De cadaverine is een natuurlijk voorkomend polyamine met meerdere bioactieve vormen. Polyaminen zijn moleculen met kationische eigenschappen die door het celcytosol worden verdeeld en helpen bij het reguleren van celgroei en differentiatieprocessen.
Bij dieren zijn verhogingen van de concentratie van cadaverine in het cytosol van cellen over het algemeen gerelateerd aan celgroei. Soms kan een dergelijke groei echter het gevolg zijn van tumorigenese van het weefsel.
Grafisch diagram van een kadaverinemolecuul (Bron: Calvero. Via Wikimedia Commons)
In planten is aangetoond dat cadaverine een essentiële rol speelt bij celdeling en embryogenese. Het werkt rechtstreeks samen met nucleïnezuren en anionische componenten die het plantencelmembraan bezit.
Cadaverine wordt gemakkelijk gesynthetiseerd uit een van de basische aminozuren, rijk aan stikstofgroepen, zoals alanine. Hierdoor ontwikkelen voedingsmiddelen die rijk zijn aan aminozuren, als ze niet goed worden bewaard, rotte geuren als gevolg van de vorming van cadaverine.
Tegenwoordig wordt cadaverine met commercieel belang geproduceerd door directe microbiële fermentatie of bioreactoren van hele cellen.
Om al deze redenen heeft cadaverine een groot aantal toepassingen voor biotechnologie op het gebied van landbouw en geneeskunde, en op dit moment wordt deze verbinding een belangrijke industriële chemische stof vanwege de grote verscheidenheid aan toepassingen.
Structuur
Cadaverine heeft een kern die bestaat uit een α-alkaan bestaande uit 5 koolstofatomen die lineair zijn gerangschikt (pentaan) en die aan de uiteinden (koolstofatomen 1 en 5) twee aminen heeft (ω-diamine). De structuur lijkt sterk op die van hexamethyleendiamine en daarom wordt het gebruikt bij de synthese van polyamiden en polyurethanen.
De algemene naam "cadaverina" komt van de geur van ontbindende lijken. Bacteriën die lichamen beginnen af te breken, synthetiseren een grote hoeveelheid kadaverine en veroorzaken dat vieze aroma.
De molecuulformule van cadaverine is C5H14N2 en de naam van de chemische verbinding kan 1,5-pentaandiamine of 1,5-diaminopentaan zijn. Het is een in water oplosbare verbinding.
Het molecuulgewicht van cadaverine is 102,178 g / mol, het heeft een smeltpunt van 9 ° C en een kookpunt van 179 ° C. De verbinding is brandbaar in aanwezigheid van een warmtebron boven 62 ° C.
In zijn commerciële vorm verkeert cadaverine in een kleurloze vloeibare toestand met de afstotende en onaangename geur die kenmerkend is voor de verbinding.
Deze verbinding is homoloog aan putrescine, maar putrescine heeft een centraal skelet van vier koolstofatomen (butaan) en niet vijf, zoals kadaverine.
De meeste verbindingen met een structuur die lijkt op cadaverine, zoals putrescine, norespimidine, spermidine en spermine, worden gekenmerkt door hun sterke geur, die doorgaans wordt herkend als een vieze geur die kenmerkend is voor rottend vlees.
Kenmerken
In bacteriën
Bij bacteriën is een van de belangrijkste functies van cadaverine het reguleren van de pH in het cytosol, dat wil zeggen, het beschermt de cellen tegen zure stress en bereikt dit wanneer de pH daalt en er overvloedige hoeveelheden L-lysine in het medium zijn, waaruit ze cadaverine kunnen synthetiseren.
Dit beschermingsmechanisme wordt geactiveerd door de signalering van membraaneiwitten genaamd cadaverine C. Deze worden geactiveerd wanneer ze een toename van de concentratie van H + -ionen buiten de cel detecteren.
Bovendien, wanneer cellen zich in anaërobe omstandigheden bevinden (afwezigheid van zuurstof), worden ze beschermd tegen de afwezigheid van anorganische fosfor (Pi).
Bij anaërobe bacteriën is cadaverine een essentieel onderdeel van de celwand, omdat het functioneert als een binding tussen peptidoglycaan en het buitenmembraan. Cadaverine neemt ook deel aan de biosynthese en export van sideroforen naar het extracellulaire medium.
In planten
In planten is de toepassing van cadaverine en zijn derivaten als modulator van stress en senescentie bestudeerd. Dit grijpt in in het signaalsysteem om de verdedigingssystemen tegen beide factoren te activeren.
Sommige wetenschappers stellen voor dat cadaverine zich bindt aan de suikerfosfaatruggengraat van DNA, het beschermt en het stabieler maakt tegen mutagene agentia, aangezien er hoge concentraties zijn gevonden in plantencellen onder osmotische en zoutoplossing.
De toevoeging van cadaverine aan bevroren plantenweefsels vermindert DNA-schade, verhoogt de productie van antioxiderende enzymen en mRNA. Een verhoging van de concentratie van cadaverine is waargenomen in cellen die zijn geïnfecteerd door pathogenen.
Er zijn echter nog steeds veel controverses over de exacte activiteit van cadaverine in de immuunrespons van planten. In algemene termen wordt cadaverine beschouwd als een geleider en signaaltransducer in het interne metabolisme van planten.
Bij dieren
Er is weinig bekend over het werkingsmechanisme van cadaverine bij dieren. Het is echter duidelijk dat het niet wordt gesynthetiseerd in het cytosol, aangezien dierlijke cellen niet het enzym hebben dat nodig is voor deze reactie.
Deze verbinding wordt via verschillende routes in de cel gevormd. De aanwezigheid van kadaverine is altijd gevonden in groeiende dierlijke cellen, of ze nu een normale of overmatige groei vertonen (vanwege een bepaalde pathologie).
Synthese
In bijna alle organismen wordt cadaverine geproduceerd door directe decarboxylering van het aminozuur L-alanine, dankzij de werking van het enzym lysine decarboxylase in hun cellen.
Grafisch schema van de synthese van cadavaerine door de werking van het enzym lysine decarboxylase (LDC) (Bron: RicHard-59 via Wikimedia Commons
In planten wordt het enzym lysine decarboxylase aangetroffen in chloroplasten. Met name in het stroma en in de scheuten van de zaden (zaailingen) is een toename van de aanmaak van kadaverine gevonden.
De zaden, de embryonale as, de zaadlobben, de epicotyl, de hypocotyl en de wortels vertonen echter de hoogste activiteitspieken van het enzym lysine decarboxylase in veel plantensoorten.
Ondanks het bovenstaande is er eigenlijk een informatiekloof over de experimentele productie van cadaverine door directe enzymatische katalyse, aangezien lysinedecarboxylase 50% van zijn activiteit verliest na productie van een bepaalde hoeveelheid cadaverine.
Op industrieel niveau wordt deze verbinding verkregen door middel van scheidings- en zuiveringsmethoden van bacteriën die in bioreactoren worden gehouden, wat wordt bereikt met organische oplosmiddelen zoals n-butanol, 2-butanol, 2-octanol of cyclohexanol.
Een andere methode waarmee een goede opbrengst wordt verkregen bij het verkrijgen van kadaverine, is de scheiding van fasen door middel van chromatografie, destillatie of precipitatie, aangezien het een lager smeltpunt heeft dan veel van de andere verbindingen bij celfermentatie.
Referenties
- Gamarnik, A., en Frydman, RB (1991). Cadaverine, een essentiële diamine voor de normale wortelontwikkeling van ontkiemende sojabonen (Glycine max) zaden. Plantenfysiologie, 97 (2), 778-785.
- Kovács, T., Mikó, E., Vida, A., Sebő, É., Toth, J., Csonka, T.,… & Tóth, D. (2019). Cadaverine, een metaboliet van het microbioom, vermindert de agressiviteit van borstkanker door middel van spooraminozuurreceptoren. Wetenschappelijke rapporten, 9 (1), 1300.
- Ma, W., Chen, K., Li, Y., Hao, N., Wang, X., & Ouyang, P. (2017). Vooruitgang in de productie van kadaverine-bacteriën en de toepassingen ervan. Engineering, 3 (3), 308-317.
- Samartzidou, H., Mehrazin, M., Xu, Z., Benedik, MJ, & Delcour, AH (2003). Cadaverine-remming van porine speelt een rol bij celoverleving bij zure pH. Journal of bacteriology, 185 (1), 13-19.
- Tomar, PC, Lakra, N., en Mishra, SN (2013). Cadaverine: een lysinekataboliet die betrokken is bij de groei en ontwikkeling van planten. Signalisatie en gedrag van planten, 8 (10), e25850.