Furaneol CAS 3658-77-3

1. Hypotéza syntézy furanónu v jahodách

Obrázok 1 Hypotéza o biosyntetickej dráhe furanónu v ovocí jahôd. 4-Hydroxy-5-metyl-2-metylén-3 (2H)-furanón HMMF; 4-hydroxy-2, 5 - dimetyl-3 (2 h)-furanón HDMF; Jahodová chinónoxidoreduktáza (FaQR); F. Ananassa ketónoxidoreduktáza FaEO; F. Ananassa O-metyltransferáza FaOMT.

Potom čiastočne prečistite enzým zapojený do biosyntézy HDMF. Pozorovaná distribúcia aktivity enzýmu súvisí s prítomnosťou jediného peptidu. Sekvenčná analýza ukázala, že enzým je úplne identický s proteínovou sekvenciou zrelej indukovateľnej auxín-dependentnej chinónoxidoreduktázy (FaQR). Proteín FaQR je funkčne exprimovaný v Escherichia coli a katalyzuje tvorbu HDMF. 4-hydroxy-5-metyl-2-metyl-3 (2H)-furanón (HMMF) bol identifikovaný ako prirodzený substrát FaQR a prekurzor HDMF (obrázok 1).

FaQR katalyzuje redukciu alfa a beta nenasýtených väzieb vo vysoko reaktívnom keténe HMMF, neskôr premenovanom na F Ananassa ketón oxidoreduktáza (FaEO). FaEO neredukuje dvojité väzby 2-enal a 2-enal s priamym reťazcom, ale skôr hydrogenuje niektoré deriváty HMMF substituované metylénovými funkčnými skupinami. HMMF bol tiež detegovaný v ovocí paradajok a ananásu, čo naznačuje, že HDMF sa syntetizuje podobnými cestami v rôznych druhoch ovocia. Klonovanie Solanum lycopersicon EO (SlEO) z cDNA a identifikácia rekombinantného proteínu. Biochemické štúdie potvrdili, že SlEO sa podieľa na tvorbe HDMF v plodoch paradajok. V porovnaní s ďalšími dvoma NAD (P) H-dependentnými neflavónreduktázami, FaEO a SlEO vykazujú užšie substrátové spektrá. Až donedávna sa s cieľom objasniť molekulárny mechanizmus špeciálnej reakcie katalyzovanej FaEO určovala jeho kryštálová štruktúra v šiestich rôznych stavoch alebo komplexoch, vrátane komplexov s HDMF a troch substrátových analógov. Výsledky naznačujú, že 4R hydrid NAD (P) H sa prenesie na nenasýtený vonkajší kruh C-6 uhlíka HMMF, čím sa vytvorí opticky neaktívny enolový medziprodukt, ktorý potom podlieha protonácii za vzniku HDMF.

Stojí za zmienku, že niektoré správy naznačujú, že produkcia furanónu nemusí byť priamou aktivitou rastlinných metabolických dráh, ale skôr spoločným úsilím rastlín jahôd a príbuznej baktérie – Methanobacterium. Navrhovaná cesta však nie je presvedčivá, pretože existujú protichodné správy o posledných krokoch HDMF a DMMF a experimenty so stopovačom nepodporujú navrhovanú konverziu medziproduktov laktózy a 6-deoxy-D-fruktózy{{4}. }fosfát na furanón.

2. Kvasinková syntézafuraneol

Ako hlavná chuťová zložka fermentovanej sójovej omáčky bol HEMF po prvýkrát izolovaný z fermentovanej sójovej omáčky. Tvorba HEMF bola podporovaná kultiváciou kvasiniek tolerantných voči soli, Zygosaccharomyces rouxii, v médiu obsahujúcom reakčné produkty ribózy a glycínaminokarbonylu (Maillard). Mechanizmus zlúčeniny sa študoval pomocou jej stabilných izotopov. Päťuholníkový skelet a metylový bočný reťazec HEMF sú odvodené od ribózy, zatiaľ čo etylová skupina je odvodená od D-glukózy alebo acetaldehydu. Úlohou kvasiniek pri tvorbe HEMF je nielen poskytnúť metabolity D-glukózy (acetaldehyd), ale aj viazať produkty Maillardovej reakcie s metabolitmi D-glukózy.

Po inkubácii s niektorými fosfátovými sacharidmi sa v cytoplazmatickom extrakte Saccharomyces cerevisiae zistila tvorba HMF. Keďže HMF sa spontánne tvorí z ribulóza-5-fosfátu prostredníctvom Maillardovho medziproduktu 4,5-dihydroxy-2,3-pentándiónu, možno predpokladať, že ribulóza-5-fosfát sa enzymaticky vytvára v cytoplazmatických extraktoch a potom sa chemickými reakciami premieňa na HMF. Táto hypotéza bola potvrdená produkciou hydroxymetylfurfuralu v zmesi obsahujúcej komerčne dostupné enzýmy a izotopom značený D-glukóza-6-fosfát. Je zaujímavé, že HMF bol identifikovaný ako extracelulárna signálna molekula Al-2 katalyzovaná enzýmom LuxS a hrá úlohu v bakteriálnej medzibunkovej komunikácii. Chemická tvorba Al-2 z 5-fosfát ribulózy sa môže vyskytnúť aj in vivo, čo môže byť dôvodom aktivity podobnej Al{11}} v organizmoch, ktorým chýbajú gény luxS.

Proces tvorby HDMF v kvasinkách Z. rouxii za rôznych kultivačných podmienok bol študovaný s použitím D-1,6-difosfátfruktózy ako suroviny. Keď sa D-1,6-difosfátfruktóza používa ako jediný zdroj uhlíka, rast kvasiniek Z. rouxii a tvorba HDMF nie sú významné. Hoci bunky kvasiniek Z. rouxii rastú v médiu s D-glukózou ako jediným zdrojom uhlíka, HDMF sa produkuje len vtedy, keď sa pridá D-fruktóza-1,6-difosfát. Hladina HDMF je konzistentne korelovaná s počtom kvasinkových buniek a koncentráciou D-fruktózy-1,6-difosfátu. Po pridaní 1-13CD-fruktózy-1,6-difosfátu sa vytvoril iba jednoducho označený HDMF, zatiaľ čo po pridaní 13C6-D-glukózy sa vytvoril neoznačený furanón. Preto je uhlík HDMF úplne odvodený od exogénnej D-fruktózy-1,6-difosfátu. Vyššia hodnota pH kultivačného média má pozitívny vplyv na tvorbu HDMF, ale môže oddialiť rast buniek, preto je optimálna hodnota pH 5,1. Stres zo soli stimuloval produkciu HDMF. Pridaním o-fenyléndiamínu (zachytávacie činidlo pre -dikarbonylový (Maillard) medziprodukt) do kultivačného média môžu vzniknúť tri chinolónové deriváty odvodené od D-fruktózy-1,6-difosfátu. Identifikácia tejto štruktúry po prvýkrát potvrdila chemickú tvorbu 1-deoxy-2,3-hexadisázy-6-fosfátu, medziproduktu v dráhe tvorby HDMF, ktorá sa všeobecne očakávala ale nikdy neobjavené. Vzhľadom na skutočnosť, že HDMF je k dispozícii iba v Z Bol detegovaný v prítomnosti buniek Rouxii, preto sa predpokladá, že je zahrnutých viac enzýmových krokov. Pri teplote okolia môže byť HDMF tiež chemicky generovaný v roztoku obsahujúcom D-fruktózu-1,6-difosfát a NAD (P) H. NAD (P) H je nevyhnutný a aplikácia značených prekurzorov označuje, že hydrid D-fruktózy-1,6-difosfátový hlavný reťazec je prenesený na C-5 alebo C{40}}. Zdá sa, že biologické a chemické procesy generovania HDMF z D-fruktózy-1,6-difosfátu prebiehajú podobnou cestou.

Prírodné produkty s optickou aktivitou vykazujú jedinečný enantiomérny prebytok počas biosyntézy v dôsledku stereoselektivity a reakcií katalyzovaných enzýmami. Hoci sa očakáva, že HDMF sa bude generovať prostredníctvom kombinácie kvasiniek Z. rouxii a ovocných enzýmov, prirodzene sa vyskytujúca zlúčenina je racemická. Rýchla racemizácia HDMF vysvetľuje tento jav v dôsledku tautomérie ketoenolov. Analýza 1H-NMR a chirálnej kapilárnej elektroforézy výmeny protónu deutéria na furanónovom kruhu C-2 ukázala, že rýchlosť racemizácie HDMF bola najnižšia pri pH 4-5. Preto, aby sme overili enzymatickú tvorbu HDMF, uskutočnili sme inkubačné experimenty s kvasinkovým extraktom Z. rouxii a jahodovým proteínovým extraktom pri pH 5. Tvorba enantiomérne obohateného HDMF bola potvrdená v oboch experimentoch, zatiaľ čo racemický furanón bol detegovaný v podmienkach neutrálneho pH .

3. Bakteriálna syntéza furanónu

HDMF sa detegoval po 4 dňoch rastu Pichia capsulata na kazeínovom peptónovom médiu obsahujúcom L-ramnózu. Analýza hmotnostnou spektrometriou so stabilným pomerom izotopov potvrdila, že zdrojom uhlíka HDMF je L-ramnóza. Experiment s časovým priebehom viedol k hypotéze, že HDMF je tvorený medziproduktom produkovaným Pichia pastoris počas procesu tepelnej sterilizácie kultivačného média, ako navrhli luteránske konjugačné kvasinky. Podobne vo výsledkoch Maillardovej reakcie bol HDMF detegovaný v médiu pripravenom zahrievaním cukru a aminokyselín. V rovnakom fermentačnom médiu boli hladiny HDMF tiež zvýšené fermentáciou Lactococcus lactis subsp. cremoris.

4. Zhrnutie syntézy furanónu

3(2H)-furanónové zlúčeniny majú nízky prah zápachu a lákavé aromatické vlastnosti, čo z nich robí dôležité aromatické chemikálie. Chemicky sa tvoria z rôznych uhľohydrátov počas Maillardovej reakcie, a preto existujú v mnohých spracovaných potravinách, čím prispievajú k produkcii arómy. Ale furanón môžu produkovať aj kvasinky, baktérie a rastliny a jeho fyziologická funkcia môže súvisieť s redoxnou aktivitou. Hoci deoxycukry, ako je L-ramnóza, sú účinnými prekurzormi HDMF v Maillardovej reakcii, D-1,{5}}difosfátfruktóza bola identifikovaná ako prirodzený prekurzor v ovocí. V jahodovom ovocí sa fosforylované sacharidy premieňajú na HMMF elimináciou fosfátov a vody a HMMF sa nakoniec redukuje na HDMF pomocou FaEO (FaQR). Metylácia HDMF vedie k akumulácii DMMF a je katalyzovaná FaOMT. Celkovo sa dosiahol významný pokrok v objasňovaní biosyntetických dráh prírodného furanónu v mikroorganizmoch a rastlinách vďaka aplikácii izotopom značených prekurzorov. V blízkej budúcnosti pochopenie sekvencie genómu lesných jahôd pomôže odhaliť gény s chýbajúcimi HDMF dráhami a vylepšené zobrazovacie systémy pomôžu lokalizovať intracelulárny furanón. Pochopenie príslušných génov a enzýmov poskytne základ pre výrobu prírodného furanónu prostredníctvom biotechnológie.