8.4. Биосинтез фенольных соединений

Все группы веществ, составляющие класс природных фенольных соединений, содержат (как обязательный) бензольный фрагмент с кислородными функциями — фенольными, карбоксильными и их производными. Универсальными источниками как фенольных соединений, так и фенолокислот служат хинная и шикимовая кислоты обнаруженные во многих растениях, но как правило в малых количествах. Особенно это касается шикимовой кислоты, поскольку она не накапливается, а постоянно расходуется на последующие реакции.

Биосинтез шикимовой кислоты начинается с альдольной конденсации енолфосфата пировиноградной кислоты и 4-фосфат-эритрозы — оба эти соединения образуются в фотосинтетическом блоке реакций. Образованная на этом этапе гептоза далее переходит в дегидрохинную кислоту путем внутримолекеулярной альдольной конденсации (схема 8.4.1).

Схема 8.4.1

(см. скан)

На следующем этапе превращение дегидрохинной кислоты может идти двумя путями: а) ее восстановление приводит к хинной кислоте, б) дегидратация дегидрохиной кислоты приводит к дегидрошикимовой кислоте, в результате восстановления которой образуется шикимовая кислота (схема 8.4.2), считающаяся ключевым соединением в биосинтезе фенольных соединений

Схема 8.4.2

(см. скан)

и других классов природных веществ, в молекулы которых включены фенольные и другие структурно-сопряженные с ними фрагменты. Поэтому все биосинтетические схемы, включающие шикимовую кислоту как исходное соединение или как ключевой интермедиат, определяют как шикиматный путь биосинтеза.

Уже сама структура шикимовой кислоты наводит на мысль, что из нее достаточно простыми реакциями могут быть получены бензольные соединения с карбоксильной и фенольной функциями в нескольких вариантах. Такими простыми путями должны быть реакции дегидратации и дегидрирования (окисления), которые, в принципе, могут быть осуществлены и без вмешательства ферментов, т.е. in vitro с использованием соответствующих реагентов из арсенала лабораторных синтезов. Но чтобы обеспечить селективность процессов и энергетическую мягкость их протекания — ферментативный катализ, конечно же, необходим. Достаточно просто выглядят процессы биосинтеза таких простых представителей этого класса природных соединений, как галловая кислота (требуется удаление четырех атомов водорода), пара-гидроксибензойная кислота (требуется удаление двух молекул воды) и протокатеховая кислота (требуется удаление двух атомов водорода и одной молекулы воды, схема 8.4.3).

Схема 8.4.3

Следующий значительный этап шикиматного пути биосинтеза — это реакции, ведущие сначала к образованию хоризмовой кислоты с последующим ее переходом в префеновую кислоту. Вездесущий фосфат енольной формы пировиноградной кислоты (здесь он выступает в качестве электрофила) вступает в своеобразную реакцию этерификации шикимовой кислоты -гидроксигруппе с образованием интермедиата, который, элиминируя фрагмент фосфорной кислоты, дает хоризмовую кислоту (схема 8.4.4). Судьба хоризмовой кислоты далее раздваивается: либо из нее образуются некоторые конечные продукты (п-аминобензойная кислота, антраниловая кислота, триптофан, витамин К, антрахиноны, убихиноны, токоферолы), либо она перегруппировывается в префеновую кислоту, которая является ключевым соединением в биосинтезе другого ряда соединений (фенилаланин, тирозин, меланины).

Одно из характерных биосинтетических преобразований хоризмовой кислоты приводит через стадию синтеза антраниловой кислоты к аминокислоте триптофану. Хоризмовая кислота, в зависимости от типа катализирующего реакцию фермента, аминируется глутамином либо в орто-положение

Схема 8.4.4

(см. скан)

Схема 8.4.5

(см. скан)

к карбоксильной группе (путь к антраниловой кислоте), либо в пара-положение (путь к -аминобензойной кислоте). Обе реакции имеют сходные механизмы, так как обе требуют каталитического участия ионов и обе могут быть сведены по элементарным актам к нуклеофильному замещению аллильной спиртовой функции (схема 8.4.5). Очевидно, роль ферментов сводится к регулированию регионаправленности присоединения аминогруппы к промежуточному делокализованному пентадиенилкатиону.

О структуре этого промежуточного катиона следует сказать несколько слов особо. Изолированный пентадиенильный катион имеет нижнюю свободную молекулярную орбиталь (НСМО) — ту орбиталь, которую атакуют нуклеофильные частицы, с максимальной орбитальной плотностью на атомах Согласно этому, нуклеофильный реагент может атаковать три этих реакционных центра. При этом, наряду

Схема 8.4.6

с присоединением аминогруппы, возможно обратимое присоединение гидроксиланиона, что открывает путь для изомеризации хоризмовой кислоты в изохоризмовую кислоту, которая при последующих реакциях элиминирования фрагмента пировиноградной кислоты образует салициловую кислоту (схема 8.4.6).

Приведенные схемы отражают принципиальные биосинтетические реакции хоризмовой кислоты. Учитывая специфичность воздействия ферментов на каждой стадии этого биосинтетического пути, следует представлять все эти реакции синхронными, т.е. одновременно с образованием пентадиенильного катиона идет присоединение нуклеофильного реагента направляемого ферментом в переходном комплексном состоянии.

В последующих биосинтетических реакциях п-аминобензойная кислота широко используется микроорганизмами как фактор роста, для синтеза меланиновых пигментов грибами (например, Agaricus bisporus).

Антраниловая кислота является источником триптофана и других индольных

Схема 8.4.7

биологически важных природных соединений (схема 8.4.7).

Префеновая кислота также обладает большим разнообразием биосинтетических превращений. Она является предшественником ароматических аминокислот, фенилаланина и тирозина при декарбоксилировании префеновой кислоты совместно с дегидратацией формируется бензольный фрагмент (в дальнейшем — фрагмент фенилаланина), при ее декарбоксилировании совместно с дегидрированием формируется фенольный фрагмент (в дальнейшем — фрагмент тирозина). Полученные таким образом арилзамещенные пировиноградные кислоты далее аминируются одним из доноров аминогруппы обычным образом, как это описано для алифатических а-кетокислот в биосинтезе аминокислот (схема 8.4.8).

Существенным продолжением этих синтетических путей являются реакции дезаминирования как фенилаланина, так и тирозина до соответствующих непредельных ароматических кислот — коричной и -кумаровой (схема 8.4.9). Хотя в принципе, образование этих кислот возможно и на более ранней стадии — из арилпировиноградных кислот при восстановительной дегидратации последних.

Гидроксикоричные кислоты, выполняя какую-то собственную биологическую роль в природных источниках (в растениях) служат исходными веществами для биосинтеза ароматических кислородных гетероциклических соединений — кумаринов, флавоноидов, антоцианов. Схема образования кумаринов — наиболее простая в этом ряду биосинтетических превращений, начинается с реакции гидроксилирования, скорее всего, радикального по типу входящей частицы — -кумаровой кислоты. На втором этапе происходит внутримолекулярная этерификация (лактонизация), результатом которой является кумариновый цикл. В дальнейшем может происходить повторное гидроксилирование бензольного кольца с образованием конечного продукта — эскулетина.

Но наряду с этой схемой, и потому как механизм такого гидроксилирования

Схема 8.4.8

Схема 8.4.9

не совсем ясен, напрашивается достаточно логичный (с позиций теоретической и экспериментальной органической химии in vitro) механизм кислотно-катализируемой циклизации по типу присоединение-отщепление (схема 8.4.10). Такой механизм соответствует природе влияния заместителей в ароматическом цикле на его реакционную способность: процесс начинается с присоединения протона в орто-положение к ОН-группе и в мета-положение к непредельнокислотной группе. Последующее присоединение нуклеофильного карбоксильного кислорода легко и однозначно проходит по концевому углероду

Схема 8.4.10

(см. скан)

Схема 8.4.11

(см. скан)

пентадиенильного катиона. Завершается этот процесс окислением дигидро-кумаринового цикла до кумаринового, что энергетически выгодно, так как влечет за собой превращение непредельной циклической молекулы в ароматическую.

Коричные кислоты, являясь предшественниками кумаринов, выполняют такую же роль и по отношению к лигнанам. Путь их превращения состоит из следующих этапов: коричные кислоты (кумаровая, феруловая, синаповая) этерифицируется коэнзимом А, а полученные S-эфиры восстанавливаются до соответствующих коричных спиртов; второй этап представляет собой окислительное сочетание двух спиртовых молекул с последующей внутримолекулярной этерификацией, образующей тетрагидрофурановые фрагменты (схема 8.4.11). Интересным и в какой-то степени ключевым моментом в приведенной схеме является акт селективного образования радикальной частицы: на примере кониферилового спирта видно, что при действии окислителей окисление фенольного гидроксила (а оно всегда предпочтительно) ведет к образованию -хиноидной структуры и сопряженного с ней радикального центра. Другого пути здесь и не видно. Интригующим аспектом этой же схемы, по причине его неясности, является акт димеризации радикальных частиц, протекающий регио- и стерео-селективно, что в общем-то нехарактерно для радикальных реакций. Здесь надо предположить механизм действия фермента с переходным состоянием, включающим сразу две молекулы спирта уже на стадии образования свободных радикалов.

Как мы увидели выше, шикимовая кислота — достаточно универсальный ключевой интермедиат, так как наряду с фенолами и фенолокислотами она образует и целую серию протеиногенных аминокислот. Но в то же время шикимовая кислота не столь универсальна, чтобы единолично решить задачу синтеза всех фенольных производных. Биосинтез флавоноидов представляет собой случай комплексного биосинтетического пути: наряду с шикиматными реакциями здесь используются и поликетидные. Активированные коэнзимом А коричные кислоты способны вступать во взаимодействие с типичными интермедиатами поликетидного биосинтеза, такими как малонил-S-СоА, образуя смешанные поликетиды, которые после восстановления и внутримолекулярной конденсации превращаются в гидроксилированные халконы, способные к последующему формированию упиронового цикла. Ступеней на этом пути немало, но все они достаточно логичны и реализуемы в рамках ферментативной химии (схема 8.4.12).

Схема 8.4.12

Схема 8.4.13

Настоящая биосинтетическая схема (8.4.12) интересна новым способом образования ароматического бензольного цикла из поликетидного фрагмента: поликетидная цепочка, характеризуемая чередованием карбонильных и метиленовых групп (последняя активирована в силу соседства с двумя функциями) под влиянием фермента может приобретать конформацию, где карбонильная функция и активированное метилированное звено сближены в пространстве и при незначительном по силе кислотно-основном катализе образуют С=С связь реакцией конденсации. Образующийся при этом циклогексен-3,5-дионовый цикл самопроизвольно изомеризуется в соответствующий фенол.

Этот способ образования ароматических бензоидных систем становится основным, когда речь идет о конденсированных хинонах, антрахинонах и т.д. Поликетидная цепочка, составленная как минимум из восьми ацетильных фрагментов, можно сказать, в одночасье, т.е. в один прием, образует антраценовый углеродный скелет с несколькими карбонильными группами, приведение которых к стабильному состоянию фенольных функций дает соответствующие антрахиноны (схема 8.4.13).

Таким образом, анализируя биосинтетические схемы образования различных фенольных производных, мы видим, что жесткой привязанности химического класса природных соединений к одному биосинтетическому пути нет — шикиматный и поликетидный пути синтеза используются здесь как бы в сопряженном варианте. А если принять во внимание существование изопреноидных фенольных соединений, то мы уже обязаны учитывать, как минимум, три сопряженных биосинтетических пути: шикиматный, поликетидный и мевалоновый.