Биосинтез фенольных соединений

Хотя в обширную группу вторичных веществ фенольной природы входит более десяти классов различных по строению основного углеродного скелета природных соединений и каждый из этих классов объединяет сотни или даже тысячи (флавоноиды) индивидуальных соединений с существенными вариациями в природе прикрепленного к основному остову их молекулы набора заместителей (различия по числу и расположению в молекуле гидроксидных групп, остатков сахаров, органических кислот и других заместителей и т.п.), подавляющее большинство растительных фенольных соединений связано биогенетическим родством. 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 (см. ниже).

Исходными компонентами в формировании ароматического ядра по шикиматному пути (схема 1) являются фосфоенолпируват (1), образующийся при гликолитическом распаде глюкозы, и эритрозо-4-фосфат (2) — промежуточный продукт окисления глюкозы по пентозофосфатному пути. При их конденсации образуется семиуглеродное соединение 7-фосфо-3-дезокси-D-арабиногептуло-зоновая кислота (3), которое затем подвергается циклизации, превращаясь в 3-дегидрохинную кислоту (4). На следующей стадии 3-дегидрохинная кислота теряет воду и превращается в 3-дегидрошикимовую кислоту (5) и далее под влиянием фермента оксидоредуктазы — в шикимовую кислоту (6), одно из важнейших промежуточных соединений пути, за что тот и получил свое название.

Шикимовая кислота по структуре близка ароматическим соединениям, однако ее шестичленное углеродное кольцо содержит только одну двойную связь. Дальнейшие преобразования этого кольца начинаются с фосфорилирования шикимовой кислоты по 3-му углеродному атому (7), а затем к фосфорилированной кислоте присоединяется молекула фосфоенолпирувата — получается 5-енолпирувилшикимат-3-фосфат (8). Последнее соединение претерпевает далее дефосфорилирование и дегидратацию, что приводит к образованию хоризмовой кислоты (9) — другого важного промежуточного соединения, которое в своем кольце имеет уже две двойные связи.

На этой стадии происходит разветвление шикиматного пути. По одному направлению из хоризмовой кислоты 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 превращения хоризмовой кислоты превращается в префеновую кислоту (10). Последняя подвергается либо дегидратации, сопровождающейся декарбоксилированием, либо окислительному декарбоксилированию. В первом случае из префеновой кислоты образуется фенилпировиноградная (11), в другом — n -гидроксифенилпировиноградная кислота (13). Далее следует аминирование этих кетокислот с образованием соответственно L-фенилаланина (12) и L-тирозина (14).

Однако указанные трансформации могут совершиться и в другой последовательности. Аминирование может иметь место уже на стадии префеновой кислоты с преобразованием ее сначала в L-арогенную кислоту (15). Лишь затем молекула подвергается дегидратации с декарбоксилированием или окислительному декарбоксилированию, в результате которых образуются 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.

Первой, ключевой, реакцией на этом ответвлении вторичных превращений является реакция дезаминирования L-фенилаланина, катализируемая ферментом L-фенилаланин-аммиак-лиазой (схема 2). В результате из L-фенилаланина (1) образуется транс-коричная кислота (2), которая на следующей стадии подвергается пара-гидроксилированию с образованием из нее n -гидроксикоричной (n -кумаровой) кислоты (3).

Пара-кумаровая кислота является первым и с биогенетической точки зрения простейшим фенольным соединением растений, которое служит родоначальником большинства других растительных фенолов. Она активизируется в КоА-лигазной реакции, а затем в виде активного КоА-эфираможет вступать в реакции с различными другими метаболитами клетки или же подвергаться иным формам преобразований.

Схема 1. Шикиматный путь (биосинтез ароматических аминокислот)

 

Схема 2. Биосинтез разных классов полифенолов из фенилаланина

 

 

В результате таких превращений в растениях в виде уже конечных продуктов образуются представители разных классов полифенольных соединений. При окислительном укорачивании боковой цепи n -кумаровой кислоты образуются ацетофеноны, фенилуксусные, фенолкарбоновые кислоты. Восстановление ее боковой цепи вместе с последующей димеризацией или полимеризацией восстановленного продукта ведет к образованию лигнинов и полимерных фенолов типа лигнина. После введения дополнительной гидроксигруппы в орто-положении к боковой цепи происходит спонтанная циклизации последней с образованием кумаринов. Когда же n -кумаровая кислота подвергается этерификации или связывается с разными полимерными веществами клетки, то из нее образуются различные конъюгированные формы гидроксикоричных кислот и их производных.

Однако важнейшим ответвлением в комплексе возможных превращений n -кумаровой кислоты в фенольные соединения является путь, ведущий к образованию флавоноидов. На этом пути активированная n -кумаровая кислота последовательно вступает в реакцию с тремя молекулами активированной малоновой кислоты — малонил-КоА (схема 3). В итоге к алифатической боковой цепочке этой кислоты по поликетидному типу конденсации углеродных единиц присоединяются три ацетатных фрагмента, из которых после внутримолекулярного замыкания (с участием фермента халконсинтазы) возникает второе бензольное кольцо 15-углеродного скелета флавоноидов. При этом сначала на основе такой структуры образуется халкон (1) — простейшая форма флавоноидов, у которой центральное гетероциклическое кольцо еще не замкнуто. Халкон же под влиянием соответствующей изомеразы обычно сразу превращается в свою изомерную форму — флаванон (2). Последний уже полностью обладает той типичной трехкольцевой структурой, которая характерна для большинства флавоноидов.

Так, существенной отличительной особенностью строения флавоноидов по сравнению со строением других полифенолов является двоякое биогенетическое происхождение двух бензольных колец их структуры. Одно из них синтезируется по шикиматному пути и является, таким образом, продуктом вторичных превращений аминокислоты L-фенилаланина. Другое же бензольное кольцо образуется по поликетидному механизму формирования углеродного скелета и получает свое начало от простейших продуктов обмена сахаридов.

Следует добавить, что образование структуры типа 5,7,4'-три-гидроксифлаванона или нарингенина является обязательной промежуточной стадией на пути биосинтеза всех флавоноидов. В дальнейшем могут происходить окислительные или восстановительные превращения, ведущие к изменению степени окисленности центрального гетероциклического кольца молекулы. В результате из нарингенина образуются все остальные классы флавоноидов: флавоны (3), флавонолы (4), антоцианидины (5), катехины — флаван-3-олы (6), флаван-3,4-диолы (7), изофлавоноиды и др.

Схема 3. Биосинтез флавоноидов

 

Такие модификации идут по самостоятельным параллельным путям, причем их конечные продукты в виде представителей различных классов флавоноидов уже не подвергаются более поздним перестройкам основной структуры и взаимопревращениям. Теоретически помимо L-фенилаланина исходным предшественником синтеза полифенольных соединений по тому же пути может служить и другой конечный продукт шикииматного пути — ароматическая аминокислота L-тирозин. Однако активность соответствующего дезаминирующего фермента тирозин-аммиаклиазы чрезвычайно низка или вообще не обнаруживается в растениях, поэтому L-тирозин для биосинтеза полифенолов практического значения не имеет. Лишь у злаков он может играть некоторую дополнительную роль в качестве предшественника этих вторичных метаболитов. Отсюда следует, что подавляющее большинство всех фенолов растений фактически представляет собой большую семью родственных продуктов вторичного метаболизма L-фенилаланина, а пути их образования — общую систему параллельных ответвлений разных вторичных превращений этой ароматической аминокислоты.

В эту общую семью не входит только ограниченное число растительных фенолов. Так, в отдельных случаях n -гидроксибензойная и салициловая кислоты могут образовываться непосредственно из хоризмовой кислоты — одного из промежуточных продуктов шикиматного пути (см. схему 1). У некоторых растений (Rhus typhina, Camellia sinensis, Vaccinium vitis-idaea) прямой ароматизации, минуя стадию L-фенилаланина, может подвергаться и шикимовая кислота с образованием галловой кислоты. У этих растений, следовательно, и фенольная часть гидролизуемых дубильных веществ (которая построена из остатков галловой кислоты) может быть синтезирована непосредственно из шикимовой кислоты, а не из L-фенилаланина по стандартному пути биосинтеза фенольных соединений (схема 4).

Шикимовая кислота (1) почти всегда служит предшественником при биосинтезе производных нафтохинона. Вторым компонентом в этом биосинтезе является a-кетоглутаровая кислота (2), а важным промежуточным продуктом ее конденсации с шикимовой кислотой — о-сукцинилбензойная кислота (3). Далее следует циклизация с образованием уже типичных нафтохиноновых структур, где ароматическое кольцо построено на базе шикимовой кислоты, хиноидная же часть молекулы — из некарбоксильных С-атомов a-кетоглутаровой кислоты. Это нафтохинон-2-карбоновая кислота (4), нафтохинон (5).

У представителей семейства Rubiaceae сходным путем образуются и антрахиноновые производные. Дополнительное шестичленное углеродное кольцо их молекулы синтезируется путем конденсации нафтохинонового производного с диметилаллильной формой «активированного изопрена» - изопентенилдифосфата (ИПФФ). Продукт конденсации — диметилаллилнафтохинон (6), подвергаясь окислительной циклизации, превращается в антрахинон (7).

Схема 4. Образование нафтохинонов и антрахинонов