Пути биосинтеза фенольных соединений: шикиматный и ацетатно-малонатный.

Шикиматный путь (синтез В-кольца флавоноидов!) осуществляется в клетках микроорганизмов, грибов и растений. У высш.растений ключевые этапы проходят в пластидах, но гены ферментов локализованы в ядре. У животных нет ферментной системы шикиматного пути. Ферменты ш.п. локализуются в пластидах и в цитозоле.
Начинается всё с ФЕП и эритрозо-4-фосфата. Они конденсируются, образуя семиуглеродное соединение (дезоксиарабиногептулозонат-7-фосфат или ДАГФ). Фермент: фосфокетодезоксигептонатальдолаза (4).
Потом из ДАГФ образуется дегидрохинная кислота. Фермент: дегидрохиннат-синтаза (4), для него требуется НАД+ и Со2+.

Далее дегидрохинная к-та превращается либо в дегидрошикимовую к-ту)), а потом в шикимовую к-ту(шикиматдегидрогеназа (1)), либо в хинную (хинатдегидрогенза (1)).
Шикимовая к-та легко переводится в соединения ароматического ряда (у неё шестичленное кольцо и одна двойная связь). Она подвергается фосфорилированию при участии АТР и шикиматкиназы (2) с образование шикимат-3-фосфата, кот.конденсируется с ФЕП, образуя 5-енол-пирувил-шикимат-3-фосфат. Потом ЕПШФ превращается в хоризмовую кислоту (хоризматсинтаза (4)).

Хоризмовая кислота служит непосредственным предшественником перфеновой и антраниловой кислот, которые используются для образования аминокислот и фенольных соединений: хоризмовая к-та -> префеновая к-та ->фенилаланин (через образование и аминирование фенилпировиноградной к-ты) или тирозин (через образование и аминирование оксифенилпировиноградной к-ты). С помощью ферментов аммиак-лиаз происходит дезаминирование образование транс-коричная и транс-гидрокоричная к-ты.

Из коричных образуются оксикоричные кислоты и кумарины.

При аминировании префеновой к-ты с помощью глутаминовой к-ты образуется арогеновая к-та, которая подвергается либо окислительному декарбоксилированию с образованием тирозина, либо гидратации и декарбоксилированию с образованием фенилаланина.

Ацетатно-малонатный путь.

Широко распространён у грибов, лишайников и микроорганизмов. У высших растений является минорным и реализуется в сочетании с шикиматным путём в биосинтезе флавоноидов и антрахинонов. (синтез А-кольца!)
Ацетил-Соа при участии карбоксилазы и АТР в присутств. Мn2+ превращается в малонил-ацетил-СоА. Таким путём при постепенном наращивании углеродной цепи возникает поликетометиленовая цепочка, циклизация которой приводит к образованию различных фенольных соединений.

Сборка флавоноида: кумароил-СоА взаимодействует с малонил-СоА и образует сначала халкон, а потом флаванон.

Основная масса фенольных соединений происходит из гидроксикоричных кислот, кот. образуются из фенилаланина и тирозина, а также источниками фенолов являются хинная и шикимовая кислоты. Из них образуются фенольные кислоты и таннины. Гидроксикоричные к-ты образуют кумарины, меланины, участвуют в образовании лигнина и В-кольца флавоноидов. Флавоноиды – источники конденсированных таннинов.

 

2 8. Общая характеристика, применение, классификация и функции алкалоидов.

Алкалоиды - гетерогенная группа азотсодержащих гетероциклических соединений основного характера, обладающих ярко выраженной физиологической активностью. Как правило, алкалоиды содержатся в растениях в виде солей яблочной, винной, лимонной и других кислот. В свободном виде они нерастворимы в воде, но растворяются в органических растворителях.

По «модифицированной» химической классификации принято разделять алкалоиды на три подгруппы: \

– истинные алкалоиды (азот в составе гетероцикла);

– протоалкалоиды (азот не в гетероцикле);

– псевдоалкалоиды (синтез не из аминокислот).

Параллельно с химической классификацией существует и биохимическая классификация. По ней алкалоиды подразделяются на подгруппы согласно исходной для их синтеза аминокислоте:

– синтезирующиеся из L-орнитина (простые пирролидиновые алкалоиды, тропановые алкалоиды, пирролизидиновые алкалоиды);

– из L-лизина (пиперидиновые алкалоиды, хинолизидиновые алкалоиды);

– L-триптофана (сложные индольные алкалоиды, β-карболиновые алкалоиды);

– L-фенилаланина (сложные изохинолиновые алкалоиды);

– антраниловой кислоты (протоалкалоиды, хинолиновые алкалоиды, хиназолиновые алкалоиды); – L-тирозина (сложные изохинолиновые алкалоиды);

– гистидина (пуриновые алкалоиды).

 

Пуриновые алкалоиды (небольшая группа):

Кофеин - оказывает возбуждающее действие на центральную нервную систему, усиливает сердечную деятельность, расширяет сосуды сердца и мускулатуру бронхов.

Индольные алкалоиды (самая многочисленная группа из истиных): в молекулах этих алкалоидов индольное ядро часто сохраняет свою ароматическую структуру, но иногда оно может быть гидрировано, ацилировано по атому азота или оксидировано по пятичленному циклу. Часто в молекулу входят в качестве составляющих пиридиновые и пиперидиновые. Индольные алкалоиды синтезируются преимущественно растениями тропиков и субтропиков. Как правило, они очень токсичны.

Стрихнин — сильный яд, но в малых дозах применяется в качестве тонизирующего и возбуждающего центральную нервную систему средства.

Аймалин обладает антиаритмическим действием. Помимо них, в медицине используются и такие индольные алкалоиды, как физостигмин, эргоалкалоиды (алкалоиды спорыньи), алкалоиды кураре, раувольфии и др.

Протоалкалоиды ( третичные растительные амины, немногочислены):

Эфедрин выделен из некоторых видов эфедры. По химической структуре и физиологическому действию он сходен с адреналином. Расширяет бронхи, возбуждает дыхательный центр. Широко используется для лечения аллергических заболеваний.

Капсаицин содержится в плодах и семенах стручкового перца и определяет их жгучий вкус. Используется в медицине в виде настойки стручкового перца и в виде перцового пластыря (в качестве местного возбуждающего средства).

Псевдоалкалоиды (имеют «базовую структуру» молекулы, происходящую не из аминокислот, как у истинных алкалоидов, а из изопреноидов). Самую большую группу изопреноидных псевдоалкалоидов составляют С27-стероидные алкалоиды (гликоалкалоиды – находятся в растениях в виде гликозидов): соласодин, томатидин, соланидин; используются для синтеза гормональных препаратов типа кортизона.

Функции алкалоидов:

– выполняют роль резерва азота, накапливаясь при усиленном азотном питании;

– могут служить транспортной формой азота;

– синтез алкалоидов в корнях — один из механизмов снижения уровня токсичных аминокислот и аминов и обезвреживания аммиака;

– связывая органические кислоты, осуществляют регуляцию рН клеточного сока;

– участвуют в поддержании ионного баланса в растении (благодаря способности к хелатообразованию);

– могут принимать участие в регуляции активности некоторых ферментов, а следовательно, оказывать воздействие на скорость метаболических процессов;

– повышают устойчивость растений к патогенным грибам;

– оказывают воздействие на процессы дифференцировки и органогенеза.

Особенности биосинтеза алкалоидов. Исходные метаболиты.

Биогенетическими предшественниками большинства алкалоидов (истинных и протоалкалоидов) являются аминокислоты: орнитин, лизин, фенилаланин, тирозин, триптофан, гистидин, аспарагиновая кислота и антраниловая кислота (синтез по шикиматному пути). Все эти аминокислоты, кроме антраниловой кислоты, являются протеиногенными. Никотиновая кислота может быть синтезирована из триптофана или аспарагиновой кислоты.

*Псевдоалкалоиды носят в основном изопреноидный характер, и их биосинтез идет по пути образования терпеноидов. Азот вводится в неаминокислотный остаток.

Основными реакциями при биосинтезе являются декарбоксилирование и окислительное дезаминирование или переаминирование аминокислот и диаминов, первичное метилирование (направляет циклизацию, стабилизирует молекулу алкалоида и делает ее менее токсичной; ферменты - метилтрансферазы), трансметилирование, а также циклизация алифатических соединений-предшественников до гетеро- и карбоциклических структур + конденсация.

Реакции циклизации, имеющие при образовании алкалоидов универсальное значение, очень разнообразны и могут совершаться через азометин с образованием основания Шиффа, по типу конденсации Манниха, путем альдольной конденсации, через форму лактамной связи и т. д.

Образование оснований Шиффа

Основания Шиффа могут быть получены в результате реакции аминов с кетонами или альдегидами. Данная реакция является распространённым способом формирования C=N связи.

При биосинтезе алкалоидов реакция образования основания может проходить также внутримолекулярно. Примером может являться реакция образования ₁-пиперидеина, происходящая при синтезе пиперидинового цикла:

Реакция Манниха

В реакции Манниха, помимо амина и карбонильного соединения, участвует также карбанион, играющий роль нуклеофила в процессе присоединения к иону, образованному взаимодействием амина и карбонильного соединения.

Реакция Манниха также может осуществляться как межмолекулярно, так и внутримолекулярно. Примером внутримолекулярной реакции Манниха может служить синтез пирролизидинового ядра:

Разновидностью внутримолекулярной реакции Манниха является реакция Пикте — Шпенглера — циклизация шиффовых оснований, образованных из -фенилэтиламинов с образованием системы тетрагидроизохинолина.

Конденсация: реакции, в ходе которых отдельные кольца, соединяясь друг с другом, образуют более сложные фигуры.При биосинтезе алкалоидов постоянно происходит образование активных центров, которые способны присоединять к себе как отдельные фрагменты алифатических молекул, так и замкнутые гетероциклы. Возникновение этих центров может быть связано не только с декарбоксилированием, но также с отщеплением других функциональных групп. В ряде случаев образование алкалоидов сопряжено с расщеплением (размыканием) циклических структур, наступающим в результате разрыва C—C, C—N или C—O связей (например, реакция окислительного расщепления ароматических колец по соседству с фенольной группировкой – при биосинтезе индольных алкалоидов).

Помимо циклизации и конденсации, усложнение углеродного скелета алкалоидов достигается также в ходе внутримолекулярных перегруппировок, при которых происходит не только разрыв, но и образование новых C—C и C—N-связей.

Алкалоиды накапливаются в вакуолях, обычно в виде солей. Синтез проходит в пластидах либо в цитозоле или ЭПР.