PYRUVAAT: EIGENSCHAPPEN, SYNTHESE, BIOLOGISCHE ROL, TOEPASSINGEN - CHEMIE - 2025

Het pyruvaat of pyrodruivenzuur is het eenvoudigste ketozuur. Het heeft een molecuul met drie koolstofatomen met een carboxylgroep naast een keton-koolstof. Deze verbinding is het eindproduct van glycolyse en vormt een kruispunt voor de ontwikkeling van talrijke metabolische processen.

Glycolyse is een metabolische route die glucose afbreekt. Het bestaat uit tien stappen waarin één molecuul glucose wordt omgezet in twee moleculen pyruvaat, waarbij er netto twee moleculen ATP worden gegenereerd.

Skelet van het pyrodruivenzuurmolecuul. Bron: Lukáš Mižoch

In de eerste vijf stappen van glycolyse is er een consumptie van twee ATP-moleculen voor de productie van fosfaatsuikers: glucose-6-fosfaat en fructose-1,6-bisfosfaat. In de laatste vijf reacties van glycolyse worden energie en vier ATP-moleculen gegenereerd.

Pyrodruivenzuur wordt geproduceerd uit fosfoenolpyrodruivenzuur of fosfoenolpyruvaat, in een reactie die wordt gekatalyseerd door het enzym pyruvaatkinase; een enzym dat Mg ²⁺ en K ⁺ vereist . Tijdens de reactie vindt de productie van een ATP-molecuul plaats.

Het geproduceerde pyrodruivenzuur kan bij verschillende biochemische gebeurtenissen worden gebruikt; afhankelijk van of de glycolyse is uitgevoerd onder aërobe omstandigheden of onder anaërobe omstandigheden.

Onder aërobe omstandigheden wordt pyrodruivenzuur omgezet in acetylCoA en dit wordt opgenomen in de Krebs-cyclus of de tricarbonzuren. Glucose verandert tijdens de elektronische transportketen, een proces dat plaatsvindt na glycolyse, in kooldioxide en water.

Onder anaërobe omstandigheden wordt pyrodruivenzuur omgezet in lactaat door de werking van het enzym melkzuurdehydrogenase. Dit komt voor bij hogere organismen, waaronder zoogdieren en bacteriën in melk.

Gisten fermenteren pyrodruivenzuur echter tot aceetaldehyde door de werking van het enzym pyruvaatdecarboxylase. Het aceetaldehyde wordt vervolgens omgezet in ethanol.

Eigendommen

Moleculaire formule

C ₃ H ₄ O ₃

Chemische namen

-Pyrodruivenzuur,

-Pyroacemic zuur en

-2-oxopropionic (IUPAC-naam).

Molaire massa

88,062 g / mol.

Fysieke beschrijving

Kleurloze vloeistof, die ook gelig of amberkleurig kan zijn.

Geur

Scherpe geur vergelijkbaar met azijnzuur.

Kookpunt

54 ° C.

Smeltpunt

13,8 ° C.

Dichtheid

1,272 g / cm ³ bij 20 ° C

Oplosbaarheid in water

10 ⁶ mg / l bij 20 ° C; of wat hetzelfde is, genereert een oplossing met een molaire concentratie van 11,36 M.

Dampdruk

129 mmHg.

Verdelingscoëfficiënt octanol / water

Log P = -0,5

Zuurgraad

pKa = 2,45 bij 25 ºC

Brekingsindex

η20D = 1,428

Bewaar temperatuur

2 - 8 ºC

pH

1.2 bij een concentratie van 90 g / l water bij 20 ºC.

Stabiliteit

Stabiel, maar brandbaar. Onverenigbaar met sterke oxidatiemiddelen en sterke basen. Het polymeriseert en ontleedt tijdens opslag als de container het niet beschermt tegen lucht en licht.

Smaakdrempel

5 ppm.

Synthese

Het wordt bereid door wijnsteenzuur te verhitten met gesmolten kaliumbisulfaat (KHSO ₄ ), bij een temperatuur van 210 ° C - 220 ° C. Het reactieproduct wordt gezuiverd door gefractioneerde destillatie onder verminderde druk.

Thiamine auxotrofe gisten zijn in staat pyrodruivenzuur te synthetiseren wanneer ze worden gekweekt in glycerol en propionzuur. Pyrodruivenzuur heeft een opbrengst van 71% uit glycerol.

Pyrodruivenzuur wordt ook geproduceerd door de oxidatie van propyleenglycol met een oxidatiemiddel zoals kaliumpermanganaat.

Biologische rol

Bestemmingen

Pyrodruivenzuur is geen essentiële voedingsstof, aangezien het in alle levende organismen wordt geproduceerd; Een rode appel bevat bijvoorbeeld 450 mg van deze verbinding, die een kruispunt vormt voor de ontwikkeling van verschillende metabolische processen.

Wanneer het wordt gevormd tijdens glycolyse, kan het verschillende bestemmingen hebben: acetylCoA worden voor gebruik in de Krebs-cyclus; omzetten in melkzuur; of in aminozuren.

Bovendien kan pyrodruivenzuur worden opgenomen, zonder de noodzaak om te worden omgezet in acetylCoA, in de Krebs-cyclus via een anaplerotische route.

Conversie naar acetylCoA

Bij de omzetting van pyrodruivenzuur in acetylCoA vindt decarboxylering van pyrodruivenzuur plaats, en de resterende acetylgroep combineert met co-enzymA om acetylCoA te vormen. Het is een complex proces dat wordt gekatalyseerd door het enzym pyruvaat dehydrogenase.

Dit enzym vormt een complex met twee andere enzymen om de synthese van acetylCoA te katalyseren: dihydrolipoamide-transacetylase en dihydrolipoamidedehydrogenase. Daarnaast nemen vijf co-enzymen deel aan de synthese: thiamine pyrofosfaat, liponzuur, FADH ₂ , NADH en CoA.

In gevallen van vitamine B ₁ (thiamine) deficiëntie, pyrodruivenzuur ophoopt in zenuwstructuren. Naast de acetylCoA afkomstig van pyrodruivenzuur, wordt die van het metabolisme van aminozuren en van de β-oxidatie van vetzuren gebruikt in de Krebs-cyclus.

De twee-koolstof acetyl CoA combineert met het vier-koolstof oxaalacetaat om het zes-koolstofcitraat te vormen. Deze gebeurtenis wordt gevolgd door een reeks reacties, die samen de Krebs-cyclus of de tricarbonzuurcyclus worden genoemd.

citroenzuurcyclus

In de Krebs-cyclus worden de co-enzymen NADH en FADH _{2 geproduceerd} , die worden gebruikt in een reeks reacties waarbij eiwitten betrokken zijn die cytochromen worden genoemd. Deze reeks reacties wordt de elektronische transportketen genoemd.

De elektronentransportketen is gekoppeld aan oxidatieve fosforylering, een metabolische activiteit waarbij ATP wordt geproduceerd. Voor elk glucosemolecuul dat wordt gemetaboliseerd door glycolyse, elektronentransportketen en oxidatieve fosforylering, worden in totaal 36 ATP-moleculen geproduceerd.

Conversie naar oxaalacetaat

Pyrodruivenzuur wordt in een anaplerotische reactie gecarboxyleerd tot oxaalacetaat en voegt zich bij de Krebs-cyclus. Anaplerotische reacties leveren de componenten van metabolische cycli en voorkomen hun uitputting. De omzetting van pyrodruivenzuur in oxaalacetaat is afhankelijk van ATP.

Deze anaplerotische reactie vindt voornamelijk plaats in de lever van dieren. Pyrodruivenzuur wordt ook opgenomen in de Krebs-cyclus en verandert in malaat, in een anaplerotische reactie die wordt gekatalyseerd door het appelzuur met behulp van NADPH als co-enzym.

Conversie naar alanine

Pyrodruivenzuur onder omstandigheden van verhongering ondergaat de opname van een aminogroep uit glutaminezuur in de spieren, waardoor het wordt omgezet in het aminozuur alanine. Deze reactie wordt gekatalyseerd door het enzym alanine-aminotransferase.

Alanine komt in het bloed terecht en het omgekeerde proces vindt plaats in de lever, waarbij alanine wordt omgezet in pyrodruivenzuur, wat op zijn beurt glucose produceert. Deze reeks gebeurtenissen wordt de Cahill-cyclus genoemd.

Conversie naar lactaat

In aërobe cellen met een hoge glycolysesnelheid worden de gesynthetiseerde NADH-moleculen niet voldoende omgezet in NAD-moleculen bij mitochondriale oxidatie. Daarom vindt in dit geval, net als in anaërobe cellen, de reductie van pyrodruivenzuur tot lactaat plaats.

Het bovenstaande legt uit wat er gebeurt tijdens intensieve inspanning, waarbij glycolyse en de productie van NADH worden geactiveerd, waar dit NADH wordt gebruikt bij de reductie van pyrodruivenzuur tot melkzuur. Dit leidt tot ophoping van melkzuur in de spier en dus tot pijn.

Dit komt ook voor in eukaryote cellen, zoals melkzuurbacteriën; dat is het geval bij lactobacillus. De omzetting van pyrodruivenzuur in melkzuur wordt gekatalyseerd door het melkzuurdehydrogenase-enzym dat NADH als co-enzym gebruikt.

Alcoholische gisting

Pyrodruivenzuur ondergaat onder meer alcoholische gisting. In een eerste stap ondergaat het pyrodruivenzuur decarboxylering, waardoor de aceetaldehydeverbinding ontstaat. Deze reactie wordt gekatalyseerd door het enzym pyruvaatdecarboxylase.

Vervolgens wordt aceetaldehyde omgezet in ethanol, in een reactie die wordt gekatalyseerd door het alcoholische dehydrogenase-enzym dat NADH als co-enzym gebruikt.

Antioxiderende functie

Pyrodruivenzuur heeft een antioxiderende functie, waardoor reactieve zuurstofsoorten zoals waterstofperoxide en lipideperoxiden worden geëlimineerd. Suprafysiologische niveaus van pyrodruivenzuur kunnen de concentratie van cellulair gereduceerd glutathion verhogen.

Toepassingen

Medisch gebruik

Pyrodruivenzuur heeft een inotroop effect op de hartspier, dus de injectie of infusie via de intracoronaire route verhoogt de contractiliteit of kracht van spiercontractie.

Er moet echter rekening worden gehouden met enkele toxische effecten van deze procedure, aangezien een kind dat intraveneus pyruvaat kreeg voor de behandeling van restrictieve cardiomyopathie, de dood tot gevolg had.

Een van de mogelijke mechanismen om het inotrope effect van pyrodruivenzuur te verklaren, is een toename van de vorming van ATP en een toename van het fosforyleringspotentieel van ATP. Een andere verklaring is de activering van pyruvaat dehydrogenase.

Pyrodruivenzuur wordt al lang verkocht als een bruikbare verbinding voor gewichtsverlies. Maar in verschillende onderzoeken is aangetoond dat het, hoewel het een effect heeft op gewichtsvermindering, klein is en dat het gebruik voor dit doel niet wordt aanbevolen.

Bovendien zijn er aanwijzingen dat de inname van vijf gram pyrodruivenzuur / dag een schadelijk effect heeft op het spijsverteringsstelsel, wat blijkt uit buikklachten en buikvervorming, gasvorming en diarree.

Er werd ook een toename waargenomen van LDL-cholesterol (low-density lipoprotein), dat wordt beschouwd als "het slechte cholesterol".

Andere gebruiken

Pyrodruivenzuur wordt gebruikt als smaakstof voor levensmiddelen. Het dient ook als grondstof voor de synthese van L-tryptofaan, L-tyrosine en 3,4-dihydrofenylalanine in verschillende industrieën.

Referenties

1. Mathews, CK, Van Holde, KE en Ahern, KG (2004). Biochemie. 3e editie. Redactioneel Pearson Educación, SA
2. Nationaal centrum voor informatie over biotechnologie. (2019). Pyrodruivenzuur. PubChem-database. CID = 1060. Hersteld van: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
3. Chemisch boek. (2017). Pyrodruivenzuur. Hersteld van: chemicalbook.com
4. De redactie van Encyclopaedia Britannica. (16 augustus 2018). Pyrodruivenzuur. Encyclopædia Britannica. Hersteld van: britannica.com
5. Drugbank. (2019). Pyrodruivenzuur. Hersteld van: drugbank.ca
6. Wikipedia. (2019). Pyrodruivenzuur. Hersteld van: en.wikipedia.org