KWAS KAWOWY: BUDOWA, WŁAŚCIWOŚCI, BIOSYNTEZA, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2025

Kwas kawowy jest związkiem organicznym katechole użytkownika i fenylopropanoidów. Jego wzór cząsteczkowy to C ₉ H ₈ O ₄ . Pochodzi z kwasu cynamonowego i jest również nazywany kwasem 3,4-dihydroksycynamonowym lub kwasem 3- (3,4-dihydroksyfenylo) -akrylowym.

Kwas kawowy jest szeroko rozpowszechniony w roślinach, ponieważ jest półproduktem w biosyntezie ligniny, która jest składnikiem struktury rośliny. Ale występuje obficie w napojach, takich jak kawa i jej nasiona.

Kwas kawowy znajduje się w kawie. Autor: Engin Akyurt. Źródło: Pixabay.

Może chronić skórę przed promieniami ultrafioletowymi, działając przeciwzapalnie i przeciwnowotworowo. Kwas kawowy zapobiega miażdżycy tętnic związanej z otyłością i uważa się, że może zmniejszać gromadzenie się tłuszczu trzewnego.

Istnieją dowody na to, że może chronić neurony i poprawiać funkcje pamięci oraz że może stanowić nowe leczenie chorób psychiatrycznych i neurodegeneracyjnych.

Ma wyraźne właściwości przeciwutleniające, będąc najsilniejszym antyoksydantem wśród kwasów hydrocynamonowych. Ma również potencjalne zastosowania w przemyśle tekstylnym i winiarskim oraz między innymi jako środek owadobójczy.

Struktura

Ponieważ jest to fenylopropanoid, kwas kawowy ma pierścień aromatyczny z podstawnikiem trójwęglowym. W pierścieniu aromatycznym posiada dwie grupy hydroksylowe –OH, aw łańcuchu trójwęglowym podwójne wiązanie i grupę –COOH.

Ze względu na wiązanie podwójne jego struktura może przybrać postać cis (grupa dihydroksyfenylowa i -COOH po tej samej stronie płaszczyzny wiązania podwójnego) lub trans (w całkowicie przeciwnych pozycjach).

Struktura cząsteczki kwasu kawowego. Można zauważyć, że -COOH i dihydroksyfenyl w tym przypadku znajdują się w pozycji trans. Bezpiecznik 809. Źródło: Wikimedia Commons.

Nomenklatura

- Kwas kawowy

- kwas 3,4-dihydroksycynamonowy

- kwas 3- (3,4-dihydroksyfenylo) -akrylowy

- kwas 3- (3,4-dihydroksyfenylo) -propenowy

Nieruchomości

Stan fizyczny

Żółte do pomarańczowych krystaliczne ciało stałe, które tworzy pryzmaty lub arkusze.

Stały kwas kawowy. Danny S. Źródło: Wikimedia Commons.

Waga molekularna

180,16 g / mol.

Temperatura topnienia

225 ºC (topi się z rozkładem).

Rozpuszczalność

Słabo rozpuszczalny w zimnej wodzie, poniżej 1 mg / ml w 22 ºC. Dobrze rozpuszczalny w gorącej wodzie. Bardzo dobrze rozpuszczalny w zimnym alkoholu. Słabo rozpuszczalny w eterze etylowym.

Stała dysocjacji

pK _a = 4,62 w 25 ° C

Właściwości chemiczne

Alkaliczne roztwory kwasu kawowego mają kolor od żółtego do pomarańczowego.

Lokalizacja w przyrodzie

Występuje w napojach, takich jak kawa i zielona mate, w jagodach, bakłażanach, jabłkach i cydrach, nasionach i bulwach. Występuje również w składzie wszystkich roślin, ponieważ jest półproduktem w biosyntezie ligniny, ich strukturalnego składnika.

Należy zauważyć, że większość kwasu kawowego w roślinach jadalnych występuje w postaci estrów połączonych z innymi składnikami rośliny.

Występuje jako kwas chlorogenowy, który występuje na przykład w ziarnach kawy, różnych owocach i ziemniakach oraz jako kwas rozmarynowy w niektórych aromatycznych ziołach.

Czasami znajduje się w sprzężonych cząsteczkach kwasów kofeilochinowego i dikafenylochinowego.

W winie jest sprzężony z kwasem winowym; z kwasem kaftarowym w winogronach i soku winogronowym; w sałacie i cykorii w postaci kwasu cykorowego, czyli kwasu dikafeilwinowego i kawowego; w szpinaku i pomidorach sprzężonych z kwasem p-kumarowym.

W brokułach i warzywach krzyżowych jest sprzężony z kwasem synapowym. W otrębach pszennych i kukurydzianych występuje w postaci cynamatów i ferulatów lub kwasu ferulolochinowego, a także w sokach cytrynowych.

Biosynteza

Cząsteczki fenylopropanoidów, takie jak kwas kawowy, powstają na drodze biosyntezy kwasu szikimowego, poprzez fenyloalaninę lub tyrozynę, z kwasem cynamonowym jako ważnym związkiem pośrednim.

Ponadto, w biosyntezie ligniny roślinnej na drodze jednostki fenylopropanoidowej, kwas p-kumarowy przekształca się w kwas kawowy.

Użyteczność dla zdrowia ludzkiego

Podano, że kwas kawowy ma właściwości przeciwutleniające i hamujące utlenianie tłuszczu. Jako przeciwutleniacz należy do najsilniejszych kwasów fenolowych, a jego aktywność jest najwyższa spośród kwasów hydrocynamonowych. Częściami jego struktury odpowiedzialnymi za tę aktywność są o-difenol i hydroksycynamyl.

Szacuje się, że mechanizm antyoksydacyjny przebiega poprzez tworzenie chinonu ze struktury dihydroksybenzenu, ponieważ utlenia się on znacznie łatwiej niż materiały biologiczne.

Jednak w niektórych badaniach stwierdzono, że struktura podobna do chinonu nie jest stabilna i reaguje poprzez sprzęganie z innymi strukturami poprzez wiązanie podobne do nadtlenków. Ta ostatnia jest krokiem, który naprawdę usuwa wolne rodniki w przeciwutleniającej aktywności kwasu kawowego.

Kwas kawowy działa przeciwzapalnie. Chroni komórki skóry, działając przeciwzapalnie i przeciwnowotworowo pod wpływem promieniowania ultrafioletowego.

Zmniejsza metylację DNA w ludzkich komórkach rakowych, zapobiegając wzrostowi guza.

Ma działanie przeciwmiażdżycowe w miażdżycy tętnic związanej z otyłością. Zapobiega miażdżycy poprzez hamowanie utleniania lipoprotein o małej gęstości i wytwarzanie reaktywnych form tlenu.

Stwierdzono, że ester fenetylowy kwasu kawowego lub kofeian fenetylu ma właściwości przeciwwirusowe, przeciwzapalne, przeciwutleniające i immunomodulujące. Podawanie doustne osłabia proces miażdżycowy.

Kawian fenetylu. Ed (Edgar181). Źródło: Wikimedia Commons.

Ponadto ester ten działa ochronnie neuronów przed niedostatecznym dopływem krwi, przed apoptozą indukowaną małą ilością potasu w komórce oraz neuroprotekcją przed chorobą Parkinsona i innymi chorobami neurodegeneracyjnymi.

Potencjalne zastosowanie przeciwko otyłości

Niektóre badania wskazują, że kwas kawowy wykazuje znaczący potencjał jako środek przeciw otyłości poprzez hamowanie enzymów lipogennych (wytwarzających tłuszcz) i nagromadzenie lipidów w wątrobie.

Myszom z otyłością indukowaną dietą wysokotłuszczową podawano kwas kawowy, w wyniku czego zmniejszono przyrost masy ciała, zmniejszyła się masa tkanki tłuszczowej oraz nagromadzenie tłuszczu trzewnego.

Otyłe myszy laboratoryjne. Pogrebnoj-Alexandroff. Źródło: Wikimedia Commons.

Ponadto zmniejszyło się stężenie trójglicerydów i cholesterolu w osoczu i wątrobie. Innymi słowy, kwas kawowy zmniejszył produkcję tłuszczu.

Potencjalne zastosowanie przeciwko chorobie Alzheimera

Choroba Alzheimera u niektórych osób wiąże się między innymi z zaburzeniami metabolizmu glukozy i insulinoopornością. Upośledzona sygnalizacja insuliny w neuronach może być związana z zaburzeniami neurokognitywnymi.

W niedawnym badaniu (2019) podawanie kwasu kawowego zwierzętom laboratoryjnym z hiperinsulinemią (nadmiarem insuliny) poprawiło pewne mechanizmy chroniące komórki neuronalne przed atakiem stresu oksydacyjnego w hipokampie i korze mózgowej.

Zmniejszyło również akumulację niektórych związków, które powodują toksyczność w neuronach mózgu.

Naukowcy sugerują, że kwas kawowy może poprawić funkcję pamięci poprzez wzmocnienie sygnalizacji insuliny w mózgu, zmniejszenie produkcji toksyn i zachowanie plastyczności synaptycznej lub zdolności neuronów do łączenia się ze sobą w celu przekazywania informacji.

Podsumowując, kwas kawowy może zapobiegać postępowi choroby Alzheimera u pacjentów z cukrzycą.

Potencjalne zastosowanie przy innych zaburzeniach psychiatrycznych i neurodegeneracyjnych

Ostatnie eksperymenty (2019) pokazują, że kwas kawowy ma działanie przeciwutleniające i zmniejszające aktywację mikrogleju w hipokampie myszy. Mikroglej to rodzaj komórki, która działa poprzez eliminację elementów szkodliwych dla neuronów poprzez fagocytozę.

Stres oksydacyjny i aktywacja mikrogleju sprzyjają zaburzeniom psychiatrycznym i neurodegeneracyjnym. Te patologie obejmują chorobę Parkinsona, chorobę Alzheimera, schizofrenię, chorobę dwubiegunową i depresję.

Biorąc pod uwagę jego zdolność do zmniejszania wyżej wymienionych skutków, kwas kawowy może stanowić nową metodę leczenia tych chorób.

Inne możliwe zastosowania

W przemyśle tekstylnym

Kwas kawowy jest pomocny w produkcji mocniejszego rodzaju wełny.

Używając enzymu tyrozynazy, możliwe było wprowadzenie cząsteczek kwasu kawowego do substratu białka wełny. Włączenie tego związku fenolowego do włókna wełny zwiększa aktywność przeciwutleniającą, osiągając nawet 75%.

Zmodyfikowane w ten sposób wełniane włókna tekstylne mają nowe właściwości i właściwości, które czynią je bardziej odpornymi. Efekt antyoksydacyjny nie słabnie po praniu wełny.

W przemyśle spożywczym

Kwas kawowy zwrócił uwagę ze względu na swoje właściwości przeciwutleniające na poziomie biologicznym, dzięki czemu może być stosowany jako przeciwutleniacz w żywności.

W tym sensie niektóre badania pokazują, że kwas kawowy jest zdolny do opóźniania utleniania lipidów w tkance mięśniowej ryb i uniknięcia spożycia zawartego w niej α-tokoferolu. Α-Tokoferol to rodzaj witaminy E.

Działanie przeciwutleniające uzyskuje się dzięki współdziałaniu kwasu askorbinowego również obecnego w tkance. Ta interakcja kwasu kawowego - askorbinowego synergistycznie wzmacnia odporność systemu na uszkodzenia oksydacyjne.

W przemyśle winiarskim

Stwierdzono, że dodatek kwasu kawowego do czerwonych winogron odmiany Tempranillo lub ich wina prowadzi do zwiększenia trwałości koloru wina podczas przechowywania.

Wyniki wskazują, że w okresie dojrzewania zachodzą wewnątrzcząsteczkowe reakcje kopigmentacji, które zwiększają stabilność nowych cząsteczek, a to pozytywnie wpływa na kolor wina.

Jako środek owadobójczy

W eksperymentach z Helicoverpa armigera, owadem z rzędu Lepidoptera, niedawno odkryto, że kwas kawowy ma potencjał jako insektycyd.

Owad ten zasiedla i żywi się wieloma rodzajami roślin i upraw.

Helicoverpa armigera, owad atakujący wiele rodzajów roślin jadalnych. Dumi. Źródło: Wikimedia Commons.

Wszystkie funkcjonalne grupy kwasu kawowego przyczyniają się do tego, że jest on inhibitorem proteazy, enzymu występującego w jelitach tych owadów. Ponadto kwas kawowy pozostaje stabilny w środowisku jelita owada.

Larwa Helicoverpa armigera. Gyorgy Csoka, Węgry Forest Research Institute, Bugwood.org. Źródło: Wikimedia Commons.

Hamując proteazę, owad nie może przeprowadzić procesów niezbędnych do jego wzrostu i rozwoju i umiera.

Jego użycie byłoby ekologicznym sposobem zwalczania tego typu szkodników.

Bibliografia

1. Elsevier (od redakcji) (2018). Dowiedz się więcej o kwasie kawowym. Odzyskany z sciencedirect.com
2. Amerykańska Narodowa Biblioteka Medyczna. (2019). Kwas kawowy. Odzyskany z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
3. Chang, W. i in. (2019). Ochronny wpływ kwasu kawowego na patogenezę choroby Alzheimera poprzez modulowanie sygnału insuliny mózgowej, akumulację β-amyloidu i plastyczność synaps u szczurów z hiperinsulinemią. J. Agric. Food Chem.2019, 67, 27, 7684-7693. Odzyskany z pubs.acs.org.
4. Masuda, T. i in. (2008) Antyoksydacyjne badania mechanizmu kwasu kawowego: Identyfikacja produktów przeciwutleniających kofeatu metylu z utleniania lipidów. Agric. Food Chem. 2008, 56, 14, 5947-5952. Odzyskany z pubs.acs.org.
5. Joshi, RS i in. (2014). Droga do „dietetycznych pestycydów”: badanie molekularne owadobójczego działania kwasu kawowego przeciwko Helicoverpa armigera. J. Agric. Food Chem.2014, 62, 45, 10847-10854. Odzyskany z pubs.acs.org.
6. Koga, M. i in. (2019). Kwas kawowy zmniejsza stres oksydacyjny i aktywację mikrogleju w hipokampie myszy. Tissue and Cell 60 (2019) 14-20. Odzyskany z ncbi.nlm.nih.gov.
7. Iglesias, J. i in. (2009). Kwas kawowy jako przeciwutleniacz w mięśniach ryb: mechanizm synergizmu z endogennym kwasem askorbinowym i α-tokoferolem. Agric. Food Chem.2009, 57, 2, 675–681. Odzyskany z pubs.acs.org.
8. Lee, E.-S. et al. (2012). Kwas kawowy zaburza adhezję monocytów do kultur komórek śródbłonka stymulowanych rezystyną adipokinową. J. Agric. Food Chem.2012, 60, 10, 2730-2739. Odzyskany z pubs.acs.org.
9. Aleixandre-Tudo, JL i wsp. (2013). Wpływ dodatku kwasu kawowego na skład fenolowy win tempranillo z różnych technik winiarskich. J. Agric. Food Chem. 2013, 61, 49, 11900-11912. Odzyskany z pubs.acs.org.
10. Liao, C.-C. et al. (2013). Zapobieganie hiperlipidemii i otyłości wywołanej dietą przez kwas kawowy u myszy C57BL / 6 poprzez regulację ekspresji genów lipogenezy w wątrobie. J. Agric. Food Chem. 2013, 61, 46, 11082-11088. Odzyskany z pubs.acs.org.