ピルビン酸塩：特性、合成、生物学的役割、用途 - 化学

ピルビン酸またはピルビン酸は、最も単純なケト酸です。それは、ケトン炭素に隣接するカルボキシル基を持つ3炭素分子を持っています。この化合物は解糖の最終産物であり、多くの代謝プロセスの開発の岐路を構成しています。

解糖は、グルコースを分解する代謝経路です。これは、1分子のグルコースが2分子のピルビン酸に変換され、2分子のATPが正味生成される10のステップで構成されます。

ピルビン酸分子の骨格。出典：LukášMižoch

解糖の最初の5つのステップでは、リン酸糖の生産に2つのATP分子が消費されます。グルコース-6-リン酸とフルクトース-1,6-二リン酸です。解糖の最後の5つの反応では、エネルギーと4つのATP分子が生成されます。

ピルビン酸は、酵素ピルビン酸キナーゼによって触媒される反応で、ホスホエノールピルビン酸またはホスホエノールピルビン酸から生成されます。Mg ²⁺とK ⁺を必要とする酵素。反応中に、ATP分子の産生が起こります。

生成されたピルビン酸は、さまざまな生化学的イベントで使用できます。解糖が好気性条件下で行われたか、嫌気性条件下で行われたかに応じて。

好気性条件下では、ピルビン酸はアセチルCoAに変換され、これはクレブス回路またはトリカルボン酸に組み込まれます。グルコースは、解糖後に発生するプロセスである電子輸送チェーン中に二酸化炭素と水に変化します。

嫌気性条件下で、ピルビン酸は酵素乳酸デヒドロゲナーゼの作用により乳酸に変換されます。これは、哺乳動物や乳汁中の細菌を含む高等生物で発生します。

しかしながら、酵母は、酵素ピルビン酸デカルボキシラーゼの作用により、ピルビン酸をアセトアルデヒドに発酵させる。その後、アセトアルデヒドはエタノールに変換されます。

プロパティ

分子式

C ₃ H ₄ O ₃

化学名

-ピルビン酸、

-ピロアセミン酸と

-2-オキソプロピオン（IUPAC名）。

モル質量

88.062 g / mol。

身体的特徴

無色の液体で、黄色または琥珀色の場合もあります。

におい

酢酸に似た刺激臭。

沸点

54°C

融点

13.8°C

密度

20°Cで1.272 g / cm ³

水溶性

20°Cで10 ⁶ mg / L; または同じものは、モル濃度が11.36 Mの溶液を生成します。

蒸気圧

129 mmHg。

オクタノール/水分配係数

ログP = -0.5

酸度

25ºCでpKa = 2.45

屈折率

η20D= 1.428

保存温度

2〜8ºC

pH

20 gで90 g / Lの水の濃度で1.2。

安定

安定していますが、可燃性です。強力な酸化剤や強塩基とは相容れない。コンテナが空気や光から保護しない場合、保管中に重合して分解します。

フレーバーしきい値

5 ppm。

合成

これは、酒石酸を溶融硫酸水素カリウム（KHSO ₄）と一緒に、210°C-220°Cの温度で加熱することによって調製されます。反応生成物は、減圧下での分留により精製される。

チアミン栄養要求性酵母は、グリセロールとプロピオン酸で培養すると、ピルビン酸を合成できます。ピルビン酸は、グリセロールから71％の収率です。

ピルビン酸は、過マンガン酸カリウムなどの酸化剤によるプロピレングリコールの酸化によっても生成されます。

生物学的役割

目的地

ピルビン酸はすべての生物で生産されるため、必須の栄養素ではありません。たとえば、赤いリンゴには、450 mgのこの化合物が含まれています。これは、さまざまな代謝プロセスの開発の岐路を構成します。

解糖中に形成されると、いくつかの目的地を持つ可能性があります。クレブス回路で使用されるアセチルCoAになること。乳酸に変換する; またはアミノ酸で。

加えて、アセチルCoAに変換する必要なしに、ピルビン酸を、硬化経路を介してクレブス回路に組み込むことができます。

acetylCoAへの変換

ピルビン酸からアセチルCoAへの変換では、ピルビン酸の脱炭酸が起こり、残りのアセチル基が補酵素Aと結合してアセチルCoAを形成します。これは、酵素ピルビン酸デヒドロゲナーゼによって触媒される複雑なプロセスです。

この酵素は、アセチルCoAの合成を触媒する他の2つの酵素と複合体を形成します：ジヒドロリポアミドトランスアセチラーゼとジヒドロリポアミドデヒドロゲナーゼ。さらに、チアミンピロリン酸、リポ酸、FADH ₂、NADHおよびCoAの5つの補酵素が合成に参加します。

ビタミンB ₁（チアミン）欠乏症の場合、ピルビン酸は神経構造に蓄積します。ピルビン酸に由来するアセチルCoAに加えて、アミノ酸の代謝と脂肪酸のβ酸化に由来するものは、クレブス回路で使用されます。

2炭素アセチルCoAは4炭素オキサロ酢酸と結合して6炭素クエン酸塩を形成します。このイベントの後に、一連の反応が続きます。これらの反応は、一緒にクレブス回路またはトリカルボン酸回路と呼ばれます。

クレブスサイクル

クレブス回路では、コエンザイムNADHおよびFADH _{2が生成され}、シトクロムと呼ばれるタンパク質が関与する一連の反応で使用されます。この一連の反応は、電子輸送チェーンと呼ばれます。

電子輸送鎖は、ATPが生成される代謝活動である酸化的リン酸化と共役しています。解糖、電子輸送鎖、および酸化的リン酸化によって代謝されたすべてのグルコース分子に対して、合計36個のATP分子が生成されます。

オキサロ酢酸への変換

ピルビン酸は、アレルギー反応において、カルボキシル化されてオキサロ酢酸となり、クレブス回路に加わります。アナプレロ反応は代謝サイクルのコンポーネントを供給し、それらの消耗を防ぎます。ピルビン酸のオキサロ酢酸への変換はATPに依存しています。

この食欲不振反応は主に動物の肝臓で起こります。ピルビン酸はクレブス回路にも組み込まれ、NADPHを補酵素として使用するリンゴ酸酵素によって触媒されるアナプレシス反応でリンゴ酸に変換されます。

アラニンへの変換

飢餓状態のピルビン酸は、筋肉内にグルタミン酸のアミノ基が取り込まれ、アミノ酸アラニンに変化します。この反応は、酵素アラニンアミノトランスフェラーゼによって触媒されます。

アラニンが血液に移行すると、肝臓で逆のプロセスが発生し、アラニンがピルビン酸に変換されます。これにより、グルコースが生成されます。この一連のイベントは、ケーヒルサイクルと呼ばれます。

乳酸塩への変換

解糖率の高い好気性細胞では、合成されたNADH分子は、ミトコンドリアの酸化においてNAD分子に適切に変換されません。したがって、この場合、嫌気性細胞と同様に、ピルビン酸の乳酸への還元が起こります。

上記は、解糖とNADHの生成が活性化される激しい運動中に何が起こるかを説明しています。このNADHは、ピルビン酸の乳酸への還元に使用されます。これにより、筋肉に乳酸が蓄積し、痛みが生じます。

これは、乳酸菌などの真核細胞でも起こります。乳酸菌の場合がそうです。ピルビン酸から乳酸への変換は、NADHを補酵素として使用する乳酸脱水素酵素によって触媒されます。

アルコール発酵

ピルビン酸は、他の目的地の中でも、アルコール発酵を受けます。最初のステップで、ピルビン酸は脱炭酸を受け、アセトアルデヒド化合物が生成されます。この反応は、酵素ピルビン酸デカルボキシラーゼによって触媒されます。

続いて、NADHを補酵素として使用するアルコール性デヒドロゲナーゼ酵素によって触媒される反応で、アセトアルデヒドがエタノールに変換されます。

抗酸化機能

ピルビン酸には抗酸化機能があり、過酸化水素や過酸化脂質などの活性酸素種を排除します。ピルビン酸の超生理学的レベルは、細胞の還元型グルタチオンの濃度を増加させる可能性があります。

用途

医療用途

ピルビン酸は心筋に変力作用を及ぼすため、冠動脈内経路を介した注射または注入は、収縮または筋収縮の強さを増加させます。

しかし、拘束性心筋症の治療のためにピルビン酸を静脈内投与された子供は死に至ったため、この手順のいくつかの毒性影響を考慮する必要があります。

ピルビン酸の変力作用を説明する可能なメカニズムの1つは、ATPの生成の増加とATPのリン酸化電位の増加です。別の説明は、ピルビン酸デヒドロゲナーゼの活性化です。

ピルビン酸は、減量に使用できる化合物として長い間販売されてきました。しかし、いくつかの研究では、体重減少に影響はあるものの、その効果は小さく、この目的での使用は推奨されていないことが示されています。

さらに、1日あたり5グラムのピルビン酸の摂取が消化器系に有害な影響を与えるという証拠があり、腹部の不快感と腹部の歪み、ガスと下痢によって証明されています。

「悪玉コレステロール」と見なされる低密度リポタンパク質（LDL）コレステロールの増加も観察されました。

その他の用途

ピルビン酸は、食品香料として使用されます。また、さまざまな産業でL-トリプトファン、L-チロシン、3,4-ジヒドロフェニルアラニンを合成するための原料としても機能します。

参考文献

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