Seminar Biotechnologie. Isomerases for Biotransformation of D- hexoses

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1 Seminar Biotechnologie Isomerases for Biotransformation of D- hexoses Wanmeng Mu, Lina Yu, Wenli Zhang, Tao Zhang, Bo Jiang (2015) Gläser Lars SEMESTER MSC. BIOTECHNOLOGIE

2 2 D-Hexosen Hexosen gehören zu den Monosacchariden und besitzen ein Grundgerüst aus sechs Kohlenstoffatomen. Ihre allgemeine chemische Formel ist C 6 H 12 O 6. Sie besitzen mehrere chirale Zentren, bei denen die Position der Hxdroxylgruppe am letzten chiralen Zentrum die D- oder L-Konfiguration bestimmt. Die Isoform der Monosaccharide führt zu unterschiedlichen physikalischen, chemischen und physiologischen Eigenschaften der Zucker. In der Natur lässt sich größtenteils nur die D-Isoform auffinden, außer L-Arabinose. Hexosen werden grundsätzlich in zwei Gruppen eingeteilt: Aldosen Ketosen Diese beiden Isoformgruppen unterscheiden sich hinsichtlich der Position der Carbonylgruppe. Bei Aldosen liegt diese am ersten C-Atom und bei Ketosen am zweiten C-Atom. Das bekannteste Beispiel für eine Aldose ist D-Glucose, während D- Fructose die wohl verbreiteste Ketose ist (Abbildung 1) (Mu, Yu, Zhang, Zhang, & Jiang, 2015). Abbildung 1: Fischerprojektion von D-Glucose (links) und D-Fructose (rechts). Die sechs C-Atome sind durchnummeriert und die Position der Carbonylgruppe gibt an, ob es sich um eine Aldose oder eine Ketose handelt. ( Glucose_vs._D-Fructose_Structural_Formulae_V.1.svg) Theoretisch sind dutzend von Monosacchariden möglich, davon sind jedoch lediglich sieben in der Natur zu finden. Diese natürlichen Monosaccharide sind D- Glucose, D-Fructose, D-Mannose, D-Xylose, D-Ribose, D-Galactose und L-Arabinose.

3 3 Alle anderen Hexosen werden als sogenannte seltene Zucker bezeichnet, da sie und ihre Derivate in der Natur selten vorkommen. Trotz ihres verminderten Aufkommens, sind diese Zucker vermehrt in das Licht der industriellen Forschung gerückt. Neuste Studien konnten einigen dieser seltenen Zucker industriell relevante Eigenschaften zusprechen. Diese umfassen zum Beispiel eine niedrige Kalorienzahl und zahlreiche pharmazeutische Aktivitäten wie anti-inflammatorisch. Die D-Hexosen werden generell in vier Ketohexosen und acht Aldohexosen unterteilt, welche in nachfolgender Abbildung 2 aufgeführt sind. Abbildung 2: D-Hexosen und ihre Einteilung in Ketosen und Aldosen. Den einzelnen D-Hexosen wurden die teilweise bereits entdeckten Eigenschaften und physiologischen Effekte zugewiesen. (aus: (Mu et al., 2015)) Der häufigste Vertreter der D-Ketohexosen, die D-Fructose, zeigte ideale Eigenschaften als Süßmittel für die Lebensmittelindustrie. Die anderen drei seltenen D-Ketohexosen D-Psicose, D-Tagatose und D-Sorbose zeigten ebenfalls großes Potenzial für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie. Bei den D-Aldohexosen sind D- Glucose, D-Mannose und D-Galactose die verbreitesten Vertreter. Die anderen fünf seltenen D-Aldohexosen sind D-Allose, D-Altrose, D-Talose, D-Idose und D-Gulose deren Eigenschaften und physiologischen Effekte teilweise nicht bekannt sind.

4 4 Alle diese D-Hexosen können mit Hilfe der sogenannten Izumoring-Strategie durch biologische Reaktionen produziert werden (Izumori, 2006). Abbildung 3: Izumoring-Strategie. Eine neue und komplette Strategie zur Verknüpfung aller D- Hexosen mit Hilfe biologischer Reaktionen. (aus: (Mu et al., 2015) Die Izumoring-Stratgie benötigt als Biokatalysatoren lediglich drei verschiedene Enzymtypen. Die Ketose 3-Epimerase katalysiert hierbei die reversible Epimerisation am dritten C-Atom von D-Fructose und D-Tagatose zu D-Psicose und D-Sorbose. Die Polyol Dehydrogenasen verbinden hierbei D-Psicose und D-Tagatose, wodurch alle D-Ketohexoses in Verbindung zueinander stehen. Der dritte Vertreter, die Isomerasen, können die D-Ketohexosen in die entsprechenden D-Aldohexosen umwandeln. Somit ist es mit dieser Strategie prinzipiell möglich alle 12 D-Hexosen aus den kostengünstigen natürlichen Monosacchariden herzustellen (Mu et al., 2015).

5 5 In diesem Review wurde der Fokus auf die Isomerasen gelegt. Isomerasen stellen die fünfte Enzymklasse der EC-Nomenklatur dar. Sie katalysieren Veränderungen innerhalb eines Moleküls, indem sie ein Isomer in ein anderes umwandeln. Die D- Hexose Isomerasen gehören zu den intramolekularen Oxidoreduktasen und konvertieren hierbei die meist reversible Reaktion zwischen Aldosen und Ketosen (Lehninger, A., Nelson, D., & Cox, M., 1994) In dieser Zusammenfassung werden die beiden industriell wichtigsten Isomerasen als Repräsentanten für die Isomerasen vorgestellt. D-Glucose Isomerase Abbildung 4: Graphische Darstellung der reversiblen Reaktion von D-Glucose zu D-Fructose durch die D-Glucose Isomerase. (verändert nach Mu et al., 2015) Die D-Glucose Isomerase katalysiert die reversible Isomersierung von D-Glucose zu D-Fructose. Das Enzym ist in fast allen Mikroorganismen ein essentieller Bestandteil des zentralen Stoffwechsels. Normalerweise ist die D-Glucose Isomerase im D-Xylose Metabolismus beteiligt und wandelt D-Xylose in D-Xylulose um. Die D- Glucose Isomerase ist heutzutage das größte volumenbezogene kommerziell immobilisierte Produkt weltweit. Im Bereich der Lebensmittelindustrie wird sie vorallem für die Produktion von Fructose-haltigem Kornsirup verwendet, welcher als wichtiger Bestandteil von süßen Getränken und Speisen benutzt wird (Mu et al., 2015).

6 6 L-Arabinose Isomerase Abbildung 5: Graphische Darstellung der reversiblen Reaktion von D-Tagatose zu D-Galactose durch die L-Arabinose Isomerase. (verändert nach Mu et al., 2015) Neben der D-Glucose Isomerase spielt die L-Arabinose Isomerase eine immer bedeutendere Rolle in der Industrie. Dieses Enzym katalysiert die reversible Reaktion zwischen L-Arabinose und L-Ribulose. Neuste Studien zeigten jedoch ebenfalls eine Isomerisierungsaktivität des Enzyms zwischen D-Galactose und D-Tagatose. Somit ist dieses Enzym in der Lage aus einem natürlich häufig vorkommenden Zucker (D- Galactose), einen seltenen Zucker durch einfache enzymatische Isomerisierung herzustellen. Neben den beiden hier genannten Isomerasen, gibt es zahlreiche andere Isomerasen, deren Anwendungsmöglichkeiten immer mehr an Bedeutung gewinnen. Diese sind bei den Isomerisierungen der anderen Vertreter der D-Hexosen verantwortlich. Beispielhaft sind hier die L-Fucose Isomerase, D-Lyxose Isomerase, Ribose-5-Phosphat Isomerase und andere zu nennen. Lediglich die Umwandlung von D-Idose und D-Sorbose ist bis dato noch unbekannt.

7 7 Charakteristika der Isomerasen für die Biotransformation Die D-Glucose und L-Arabinose Isomerasen sind bis heute die am meisten untersuchten Isomerasen. Die Resultate dieser Forschungen können hilfreich für die Untersuchung von weiteren Isomerasen sein. Zahlreiche Forschungen zeigten bei vielen Isomerasen durchgängig ein ph-optimum im alkalischen Bereich (ph 7-9), was ein Problem für den industriellen Einsatz darstellt. Eine industrielle Anwendung benötigt im Allgemeinen ein eher saures ph-optimum um nicht-enzymatische Bräunungsreaktionen, wie eine Maillard-Reaktion zu verhindern. Diese würden zu zahlreichen unerwünschten Nebenprodukten führen. Somit ist es die Aufgabe von zukünftigen Forschungen, die Isomerasen weiterhin zu optimieren. Mögliche Ansätze wären hierbei zum Beispiel molekulare Modifikationen an den Enzymen mit Hilfe moderner genetischer Techniken vorzunehmen. Hierzu wurde bereits von vielen Isomerasen die dreidimensionale Struktur erforscht, welche als Ausgangsbasis für weitere Modifikationen dienen kann. Quellen Izumori, K. (2006). Izumoring: A strategy for bioproduction of all hexoses. Journal of Biotechnology. Mu, W., Yu, L., Zhang, W., Zhang, T., & Jiang, B. (2015). Isomerases for biotransformation of D-hexoses. Applied Microbiology and Biotechnology, 99(16), Lehninger, A., Nelson, D., & Cox, M. (1994). Prinzipien der Biochemie, 2.Auflage. Spektrum Akademischer Verlag GmbH Fructose_Structural_Formulae_V.1.svg