Die Lactobacillsäure (), wissenschaftlich 10-(2-Hexylcyclopropyl)decansäure, ist eine natürlich vorkommende chemische Verbindung aus der Gruppe der Fettsäuren. Als weitere Synonyme finden sich unter anderem Lactobacillussäure und Phytomonsäure. Die Salze heißen Lactobacillate. Eine Besonderheit ist der Cyclopropanring in der Kohlenstoffkette. Außerdem gehört die Lactobacillsäure mit 19 Kohlenstoffatomen zu den Fettsäuren mit einer ungeraden Anzahl an C-Atomen.
Die Fettsäure wurde in den 1950er Jahren in Bakterien der Gattung Lactobacillus nachgewiesen, kommt allerdings auch bei zahlreichen anderen Bakterienarten vor. Die bakterielle Biosynthese der Lactobacillsäure erfolgt aus der cis-Vaccensäure (cis-11-Octadecensäure), einer ungesättigten Fettsäure, die ein Kohlenstoffatom weniger besitzt. Bakterien in einer Batch-Kultur bilden die Fettsäure am Ende der exponentiellen Phase des Wachstums oder in der frühen stationären Wachstumsphase. Bisherige Untersuchungen zeigen, dass die Biosynthese und Einlagerung der Lactobacillsäure in der Zellmembran mit einer schützenden Wirkung für die Bakterienzellen verbunden ist, ohne dass der genaue Mechanismus abschließend geklärt ist. In der Bakteriologie dient die Fettsäure vor allem analytischen Zwecken, beispielsweise bei der Identifizierung von Bakterien.
Geschichte Entdeckung In den 1950er Jahren forschte eine Arbeitsgruppe der Universität Pittsburgh an Bakterien der Gattung Lactobacillus, die Biotin als Wachstumsfaktor benötigen. Bereits vorher konnte gezeigt werden, dass Biotin nicht mehr notwendig für das Wachstum der Bakterien ist, falls stattdessen bestimmte Fettsäuren im Nährmedium vorhanden sind. Bei der Untersuchung des Einflusses von Biotin auf den Fettsäurestoffwechsel konzentrierten sich die Forscher zunächst auf die Art Lactobacillus arabinosus, die nach aktueller Systematik als Lactobacillus plantarum geführt wird. Sie kultivierten die Bakterien in einem halbsynthetischen Nährmedium, ernteten die Zellen und extrahierten die „freien“ Lipide mit Aceton und Diethylether. Diese Fraktion macht etwa 20 % der Gesamtlipide aus. Um die „gebundenen“ Lipide zu erhalten, wurde anschließend eine saure Hydrolyse durchgeführt, bei der als Ester gebundene Fettsäuren freigesetzt und ebenfalls mit Diethylether extrahiert wurden.
Die Fettsäuren wurden mit Diazomethan zu den Methylestern methyliert und mit Hilfe der fraktionierenden Destillation nach ihren Siedepunkten getrennt. Aufgrund der Destillationskurve wurde das Vorhandensein von Estern der C16-, C18- und C19-Fettsäuren erwartet. Die aus der C19-Fraktion erhaltene Fettsäure wies nach Reinigung durch Umkristallisation einen Schmelzpunkt bei 28–29 °C auf. Die Verbindung wurde mit zahlreichen physikalischen und chemischen Methoden untersucht und ihre Summenformel als C19H36O2 bestimmt. 1950 war dies erst die zweite Fettsäure mit 19 Kohlenstoffatomen, die aus Mikroorganismen isoliert wurde. Bereits 1929 wurde die Tuberkulostearinsäure (, Summenformel C19H38O2) entdeckt, die aus dem Tuberkulose-Erreger Mycobacterium tuberculosis isoliert wurde. In Analogie zu deren Namen schlugen die Biochemiker die englische Bezeichnung vor, da die Fettsäure aus einer Lactobacillus-Art stammte. Auch aus Lactobacillus casei konnte die Lactobacillsäure isoliert werden. In der Veröffentlichung betonten die Wissenschaftler die Auswirkungen ihrer Entdeckung, die im Widerspruch zu der damaligen Meinung stand, in der Natur würden nur Fettsäuren mit einer geraden Anzahl von Kohlenstoffatomen vorkommen.
Strukturaufklärung mini|links|hochkant=1.8|Reaktionsschema der Hydrierung von Lactobacillsäure: Bei der Hydrierung von Lactobacillsäure (1) mit Wasserstoff (H2) ergeben sich mehrere Hydrierungsprodukte: Spaltung der Bindung 1 (rot) führt zu Nonadecansäure (2), Spaltung der Bindung 2 (blau) oder 3 (grün) führt zu einem Gemisch von Methyloctadecansäuren (3), (4).
Die „freien“ und „gebundenen“ Lipide unterscheiden sich nicht bedeutend in ihrer Fettsäurezusammensetzung. Neben der Lactobacillsäure mit einem Anteil von 31 % sind noch Palmitinsäure (C16:0), Stearinsäure (C18:0) und cis-Vaccensäure (C18:1 cis-11) mit einem Anteil von 37 bzw. 2 bzw. 20 % enthalten. Die Untersuchungsergebnisse der neu entdeckten Fettsäure ergaben, dass es sich um eine gesättigte Fettsäure handelt. Sie ist gegenüber Oxidationsmitteln, die mit einer Doppelbindung in der Kohlenstoffkette reagieren würden, stabil. Bei der Reaktion mit Bromwasserstoff (HBr) erfolgt jedoch eine Addition von HBr im Molekül. Auch eine Hydrierung ist möglich, dabei entstehen mehrere isomere Fettsäuren mit der Summenformel C19H38O2, eine davon konnte als Nonadecansäure identifiziert werden. Bei der anderen Verbindung handelt es sich um eine verzweigtkettige Fettsäure mit einer Methylgruppe als Verzweigung (Methyloctadecansäure), wobei die Wissenschaftler zum damaligen Zeitpunkt nicht unterscheiden konnten, ob eine oder mehrere Isomere davon vorlagen. Basierend auf den Ergebnissen der chemischen und physikalischen (Infrarotspektroskopie und Röntgendiffraktometrie) Verfahren zur Strukturaufklärung wurde als Struktur eine gesättigte Fettsäure vorgeschlagen, die einen Cyclopropanring in der Kohlenstoffkette aufweist. Der Cyclopropanring reagiert unter Öffnung des Rings mit Bromwasserstoff und ebenso mit Wasserstoff bei der Hydrierung (vergleiche Abbildung des Reaktionsschemas), ohne dass eine Doppelbindung vorhanden ist.
mini|hochkant=1.2|Vorschlag der Strukturformel von Lactobacillsäure (1953) Nach der Entdeckung der Lactobacillsäure in den Lipiden von Lactobacillus arabinosus führte die Arbeitsgruppe um Klaus Hofmann ihre Untersuchungen an Lactobacillus casei fort und konnte auch aus dessen Lipiden die Fettsäure isolieren. Durch Vergleich mit synthetisch hergestellten Fettsäuren konnten sie die Lage des Cyclopropanrings bestimmen und schlugen als Bezeichnung 11,12-Methylenoctadecansäure () vor, ohne sich hinsichtlich der Stereoisomerie der Struktur festzulegen. Die Bezeichnung Methylen verweist auf die Methylengruppe und kann auch für Ringglieder in Cycloalkanen verwendet werden. Die Ziffern dienen als Lokanten und beschreiben, an welcher Stelle der Cyclopropanring liegt. Von der Carboxygruppe aus gesehen sind die Kohlenstoffatome an Position 11 und 12 Bestandteil des Cyclopropanrings, dessen drittes Kohlenstoffatom – zusammen mit den daran gebundenen Wasserstoffatomen – als Methylen im Namen enthalten ist.
mini|cis-trans-Isomerie von Lactobacillsäure; oben das cis-Isomer, unten das trans-Isomer Vom Cyclopropanring aus betrachtet sind an zwei Kohlenstoffatomen jeweils unterschiedliche Substituenten vorhanden, so dass es zu einer cis-trans-Isomerie kommt (vergleiche Abbildung). Die Substituenten können auf der gleichen Seite (cis) oder auf unterschiedlichen Seiten (trans) der Ringbindung liegen. Welche Struktur tatsächlich vorliegt, konnten Hofmann u. a. bei der Entdeckung zunächst nicht klären. Jedoch stellten sie 1954 die Hypothese auf, dass das cis-Isomer vorliegt. Dies wurde 2005 durch eine kanadische Forschergruppe bestätigt. Eine eindeutige Beschreibung der räumlichen Anordnung der Substituenten ist mit Hilfe der Cahn-Ingold-Prelog-Konvention möglich, nach dieser wird die absolute Konfiguration des Moleküls als 11R,12S angegeben. Die davon abgeleitete Bezeichnung (11R,12S)-Methylenoctadecansäure ist gebräuchlich, auch wenn sie nicht den Empfehlungen der IUPAC-Nomenklatur entspricht. Für die systematische Benennung der Lactobacillsäure wird die absolute Konfiguration vom Cyclopropanring aus angegeben, mit einem C6-Substituenten (Hexylgruppe) und einem C10-Substituenten, der die Carboxygruppe enthält (Decansäure), so dass man 10-[(1R,2S)-2-Hexylcyclopropyl]decansäure erhält.
Etymologie Lactobacillsäure und Lactobacillussäure sind Übersetzungen der englischen Bezeichnung , die die Wissenschaftler bei der Entdeckung dieser Fettsäure (1950) in einer Lactobacillus-Art vorgeschlagen haben. Dabei tritt in der deutschsprachigen Literatur die Bezeichnung Lactobacillsäure häufiger auf als Lactobacillussäure. Bereits 1938 wurde von einer anderen Forschergruppe eine ungewöhnliche Fettsäure aus dem Bakterium Agrobacterium tumefaciens (damals als Bacterium tumefaciens oder Phytomonas tumefaciens bezeichnet) isoliert und nach dem Gattungsnamen als Phytomonsäure () bezeichnet. Diese gesättigte Fettsäure wies nach dem damaligen Kenntnisstand der Wissenschaftler die Summenformel C20H40O2 auf. Als Struktur wurde eine verzweigtkettige Fettsäure mit einer Methylgruppe als Verzweigung vorgeschlagen, Methylnonadecansäure. Jedoch konnten K. Homann u. a. 1955 zeigen, dass es sich bei dieser aus Phytomonas tumefaciens isolierten Verbindung tatsächlich um Lactobacillsäure handelt. Nach ihren Angaben war die ursprünglich untersuchte Substanz verunreinigt gewesen. Die Namen Lactobacillsäure bzw. Phytomonsäure werden sowohl für die Verbindung mit als auch ohne Angabe der absoluten Konfiguration verwendet.
Vorkommen Vorkommen von Lactobacillsäure Nach der Entdeckung der Lactobacillsäure in den Lipiden von Lactobacillus arabinosus konnte die Arbeitsgruppe um Klaus Hofmann auch in den Lipiden von Lactobacillus casei diese Fettsäure mit einem Gehalt von 16 % bestimmen. Weiterhin ist sie bei L. acidophilus, L. buchneri, L. delbrueckii subsp. bulgaricus, L. delbrueckii subsp. lactis, L. fermentum und L. helveticus mit einem Gehalt von 10 bis 30 % nachgewiesen worden. Die Lactobacillsäure ist jedoch nicht auf Vertreter der Gattung Lactobacillus oder Milchsäurebakterien im Allgemeinen beschränkt. Die Fettsäure wurde ebenfalls in höheren Anteilen (10–20 %) bei gramnegativen Bakterien, wie Agrobacterium tumefaciens und Escherichia coli nachgewiesen, in geringeren Mengen (5–10 %) auch bei Serratia marcescens, Klebsiella aerogenes und Pseudomonas fluorescens. Auch Brucella-Arten enthalten Lactobacillsäure, ebenso wie Bordetella-Arten, der Gehalt liegt hier jedoch nur bei 1–2 %.
Lactobacillsäure kommt sowohl bei grampositiven wie gramnegativen Bakterien vor, das Vorkommen erstreckt sich auf strikt aerobe, mikroaerophile, fakultativ und strikt anaerobe Gattungen. Obwohl die Fettsäure bei Bakterien weit verbreitet ist, ist sie nicht bei allen Gattungen zu finden. Bakterien, die keine ungesättigten Fettsäuren in den Membranlipiden aufweisen, besitzen auch keine Lactobacillsäure. Dies trifft insbesondere auf thermophile Bakterien und Archaeen zu. Eher selten ist die Fettsäure hingegen bei eukaryotischen Organismen zu finden. Sie ist beispielsweise in Rapsöl enthalten, das wenig Erucasäure enthält (sogenannte LEAR-Sorten).
Vorkommen weiterer Cyclopropanfettsäuren Die Biosynthese und das Vorkommen der Lactobacillsäure ist eng verbunden mit der Dihydrosterculiasäure (vergleiche Sterculiasäure), dabei handelt es sich ebenfalls um eine gesättigte Fettsäure mit der Summenformel C19H36O2, die einen Cyclopropanring enthält. Hier ist der Ring jedoch an den Positionen 9 und 10 der Kohlenstoffkette lokalisiert, folglich wird sie auch als cis-9,10-Methylenoctadecansäure bezeichnet. Dihydrosterculiasäure kommt ebenfalls in den Lipiden von vielen Bakteriengattungen vor, wurde aber auch bei Eukaryoten gefunden, beispielsweise bei Protozoen aus der Gruppe der Trypanosomatida, hier bei den Gattungen Crithidia, Leishmania, Leptomonas, Herpetomonas und Phytomonas. Nach einer 2014 veröffentlichten Untersuchung kommen Lactobacillsäure und Dihydrosterculiasäure auch in Kuhmilch in sehr geringen Mengen (< 0,1 % der Gesamtfettsäuren) vor, nicht jedoch in der Milch von Ziegen oder Schafen.
Gewinnung und Darstellung Extraktion