PIROGRONIAN: WŁAŚCIWOŚCI, SYNTEZA, ROLA BIOLOGICZNA, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2025

Pirogronian lub kwas pirogronowy jest najprostszym ketokwas. Ma trójwęglową cząsteczkę z grupą karboksylową sąsiadującą z ketonowym węglem. Związek ten jest końcowym produktem glikolizy i stanowi skrzyżowanie dróg dla rozwoju wielu procesów metabolicznych.

Glikoliza to szlak metaboliczny, który rozkłada glukozę. Składa się z dziesięciu etapów, w których jedna cząsteczka glukozy jest przekształcana w dwie cząsteczki pirogronianu, w wyniku czego powstają dwie cząsteczki ATP.

Szkielet cząsteczki kwasu pirogronowego. Źródło: Lukáš Mižoch

W pierwszych pięciu etapach glikolizy następuje zużycie dwóch cząsteczek ATP do produkcji cukrów fosforanowych: glukozo-6-fosforanu i fruktozo-1,6-bisfosforanu. W ostatnich pięciu reakcjach glikolizy generowana jest energia i cztery cząsteczki ATP.

Kwas pirogronowy jest wytwarzany z kwasu fosfoenolopirogronowego lub fosfoenolopirogronianu w reakcji katalizowanej przez enzym kinazę pirogronianową; enzym, który wymaga Mg ²⁺ i K ⁺ . Podczas reakcji dochodzi do produkcji cząsteczki ATP.

Wytworzony kwas pirogronowy może być używany w różnych wydarzeniach biochemicznych; w zależności od tego, czy glikoliza została przeprowadzona w warunkach tlenowych, czy beztlenowych.

W warunkach tlenowych kwas pirogronowy przekształca się w acetyloCoA, który jest włączany do cyklu Krebsa lub kwasów trikarboksylowych. Podczas elektronicznego łańcucha transportowego, procesu zachodzącego po glikolizie, glukoza przekształca się w dwutlenek węgla i wodę.

W warunkach beztlenowych kwas pirogronowy przekształca się w mleczan pod wpływem enzymu dehydrogenazy mlekowej. Dzieje się tak w organizmach wyższych, w tym w mleku ssaków i bakterii.

Jednak drożdże fermentują kwas pirogronowy do aldehydu octowego pod działaniem enzymu dekarboksylazy pirogronianowej. Następnie aldehyd octowy przekształca się w etanol.

Nieruchomości

Formuła molekularna

C ₃ H ₄ O ₃

Nazwy chemiczne

-Kwas pirogronowy,

-Kwas piroacemiczny i

-2-oksopropionowy (nazwa IUPAC).

Masa cząsteczkowa

88,062 g / mol.

Opis fizyczny

Bezbarwna ciecz, która może mieć również kolor żółtawy lub bursztynowy.

Zapach

Ostry zapach podobny do kwasu octowego.

Temperatura wrzenia

54 ° C

Temperatura topnienia

13,8 ° C.

Gęstość

1,272 g / cm ³ w 20 ° C

Rozpuszczalność w wodzie

10 ⁶ mg / l w 20 ° C; lub co jest tym samym, generuje roztwór o stężeniu molowym 11,36 M.

Ciśnienie pary

129 mmHg.

Współczynnik podziału oktanol / woda

Log P = -0,5

Kwasowość

pKa = 2,45 przy 25 ° C

Współczynnik załamania światła

η20D = 1,428

Temperatura przechowywania

2 - 8 ºC

pH

1.2 przy stężeniu 90 g / L wody o temperaturze 20 ° C.

Stabilność

Stabilny, ale palny. Niekompatybilny z silnymi utleniaczami i mocnymi zasadami. Polimeryzuje i rozkłada się podczas przechowywania, jeśli pojemnik nie chroni go przed dostępem powietrza i światła.

Próg smakowy

5 ppm.

Synteza

Przygotowuje się go przez ogrzewanie kwasu winowego z roztopionym wodorosiarczanem potasu (KHSO ₄ ) w temperaturze 210 ° C - 220 ° C. Produkt reakcji oczyszcza się przez destylację frakcjonowaną pod zmniejszonym ciśnieniem.

Drożdże auksotroficzne tiaminowe są zdolne do syntezy kwasu pirogronowego, gdy rosną w glicerolu i kwasie propionowym. Kwas pirogronowy ma 71% wydajności z glicerolu.

Kwas pirogronowy jest również wytwarzany przez utlenianie glikolu propylenowego utleniaczem, takim jak nadmanganian potasu.

Rola biologiczna

Destynacje

Kwas pirogronowy nie jest niezbędnym składnikiem odżywczym, ponieważ jest wytwarzany we wszystkich żywych organizmach; na przykład czerwone jabłko zawiera 450 mg tego związku, co stanowi skrzyżowanie dla rozwoju różnych procesów metabolicznych.

Kiedy powstaje podczas glikolizy, może mieć kilka celów: stać się acetyloCoA do wykorzystania w cyklu Krebsa; przekształcić w kwas mlekowy; lub w aminokwasach.

Ponadto kwas pirogronowy można włączać, bez konieczności konwersji do acetyloCoA, do cyklu Krebsa drogą anaplerotyczną.

Konwersja do acetylCoA

Podczas konwersji kwasu pirogronowego do acetyloCoA następuje dekarboksylacja kwasu pirogronowego, a pozostała grupa acetylowa łączy się z koenzymem A, tworząc acetyloCoA. Jest to złożony proces katalizowany przez enzym dehydrogenazę pirogronianową.

Enzym ten tworzy kompleks z dwoma innymi enzymami katalizującymi syntezę acetyloCoA: transacetylazą dihydrolipoamidową i dehydrogenazą dihydrolipoamidową. Ponadto w syntezie uczestniczy pięć koenzymów: pirofosforan tiaminy, kwas liponowy, FADH ₂ , NADH i CoA.

W przypadku niedoboru witaminy B ₁ (tiaminy) kwas pirogronowy gromadzi się w strukturach nerwowych. Oprócz acetyloCoA pochodzącego z kwasu pirogronowego w cyklu Krebsa wykorzystuje się ten pochodzący z metabolizmu aminokwasów oraz z β-oksydacji kwasów tłuszczowych.

Dwuwęglowy acetylo-CoA łączy się z czterowęglowym szczawiooctanem, tworząc sześciowęglowy cytrynian. Po tym zdarzeniu następuje sekwencja reakcji, które razem nazywane są cyklem Krebsa lub cyklem kwasu trikarboksylowego.

cykl Krebsa

W cyklu Krebsa _{wytwarzane są} koenzymy NADH i FADH ₂ , które są wykorzystywane w sekwencji reakcji, w których biorą udział białka zwane cytochromami. Ten zestaw reakcji nazywany jest elektronicznym łańcuchem transportowym.

Łańcuch transportu elektronów jest sprzężony z fosforylacją oksydacyjną, czynnością metaboliczną, w której wytwarzany jest ATP. Na każdą cząsteczkę glukozy metabolizowaną poprzez glikolizę, łańcuch transportu elektronów i fosforylację oksydacyjną, wytwarza się łącznie 36 cząsteczek ATP.

Konwersja do szczawiooctanu

Kwas pirogronowy w reakcji anaplerotycznej ulega karboksylacji do szczawiooctanu, dołączając do cyklu Krebsa. Reakcje anaplerotyczne dostarczają składników cykli metabolicznych, zapobiegając ich wyczerpaniu. Konwersja kwasu pirogronowego do szczawiooctanu zależy od ATP.

Ta reakcja anaplerotyczna zachodzi głównie w wątrobie zwierząt. Kwas pirogronowy jest również włączany do cyklu Krebsa, przekształcając się w jabłczan, w reakcji anaplerotycznej katalizowanej przez enzym jabłkowy przy użyciu NADPH jako koenzymu.

Konwersja do alaniny

Kwas pirogronowy w warunkach głodu ulega wbudowaniu do mięśni z grupy aminowej kwasu glutaminowego, przekształcając ją w ten sposób w aminokwas alaninę. Ta reakcja jest katalizowana przez enzym aminotransferazę alaninową.

Alanina przenika do krwi i odwrotny proces zachodzi w wątrobie, przekształcając alaninę w kwas pirogronowy, który z kolei wytwarza glukozę. Ta sekwencja zdarzeń nazywa się cyklem Cahilla.

Konwersja do mleczanu

W komórkach tlenowych o dużej szybkości glikolizy syntetyzowane cząsteczki NADH nie są odpowiednio przekształcane w cząsteczki NAD podczas utleniania mitochondrialnego. Dlatego w tym przypadku, podobnie jak w komórkach beztlenowych, następuje redukcja kwasu pirogronowego do mleczanu.

Powyższe wyjaśnia, co dzieje się podczas intensywnego wysiłku, podczas którego aktywowana jest glikoliza i produkcja NADH, gdzie ten NADH jest wykorzystywany do redukcji kwasu pirogronowego do kwasu mlekowego. Prowadzi to do odkładania się kwasu mlekowego w mięśniach, a tym samym do bólu.

Dzieje się tak również w komórkach eukariotycznych, takich jak bakterie kwasu mlekowego; tak jest w przypadku Lactobacillus. Konwersja kwasu pirogronowego do kwasu mlekowego jest katalizowana przez enzym dehydrogenazę mlekową, który wykorzystuje NADH jako koenzym.

Fermentacja alkoholowa

Kwas pirogronowy podlega między innymi fermentacji alkoholowej. W pierwszym etapie kwas pirogronowy ulega dekarboksylacji, w wyniku czego powstaje związek aldehydu octowego. Ta reakcja jest katalizowana przez enzym dekarboksylazę pirogronianu.

Następnie aldehyd octowy przekształca się w etanol w reakcji katalizowanej przez enzym dehydrogenazę alkoholową, który wykorzystuje NADH jako koenzym.

Funkcja przeciwutleniająca

Kwas pirogronowy pełni funkcję przeciwutleniającą, eliminując w ten sposób reaktywne formy tlenu, takie jak nadtlenek wodoru i nadtlenki lipidów. Ponadfizjologiczne poziomy kwasu pirogronowego mogą zwiększać stężenie zredukowanego glutationu komórkowego.

Aplikacje

Zastosowania medyczne

Kwas pirogronowy działa inotropowo na mięsień sercowy, więc jego wstrzyknięcie lub wlew drogą dokanałową zwiększa kurczliwość lub siłę skurczu mięśnia.

Należy jednak wziąć pod uwagę pewne toksyczne skutki tego zabiegu, gdyż dziecko, które otrzymało dożylnie pirogronian w celu leczenia kardiomiopatii restrykcyjnej, doprowadziło do zgonu.

Wśród możliwych mechanizmów wyjaśniających działanie inotropowe kwasu pirogronowego jest wzrost wytwarzania ATP i wzrost potencjału fosforylacji ATP. Innym wyjaśnieniem jest aktywacja dehydrogenazy pirogronianowej.

Kwas pirogronowy od dawna jest sprzedawany jako przydatny związek do utraty wagi. Jednak w kilku badaniach wykazano, że chociaż ma wpływ na redukcję wagi, jest niewielki i nie zaleca się jego stosowania w tym celu.

Ponadto istnieją dowody na to, że spożycie pięciu gramów kwasu pirogronowego dziennie ma szkodliwy wpływ na układ pokarmowy, co objawia się dyskomfortem w jamie brzusznej i zniekształceniami brzucha, wzdęciami i biegunką.

Zaobserwowano również wzrost poziomu cholesterolu lipoprotein o niskiej gęstości (LDL), uważanego za „zły cholesterol”.

Inne zastosowania

Kwas pirogronowy jest stosowany jako środek aromatyzujący do żywności. Służy również jako surowiec do syntezy L-tryptofanu, L-tyrozyny i 3,4-dihydrofenyloalaniny w różnych gałęziach przemysłu.

Bibliografia

1. Mathews, CK, Van Holde, KE and Ahern, KG (2004). Biochemia. Wydanie trzecie. Od redakcji Pearson Educación, SA
2. Narodowe Centrum Informacji Biotechnologicznej. (2019). Kwas pirogronowy. Baza danych PubChem. CID = 1060. Odzyskany z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
3. Książka chemiczna. (2017). Kwas pirogronowy. Odzyskane z: chemicalbook.com
4. Redaktorzy Encyclopaedia Britannica. (16 sierpnia 2018). Kwas pirogronowy. Encyclopædia Britannica. Odzyskany z: britannica.com
5. Drugbank. (2019). Kwas pirogronowy. Odzyskany z: drugbank.ca
6. Wikipedia. (2019). Kwas pirogronowy. Odzyskane z: en.wikipedia.org