Furaneol CAS 3658-77-3

1. Ipoteza sintezei furanonei în căpșuni

Figura 1 Ipoteza asupra căii de biosinteză a furanonei în fructele de căpșuni. 4-Hidroxi-5-metil-2-metilen-3 (2H)-furanonă HMMF; 4-hidroxi-2, 5 - dimetil-3 (2 h) -furanonă HDMF; chinona oxidoreductază de căpșuni (FaQR); F. Ananassa ceton oxidoreductaza FaEO; F. Ananassa O-metiltransferaza FaOMT.

Apoi, purificați parțial o enzimă implicată în biosinteza HDMF. Distribuția observată a activității enzimatice este legată de prezența unei singure peptide. Analiza secvenței a arătat că enzima este complet identică cu secvența proteică a unei chinonă oxidoreductazei dependente de auxină inductibilă (FaQR). Proteina FaQR este exprimată funcțional în Escherichia coli și catalizează formarea HDMF. 4-hidroxi-5-metil-2-metil-3 (2H) - furanona (HMMF) a fost identificat ca un substrat natural al FaQR și un precursor al HDMF (Figura 1).

FaQR catalizează reducerea legăturilor nesaturate alfa și beta în cetenă HMMF foarte reactivă, redenumită ulterior F Ananassa cetonoxidoreductază (FaEO). FaEO nu reduce legăturile duble ale 2-enalului și 2-enalului cu catenă liniară, ci mai degrabă hidrogenează unii derivați HMMF substituiți cu grupări funcționale metilen. HMMF a fost detectat și în fructele de roșii și ananas, ceea ce indică faptul că HDMF este sintetizat prin căi similare în fructe diferite. Clonarea Solanum lycopersicon EO (SlEO) din ADNc și identificarea proteinei recombinante. Studiile biochimice au confirmat că SlEO este implicat în formarea HDMF în fructele de tomate. În comparație cu celelalte două reductaze non-flavone dependente de NAD (P) H, FaEO și SlEO prezintă spectre de substrat mai înguste. Până de curând, pentru a elucida mecanismul molecular al reacției speciale catalizate de FaEO, structura sa cristalină a fost determinată în șase stări sau complexe diferite, inclusiv complexe cu HDMF și trei analogi de substrat. Rezultatele indică faptul că hidrura 4R a NAD (P) H este transferată la carbonul nesaturat C-6 din inelul exterior al HMMF, formând un intermediar enol optic inactiv, care apoi suferă protonare pentru a forma HDMF.

Este de remarcat faptul că unele rapoarte sugerează că producția de furanone nu poate fi o activitate directă a căilor metabolice ale plantelor, ci mai degrabă un efort comun al plantelor de căpșuni și al unei bacterii înrudite - Methanobacterium. Cu toate acestea, ruta propusă nu este convingătoare, deoarece există rapoarte contradictorii cu privire la etapele finale ale HDMF și DMMF, iar experimentele cu trasoare nu sprijină conversia propusă a produselor intermediare lactoză și 6-deoxi-D-fructoză{{4} }fosfat la furanonă.

2. Sinteza drojdiei deFuraneol

Fiind principala componentă de aromă a sosului de soia fermentat, HEMF a fost izolat pentru prima dată din sosul de soia fermentat. Formarea HEMF a fost promovată prin cultivarea drojdiei tolerante la sare, Zygosaccharomyces rouxii, într-un mediu care conține produșii de reacție ai ribozei și glicină aminocarbonil (Maillard). Mecanismul compusului a fost studiat folosind izotopii săi stabili. Scheletul pentagonal și metilul lanțului lateral al HEMF sunt derivate din riboză, în timp ce gruparea etil este derivată din D-glucoză sau acetaldehidă. Rolul drojdiei în formarea HEMF nu este doar de a furniza metaboliți D-glucoză (acetaldehidă), ci și de a lega produsele reacției Maillard cu metaboliții D-glucoză.

După incubarea cu niște carbohidrați fosfatați, s-a găsit formarea de HMF în extractul citoplasmatic de Saccharomyces cerevisiae. Deoarece HMF se formează spontan din ribuloză-5-fosfat prin intermediarul Maillard 4,5-dihidroxi{-2,3-pentandionă, se poate presupune că ribuloză-5-fosfat este generat enzimatic în extractele citoplasmatice și apoi convertit în HMF prin reacții chimice. Această ipoteză a fost confirmată prin producerea de hidroximetilfurfural într-un amestec care conține enzime disponibile comercial și D-glucoză-6-fosfat marcat cu izotop. Interesant, HMF a fost identificat ca o moleculă de semnalizare extracelulară Al-2 catalizată de enzima LuxS și joacă un rol în comunicarea intercelulară bacteriană. Formarea chimică a Al-2 din 5-ribuloză de fosfat poate avea loc și in vivo, ceea ce poate fi motivul activității asemănătoare Al-2-la organismele lipsite de gene luxS.

Procesul de formare a HDMF în drojdia Z. rouxii în diferite condiții de cultură a fost studiat folosind D-1,6-difosfat fructoză ca materie primă. Când D-1,6-difosfat fructoza este utilizată ca unică sursă de carbon, creșterea drojdiei Z. rouxii și formarea HDMF nu sunt semnificative. Deși celulele de drojdie de Z. rouxii cresc într-un mediu cu D-glucoză ca unică sursă de carbon, HDMF este produs numai atunci când se adaugă D-fructoză-1,6-difosfat. Nivelul HDMF este corelat în mod constant cu numărul de celule de drojdie și cu concentrația de D-fructoză-1,6-difosfat. După adăugarea 1-13CD-fructozei-1,6-difosfatului, s-a format doar HDMF cu o singură etichetă, în timp ce după adăugarea 13C6-D-glucozei s-a format furanonă nemarcată. Prin urmare, carbonul HDMF este derivat în întregime din D-fructoză-1,6-difosfat exogenă. O valoare mai mare a pH-ului mediului de cultură are un efect pozitiv asupra formării HDMF, dar poate întârzia creșterea celulelor, astfel încât valoarea optimă a pH-ului este 5,1. Stresul salin a stimulat producția de HDMF. Adăugarea de o-fenilendiamină (un reactiv de captare pentru intermediarul - dicarbonil (Maillard)) la mediul de cultură poate produce trei derivați de chinolonă derivați din D-fructoză-1,6-difosfat. Identificarea acestei structuri a confirmat pentru prima dată formarea chimică a 1-deoxi-2,3-hexadisază{-6-fosfat, un intermediar în calea de formare a HDMF care era larg așteptat. dar niciodată descoperit. Datorită faptului că HDMF este disponibil numai în Z, a fost detectat în prezența celulelor Rouxii, de aceea se presupune că sunt implicați mai mulți pași enzimatici. La temperatura ambiantă, HDMF poate fi, de asemenea, generat chimic într-o soluție care conține D-fructoză-1,{6-difosfat și NAD (P) H. NAD (P) H este necesară și aplicarea de precursori marcați. indică faptul că hidrura de D-fructoză-1,6-coloana vertebrală difosfat este transferată în C{-5 sau C-6. Procesele biologice și chimice de generare a HDMF din D-fructoză-1,6-difosfat par să urmeze o cale similară.

Produsele naturale cu activitate optică prezintă un exces enantiomeric unic în timpul biosintezei datorită stereoselectivității și reacțiilor catalizate de enzime. Deși este de așteptat ca HDMF să fie generat prin combinația de drojdie de Z. rouxii și enzime din fructe, compusul natural este racemic. Racemizarea rapidă a HDMF explică acest fenomen datorită tautomeriei cetoenolilor. Analiza 1H-RMN și electroforeza capilară chirală a schimbului de protoni deuteriu pe inelul furanonic al C-2 a arătat că rata de racemizare a HDMF a fost cea mai scăzută la pH 4-5. Prin urmare, pentru a verifica formarea enzimatică a HDMF, am efectuat experimente de incubare cu drojdie de Z. rouxii și extract proteic de căpșuni la pH 5. Formarea HDMF îmbogățit enantiomeric a fost confirmată în ambele experimente, în timp ce furanona racemică a fost detectată în condiții de pH neutru. .

3. Sinteza bacteriană a furanonei

HDMF a fost detectat după 4 zile de creștere a Pichia capsulata pe mediu de cazeină peptonă care conține L-ramnoză. Analiza spectrometriei de masă a raportului de izotop stabil a confirmat că L-ramnoza este sursa de carbon a HDMF. Experimentul în timp a condus la ipoteza că HDMF este format dintr-un intermediar produs de Pichia pastoris în timpul procesului de sterilizare termică a mediului de cultură, așa cum este propus de drojdia conjugativă luterană. În mod similar, în rezultatele reacției Maillard, HDMF a fost detectat în mediul preparat prin încălzirea zahărului și a aminoacizilor. În același mediu de fermentație, nivelurile de HDMF au fost de asemenea crescute prin fermentarea Lactococcus lactis subsp. cremoris.

4. Rezumatul sintezei furanonei

3 (2H) - compușii furanonici au praguri de miros scăzute și caracteristici de aromă atrăgătoare, făcându-i substanțe chimice aromatice importante. Ele sunt formate chimic din diferiți carbohidrați în timpul reacției Maillard și, prin urmare, există în multe alimente procesate, contribuind la producerea aromei. Dar furanona poate fi produsă și de drojdii, bacterii și plante, iar funcția sa fiziologică poate fi legată de activitatea redox. Deși deoxizaharele precum L-ramnoza sunt precursori eficienți pentru HDMF în reacția Maillard, fructoza D-1,{6-difosfat a fost identificată ca un precursor natural în fructe. În fructele de căpșuni, carbohidrații fosforilați sunt transformați în HMMF prin eliminarea fosfatului și a apei, iar HMMF este în cele din urmă redus la HDMF de către FaEO (FaQR). Metilarea HDMF duce la acumularea de DMMF și este catalizată de FaOMT. În general, s-au făcut progrese semnificative în elucidarea căilor de biosinteză ale furanonei naturale în microorganisme și plante datorită aplicării precursorilor marcați cu izotopi. În viitorul apropiat, înțelegerea secvenței genomului căpșunilor de pădure va ajuta la detectarea genelor cu căi HDMF lipsă, iar sistemele de imagistică îmbunătățite vor ajuta la localizarea furanonei intracelulare. Înțelegerea genelor și enzimelor relevante va oferi o bază pentru producerea furanonei naturale prin biotehnologie.