PENTOZE: ZNAČILNOSTI, BIOSINTEZA, FUNKCIJE - BIOLOGIJA - 2026

V pentoz so monosaharidi s petimi ogljikovimi atomi in s je empirično formulo C ₅ H ₁₀ O ₅ . Podobno kot pri drugih monosaharidih so pentoze polhidrični sladkorji, ki so lahko aldoze (če imajo aldehidno skupino) ali ketoze (če imajo ketonsko skupino).

Eno od presnovnih destinacij glukoze pri vaskularnih živalih in rastlinah je oksidacija s pentoznim fosfatom, da nastane riboze 5-fosfat, pentoza, ki bo del DNK.

Vir: NEUROtiker

Druge poti pretvorijo glukozo (z delovanjem izomeraz, kinaz in epimeraz) v pentozno ksilulozo in arabinozo, ki imata strukturne funkcije. Njegova fermentacija s strani mikroorganizmov je pomembna v biotehnologiji.

značilnosti

V vseh monosaharidih, vključno s pentozami, je absolutna konfiguracija kiralnega centra, ki je najbolj oddaljena od karbonilnega ogljika pentoz (C-4), lahko tista kot D-gliceraldehid ali L-gliceraldehid. To določa, ali je pentoza enantiomer D ali L.

Aldopentoze imajo tri kiralna središča (C-2, C-3, C-4), ketoze pa dva kiralna centra (C-3, C-4).

V naravi so pentoze s konfiguracijo D. bolj obilne kot pentoze s konfiguracijo L. Aldopentoze z D konfiguracijo so: arabinoza, liksoza, riboza in ksiloza. Ketopentoze z D konfiguracijo so: ribuloza in ksiluloza.

Pentoze lahko cikliziramo z reakcijami karbonilnega ogljika aldehida ali ketonske funkcije, s sekundarno hidroksilno skupino v intramolekularni reakciji, da tvorijo ciklične hemiacetale ali hemiketale. Pentoze lahko tvorijo piransko ali furanozo.

Aldehidna skupina aldopentoz se lahko, kot v vseh aldozah, oksidira in pretvori v karboksilno skupino. Nastali produkt se imenuje aldonska kislina. Ta monokarboksilna kislina lahko opravi drugo oksidacijo, ki nastane pri primarnem alkoholu ogljika 6 in se pretvori v dikarboksilno kislino, imenovano aldarska kislina.

Pentoze kot strukturne komponente

Analiza sestave celuloze in lignina razkrije, da obe snovi sestavljata heksoze in pentoze, pri čemer so heksoze enake ali bolj obilne (do dvakrat več) kot pentoze.

Celuloza in hemiceluloza se nahajata v celični steni rastlinskih celic. Kristalna celulozna mikrofibrila obkroža amorfno hemicelulozo, ki je vgrajena v ligninov matriks. Celuloza je v glavnem sestavljena iz glukoze in drugih sladkorjev, kot so celobioza, celorioza in celotetraoza.

Hemiceluloza je kratko razvejen heteropolizaharid, sestavljen iz heksoz, D-glukoze, D-galaktoze ter D-manoze in pentoze, predvsem D-ksiloze in D-arabinoze.

V lignoceluloznih ostankih je delež ksiloze večji od deleža arabinoze. Pentoze predstavljajo 40% skupnih sladkorjev (heksoze + pentoze). Vrste lesa se razlikujejo po nadomestkih, ki jih imajo ksilani.

Hemiceluloza je razvrščena glede na ostanke sladkorja. Vrsta in količina hemiceluloze se zelo razlikujeta glede na rastlino, vrsto tkiva, stopnjo rasti in fiziološke pogoje. D-ksilan je najpogostejša pentoza v listavcih in iglavcih.

Biosinteza pentoze

V naravi so najpogostejše pentoze D-ksiloza, L-arabinoza in D-riboza ter pentitoli D-arabinol in ribitol. Druge pentoze so zelo redke ali pa ne obstajajo.

V rastlinah je cikel Calvin vir fosforiliranih sladkorjev, kot je D-fruktoza-6-fosfat, ki jih lahko pretvorimo v D-glukozo-6-fosfat. Fosfoglukomutaza katalizira medsebojno pretvorbo D-glukoze-6-fosfata v D-glukozo-1-fosfat.

Encim UDP-glukozna fosforilaza katalizira tvorbo UDP-glukoze iz uridin-trifosfata (UTP) in D-glukoze-1-fosfata. Reakcija, ki sledi, je sestavljena iz redukcije oksida, kjer NAD ⁺ sprejme elektrone iz UDP-glukoze, ki se pretvori v UDP-glukuronat. Slednji je podvržen dekarboksilaciji in se pretvori v UDP-ksilozo.

UDP-arabinoza 4-epimeraza katalizira pretvorbo UDP-ksiloze v UDP-arabinozo, ki je reverzibilna reakcija. Za biosintezo hemiceluloze se lahko uporabljata oba sladkorja UDP (UDP-ksiloza in UDP-arabinoza).

Calvin cikel proizvaja tudi fosfat pentozo, kot so riboza 5-fosfat, aldoza, ribuloza 5-fosfat ali ketoza, ki služijo za vezavo ogljikovega dioksida.

V Escherichia coli se L-arabinoza pretvori v L-ribulozo z L-arabinozno izomerazo. Nato se L-ribuloza pretvori najprej v L-ribuloza 5-fosfat in nato v D-ksiluloza 5-fosfat z delovanjem L-ribulokinaze in L-ribuloze 5-fosfata epimeraze.

Fermentacija pentoz, da nastane etanol

Etanol nastaja komercialno s fermentacijo in s kemijsko sintezo. Proizvodnja etanola s fermentacijo zahteva, da mikroorganizmi uporabljajo heksoze in pentoze kot vir energije. Pridobitev etanola iz pentoz je večja, če sta oba sladkorja prisotna v velikih količinah.

Številni organizmi, kot so kvasovke, nitaste glive in bakterije, lahko fermentirajo ksilozo in arabinozo pri temperaturah med 28 ° C in 65 ° C in s pH med 2 in 8, pri čemer proizvaja alkohol.

Nekateri sevi vrste Candida sp. lahko rastejo samo iz D-ksiloze, etanol pa je glavni fermentacijski proizvod. Kvasovke, ki najbolje fermentirajo ksilozo v etanolu, so Brettanomyces sp., Candida sp., Hansenula sp., Kluyveromyces sp., Pachysolen sp. in Saccharomices sp.

Filamentna gliva Fusarium oxysporum fermentira glukozo v etanol, pri čemer nastane ogljikov dioksid. Ta gliva je sposobna pretvoriti D-ksilozo v etanol. Vendar obstajajo tudi druge glive, katerih sposobnost fermentacije D-ksiloze je večja. Sem spadajo Mucor sp. in Nevrospora crassa.

Številne bakterije lahko uporabljajo hemicelulozo kot vir energije, vendar fermentacija sladkorja poleg etanola povzroča tudi druge snovi, kot so organske kisline, ketoni in plini.

Najpogostejše pentoze: zgradba in funkcija

Riboza

Simbol rebra. Je aldopentoza, enantiomer D-riboze pa je bolj obilen kot L-riboza. Topen v vodi. To je metabolit poti pentoznega fosfata. Ribose je del RNA. Deoksiriboza je del DNK.

Arabinoza

Simbol Ara. Je aldopentoza, enantiomer L-arabinoze je bolj obilen kot D-arabinoza. Arabinoza je del celične stene rastlin.

Ksiloza

Simbol ksil. Je aldopentoza, enantiomer D-ksiloze je bolj obilen kot L-ksiloza. Prisotna je v celični steni rastlin in je v številnih vrstah lesa. Prisotna je tudi v lupini semen bombaža in lupini pekana.

Ribuloza

Simbol drgnite. Gre za ketozo, enantiomer D-ribuloze je bolj obilen kot L-ribuloza. Je presnovek poti pentoznega fosfata in je prisoten pri rastlinah in živalih.

Reference

1. Cui, SW 2005. Živilski ogljikovi hidrati: kemija, fizikalne lastnosti in aplikacije. CRC Press, Boca Raton.
2. Heldt, HW 2005. Rastlinska biokemija. Elsevier, Amsterdam.
3. Nelson, DL, Cox, MM 2017. Lehningerjevi principi biokemije. WH Freeman, New York.
4. Preiss, J. 1980. Biokemija rastlin celostna razprava, 3. zvezek - ogljikovi hidrati: zgradba in delovanje. Academic Press, New York.
5. Singh, A., Mishra, P. 1995. Uporaba mikrobov pentoze: trenutne uporabe v biotehnologiji. Elsevier, Amsterdam.
6. Sinnott, ML 2007. Kemija ogljikovih hidratov in biokemija. Royal Society of Chemistry, Cambridge.
7. Stick, RV, Williams, SJ 2009. Ogljikovi hidrati: bistvene molekule življenja. Elsevier, Amsterdam.
8. Voet, D., Voet, JG, Pratt, CW 2008. Osnove biokemije - življenje na molekularni ravni. Wiley, Hoboken.