PENTOSEN: KENMERKEN, BIOSYNTHESE, FUNCTIES - BIOLOGIE - 2026

De pentosen zijn monosacchariden met vijf koolstofatomen en met de empirische formule C ₅ H ₁₀ O ₅ . Net als andere monosacchariden zijn pentosen meerwaardige suikers die aldosen kunnen zijn (als ze een aldehydegroep hebben) of ketosen (als ze een ketongroep hebben).

Een van de metabole bestemmingen voor glucose bij vaatdieren en planten is oxidatie via pentosefosfaat om ribose 5-fosfaat te produceren, een pentose dat onderdeel gaat uitmaken van het DNA.

Bron: NEUROtiker

Andere routes zetten glucose om (door de werking van isomerases, kinasen en epimerases) in pentose xylulose en arabinose, die structurele functies hebben. De fermentatie ervan door micro-organismen is belangrijk in de biotechnologie.

kenmerken

In alle monosacchariden, inclusief pentosen, kan de absolute configuratie van het chirale centrum dat het verst verwijderd is van de carbonylkoolstof van pentosen (C-4) die van D-glyceraldehyde of L-glyceraldehyde zijn. Dit bepaalt of de pentose een D- of L-enantiomeer is.

Aldopentosen hebben drie chirale centra (C-2, C-3, C-4), terwijl ketosen twee chirale centra hebben (C-3, C-4).

In de natuur zijn de pentosen met de D-configuratie overvloediger dan de pentosen met de L-configuratie. De aldopentosen met de D-configuratie zijn: arabinose, lixose, ribose en xylose. Ketopentosen met D-configuratie zijn: ribulose en xylulose.

Pentosen kunnen cyclisch worden gemaakt door reacties van de carbonylkoolstof van de aldehyde- of ketonfunctie, met een secundaire hydroxylgroep in een intramoleculaire reactie, om cyclische hemiacetalen of hemiketalen te vormen. Pentosen kunnen pyranose of furanose vormen.

De aldehydegroep van aldopentosen kan, zoals in alle aldosen, worden geoxideerd en omgezet in een carboxylgroep. Het gevormde product wordt aldonzuur genoemd. Dit monocarbonzuur kan een tweede oxidatie ondergaan, die plaatsvindt bij koolstof 6, een primaire alcohol, die wordt omgezet in een dicarbonzuur, aldaarzuur genaamd.

Pentosen als structurele componenten

Uit de analyse van de samenstelling van cellulose en lignine blijkt dat beide stoffen bestaan ​​uit hexosen en pentosen, waarbij hexosen gelijk of meer voorkomen (tot twee keer meer) dan pentosen.

Cellulose en hemicellulose worden aangetroffen in de celwand van plantencellen. Kristallijne cellulosemicrofibrillen omringen amorf hemicellulose en zijn ingebed in een ligninematrix. Cellulose is voornamelijk samengesteld uit glucose en andere suikers zoals cellobiose, celotriose en celotetraose.

Hemicellulose is een kortvertakte heteropolysaccharide die is samengesteld uit hexosen, D-glucose, D-galactose en D-mannose en pentosen, voornamelijk D-xylose en D-arabinose.

In lignocelluloseresiduen is het aandeel xylose groter dan dat van arabinose. De pentosen vertegenwoordigen 40% van de totale suikers (hexosen + pentosen). De houtsoorten onderscheiden zich door de substituties die de xylanen hebben.

Hemicellulose wordt geclassificeerd op basis van de suikerresiduen die het heeft. Het type en de hoeveelheid hemicellulose varieert sterk, afhankelijk van de plant, het weefseltype, de groeifase en de fysiologische omstandigheden. D-xylan is de meest voorkomende pentose in loofbomen en coniferen.

Pentose-biosynthese

In de natuur zijn de meest voorkomende pentose D-xylose, L-arabinose en D-ribose, en de pentitolen D-arabinol en ribitol. Andere pentosen zijn zeer zeldzaam of bestaan ​​niet.

In planten is de Calvin-cyclus een bron van gefosforyleerde suikers zoals D-fructose-6-fosfaat, dat kan worden omgezet in D-glucose-6-fosfaat. Een fosfoglucomutase katalyseert de onderlinge omzetting van D-glucose-6-fosfaat in D-glucose-1-fosfaat.

Het enzym UDP-glucose-fosforylase katalyseert de vorming van UDP-glucose uit uridine-trifosfaat (UTP) en D-glucose-1-fosfaat. De reactie die volgt bestaat uit een oxide-reductie, waarbij de NAD ⁺ elektronen opneemt uit UDP-glucose, dat wordt omgezet in UDP-glucuronaat. De laatste ondergaat decarboxylering en wordt omgezet in UDP-xylose.

UDP-arabinose 4-epimerase katalyseert de omzetting van UDP-xylose in UDP-arabinose, wat een omkeerbare reactie is. Beide UDP-suikers (UDP-xylose en UDP-arabinose) kunnen worden gebruikt voor de biosynthese van hemicellulose.

De Calvin-cyclus produceert ook fosfaatpentose zoals ribose 5-fosfaat, een aldose, ribulose 5-fosfaat of een ketose, die dienen om kooldioxide te binden.

In Escherichia coli wordt L-arabinose omgezet in L-ribulose door een L-arabinose-isomerase. Vervolgens wordt L-ribulose eerst omgezet in L-ribulose 5-fosfaat en vervolgens in D-xylulose 5-fosfaat door de werking van L-ribulokinase en L-ribulose 5-fosfaatepimerase.

Fermentatie van pentosen om ethanol te produceren

Ethanol wordt commercieel geproduceerd door fermentatie en door chemische synthese. De productie van ethanol door fermentatie vereist dat micro-organismen hexosen en pentosen gebruiken als energiebron. Het verkrijgen van ethanol uit pentosen is groter als beide suikers in grote hoeveelheden aanwezig zijn.

Veel organismen, zoals gist, draadschimmels en bacteriën, kunnen xylose en arabinose fermenteren bij temperaturen tussen 28 ° C en 65 ° C en met een pH tussen 2 en 8, waarbij ze alcohol produceren.

Sommige soorten Candida sp. ze kunnen alleen groeien van D-xylose, waarbij ethanol het belangrijkste fermentatieproduct is. De gisten die xylose het beste fermenteren tot ethanol zijn Brettanomyces sp., Candida sp., Hansenula sp., Kluyveromyces sp., Pachysolen sp. en Saccharomices sp.

De filamenteuze schimmel Fusarium oxysporum fermenteert glucose tot ethanol en produceert kooldioxide. Deze schimmel is ook in staat om D-xylose om te zetten in ethanol. Er zijn echter andere schimmels waarvan het vermogen om D-xylose te fermenteren groter is. Deze omvatten Mucor sp. en Neurospora crassa.

Veel bacteriën kunnen hemicellulose als energiebron gebruiken, maar bij fermentatie van suikers komen naast ethanol nog andere stoffen vrij, zoals organische zuren, ketonen en gassen.

Meest voorkomende pentosen: structuur en functie

Ribose

Rib symbool. Het is een aldopentose en de D-ribose-enantiomeer is overvloediger dan de L-ribose. Oplosbaar in water. Het is een metaboliet van de pentosefosfaatroute. Ribose maakt deel uit van RNA. Deoxyribose maakt deel uit van DNA.

Arabinose

Ara symbool. Het is een aldopentose, de L-arabinose-enantiomeer is overvloediger dan D-arabinose. Arabinose maakt deel uit van de celwand van planten.

Xylose

Xyl-symbool. Het is een aldopentose, het D-xylose-enantiomeer is overvloediger dan het L-xylose. Het is aanwezig in de celwand van planten en komt in veel houtsoorten voor. Het is ook aanwezig in de schil van katoenzaden en de pecannoot.

Ribulose

Wrijf symbool. Het is een ketose, de D-ribulose-enantiomeer is overvloediger dan de L-ribulose. Het is een metaboliet van de pentosefosfaatroute en is aanwezig in planten en dieren.

Referenties

1. Cui, SW 2005. Koolhydraten in voeding: chemie, fysische eigenschappen en toepassingen. CRC Press, Boca Raton.
2. Heldt, HW 2005. Plantenbiochemie. Elsevier, Amsterdam.
3. Nelson, DL, Cox, MM 2017. Lehninger-principes van biochemie. WH Freeman, New York.
4. Preiss, J. 1980. De biochemie van planten een uitgebreide verhandeling, deel 3 - koolhydraten: structuur en functie. Academic Press, New York.
5. Singh, A., Mishra, P. 1995. Gebruik van microbiële pentose: huidige toepassingen in de biotechnologie. Elsevier, Amsterdam.
6. Sinnott, ML 2007. Koolhydraatchemie en biochemische structuur en mechanisme. Royal Society of Chemistry, Cambridge.
7. Stick, RV, Williams, SJ 2009. Koolhydraten: de essentiële moleculen van het leven. Elsevier, Amsterdam.
8. Voet, D., Voet, JG, Pratt, CW 2008. Grondbeginselen van biochemie - leven op moleculair niveau. Wiley, Hoboken.