，可以看到的是，酵素分子中間有二價錳離子(錳離子存在於 緩衝液中，鎂離子也有此功用)，和酵素分子內產生吸引力而穩定酵素結構；首 先水分子和錳離子、葡萄醣異構酶中含羧酸離子(COO^-)的部分以及葡萄醣分子產 生氫鍵，以固定葡萄醣分子；羧酸離子會搶走水分子的氫離子產生氫氧根離子，

接下來氫氧根離子又會把葡萄醣上的羥基之氫離子搶回來形成水分子，葡萄醣分 子上就形成氧離子(O^-)，氧離子的孤對電子不穩定，直接下移形成碳氧雙鍵；而 這個碳上就會多一鍵形成五鍵，瞬間氫陰離子就會脫離出去到尾端醛基的碳上，

而尾端醛基的雙鍵就會被推出去形成孤對電子在尾端的氧上，此時酮基產生而尾 端有氧離子；接下來氧離子就會搶走水的氫離子形成羥基，而水形成氫氧根離子，

然後氫氧根離子搶走葡萄醣異構酶上羧酸(COOH)的氫離子形成水分子，羧酸回 復成羧酸根離子(COO^-)。

由此兩種催化機制我們可以看到，如果反應環境下有在鹼性下，也就是溶液 中含有氫氧根離子，可以幫助尾端的氫被取走，接著一連串的異構化反應就會發 生；另外從第二個機制也可以看到，二價陽離子可以和酵素中的分子有吸引力可 以固定酵素構型，同時也可以抓住水分子和葡萄醣分子。

目前葡萄醣異構酶已經被固定在基材上，並大量生產應用到工業上。現在食 品工業都用以固定在基材上的葡萄醣異構酶生產高果糖糖漿⁴¹；另外也看到有研 究用葡萄醣異構酶來異構化很多不同的醛醣至酮醣的反應並討論其效率⁴²。

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圖 1.10 葡萄糖異構酶之催化機制