Биосинтез фенольных соединений в растениях

Фенольные соединения –
вещества ароматической природы, которые содержат одну или несколько гидроксильных групп, связанных с атомами углерода ароматического ядра.

Пути синтеза
Шикиматный
путь
Ацетатно-малонатный путь
(поликетидный)

Шикиматный путь –
метаболический путь, промежуточным метаболитом которого является шикимовая кислота (шикимат). Значение шикиматного пути велико, так как этот путь является единственным установленным путём биосинтеза ряда важнейших природных соединений, в том числе значимых в плане их практического использования.

1 - фосфоенолпируват, 2 - эритрозо-4-фосфат, 3 – ДАГФ, 4 - 3-дегидрохиннат, 6 – дегидрошикимат, 7 – шикимовая кислота, 8 – 3-фосфошикимовая кислота, 9 – 5-карбоксивинил-шикимат-3-фосфат, 10 – хоризмовая кислота 14 – префеновая кислота.

Фосфоенолпируват (1) + эритрозо-4-фосфат (2) <=> 2-кето-3-дезокси-D-арабогептонат-7-фосфата (3) (3-дезокси-D-арабино-гепт-2-улозонат-7-фосфат, ДАГФ) -> 3-дегидрохиннат (4)
Phosphoenolpyruvate + D-Erythrose 4-phosphate + H2O <=> 2-Dehydro-3-deoxy-D-arabino-heptonate 7-phosphate + Orthophosphate
Ферменты: - ДАГФ-синтаза (КФ 2.5.1.54),
- 3-дегидрохиннат-синтаза (КФ 4.2.3.4).
Локализация: ядерная (3-deoxy-D-arabino-heptulosonate 7-phosphate synthase 1 – 4 хромосома у Arabidopsis thaliana, 3-dehydroquinate synthase – 5 хромосома у Arabidopsis thaliana)
Синтез 3-дегидрохинной кислоты

ДАГФ-синтаза (КФ 2.5.1.54)
Множество изоформ. Синонимы:
3-deoxy-7-phosphoheptulonate synthase;
2-dehydro-3-deoxy-phosphoheptonate aldolase;
2-keto-3-deoxy-D-arabino-heptonic acid 7-phosphate synthetase;
3-deoxy-D-arabino-2-heptulosonic acid 7-phosphate synthetase;
3-deoxy-D-arabino-heptolosonate-7-phosphate synthetase;
3-deoxy-D-arabino-heptulosonate 7-phosphate synthetase;
7-phospho-2-keto-3-deoxy-D-arabino-heptonate D-erythrose-4-phosphate lyase (pyruvate-phosphorylating);
7-phospho-2-dehydro-3-deoxy-D-arabino-heptonate D-erythrose-4-phosphate lyase (pyruvate-phosphorylating);
D-erythrose-4-phosphate-lyase;
D-erythrose-4-phosphate-lyase (pyruvate-phosphorylating);
DAH7-P synthase;
DAHP synthase;
DS-Co;
DS-Mn;
KDPH synthase;
KDPH synthetase;
deoxy-D-arabino-heptulosonate-7-phosphate synthetase;
phospho-2-dehydro-3-deoxyheptonate aldolase;
phospho-2-keto-3-deoxyheptanoate aldolase;
phospho-2-keto-3-deoxyheptonate aldolase;
phospho-2-keto-3-deoxyheptonic aldolase;
phospho-2-oxo-3-deoxyheptonate aldolase

3-дегидрохиннат-синтаза
(КФ 4.2.3.4).
3-dehydroquinate synthase;
5-dehydroquinate synthase;
5-dehydroquinic acid synthetase;
dehydroquinate synthase;
3-dehydroquinate synthetase;
3-deoxy-arabino-heptulosonate-7-phosphate phosphate-lyase (cyclizing);
3-deoxy-arabino-heptulonate-7-phosphate phosphate-lyase (cyclizing);
3-deoxy-arabino-heptulonate-7-phosphate phosphate-lyase (cyclizing;
3-dehydroquinate-forming)

Дальнейшие превращения дегидрохинната
4 – дегидрохиннат, 5 – хинная кислота, 6 – дегидрошикимат, 7 – шикимовая кислота, 8 – 3-фосфошикимовая кислота, 9 – 5-карбоксивинил-шикимат-3-фосфат, 10 – хоризмовая кислота, 11 – 3,5-дидегидрошикимат, 12 – протокатеховая кислота, 13 – 4-гидроксибензойная кислота, 14 – префеновая кислота, 15 – изохоризмовая кислота, 16 – антраниловая кислота, 17 – пирогаллол, 18 – галловая кислота, 19 – пирокатехин, 20 – футалозин, 21 – 4-амино-4-дезоксихоризмовая кислота, 22 – 2-амино-4-дезоксихоризмовая кислота.

Дальнейшие превращения дегидрохинната
Дегидрохиннат (4) может обратимо восстанавливаться NAD-, NADP- и PQQ-зависимыми дегидрогеназами в хиннат (5).
Роль последнего в биосинтезе ароматических соединений является предметом научных дискуссий

4 – дегидрохиннат, 5 – хинная кислота, 6 – дегидрошикимат, 7 – шикимовая кислота, 8 – 3-фосфошикимовая кислота, 9 – 5-карбоксивинил-шикимат-3-фосфат, 10 – хоризмовая кислота, 11 – 3,5-дидегидрошикимат, 12 – протокатеховая кислота, 13 – 4-гидроксибензойная кислота, 14 – префеновая кислота, 15 – изохоризмовая кислота, 16 – антраниловая кислота, 17 – пирогаллол, 18 – галловая кислота, 19 – пирокатехин, 20 – футалозин, 21 – 4-амино-4-дезоксихоризмовая кислота, 22 – 2-амино-4-дезоксихоризмовая кислота.

3-дегидрохинная кислота -> 3-дегидрошикимовая кислота
Фермент: 3-дегидрохиннат-дегидратаза I (КФ 4.2.1.10)
3-dehydroquinate dehydratase;
3-dehydroquinate hydrolase;
DHQase;
dehydroquinate dehydratase;
3-dehydroquinase;
5-dehydroquinase;
dehydroquinase;
5-dehydroquinate dehydratase;
5-dehydroquinate hydro-lyase;
3-dehydroquinate hydro-lyase
Локализация: ядерная (3 хромосома у Arabidopsis thaliana)

Дальнейшие превращения дегидрохинната
4 – дегидрохиннат, 5 – хинная кислота, 6 – дегидрошикимат, 7 – шикимовая кислота, 8 – 3-фосфошикимовая кислота, 9 – 5-карбоксивинил-шикимат-3-фосфат, 10 – хоризмовая кислота, 11 – 3,5-дидегидрошикимат, 12 – протокатеховая кислота, 13 – 4-гидроксибензойная кислота, 14 – префеновая кислота, 15 – изохоризмовая кислота, 16 – антраниловая кислота, 17 – пирогаллол, 18 – галловая кислота, 19 – пирокатехин, 20 – футалозин, 21 – 4-амино-4-дезоксихоризмовая кислота, 22 – 2-амино-4-дезоксихоризмовая кислота.

У ряда организмов дегидрошикимат (6) окисляется NADP-зависимой дегидрогеназой в 3,5-дидегидрошикимат (11) или под влиянием дегидратазы может обратимо дегидратироваться в ароматическое соединение протокатехат (12) (через эти стадии может идти образование галлата (18), пирокатехина (19), пирогаллола (17), флороглюцина, гидроксигидрохинона, прочих фенолов, возможно также парааминобензоата).

4 – дегидрохиннат, 5 – хинная кислота, 6 – дегидрошикимат, 7 – шикимовая кислота, 8 – 3-фосфошикимовая кислота, 9 – 5-карбоксивинил-шикимат-3-фосфат, 10 – хоризмовая кислота, 11 – 3,5-дидегидрошикимат, 12 – протокатеховая кислота, 13 – 4-гидроксибензойная кислота, 14 – префеновая кислота, 15 – изохоризмовая кислота, 16 – антраниловая кислота, 17 – пирогаллол, 18 – галловая кислота, 19 – пирокатехин, 20 – футалозин, 21 – 4-амино-4-дезоксихоризмовая кислота, 22 – 2-амино-4-дезоксихоризмовая кислота.

3-дегидрошикимовая кислота -> шикимовая кислота
Ферменты: NAD-, NADP- и PQQ-зависимые дегидрогеназы:
quinate dehydrogenase (quinone) (КФ 1.1.5.8)
quinate/shikimate dehydrogenase (КФ 1.1.1.282)
shikimate dehydrogenase (КФ 1.1.1.25)
Локализация: нет данных по растениям

Шикимовая кислота -> 3-фосфошикимовая кислота
Фермент: шикимат-киназа (КФ 2.7.1.71)
shikimate kinase;
shikimate kinase (phosphorylating);
shikimate kinase II;
pentafunctional AROM polypeptide
Локализация: ядерная (shikimate kinase - 2 хромосома у Arabidopsis thaliana, shikimate kinase II - 4 хромосома у Arabidopsis thaliana)

3-фосфошикимовая кислота + фосфоенолпируват -> 5-карбоксивинил-шикимат-3-фосфат
Фермент: 5-еноилпирувил-шикимат-3-фосфат-синтаза (КФ 2.5.1.19)
3-phosphoshikimate 1-carboxyvinyltransferase
3-phosphoshikimate 1-carboxyvinyltransferase;
5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase;
3-enolpyruvylshikimate 5-phosphate synthase;
3-enolpyruvylshikimic acid-5-phosphate synthetase;
5'-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase;
5-enolpyruvyl-3-phosphoshikimate synthase;
5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthetase;
5-enolpyruvylshikimate-3-phosphoric acid synthase;
enolpyruvylshikimate phosphate synthase;
EPSP synthase
Локализация: ядерная ( 2 хромосома у Arabidopsis thaliana)

5-карбоксивинил-шикимат-3-фосфат -> хоризмовая кислота
Фермент: хоризмат-синтаза (КФ 2.5.1.19)
chorismate synthase;
5-O-(1-carboxyvinyl)-3-phosphoshikimate phosphate-lyase
Локализация: ядерная (1 хромосома у Arabidopsis thaliana, 10 хромосома у Glycine max)

Хоризмовая кислота (10) -> префеновая кислота (14)
Фермент: хоризмат-мутаза (КФ 5.4.99.5)
chorismate mutase;
hydroxyphenylpyruvate synthase
Локализация: ядерная (chorismate mutase 3 – 1 хромосома у Arabidopsis thaliana, chorismate mutase 1 – 3 хромосома у Arabidopsis thaliana, chorismate mutase 2 – 5 хромосома у Arabidopsis thaliana)

Пути, расходящиеся от хоризмата
4 – дегидрохиннат, 5 – хинная кислота, 6 – дегидрошикимат, 7 – шикимовая кислота, 8 – 3-фосфошикимовая кислота, 9 – 5-карбоксивинил-шикимат-3-фосфат, 10 – хоризмовая кислота, 11 – 3,5-дидегидрошикимат, 12 – протокатеховая кислота, 13 – 4-гидроксибензойная кислота, 14 – префеновая кислота, 15 – изохоризмовая кислота, 16 – антраниловая кислота, 17 – пирогаллол, 18 – галловая кислота, 19 – пирокатехин, 20 – футалозин, 21 – 4-амино-4-дезоксихоризмовая кислота, 22 – 2-амино-4-дезоксихоризмовая кислота.

Пути, расходящиеся от хоризмата
В живой природе выявлено не менее семи различных путей, расходящихся от хоризмата и приводящих к ароматическим соединениям, а также родственным им хинонам:
• через префенат (14) к фенилаланину, тирозину, фенилпропаноидам и другим соединениям.
• через антранилат (16) к индолу, триптофану и другим соединениям.
• через 2-амино-4-дезоксихоризмат (22) к пигментам и антибиотикам феназинового ряда.
• через 4-амино-4-дезоксихоризмат (21) к парааминобензоату, фолату и другим соединениям.
• через парагидроксибензоат (13) к убихинону и другим соединениям.
• через изохоризмат (15) к структурным производным нафталина (нафтохинонам), салицилату и другим соединениям.
• через футалозин (20) к структурным производным нафталина и, вероятно, к другим соединениям.

1 - фосфоенолпируват, 2 - эритрозо-4-фосфат, 3 – ДАГФ, 4 - 3-дегидрохиннат, 6 – дегидрошикимат, 7 – шикимовая кислота, 8 – 3-фосфошикимовая кислота, 9 – 5-карбоксивинил-шикимат-3-фосфат, 10 – хоризмовая кислота 14 – префеновая кислота.

14 – префеновая кислота, 23 – фенилпировиноградная кислота, 24 – L-фенилаланин, 25 – L-арогенная кислота, 26 – n-гидроксифенилпировиноградная кислота , 27 – L-тирозин.

14 – префеновая кислота, 23 – фенилпировиноградная кислота, 24 – L-фенилаланин, 25 – L-арогенная кислота, 26 – n-гидроксифенилпировиноградная кислота , 27 – L-тирозин.

Схема биосинтеза фенолов из фенил-
аланина. Разнообразие фенольных
соединений: производные гидрокси-
бензойной кислоты (А), простые фенилпропаноиды (Б), кумарины (В), фенилпропаноидные спирты (Г) - предшественники лигнина, флавоноиды.

Ацетатно-малонатный путь
Ацетатно-малонатный (поликетидный) путь у высших растений дополняет шикиматный биосинтез для флавоноидов, а также этим путем могут синтезироваться антрахиноны.
CH3CO~SCoA + CO2 → COOH-CH2CO~SCoA
Реакция катализируется ацетил-СоА-карбоксилазой (КФ 6.4.1.2) в присутствии Mn2+ с затратой АТФ

Синтез антрахинонов
Поликетокислота
Антрахинон
Антрон

Лигнин и лигнан
Оксикоричные спирты
Феноксильные радикалы (гидроксифенильный)
Монолигнол

Синтез фенолов
ФЕП + эритрозо-4-фосфат <=> ДАГФ ->…-> дегидрохинная кислота->…-> шикимовая кислота
протокатеховая кислота, пирогаллол, галловая кислота, пирокатехин, катехин и др.
хоризмовая кислота -> префеновая кислота -> -> фенилаланин -> коричная кислота -> кумаровая кислота -> простые фенилпропаноиды, кумарины
производные гидроксибензойной кислоты
кумарил-СоА -> предшественники лигнина, флавоноиды
Шикиматный путь
Ацетатно-малонатный путь

Список использованных источников:
Антраценпроизводные и их гликозиды. – Режим доступа: http://kk.convdocs.org/docs/index-72208.html (дата обращения: 30.03.2014)
Ароматические органические кислоты. – Режим доступа: http://www.biotheory.ru/bios-553-1.html (дата обращения: 05.04.2014)
База данных KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes. – Terpenoid backbone biosynthesis. – Режим доступа: http://www.genome.jp/kegg-bin/show_pathway?map00400 (дата обращения: 30.03.2014)
База данных NCBI. – Режим доступа: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ (дата обращения: 27.03.2014)
Биология – шикиматный путь. – Режим доступа: http://www.muldyr.ru/a/a/shikimatnyiy_put (дата обращения: 30.03.2014)
Биосинтез фенольных соединений. – Режим доступа: http://agrotext2.ru/1536.html (дата обращения: 04.04.2014)
Биосинтез фенольных соединений. – Режим доступа: http://do.gendocs.ru/docs/index-342740.html?page=2#7773292 (дата обращения: 04.04.2014)
Биосинтез фенольных соединений. – Режим доступа: http://stu.alnam.ru/book_plem-43 (дата обращения: 03.04.2014)
Биосинтез фенольных соединений. – Режим доступа: http://www.9lc.com/biosintez-fenolnih-soedineniy.html (дата обращения: 25.03.2014)
Лекарственный растения и сырье, содержащие фенольные соединения (общая характеристика) . – Режим доступа: http://www.pandia.ru/text/77/455/13172.php (дата обращения: 27.03.2014)
Лекарственный растения и сырье, содержащие фенольные соединения (общая характеристика). – Режим доступа: http://pochit.ru/geografiya/71193/index.html (дата обращения: 03.04.2014)
Статья по теме: Фенольных соединений. – Режим доступа http://polymer-tech.ru/ref/fenol5n6h_soedineni1.html (дата обращения: 05.04.2014)
Фенольные соединения, их характеристика и распространенность в природе. – Режим доступа: http://biofile.ru/bio/17328.html (дата обращения: 26.03.2014)
Фенольные соединения. – Режим доступа: http://revolution.allbest.ru/medicine/00254549_0.html (дата обращения: 25.03.2014)
Фенольные соединения. – Режим доступа: http://studopedia.ru/1_81493_fenolnie-soedineniya.html (дата обращения: 27.03.2014)
Фенольные соединения. – Режим доступа: http://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=661899 (дата обращения: 26.03.2014)
Физиологическая роль фенольных соединений. – Режим доступа: http://ford6.ru/veschestva-vodorosley/299-fiziologicheskaya-rol-fenolnyh-soedineniy-chast-2.html (дата обращения: 30.03.2014)
Шикиматный путь. – Режим доступа: http://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%A8%D0%B8%D0%BA%D0%B8%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BF%D1%83%D1%82%D1%8C (дата обращения: 30.03.2014)