Auch wenn der Name Isopren an Kunststofftechnisches aus der Gummi-Ecke erinnert: Isopren ist nicht nur der Baustein von Latex bzw. Gummi, sondern auch der Baustein wichtiger sekundärer biologischer Verbindungen wie den Steroiden, Carotinoiden oder den Terpenen. Darüber berichten wir z. B. hier. Diese Naturstoffe nennt man folglich auch Isoprenoide. Zunächst sei zur Erinnerung die Strukturformel des Isoprens gezeigt:

Zunächst erinnern wir uns, wie die technischen Isoprensynthesen ablaufen
Es gibt verschiedene Verfahren. Sie sind alle technisch relativ aufwendig und erfordern teilweise hohe Temperaturen und vor allem spezielle Katalysatoren. So kann man Propen zu 2-Methyl-1-penten dimerisieren. Diese Verbindung wird anschließend gecrackt, wobei unter Bildung von Isopren Methan abgespalten wird.

Ein anderes Verfahren beruht auf der nach dem Entdecker benannten Prins-Reaktion: Isobuten wird in einer klassischen Aldehyd-Reaktion unter saurer Katalyse mit Formaldehyd umgesetzt, wobei 3-Methyl-1,3-butandiol entsteht. Dieses wird dehydratisiert.

Die biologische Isoprensynthese
Auch hier sind Katalysatoren erforderlich. Es handelt sich aber um Biokatalysatoren, die Enzyme. Die haben den Vorteil, dass sie auch bei niedrigen Temperaturen äußerst effektiv und dabei noch äußerst selektiv arbeiten.

Die Bio-Synthese des Isoprens beginnt mit einem alten Bekannten, mit Acetyl-CoA. Das entsteht nicht nur beim Abbau der Fettsäuren, sondern vor allem durch oxidative Decarboxylierung des Endprodukts der Glykolyse, Brenztraubensäure. (Weil diese im physiologischen Bereich als Anion vorliegt, steht für letztere im Allgemeinen der Begriff Pyruvat.) Der dabei anfallende Thioester mit dem Coenzym A (abgekürzt CoA) macht diese Verbindung energiereich und deshalb besonders reaktionsbereit.

Zunächst werden zwei Moleküle Acetyl-CoA unter Abgabe eines HS-CoA zu Acetoacetyl-CoA gebunden. Dann erfolgt noch die Kondensation eines weiteren Acetyl-CoA. Nach Reduktion dieses β-Hydroxy-β-methyl-glutaryl-CoA bildet sich schließlich eine Schlüsselsubstanz der Isoprensynthese, die Mevalonsäure.

Wir erkennen in diesem Molekül bereits das Grundgerüst des Isoprens, eine Kette von 4 C-Atomen mit Methyl-Verzweigung.

Eine Kinase katalysiert die Bildung unter Einsatz von 2 Molekülen ATP einer energiereichen Verbindung. So entsteht Mevalonsäure-5-pyrophosphat.

Das Pyrophosphat wird unter Einsatz eines weiteren ATP decarboxyliert, wobei zugleich ein Molekül Wasser abgespalten wird. Es entsteht Isoprenylpyrophosphat.

Diese Verbindung ist sozusagen die „Mutter aller Isoprenoide“. Man nennt Isoprenylpyrophosphat auch Aktives Isopren. Denn aufgrund des Pyrophosphatrests ist diese Verbindung energiereich und kann - unter Mitwirkung spezifischer Enzyme - zu den entsprechenden Isoprenoiden reagieren. Bei diesen Polymerisationsreaktionen wird der Pyrophosphatrest abgespalten. Das wirkt sich aus, als wenn eine positiv-aktivierte Doppelbindung entsteht, aus der die Kopplung an ein anderes Isoprenmolekül erfolgt. Insofern ist diese Reaktion durchaus mit der kationischen Polymerisation aus der technischen Kunststoffchemie zu vergleichen.

Das Aktive Isopren ist auch die Ausgangssubstanz zur Biosynthese der Steroide.

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