TY  - THES
A1  - Kraus, Michael
T1  - The Conversion of Bifidobacterium adolescentis Sucrose Phosphorylase into a Polyphenol Transglucosidase via Structure-based Enzyme Engineering
T1  - Umwandlung einer Sacharose Phosphorylase in eine Polyphenol Transglukosidase durch strukturbasiertes Enzyme Engineering
N2  - The initial goal was the conversion of Bifidobacterium adolescentis Sucrose Phosphorylase (BaSP) into a polyphenol glucosidase by structure based enzyme engineering. BaSP was chosen because of its ability to utilize sucrose, an economically viable and sustainable donor substrate, and transfer the glucosyl moiety to various acceptor substrates. The introduction of aromatic residues into the active site was considered a viable way to render it more suitable for aromatic acceptor compounds by reducing its polarity and potentially introducing π-π-interactions with the polyphenols. An investigation of the active site revealed Gln345 as a suitable mutagenesis target. As a proof of concept BaSP Q345F was employed in the glycosylation of (+)-catechin, (-)-epicatechin and resveratrol. The variant was selective for the aromatic acceptor substrates and the glucose disaccharide side reaction was only observed after almost quantitative conversion of the aromatic substrates. A crystal structure of BaSP Q345F in complex with glucose was obtained and it displayed an unexpected shift of an entire domain by 3.3 Å. A crystal structure of BaSP D192N-Q345F, an inactive variant in complex with resveratrol-3-α-D-glucosid, the glucosylation product of resveratrol, synthesized by BaSP Q345F was solved. It proved that the domain shift is in fact responsible for the ability of the variant to glycosylate aromatic compounds. Simultaneously a ligand free crystal structure of BaSP Q345F disproved an induced fit effect as the cause of the domain shift. The missing link, a crystal structure of BaSP Q345F in the F-conformation is obtained. This does not feature the domain shift, but is in outstanding agreement with the wildtype structure. The domain shift is therefore not static but rather a step in a dynamic process. It is further conceivable that the domain shifted conformation of BaSP Q345F resembles the open conformation of the wild type and that an adjustment of a conformational equilibrium as a result of the Q345F point mutation is observed. An investigation into the background reaction, the formation of glucose-glucose disaccharides of BaSP Q345F and three further variants that addressed the same region (L341C, D316C-L341C and D316C-N340C) revealed the formation of nigerose by BaSP Q345F.
N2  - Saccharose Phosphorylase aus Bifidobacterium adolescentis (BaSP) sollte durch strukturbasiertes Enzym-Engineering in die Lage versetzt werden Polyphenole zu glukosylieren. In die katalytische Tasche sollten aromatische Seitenketten eingeführt werden um die Polarität an jene der gewünschten Akzeptorsubstrate anzupassen und eine weitere Stabilisierung durch π-π-Wechselwirkungen zwischen Enzym und Substrat zu erlauben. BaSP Q345F war in der Lage die Zielsubstrate zu glukosylieren und behielt gleichzeitig ausreichen Aktivität bei. Die weitere Untersuchung dieses Enzyms ist in vier Studien beschrieben. Die Kristallstruktur einer inaktiven Variante, BaSP D192Q-Q345F in komplex mit dem Glukosylierungsprodukt Resveratrol-3-α-D-Glukosid wurde gelöst. Dadurch konnte gezeigt werden, dass einer Verschiebung einer Domäne für die Fähigkeit der Variante Glukose auf aromatische Substrate zu übertragen, verantwortlich ist. Die Orientierung des π-Systems von Resveratrol erlaubt weiterhin T-förmige π-π-Wechselwirkungen mit Phe156 und Phe345.Die detaillierte kinetische Untersuchung von BaSP Q345F mit acht Akzeptorsubstraten ergab eine starke Affinität der Variante zu den aromatischen Substraten (KM 0.08 bis 1.55 mM). Weitere Strukturdaten zeigen, dass die Verschiebung der Domäne Teil eines dynamischen Prozesses ist. Des weiteren ist die Q345F Variante in der Lage, den seltenen Zucker Nigerose zu synthetisisern.
KW  - enzyme engineering
KW  - sucrose phosphorylase
KW  - domain shift
KW  - resveratrol
KW  - quercetin
KW  - Phosphorylase
KW  - Glucosyltransferasen
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-192477
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kraus, Michael
T1  - Synthese von 14C-markierten Anthocyanidinen und Studien zur intestinalen Verfügbarkeit von Anthocyanen aus Heidelbeeren (Vaccinium myrtillus L.)
T1  - Synthesis of 14C-labelled anthocyanidins and studies to the intestinal availability of anthocyanins from blueberry (Vaccinium myrtillus L.)
N2  - Der Ernährung wird eine wichtige Rolle bei der Entstehung von entzündlichen und bösartigen Erkrankungen des Darmtraktes zugesprochen. So ist bekannt, dass fettreiche Ernährung mit hohem Fleischverzehr das Auftreten derartiger Krankheiten begünstigt. Auf der anderen Seite weiß man, dass sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe wie Polyphenole und Flavonoide sowohl in vitro als auch im Tierversuch chemopräventive Effekte zeigen. Besondere Bedeutung scheint den Anthocyanen zuzukommen. Dabei ist bislang ungeklärt, wie hoch der Anteil an Anthocyanen nach dem Verzehr von z. B. Früchten ist, der in den Dickdarm gelangt. Es war ein Ziel der vorliegenden Arbeit, diese Fragestellung an Hand eines einschlägigen Beispiels, d.h. der Anthocyane aus Heidelbeeren (Vaccinum mytillus L.), zu beantworten. Wir führten hierzu eine Interventionsstudie mit Ileostomie-Probanden durch. Nach polyphenolfreier Ernährung über 24 Stunden verzehrten fünf Probanden je 300 g Wildheidelbeeren. Der Ileostoma-Ausfluss wurde danach in zeitlichen Abständen gesammelt, sofort tiefgefroren und nach extraktiver Probenaufarbeitung mittels HPLC-DAD und HPLC-ESIpos-MS/MS untersucht. Quantitative Bestimmungen erfolgten via HPLC-DAD, wobei die jeweilige Kalibrierung mit eigens aus Heidelbeeren isolierten authentischen Anthocyanreferenzen durchgeführt wurde. Durchschnittlich sind 46 % der aufgenommen Anthocyanmenge im Ileostoma-Ausfluss wieder gefunden worden. Der ausgeschiedene Anteil war abhängig von der Struktur des Aglycons und des jeweiligen Zuckerrestes. Malvidin-3-O-arabinosid (Mv-3-O-ara) (42) wurde zu 85.1% der aufgenommenen Menge im Dünndarmausfluss detektiert, Cyanidin-3-O-glucosid (Cy-3-O-glc) (6) hingegen nur zu 28.3%. Das Maximum der Ausscheidung lag zwischen zwei und vier Stunden. Insgesamt war erkennbar, dass Glucoside am stärksten metabolisiert oder aufgenommen wurden. Stabiler waren die Galactoside; Arabinoside [ausgenommen Delphinidin-3-O-arabinosid (12)] zeigten die größte Stabilität. Diese Tendenz wurde in Modellversuchen, bei denen verschiedene Anthocyane mit polyphenolfreiem Dünndarmausfluss inkubiert wurden, bestätigt. Stabilitätsuntersuchungen der freien Aglycone ergaben Abhängigkeiten vom Substitutionsmuster der Anthocyanidine am B-Ring; methoxylierte Strukturen erwiesen sich weitaus stabiler als hydroxylierte. Zusammenfassend ist erstmals festzustellen, dass ein beachtlicher Teil der applizierten Anthocyane unter physiologischen Umständen in den Dickdarm gelangt und dort zur Prävention von Darmerkrankungen beitragen könnte. Da aber auf Grund der gewonnenen Ergebnisse auch ein beachtlicher Teil der Anthocyane nicht wieder gefunden wurde und aus der Literatur bekannt ist, dass sich nur sehr geringe Mengen im Urin nachweisen lassen, stellt sich die Frage über den Verbleib dieser Anthocyananteile. Eine Strategie, dieses Problem experimentell anzugehen, beruht in der Anwendung markierter Substrate, z. B. 14C-markierter Anthocyanidine. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden demzufolge [4-14C]-Pelargonidinchlorid (35) und [4-14C]-Delphinidin-chlorid (36) (auf Grundlage entsprechender nicht markierter Versuche) synthetisiert. Beide Synthesen gingen von 1,3,5-Trihydroxybenzol (37) aus. In einer Vilsmeyer-Reaktion wurde mittels [Formyl-14C]-dimethylformamid markierter 2,4,6-Trihydroxy-benzaldehyd (38) gewonnen. Nach Benzoylierung erhielt man den für die weiteren Schritte benötigten, radioaktiv markierten Baustein 2-Benzoyl-4,6-dihydroxybenzalde-hyd (39). [4-14C]-Pelargonidinchlorid (35) erhielt man durch Kondensation von [Formyl-14C]-2-benzoyl-4,6-dihydroxybenzaldehyd (39) mit ω,4-Diacetoxyacetophenon (17), welches ausgehend von Methoxybenzol (22) in einer dreistufigen Synthese gewonnen wurde. [4-14C]-Delphinidinchlorid (36) wurde durch Kondensation von 2-Benzoyl-4,6-dihydroxybenzaldehyd (39) mit ω,3,4,5-Tetraacetoxyacetophenon (20) erhalten. Die Synthese des Intermediates (20) erfolgte ausgehend von 3,4,5-Trihydroxybenzoesäure (30) via 3,4,5-Triacetoxybenzoesäure (31), deren Acylchlorid (32), anschließender Umsetzung zum Diazoketon (33) und Gewinnung von ω,3,4,5-Tetraacetoxyacetophenon (20), aus dem [4-14C]-Delphinidinchlorid in zwei Schritten zugänglich war. Mit der damit erstmals gewährleisteten Bereitstellung 14C-markierter Anthocyanidine ist der Weg für zukünftige Tierversuche zur Ermittlung der Verteilung von Anthocyanidinen im Körper geebnet.
N2  - Nutrition is supposed to play an essential role in the pathogenesis of inflammatory and malignant diseases of the gastrointestinal tract. It is well known that fat-rich nutrition favors the occurrence of such diseases. On the other hand, it is known that secondary plant components such as polyphenols and flavonoids show both in vitro and in vivo chemopreventive effects. Anthocyans seem to be of particular importance. It is still unknown how many anthocyans reach the colon after consumption, e.g., of fruits. One of the aims of this work was to answer this question by means of a relevant example, i.e. anthocyans from blueberry fruit (Vaccinum mytillus L.). For this purpose, we performed an intervention study with ileostomy patients. After a polyphenol free diet over a period of 24 hours five test subjects were each given 300 g of wild blueberries. The ileostomy discharge was collected in different intervals, immediately frozen and analyzed after extractive sample processing by means of HPLC-DAD analysis. The samples were quantified via HPLC-DAD, whereby the respective calibration was accomplished with authentic anthocyan references isolated from blueberries. In average 46% of the anthocyans were retrieved in the ileostomy discharge. The excreted amount depended on the structure of the aglycons and the respective sugar residue. In the ileostomy discharge 85.1 % of malvidin-3-O-arabinoside (Mv-3-O-ara) (42) was detected but only 28.3% cyanidin-3-O-glucoside (Cy-3-O-glc) (6). The maximum of the excretion was between two and four hours. Altogether it was to be observed that glucosides were metabolized or absorbed most of all. The galactosides were more stable. Arabinosides [excluding delphinidin-3-O-arabinoside (12)] showed the greatest stability. This tendency was confirmed in model reaction systems for which isolated anthocyans were incubated with polyphenol free ileostomy discharge. The stability of the available aglycones depended on the substitution pattern of the B-ring of the anthocyanidins. Methoxylated anthocyanins showed a by far greater stability than hydroxylated. Summarizing, it is shown for the first time that a considerable part of the consumed anthocyans reach the colon under physiological circumstances and could aid in the prevention of diseases of the colon. As however, due to the obtained results a considerable part of the anthocyans was not retrieved and it is known from literature that only very small quantities were found in urine, the question remains about the fate of the rest of the anthocyanidins. A strategy to approach this problem experimentally is based in the application of marked substrates, e.g. 14C-labelled anthocyanidins. In the range of the work at hand [4-14C]-pelargonidin chloride (35) and [4-14C]-delphinidin chloride (36) were synthesized on the basis of the corresponding non-marked synthesis. Both syntheses begin on the basis of 1,3,5-trihydroxybenzole (37). With a Vilsmeyer reaction with [formyl-14C]-dimethylformamide labelled 2,4,6-trihydroxybenzaldehyd (38) was prepared. After benzoylation, the for the next steps needed radioactive labelled [formyl-14C]-2-benzoyl-4,6-dihydroxybenzaldehyd (39) was obtained. [4-14C]-Pelargonidinchlorid (35) was received by condensation of ω,4-Diacetoxy-acetophenone (17) synthesized from methoxybenzol in a three step synthesis (22) with [formyl-14C]-2-benzoyl 4,6-dihydroxybenzaldehyd (39). The yield of (35) was 0.2 mg with a specific activity of 33.6 µCi/mg. [4-14C]-Delphinidin chloride (35) (0.33 mg with a specific activity of 30.4 µCi/mg) was obtained by condensation of 3,4,5-tetraacetoxyacetophenone (20) with [formyl-14C]-2-benzoyl 4,6-dihydroxybenzaldehyde (39). The synthesis of the intermediate (20) from which (35) was prepared in two steps starting from 3,4,5-trihydroxybenzoic acid via 3,4,5-triacetoxybenzoic acid (31), its acid chloride (32) with subsequent reaction to the diazoketone (33) and yielding of ω,3,4,5-triacetoxy acetophenone (20). In synthesizing 14C-labelled anthocyanidins for the first time the way for future animal experiments for the determination of the distribution of anthocyanidins in the body was opened.
KW  - Blaubeere
KW  - Anthocyane
KW  - Dickdarm
KW  - Kohlenstoff-14
KW  - Isotopenmarkierung
KW  - Anthocyane
KW  - Heidelbeere
KW  - Radiosynthese
KW  - intestinale Verfügbarkeit
KW  - anthocyans
KW  - blueberry
KW  - radiosynthesis
KW  - intestinal availability
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-21026
ER  -