Kadaverin je přirozeně se vyskytující polyamin s více biologicky aktivních formách. Polyaminy jsou molekuly s kationtovými charakteristikami, které jsou distribuovány v buněčném cytosolu a pomáhají regulovat růst a diferenciaci buněk.
U zvířat bylo zvýšení koncentrace kadaverinu v cytosolu buněk obecně spojeno s růstem buněk. Takový růst však může být příležitostně způsoben tumorigenezí tkáně.
Grafický diagram molekuly kadaverinu (Zdroj: Calvero. Via Wikimedia Commons)
U rostlin se ukázalo, že kadaverin hraje zásadní roli v buněčném dělení a embryogenezi. Interaguje přímo s nukleovými kyselinami a aniontovými složkami, které má membrána rostlinných buněk.
Kadaverin se snadno syntetizuje z jedné ze základních aminokyselin bohatých na dusíkaté skupiny, jako je alanin. Z tohoto důvodu se u potravin bohatých na aminokyseliny, pokud nejsou řádně konzervovány, vyvíjí shnilý zápach v důsledku tvorby kadaverinu.
Dnes je kadaverin vyráběn s komerčním zájmem prostřednictvím přímé mikrobiální fermentace nebo celých buněčných bioreaktorů.
Ze všech těchto důvodů má kadaverin velké množství aplikací pro biotechnologie v oblasti zemědělství a medicíny a v současné době se tato sloučenina díky své široké škále aplikací stává důležitou průmyslovou chemickou látkou.
Struktura
Cadaverin má jádro tvořené a-alkanem složeným z 5 atomů uhlíku uspořádaných lineárně (pentan) a na jeho koncích (uhlíky 1 a 5) má dva aminy (co-diamin). Jeho struktura je velmi podobná struktuře hexamethylendiaminu, a proto se používá při syntéze polyamidů a polyurethanů.
Obecný název „cadaverina“ pochází z vůně rozkládajících se těl. Bakterie, které začínají rozkládat těla, syntetizují velké množství kadaverinu a způsobují tuto nepříjemnou vůni.
Molekulární vzorec kadaverinu je C5H14N2 a název chemické sloučeniny může být 1,5-pentandiamin nebo 1,5-diaminopentan. Je to sloučenina rozpustná ve vodě.
Molekulová hmotnost kadaverinu je 102,178 g / mol, má teplotu tání 9 ° C a teplotu varu 179 ° C. Sloučenina je hořlavá v přítomnosti zdroje tepla nad 62 ° C.
Ve své komerční formě je kadaverin v bezbarvém kapalném stavu s odpuzující a nepříjemnou charakteristickou vůní sloučeniny.
Tato sloučenina je homologní s putrescinem, ale putrescin má centrální kostru se čtyřmi atomy uhlíku (butan) a ne pět, jako je kadaverin.
Většina sloučenin se strukturou podobnou kadaverinu, jako je putrescin, norespimidin, spermidin a spermin, se vyznačuje silným zápachem, který je obvykle rozpoznáván jako nepříjemný zápach charakteristický pro rozkládající se maso.
Funkce
V bakteriích
U bakterií je jednou z hlavních funkcí kadaverinu regulace pH v cytosolu, to znamená, že chrání buňky před kyselým stresem a dosahuje toho, když pH klesá a v médiu je hojná množství L-lysinu, ze kterého mohou syntetizovat kadaverin.
Tento ochranný mechanismus je aktivován signalizací membránových proteinů zvaných kadaverin C. Jsou aktivovány, když detekují zvýšení koncentrace iontů H + mimo buňku.
Navíc, když jsou buňky v anaerobních podmínkách (nepřítomnost kyslíku), chrání je před nepřítomností anorganického fosforu (Pi).
U anaerobních bakterií je kadaverin nezbytnou součástí buněčné stěny, protože funguje jako vazba mezi peptidoglykanem a vnější membránou. Kadaverin se také účastní biosyntézy a exportu siderofórů do extracelulárního média.
V rostlinách
U rostlin byla studována aplikace kadaverinu a jeho derivátů jako modulátoru stresu a stárnutí. To zasahuje do signálního systému a aktivuje obranné systémy proti oběma faktorům.
Někteří vědci navrhují, že se kadaverin váže na kostru DNA fosfátu cukru, chrání ji a činí ji stabilnější vůči mutagenním látkám, protože v rostlinných buňkách byly pod osmotickým a solným stresem nalezeny vysoké koncentrace.
Přidání kadaverinu do zmrazených rostlinných tkání snižuje poškození DNA, zvyšuje produkci antioxidačních enzymů a mRNA. V buňkách infikovaných patogeny bylo zjištěno zvýšení koncentrace kadaverinu.
Stále však existuje mnoho sporů o přesné aktivitě kadaverinu v imunitní reakci rostlin. Obecně je kadaverin považován za dirigent a signální převodník ve vnitřním metabolismu rostlin.
U zvířat
O mechanismu účinku kadaverinu u zvířat je málo známo. Je však zřejmé, že není syntetizován v cytosolu, protože živočišné buňky nemají enzym nezbytný pro tuto reakci.
Tato sloučenina se tvoří uvnitř buňky různými cestami. Přítomnost kadaverinu byla vždy nalezena v rostoucích živočišných buňkách, ať už vykazují normální nebo nadměrný růst (kvůli nějaké patologii).
Syntéza
Téměř ve všech organismech je kadaverin produkován přímou dekarboxylací aminokyseliny L-alaninu díky působení enzymu lysin dekarboxylázy uvnitř jejich buněk.
Grafické schéma syntézy kadavaerinu působením enzymu lysin dekarboxylázy (LDC) (Zdroj: RicHard-59 Via Wikimedia Commons
V rostlinách se enzym lysin dekarboxyláza nachází uvnitř chloroplastů. Konkrétně ve stromě a ve výhoncích semen (sazenice) bylo zjištěno zvýšení produkce kadaverinu.
Semena, embryonální osa, kotyledony, epicotyl, hypokotyl a kořeny však vykazují nejvyšší píky aktivity enzymu lysin dekarboxylázy v mnoha druzích rostlin.
Navzdory výše uvedenému existuje ve skutečnosti informační mezera o experimentální produkci kadaverinu přímou enzymatickou katalýzou, protože lysin dekarboxyláza ztrácí 50% své aktivity po vyrobení určitého množství kadaverinu.
Na průmyslové úrovni se tato sloučenina získá separačními a purifikačními metodami z bakterií udržovaných v bioreaktorech, čehož se dosáhne použitím organických rozpouštědel, jako je n-butanol, 2-butanol, 2-oktanol nebo cyklohexanol.
Jiným způsobem, kterým se při získávání kadaverinu dosáhne dobrého výtěžku, je separace fází chromatografií, destilací nebo srážením, protože má nižší teplotu tání než mnoho jiných sloučenin při buněčné fermentaci.
Reference
- Gamarnik, A., a Frydman, RB (1991). Cadaverin, základní diamin pro normální vývoj kořenů klíčících semen sóji (Glycine max). Fyziologie rostlin, 97 (2), 778-785.
- Kovács, T., Mikó, E., Vida, A., Sebő, É., Toth, J., Csonka, T.,… & Tóth, D. (2019). Kadaverin, metabolit mikrobiomu, snižuje agresivitu rakoviny prsu prostřednictvím stopových aminokyselinových receptorů. Vědecké zprávy, 9 (1), 1300.
- Ma, W., Chen, K., Li, Y., Hao, N., Wang, X. & Ouyang, P. (2017). Pokroky v produkci bakterií cadaverinu a jeho aplikace. Engineering, 3 (3), 308-317.
- Samartzidou, H., Mehrazin, M., Xu, Z., Benedik, MJ, & Delcour, AH (2003). Kadaverinová inhibice porinu hraje roli v přežití buněk při kyselém pH. Journal of bakteriology, 185 (1), 13-19.
- Tomar, PC, Lakra, N. a Mishra, SN (2013). Kadaverin: lyzinový katabolit, který se podílí na růstu a vývoji rostlin. Signalizace a chování rostlin, 8 (10), e25850.