HEPTOSEN: EIGENSCHAFTEN, BIOLOGISCHE BEDEUTUNG, SYNTHESE - BIOLOGIE - 2025

Die Heptosen sind Monosaccharide sieben Kohlenstoffatomen und mit der empirischen Formel C ₇ H ₁₄ O ₇ . Diese Zucker sind wie andere Monosaccharide polyhydroxyliert und können sein: Aldoheptosen, die an Kohlenstoff 1 eine Aldehydfunktion haben, oder Ketoheptosen, die an Kohlenstoff 2 eine Ketongruppe haben.

Heptosen werden in Stoffwechselwegen wie dem Calvin-Zyklus der Photosynthese und der nichtoxidativen Phase des Pentosephosphatweges synthetisiert. Sie sind Bestandteile von Lipopolysacchariden (LPS) in der Zellwand von gramnegativen Bakterien wie Escherichia coli, Klebsiella sp., Neisseria sp., Proteus sp., Pseudomonas sp., Salmonella sp., Shigella sp. Und Vibrio sp.

Quelle: Fvasconcellos

Eigenschaften

Heptosen, ähnlich wie Hexosen, existieren überwiegend in ihrer zyklischen Form. Aldoheptosen haben fünf asymmetrische Kohlenstoffe und bilden eine Pyranose. Im Gegensatz dazu besitzen Ketoheptosen vier asymmetrische Kohlenstoffe, in denen sie auch Pyranosen bilden.

Eine sehr häufige natürliche Ketoheptose in lebenden Organismen ist Sedoheptulose. Dieser Zucker ist wichtig für die Bildung von Hexosezuckern bei der Photosynthese und dem Kohlenhydratstoffwechsel bei Tieren.

Wenn Sedoheptulose in verdünnter Mineralsäure erhitzt wird, bildet sie ein Gleichgewichtsmineralgemisch, in dem 80% als 2,7-Anhydro-β-D-altro-Heptulopyranose und 20% als Sedoheptulose kristallisiert werden.

Die chemische Bestimmung der Heptosen erfolgt mit Schwefelsäure und Cystein, Diphenylamin und Floroglucinol. Unter bestimmten Bedingungen ist es möglich, Heptose von anderen Zuckern zu unterscheiden. Es kann sogar zwischen Aldoheptosen und Ketoheptosen unterscheiden.

Viele Aldoheptosen haben die Glycero-D-Mannoheptose-Konfiguration. Heptosen sind zusammen mit der Ketozuckersäure mit acht Kohlenstoffatomen (3-Desoxy-D-manno-2-octulosonsäure, ein Kdo-Zucker) strukturelle Bestandteile von LPS in der Außenmembran der Lipiddoppelschicht von Bakterien .

LPS kann mit einem 45% igen Phenol-in-Wasser-Gemisch extrahiert werden. Dann können die Heptosen und KDO-Zucker durch kolorimetrische und chromatographische Techniken identifiziert werden.

Biologische Bedeutung der Hepatosen

In der Photosynthese und im Pentosephosphatweg

Enzyme, die Triosephosphat, Glycerinaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyacetonphosphat, die durch Assimilation von CO _{2 hergestellt werden} , in Stärke umwandeln, befinden sich im Stroma des Chloroplasten . Die Bildung von Triosephosphat und die Rückgewinnung der Kohlenstoffe, um die Fixierung von CO _{2 wieder} zu beginnen , bilden zwei Stufen des Calvin-Zyklus.

Während der Kohlenstoffrückgewinnungsphase ist das Enzym Aldolase für die Umwandlung von Erythrose-4-phosphat (einem Metaboliten mit vier Kohlenstoffatomen (E4P)) und Dihydroxyketonphosphat (einem Metaboliten mit drei Kohlenstoffatomen) in Sedoheptulose-1,7-bisphosphat verantwortlich .

Diese Ketoheptose wird in mehreren enzymatisch katalysierten Schritten in Ribulose-1,5-bisphosphat umgewandelt.

Ribulose-1,5-bisphosphat ist der initiierende Metabolit des Calvin-Zyklus. Darüber hinaus findet die Biosynthese von Sedoheptulose-7-phosphat (S7P) im Pentosephosphatweg statt, der in allen lebenden Organismen vorhanden ist. In diesem Fall wandelt die Wirkung einer Transketolase zwei Phosphatpentose in S7P und Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP) um.

Dann werden durch zwei durch eine Transaldolase und eine Transketolase katalysierte Schritte S7P und GAP in Fructose-6-phosphat und GAP umgewandelt. Beide sind Metaboliten der Glykolyse.

In Lipopolysacchariden (LPS)

Heptosen sind in Lipopolysacchariden und Polysacchariden der Bakterienkapsel vorhanden. Das Strukturmotiv von LPS in Enterobacteriaceae besteht aus Lipid A, das aus einem Dimer von 2-Amino-2-desoxy-D-Glucose besteht, das durch eine β- (1®6) -Bindung verbunden ist. Es hat zwei Phosphatester und langkettige Fettsäuregruppen.

Lipid A ist durch eine Brücke aus drei Zuckern Kdo und Ketodesoxyoctulosonsäure, die durch glykosidische Bindungen (2®7) verbunden ist, mit einer zentralen Region verbunden. Diese Region ist mit L-Glycero-D-Mannoheptosen Heptose mit alpha-anomerer Konfiguration verbunden. Es gibt eine O-Antigen-Region.

Dieses Strukturmotiv ist in gramnegativen Bakterien wie Escherichia coli, Klebsiella sp., Yersinia sp., Pseudomonas sp., Salmonella sp. Sowie anderen pathogenen Bakterien vorhanden.

Es gibt Varianten von Heptose, die unterschiedliche Konfigurationen des Stereozentrums von Pyranosen in Oligosacchariden sowie von Seitenketten in Polysacchariden umfassen. D-Glycero-D-Manno-Heptopyranosil ist in Yersinia enterocolitica, Coxiella burnetti, Mannheimia haemolitica, Aeromonas hydrophila und Vibrio salmonicida vorhanden.

Heptose D-Glycero-D-Manno-Heptose liegt als Seitenketteneinheit im äußeren Bereich des LPS von Proteus- und Haemophilus influenzae-Stämmen vor; und als kurze oligomere Seitenketten, die durch α - (1®3) oder α - (1®2) verbunden sind und mit dem Strukturmotiv der Klebsiella pneumonie LPS verbunden sind.

In Vibrio cholerae-Stämmen besitzt die O-Antigenregion D-Glycero-D-Manno-Heptose mit beiden anomeren Konfigurationen (Alpha und Beta).

In den Glykoproteinen von Bakterien

Seine Oberflächenschichten (S-Schichten) bestehen aus identischen Proteinuntereinheiten, die es in einer zweidimensionalen Organisation bedecken. Sie kommen in grampositiven und gramnegativen Bakterien und Archaebakterien vor. Die Proteine ​​in dieser Schicht haben Glycopeptide, die durch Polysaccharidketten verlängert werden.

Die Glykoproteine ​​von Aneurinibacillus thermoaerophilus, einem grampositiven Bakterium, besitzen sich wiederholende Einheiten von Disacchariden ®3) -Dglycero- & bgr; -D-mano-Hepp- (1®4) - & agr; -L-Rhap- (1® in der S-Schicht.

Eine der Funktionen von Glykoproteinen ist die Adhäsion. Zum Beispiel gibt es ein Glykoprotein, das die Adhäsion als Autotransporterprotein (AIDA-I) in E. coli-Stämmen gemessen hat. Die Glykoprotein-Biosynthese erfolgt durch Glycosyltransferasen wie Heptosyltransferase, für die ADP-Glycero-Manno-Heptose erforderlich ist.

Synthese

Die chemische Synthese und die Kombination chemischer und enzymatischer Methoden von aktiviertem Heptosephosphat und Heptosenukleotid haben es ermöglicht, die Stoffwechselwege aufzuklären, die Mikroorganismen zur Herstellung dieser Substanzen verwenden.

Viele Synthesemethoden stellen 6-epimere Manno-Heptose her, um L-Glycero-D-Manno-Heptose zu synthetisieren. Diese Verfahren basieren auf der Verlängerung der Kette von der anomeren Kohlenstoff- oder Aldehydgruppe unter Verwendung von Grignard-Reagenzien. Glykosylierungen werden in Gegenwart von Acylschutzgruppen durchgeführt.

Auf diese Weise gibt es eine Stereokontrolle, bei der die α-Anomerkonfiguration erhalten bleibt. Anomere Thioglycoside und Trichloracetimidat-Derivate dienen als Heptosylgruppendonoren. Die neueren Verfahren umfassen die selektive Bildung von β-Heptosiden und 6-Desoxyheptosid-Derivaten.

Die aktivierte Heptose-Nucleotid-Biosynthese beginnt mit Sedoheptulose-7-phosphat, das in D-Glycero-D-Manno-Heptose-7-phosphat umgewandelt wird. Eine Phosphomutase wurde vorgeschlagen, um anomeres Heptosylphosphat zu bilden. Dann katalysiert eine Heptosyltransferase die Bildung von ADP D-Glycero-D-Manno-Heptose.

Schließlich ändert eine Epimerase die Konfiguration von ADP D-Glycero-D-Manno-Heptose in ADP L-Glycero-D-Manno-Heptose.

Zusätzlich wurden chemische Studien durchgeführt, um die Mechanismen herauszufinden, mit denen diese Enzyme die Katalyse durchführen. Beispielsweise verwenden sie benzyliertes Benzylmannopyranosid, das oxidiert wird, um das Manouron-Derivat zu ergeben.

Die Behandlung mit Salzsäure wandelt das Manouron-Derivat in Diazoketon um. Die Behandlung mit Diazobenzylphosphorsäure erzeugt eine Mischung aus L-Glycero-7-phosphat und D-Glycero-7-phosphat.

Verweise

1. Collins, PM 2006. Wörterbuch der Kohlenhydrate mit CD-ROM. Chapman & Hall / CRC, Boca Raton.
2. Cui, SW 2005. Lebensmittelkohlenhydrate: Chemie, physikalische Eigenschaften und Anwendungen. CRC Press, Boca Raton.
3. Ferrier, RJ 2000. Kohlenhydratchemie: Monosaccharide, Disaccharide und spezifische Oligosaccharide. Royal Society of Chemistry, Cambridge.
4. Hofstad, T. 1974. Die Verteilung von Heptose und 2-Keto-3-desoxyoctonat in Bacteroidaceae. Journal of General Microbiology, 85, 314–320
5. Kosma, P. 2008. Vorkommen, Synthese und Biosynthese von bakteriellen Heptosen. Current Organic Chemistry, 12, 1021 & ndash; 1039.
6. Nelson, DL, Cox, MM 2017. Lehninger-Prinzipien der Biochemie. WH Freeman, New York.
7. Pigman, W. 1957. Die Kohlenhydrate: Chemie, Biochemie, Physiologie. Akademische Presse, New York.
8. Pigman, W., Horton, D. 1970. Die Kohlenhydrate: Chemie und Biochemie. Akademische Presse, New York.
9. Sinnott, ML 2007. Struktur und Mechanismus der Kohlenhydratchemie und Biochemie. Royal Society of Chemistry, Cambridge.
10. Stick, RV, Williams, SJ 2009. Kohlenhydrate: die essentiellen Moleküle des Lebens. Elsevier, Amsterdam.
11. Voet, D., Voet, JG, Pratt, CW 2008. Grundlagen der Biochemie - Leben auf molekularer Ebene. Wiley, Hoboken.