Seminar Biotechnologie Isomerases for Biotransformation of D

Seminar Biotechnologie
Isomerases for Biotransformation of Dhexoses
Wanmeng Mu, Lina Yu, Wenli Zhang, Tao Zhang, Bo Jiang (2015)
Gläser Lars 2545317
3. SEMESTER MSC. BIOTECHNOLOGIE
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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 DFructose 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.
(https://de.wikipedia.org/wiki/Aldosen#/media/File:DGlucose_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 DGlucose, D-Fructose, D-Mannose, D-Xylose, D-Ribose, D-Galactose und L-Arabinose.
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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 DGlucose, 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.
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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 DHexosen 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).
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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 DHexose
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 DGlucose
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).
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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 (DGalactose), 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.
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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. http://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2006.04.016
Mu, W., Yu, L., Zhang, W., Zhang, T., & Jiang, B. (2015). Isomerases for
biotransformation of D-hexoses. Applied Microbiology and Biotechnology, 99(16),
6571–6584. http://doi.org/10.1007/s00253-015-6788-6
Lehninger, A., Nelson, D., & Cox, M. (1994).
Prinzipien der Biochemie, 2.Auflage. Spektrum Akademischer Verlag GmbH
https://de.wikipedia.org/wiki/Aldosen#/media/File:D-Glucose_vs._DFructose_Structural_Formulae_V.1.svg