LA RUTA DEL SHIKIMATO: AMINOÁCIDOS AROMÁTICOS Y FENILPROPANOIDES
Por: Rubén Darío Ramírez Montoya 1
INTRODUCCIÓN La vía del shikimato provee una ruta para compuestos aromáticos, particularmente los AA aromáticos: L-fenilalanina, L-tiroxina y L-triptófano. Esta vía es empleada por microorganismos y plantas, pero no por animales. Un intermedio central en la vía es el ácido shikimico, un componente que ha sido aislado de especies de Illicium (“shikimi ” Japonés) muchos años antes que su rol en el metabolismo haya sido descubierto. 2
INTRODUCCIÓN El ácido
es un precursor de:
los aminoácidos aromáticos Fenilalanina y tirosina, Indol, derivados del indol y el aminoácido aromático triptófano, Alcaloides y otros otros metabolitos aromáticos taninos, flavonoides, y lignina. •
•
•
•
3
INTRODUCCIÓN Este compuesto fue aislado en 1885 y su intervención en la bioformación de fenoles naturales fue establecida en 1955
Shikimic Acid as a Precursor in Lignin Biosynthesis. Nature 175, 175, 688 - 689 (16 April 1955)
4
INTRODUCCIÓN
5
AMINOÁCIDOS AROMÁTICOS Y ÁCIDOS BENZOICOS SIMPLES •
La vía del shikimato empieza con un acoplamiento de fosfoenolpiruvato (PEP) y Deritrosa 4-fosfato para obtener una especie de 7 carbonos: Reacción aldólica E1
6
AMINOÁCIDOS AROMÁTICOS Y ÁCIDOS BENZOICOS SIMPLES Eliminación de HOP
Esto representa una simplificación excesiva. La eliminación de ácido fosfórico en realidad sigue una oxidación de NAD +- dependiente del hidroxilo central, y este vuelve a formarse en una reacción de reducción dependiente de NADH sobre el compuesto de carbonilo intermedio, antes de la reacción aldólica. Todos estos cambios se producen en la presencia de una sola enzima. 3-deshidroquinato sintetasa
E2: 3-deshidroquinato sintetasa
7
AMINOÁCIDOS AROMÁTICOS Y ÁCIDOS BENZOICOS SIMPLES •
Luego de la eliminación de ácido fosfórico del DAHP se presenta una reacción aldólica intramolecular para generar el primer intermediario carboxiclico
Reacción aldólica
Ác. 3-deshidroquinico
8
AMINOÁCIDOS AROMÁTICOS Y ÁCIDOS BENZOICOS SIMPLES
Ác. shiquimico
Ác. 3-deshidroshiquimico
Ác.3-deshidroquínico
Ác. quínico
Encontrado en forma libre o en combinación con alcaloides como la quinina E3: 3-deshidroquinasa E4: shikimato deshidrogenasa
9
AMINOÁCIDOS AROMÁTICOS Y ÁCIDOS BENZOICOS SIMPLES Deshidratación Ác. 3-deshidroshiquimico Oxidación y enolización
Enolización
Ác. protocatecuico E6: 3-deshidroshikimato deshidratasa
Ác. gálico 10
AMINOÁCIDOS AROMÁTICOS Y ÁCIDOS BENZOICOS SIMPLES Fosforilación
Ac. shikimico
Adición nucleofílica
Eliminación de HOP
Ac. Shikimico 3-fosfato Eliminación de HOP
Ac. corísmico
EPSP
E1: shikimato quinasa E2: Ácido 5-enolpiruvilshikimico 3-fosfato (EPSP) sintetasa 11
AMINOÁCIDOS AROMÁTICOS Y ÁCIDOS BENZOICOS SIMPLES Eliminación con estereoquímica syn de ácido pirúvico como ácido enolpirúvico
Ác. 4-hidroxibenzoico
Ác. corísmico
12 E1: corismato liasa (con este tipo de enzimas se forman frecuentement anillos)
AMINOÁCIDOS AROMÁTICOS Y ÁCIDOS BENZOICOS SIMPLES Los ácidos 2,3-dihidroxibenzoico (producido por microorganismos y no por plantas) y salicílico son derivados del ácido isocorísmico.
Isomerización
Eliminación
Ác. isocorísmico
Ác. corísmico
Ác. salicilico
La isomerización involucra una reacción tipo SN2. Una molécula de agua como nucleófilo atacando al sistema diénico, desplaza el grupo hidroxilo.
E2: isocorismato sintetasa
E3: salicilato sintetasa
13
AMINOÁCIDOS AROMÁTICOS Y ÁCIDOS BENZOICOS SIMPLES
La cadena lateral de Ác. isocorísmico es eliminada, primero por hidrólisis, luego deshidrogenación de 3-hidroxi a 3-ceto, seguido de enolización y formación del anillo aromático.
isocorismato
Ác. 2,3-dihidro-2,3-dihidroxibenzoico
E8: isocorismatasa
Ác. 2,3-dihidroxibenzoico
14
AMINOÁCIDOS AROMÁTICOS Y ÁCIDOS BENZOICOS SIMPLES El ácido 2,3-dihidroxibenzoico es uno de los componentes del agente quelante de hierro (sideróforo) denominado enterobactina encontrado en Escherichia coli y mucha otras bacterias Gram negativas. Este compuesto juego un papel importante en el crecimiento bacteriano, dado que hace disponible las concentraciones mínimas de hierro. Químicamente la enterobactina está compuesta por tres moléculas de ácido 2,3-dihidroxibenzoico y tres del AA Lserina, en forma de triester cíclico.
15
Ácido 2,3dihidroxibenzoico
L-serina Enterobactina como quelante de hierro
El ácido 2,3-dihidroxibenzoico y la serina se activan a través de un ATP, antes de la unión con el complejo de la enzima a través de un enlace tioéster. Un enlazador fosfopanteteína también se utiliza. Son catalizados Los pasos de formación de lactona, con una lactonización intramolecular final para dar el trímero, que se libera de la enzima
Enterobactina 16
AMINOÁCIDOS AROMÁTICOS Y ÁCIDOS BENZOICOS SIMPLES Los compuestos aminados análogos a los ácidos fenólicos son producidos desde el ácido corísmico por transformaciones en las cuales amoniaco - aportado por la glutamina- actúa como nucleófilo. El ácido corísmico puede ser aminado en el : 1. C-4 para dar ácido 4-amino-4-desoxi corísmico y luego el ácido p-amino benzoico (PABA). 2. C-2 para obtener - el análogo del ácido isocorísmico- el ácido 2-aminobenzoico (ácido antranílico)
L-glutamina Ác. corísmico E4
Aminación C-4 Ácido 4-amino-4-desoxicorismico
Eliminación syn Ác. p-aminobenzoico
E4: 4-amino-4-desoxicorismato sintetasa/glutamina aminotransferasa 17
AMINOÁCIDOS AROMÁTICOS Y ÁCIDOS BENZOICOS SIMPLES Los compuestos aminados análogos a los ácidos fenólicos son producidos desde el ácido corísmico por transformaciones en las cuales amoniaco - aportado por la glutamina- actúa como nucleófilo. El ácido corísmico puede ser aminado en el : 1. C-4 para dar ácido 4-amino-4-desoxi corísmico y luego el ácido p-amino benzoico (PABA). 2. C-2 para obtener - el análogo del ácido isocorísmico- el ácido 2-aminobenzoico (ácido antranílico)
L-glutamina Ác. corísmico E4
Aminación C-4 Ácido 4-amino-4-desoxicorismico
Eliminación syn Ác. p-aminobenzoico
E4: 4-amino-4-desoxicorismato sintetasa/glutamina aminotransferasa 18
AMINOÁCIDOS AROMÁTICOS Y ÁCIDOS BENZOICOS SIMPLES Los compuestos aminados análogos a los ácidos fenólicos son producidos desde el ácido corísmico por transformaciones en las cuales amoniaco - aportado por la glutamina- actúa como nucleófilo. El ácido corísmico puede ser aminado en el : 1. C-4 para dar ácido 4-amino-4-desoxi corísmico y luego el ácido p-amino benzoico (PABA). 2. C-2 para obtener - el análogo del ácido isocorísmico- el ácido 2-aminobenzoico (ácido antranílico)
L-glutamina Ác. corísmico E4
Aminación C-2 Ác. 2-amino-2-desoxi-isocorísmico Eliminación syn
Ác. antranílico E6: 2-amino 2-desoxi isocorismato sintetasa
19
AMINOÁCIDOS AROMÁTICOS Y ÁCIDOS BENZOICOS SIMPLES Formación de Indol y triptófano En un proceso de múltiples reacciones, el anillo indólico se forma por incorporación de dos átomos de carbono aportados por el fosforribosil difosfato, con pérdida de carboxilo en el antralinato. El resto de carbonos son removidos por una reacción retro-aldólica. Luego la estructura indólica es modificada por la incorporación de L-serina, reacción catalizada por el complejo enzimático triptófano sintetasa Importancia: En la década de 1930, el interés por el indol se intensificó cuando se conoció que el 20
AMINOÁCIDOS AROMÁTICOS Y ÁCIDOS BENZOICOS SIMPLES SN2 Ác. antranílico Fosforribosil PP
Ác. fosforribosilantranílico
Tautomería Iimina-enamina
Tautomería ceto-enol
Retro-aldólica Indol-3-glicerol P
1-(2-carboxianilino)-1- desoxirribulosa 5-P
Indol L-triptófano
E1: antranilato fosforribosil transferasa E2: fosforribosil antranilato isomerasa 21
AMINOÁCIDOS AROMÁTICOS Y ÁCIDOS BENZOICOS SIMPLES Volviendo a la ruta del shikimato, se produce un proceso de reordenamiento singular, la transformación de ácido corísmico en ácido prefénico. Esta reacción, denominada reordenación de Claisen, transfiere la cadena lateral derivada del PEP, al C-1. La acumulación del esqueleto C6C3 es la base de la fenilalanina y la tirosina.
Ác. corísmico
Confórmero ecuatorial
La reacción es catalizada en la naturaleza por la enzima corismato mutasa, y aunque también puede ocurrir térmicamente, la tasa aumenta al menos 10 6 veces en presencia de la enzima..
Confórmero axial
Ác. prefénico
22
ceto-ácido
amino-ácido
Transaminación PLP- dependiente Aromatización descarboxilativa Ác. fenilpirúvico
L-fenilalanina
Aromatización descarboxilativa
Transaminación
Ác. prefénico
Ác. arogénico E2: prefenato deshidratasa E3: arogenato deshidratasa E4: prefenato deshidrogenasa E5: arogenato deshidrogenasa E6: fenilpiruvato aminotransferasa E7: prefenato aminotransferasa E8: 4-hidroxifenilpiruvato aminotransferasa 23
Transaminación
Ác. prefénico
Ác. arogénico E2: prefenato deshidratasa E3: arogenato deshidratasa E4: prefenato deshidrogenasa E5: arogenato deshidrogenasa E6: fenilpiruvato aminotransferasa E7: prefenato aminotransferasa E8: 4-hidroxifenilpiruvato aminotransferasa
Ác. 4-hidroxifenil pirúvico
L-tirosina 24
ÁCIDOS CINÁMICOS La L-fenilalanina y la L-tirosina como bloques C6C3, son precursores de un amplio rango de productos naturales. En plantas, una primera etapa es la eliminación de amoniaco para generar el ácido trans-cinámico. En el caso de la fenilalanina se formaría ácido cinámico, mientras que desde la tirosina se produce el ácido 4-cumárico. Tambien puede generarse ácido 4cumárico por hidroxilación de ácido cinámico en una reacción citocromo P450 dependiente.
Cinnamomum verum
25
ÁCIDOS CINÁMICOS Cinnamomum verum
Otros ácidos cinámicos obtenidos son el cafeico, ferúlico y el sinápico. Estos pueden ser encontrados en plantas en forma libre y en un rango de formas esterificadas, por ejemplo, con ácido quínico como el ácido clorogénico (ácido 5-O-cafeoilquinico), con glucosa como un 1-O-cinamoilglucosa, y con colina como sinapina.
26
E1: Fenilalanina amonio liasa (PAL) E2: tirosina amonio liasa (TAL) E3: cinamato 4-hidroxilasa E4: p-cumarato 3-hidroxilasa E5: ácido cafeico O-metiltransferasa/ S-adenosil-metionina (SAM)
Eliminación de amoniaco -fenilalanina
Ác. cinámico Hidroxilación Metilación
L-tirosina
Ác. 4-cumárico
Ác. cafeico
Alcohol p-cumarílico
Ác. ferúlico
Ác. 5-hidroxiferúlico Ác. sinápico
Alcohol coniferílico POLÍMEROS
Alcohol sinapílico
LIGNANOS Y LIGNINA : son sustancias polifenólicas, relacionadas con el metabolismo de la fenilalanina a través de la dimerización de alcoholes cinámicos sustituidos. La estructura básica de estas sustancias son dos unidades C 6C3 unidas por enlaces β,β Se encuentran en una gran variedad de plantas que incluyen las semillas de lino, semillas de calabaza, ajonjolí, ‘
entre otras.
28
Inhibe la α-glucosidase, Agente hipoglicemiante 29
LIGNANOS Y LIGNINA Polímero de elevado peso molecular, que resulta de la unión de varios ácidos y alcoholes fenilpropílicos (cumarílico, coniferílico y sinapílico). Las gimnospermas polimerizan alcohol principalmente alcohol coniferílico, las plantas dicotiledóneas alcohol coniferílico y sinapílico, mientras las monocotiledóneas utilizan los tres alcoholes. La lignina representa una gran reserva de materiales aromáticos, principalmente sin explotar debido a las dificultades asociadas con la liberación de estos metabolitos. La acción de los hongos que pudren la madera ofrece la forma más eficaz de hacer estos productos útiles más accesible.
30
Lignina
31
32
REFERENCIAS •
DEWICK PAUL. MEDICINAL NATURAL PRODUCTS A BIOSYNTHETIC APPROACH. 3ª EDICIÓN. 2009
33
34
CATECOLAMINAS Y MELANINAS
35
Cloranfenicol Producidos por L-fenilalanina y L-tirosina, como bloques C6C3
El Streptomyces venezuelae fue aislado en 1947 de una muestra de tierra obtenida en Perú. A fines del mismo año se utilizó la escasa reserva del fármaco que se disponía para 36 tratar un brote de tifus endémico en Bolivia y se obtuvieron resultados impresionantes.
PLP (PIRIDOXAL FOSFATO)
37
38
Ácido fólico
39
LIGNANOS
40
