Detection and identification of a protein-bound imidazolone resulting from the reaction of arginine residues and methylglyoxal

Zusammenfassung

In Säurehydrolysaten verschiedener Laugenbackwaren (Brezeln, Knabberartikel) wurde eine im Aminosäurechromatogramm unmittelbar nach Pyridosin eluierende ninhydrinpositive Verbindung nachgewiesen. Sie konnte nach präparativer Isolierung aus einer Lebensmittelprobe sowie nach unabhängiger Synthese mittels FAB-MS,¹H- und¹³C-NMR eindeutig als proteingebundenes Imidazolon identifiziert werden, welches in den zwei tautomeren FormenN ^δ-(5-Methyl-4-oxo-5-hydroimidazol-2-yl)-l-ornithin undN ^δ-(4-Methyl-5-oxo-4-hydroimidazol-2-yl)-l-ornithin vorliegt. Das säurelabile Aminosäurederivat entsteht durch direkte Kondensation der Guanidinogruppe von Arginin mit dem Zuckerabbauprodukt Methylglyoxal und ist Vertreter einer neuen Form posttranslationaler Proteinmodifikationen. Für eine Anzahl handelsüblicher Laugenbackwaren lagen die nach enzymatischer Totalhydrolyse bestimmbaren Gehalte des Imidazolons zwischen 900 und 1300 mg pro 100g Protein. Während des Backprozesses werden somit zwischen 20 und 30% der Argininreste mit Methylglyoxal umgesetzt.

Abstract

A ninhydrin-positive compound was detected in acid hydrolysates of various alkali-treated bakery products (pretzels, snack bars), eluting immediately after pyridosine in amino acid chromatograms. Following preparative isolation from a food sample and independent synthesis, the compound was unequivocally identified by fast-atom bombardement-mass spectrometry,¹H- and¹³C-nuclear magnetic resonance as a protein-bound imidazolone, existing in two tautomeric forms, namelyN ^δ-(5-methyl-4-oxo-5-hydroimidazol-2-yl) -L-ornithine andN ^δ-(4-methyl-5-oxo-4-hydroimidazol-2-yl) -L-ornithine. The acid-labile amino acid derivative is formed by direct condensation of the guanido group of arginine and methylglyoxal, a sugar degradation product, and represents a previously unknown post-translational protein modification. For a number of commercially available alkali-treated bakery products, the amounts of the imidazolone after complete enzymic digestion ranged between 900 and 1300 mg per 100g protein, indicating that between 20 and 30% of the arginyl residues might react with methylglyoxal during the bakery process.