PENTOZY: CHARAKTERYSTYKA, BIOSYNTEZA, FUNKCJE - BIOLOGIA - 2026

W pentozy są monosacharydy mający pięć atomów węgla, z tym wzór empiryczny C ₅ H ₁₀ O ₅ . Podobnie jak inne monosacharydy, pentozy są wielowodorotlenowymi cukrami, którymi mogą być aldozy (jeśli mają grupę aldehydową) lub ketozy (jeśli mają grupę ketonową).

Jednym z miejsc metabolizmu glukozy u zwierząt naczyniowych i roślin jest utlenianie przez fosforan pentozy w celu wytworzenia 5-fosforanu rybozy, pentozy, która będzie stanowić część DNA.

Źródło: NEUROtiker

Inne szlaki przekształcają glukozę (poprzez działanie izomerazy, kinaz i epimeraz) w pentozę, ksylulozę i arabinozy, które mają funkcje strukturalne. Jego fermentacja przez mikroorganizmy jest ważna w biotechnologii.

cechy

We wszystkich monosacharydach, w tym w pentozach, absolutną konfiguracją centrum chiralnego najbardziej oddalonego od karbonylowego węgla pentoz (C-4) może być D-gliceroaldehyd lub L-gliceraldehyd. To określa, czy pentoza jest enancjomerem D czy L.

Aldopentozy mają trzy centra chiralności (C-2, C-3, C-4), podczas gdy ketozy mają dwa centra chiralności (C-3, C-4).

W naturze pentozy o konfiguracji D są liczniejsze niż pentozy o konfiguracji L. Aldopentozy o konfiguracji D to: arabinoza, liksoza, ryboza i ksyloza. Ketopentozy o konfiguracji D to: rybuloza i ksyluloza.

Pentozy można cyklizować w reakcjach węgla karbonylowego z aldehydową lub ketonową grupą funkcyjną, z drugorzędową grupą hydroksylową w reakcji wewnątrzcząsteczkowej, z utworzeniem cyklicznych półacetali lub hemiketali. Pentozy mogą tworzyć piran lub furanozę.

Grupę aldehydową aldopentoz, jak we wszystkich aldozach, można utlenić i przekształcić w grupę karboksylową. Powstały produkt nazywany jest kwasem aldonowym. Ten kwas monokarboksylowy może ulec drugiemu utlenianiu, które zachodzi na węglu 6, pierwszorzędowym alkoholu, przekształcając się w kwas dikarboksylowy, zwany kwasem aldarowym.

Pentozy jako elementy konstrukcyjne

Analiza składu celulozy i ligniny ujawnia, że ​​obie substancje składają się z heksoz i pentoz, przy czym heksozy występują w takiej samej lub większej ilości (do dwóch razy więcej) niż pentoz.

Celuloza i hemiceluloza znajdują się w ścianie komórkowej komórek roślinnych. Mikrofibryle krystalicznej celulozy otaczają amorficzną hemicelulozę, osadzone w matrycy ligninowej. Celuloza składa się głównie z glukozy i innych cukrów, takich jak celobioza, celotrioza i celotetraoza.

Hemiceluloza to krótko rozgałęzione heteropolisacharydy złożone z heksoz, D-glukozy, D-galaktozy i D-mannozy oraz pentoz, głównie D-ksylozy i D-arabinozy.

W pozostałościach lignocelulozowych udział ksylozy jest większy niż arabinozy. Pentozy stanowią 40% wszystkich cukrów (heksozy + pentozy). Rodzaje drewna rozróżnia się na podstawie podstawień, które mają ksylany.

Hemiceluloza jest klasyfikowana zgodnie z zawartymi w niej pozostałościami cukru. Rodzaj i ilość hemicelulozy różni się znacznie w zależności od rośliny, typu tkanki, etapu wzrostu i warunków fizjologicznych. D-ksylan jest najpowszechniej występującą pentozą w drzewach liściastych i iglastych.

Biosynteza pentozy

W naturze najbardziej rozpowszechnionymi pentozami są D-ksyloza, L-arabinoza i D-ryboza oraz pentytole D-arabinol i rybitol. Inne pentozy są bardzo rzadkie lub nie istnieją.

W roślinach cykl Calvina jest źródłem fosforylowanych cukrów, takich jak D-fruktozo-6-fosforan, który można przekształcić w D-glukozo-6-fosforan. Fosfoglukomutaza katalizuje przemianę wewnętrzną D-glukozo-6-fosforanu do D-glukozo-1-fosforanu.

Enzym fosforylaza UDP-glukozy katalizuje tworzenie UDP-glukozy z trifosforanu urydyny (UTP) i D-glukozo-1-fosforanu. Następująca po niej reakcja polega na redukcji tlenków, w której NAD ⁺ przyjmuje elektrony z glukozy UDP, która jest przekształcana w glukuronian UDP. Ta ostatnia ulega dekarboksylacji i jest przekształcana w UDP-ksylozę.

4-epimeraza UDP-arabinozy katalizuje konwersję UDP-ksylozy do UDP-arabinozy, będąc reakcją odwracalną. Oba cukry UDP (UDP-ksyloza i UDP-arabinoza) mogą być stosowane do biosyntezy hemicelulozy.

Cykl Calvina wytwarza również pentozę fosforanową, taką jak 5-fosforan rybozo, aldozę, 5-fosforan rybulozy lub ketozę, które służą do wiązania dwutlenku węgla.

U Escherichia coli L-arabinoza jest przekształcana w L-rybulozę przez izomerazę L-arabinozy. Następnie L-rybuloza jest przekształcana najpierw w L-rybulozo-5-fosforan, a następnie w D-ksylulozo-5-fosforan przez działanie L-rybulokinazy i L-rybulozo-5-fosforanu epimerazy.

Fermentacja pentoz do produkcji etanolu

Etanol jest produkowany komercyjnie w drodze fermentacji i syntezy chemicznej. Produkcja etanolu w drodze fermentacji wymaga, aby mikroorganizmy używały heksoz i pentoz jako źródła energii. Pozyskiwanie etanolu z pentoz jest większe, jeśli oba cukry są obecne w dużych ilościach.

Wiele organizmów, takich jak drożdże, grzyby strzępkowe i bakterie, może fermentować ksylozę i arabinozę w temperaturach od 28 ° C do 65 ° C i przy pH między 2 a 8, wytwarzając alkohol.

Niektóre szczepy Candida sp. mają zdolność wzrostu tylko z D-ksylozy, której głównym produktem fermentacji jest etanol. Drożdże najlepiej fermentujące ksylozę do etanolu to Brettanomyces sp., Candida sp., Hansenula sp., Kluyveromyces sp., Pachysolen sp. i Saccharomices sp.

Grzyb strzępkowy Fusarium oxysporum fermentuje glukozę do etanolu, wytwarzając dwutlenek węgla. Grzyb ten jest również zdolny do przekształcania D-ksylozy w etanol. Istnieją jednak inne grzyby, których zdolność do fermentacji D-ksylozy jest większa. Należą do nich Mucor sp. i Neurospora crassa.

Wiele bakterii może wykorzystywać hemicelulozę jako źródło energii, ale podczas fermentacji cukrów oprócz etanolu powstają inne substancje, takie jak kwasy organiczne, ketony i gazy.

Najczęstsze pentozy: budowa i funkcja

Ryboza

Symbol żebra. Jest to aldopentoza, a enancjomer D-rybozy występuje w większej liczbie niż L-ryboza. Rozpuszczalny w wodzie. Jest metabolitem szlaku pentozofosforanowego. Ryboza jest częścią RNA. Deoksyryboza jest częścią DNA.

Arabinoza

Symbol Ara. Jest aldopentozą, enancjomer L-arabinozy występuje w większej liczbie niż D-arabinozy. Arabinoza jest częścią ściany komórkowej roślin.

Ksyloza

Symbol Xyl. Jest to aldopentoza, enancjomer D-ksylozy występuje w większej ilości niż L-ksyloza. Występuje w ścianie komórkowej roślin i występuje w wielu gatunkach drewna. Występuje również w łusce nasion bawełny i łupinie orzesznika.

Rybuloza

Symbol pocierania. Jest to ketoza, enancjomer D-rybulozy występuje w większej ilości niż L-rybuloza. Jest metabolitem szlaku pentozofosforanowego i występuje u roślin i zwierząt.

Bibliografia

1. Cui, SW 2005. Węglowodany spożywcze: chemia, właściwości fizyczne i zastosowania. CRC Press, Boca Raton.
2. Heldt, HW 2005. Biochemia roślin. Elsevier, Amsterdam.
3. Nelson, DL, Cox, MM 2017. Zasady Lehningera biochemii. WH Freeman, Nowy Jork.
4. Preiss, J. 1980. Biochemia roślin obszerny traktat, tom 3 - Węglowodany: budowa i funkcja. Academic Press, Nowy Jork.
5. Singh, A., Mishra, P. 1995. Mikrobiologiczne wykorzystanie pentozy: aktualne zastosowania w biotechnologii. Elsevier, Amsterdam.
6. Sinnott, ML 2007. Chemia węglowodanów i struktura biochemiczna i mechanizm. Royal Society of Chemistry, Cambridge.
7. Stick, RV, Williams, SJ 2009. Węglowodany: podstawowe cząsteczki życia. Elsevier, Amsterdam.
8. Voet, D., Voet, JG, Pratt, CW 2008. Podstawy biochemii - życie na poziomie molekularnym. Wiley, Hoboken.