Kadaverín je prirodzene sa vyskytujúci polyamín s viacerými biologicky aktívnych formách. Polyamíny sú molekuly s katiónovými charakteristikami, ktoré sú distribuované v bunkovom cytozole a pomáhajú regulovať rast a diferenciáciu buniek.
U zvierat bolo zvýšenie koncentrácie kadaverínu v cytosóle buniek vo všeobecnosti spojené s rastom buniek. Takýto rast však môže byť príležitostne spôsobený tumorigenézou tkaniva.
Grafický diagram molekuly kadaverínu (Zdroj: Calvero. Via Wikimedia Commons)
U rastlín sa preukázalo, že kadaverín hrá zásadnú úlohu pri delení buniek a embryogenéze. Interaguje priamo s nukleovými kyselinami a aniónovými zložkami, ktoré má membrána rastlinných buniek.
Kadaverín sa ľahko syntetizuje z jednej zo základných aminokyselín bohatých na dusíkaté skupiny, ako je alanín. Z tohto dôvodu sa u potravín bohatých na aminokyseliny, ak nie sú náležite konzervované, v dôsledku tvorby kadaverínu rozvíja zhnitý zápach.
V súčasnosti sa kadaverín vyrába s komerčným záujmom prostredníctvom priamej mikrobiálnej fermentácie alebo celulárnych bioreaktorov.
Z týchto dôvodov má kadaverín veľké množstvo aplikácií pre biotechnológie v oblasti poľnohospodárstva a medicíny a v súčasnosti sa táto zlúčenina vďaka svojej širokej škále aplikácií stáva dôležitou priemyselnou chemikáliou.
štruktúra
Kadaverín má jadro tvorené a-alkánom zloženým z 5 atómov uhlíka usporiadaných lineárne (pentán) a na jeho koncoch (uhlíky 1 a 5) má dva amíny (co-diamín). Jeho štruktúra je veľmi podobná štruktúre hexametyléndiamínu, a preto sa používa pri syntéze polyamidov a polyuretánov.
Všeobecný názov „cadaverina“ pochádza z vône rozkladajúcich sa mŕtvol. Baktérie, ktoré sa začínajú rozkladať, syntetizujú veľké množstvo kadaverínu a spôsobujú nepríjemnú arómu.
Molekulárny vzorec kadaverínu je C5H14N2 a názov chemickej zlúčeniny môže byť 1,5-pentándiamín alebo 1,5-diaminopentán. Je to zlúčenina rozpustná vo vode.
Molekulová hmotnosť kadaverínu je 102,178 g / mol, má teplotu topenia 9 ° C a teplotu varu 179 ° C. Zlúčenina je horľavá v prítomnosti zdroja tepla nad 62 ° C.
V komerčnej forme je kadaverín v bezfarebnom kvapalnom stave s odpudzujúcou a nepríjemnou charakteristickou vôňou zlúčeniny.
Táto zlúčenina je homologická s putrescínom, ale putrescín má centrálnu kostru so štyrmi atómami uhlíka (bután) a nie päť, napríklad kadaverín.
Väčšina zlúčenín so štruktúrou podobnou kadaverínu, ako je putrescín, norespimidín, spermidín a spermín, sa vyznačuje silným zápachom, ktorý sa zvyčajne považuje za nepríjemný zápach charakteristický pre rozpad mäsa.
Vlastnosti
V baktériách
U baktérií je jednou z hlavných funkcií kadaverínu regulácia pH v cytosóle, to znamená, že chráni bunky pred kyslým stresom a dosahuje ho, keď pH klesá a v médiu je veľké množstvo L-lyzínu, z ktorých môžu syntetizovať kadaverín.
Tento ochranný mechanizmus je aktivovaný signalizáciou membránových proteínov nazývaných kadaverín C. Tieto sú aktivované, keď detegujú zvýšenie koncentrácie iónov H + mimo bunky.
Okrem toho, keď sú bunky v anaeróbnych podmienkach (neprítomnosť kyslíka), chráni ich pred neprítomnosťou anorganického fosforu (Pi).
U anaeróbnych baktérií je kadaverín nevyhnutnou súčasťou bunkovej steny, pretože funguje ako väzba medzi peptidoglykánom a vonkajšou membránou. Kadaverín sa tiež podieľa na biosyntéze a vývoze siderofórov do extracelulárneho média.
V rastlinách
U rastlín sa študovalo použitie kadaverínu a jeho derivátov ako modulátora stresu a starnutia. To zasahuje do signálneho systému na aktiváciu obranných systémov proti obom faktorom.
Niektorí vedci tvrdia, že sa kadaverín viaže na kostru DNA s cukrovým fosfátom, chráni ju a robí ju stabilnejšou proti mutagénnym látkam, keďže v rastlinných bunkách sa našli vysoké koncentrácie v osmotickom a soľnom strese.
Pridanie kadaverínu do zmrazených rastlinných tkanív znižuje poškodenie DNA, zvyšuje produkciu antioxidačných enzýmov a mRNA. V bunkách infikovaných patogénmi sa zistilo zvýšenie koncentrácie kadaverínu.
Stále však existuje veľa sporov o presnej aktivite kadaverínu v imunitnej odpovedi rastlín. Vo všeobecnosti sa kadaverín považuje za vodič a signálny prevodník vo vnútornom metabolizme rastlín.
U zvierat
O mechanizme účinku kadaverínu u zvierat je málo známe. Je však zrejmé, že nie je syntetizovaný v cytosole, pretože živočíšne bunky neobsahujú enzým potrebný na túto reakciu.
Táto zlúčenina sa vytvára v bunke rôznymi cestami. Prítomnosť kadaverínu bola vždy nájdená v rastúcich živočíšnych bunkách, či už vykazujú normálny alebo nadmerný rast (v dôsledku určitej patológie).
syntéza
Takmer vo všetkých organizmoch sa kadaverín produkuje priamou dekarboxyláciou aminokyseliny L-alanínu vďaka pôsobeniu enzýmu lyzín dekarboxylázy vo vnútri ich buniek.
Grafická schéma syntézy kadavaerínu pôsobením enzýmu lyzín dekarboxylázy (LDC) (Zdroj: RicHard-59 Via Wikimedia Commons
V rastlinách sa enzým lyzín dekarboxyláza nachádza vo chloroplastoch. Najmä v stróme a vo výhonkoch semien (sadenice) sa zistilo zvýšenie produkcie kadaverínu.
Semená, embryonálna os, kotyledóny, epicotyl, hypokotyl a korene však vykazujú najvyššie vrcholy aktivity enzýmu lyzín dekarboxylázy v mnohých druhoch rastlín.
Napriek vyššie uvedenému existuje v skutočnosti informačná medzera o experimentálnej produkcii kadaverínu priamou enzymatickou katalýzou, pretože lyzín dekarboxyláza stráca 50% svojej aktivity po produkcii určitého množstva kadaverínu.
Na priemyselnej úrovni sa táto zlúčenina získa separačnými a purifikačnými metódami z baktérií udržiavaných v bioreaktoroch, čo sa dosahuje použitím organických rozpúšťadiel, ako je n-butanol, 2-butanol, 2-oktanol alebo cyklohexanol.
Ďalším spôsobom, ktorým sa pri získavaní kadaverínu získa dobrý výťažok, je separácia fáz chromatografiou, destiláciou alebo zrážaním, pretože má nižšiu teplotu topenia ako mnoho ďalších zlúčenín pri fermentácii buniek.
Referencie
- Gamarnik, A., a Frydman, RB (1991). Kadaverín, esenciálny diamín pre normálny vývoj koreňov klíčiacich semien sóje (Glycine max). Physiológia rastlín, 97 (2), 778-785.
- Kovács, T., Mikó, E., Vida, A., Sebő, É., Toth, J., Csonka, T.,… & Tóth, D. (2019). Kadaverín, metabolit mikrobiómu, znižuje agresivitu rakoviny prsníka prostredníctvom stopových aminokyselinových receptorov. Vedecké správy, 9 (1), 1300.
- Ma, W., Chen, K., Li, Y., Hao, N., Wang, X. & Ouyang, P. (2017). Pokroky v produkcii bakteriálnych kadaverínov a ich aplikácie. Engineering, 3 (3), 308-317.
- Samartzidou, H., Mehrazin, M., Xu, Z., Benedik, MJ, & Delcour, AH (2003). Kadaverínová inhibícia porínu hrá úlohu pri prežití buniek pri kyslom pH. Journal of bakteriology, 185 (1), 13-19.
- Tomar, PC, Lakra, N. a Mishra, SN (2013). Kadaverín: lyzínový katabolit, ktorý sa podieľa na raste a vývoji rastlín. Signalizácia a správanie rastlín, 8 (10), e25850.