Heptosas: características, importancia biológica, síntesis
Las heptosas son monosacáridos que poseen siete carbonos y cuya fórmula empírica es C7H14O7. Estos azúcares, tales como otros monosacáridos, son polihidroxilados y pueden ser: aldoheptosas, que tienen una función aldehído en el carbono uno, o cetoheptosas, que tienen un grupo cetona en el carbono 2.
Las heptosas son sintetizadas en vías metabólicas, tales como el ciclo de Calvin de la fotosíntesis y la fase no oxidativa de la vía de las pentosas fosfato. Son constituyentes de los lipo-polisacáridos (LPS) en la pared celular de las bacterias Gram-negativas tales como Escherichia coli, Klebsiella sp., Neisseria sp., Proteus sp., Pseudomonas sp., Salmonella sp., Shigella sp., y Vibrio sp.
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Las heptosas, de forma similar a las hexosas, existen predominantemente en su forma cíclica. Las aldoheptosas poseen cinco carbonos asimétricos y se ciclan formando una piranosa. En contraste, las cetoheptosas poseen cuatro carbonos asimétricos, donde también forman piranosas.
Una cetoheptosa natural muy común en los organismos vivos es la sedoheptulosa. Este azúcar es importante en la formación de azúcares hexosas en la fotosíntesis y en el metabolismo de carbohidratos en los animales.
Cuando la sedoheptulosa es calentada en un ácido mineral diluido, forma una mezcla mineral en equilibrio, donde el 80% está cristalizada como 2,7-anhidro-β-D-altro-heptulopiranosa y el 20% es sedoheptulosa.
La determinación química de las heptosas se hace con ácido sulfúrico y cisteína, difenilamina y floroglucinol. Bajo ciertas condiciones, es posible diferenciar a las heptosas de otros azúcares. Inclusive, puede diferenciarse entre aldoheptosas y cetoheptosas.
Muchas aldoheptosas tienen la configuración glicero-D-manoheptosa. Las heptosas, junto a el ácido ceto-azúcar de ocho carbonos (ácido 3-deoxi-D-mano-2-octulosónico, un azúcar Kdo), son componentes estructurales de las LPS, en la membrana externa de la bicapa lipídica de las bacterias.
Los LPS pueden ser extraídos usando una mezcla de fenol al 45% en agua. Luego, las heptosas y azúcares KDO pueden ser identificados mediante técnicas colorimétricas y cromatográficas.
En el estroma del cloroplasto se encuentran las enzimas que convierten las triosas fosfato, gliceraldehído-3-fosfato y dihidroxiacetona fosfato, producidas por la asimilación de CO2, en almidón. La formación de triosas fosfato y la recuperación de los carbonos, para comenzar de nuevo la fijación de CO2, constituyen dos etapas del ciclo de Calvin.
Durante la etapa de recuperación de los carbonos, la enzima aldolasa se encarga de convertir a la eritrosa 4-fosfato (un metabolito de cuatro carbonos (E4P)) y a la dihidroxicetona fosfato (un metabolito de tres carbonos) en sedoheptulosa 1,7-bifosfato.
Esta cetoheptosa es transformada mediante varios pasos, catalizados enzimáticamente, en ribulosa 1,5-bifosfato.
La ribulosa 1,5-bifosfato es el metabolito de inicio del ciclo de Calvin. Por otra parte, la biosíntesis de sedoheptulosa 7-fosfato (S7P) tiene lugar en la vía de las pentosas fosfato, que es una vía está presente en todos los organismos vivos. En este caso, la acción de una transcetolasa transforma dos pentosas fosfato en S7P y gliceraldehído-3-fosfato (GAP).
Luego, mediante dos pasos catalizados por una transaldolasa y una transcetolasa, la S7P y el GAP son transformados en fructosa-6-fosfato y GAP. Ambos son metabolitos de la glicólisis.
Las heptosas están presentes en los lipo-polisacáridos y polisacáridos de la cápsula de las bacterias. El motivo estructural de los LPS de las enterobacterias consta de lípido A, el cual consiste de un dímero de 2-amino-2-deoxi-D-glucosa unidos por enlace β-(1®6). Tiene dos esteres de fosfato y grupos de ácidos grasos de cadena larga.
El lípido A está unido a una región central mediante un puente de tres azúcares Kdo y ácido cetodeoxioctulosonico, unidos por enlaces glicosídicos (2®7). Esta región se encuentra unida a heptosas L-glicero-D-manoheptosa, con configuración anomérica alfa. Hay una región O-antigénica.
Este motivo estructural está presente en bacterias Gram negativas, tales como Escherichia coli, Klebsiella sp., Yersinia sp., Pseudomonas sp., Salmonella sp., así como otras bacterias patogénas.
Hay variantes de heptosas que incluyen diferentes configuraciones del estereocentro de las piranosas en los oligosacáridos, así como de cadenas laterales en los polisacáridos. El D-glicero-D-mano-heptopiranosil está presente en Yersinia enterocolitica, Coxiella burnetti, Mannheimia haemolitica, Aeromonas hydrophila y Vibrio salmonicida.
Las heptosas D-glicero-D-mano-heptosas están presentes como unidades de cadenas laterales en la región externa de los LPS de cepas de Proteus y Haemophilus influenzae; y como cadenas laterales oligoméricas cortas unidas mediante α-(1®3) o α-(1®2), unidas al motivo estructural LPS de Klebsiella pneumonie.
En cepas de Vibrio cholerae, la región O-antigénica posee D-glicero-D-mano-heptosas con ambas configuraciones anoméricas (alfa y beta).
Las capas de su superficie (capas S) están compuestas por subunidades de proteínas idénticas, que la cubren en una organización bidimensional. Se encuentran en las bacterias Gram-positivas y Gram-negativas y las arqueobacterias. Las proteínas de esta capa tienen glicopéptidos que son elongados por cadenas de polisacáridos.
Las glicoproteínas de Aneurinibacillus thermoaerophilus, una bacteria gram positiva, posee unidades repetidas de disacáridos ®3)-Dglicero-β-D-mano-Hepp-(1®4)-α-L-Rhap-(1® en la capa S.
Una de las funciones de las glicoproteínas es la adhesión. Por ejemplo, existe una glicoproteína que medía la adhesión como una proteína autotransportadora (AIDA-I) en cepas de E. coli. La biosintesis de glicoproteínas ocurre mediante glicosil transferasas, tales como la heptosil-transferasa, que necesita ADP glicero-mano-heptosa.
La síntesis química y la combinación de métodos químicos y enzimáticos de heptosas fosfato y heptosas-nucleótido activadas han permitido elucidar las vías metabólicas que usan los microorganismos para producir estas sustancias.
Muchos métodos de síntesis preparan mano-heptosas 6-epiméricas para sintetizar L-glicero-D-mano-heptosa. Estos métodos se basan en la elongación de la cadena desde el carbono anomérico, o grupo aldehído, usando reactivos de Grignard. Las glicosilaciones son llevadas a cabo en presencia de grupos acil protectores.
De este modo, hay estereocontrol preservándose la configuración α-anomérica. Los tioglicósidos anoméricos y derivados tricloroacetimidato sirven como donadores de grupo heptosil. Los procedimientos más recientes implican la formación selectiva de β-heptósidos y derivados 6-deoxi-heptósidos.
La biosíntesis de heptosas-nucleótido activadas comienza a partir de sedoheptulosa 7-fosfato, la cual es convertida en D-glicero-D-mano-heptosa 7-fosfato. Se ha propuesto de una fosfomutasa forma el heptosil fosfato anomérico. Luego, una heptosil transferasa cataliza la formación de ADP D-glicero-D-mano-heptosa.
Por último, una epimerasa cambia la configuración del ADP D-glicero-D-mano-heptosa a ADP L-glicero-D-mano-heptosa.
Adicionalmente, se han realizado estudios químicos para conocer los mecanismos mediante los cuales estas enzimas llevan a cabo la catálisis. Por ejemplo, usan manopiranósido bencil bencilado, el cual es oxidado para dar el derivado manourónico.
El tratamiento con ácido clorhídrico, transforma el derivado manourónico en diazocetona. El tratamiento con diazobencil fosfórico produce una mezcla de L-glicero-7-fosfato y D-glicero-7-fosfato.
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