6.8. Биосинтез изопреноидов

Основная особенность ацетил-SCoA (образование которого мы уже рассмотрели в разделе о биосинтезе липидов — поликетидном пути биосинтеза, раздел 5.4) — это легкость высвобождения его ацетильной группы в различных реакциях, среди которых важнейшей является взаимодействие двух молекул ацетил-SCoA между собой.

Эта реакция формально может быть рассмотрена как прототип сложноэфирной конденсации Кляйзена, катализируемой основаниями. Механизм этой конденсации, в принципе, подходит для реакции димеризации ацетил-SCoA, с тем лишь отличием, что катализируется она скорее всего, не только основанием, генерирующим карбанионный центр ацетильной группы, но и кислотой, которая, протонируя атом серы второй ацетил-SCoA, способствует разрыву связи углерод-сера и нуклеофильной атаке. Процесс этот, скорее всего, синхронный, и очень вероятно, что оба типа катализа осуществляются одной молекулой фермента (схема 6.8.1).

Акт присоединения следующей (третьей) молекулы ацетил-SCoA в результате похожего кислотно-основного катализа, где кислотой активируется р-карбонильная группа димера (ацето-ацетил-БСоА), после удаления ферментных остатков приводит к мевальдиновой кислоте, а восстановление последней — к ключевому соединению этого биосинтетического пути, мевалоновой кислоте (схема 6.8.2).

Мевалоновая кислота — устойчивое соединение, легко образующее лактон, с которым в растворе находится в равновесии. Природный изомер имеет R-конфигурацию и его оптический антипод биологически не активен, т.е. в биосинтез не включается. Синтезом различных изотопных изомеров мевалоновой кислоты и последующим исследованием продуктов ее биосинтетических превращений было показано, что мевалоновая кислота — универсальный биогенетический предшественник большинства изопреноидов.

При каталитическом действии ферментов с участием АТР и уже фосфорилированная мевалоновая кислота синхронно отщепляет образуя 3-изопентилпирофосфат — вещество,

Схема 6.8.1.

Схема 6.8.2

которое можно назвать “активным изопреном", поскольку именно на этой стадии сформировался изопреновый фрагмент всех последующих изопреноидов. Но 3-изопентилпирофосфат — не единственный источник “активного изопрена”: для реализации образования изопреноидов необходим еще и его изомер — 2-изопентилпирофосфат (диметилаллилпирофосфат). Изомеризация 3-изопентилпирофосфата в 2-изопентилпирофосфат осуществляется опять же с помощью синхронного кислотно-основного ферментативного катализа (схема 6.8.3).

Теперь мы имеем необходимые для начала биосинтеза изопреноидов “изопреновые” блоки. Их всего два, но

Схема 6.8.3

этого достаточно, чтобы образовать все те тысячи соединений этого класса, которые нам известны.

Как было установлено совсем недавно (1993 г. — первые публикации), эти два иэопреноидных блока, два источника “активного изопрена”, в ряде случаев образуются по другой схеме, названной мевалон-независимой. Впервые этот биосинтетический путь к изопреноидам был обнаружен в бактериях, синтезирующих тритерпены гопаноидного типа, но впоследствии нашли, что по нонмевалоновому пути геми-, моно-, ди- и тетра-терпены синтезируют зеленые водоросли и многие растения.

Новый мевалон-независимый путь биосинтеза изопреноидов можно считать чисто углеводным, поскольку молекулы только такой конституции фигурируют на всех его этапах. D-глюкоза в результате реакций гликолиза образует пировиноградную кислоту и 3-фосфат глицеринового альдегида, которые при катализе специфичным катализатором и конденсации с выделением С02 (тиаминфосфат-зависимый энзим) образуют фосфат 1-дезокси-0-ксилулозы. Последний под действием NAD-H-зависимой изомеразы (фермента изомеризации углеродного скелета) генерирует 2-метил-0-эритритол-4-фосфат - соединение с фактически уже готовым изопреноидным скелетом.

Последующие реакции дегидратации и восстановления спиртовых групп и фосфорилирования фосфата 2-метил-эритритола приводят к -изопен-тилпирофосфату, который изомеризуется в -изопентилпирофосфат по схеме, указанной выше для мевалонатного пути биосинтеза.

В первую очередь, согласно иерархии терпеноидов, можно построить схему образования геми-терпенов из обоих “активных иэопренов” простыми

Схема 6.8.4

Схема 6.8.5

реакциями гидролиза соответствующих пирофосфатов с сопутствующими процессами дегидратации и окисления. Но надо отметить, что эти пути еще мало изучены — достоверно доказано образование только собственно изопрена как минимального терпена (схема 6.8.5).

Так как терпены построены из изопренильных фрагментов (вспомним “изопреновое правило"), то вполне очевидно, что принципиальная схема их биосинтеза должна включать реакции взаимодействия “активных изопренов” между собой. Эта хорошо изученная схема начинается с реакции 3-изопентилпирофосфата с 2-изопен-тилпирофосфатом. Последний служит в этой серии реакций “стартовым звеном", поскольку пирофосфатная группа, в силу ее аллильного положения в этой молекуле, легко подвергается нуклеофильному замещению. Роль нуклеофила в данном случае выполняет молекула 3-изопентилпирофосфата, нуклеофильным центром которой является концевой олефиновый углерод. В результате катализируемого согласованного процесса образуется молекула геранилпиг рофосфата — молекула с углеродным скелетом монотерпена (схема 6.8.6).

Настоящая реакция являет собой типичный случай многоцентрового процесса, в ходе которого происходят следующие реакции: нуклеофильное замещение, образование новой углерод-углеродной связи, миграция тс-связи.

Отличительным моментом структуры геранилпирофосфата является аллильное положение пирофосфатной функции (как и в стартовой молекуле

Схема 6.8.6

Схема 6.8.7

(см. скан)

Схема 6.8.8

(см. скан)

2-изопентилпирофосфата), что открывает возможность ее замещения следующим фрагментом 3-изопентилпирофосфата по тому же механизму. В результате этой реакции образуется фарнезилпирофосфат — молекула с углеродным скелетом сесквитерпена, пирофосфатная группа которого опять же находится в аллильной ситуации, удобной для последующего аналогичного замещения. Таким образом, мы видим, что процесс формирования изопреноидного скелета представляет собой цепочку однотипных реакций, ведущих к молекулярной системе из изопреновых звеньев. Конечным продуктом этой своеобразной реакции поликонденсации является полиизопрен (каучук, гуттаперча) — схема 6.8.7.

Теперь понятно, почему углеродный скелет молекул, образующихся по мевалоновому биосинтетическому пути (а также следует добавить — и по альтернативному ему дезоксиксилулозному механизму), подчиняются “изопреновому правилу", а также правилу присоединения изопреновых фрагментов “голова к хвосту".

Образование монотерпенов. Геранилпирофосфат, как уже упоминалось, имеет лабильную аллильную пирофосфатную функцию, которая может уходить по механизму , т.е. замещаться на нуклеофильную группу, либо отщепляться по механизму , образуя катион аллильной структуры, способный к серии различных последующих превращений. Основные превращения собственно геранил-катиона и катионов, из него образующихся, включают следующие стадии: присоединение гидроксид аниона, внутримолекулярное присоединение карбкатионного центра по олефиновой связи, отщепление водородного катиона, гидридный сдвиг, перегруппировки Вагнера-Мейервейна. Эти элементарные акты в различном сочетании и последовательности приводят к ациклическим, моноциклическим и бициклическим монотерпенам (схема 6.8.8).