Биосинтез фенольных соединений.

Введение.

Актуальность.

Вторичные метаболиты растений используются как лекарственные препараты, вещества в средствах бытовой химии.

Цель.

Изучить пути биосинтеза вторичных метаболитов растений.

Уникальной биохимической характеристикой высших растений является производство широкого спектра вторичных метаболитов, основные группы которых – фенольные соединения, алкалоиды и терпеноиды.

Пути синтеза большинства вторичных метаболитов установлены достаточно хорошо. В настоящее время интенсивно изучается энзимология вторичного метаболизма. На основании имеющейся информации можно сформулировать некоторые закономерности биосинтеза этих соединений. Предшественниками синтеза служит относительно небольшое количество первичных метаболитов. Многие группы вторичных метаболитов могут синтезироваться несколькими путями. Часто этапы синтеза дублированы в разных компартментах клетки (например, пластиды — цитозоль). Синтез четко спланирован и обслуживается набором специальных ферментов, в большинстве случаев весьма специфичных.

Признаки вторичных метаболитов.

Метаболиты вторичные - соединения, часто сложного состава, не являющиеся основными промежуточными соединениями метаболизма клетки, образуются в его тупиковых ветвях.

Признаки вторичных метаболитов:

• Относительная низкая молекулярная масса (исключением являются, например, высокомолекулярные полиизопреноиды: каучук, гуттаперча, чикль);
• Не обязательно присутствуют в каждом организме (некоторые вторичные метаболиты широко распространены, так например, многие фенилпропаноиды встречаются практически во всех растениях);
• Как правило, являются биологически активными веществами;
• Синтезируются из первичных метаболитов.

Вторичные метаболиты представляют собой важную группу соединений, обладающих широким набором важных свойств, в том числе лекарственных (антибиотики, противоопухолевые препараты, иммунодепрессанты), агрохимикатов (пестициды, инсектициды), биотоплива (например, сквален, живица) и пищевых добавок (например, каротиноиды, флавоноиды, эфирные масла).

Биосинтез алкалоидов.

Биосинтез алкалоидов. Образование этих веществ тесно связано с общим обменом азота клетки. Для большинства алкалоидов показано, что схемы их синтеза унифицированы, т. е. имеют сходную последовательность реакций. В процессе биосинтеза молекула аминокислоты практически полностью включается в структуру алкалоида. Синтез алкалоидов разных групп включает одинаковые типы реакций: декарбоксилирование, окислительное дезаминирование, альдольная конденсация, но для каждой группы алкалоидов эти реакции осуществляют «собственные» ферменты.

На первом этапе синтеза происходит декарбоксилирование аминокислоты при участии соответствующей декарбоксилазы. Образовавшиеся биогенные амины подвергаются окислительному дезаминированию с участием аминооксидаз. Полученные в результате аминоальдегиды или аминокетоны в результате серии последовательных реакций образуют ключевые гетероциклические соединения. Затем происходит модификация базовой структуры с участием разнообразных реакций - гидроксилирования, метилирования и др. В формировании окончательной структуры алкалоида могут принимать участие дополнительные углеродные единицы, например ацетат (в виде ацетил-СоА) или монотерпеновая единица (для сложных индольных алкалоидов). В зависимости от сложности алкалоида его биосинтез включает от трех-четырех до десяти-пятнадцати реакций.

Для целого ряда алкалоидов не только установлена схема синтеза, но охарактеризованы и выделены ферменты. Оказалось, что некоторые ферменты синтеза не очень специфичны (в качестве субстратов могут использовать различные соединения), однако в цепочке синтеза обязательно присутствуют высокоспецифичные ферменты, которые используют только один субстрат (или ряд очень близких субстратов) и выполняют очень специфичную реакцию.

Например, при синтезе изохинолиновгидроксилирование базовой структуры по каждому положению выполняют разные ферменты. По мере продвижения к заключительным этапам синтеза сродство ферментов к субстрату обычно повышается: например, для ряда ферментов синтеза бербериновых алкалоидов Кт составляет менее 1 мкМ. В качестве примера на рисунке представлена схема синтеза изохинолиновых алкалоидов.

Биосинтез фенольных соединений.

К настоящему времени известно два пути образования фенольных соединений - шикиматный (через шикимовую кислоту) и ацетатно-малонатный. Основной путь шикиматный, это практически единственный способ формирования ароматического кольца. В качестве исходных соединений для синтеза выступают фосфоенолпируват (ФЕП) и эритрозо-4-фосфат. При их конденсации возникает семиуглеродная кислота (2-кето-3-дезокси-7-фосфоарабогептановая), которая затем циклизуется в 5-дегидрохинную кислоту. Из дегидрохинной кислоты образуется шикимовая кислота, которая имеет шестичленное кольцо, одну двойную связь, и ее легко перевести в соединения ароматического ряда. Из шикимовой кислоты возможно образование оксибензойных кислот - n-оксибензойной, протокатеховой, галловой. Однако основной путь использования шикимовой кислоты - образование через префеновую кислоту ароматических аминокислот фенилаланина и тирозина. Фенилаланин (возможно, в ряде случаев и тирозин) - основной предшественник синтеза фенольных соединений. Дезаминированиефенилаланина осуществляет фермент фенилаланинаммиаклиаза (ФАЛ). В результате образуется коричная кислота, гидроксилирование которой приводит к образованию пара-кумаровой (оксикоричной) кислоты. После дополнительного гидроксилирования и последующего метилирования из нее образуются остальные оксикоричные кислоты.

Оксикоричные кислоты представляют центральное звено синтеза всех фенольных соединений клетки. Opтo-кумаровая кислота является предшественником кумаринов. После ряда реакций укорочения алифатической части молекулы образуются С6-С2- и С6-С1 - соединения - это второй путь образования оксибензойных кислот (первый - непосредственно из шикимовой кислоты). Оксикоричные кислоты могут образовывать различные конъюгаты, прежде всего с сахарами, однако основная масса оксикоричных кислот активируется путем взаимодействия с СоА. Два магистральных пути использования СоА-эфиров оксикоричных кислот - синтез лигнинов и синтез флавоноидов. Для синтеза лигнинов СоА-эфиры оксикоричных кислот восстанавливаются до спиртов, которые выступают в качестве мономеров синтеза. При синтезе флавоноидов СоА-производное оксикоричной кислоты взаимодействует с тремя молекулами малонил-СоА с образованием халкона. Реакцию катализирует фермент халконсинтаза. Образовавшийся халкон легко преобразуется в флаванон. Из флаванонов за счет реакций гидроксилирования, окисления - восстановления образуются другие группы флавоноидов. Затем может происходить модификация молекулы - гликозилирование, метоксилирование и др.

Ацетатно-малонатный путь синтеза фенольных соединений широко распространен у грибов, лишайников и микроорганизмов. У растений он является минорным. При синтезе соединений по этому пути ацетил-СоАкарбоксилируется с образованием малонилацетил-СоА. Затем происходит каскад аналогичных реакций, в результате наращивается углеродная цепь и возникает поли-β-кетометиленовая цепочка. Циклизация поликетидной цепи приводит к образованию различных фенольных соединений. Таким способом синтезируются флороглюцин и его производные, некоторые антрахиноны. В структуре флавоноидов кольцо В формируется по шикиматному пути (из оксикоричной кислоты), тогда как кольцо А - по ацетатно-малонатному.

В клетке работают два шикиматных пути синтеза флавоноидов - один в пластидах, другой в цитозоле. В этих компартментах находится полный набор изоферментов шикиматного пути, а также ферментов фенольного метаболизма, в том числе ФАЛ и халконсинтазы. Таким образом, в растительной клетке существует две параллельные цепочки синтеза фенольных соединений (аналогично изопреноидам).

Биосинтез изопреноидов.

Если при синтезе алкалоидов сходная цепочка пре­вращений используется для различных исходных соединений (аминокислот), то синтез колоссального числа изопреноидов происходит из единственного предшественника — изопентенилдифосфата (ИПДФ). Под действием фермента изопентенилдифосфатизомеразы, которая сдвигает двойную связь, ИПДФ превращается в диметилаллилдифосфат (ДМАДФ). Далее ИПДФ присоединя­ется к ДМАДФ по двойной связи и образуется С₁₀-соединение — геранилди-фосфат. Он служит источником всех монотерпеноидов. Затем к геранилди-фосфату присоединяется еще один ИПДФ и образуется С₁₅-соединение фарнезилдифосфат — исходное вещество для синтеза сесквитерпеноидов. Да­лее фарнезилдифосфат может либо присоединить еще одну молекулу ИПДФ с образованием геранилгеранилдифосфата (С₂₀-соединение — источник дитерпеноидов), либо димеризоваться с образованием сквалена (С₃₀-соединение — исходное соединение для всех тритерпеноидов). Наконец, геранилгеранилдифосфат может димеризоваться с образованием фитоина — С₄₀-соединения, источник тетратерпеноидов. Кроме того, к геранилгеранилдифосфату может последовательно присоединиться большое количество ИПДФ, формируя в конечном итоге полиизопреноиды — каучук и гуттаперчу. В результате описан­ных реакций образуется полный гомологический ряд С₅-соединений разной длины. Далее эти алифатические молекулы могут «свернуться» в циклические структуры, причем количество циклов, их размер и типы сочленения могут быть самыми разными.

Синтез базовых изопреноидных структур осуществляют всего два типа фер­ментов — пренилтрансферазы, которые «наращивают» длину изопренои­дов, и циклазы, которые формируют соответствующий циклический скелет молекулы. При этом каждый тип структуры формирует специфическая циклаза. Так как типов циклических структур изопреноидов довольно много, то и количество циклаз должно быть внушительным. К настоящему времени их из­вестно более ста. После формирования базовой структуры (или одновремен­но с этим), происходит ее модификация и «оснащение» функциональными группами.

Таким образом, биосинтез изопреноидов можно представить себе как своеобразный биохимический «моделист-конструктор». Вначале из унфицированых С₅-модулей изготовляются гибкие линейные конструкции разной длины. Они представляют собой практически идеальный материал для «биохимичес­кого конструирования» и формирования множества вариантов циклических структур.Долгое время считалось, что во всех организмах исходное соединение для образования изопреноидов — ИПДФ — формируется единственным спосо­бом, а именно из мевалоновой кислоты, которая в свою очередь синтезирует­ся из трех молекул ацетил-СоА. Недавно было установлено, что разные орга­низмы используют различные способы синтеза ИПДФ. В клетках животных и грибов все изопреноиды синтезируются по «классическому» мевалонатному пути. Целый ряд микроорганизмов, в том числе многие цианобактерии и зеле­ные водоросли, используют другой вариант образования ИПДФ. В этом случае его предшественником является 1-дезоксиксилулозо-5-фосфат, который син­тезируется из пирувата и глицеральдегид-3-фосфата. Такой путь синтеза был назван «альтернативным», или «немевалонатным». Растения используют оба варианта образования изопреноидов: в цитозоле синтез идет по классическому пути, а в пластидах — по альтернативному. При этом возможно не только дублирование синтеза изопреноидов в разных ком-партментах клетки, но и разделение по типу синтезируемых структур. Тритерпеноиды (включая стероиды) синтезируются в цитозоле из мевалоната, тогда как дитерпеноиды (включая фитол хлорофилла) и тетратерпеноиды (прежде всего каротиноиды) — в пластидах по альтернативному пути. Моно- и сесквитерпены, вероятно, могут образовываться разными вариантами в зависимости от структуры молекулы и вида растения.

Выводы.

Мною был изучен биосинтез 3х типов вторичных метаболитов растений: алкалоидов, изопреноидов и фенольных соединений. В результате данного обзора я обнаружила, что данные пути могут иметь как общие черты – биосинтез изопреноидов и фенольных соединений имеют 2 пути биосинтеза, которые протекают параллельно, так и различаться – например, у изопреноидов 1 предшественник, а у фенольных соединений – 2.

Помимо этих данных, мною был сделан вывод о том, что биосинтез фенольных у растений и микроорганизмов проходят по одному пути – ацетатно-малонатному, приэтом данный путь синтеза у микроорганизмов является основным.

Используемые источники.

1. https://elibrary.ru/item.asp?id=31995185

2. https://vizrspb.ru/assets/docs/disser/DalinovaAA/DalinovaAA_avtoref.pdf

3. https://cyberleninka.ru/article/v/himiya-izoprenoidov-glava-3-biosintez-izoprenoidov

4. https://helpiks.org/3-68292.html

5. https://www.drau.ru/article/245.html

6. https://cozyhomestead.ru/Rastenia_7381.html