1.5. Биосинтез фенольных соединений.
Биосинтез у различных групп фенольных соединений протекает по одной и той же принципиальной схеме, из общих предшественников и через сходные промежуточные продукты. Все фенольные соединения в растениях образуются из углеводов (ацетатно-малонатный путь) и продуктов их превращения и в процессе биосинтеза проходят шикиматный путь. Биосинтезу многих фенольных соединений предшествует образование аминокислот – L-фенилаланина и L- тирозина. Фенольные соединения образуются двумя путями.
Ацетатно-малонатный путь (схема 1.5.1) установлен американскими учеными Берчем и Донованом в 1955 году. Предшественником является уксусная кислота, которая образуется из сахаров. В результате ступенчатой конденсации остатков уксусной кислоты образуются поликетометиленовые кислоты. Присоединение происходит по типу «голова» — «хвост» при обязательном участии фермента Коэнзима А с промежуточным образованием ацетил-Коэнзима А, а затем малонил-Коэнзима и поэому называют ацетатно-малонатный путь). Циклизация поликетонов идет под действием фермента синтетазы.
Если наращивать цепочку до 16-ти углеродных атомов (8 остатков уксусной кислоты) образуется ядро антрацена.
По ацетатно-малонатному пути идет биосинтез простых фенолов и производных антрацена в грибах и лишайниках; антрахинонов группы хризацина колец А и С антрахинонов группы ализарина в высших растениях; кольца В молекуле флавоноидов, госсипола, содержащегося в коре корней хлопчатника.
Шикиматный путь (схема 1.5.2). Подавляющее большинство растительных фенольных соединений связано биогенетическим родством. В обширную группу вторичных веществ фенольной природы входит более десяти классов различных по строению основного углеродного скелета природных соединений. В свою очередь, каждый из этих классов объединяет сотни или даже тысячи индивидуальных веществ с существенными отличиями в характере заместителей и их расположению в молекуле (гидроксидные группы, остатки сахаров, органические кислоты и другие заместители). Они составляют одно большое семейство веществ единого «метаболического» происхождения. Обусловлено это тем, что основной структурный элемент всех фенольных соединений – бензольное кольцо – образуется в растениях, как правило, по так называемому шикиматному пути. Синтезированный таким образом фрагмент ароматической структуры является той базовой единицей, из которой путем разных дополнительных превращений образуются почти все фенольные соединения растений. Лишь у ограниченного числа растительных фенолов ароматические кольца синтезируются по другому механизму – путем поликетидной конденсации ацетатных единиц.
Исходными компонентами в формировании ароматического ядра по шикиматному пути (схема 1.5.2) являются фосфоенолпируват, образующийся при гликолитическом распаде глюкозы, и эритрозо-4-фосфат – промежуточный продукт окисления глюкозы по пентозо-фосфатному пути. При их конденсации образуется семиуглеродное соединение – кислота 7-фосфо-3-дезокси-D-арабиногептулозоновая, которое затем подвергается циклизации, превращаясь в кислоту 3-дегидрохинную. На следующей стадии кислота 3-дегидрохинная теряет воду и превращается в кислоту 3-дегидрошикимовую и далее под влиянием фермента оксидоредуктазы – в кислоту шикимовую – одно из важнейших промежуточных соединений пути, за что тот и получил свое название.
Кислота шикимовая по структуре близка ароматическим соединениям, однако ее шестичленное углеродное кольцо содержит только одну двойную связь. Дальнейшие преобразования этого кольца начинаются с фосфорилирования кислоты шикимовой по 3-му углеродному атому, а затем к фосфорилированной кислоте присоединяется молекула фосфоенолпирувата – получается 5-енолпирувилшимикат-3-фосфат.
Последнее соединение претерпевает далее дефосфорилирование и дегидратацию, что приводит к образованию кислоты хоризмовой – другого важного промежуточного соединения, которое в своем кольце имеет уже две двойные связи.
На этой стадии происходит разветвление шикиматного пути. По одному направлению из кислоты хоризмовой образуется L-триптофан (и далее индольные производные), по другому – L-фенилаланин и L-тирозин. Именно с последним ответвлением сопряжены дальнейшие превращения, которые в конечном счете приводят к образованию в растительных клетках фенольных соединений.
Начинается этот процесс с превращением кислоты хоризмовой в кислоту префеновую . Последняя подвергается либо дегидратации, сопровождающейся декарбоксилированием, либо окислительному декарбоксилированию. В первом случае из кислоты префеновой образуется фенилпировиноградная, в другом – кислота n-гидроксифенилпировиноградная. Далее следует аминирование этих кетокислот с образованием соответственно L-фенилаланина и L-тирозина [18].
Однако указанные трансформации могут совершиться и в другой последовательности. Аминирование может иметь место уже на стадии кислоты префеновой с преобразованием ее сначала в кислоту L-арогеновую. Лишь затем молекула подвергается дегидратации с декарбоксилированием или окислительному декарбоксилированию, в результате которых образуется L-фенилаланин и L-тирозин.
Формированием этих двух ароматических аминокислот построение бензольного кольца завершается. Заканчивается и весь шикиматный путь, который как источник указанных аминокислот фактически представляет собой одну из составных частей первичного метаболизма клетки. Специфические вторичные превращения, ведущие к биосинтезу фенольных соединений, начинаются только после этой стадии метаболизма, причем они берут начало от одного единственного продукта шикиматного пути – L-фенилаланина. [17]
Источник
Биосинтез фенольных соединений
Биосинтез флавоноидов идет по смешанному пути: кольцо А образуется ацетатным путем, кольцо В — через шикимовую кислоту.
Шикиматный путь
Образование кольца В. Исходным соединением служит шикимовая кислота, которая при участии АТР фосфорилируется в 3-фосфошикимовую кислоту. Последняя соединяется с молекулой фосфоенолпировиноградной кислоты, причем образуется 5-енолпирувилшикимат-3-фосфат, который после дефосфорилирования и дегидратации дает хоризмовую кислоту. При перегруппировке атомов хоризмовой кислоты образуется перфеновая кислота. Далее возможны два ответвления, осуществляемые двумя различными ферментами. Один из них – префенатдегидрогеназа (декарбоксилирующая) превращает префеновую кислоту в фенилпировиноградную. Затем эти кетокислоты при участии пиридоксалевых ферментов аминируются и образуют соответственно тирозин и фенилаланин. Дезаминирование фенилаланина и тирозина, осуществляемое аммоний-лиазами, приводит к образованию коричной и п-оксикоричной (п-кумаровой) кислот (рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 – Схема шикиматного пути
I-шикимовая кислота, II-3-фосфошикимовая кислота, III-5-енолпирувилшикимат-3-фосфат, IV-хоризмовая кислота, V-префеновая кислота, VI-фенилпировиноградная кислота, VII-фенилаланин, VIII-коричная кислота, IX-п-оксифенилпировиноградная кислота, X-тирозин, XI- п-оксикоричная (п-кумаровая) кислота
Из коричной кислоты при помощи гидроксилирующих (гидроксилаза коричной кислоты и полифенолоксидаза) и метилирующих ферментов далее образуются другие представители этой группы фенольных соединений, а также кумарины (рисунок 2.2). Следует отметить, что фенольные соединения С6-С1-ряда (например, галловая и протокатехиновая кислоты) могут образовываться значительно белее простым путем, непосредственно из шикимовой или3-дегидрошикимовой кислот [11].
Рисунок 2.2 – Схема образования фенольных соединений из коричной кислоты
I-коричная кислота, II-п-кумаровая кислота; III-кофейная кислота; IV-феруловая кислота; V-синаповая кислота; VI-о-кумаровая кислота; VII-кумарин; VIII-скополетин
Ацетатно-малонатный путь
Образование кольца А. Путь принципиально отличен от шикиматного. Исходное соединение в нем – ацетилкоэнзим А. Он образуется в клетке либо при окислительном декорбоксилировании пировиноградной кислоты:
СН3СОСООН+СоА-SН+NAD + СН3СО∞SСоА+СО2+NADH+Н +
либо в тиокиназной реакции:
Ацетилкоэнзим А при участии ацетил-СоА-карбоксилазы и АТР присоединяет молекулу СО2 с образованием малонилкоэнзима А:
СН3СООН∞SСоА+СО2 → СН2СО∞SСоА
Ацетилкоэнзим А и малонилкоэнзим А используется плесневыми грибами для образования фенольных соединений. В 1961 г. Ф. Линену с сотрудниками в опытах с бесклеточным экстрактом Penicillium patulum удалось осуществить следующую реакцию:
Ацетил – SСоА + 3 малонил – SСоА+NADPH+Н + →
Реакция эта катализируется лабильным комплексом ферментов, сходным с системой синтеза жирных кислот. Ацетано-малонатный путь биосинтеза фенольных соединений широко распространен у грибов, лишайников и многих микроорганизмов. У высших растений он обычно реализуется в сочетании с шикиматным путем в биосинтезе флавоноидов и антрахинов [11].
Образование флавоноидных соединений – характерная особенность высших растений. Ни грибы, ни лишайники не способны синтезировать флавоноиды. Опыты, проведенные с различными меченными по углероду 14 С соединениями, показали, что предшественник кольца А флавоноидов –ацетат (или малонат), а кольца В – шикимовая кислота (или L-фенилаланил). Предполагают, что С6-С3-фрагмент, образовавшийся по шикиматному пути, принимает участие в биосинтезе флавоноидов также в виде соответствующего эфира с коэнзимом А, являясь как бы матрицей для надстройки активированных ацетатных (малонатных) остатков. В результате при взаимодействии п-кумарилкоэнзима А с тремя молекулами малонилкоэнзима А происходит образование тетраоксихалкона, сопровождающееся выделением трех молекул СО2 и высвобождениеам четырех молекул коэнзима А. Из халконов далее образуются все остальные группы флавоноидных соединений.
Вопрос о том, на каких стадиях происходит гидроксилирование и метоксилирование ароматических колец А и В в молекулах флавоноидов, до сих пор остается неясным. С одной стороны, в растениях очень часто содержится коричные кислоты и флавоноиды с однотипной картиной замещения: например, синаповая кислота и трицин, кофейная кислота и кверцетин, феруловая кислота и пеонидин. Кроме того, по данным А. Ценка, полученным с помощью изотопного метода, наилучшие предшественники в биосинтезе антоцианидов у петунии – оксикоричные кислоты, имеющие соответствующее расположение гидроксильных и метоксильных групп (п-кумаровая – пеларгонидин; кофейная – цианидин; феруловая – пеонидин; синаповая – мальвидин) [11].
С другой стороны, по данным Х. Гризебаха и сотрудников, единый предшественник всех флавоноидов – простейший моногидроксилированный в кольце В халкон, который подвергается дальнейшему гидроксилированию и метаксилированию уже на более поздних стадиях биогенеза флавоноидов. Для гидроксилирвоания остатка коричной кислоты необходимо его предварительное сочетание со вторым ароматическим ядром (рисунок 2.3).
Все антоцианы содержат в гетероциклическом кольце четырехвалентный кислород (оксоний) и благодаря этому легко образуют соли, например хлориды. В отличие от хлорофилла антоцианы – непластидные пигменты, сосредоточенные в вакуолях клеток (рисунок 1.16)
Рисунок 1.16 – Предполагаемый механизм биосинтеза антоцианов
Из схемы следует, что в биосинтезе фенольных соединений, за исключением завершающих этапов, используется общебиологические механизмы основного обмена веществ.
Рисунок 2.3 – Общая схема биогенеза фенольных соединений
Образование флавоноида. В результате конденсации триуксусной и n-кумаровой кислот, замыкания цепи и энолизаций образуется халкон, который является предшественником разных классов флавоноидов. Способность к биосинтезу флавоноидов – характерная особенность высших растений. Наибольшее их разнообразие наблюдается у покрытосеменных растений. В познании биосинтеза флавоноидов значительную лепту вложил Г. Гризебах (Н. Griesebach., США) и М.Н. Запрометов (Россия) [11].
Источник