CC BY
298
Химия растительного сырья. 2005. №3. С. 91-108.
Проблемы образования в области химии и технологии растительного сырья
ХИМИЯ ИЗОПРЕНОИДОВ. ГЛАВА 3. БИОСИНТЕЗ ИЗОПРЕНОИДОВ
© В.В. Племенков
Казанский медицинский университет, ул. Бутлерова, 49, Казань, 420012 (Россия) E-mail: [email protected]
Мы продолжаем публикацию избранных глав новой книги В.В. Племенкова «Химия изопреноидов». Вашему вниманию предлагается третья глава этого пособия.
После того, как мы провели классификацию изопреноидов, и прежде чем осветить каждый класс этих природных соединений более детально, будет логичным рассмотреть весь блок реакций формирования их в живой клетке (in vivo), т.е. то, что называется биосинтезом. А перед этим полезно будет представить общую картину биосинтеза основных биоорганических молекул - «молекул жизни» (схема 3.1).
Как ни запутаны биогенетические связи различных классов природных соединений, все же основополагающим следует считать процесс образования углеводов серией фотосинтетических реакций. Из моносахаридов формируются такие важные производные, как полисахариды и нуклеиновые кислоты, а также ряд метаболитов, на основе которых образуются все остальные группы природных соединений, как первичного биосинтеза (аминокислоты), так и вторичного метаболизма (шикиматы, поликетиды, алкалоиды, изопре-ноиды). Основным интермедиатом на пути ко всем вторичным метаболитам является пировиноградная кислота, которая под действием ферментов образует ряд производных, среди которых ключевым является ацетил-кофермент А (CH3-CO-S-CoA). Ацетил-кофермент А участвует в большинстве многостадийных процессов образования природных соединений, особенно на начальных стадиях формирования фундаментальных углеродных скелетов. Синтез ацетил-S-CoA, называемого еще «активным ацетилом», из пирови-ноградной кислоты катализируется мультиферментным пируват-дегидрогеназным комплексом: тиаминпи-рофосфат + липоевая кислота + кофермент А + NAD+. Здесь же следует отметить и активную енольную форму пировиноградной кислоты, фиксированной в виде фосфатного производного и в таком качестве участвующей во многих биосинтетических реакциях как нуклеофильный реагент in situ с нуклеофильным центром на метиленовом фрагменте енольного звена (схема 3.2).
СНз-СО—СООН + Со—8Н + МАБ ------► СНз-СО—8—СоА + МАБ—Н + Н+
О
СН2=С—О—РОзН2 СООН
СН2=С—О—Р—О
I - А
соо ? О
в
Б:
Схема 3.2
Общая схема биосинтеза всех изопреноидов может быть разделена на три части, обеспечивающие многообразие этого класса биоорганических молекул. Во-первых, это реакции образования мономерного изо-преноидного звена, во-вторых, конденсация изопреноидных звеньев в основные полиизопреноидные молекулы, и наконец, скелетные преобразования ключевых изопреноидных систем, обеспечивающие «архитектурное» разнообразие внутри каждого класса изопреноидов.
3.1. Реакции образования изопренильного звена изо-С5
К настоящему времени установлено три пути образования единичного изопренильного фрагмента, основным из которых является мевалоновый путь. Вторым по значимости является мевалон-независимый (метилэритритолфосфатный или, по-другому, 1-дезокси-ксилулозофосфатный) синтез. Значительно реже имеет место образование изопреноидов из аминокислот.
Основная особенность «активного ацетила» - это легкость высвобождения его ацетильной группы во время различных реакций, среди которых важнейшей является конденсация двух молекул СН3-СО-8-СоЛ. Эта реакция формально может быть рассмотрена как прототип сложноэфирной конденсации Кляйзена, катализируемой основаниями. Механизм этой конденсации, в принципе, подходит для реакции димериза-ции ацетил-8-СоЛ, с тем лишь отличием, что катализируется она, скорее всего, не только основанием, генерирующим карбанионный центр ацетильной группы, но и кислотой, протонирующей атом серы второй молекулы СН3-СО-8-СоЛ и тем самым способствующей разрыву связи углерод-сера, а значит, и нуклеофильной атаке (схема 3.1.1).
Процесс этот, наверняка, синхронный, поскольку именно синхронные механизмы обеспечипают низкие энергетические барьеры и высокую стереоселективность реакций; и очень вероятно, что оба типа катализа (кислотный и основной) осуществляются одним и тем же ферментом, либо комплексно связанными между собой двумя различными ферментами.
Присоединение третьей молекулы «активного ацетила» к образовавшейся димерной молекуле протекает как нуклеофильное присоединение к р-кетогруппе последней, где также основной катализ способствует образованию карбанионной формы «активного ацетила», а кислотный - активации карбонильной группы. Результатом этой конденсации является 3-гидрокси-3-метилглутаровая кислота, связанная с коферментом, в результате последовательного гидролиза и восстановления которой сначала образуется мевальдиновая кислота, а затем и ключевое соединение мевалонового пути биосинтеза - мевалоновая кислота (схема 3.1.2).
XH....... о
CH3
-Б:
о
)
SCoA
H-CH,-C—SCoA
II
о
OH
I
CH3—^CH^-C^SCoA CH2—C—SCoA
- CoASH -------►
о
Схема 3.1.2
Мевалоновая кислота является устойчивым соединением, легко образующим лактон, в равновесии с которым она находится в растворе. Природный изомер имеет R-конфигурацию и (+)-вращение, а его оптический антипод биологически неактивен и, следовательно, в биосинтез не включается. Синтезом различных изотопных изомеров мевалоновой кислоты и последующим исследованием продуктов их биосинтетических превращений было показано, что мевалоновая кислота - биогенетический предшественник большей части известных на сегодняшний день изопреноидов.
При каталитическом действии ферментов с участием АТР и Mg2+ (или Mn2+) уже фосфорилированая мевалоновая кислота отщепляет СО2 и Н2О, образуя 3-изопентенилпирофосфат (IPP) - вещество, которое можно назвать «активным изопреном» (по аналогии с «активным ацетилом»), поскольку именно это соединение выполняет роль того строительного блока, из которого на последующих этапах формируются основные классы изопреноидов. Но IPP не единственный источник «активного изопрена» - для реализации процесса образования изопреноидов на следующих этапах биосинтеза необходим еще и его изомер по положению двойной связи, 2-изопентенилпирофосфат (или диметилаллилпирофосфат, ДМАРР). Изомеризация IPP в ДМАРР осуществляется также с помощью синхронного кислотно-основного ферментативного катализа (схема 3.1.3).
Мевалон-независимый (1-дезоксиксилулоз-5-фосфатный, 2-метилэритритол-фосфатный, пиру-ват-глицераль-фосфатный) путь биосинтеза изопреноидов был открыт сравнительно недавно (в 1988 г. высказаны первые предположения, а в 1993 г. предложена схема), что в общем-то удивительно, так как оказалось, что этот путь достаточно широко распространен в природе. Он имеет место в микроорганизмах (Eubacteria), в зеленых и красных водорослях, в некоторых высших растениях, по этому пути синтезируются убихинон, гопаноиды, менахиноны, фитол, стеролы, каротиноиды, некоторые моно- и дитерпены. Можно сказать, что он составляет определенную альтернативу классическому мевалоновому пути - постоянно растет список природных источников, в которых биосинтез изопреноидов стартует от фосфата 1-дезоксиксилулозы (см. табл. 3.1.1).
Мевалон-независимый путь биосинтеза изопреноидов (а точнее - его мономерных звеньев IPP и DMAPP) можно считать исключительно углеводным, поскольку молекулы только такого строения принимают участие во всех его этапах. D-глюкоза в результате реакций гликолиза образует пировиноградную кислоту и фосфат глицеринового альдегида, дальнейшая конденсация этих соединений при участии в качестве катализатора тиамин-пирофосфатного кофермента приводит к 5-фосфату 1-дезоксиксилулозы, вероятнее всего - это происходит через енолпируватфосфатный интермедиат. На следующем этапе фосфат дезоксиксилулозы под воздействием NADP-H зависимой изомеразы (фермента изомеризации углеродного скелета) превращается в производное разветвленной пентозы - метилэритритол фосфат (МЕР) - соединение с фактически готовым изопреноидным звеном (схема 3.1.4).
Таблица 3.1.1. Соотношение мевалонового и мевалон-независимого путей биосинтеза в некоторых
организмах
Организм Продукты мевалон-независимого пути Продукты мевалонового пути
Бактерии Alicyclobacillus acidoterrestris Гопаноиды
Caldariella acidophila Липиды (полипренолглицериды)
Corynebacterium ammoniagenes Менахинон, 2-метил^-эритритол
Escherichia coli Убихинон, менахинон Зеаксантин
Flavobacterium Каротиноиды
Halobacterium Терпентецин
Kitasatosporia Methylobacterium fujisawaense Убихинон, гопаноиды
Methylobacterium organophilum Гопаноиды
Streptomyces exfoliates Кархиностатин
Зеленые водоросли Scenedesmus obliquus Стеролы, фитол, каротиноиды, пла-
Красные водоросли Cyanidium caldarium стохинон, убихинон Фитол, каротиноиды
Высшие растения Catharanthus roseus Р-каротин, фитол, лютеин, изопрен Ситостерол
Chelidonium majus Фитол, эргостерол, 7-
Chlamydomonas reinhardtii дегидропориферастерол Борнилацетат
Conocephalum conicum Фитол Ситостерол, стигмастерол
Daucus carota Монотерпеноиды (гараниол)
Geranium graveolens Дитерпеноиды (гинкголиды) Ситостерол
Ginkgo biloba Ментон
Mentha piperita Ситостерол
Morus alba Пластохинон Стеролы, убихинон
Nicotiana tabacum Изопрен
Populus nigra Логанин
Rauwolfia serpentina Рицциокарпин А
Ricciocarpos natans Люцидин-3Р-примверозид,
Rubia tinctorum Рубиадин-3 Р-примверозид
Salix viminalis Изопрен
Taxus chinensis Таксууннанин С
Thymus vulgaris Тимол
Последовательные реакции дегидратации и восстановления спиртовых групп молекулы МЕР приводят к первому «активному изопрену» (IPP), который изомеризуется в DMAPP по схеме, указанной выше для мевалонового пути биосинтеза. Вполне возможно, что эти два изомерных изопренильных соединения образуются независимо из метилэритритолфосфата. К настоящему моменту получены экспериментальные данные, позволяющие утверждать, что на первом этапе АТР переводит МЕР в метилэритритолциклоди-фосфат, отщепление от которого молекулы воды приводит к образованию 4-гидрокси-ЭМАРР. Последний, отщепляя гидроксид-ион, образует в качестве интермедиата аллилкатион DMAPP (DMAPP+), восстановление которого и приводит к образованию обеих форм «активного изопрена» (схема 3.1.5). Это один из отличительных моментов мевалон-независимого пути биосинтеза - IPP и DMAPP образуются независимо, в связи с чем не требуется фермент IPP-изомераза.
Аминокислотный путь биосинтеза изопреноидов изучен очень мало, да и в природе встречается весьма редко. Есть данные об участии аланина в качестве предшественника метилэритритолфосфатного биосинтеза, согласно которым из этой аминокислоты генерируется пировиноградная кислота, вступающая далее в конденсацию с фосфатом глицеринового альдегида. Таким способом биосинтезируется линалил-ацетат в растениях Mentha citrat, что доказано с использованием дейтерированного аланина (схема 3.1.6).
По-видимому, изопренильный фрагмент может синтезироваться напрямую из тех аминокислот, которые содержат подходящий по структуре углеродный скелет. Для этой цели в первую очередь подходит молекула валина с готовым изопентановым углеродным скелетом, а также лейцин и изолейцин, которые легко могут образовать такой фрагмент реакцией декарбоксилирования, характерной для а-аминокислот. В свою очередь, реакция дезаминирования, столь же типичная для этого класса природных соединений, обеспечивает образование спиртовой и кетонной групп, которые далее могут генерировать олефиновые связи в изо-пентановом фрагменте. Весь комплекс реакций может привести к превращению этих аминокислот в IPP и DMAPP, а также к соответствующим насыщенным и ненасыщенным карбоновым кислотам, не вступающим в последующие изопреноидные конденсации и являющимся представителями простейшей группы изопреноидов - гемитерпенов (схема 3.1.7).
ои
ож—ch— еи2оР
CD3— C|H— COOИ CD3 C—COOИ __________
NH, о
-оо,
Схема 3.1.6
Схема 3.1.7
Соотнесение мевалонового и мевалон-независимого путей биосинтеза находят изотопным методом, определяя распределение углерода 13С в продуктах биосинтеза после подпитки испытуемого организма питательным веществом, обогащенным «тяжелым» углеродом, обычно глюкозой [1-13С]. В случае мевалонового пути образования изопреноидов их исходный «активный изопрен» содержит изотопную метку в положениях 2,4 и 5, а при мевалон-независимом пути эти метки находятся в положениях 1 и 5. Положения атомов 13С в конечных продуктах определяют методом ЯМР 13С, а последующий анализ их структуры в соответствии с «изопреновым правилом» позволяет сделать выводы о пути их биосинтеза (схема 3.1.8).
В результате таких исследований была проведена дифференциация многих организмов по путям биосинтеза изопреноидов и определены типы изопреноидов, синтезируемые при этом. Из таблицы 3.1.1 видно, что некоторые организмы образуют изопреноиды по обеим биосинтетическим схемам, что связано с местом их биосинтеза внутри клетки. В высших растениях, в их цитоплазме и митохондриях по мевалоново-му пути образуются в основном сесквитерпены, тритерпены, стеролы и убихиноны; тогда как в пластидах биосинтез изопреноидов идет по мевалон-независимому пути с образованием изопрена, некоторых монотерпенов, дитерпенов, каротиноидов и полипренолов (фитола, например).
3.2. Конденсация изопреновых звеньев с образованием основных классов изопреноидов
Молекулы изомерных «активных изопренов», IPP и DMAPP, отличающиеся всего лишь положением двойной связи, существенно различаются своими химическими возможностями - DMAPP имеет пирофос-фатную группу в аллильном положении к двойной связи, что способствует образованию энергетически выгодного аллильного катиона и протеканию реакций нуклеофильного замещения, тогда как пирофос-фатная функция в молекуле IPP лишена такой возможности. Вместе с тем молекула IPP имеет нуклеофильный центр на метиленовом звене (атом С4). Таким образом, взаимодействие изомерных «активных изопренов» между собой оказывается разрешенным по электронному характеру их реакционных центров и может реализоваться по синхронному механизму аллильного нуклеофильного замещения. Конденсация протекает с подключением катионов Mg2+ или Mn2+, которые, координируясь с пирофосфатным фрагментом, облегчают процесс его отщепления. Присоединение электрофильного реагента по двойной связи DMAPP осуществляется в соответствии с расширенным правилом Марковникова, а атака нуклеофила на аллильную систему IPP в переходном состоянии реакции направлена на менее замещенный атом углерода, что приводит к стабильному третичному карбокатиону следующего переходного состояния. В результате миграции протона от углерода С2 образуется конечный продукт димеризации - геранил пирофосфат (GPP), являющийся исходным соединением биосинтеза всех монотерпеноидов (схема 3.2.1).
Взаимодействие IPP c DMAPP, приводящее к образованию геранилпирофосфата, являет собой типичный для химии природных соединений пример многоцентрового процесса, в ходе которого имеют место и нуклеофильное замещение, и образование новой углерод-углеродной связи, и, наконец, миграция п-связи.
Молекула геранилпирофосфата замечательна тем, что ее фосфатная группа сохраняет аллильное положение, а значит и способность к достаточно легкому нуклеофильному замещению следующей молекулой IPP по механизму, описанному для биосинтеза GPP. Результатом этого этапа конденсации является молекула фарнезилпирофосфата (FPP), содержащая три изопренильных остатка. В молекуле FPP пирофосфат-ная функция также находится в аллильном положении и может быть замещена на следующую изопрениль-ную группу, что приводит к пирофосфату тетрапренольной структуры - геранил-геранилпирофосфату (GGPP). Очевидно, что этот процесс может продолжаться практически бесконечно, приводя к образованию полипренолов (схема 3.2.2). Теперь становится понятным происхождение «изопренового правила» и правила присоединения изопреновых фрагментов «голова к хвосту».
CH>
Mg о о Mg
/ + \ 1 1 II
CH3 —CH2—о—Р Р^—о о о о
ОРР
(ООРР)геранил-геранил-пирофосфат
-■п
Схема 3.2.2
При детальном исследовании процесса поликонденсации 1РР звеньев обнаружены четыре вида ферментов, пренилтрансфераз (РТ), катализирующих различные стадии биосинтеза и контролирующих формирование полипренолпирофосфатов с различной длинной цепи (схема 3.2.3).
Отмечено, что малые и средние по степени конденсации полипренолы образуются исключительно по Е-стереохимической реакции, а длинноцепочечные могут образовываться как по Е-, так и по 2-стереохимическому пути (схема 3.2.4).
Из приведенных выше схем формирования полипренильного скелета видно, что молекула БМАРР выполняет роль своеобразной «затравки» процесса поликонденсации, в связи с чем можно ожидать образования более высоко конденсированных терпеноидов и при низкой концентрации диметилаллилпирофосфата и прекращения процесса наращивания полиизопреноидной цепи по расходованию другого «активного изопрена», 1РР. В этой ситуации открывается другая возможность наращивания полиизопреноидной цепи -взаимодействием продуктов нормальной конденсации, фарнезилпирофосфата, например, друг с другом по схеме «голова к голове», когда молекулы БРР взаимодействуют между собой пирофосфаталлильными фрагментами. Эта реакция является уже не поликонденсацией, а представляет собой димеризацию посредством которой из сесквитерпена образуется тритерпен, а из дитерпена - тетратерпен и т.д..
Е, Z
Схема 3.2.3
OPP
- ^
pH Hs
/4
OPP
Гептапренил- пирофосфатный синтез Е ^Н* Н 5^2 Hr Hs\ OPP Ундеципренил- пирофосфатный синтез Z ^OPP
Х4 X8
Схема 3.2.4
Механизм этой димеризации не так прост, как процесс поликонденсации с участием IPP и DMAPP, скорее, речь идет о многоцентровом согласованном процессе. Как и в случае реакции поликонденсации, диме-ризация начинается с полной или частичной ионизации одной молекулы FPP (донор фарнезильного фрагмента), которая in situ высвобождает аллильный катион и пирофосфат анион. Аллил катион как высокоактивный электрофил атакует аллильную п-связь второй молеклы FPP (акцептор фарнезильного фрагмента) в соответствии с правилом Марковникова, при этом образующийся катион будет либо нейтрализован, либо стабилизирован в виде тесной ионной пары пирофосфат анионом. Образовавшийся на этой стадии интермедиат склонен к 1,3-элиминированию пирофосфатного фрагмента, которое приводит к стабильному промежуточному продукту циклопропановой структуры - пресквален-пирофосфату. Наличие в этой молекуле пирофосфатной группы открывает возможность высвобождения первичного циклопропилкарбинил катиона, который легко перегруппировывается в более стабильный третичный катион. Завершается этот блок превращений стабилизацией циклопропилкарбинил катиона за счет раскрытия трехчленного цикла с последующим присоединением гидрид-иона от NADP-H (восстановлением).
Эти процессы приводят к образованию молекулы сквалена, не имеющей аллильных пирофосфатных фрагментов и потому не способной участвовать в дальнейшем удлинении полиизопреноидной цепи (схема 3.2.5). Сквален - конечный продукт одного из основных путей биосинтеза изопреноидов, который можно считать родоначальником семейства тритерпенов, в том числе и стероидов.
По аналогичной схеме осуществляется димеризация геранил-геранил пирофосфта (GGPP), результатом которой является цис-фитоин, ациклический тетратерпен - родоначальник семейства каротиноидов. Единственное отличие в схеме образования тетратерпенов от предыдущей состоит в том, что на этапе раскрытия третичного циклопропилкарбинил катиона вместо присоединения гидрид-иона происходит отщепление протона, вследствие чего фитоин, в отличие от сквалена, имеет в центре молекулы двойную связь, включенную в сопряженную триеновую систему (схема 3.2.6).
Димеризация двух аллил пирофосфатных фрагментов по типу «голова к голове» была обнаружена и в случае одного из самых маленьких изопреноидов, гемитерпена диметилаллилпирофосфата (DMAPP). Две молекулы этого «активного изопрена» начинают взаимодействие между собой так же, как и в описанных выше реакциях димеризации GPP и FPP - с высвобождения аллилкатиона и последующей атакой его по двойной связи второй молекулы DMAPP. Далее образовавшийся иррегулярный димерный бис-пирофосфат может отщеплять пирофосфатный фрагмент двумя путями - посредством 1,2-элиминированием с образованием ациклической системы лавандулола (лавандулил-пирофосфат) или через 1.3-элиминирование, приводящее к образованию циклической системы хризантемола (пирофосфат хризантемилового спирта) (схема 3.2.7). Замечательно то, что полученное циклопропановое производное очень стабильно и является родоначальником ряда монотерпенов хризантематной структуры.
СИ И
G—CH2
и СИ}
У=(
РРОСИ/ си^—О
СИ2ОРР
СИ,
СИ,
^СИ СИ2-О
- РРОИ
СИ,
С
// СИ,—О
ИС
СИ, I И
О—СИ2 ^.СИгОРР
Пресквален пирофосфат
СИ,
ОСИ,-
,СИз _ ^ СИ}
'СИ,О ОСИ2
Схема 3.2.5
Сквален
СИ,
СИ2О
ЫАЭР-Ы
Схема 3.2.6
Ы СЫ3
/ОХ
РР^ СЫ2 СЫ3
ЫзС.
Ы3С'
\=СЫ / \
СЫ2—ОРР
//
СЫ3
I
С—СЫ3
ОРР сы2-сЫ
2
СЫ3^
С СЫ
СЫ3
1,3-элимирирование
СЫ3
СЫ С
РРО Ы2С
СЫ3
СЫ3
СЫ3
СЫ2 ОРР
-РРОИ
1,2-элимирирование
Ы2С
/
С—СЫ
Ы3С
//
^СЫ2—СЫ СЫ2 ОРР
СЫ3
3
С—СЫ3
,СЫ3 СЫ2— к
3.3. Архитектурные реакции изопреноидных цепочек
Реакции, обеспечивающее структурное разнообразие внутри каждого семейства изопреноидов, обязаны все тому же процессу полной или частичной ионизации соответствующих пирофосфатов с генерированием in situ карбокатионов п-аллильного типа - геранил катиона, фарнезил-катиона, геранил-геранил катиона. Основными реакционными фрагментами этих интермедиатов являются: карбокатионный центр, углерод-углеродная п-связь, метиленовая и метильная группы. Следует отметить, что последние два фрагмента, метильный и метиленовый, находятся в сопряжении с олефиновыми связями (с-п-сопряжение ), что обеспечивает их активацию, т.е. повышенную реакционную способность по сравнению с обычными насыщенными углеводородами.
К наиболее простым превращениями катионов аллильного типа можно отнести их нейтрализацию, которая может осуществляться по двум принципиальным направлениям - либо за счет отщепления протона с образованием новой олефиновой связи, либо в результате присоединения гидроксил-иона с образованием спиртовой функции. Ввиду того, что положительный заряд аллил-катиона делокализован по концевым углеродным атомам аллильной системы, в каждой из этих реакций возможно образование пары структурных изомеров (схема 3.3.1).
Наиболее важными превращениями образующихся катионов аллильного типа безусловно являются реакции, основанные на взаимодействии катионного центра с одной из удаленных олефиновых связей. В большинстве случаев реакции протекают согласно расширенному правилу Марковникова, приводя к образованию интермедиатов и соединений циклического строения. В реакциях с участием геранил-катиона (из GPP) циклизация ведет к интермедиату циклогексановой структуры, который превращается или в углеводород, или в соответствующий спирт (схема 3.3.2).
n
OPP
n(1-3)
n
или
или
Схема 3.3.1
OH
a-терпинеол
лимонен
Но на этом «путешествие» карбокатионного центра не заканчивается - наличие в циклическом интермедиате п-ментановой структуры одновременно олефиновой связи и карбокатионного центра открывает путь к образованию разнообразных бициклических структур, а гидридный сдвиг, в свою очередь, меняя положение карбокатионного центра, расширяет это разнообразие. Так, из катиона ментановой структуры в результате циклизации образуется катион с пинановым бициклическим скелетом, который далее преобразовывается в соответствующие терпеновые углеводороды - а-пинен и р-пинен. В свою очередь катион пинановой структуры может претерпевать последующую реорганизацию, связанную с взаимодействием карбокатионного центра с соседней углерод-углеродной сигма-связью и образованием борнановых, кам-фановых и фенхановых терпеноидов (схема 3.3.3).
Характерными реакциями для циклических интермедиатов катионного типа в ряду терпеноидов являются реакции, связанные с гидридными сдвигами, меняющими положение катионного центра в молекуле, а следовательно, и направление последующих циклизаций и изомеризаций. Так, 1,2-гидридный сдвиг в мен-тановом интермедиате и последующая циклизация приводят к туйяновым монотерпенам, а 1,3-гидридный сдвиг в том же катионе - к карановым монотерпенам (схема 3.3.4).
ОН
Р-пинен
а-пинен
борнеол
Схема 3.3.3
1,2-сдвиг
-Н®
3-карен
а-туйен
Значительно более разнообразны реакции циклообразования в ряду сесквитерпенов, берущих свое начало от фарнезил-катиона, генерируемого частичной или полной ионизацией FPP in situ. Следует заметить, что фарнезил-пирофосфат может легко изомеризоваться в соответствующее производное неролидола (NPP), которое при ионизации генерирует тот же катион. Уже на первом этапе катионный центр может взаимодействовать с двумя удаленными олефиновыми связями, образуя углеродные скелеты с циклогексановым и с циклодекановым фрагментами в случае соблюдения правила Mарковникова, и с циклогептановым и циклоундекановым фрагментами в случае протекания реакции против этого правила, что определяется спецификой ферментативного катализа. Стабилизация первичных циклических интермедиатов обычно совершается депротонизаций с образованием ключевых фундаментальных сесквитерпеновых углеводородов бисаболена, гумулена, гермакрена (схема 3.3.5).
Нарушения правила Mарковникова могут иметь место в том случае, если циклизация происходит не из аллил-катиона, а из соответствующего ему олефина, в котором предварительно протонируется «хвостовой» пренильный фрагмент, и тогда уже все происходит по правилам. Возможен и вариант предварительного эпоксидирования нормально образованного олефина, кислотно катализируемое раскрытие оксирано-вого цикла в котором идет в направлении более стабильного третичного карбокатионного интермедиата, а последний циклизуется опять же по правилам (схема 3.3.6).
В некоторых случаях после циклизации аллил-катионного интермедиата по Mарковникову последовательно протекают гидридный сдвиг и перегруппировка Вагнера-Mеервейна, что в конечном итоге, формально, приводит к «анти-Mарковниковскому» продукту (схема 3.3.7).
Но еще более разнообразны вторичные превращения моноциклических катионных интермедиатов сескви-терпенового ряда, ведущие к образованию бициклических структур, сочетающих циклические фрагменты разного размера - от четырехчленных до десятичленных. Таким путем осуществляется биосинтез терпенои-дов кадинанового ряда, гваянолидов, кариофиленового типа и др. (схема 3.3.8). Все многообразие сесквитер-пеновых структур «усугубляется» (именно этим словом хочется подчеркнуть сколь велика структурная палитра сесквитерпенов) последующими, уже третичными циклизациями с параллельно протекающими процессами изомеризации и гидридных сдвигов.
Схема З.З.5
- н
©
-н®
Схема 3.3.6
Схема 3.3.7
Кариофиллен
Схема 3.3.8
По структурному разнообразию дитерпеноиды почти не уступают сесквитерпенам, т.е. это классы природных соединений одного порядка в количественном отношении. Но в их биосинтезе есть некоторые принципиальные различия - биосинтез дитерпенов, сохраняя традиции предыдущих классов (высвобождение катиона аллильного типа с последующим взаимодействием катионного центра с олефиновым фрагментом внутримоле-кулярно, так называемая циклизация типа А, гидридные сдвиги, скелетные перегруппировки), к комплексу этих превращений подключает новую реакцию, которая может быть названа каскадной циклизацией. Возможность этой реакции заложена уже в исходной структуре ввРР, родоначальника класса дитерпеноидов - четыре оле-
финовых фрагмента в виде повторяющихся элементов структуры могут взаимодействовать друг с другом, используя в качестве «затравки» высвобождающийся in situ аллильный катион. Более строго реакция может быть определена как внутримолекулярное многоцентровое согласованное электрофильное присоединение и ведет к формированию би- и три-циклических углеродных систем в одну стадию. В общем случае можно говорить об образовании такой реакцией полициклических систем в один прием.
Типичными примерами биосинтетических процессов в ряду дитерпенов являются: образование касбена, протекающее, теперь уже можно считать, по классической схеме циклизации с участием аллильного катиона и концевого олефинового фрагмента; формирование бициклической системы копалил-дифосфата каскадной реакцией, инициируемой присоединением протона по концевой двойной связи (так называемая циклизация по типу В), с переходом в трициклические системы пимарана и абиетана; двухступенчатый синтез трициклического углеродного скелета таксана, первая ступень которого носит каскадный характер, а вторая - характер гидридного переноса с килотно-основным катализом (схема 3.3.9).
Шедевром каскадных реакций без сомнений является многоцентровая согласованная циклизация сква-лена, этого основного предшественника важнейших полициклических тритерпеновых изопреноидов. Молекула сквалена не имеет той пирофосфатной функции, которая обеспечивает появление карбокатионного центра и последующие циклизации в биосинтетических превращениях моно-, сескви- и дитерпеноидов, поэтому реакциям его циклизации предшествует процесс создания инициирующего центра. Сначала одна концевая олефиновая связь молекулы сквалена эпоксидируется ферментом (сквален эпоксидазой), имеющим флавиновый кофермент, активная форма которого содержит гидроперекисную функцию. Протониро-ваное эпоксидное кольцо легко раскрывается, образуя спиртовую функцию и активный карбо-катионный центр, который тут же атакует ближайший олефиновый фрагмент, вновь образовавшийся карбокатионный центр атакует следующий такой же фрагмент и т.д. Очевидно, что процесс этот согласованный и протекает через единое «глобальное» переходное состояние, в котором задействованы все реакционные центры и в равной степени сформированы все новые связи. В результате этой реакции образуются в один прием тет-рациклические скелеты стероидов, при формировании которых концевая олефиновая связь не принимает участия в циклизации и остается свободной; также образуются пентациклические скелеты гопаноидов, в образовании которых принимают участие все п-связи молекулы сквалена (схема 3.3.10).
Гидроксигопанол Гидрокситетрагиманол
Схема 3.3.10
При переходе к анализу биосинтетических схем образования тетратерпеноидов, особенно главных их представителей, каротиноидов, мы с удивлением обнаружим их синтетическую ограниченность. Их ациклический представитель, ликопин, претерпевает циклизацию с привлечением концевого олефинового фрагмента и ближайшей к нему С=С связи сопряженной полиеновой цепочки, которая начинается с протонизации изолированной двойной связи. Образовавшийся третичный карбокатион атакует С=С связь в соответствии с правилом Марковникова, формируя тем самым циклогексановый фрагмент с новым изолированным третичным карбокатионным центром. Стабилизация молекулы обеспечивается последующим отщеплением протона, которое может происходить из трех различных ситуаций, в результате чего образуются три изомерных по положению циклической двойной связи каротиноида (схема 3.3.11).
Одна из интереснейших и продуктивнейших реакций органической химии, реакция Дильса-Альдера, открывающая путь к циклогексановым системам самого разнообразного содержания, до недавнего времени считавшаяся инструментом чисто синтетической органической химии, имеет место, как оказалось, и в природной химии, внося свой вклад в архитектурные реакции биосинтеза природных соединений. Это, в общем то, и ожидаемо, поскольку уже на основных биосинтетических путях образуется - в качестве интермедиатов и продуктов - достаточно широкий набор и диеновых систем (диенов) и электроноакцепторных олефинов (диенофилов).
В самом общем, классическом, варианте реакция Дильса-Альдера протекает в мягких условиях, а именно такие требуются для осуществления ее in vivo - при значительном электронодонорном характере диена
и, по возможности, большой электроноакцепторности диенофила. Этим требованиям отвечают некоторые диеновые ациклические терпены (мирцен, оцимен), бициклические сесквитерпеноиды с циклопентадиено-вым фрагментом (гваянолиды), фурановые производные разных изопреноидов, а также енольные формы соединений с непредельными карбонильными фрагментами, образующиеся в качестве интермедиатов при энзиматическом катализе (схема 3.3.12).
Схема 3.3.11
Enz
O
OEnz
Схема 3.3.12
В то же время потенциальные диенофильные системы, представленные в природных соединениях ненасыщенными альдегидами, кетонами и кислотами, могут быть дополнительно активированы металло-энзимами со свойствами кислот Льюиса. Последние, координируясь атомом металла на кислородные неподе-ленные электронные пары указанных функций, существенно увеличивают их электроноакцепторные свойства (в реакциях in vitro скорость таких реакций возрастает в 100-1000 раз). На схеме 3.3.13 представлены типичные диенофильные группы природных изопреноидов и механизм их энзиматической активации.
Кроме того, реакции Дильса-Альдера легче протекают в варианте внутримолекулярного исполнения, что равносильно увеличению концентрации взаимодействующих компонент и уменьшению энергии формирования переходного состояния реакции.
Скорее всего, реакция Дильса-Альдера в природных источниках как путь формирования циклических структур реализуется с подключением всех факторов - энзиматический катализ при внутримолекулярном исполнении, что позволяет осуществление соответствующего этапа биосинтеза в in vivo допустимом температурном режиме с контролируемой структурой продукта.
CHO
COOH
O
CH,
O
O
O
OH
Zn-Enz
Схема
HO
^Г\
O ^
\ _Enz
.Р—O' O*|
OH
(--) - ircinianin
из морских губок Ircinia wistarii
Схема 3.3.14-
Представленная в этой главе картина биосинтетических схем демонстрирует богатство механизмов формирования главных изопреноидных структур. Здесь и реакции присоединения карбанионов и карбока-тионов по кратным связям, изомеризация п-систем, скелетные перегруппировки, циклоприсоединения, гидридные сдвиги и т.п. Высокая селективность этих реакций, необычная легкость их протекания в условиях in vivo обязаны исключительной эффективности ферментативного катализа. И в настоящее время внимание исследователей направлено как на выявление структур и механизмов действия энзимов, так и на воплощение их в условиях in vitro.
O
