ПЕНТОЗЫ: ХАРАКТЕРИСТИКА, БИОСИНТЕЗ, ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2025

В пентозы являются моносахариды , имеющие пять атомов углерода и по эмпирической формуле С ₅ Н ₁₀ O ₅ . Как и другие моносахариды, пентозы представляют собой многоатомные сахара, которые могут быть альдозами (если они имеют альдегидную группу) или кетозами (если они имеют кетоновую группу).

Одним из направлений метаболизма глюкозы у сосудистых животных и растений является окисление через пентозофосфат с образованием рибозо-5-фосфата, пентозы, которая будет составлять часть ДНК.

Источник: NEUROtiker

Другие пути превращают глюкозу (через действие изомераз, киназ и эпимераз) в пентозу, ксилулозу и арабинозу, которые выполняют структурные функции. Его ферментация микроорганизмами важна в биотехнологии.

характеристики

Во всех моносахаридах, включая пентозы, абсолютная конфигурация хирального центра, наиболее удаленного от карбонильного углерода пентоз (C-4), может быть конфигурацией D-глицеральдегида или L-глицеральдегида. Это определяет, является ли пентоза энантиомером D или L.

Альдопентозы имеют три хиральных центра (C-2, C-3, C-4), тогда как кетозы имеют два хиральных центра (C-3, C-4).

В природе пентозы с конфигурацией D более распространены, чем пентозы с конфигурацией L. Альдопентозы с конфигурацией D: арабиноза, ликсоза, рибоза и ксилоза. Кетопентозами с конфигурацией D являются рибулоза и ксилулоза.

Пентозы можно циклизовать реакциями карбонильного углерода альдегидной или кетонной функциональной группы с вторичной гидроксильной группой во внутримолекулярной реакции с образованием циклических полуацеталей или полукеталей. Пентозы могут образовывать пиранозы или фуранозы.

Альдегидная группа альдопентозов, как и во всех альдозах, может окисляться и превращаться в карбоксильную группу. Образовавшийся продукт называется альдоновой кислотой. Эта монокарбоновая кислота может подвергаться второму окислению, которое происходит на углероде 6, первичном спирте, превращаясь в дикарбоновую кислоту, называемую альдаровой кислотой.

Пентозы как структурные компоненты

Анализ состава целлюлозы и лигнина показывает, что оба вещества состоят из гексоз и пентоз, причем гексозы являются такими же или более многочисленными (до двух раз больше), чем пентозы.

Целлюлоза и гемицеллюлоза находятся в клеточной стенке растительных клеток. Микрофибриллы кристаллической целлюлозы окружают аморфную гемицеллюлозу, будучи встроенными в лигниновую матрицу. Целлюлоза в основном состоит из глюкозы и других сахаров, таких как целлобиоза, целотриоза и целотетраоза.

Гемицеллюлоза - это короткоразветвленные гетерополисахариды, состоящие из гексоз, D-глюкозы, D-галактозы и D-маннозы, а также пентоз, в основном D-ксилозы и D-арабинозы.

В лигноцеллюлозных остатках доля ксилозы больше, чем у арабинозы. Пентозы составляют 40% от общего количества сахаров (гексозы + пентозы). Типы древесины различаются по заменам, которые имеют ксиланы.

Гемицеллюлоза классифицируется в соответствии с содержащимися в ней остатками сахара. Тип и количество гемицеллюлозы широко варьируются в зависимости от растения, типа ткани, стадии роста и физиологических условий. D-ксилан является пентозой, наиболее часто встречающейся в лиственных и хвойных деревьях.

Биосинтез пентозы

В природе наиболее распространенными пентозами являются D-ксилоза, L-арабиноза и D-рибоза, а также пентитолы, D-арабинол и рибит. Другие пентозы очень редки или не существуют.

У растений цикл Кальвина является источником фосфорилированных сахаров, таких как D-фруктозо-6-фосфат, который может превращаться в D-глюкозо-6-фосфат. Фосфоглюкомутаза катализирует взаимное превращение D-глюкозо-6-фосфата в D-глюкозо-1-фосфат.

Фермент UDP-глюкозофосфорилаза катализирует образование UDP-глюкозы из уридин-трифосфата (UTP) и D-глюкозо-1-фосфата. Последующая реакция состоит из восстановления оксида, когда НАД ⁺ принимает электроны от UDP-глюкозы, которая превращается в UDP-глюкуронат. Последний подвергается декарбоксилированию и превращается в UDP-ксилозу.

UDP-арабиноза 4-эпимераза катализирует превращение UDP-ксилозы в UDP-арабинозу, являясь обратимой реакцией. Оба UDP-сахара (UDP-ксилоза и UDP-арабиноза) могут использоваться для биосинтеза гемицеллюлозы.

Цикл Кальвина также производит пентозу фосфата, такую ​​как рибозо-5-фосфат, альдозу, рибулозо-5-фосфат или кетоз, которые служат для связывания диоксида углерода.

В Escherichia coli L-арабиноза превращается в L-рибулозу с помощью L-арабинозомеразы. Затем L-рибулоза превращается сначала в L-рибулозо-5-фосфат, а затем в D-ксилулозо-5-фосфат под действием L-рибулокиназы и L-рибулозо-5-фосфатэпимеразы.

Ферментация пентоз для производства этанола

Этанол коммерчески производится путем ферментации и химического синтеза. Производство этанола путем ферментации требует, чтобы микроорганизмы использовали гексозы и пентозы в качестве источника энергии. Получение этанола из пентоз выше, если оба сахара присутствуют в больших количествах.

Многие организмы, такие как дрожжи, мицелиальные грибы и бактерии, могут сбраживать ксилозу и арабинозу при температуре от 28 ° C до 65 ° C и pH от 2 до 8, производя спирт.

Некоторые штаммы Candida sp. они обладают способностью расти только из D-ксилозы, этанол является основным продуктом ферментации. Дрожжи, которые лучше всего сбраживают ксилозу до этанола, - это Brettanomyces sp., Candida sp., Hansenula sp., Kluyveromyces sp., Pachysolen sp. и Saccharomices sp.

Нитчатый гриб Fusarium oxysporum сбраживает глюкозу до этанола с образованием диоксида углерода. Этот гриб также способен преобразовывать D-ксилозу в этанол. Однако есть и другие грибы, у которых способность ферментировать D-ксилозу выше. К ним относятся Mucor sp. и Neurospora crassa.

Многие бактерии могут использовать гемицеллюлозу в качестве источника энергии, но ферментация сахаров производит другие вещества помимо этанола, такие как органические кислоты, кетоны и газы.

Наиболее распространенные пентозы: структура и функции

Рибоза

Символ ребра. Это альдопентоза, а энантиомер D-рибозы более распространен, чем L-рибоза. Растворим в воде. Это метаболит пентозофосфатного пути. Рибоза входит в состав РНК. Дезоксирибоза входит в состав ДНК.

Арабиноза

Символ ара. Это альдопентоза, энантиомер L-арабинозы более распространен, чем D-арабиноза. Арабиноза входит в состав клеточной стенки растений.

ксилоза

Ксил символ. Это альдопентоза, энантиомер D-ксилозы более распространен, чем L-ксилоза. Он присутствует в клеточной стенке растений и содержится во многих породах древесины. Он также присутствует в шелухе семян хлопка и скорлупе ореха пекана.

Рибулоза

Символ втирания. Это кетоз, энантиомер D-рибулозы более распространен, чем L-рибулоза. Это метаболит пентозофосфатного пути, который присутствует в растениях и животных.

Ссылки

1. Cui, SW 2005. Пищевые углеводы: химия, физические свойства и применение. CRC Press, Бока-Ратон.
2. Heldt, HW 2005. Биохимия растений. Эльзевир, Амстердам.
3. Нельсон, Д.Л., Кокс, М.М. 2017. Принципы биохимии Ленингера. WH Freeman, Нью-Йорк.
4. Прейсс, Дж. 1980. Биохимия растений - всесторонний трактат, том 3 - углеводы: структура и функции. Academic Press, Нью-Йорк.
5. Сингх, А., Мишра, П. 1995. Использование пентозы микробов: текущие приложения в биотехнологии. Эльзевир, Амстердам.
6. Синнотт, ML 2007. Структура и механизм химии и биохимии углеводов. Королевское химическое общество, Кембридж.
7. Стик, Р. В., Уильямс, С. Дж. 2009. Углеводы: основные молекулы жизни. Эльзевир, Амстердам.
8. Воет, Д., Воет, Дж. Г., Пратт, К. В. 2008. Основы биохимии - жизнь на молекулярном уровне. Уайли, Хобокен.