Die Biosynthese von Vitamin B₁ (Thiamin): ein Beispiel für biochemische Vielfalt

Abstract

Die Aufklärung der Biosynthesewege zu Thiamin (Vitamin B1) und dessen Pyrophosphatester, dem wichtigen Coenzym Cocarboxylase, ist und bleibt für Forscher eine Herausforderung. Die Thiamin‐Biosynthese gliedert sich in die voneinander unabhängigen Synthesewege zur Pyrimidin‐Einheit 4‐Amino‐5‐hydroxymethyl‐2‐methylpyrimidin und zur Thiazol‐Einheit 5‐(2‐Hydroxyethyl)‐4‐methylthiazol sowie den Weg dieser Untereinheiten zum Vitamin. Die Schritte des letztgenannten Prozesses wurden vor ungefähr zwanzig Jahren vollständig aufgeklärt. Dabei stellte sich heraus, daß sich der Syntheseweg in aeroben Bakterien und Hefen zu einem gewissen Grad vom Syntheseweg in Enterobakterien unterscheidet. Dagegen sind die Synthesewege zu den Untereinheiten noch nicht zufriedenstellend erforscht. Die Pyrimidin‐ und die Thiazol‐Einheit entstehen in Bakterien und in Hefen auf unterschiedlichen Synthesewegen. Eine Schwierigkeit war, daß das Einbaumuster markierter Vorläufer, das von verschiedenen Arbeitsgruppen bei unterschiedlichen Mikroorganismen festgestellt wurde, nicht mit einem einzigen Biosyntheseweg für jede der beiden Untereinheiten in Einklang war. Man ist heute davon überzeugt, daß in Enterobakterien und Hefen unterschiedliche Wege vorliegen, so daß die Biosynthese von Vitamin B1 ein Beispiel für biochemische Vielfalt ist. Darüber hinaus war die geringe Menge an Thiamin, die in mikrobiologischen Kulturen synthetisiert wird (ca. 15 μg pro Liter Kultur), eine weitere Schwierigkeit. Daher waren die Untersuchungen bis in die jüngste Zeit entweder auf die Verwendung radioaktiver Tracer oder den Einsatz stabiler Isotope mit anschließender massenspektrometrischer Analyse beschränkt. Wie bekannt, führen beide Methoden zu Problemen bei der Interpretation der Resultate. Die Hochfeld‐13C‐NMR‐Spektroskopie, die aussagekräftigste moderne Methode zur Ermittlung von Einbaumustern, wurde erst kürzlich erfolgreich zur Untersuchung der Thiamin‐Biosynthese eingesetzt. Wegen dieser prinzipiellen und experimentellen Schwierigkeiten sind selbst die ersten Vorläufer der beiden relativ einfachen heterocyclischen Untereinheiten von Thiamin nicht eindeutig erkannt. Die Suche nach den Zwischenstufen, die Untersuchung der Enzyme und die Identifizierung der beteiligten Gene sind Gegenstand der aktuellen Forschung.

Etiology of Potentially Primordial Biomolecular Structures: From Vitamin B12to the Nucleic Acids and an Inquiry into the Chemistry of Life’s Origin: A Retrospective

“…The idea of their pre‐biological ancestry has impressive chemical support, especially in the case of riboflavin; so far—with the possible exception of the porphinoids—for none of the structurally complex cofactors other than riboflavin has a “chemomimetic” nature for biosynthesis of the core structure been so convincingly demonstrated through non‐enzymatic simulation of chemically complex biosynthetic steps under potentially prebiotic conditions 293. 294 Clarifying by experimental synthetic analysis the question of whether the structures of the archaic cofactors are elementary to the extent of being potentially prebiotic could well provide a breakthrough at the front line of research into the problem of the chemistry of biogenesis.…”

Thiamine Biosynthesis in Escherichia coli: Identification of the Intermediate and By‐Product Derived from Tyrosine

“…The biosynthesis of thiamine phosphate is convergent, linking two independently biosynthesized heterocyclic precursors (Scheme 1, 6 and 7) in the final step. [1][2][3][4] The biosynthesis of the thiazole moiety of thiamine has been well characterized in the aerobe Bacillus subtilis, [4,5] which obtains the C2-N3 fragment of the thiazole by oxidation of glycine 9 to dehydroglycine 2 using ThiO [6] (Scheme 1). This hydrolytically unstable intermediate is incorporated into the thiazole 6 in a multistep reaction requiring the thiazole synthase (ThiG), [7] the sulfur donor ThiFS thiocarboxylate, [8,9] and 1-deoxyxylulose 5-phosphate (Dxp,5).…”

(−)‐2C‐Methyl‐d‐erythrono‐1,4‐lactone is formed after application of the terpenoid precursor 1‐deoxy‐d‐xylulose

“…Application of 1‐deoxy‐ d ‐xylulose (DX) to several plant species has unequivocally demonstrated this sugar to be the precursor of thiamine [1], pyridoxol [2]and a range of terpenoids ([3]and literature cited therein). Mevalonic acid has been clearly ruled out as the predominant precursor for this type of compounds.…”