2. Биосинтез фенольных соединений

Биосинтез флавоноидов идет по смешанному пути: кольцо А образуется ацетатным путем, кольцо В - через шикимовую кислоту.

1. 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

2. 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+С_оА-SН+NAD⁺СН₃СО∞SС_оА+СО₂+NADH+Н⁺

либо в тиокиназной реакции:

СН₃СООН+С_оА-SH+АТР →СН₃СО∞SС_оА+АМР+РР.

Ацетилкоэнзим А при участии ацетил-С_оА-карбоксилазы и АТР присоединяет молекулу СО₂ с образованием малонилкоэнзима А:

СН₃СООН∞SС_оА+СО₂ → СН₂СО∞SС_оА

СООН

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 – SС_оА + 3 малонил – SС_оА+NADPH+Н⁺→

→C₆Н₃(ОН)(СН₃)СООН+3СО₂+4С_оА-SН+NADP⁺+Н₂О

Метилсалициловая кислота

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 ¹⁴С 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].