Шикиматный путь

Шикима́тный путь — метаболический путь, промежуточным метаболитом которого является шикимовая кислота (шикимат). Шикиматный путь отмечается как специализированный путь биосинтеза бензоидных ароматических соединений (очень часто в этом качестве наряду с шикиматным путём отмечается также поликетидный (ацетатно-малонатный) механизм построения бензольных ядер — замыкание (zip-сборка) ароматических систем посредством внутримолекулярной конденсации по типу кротоновой). Шикиматным путём в природе синтезируются такие известные соединения, как фенилаланин, тирозин, триптофан, бензоат, салицилат. Шикиматный путь является источником ароматических предшественников терпеноидных хинонов (убихинонов, пластохинонов, менахинонов, филлохинонов), токоферолов, фолата, флавоноидов, лигнинов, суберинов, меланинов, таннинов и огромного множества других соединений, играющих в природе различную роль. Шикиматный путь — один из древнейших эволюционно консервативных метаболических путей; как источник фундаментальных составляющих (в первую очередь — трёх протеиногенных аминокислот) живой материи фактически представляет собой часть первичного метаболизма. Значение шикиматного пути велико, так как этот путь является единственным установленным путём биосинтеза ряда важнейших природных соединений, в том числе значимых в плане их практического использования. В строгом смысле под шикиматным путём следует понимать только общую часть разветвлённого метаболического процесса — путь биосинтеза хоризмовой кислоты (хоризмата).

История открытия и изучения

В 1935 году немецкий химик-органик Германн Отто Лауренц Фишер^{[статья]} (1888—1960) и Герда Дангшат (?—1964) отметили, что структурно охарактеризованные ими кислоты хинная и шикимовая могут быть биогенетически (метаболически) тесно связанными с бензоидными ароматическими соединениями, в частности, с галловой кислотой. Для хинной кислоты была известна биологическая ароматизация (при участии микроорганизмов наблюдали образование из хинной кислоты некоторых фенольных соединений, а также было показано, что хинная кислота в организме млекопитающих метаболизируется в гиппуровую кислоту). Однако всё же чёткого подтверждения того, что гидроароматические кислоты являются естественными предшественниками природных ароматических соединений, не существовало до 1950-х годов.

Шикимовая кислота: нумерация атомов углерода — современная и устаревшая.

В 1950 году американский микробиолог Бернард Дэвис (1916—1994), применяя ультрафиолетовое облучение, используя свой оригинальный метод отбора с применением пенициллина, получил серию мутантов Escherichia coli, способных расти лишь в такой питательной среде, в которую добавлялись ароматические соединения. Многие мутанты нуждались в фенилаланине, тирозине, триптофане, пара-аминобензоате и пара-гидроксибензоате (в следовых количествах). Неожиданно оказалось, что потребность во всех пяти соединениях можно удовлетворить добавлением шикимовой кислоты (шикимата), в то время считавшейся редким соединением, встречающимся лишь у некоторых растений. Другая группа полученных Дэвисом мутантов не отвечала на добавляемый шикимат как на заменяющий ароматические соединения фактор роста, и обнаружилось, что некоторые из этих мутантов сами накапливали в культуральной среде шикимовую кислоту. Мутанты разных групп могли синтрофно расти на минимальной питательной среде.

Таким образом, шикимат, который отнюдь не является ароматическим соединением, оказался промежуточным продуктом в процессах биосинтеза трёх ароматических протеиногенных аминокислот, пара-аминобензоата и других существенных ароматических соединений. Очевидно, у некоторых полученных Дэвисом мутантов был нарушен синтез шикимата, тогда как у других мутантов были блокированы более поздние стадии метаболического процесса.

При помощи ауксотрофных мутантов Escherichia coli, Aerobacter aerogenes и Neurospora crassa и с применением изотопно-меченых соединений был прослежен весь путь от углеводных предшественников до первичных и вторичных метаболитов ароматической природы. Промежуточные соединения удавалось обнаружить и изолировать благодаря тому, что определённые мутанты их накапливали. Эксперименты с мутантами и выделяемыми ими соединениями позволяли выстраивать эти соединения в цепочку и отмечать в этой цепочке места недостающих метаболитов. Установить начальные этапы пути, связывающие его с известными путями, было значительно сложнее. Мутантный штамм Escherichia coli, накапливающий в культуральной среде шикимовую кислоту, выращивали на средах, содержащих в качестве единственного источника углерода ¹⁴C-меченую по определённым позициям d-глюкозу или другие соединения. После этого шикимовую кислоту выделяли. Распределение радиоактивных меток определялось путём ступенчатой химической деструкции. Анализ полученных результатов привёл к выводу, что три из семи атомов углерода молекулы шикимовой кислоты приходят из гликолиза, остальные четыре — из пентозофосфатного пути. Природа исходных соединений была выяснена, когда стал доступен синтетический d-эритрозо-4-фосфат. Было показано, что клеточные экстракты Escherichia coli легко конвертируют d-эритрозо-4-фосфат и фосфоенолпируват в дегидрохиннат. Сначала предположили, а затем экспериментально установили, что промежуточным соединением является семиуглеродный продукт конденсации — соединение, которое теперь известно как ДАГФ. Также, при помощи радиоизотопных меток было показано, что экспериментально наблюдаемое почти количественное превращение под действием бактериальных клеточных экстрактов d-седогептулозо-1,7-дифосфата в дегидрошикимат или шикимат не может быть объяснено преобразованием цельной молекулы, без промежуточного расщепления её на C₄ и C₃-фрагменты.

Важнейшая часть работы по расшифровке пути была проделана Бернардом Дэвисом (важные пионерские работы по выяснению метаболических путей при помощи мутантов велись под его руководством в им же основанной и возглавляемой научно-исследовательской лаборатории туберкулёза при Корнеллском медицинском колледже, Манхэттен, Нью-Йорк) в сотрудничестве с исследователями из Колумбийского университета — Дэвидом Спринсоном (1910—2007) и Паритхичери Сринивасаном (1927—2012). В числе других сотрудников — Масаюки Катажири, Ульрих Вайс, Элизабет Мингиоли, Иван Саламон, Джудит Левин. Значительный вклад в изучение отдельных стадий процесса внесли также австралийцы Франк Гибсон (1923—2008), Джеймс Питтард и многие другие исследователи. Полная картина метаболического пути стала ясна в 1962—1964 годах, когда Франк Гибсон наконец выделил и изучил долго ускользавшую от наблюдения субстанцию «compound X» — недостающий промежуточный метаболит, структура которого до этого уже была предсказана (впоследствии подтверждена Ллойдом Джэкмэном при помощи ЯМР-спектроскопии). По предложению своего тестя это соединение Гибсон назвал хоризматом (хоризмовой кислотой). Гипотеза Дэвиса (5-карбоксивинил-шикимат-3-фосфат, или, как его тогда называли, «Z1-phosphate», — предшественник как фенилаланина, тирозина, так и триптофана) была доказана, гипотеза Спринсона (последний общий предшественник трёх ароматических аминокислот — фосфошикимовая кислота) подтверждения не получила.

В 1950-х годах был, как описано выше, установлен путь биосинтеза дегидрохинната через ДАГФ, долго считавшийся единственным. В геномную эру стали накапливаться факты, которые требовали объяснения. Наиболее любопытным было то, что во многих геномах не выявлялось ортологов генов биосинтеза дегидрохинната при наличии ортологов генов его дальнейшего метаболизма. Результаты последовавших исследований метаболических возможностей организмов подтвердили предположения о существовании альтернативного пути биосинтеза дегидрохинната. В 2004 году были опубликованы результаты исследований американского биохимика Роберта Уайта по расшифровке пути биосинтеза дегидрохинната через ADTH. Однако предложенная Уайтом гипотетическая схема биосинтеза DKFP (прекурсор ADTH) впоследствии не подтвердилась. В 2006 году Роберт Уайт и Сюй Хуэйминь сообщили, что им удалось выяснить истинный путь биосинтеза DKFP у Methanocaldococcus jannaschii.

Название пути

Название «шикиматный путь» (the shikimate pathway), также можно встретить «путь шикимовой кислоты» (the shikimic acid pathway), было определено исторически (изучение началось с установления метаболической роли шикимовой кислоты, см. выше). В 1979 году Флос (H. G. Floss), желая подчеркнуть ключевую роль и мультипотентность другого важнейшего промежуточного соединения (хоризмата), предложил название «the chorismate pathway». Ввиду того, что хоризмат находится хотя и в важнейшей, но не единственной точке ветвления цепочки химических превращений, и в силу того, что старое название к тому времени уже хорошо закрепилось, подобное переименование было признано контрпродуктивным и от него отказались. Другое возможное название, «the aromatic pathway», также было отвергнуто, так как многие ароматические соединения синтезируются иными путями, некоторые же неароматические продукты синтезируются из шикиматных предшественников, минуя стадию ароматизации.

Годы открытия основных соединений смотри в приложении.

Распространённость и локализация

Шикиматный путь осуществляется в клетках прокариот (как бактерий, так и архей) и эукариот (грибов, растений, всевозможных протистов, но не животных). У растений реакции шикиматного пути проходят в цитозоле и, практически независимо, в пластидах (главным образом в хлоропластах), однако гены практически всех ферментов локализованы в ядре; при нормальных условиях роста около 20 % всего усваиваемого растением углерода протекает этим путём, в масштабе биосферы по некоторым оценкам это составляет около 7×10¹² тонн в год. У организмов, клетки которых не содержат пластиды, шикиматный путь протекает в цитозоле. Многоклеточные животные (Metazoa) не имеют ферментной системы шикиматного пути, так как получают протеиногенные ароматические аминокислоты и прочие необходимые продукты шикиматного пути в достаточном количестве с пищей (или от симбионтов) и потому эволюцией освобождены от необходимости их биосинтеза de novo. С другой стороны, избавившись от «лишнего» ещё на этапе своего эволюционного становления, животные попали в зависимость от ряда экзогенных соединений (незаменимые аминокислоты, значительная часть витаминов). Животные способны преобразовывать готовые ароматические продукты шикиматного пути, в частности, способны превращать незаменимую аминокислоту фенилаланин в тирозин, являющийся заменимой аминокислотой при условии достаточного поступления фенилаланина с пищей. Шикиматный путь частично или полностью утрачен также некоторыми микроорганизмами, живущими исключительно в богатых необходимыми веществами средах.

У бактерий три реакции, завершающие биосинтез фенилаланина, могут проходить как в цитозоле, так и в периплазматическом пространстве или экстрацеллюлярно.

Начальные этапы шикиматного пути

В настоящее время известно два пути биосинтеза дегидрохинната — предшественника шикимата. Это классический путь через ДАГФ и обнаруженный позже у архей путь через ADTH.

Путь через ДАГФ

Наиболее распространённым в органическом мире и первым изученным путём образования дегидрохинната является путь его биосинтеза из d-эритрозо-4-фосфата и фосфоенолпирувата. d-Эритрозо-4-фосфат образуется преимущественно в системе транскетолазных и трансальдолазных реакций окислительного и восстановительного пентозофосфатных путей, а также, у некоторых микроорганизмов, — при участии фосфокетолазы. Фосфоенолпируват образуется в процессе гликолитического распада углеводов и из оксалоацетата, а у ряда организмов — также одностадийно из пирувата. Сначала происходит взаимодействие по типу альдольной конденсации d-эритрозо-4-фосфата и фосфоенолпирувата с образованием семи́углеродного соединения 3-дезокси-d-арабино-гепт-2-улозонат-7-фосфат (ДАГФ, англ. DAHP, множество синонимов). Осуществляющий эту реакцию фермент — ДАГФ-синтаза (КФ 2.5.1.54) — представлен, как правило, несколькими изоформами; известно 2 класса. Далее ДАГФ претерпевает внутримолекулярную альдольную конденсацию (циклизацию), что даёт дегидрохиннат. Реакцию осуществляет фермент 3-дегидрохиннат-синтаза (КФ 4.2.3.4), требующая в качестве кофермента NAD, который участвует в механизме реакции, потому как во время каталитического акта сначала происходит окисление гидроксильной группы при C5-атоме углерода молекулы ДАГФ в карбонильную, а в дальнейшем — восстановление этой карбонильной группы обратно в гидроксильную (механизм, характерный и для других циклаз фосфорилированных углеводов). Считается, что в реакцию ДАГФ вовлекается в полукетальной α-пиранозной форме (на схеме из некоторых соображений приведена только формула открытой кето-формы ДАГФ).

Путь биосинтеза дегидрохинната у эубактерий и эукариот

Описанный путь биосинтеза дегидрохинната характерен для бактерий, эукариот и части архей.

Путь через ADTH

У многих архей (в основном представители типа Euryarchaeota, относимые к классам Archaeoglobi, Halobacteria, Methanomicrobia, Methanobacteria, Methanococci, Methanopyri, а также типа Thaumarchaeota) активность ДАГФ-синтазы не была показана, а при исследовании их геномов не удалось выявить каких-либо ортологов генов ДАГФ-синтазы. Не было обнаружено и ортологов генов известного класса 3-дегидрохиннат-синтазы. Впоследствии выяснилось, что биосинтез дегидрохинната у этих организмов осуществляется другим путём. В экспериментах на Methanocaldococcus jannaschii установлено, что исходными соединениями служат d-глицеральдегид-3-фосфат, дигидроксиацетонфосфат, l-аспартат-4-се́миальдегид. d-Глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат (глицерон-фосфат) образуются в клетке разными путями, в том числе в системе транскетолазных, трансальдолазных реакций и в ходе гликолитического распада углеводов. l-Аспартат-4-семиальдегид, также как и названные триозофосфаты, не является специфическим соединением данного метаболического пути; образуется восстановлением β-карбоксильной группы l-аспартата, является предшественником ряда протеиногенных аминокислот (метионина, треонина, изолейцина, а также лизина в одной из двух известных стратегий его биосинтеза). Отщепление фосфата от d-глицеральдегид-3-фосфата генерирует пирувальдегид (метилглиоксаль), который под влиянием фруктозо-1,6-дифосфат-альдолазы класса I (фермент с достаточно низкой субстратной специфичностью) конденсируется с дигидроксиацетонфосфатом (вступает в реакцию в свободном виде либо в виде других субстратов альдолазы — d-фруктозо-1-фосфата или d-фруктозо-1,6-дифосфата) с образованием 6-дезокси-5-кетофруктозо-1-фосфата (сокр. англ. DKFP). DKFP далее под влиянием другой родственной неспецифической альдолазы (КФ 4.1.2.13 / 2.2.1.10) взаимодействует с l-аспартат-4-семиальдегидом с образованием 2-амино-3,7-дидезокси-d-трео-гепт-6-улозоната (сокр. англ. ADTH, синоним: 2-амино-2,3,7-тридезокси-d-ликсо-гепт-6-улозонат). Последнее соединение окислительно дезаминируется и циклизуется в дегидрохиннат под влиянием NAD-зависимого фермента дегидрохиннат-синтазы-II (КФ 1.4.1.24).

Путь биосинтеза дегидрохинната у большинства архей

Итак, возникающий в результате циклизации шестичленный карбоцикл в дальнейшем подвергается ароматизации (в большинстве случаев).

Дальнейшие превращения дегидрохинната

Дегидрохиннат может обратимо восстанавливаться NAD-, NADP- и PQQ-зависимыми дегидрогеназами в хиннат, роль в биосинтезе ароматических соединений которого обсуждается (у некоторых растений уже выявлен фермент хиннат-гидролиаза, дегидратирующий хиннат в шикимат, что создаёт возможность превращения дегидрохинната в шикимат через хиннат, а не только через дегидрошикимат путём, описанным ниже). Однако строго доказано, что на пути к предшественникам важнейших ароматических соединений если не необходимым, то по крайней мере основным (у всех хорошо изученных в этом отношении организмов) этапом является обратимая дегидратация (фермент: 3-дегидрохиннат-дегидратаза (КФ 4.2.1.10), стереохимия — 1,2-син-элиминирование для ферментов типа I и 1,2-анти-элиминирование в случае ферментов типа II) дегидрохинната в дегидрошикимат. У ряда организмов дегидрошикимат окисляется NADP-зависимой дегидрогеназой в 3,5-дидегидрошикимат или под влиянием 3-дегидрошикимат-дегидратазы (КФ 4.2.1.118) может обратимо дегидратироваться в ароматическое соединение протокатехат (через эти стадии может идти образование галлата, пирокатехина, пирогаллола, флороглюцина, гидроксигидрохинона, прочих фенолов). Но на пути к наиболее важным ароматическим соединениям дегидрошикимат должен претерпеть ряд других химических изменений. Дегидрошикимат обратимо восстанавливается NAD-, NADP- и PQQ-зависимыми дегидрогеназами в шикимат, далее следует необратимая киназная реакция (фермент: шикимат-киназа (КФ 2.7.1.71), макроэргический донор фосфорильной группы — ATP). Образовавшийся шикимат-3-фосфат (фосфошикимат) взаимодействует с фосфоенолпируватом и образуется 5-карбоксивинил-шикимат-3-фосфат (фермент: ЕПШФ-синтаза, англ. EPSP synthase (КФ 2.5.1.19)). Две последние реакции рассматриваются как подготовительные для последующих реакций элиминирования, необходимых для завершения π-электронного секстета бензольного кольца (ароматизации). Необратимая реакция элиминирования фосфат-аниона даёт хоризмат (фермент: хоризмат-синтаза (КФ 4.2.3.5) — флавопротеид, кофактором является FMN_red либо FAD_red, бифункциональные хоризмат-синтазы обладают к тому же NAD_red или NADP_red-зависимой флавин-редуктазной активностью). Стереохимически реакция происходит как 1,4-анти-элиминирование, что предполагает механизм более сложный (предположительно радикальный, принимая во внимание структурные особенности субстрата и характер кофакторов), чем простое синхронное сопряжённое элиминирование, иначе происходило бы нарушение правил орбитальных взаимодействий. В строгом смысле, собственно шикиматный путь образованием хоризмата завершается. От хоризмата расходятся по крайней мере семь путей, ведущих к ароматическим соединениям и родственным им хинонам (в приведённом ниже общем обзоре этих путей отражена основная биосинтетическая роль шикиматного пути).

Шикиматный путь. Дальнейшие превращения дегидрохинната

3-Дегидрохинная кислота

Шикимовая кислота

Хоризмовая кислота

Префеновая кислота

Изохоризмовая кислота

Антраниловая кислота

Хинная кислота

Протокатеховая кислота

пара-
Гидроксибензойная
кислота

ADC

ADIC

Пирогаллол

Галловая кислота

Пирокатехин

Футалозин

↓

П р и м е ч а н и е  к  р и с у н к у: На схеме отмечены различные возможные биохимические превращения, обычно не все из которых реализуются в конкретных организмах. Отмечены наиболее важные биохимические превращения, но разнообразие возможных превращений не ограничивается лишь этими. Хотя некоторые отмеченные на схемах здесь и далее реакции принципиально обратимы (обратимость реакций отмечена в соответствии с KEGG Pathway), равновесие в физиологических условиях может быть практически нацело смещено в определённую сторону, что обусловлено термодинамическими и другими факторами. Каноническая часть шикиматного пути размещена в верхней трети рисунка. Маленькой красной стрелочкой указана та стадия, которую блокирует глифосат (ЕПШФ-синтазная реакция).

В узком смысле шикиматный путь — каскад из 7-ми ферментативных реакций, приводящий к образованию хоризмата — общего предшественника ряда важнейших соединений. Краткая информация по этим реакциям сведена в таблицу, которая вынесена в приложение

Пути, расходящиеся от хоризмата

В живой природе выявлено не менее семи различных путей, расходящихся от хоризмата и приводящих к ароматическим соединениям, а также родственным им хинонам:

• через префенат к фенилаланину, тирозину, фенилпропаноидам и другим соединениям.
• через антранилат к индолу, триптофану и другим соединениям.
• через 2-амино-4-дезоксихоризмат к пигментам и антибиотикам феназинового ряда.
• через 4-амино-4-дезоксихоризмат к пара-аминобензоату, фолату, хлорамфениколу и другим соединениям.
• через пара-гидроксибензоат к убихинону и другим соединениям.
• через изохоризмат к структурным производным нафталина (нафтохинонам), салицилату и другим соединениям.
• через футалозин к нафтохинонам и, возможно, к другим соединениям.

Известны и другие превращения хоризмата, например, присутствующая в его структуре эфирная связь может подвергаться гидролизу. Это путь к алициклическому соединению (1R,3R,4R)-3,4-дигидроксициклогексан-1-карбоксилату (предшественник-стартер в биосинтезе рапамицина, такролимуса, аскомицина и др.). Аналогично может начинаться биосинтез циклогексилкарбонил-КоА (предшественник асукамицина, селамектина, ансатриенина A, ω-циклогексил-жирных кислот и других соединений).

Путь через префенат

Изомеризация хоризмата в префенат происходит в результате [3,3]-сигматропной перегруппировки, по типу напоминающей перегруппировку Кляйзена (в более широком смысле — является перегруппировкой Кляйзена). Эта реакция способна происходить спонтанно (термически), подкисление среды и нагревание ускоряют её. Фермент хоризматмутаза (КФ 5.4.99.5) в физиологических условиях ускоряет реакцию в 2•10⁶ раз.

Реакция дегидратационного декарбоксилирования (механизм — сопряжённое элиминирование) префената приводит к фенилпирувату. Эта реакция способна проходить спонтанно (термически, кислая среда является сильным катализатором), для её ускорения существуют ферменты: специфическая префенатдегидратаза (КФ 4.2.1.51) и неспецифическая карбоксициклогексадиенилдегидратаза (КФ 4.2.1.91). Обратимое переаминирование фенилпирувата приводит к протеиногенной аминокислоте фенилаланину.

Окислительное декарбоксилирование (окислитель — NAD_ox или NADP_ox, ферменты — префенатдегидрогеназы) префената приводит к 4-гидроксифенилпирувату, обратимое переаминирование которого приводит к протеиногенной аминокислоте тирозину.

Известен также путь к фенилаланину и тирозину через арогенат (претирозин). Арогенат получается в результате переаминирования префената. Дегидратационное декарбоксилирование арогената приводит к фенилаланину, а окислительное декарбоксилирование (окислитель — NAD_ox или NADP_ox) арогената приводит к тирозину. У зелёных растений и цианобактерий путь биосинтеза фенилаланина и (или) тирозина через арогенат обычно является преобладающим.

У некоторых организмов (мутанты Neurospora crassa и др.) найдены спиро-арогенат (лактамное производное арогената) и d-префениллактат (восстановленное по карбонилу производное префената), которые также склонны к ароматизации.

У многих организмов, в том числе у животных и человека, есть фермент аэробная тетрагидробиоптерин-зависимая фенилаланин-4-монооксигеназа (синоним: фенилаланин-4-гидроксилаза, КФ 1.14.16.1), осуществляющий однонаправленное гидроксилирование фенилаланина в тирозин.

Пути образования протеиногенных аминокислот фенилаланина и тирозина из префената

Фенилпируват, 4-гидроксифенилпируват, фенилаланин, тирозин и продукты их обмена дают начало огромному множеству различных ароматических соединений (фенилпропаноиды, катехоламины, различные пептиды, многие алкалоиды (изохинолиновые, тропановые, протоалкалоиды), многие гликозиды (кумариновые, большинство известных цианогенных), коферменты PQQ и F420, лигнины, меланины и множество прочих). 4-Гидроксифенилпируват окисляется (с одновременной миграцией и декарбоксилированием кетокарбоксиэтильного заместителя) в гомогентизат, являющийся предшественником токоферолов, пластохинона. Бензоат, пара-гидроксибензоат, салицилат, протокатехат, фанилацетат, гидрохинон могут быть продуктами биодеградации соединений, синтезированных через префенат, помимо чего пара-гидроксибензоат, салицилат и гидрохинон могут быть синтезированы из хоризмата другими путями.

Путь через антранилат

Антранилат синтезируется из хоризмата ферментом антранилатсинтазой (КФ 4.1.3.27). Донором аминогруппы выступает амидный азот глутамина либо аммоний. Антранилат является предшественником индола и протеиногенной аминокислоты триптофана.

Путь биосинтеза протеиногенной аминокислоты триптофана

Три последних названных соединения являются предшественниками очень многих соединений: индольных, хинолиновых, хиназолиновых, акридоновых алкалоидов, бензоксазиноидов и др. К примеру, антранилат служит предшественником так называемых pyo-соединений (структурные производные хинолина, такие, как псевданы и N-меркапто-4-формилкарбостирил), индол — прекурсор индикана, а из триптофана синтезируется антибиотик пирролнитрин. Пирокатехин (катехол) образуется в результате декарбоксилирования протокатехата, а также может быть синтезирован из антранилата, из салицилата.

Путь через антранилат близок к пути через 2-амино-4-дезоксихоризмат; эти пути рассматриваются как самостоятельные, так как антранилат и 2-амино-4-дезоксихоризмат производятся из хоризмата разными ферментами.

Путь через 2-амино-4-дезоксихоризмат

Фермент 2-амино-4-дезоксихоризмат-синтаза (КФ 2.6.1.86) производит из хоризмата 2-амино-4-дезоксихоризмат (2-амино-2-дезоксиизохоризмат, сокр. англ. ADIC), открывая путь к структурным производным феназина. Донором аминогруппы выступает амидный азот глутамина. Далее происходит ферментативный гидролиз эфирной связи 2-амино-4-дезоксихоризмата, что даёт (5S,6S)-6-амино-5-гидроксициклогекса-1,3-диен-1-карбоксилат, который далее под влиянием фермента (КФ 5.3.3.-) изомеризуется в (1R,6S)-6-амино-5-кетоциклогекса-2-ен-1-карбоксилат. Последнее соединение подвергается диагонально-симметричной димеризации — в результате — получается предшественник с предобразованной структурой феназиновых соединений. Результатом дальнейших метаболических превращений этого соединения у бактерий является образование пигментов и антибиотиков феназинового ряда, в том числе незамещённого феназина, жёлтого феназин-карбоксилата, 2-гидроксифеназина, синего нефлуоресцирующего пигмента с антибиотической активностью пиоцианина (Pseudomonas aeruginosa), сафенамицинов, эсмеральдинов (димерные феназины).

Путь биосинтеза феназинового ядра

Различные наборы феназиновых соединений производятся разнообразными бактериями (Pseudomonas, Streptomyces, Nocardia, Sorangium, Brevibacterium, Burkholderia, Erwinia, Vibrio, Pelagiobacter, Brevibacterium, Pantoea agglomerans и др.), среди архей феназиновые соединения найдены у Methanosarcina. Феназиновый оперон (phz-оперон) обычно содержит ген phzC. Этот ген кодирует ДАГФ-синтазу класса II, которая структурно сильно отличается от регулируемых аминокислотами ДАГФ-синтаз, относимых к классу I (прокариотическая ДАГФ-синтаза PhzC структурно ближе к ДАГФ-синтазам высших растений (они также относятся к классу II), чем к прокариотическим ДАГФ-синтазам класса I (AroF, AroG, AroH), которым гомологичны ДАГФ-синтазы дрожжей). Так как phz-оперон содержит отдельный ген с ДАГФ-синтазной функциональностью, то очевидно, что обмен феназинов способен оказывать сильное регуляторное влияние на весь шикиматный путь.

Феназиновые соединения являются структурными производными хиноксалина (бензпиразина). Также, определённые структурные производные хиноксалина могут синтезироваться из триптофана.

Известен флавопротеид (содержит FMN, КФ 1.3.99.24), который окисляет 2-амино-4-дезоксихоризмат в 3-(карбоксивинилокси)-антранилат, включающийся в структуру некоторых ендииновых антибиотиков в процессе их биосинтеза. Прекурсоры ендииновых антибиотиков могут образовываться также и через антранилат.

Путь через 4-амино-4-дезоксихоризмат

Изомерный антранилату пара-аминобензоат синтезируется из хоризмата через 4-амино-4-дезоксихоризмат (сокр. англ. ADC) ферментом пара-аминобензоат-синтазой (КФ 2.6.1.85 + КФ 4.1.3.38). Донором аминогруппы выступает амидный азот глутамина. пара-Аминобензоат является предшественником коферментов ряда фолата (THF, THMPT и др.). пара-Аминобензоат и его метаболические производные являются стартерными единицами в биосинтезе некоторых антибиотиков (кандицидин-D, хачимицины (трихомицин), леворин и др.), остаток пара-аминобензоата входит в состав антибиотиков пликацетин, норпликацетин, амицетин, бамицетин и др. Окислением аминогруппы пара-аминобензоата генерируется пара-нитробензоат, который в составе тиоэфира с коферментом A является предшественником-стартером в биосинтезе ауреотина. Спонтанный или ферментативный гидролиз эфирной связи 4-амино-4-дезоксихоризмата приводит к (3R,4R)-4-амино-3-дигидроксициклогекса-1,5-диен-1-карбоксилату. У некоторых микроорганизмов выявлен фермент, катализирующий аналогичную хоризматмутазной [3,3]-сигматропную перегруппировку 4-амино-4-дезоксихоризмата в 4-амино-4-дезоксипрефенат. Эта реакция составляет этап биосинтеза непротеиногенной аминокислоты пара-аминофенилаланин. пара-Аминофенилаланин — прекурсор нескольких известных антибиотиков, из него образуются 4-(диметиламино)-фенилаланин (остаток входит в структуру некоторых циклических пептидных антибиотиков, например, пристинамицина-IA), пара-нитрофенилсеринол (предшественник хлорамфеникола).

Превращения 4-амино-4-дезоксихоризмата

Путь через пара-гидроксибензоат

Хоризмат-пируват-лиаза (КФ 4.1.3.40) катализирует реакцию элиминирования пирувата из хоризмата, что приводит к пара-гидроксибензоату. Это не единственный способ биосинтеза пара-гидроксибензоата, который может также образовываться из фенилаланина и тирозина через пара-кумарат (растения, животные, многие бактерии). пара-Гидроксибензоат является предшественником убихинона, растительных гликозидов, шиконина и прочих соединений.

Биосинтез убихинона

Путь через изохоризмат

Хоризмат-гидроксимутаза (изохоризмат-синтаза, КФ 5.4.4.2) осуществляет обратимую изомеризацию хоризмата в изохоризмат. Изохоризмат является предшественником салицилата, 2,3-дигидроксибензоата (пирокатехата) (предшественник сидерофорных соединений, таких, как энтеробактины), орто-сукцинилбензоата (предшественник менахинонов, филлохинонов, а также ализарина, лавсона, юглона, люцидина, дунниона, моллугина), множества прочих соединений. Из изохоризмата салицилат синтезируется путём элиминирования пирувата (основной, но не единственный способ биосинтеза салицилата). Известен как перициклический, так и не перициклический механизмы этой реакции, описано оба соответствующих типа ферментативной активности. У некоторых организмов известен фермент (изохоризмат-мутаза), катализирующий [3,3]-сигматропную перегруппировку изохоризмата в изопрефенат. Из изопрефената образуются непротеиногенные аминокислоты мета-карбоксифенилаланин и мета-карбокситирозин — вторичные метаболиты высших растений (Nicotiana silvestris, Iris sp. и др.). Изопрефенат — наиболее вероятный предшественник 3-формилтирозина, найденного у Pseudoalteromonas tunicata.

Превращения изохоризмата

Изохоризмовая кислота

орто-Сукцинилбензойная кислота

Изопрефеновая
кислота

Салициловая кислота

Пирокатеховая кислота

Менахиноны, филлохиноны

Футалозиновый путь

Биоинформатический анализ секвенированных геномов привёл к обнаружению у некоторых прокариот (Streptomyces spp., Helicobacter pylori, Campylobacter jejuni) другого пути от хоризмата к менахинонам. В начале этого пути в ходе ферментативной реакции из хоризмата, инозина (аденозина) и фосфоенолпирувата образуется футалозин (аминодезоксифуталозин).

Биосинтез нафтохинонов через футалозин

При синтезе менахинонов через изохоризмат и по футалозиновому пути наблюдается разный характер включения в структуру групп атомов, составляющих скелеты исходных соединений (в этих путях второй (хиноидный) карбоцикл достраивается к карбоциклу хоризмата с разных сторон).

Неароматические продукты шикиматного пути

Шикиматный путь является специализированным путём биосинтеза ароматических соединений, но может быть рассмотрен как источник ряда неароматических. В основном это соединения, образующиеся из ароматических продуктов шикиматного пути в результате утраты ими ароматичности. Примером может служить диен-изоцианидный антибиотик (продуцирует Trichoderma hamatum), предшественником которого является тирозин:

Схема пути биосинтеза диен-изоцианида из тирозина

Ещё пример: фенилацетат (продукт метаболических превращений фенилпирувата и фенилаланина) — биосинтетический предшественник некоторых структурных производных циклогептана (ω-циклогептил-жирных кислот).

В других случаях бензольные кольца шикиматного происхождения могут утрачивать ароматичность без разрушения или перестройки углеродного скелета. Так, Rhodopseudomonas palustris способен утилизировать ароматические соединения, в частности деароматизует бензоат, в фототрофных анаэробных условиях гидрируя его до циклогекс-1-ен-1-карбоксилата (дальнейшая утилизация последнего способна покрывать потребность клетки в углероде). Цианобактериальный дипептид радиозумин, состоит из модифицированных остатков аминокислот, предположительно являющихся метаболическими производными пара-аминофенилаланина с частично гидрированными кольцами. В то же время установлено, что собственные биосинтетические пути разнообразных неароматических структурных производных ароматических аминокислот, таких как 2,5-дигидрофенилаланин, 2,5-дигидротирозин, тетрагидрофенилаланин, тетрагидротирозин, 2,5-дигидростильбен, 2-карбокси-6-гидроксиоктагидроиндол (структурный компонент цианобактериального пептида эругинозина), антикапсин (предшественник бацилизина), исходят от префената. Известен фермент, префенат-декарбоксилаза, участвующий в синтезе этих соединений и декарбоксилирующий префенат без сопутствующей дегидратации или окисления, что позволяет избежать ароматизации, характерной для более известных метаболических превращений префената. Кетомицин (антибиотик алициклической структуры) также образуется из префената.

Известны также неароматические продукты, синтезируемые из относительно ранних промежуточных неароматических соединений шикиматного пути. В качестве примера таких продуктов можно назвать микоспорины (микоспорин-подобные аминокислоты), которые обнаруживаются в таксономически разнообразных морских, пресноводных и наземных организмах. Один из метаболических путей, приводящих к микоспоринам, ответвляется от шикиматного пути на уровне дегидрохинната. Существование этого пути установлено в экспериментах с аскомицетом Trichothecium roseum. Другой выявленный (цианеи: Nostoc punctiforme, Chlorogloeopsis sp.) путь биосинтеза микоспоринов не использует промежуточные соединения шикиматного пути, но протекает с участием 2-эпи-5-эпи-валиолон-синтазы — гомолога 3-дегидрохиннат-синтазы. Исходным соединением является d-седогептулозо-7-фосфат — центральный метаболит, соединение, имеющее определённые черты структурного сходства с ДАГФ.

Пути биосинтеза микоспоринов

3-Дегидрохинная
кислота

Дезоксигадузол

d-Седогептулозо-7-фосфат
(пиранозная форма)

Микоспорины
(общая формула)

Известны также продукты взаимодействия ароматических продуктов шикиматного пути с неароматическими промежуточными соединениями шикиматного же пути. Так, 5-O-кофеоилшикимат (дактилифрат) и 3-O-кофеоилшикимат (неодактилифрат) представляют собой шикимовую кислоту, у которой C5-гидроксил (или, соответственно, C3-гидроксил) этерифицирован остатком ароматической кофейной кислоты. Известными производными хинната аналогичного строения являются хлорогенат и неохлорогенат.

---

Примеры природных соединений (вторичные метаболиты различных организмов), предшественники которых синтезируются шикиматным путём. Бензольные кольца и алициклические карбоциклы шикиматного происхождения оттенены цветом. Слева направо: верхний ряд — новобиоцин (Streptomyces niveus), грибной (Peniophora gigantea) терфенил, руберитриновая кислота (Rubia tinctorium); нижний ряд — структурная основа гликопептидных антибиотиков ристоцетинового (тейкопланинового) типа (Amycolatopsis lurida, Actinoplanes teichomyceticus), эсмеральдин B (Streptomyces antibioticus), кетомицин (Streptomyces antibioticus), бацилизин (Bacillus subtilis).

---

Термодинамический аспект

Термохимия и кинетика отдельных реакций шикиматного пути хорошо изучены. Проводились специальные термодинамические исследования и расчёты. Ниже — данные по отдельным реакциям.

1). Термодинамика ДАГФ-синтазной реакции

ФЕП(aq) + d-Э4Ф(aq) + H₂O(1) = ДАГФ(aq) + Ф(aq)

(C₃H₂O₆P)³⁻(aq) + (C₄H₇O₇P)²⁻(aq) + H₂O(l) = (C₇H₁₀O₁₀P)³⁻(aq) + (HO₄P)²⁻(aq)

Тепловой эффект реакции (изменение энтальпии системы, молярная энтальпия реакции), измеренный калориметрически при T = 298,15 K, pH = 8,18, I_m = 0,090 моль/кг, Tris + HCl буфер; установившейся кажущейся константе равновесия K′ > 1,4•10³:

Δ_rH_m (cal) = −(67,7 ± 1,5) кДж/моль

Расчётная стандартная молярная энтальпия реакции (T = 298,15 K и I_m = 0):

Δ_rH^ɵ_m = −(70,0 ± 3,0) кДж/моль (~ −17 ккал/моль)

Расчётная стандартная молярная свободная энергия Гиббса реакции (T = 298,15 K и I_m = 0):

Δ_rG^ɵ_m ≈ −39 кДж/моль

Расчётная ($\ K^{\ominus }=e^{-\Delta G_{m}^{\ominus }/RT}$) константа равновесия (T = 298,15 K и I_m = 0):

K^ɵ ≈ 7•10⁶

2). Термодинамика 3-дегидрохиннат-синтазной реакции

ДАГФ(aq) = DHQ(aq) + Ф(aq)

(C₇H₁₀O₁₀P)³⁻(aq) = (C₇H₉O₆)⁻(aq) + (HO₄P)²⁻(aq)

Тепловой эффект реакции, измеренный калориметрически (HEPES + NaOH буфер, T = 298,15 K, pH = 7,46, I_m = 0,070 моль/кг):

Δ_rH_m (cal) = −(50,9 ± 1,1) кДж/моль

Расчётная стандартная молярная энтальпия реакции (T = 298,15 K и I_m = 0):

Δ_rH^ɵ_m = −(51,1 ± 4,5) кДж/моль (~ −12 ккал/моль)

Расчётная константа равновесия (T = 298,15 K и I_m = 0):

K ≈ 2•10¹⁴

3). Термодинамика 3-дегидрохиннат-дегидратазной реакции

DHQ(aq) = DHS(aq) + H₂O(1)

(C₇H₉O₆)⁻(aq) = (C₇H₇O₅)⁻(aq) + H₂O(l)

Тепловой эффект реакции, измеренный калориметрически (HEPES + NaOH буфер, T = 298,15 K, pH = 7,42, I_m = 0,069 моль/кг):

Δ_rH_m (cal) = 2,3 ± 2,3 кДж/моль

Расчётная стандартная молярная энтальпия реакции (T = 298,15 K и I_m = 0):

Δ_rH^ɵ_m = 2,3 ± 2,3 кДж/моль (~ 0,5 ккал/моль)

Расчётная константа равновесия (T = 298,15 K и I_m = 0):

K = 4,6 ± 1,5

4). Термодинамика шикимат-дегидрогеназной реакции

шикимат(aq) + NADP(aq) = дегидрошикимат(aq) + NADPH(aq)

На основе данных спектрофотометрии были получены следующие значения констант равновесия для этой реакции:

K′ = 0,097 (T = 298,15 K, pH = 7,6)

K′ = 0,18 (T = 303,15 K, pH = 7,8, Tris + HCl буфер)

K′ = 0,175 (T = 303,15 K, pH = 7,9, Tris 0,067 моль/дм³ буфер)

K′ = 0,036 (T = 303,15 K, pH = 7,0, Tris + HCl буфер)

K′ = 0,0361 (T = 303,15 K, pH = 7,0, Tris 0,067 моль/дм³ буфер)

8). Термодинамика хоризматмутазной реакции

хоризмат(aq) = префенат(aq)

Рассчитанные (при помощи теории молекулярных орбиталей) значения энергии активации хоризмата в газовой фазе:

Дианионная форма: 277,4 кДж/моль (конформация переходного состояния «кресло»), 282,8 кДж/моль (конформация «ванна»). Протонирование стабилизирует переходные формы: энергия активации для конформации «кресло» и конформации «ванна» диацидной формы принимает значения 247,3 кДж/моль и 248,5 кДж/моль соответственно, в водном растворе может снижаться до 86,6 кДж/моль. Так как различия значений энергии активации незначительны, определить преобладающий путь (через «кресло» или через «ванну») неферментативной конверсии хоризмата в префенат затруднительно. Обладая наибольшим сродством к определённому переходному состоянию, хоризматмутаза использует путь через «кресло».

Тепловой эффект реакции, измеренный калориметрически (T = 298,15 K):

Δ_rH_m (cal) = −(55,4 ± 2,3) кДж/моль (~ −13 ккал/моль)

Полученное при помощи квантовомеханических расчётов значение теплового эффекта (−46,4 кДж/моль) хорошо согласуется с экспериментально измеренным, что является подтверждением как достаточно глубокого понимания природы этой реакции, так и адекватности используемых для расчётов теоретических моделей.

Оценочное значение стандартной молярной энтропии реакции:

Δ_rS^ɵ_m ≈ 3 Дж/моль•К

Расчётная стандартная молярная энергия Гиббса реакции (T = 298,15 K):

Δ_rG^ɵ_m ≈ −56 кДж/моль

Расчётная константа равновесия:

K ≈ 7•10⁹ (для конверсии хоризмат²⁻(aq) в префенат²⁻(aq) при T = 298,15 K). Для всех практических целей эта реакция может считаться необратимой, в то же время на схемах KEGG Pathway реакция помечена как обратимая.

Связь с другими метаболическими путями

Помимо очевидных связей с путями, производящими исходные соединения шикиматного пути, отдельными примерами можно осветить другого рода связи с другими метаболическими путями.

Некоторые соединения могут синтезироваться шикиматным путём, но этот путь для них не является единственным возможным путём биосинтеза.

Так, протокатехат у некоторых организмов может синтезироваться из дегидрошикимата (в основном при его катаболической утилизации). Протокатехат также является типичным метаболитом, образующимся в процессе биодеградации ароматических и гидроароматических соединений самого различного происхождения. К примеру, продукт поликетидного пути 6-метилсалицилат под влиянием 6-метилсалицилат-декарбоксилазы (КФ 4.1.1.52) декарбоксилируется в мета-крезол, который через серию реакций окисления метильной группы NADP-зависимыми дегидрогеназами может давать протокатехат.

Протокатехат является одним из основных промежуточных продуктов биодеградации таких соединений как толуол, ПАУ, бензойная, фталевая и терефталевая кислоты, некоторые азакрасители и другие соединения.

В растениях галлат образуется в реакциях пути шикимовой кислоты, но в грибах это соединение может быть синтезировано поликетидным путём.

Флавоноид кверцетин, как пример соединения смешанного биосинтеза. Обозначения колец: A—C—B.

Другого рода взаимодействие метаболических путей можно отметить при синтезе иногда отдельно выделяемых так называемых соединений смешанного (пути) биосинтеза. В качестве примера таких соединений смешанного биосинтеза можно назвать терпеноидные хиноны, в составе молекул которых легко можно различить циклическую структуру шикиматного происхождения и изопреноидную боковую цепь. В структуре многих природных соединений присутствуют бензольные кольца, синтезированные разными способами, в том числе шикиматным и поликетидным путями. Хорошо известный пример соединений такого типа — флавоноиды, у которых кольцо B — шикиматного происхождения, а кольцо А — формируется поликетидным путём.

Хиннат-шикиматный катаболический путь

Кроме биосинтетического шикиматного пути различают также хиннат-шикиматный катаболический путь (иногда также называемый гидроароматическим путём), ответственный за быструю утилизацию излишних количеств хинной, шикимовой и дегидрошикимовой кислот. Избыточный шикимат и хиннат, которые могут поступать в клетку экзогенно посредством специальных переносчиков, в результате обратимых реакций превращаются в дегидрошикимат, дегидратирующийся далее в протокатехат (эти реакции уже отмечались выше). Протокатехат далее, подвергаясь диоксигеназному орто-расщеплению, деградирует до 3-кетоадипата, который затем распадается на субстраты цикла Кребса (ацетил-CoA, сукцинил-CoA) — так называемый кетоадипатный путь. Подвергаясь же диоксигеназному мета-расщеплению, протокатехат деградирует до пирувата и формиата (менее распространённый путь диссимиляции протокатехата). Индуцибельный хиннат-шикиматный катаболический путь известен у грибов (Neurospora crassa) и бактерий (Corynebacterium glutamicum). Используя хиннат-шикиматный катаболический путь, эти организмы способны расти, потребляя хинную или шикимовую кислоты в качестве единственного источника углерода и энергии.

Гены и ферменты

Краткая информация по ферментам и катализируемым ими реакциям сведена в таблицу, которая вынесена в приложение

Гены прокариот, отвечающие за семь реакций, составляющих путь от d-эритрозо-4-фосфата и фосфоенолпирувата до хоризмата в большинстве случаев имеют название aro-гены (aroA, aroB, aroC, aroD, aroE, aroF, aroG, aroH, aroK, aroL, aroQ, aro1, aroB-1, aroB-2, aroDE, aroKB и некоторые другие). Гены, ответственные за образование фенилаланина и тирозина из хоризмата — phe- и tyr-гены (pheA, pheC, tyrA, tyrAa, tyrB и др.), соответственно, гены биосинтеза триптофана — trp-гены (trpА, trpB, trpC, trpD, trpE, trpF, trpG, trpCF, trpEG, trpGD и др.). Существенное значение для шикиматного пути могут иметь также гены quiA, quiB, qutE, qa-3, ydiB, shiA и некоторые другие. Определённые aro-, phe- и trp- гены не имеют прямого отношения к рассматриваемым здесь биохимическим процессам, но косвенно влияют на них. К примеру, aroP — ген, ответственный за транспорт ароматических аминокислот, pheP — ген, кодирующий фенилаланин-специфичную пермеазу, pheS, pheT, tyrS, trpS — гены соответствующих аминоацил-тРНК-синтетаз (субъединиц в случае фенилаланиновой). Функция генов aroI, aroM (не путать с эукариотическим arom-супергеном) не установлена (по состоянию на сентябрь 1998 года), однако окружение (в том числе предполагаемые регуляторные участки) этих генов позволяет полагать, что они функционально как-то связаны с обменом ароматических соединений. Для генов растений предлагалось название shk-гены.

Гены шикиматного пути широко разбросаны по геному, и следуют в различном порядке даже у достаточно близких видов, как правило, не входят в состав единого регулона (хотя в геномах архей наблюдается тенденция к кластеризации). В геноме архебактерии Halobacterium salinarum гены начальных этапов шикиматного пути (OE1472F — ген-паралог fba2 — фруктозо-1,6-дифосфат-альдолазы класса I и OE1475F — ген дегидрохиннат-синтазы-II) включены в триптофановый оперон. Известны и псевдогены. У не имеющей шикиматного пути лактобактерии Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus ATCC 11842, например, есть псевдогены aroA(pseudo), aroC(pseudo), aroK(pseudo).

У высших растений гены шикиматного пути локализованы в хромосомах ядра и содержат характерные пластидные сигнальные последовательности (кодируют лидерную N-терминальную сигнальную последовательность полипептида), необходимые для транспорта белковых продуктов этих генов в пластиды.

Для полноценного функционирования ферментной системы шикиматного пути нужно присутствие определённого набора кофакторов, в том числе двухзарядных ионов металлов (Mg²⁺, Ca²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ и др.). Отдельные ферменты могут быть требовательны к присутствию в среде определённого иона, другие ионы могут оказывать ингибирующее влияние, в случае других ферментов эти ионы в определённой мере взаимозаменяемы. Ферменты, полученные из разных организмов, а порой и изоферменты одного организма, могут сильно отличаться по отношению к активирующим ионам. Например, дегидрохиннат-синтаза Pyrococcus furiosus проявляет максимальную активность в присутствии Cd²⁺ (в присутствии любого другого иона активность ниже или отсутствует), для дегидрохиннат-синтаз из других источников подобной требовательности к присутствию катионов кадмия не наблюдается.

Практически все описанные ферменты собственно шикиматного пути (7 реакций) являются мономерными, либо представляют собой гомодимерные, гомотетрамерные, гомогексамерные белки с числом активных центров соответствующим числу субъединиц. Среди различных ферментов дальнейших превращений хоризмата встречаются гетеромерные белки. Существуют и охарактеризованы также нековалентные комплексы ферментов (например, ДАГФ-синтаза/хоризматмутаза + шикимат-киназа у Bacillus subtilis).

Fusion

Ферменты шикиматного пути во многих случаях являются многофункциональными. Эти белки — продукты слившихся генов. Среди ферментов шикиматного пути известны следующие бифункциональные белки:

• 3-дегидрохиннат-синтаза/дегидрохиннат-дегидратаза (Rhizopus)
• дегидрохиннат-дегидратаза/шикимат-дегидрогеназа (продукт гена aroDE Chlamydia, Treponema и др.)
• шикимат-киназа/3-дегидрохиннат-синтаза (продукт гена aroKB Escherichia и др.)
• шикимат-киназа/шикимат-дегидрогеназа (Methanoplanus petrolearius и др.)
• шикимат-киназа/ЕПШФ-синтаза (Plasmodium)
• хоризмат-синтаза/флавин-редуктаза (известен у многих аэробных организмов)
• ДАГФ-синтаза/хоризматмутаза (продукт гена aroAG Bacillus subtilis).

Трифункциональные белки:

• 3-дегидрохиннат-синтаза/хоризмат-синтаза/флавин-редуктаза (NADP_red-зависимая) (известен у Bacillus subtilis)

Также хорошо известны многофункциональные белки и среди ферментов дальнейших превращений хоризмата:

• хоризматмутаза/префенатдегидратаза (продукт гена pheA Escherichia и др.)
• хоризматмутаза/префенатдегидрогеназа (продукт гена tyrA Escherichia и др.)
• антранилатсинтаза/антранилат-фосфорибозилтрансфераза (продукт гена trpGD Escherichia, Shigella, Citrobacter, Salmonella, Klebsiella, Enterobacter).
• антранилатсинтаза/индол-3-глицерол-фосфат-синтаза (TRP3)
• антранилатсинтаза/индол-3-глицерол-фосфат-синтаза/фосфорибозилантранилат-изомераза (TRP1)
• индол-3-глицерол-фосфат-синтаза/фосфорибозилантранилат-изомераза (продукт гена trpCF)
• триптофан-синтаза/фосфорибозилантранилат-изомераза (продукт гена trpBF)
• пара-аминобензоат-синтаза/4-амино-4-дезоксихоризмат-лиаза (продукт гена pabBC)
• тетрафункциональный белок PHYLLO (известен у растений, катализирует 4 последовательных реакции, в результате которых из хоризмата синтезируется сукцинилбензоат)
• и др.

Пентафункциональный белок arom

У эукариот (протисты, грибы) известен цитоплазматический пентафункциональный белок arom (продукт arom-супергена), сочетающий в одной полипептидной цепи домены с 3-дегидрохиннат-синтазной (КФ 4.2.3.4), 3-фосфошикимат-1-карбоксивинил-трансферазной (КФ 2.5.1.19), шикимат-киназной (КФ 2.7.1.71), 3-дегидрохиннат-дегидратазной (КФ 4.2.1.10, тип I), и шикимат-дегидрогеназной (КФ 1.1.1.25) активностями (домены перечислены по порядку от N-конца). Таким образом, белок arom осуществляет все пять реакций на пути от ДАГФ к 5-карбоксивинил-шикимат-3-фосфату. Белок arom Rhizoctonia solani (возбудитель корневой гнили сельскохозяйственных растений) состоит из 1618 аминокислотных остатков и имеет массу 173 кДа, в полностью функциональном состоянии помимо других необходимых кофакторов (NAD_ox) содержит два иона цинка Zn²⁺.

Генетическая архитектура

Организация в геномах важнейших модельных организмов (подобраны наиболее эволюционно отдалённые организмы, выбраны наиболее детально изученные штаммы):

Расположение aro-генов в хромосоме (нуклеоид, кольцевая молекула ДНК, 4,6 млн пар нуклеотидов) Escherichia coli K-12 (Escherichia coli str. K-12 substr. MG1655):

aroP (транскрипция: ←, функция: транспорт ароматических аминокислот, положение в хромосоме: 120178..121551, расположение на традиционной карте: 2,6), aroL (→, шикимат-киназа, 406405..406929, 8,7), aroM (→, функция неизвестна, 407428..408105, 8,8), aroG (→, ДАГФ-синтаза, регулируемая фенилаланином, 785633..786685, 16,9), aroA (→, ЕПШФ-синтаза, 958812..960095, 20,7), aroT (—, indole acrylic acid resistant mutants, transport, 28,3), aroD (→, 3-дегидрохиннат-дегидратаза, 1774686..1775444, 38,2), aroH (→, ДАГФ-синтаза, регулируемая триптофаном, 1788435..1789481, 38,5), aroC (←, хоризмат-синтаза, 2446388..2447473, 52,7), aroF (←, ДАГФ-синтаза, регулируемая тирозином, 2740080..2741150, 59,0), aroE (←, дегидрошикимат-редуктаза, 3430020..3430838, 73,9), aroKB (←, шикимат-киназа/3-дегидрохиннат-синтаза, 3517398..3519064, 75,8), aroI (—, функция неизвестна, 84,2).

Расположение генов шикиматного пути в хромосоме (нуклеоид, кольцевая молекула ДНК, 5842795 пар нуклеотидов) Microcystis aeruginosa NIES-843:

ccmA (транскрипция: →, функция: ДАГФ-синтаза, положение в хромосоме: 557559..558614), aroA (→, ЕПШФ-синтаза, 1380521..1381861), aroC (←, хоризмат-синтаза, 1707983..1709083), aroK (→, шикимат-киназа, 1927033..1927605), aroB (→, 3-дегидрохиннат-синтаза, 2361918..2363018), aroQ (←, 3-дегидрохиннат-дегидратаза, 2783501..2783974), aroE (→, шикимат-дегидрогеназа, 3416423..3417283).

Расположение генов шикиматного пути в хромосоме (нуклеоид, линейная или псевдокольцевая молекула ДНК, 9025608 пар нуклеотидов) Streptomyces avermitilis MA-4680:

aroE (функция: шикимат-дегидрогеназа, положение в хромосоме: 2173767..2174642, complement), aroA (ЕПШФ-синтаза, 3800068..3801408), aroG (ДАГФ-синтаза, 7323905..7325257), aroD (дегидрохиннат-дегидратаза, 7538791..7539270), aroE (шикимат-дегидрогеназа, 8180666..8181502), aroC (хоризмат-синтаза, 8181892..8183076), aroK (шикимат-киназа, 8183073..8183588), aroB (3-дегидрохиннат-синтаза, 8183585..8184676).

Расположение генов шикиматного пути в хромосоме (нуклеоид, кольцевая молекула ДНК, 4093599 пар нуклеотидов) Bacillus subtilis BSn5:

BSn5_01775 (транскрипция: ←, функция: ЕПШФ-синтаза, положение в хромосоме: 345012..346298), aroB (←, 3-дегидрохиннат-синтаза, 355073..356161), BSn5_01830 (←, хоризмат-синтаза/флавин-редуктаза, 356161..357333), aroD (←, дегидрохиннат-дегидратаза, 389768..390535), BSn5_02785 (←, дегидрохиннат-дегидратаза, 518894..519340), aroE (←, шикимат-дегидрогеназа, 622722..623564), BSn5_05730 (←, ДАГФ-синтаза/хоризматмутаза, 1053966..1055042), aroK (→, шикимат-киназа, 2554497..2555057).

Расположение генов шикиматного пути в хромосоме (нуклеоид, кольцевая молекула ДНК, 1664970 пар нуклеотидов) Methanocaldococcus jannaschii DSM 2661:

MJ_0246 (транскрипция: ←, функция: хоризматмутаза, положение в хромосоме: 233695..233994), MJ_0400 (→, ortholog fructose-bisphosphate aldolase, 361590..362411), MJ_0502 (→, ЕПШФ-синтаза, 443159..444448), MJ_1084 (aroE) (→, шикимат-дегидрогеназа, 1022757..1023605), MJ_1175 (←, хоризмат-синтаза, 1113783..1114919), MJ_1249 (→, 3-дегидрохиннат-синтаза, 1191364..1192449), MJ_1440 (→, шикимат-киназа (GHMP-kinase superfamily), 1407283..1408131), MJ_1454 (aroD) (←, 3-дегидрохиннат-дегидратаза, 1423963..1424625).

Расположение генов шикиматного пути в хромосоме (нуклеоид, кольцевая молекула ДНК, 1669696 пар нуклеотидов) Aeropyrum pernix K1:

aroC (транскрипция: ←, функция: хоризмат-синтаза, положение в хромосоме: 384859..386001), aroA (←, ЕПШФ-синтаза, 385991..387274), aroK (←, шикимат-киназа (GHMP-kinase superfamily), 387262..388104), aroE (←, шикимат-дегидрогеназа, 388104..388925), aroD (←, дегидрохиннат-дегидратаза, 388922..389590), aroB (←, 3-дегидрохиннат-синтаза, 389597..390673), aroG (←, ДАГФ-синтаза, 390655..391467), aroA (←, ЕПШФ-синтаза, 892465..893724).

Расположение генов шикиматного пути в хромосомах Saccharomyces cerevisiae S288c (гаплоидное число хромосом — 16):

Ген	Продукт (функция)	Хромосома	Размер всей хромосомы (пар нуклеотидов)	Положение гена в хромосоме	Смысловая цепь	Интроны
ARO3	ДАГФ-синтаза	IV	1 531 933	521816..522928		−
ARO4	ДАГФ-синтаза	II	813 184	716882..717994	complement	−
ARO1	Пентафункциональный белок arom	IV	1 531 933	704484..709250		−
ARO2	Хоризмат-синтаза	VII	1 090 940	226399..227529		−
ARO7	Хоризмат-мутаза	XVI	948 066	674861..675631	complement	−

Расположение генов шикиматного пути в хромосомах Populus trichocarpa (гаплоидное число хромосом — 19):

Ген	Продукт (функция)	Хромосома	Размер всей хромосомы (пар нуклеотидов)	Положение гена в хромосоме	Смысловая цепь	Интроны
DHS3	ДАГФ-синтаза	LGII	24 482 572	7115794..7120328		+
DHS1	ДАГФ-синтаза	LGV	17 991 592	1074502..1077390	complement	+
DHS4	ДАГФ-синтаза	LGV	17 991 592	9061181..9065741	complement	+
DHQS6:DHQS7	3-дегидрохиннат-синтаза	… NW_001492764.1			complement	+ (Оба возможных транскрипта)
DHQD1	дегидрохиннат-дегидратаза/шикимат(хиннат)-дегидрогеназа	… NW_001492761.1				+
DHQD2	дегидрохиннат-дегидратаза/шикимат(хиннат)-дегидрогеназа	LGXIII	13 101 108	1974817..1978681	complement	+
DHQD3	дегидрохиннат-дегидратаза/шикимат(хиннат)-дегидрогеназа	LGXIII	13 101 108	1981754..1986754	complement	+
DHQD4	дегидрохиннат-дегидратаза/шикимат(хиннат)-дегидрогеназа	LGX	21 101 489	4580304..4584686		+
DHQD5	дегидрохиннат-дегидратаза/шикимат(хиннат)-дегидрогеназа	LGXIV	14 699 529	6220933..6226210		+
SK1	шикимат-киназа	… NW_001492757.1			complement	+
SK2	шикимат-киназа	LGV	17 991 592	1995576..1998169	complement	+
SK3	шикимат-киназа	LGVII	12 805 987	5135260..5138431	complement	+
SKp	шикимат-киназа	LGII	24 482 572	4138794..4141592	complement	+
EPSPS	ЕПШФ-синтаза	LGII	24 482 572	10940242..10944837		+
CS1	хоризмат-синтаза	LGVIII	16 228 216	2073382..2077810	complement	+
CS2	хоризмат-синтаза	LGX	21 101 489	19004168..19008214		+

Регуляция

Механизмы регуляции шикиматного пути наиболее полно изучены на микроорганизмах. Прокариоты >90 % своих энергетических ресурсов тратят на биосинтез белка, основным выходом шикиматного пути у большинства прокариот являются ароматические протеиногенные аминокислоты. Поэтому у большинства прокариот решающая роль в регуляции шикиматного пути отведена именно трём протеиногенным аминокислотам — фенилаланину, тирозину и триптофану. Внутриклеточные концентрации протеиногенных аминокислот имеют критическое значение и в случае любых других живых организмов. Но в случае растений, например, ароматические аминокислоты нельзя назвать «конечными продуктами», так как из них интенсивно синтезируются вторичные метаболиты, которые могут составлять значительную часть сухой массы. Считается, что у растений шикиматный путь регулируется сложнее и преимущественно на транскрипционном уровне.

Регуляция шикиматного пути осуществляется посредством контроля синтеза ключевых ферментов и путём регуляции активности этих ферментов. Как и в случае большинства других метаболических путей, для шикиматного пути наиболее характерна регуляция самой первой специфической реакции (у большинства организмов — это ДАГФ-синтазная реакция). Репрессию синтеза ДАГФ-синтазы на транскрипционном уровне могут вызывать фенилаланин, тирозин и триптофан.

У большинства микроорганизмов (Escherichia coli, Erwinia, Methylobacillus capsulatus) ДАГФ-синтаза представлена тремя изозимами, каждый из которых подвержен ретроингибированию одной из трёх аминокислот — фенилаланином (ДАГФ-синтаза-[Phe]), тирозином (ДАГФ-синтаза-[Tyr]) и триптофаном (ДАГФ-синтаза-[Trp]). Доминантным ферментом является ДАГФ-синтаза-[Phe], обеспечивающая 80 % активности. У Pseudomonas ДАГФ-синтаза представлена двумя изозимами (ДАГФ-синтаза-[Tyr], ДАГФ-синтаза-[Trp]), доминантным является ДАГФ-синтаза-[Tyr]. У многих микроорганизмов ингибирующую активность помимо трёх аминокислот проявляют также фенилпируват и антранилат.

Фенилаланин, тирозин и триптофан помимо влияния на начальный этап шикиматного пути задействованы также в регуляции более поздних этапов собственного биосинтеза и биосинтеза друг друга. Триптофановый оперон, объединяющий гены ферментов, ответственных за путь от хоризмата к триптофану (триптофановый путь), регулируется триптофаном посредством репрессии, и феномена, получившего название аттенуации. Активность ферментов, кодируемых триптофановым опероном, подвержена регуляции триптофаном по принципу обратной связи.

Помимо триптофанового оперона аттенуация показана также для так называемого фенилаланинового оперона (У Escherichia coli он двухцистронный: pheL-pheA; продукты — PheL — нефункциональный лидерный пептид, PheA — хоризматмутаза/префенатдегидратаза).

Доказано также, что у некоторых организмов значительное регуляторное влияние на ферменты шикиматного пути могут оказывать и продукты шикиматного пути, являющиеся вторичными метаболитами (например, феназиновые соединения у производящих их бактерий).

Конкретные примеры

Системы регуляторных механизмов на примерах конкретных организмов (приведены только основные регуляторные связи):

Escherichia coli

Репрессия. Фенилаланин репрессирует синтез ДАГФ-синтазы-[Phe] и хоризматмутазы/префенатдегидратазы (в экспрессии оперона pheL pheA наблюдается аттенуация, лидерный пептид PheL: MKHIPFFFAFFFTFPstop). Тирозин репрессирует синтез ДАГФ-синтазы-[Tyr] и хоризматмутазы/префенатдегидрогеназы (гены этих ферментов находятся в одном опероне). Триптофан репрессирует синтез ДАГФ-синтазы-[Trp] и ферментов триптофанового оперона.

Ген шикимат-киназы aroL у Escherichia coli подвержен транскрипционному контролю тирозином.

Ингибирование. Фенилаланин аллостерически ингибирует активность ДАГФ-синтазы-[Phe] и хоризматмутазы/префенатдегидратазы. Тирозин аллостерически ингибирует активность ДАГФ-синтазы-[Tyr] и хоризматмутазы/префенатдегидрогеназы. Триптофан аллостерически ингибирует активность ДАГФ-синтазы-[Trp] и антранилатсинтазы/антранилат-фосфорибозилтрансферазы.

Шикимат-дегидрогеназа Escherichia coli аллостерически регулируется шикиматом.

Bacillus subtilis

Репрессия. Фенилаланин и тирозин репрессируют синтез ДАГФ-синтазы/хоризматмутазы. Фенилаланин репрессирует синтез префенатдегидратазы, тирозин — префенатдегидрогеназы, триптофан — ферментов триптофанового оперона.

Индукция. Хоризмат индуцирует синтез ферментов триптофанового оперона.

Ингибирование. Хоризмат и префенат аллостерически ингибируют ДАГФ-синтазную активность ДАГФ-синтазы/хоризматмутазы. Фенилаланин аллостерически ингибирует префенатдегидратазу, тирозин — префенатдегидрогеназу, триптофан — антранилатсинтазу.

Euglena gracilis

У Euglena gracilis реакции шикиматного пути при освещении протекают в хлоропластах, а в отсутствие света — в цитозоле. Это свойство связывают с очевидной рациональностью такой подстройки метаболизма под соответствующие условия освещения (исходные и макроэргические соединения, восстановительные эквиваленты легко образуются в процессе фотосинтеза). За цитозольный и хлоропласт-локализованный варианты шикиматного пути ответственны разные гены и, соответственно, разные изозимы.

Эволюция

Продуктами шикиматного пути являются протеиногенные аминокислоты и предшественники важнейших кофакторов; шикиматный путь достаточно консервативен, выявлен у наиболее эволюционно отдалённых организмов — представителей трёх доменов (бактерии, археи, эукариоты) и, по-видимому, не имеет альтернативы. Эти факты указывают на то, что эта система химических превращений в близком к современному виде сформировалась на заре эволюции более 3 млрд лет назад, а зародилась, вероятно, ещё до становления генетического кода. Факт специфичности для большинства архей иных начальных этапов шикиматного пути, имеющих лишь некоторые черты сходства с начальными этапами шикиматного пути бактерий и эукариот, становится в ряд с множеством других существенных отличительных признаков и согласуется с представлениями об очень раннем эволюционном обособлении этой группы живых организмов.

Гены и белковые продукты этих генов являются эволюционирующими образованиями. Изучение различий в структурах генов и ферментов шикиматного пути, а также различия в его регуляторных механизмах даёт ценную информацию для построения кладограмм. К примеру, изозимный состав ДАГФ-синтазы используется как филогенетический маркер. Заслуживают особого внимания многофункциональные белки — продукты слившихся генов. Слияние генов — относительно редкое эволюционное событие, а слившиеся гены достаточно устойчивы и не склонны к повторному реверсивному обособлению, поэтому слившиеся гены — маркеры, позволяющие уточнить филогенетические взаимоотношения таксонов на различных иерархических уровнях. Для исследователей происхождения и эволюционных взаимоотношений эукариот особенно привлекателен arom-суперген.

Прокариоты

Ферменты, осуществляющие различные реакции шикиматного пути, несмотря на некоторые аналогии в характере высших структур, каких-либо признаков гомологии не обнаруживают и их филогении совершенно различны. Это означает, что эти ферменты произошли в отдельности и эволюционировали в течение очень долгого времени до расхождения доменов Bacteria и Archaea. Это справедливо для ДАГФ-синтазы, дегидрохиннат-синтазы, дегидрохинназы, ЕПШФ-синтазы, хоризмат-синтазы.

Канонический шунт (синтез дегидрохинната через ДАГФ) шире распространён в природе и эволюционно древнее, чем альтернативный вариант шунта (синтез дегидрохинната через ADTH). Последний характерен для большинства архей и возник вместе с расхождением доменов бактерии и археи, путём привлечения древних примитивных ферментов с различными каталитическими функциями. Использование некоторыми филогенетически разнотипными археями пути через ДАГФ, а также обнаружение у некоторых бактерий типично архейного пути через ADTH, объясняется двунаправленным горизонтальным переносом генов, особенно часто имевшим место на ранних этапах эволюции прокариот. Есть некоторые предположения относительно причин, по которым мог возникнуть альтернативный путь биосинтеза дегидрохинната. Это могло произойти по причине малой доступности предшественника — d-эритрозо-4-фосфата (наличие альтернативного пути через ADTH у различных микроорганизмов коррелирует с отсутствием транскетолазы) и/или мог иметь значение фактор энергетической экономии, ведь фосфоенолпируват — макроэрг.

Если нехватка фосфоенолпирувата критична, то ДАГФ-синтазу потенциально могла бы заменить 2-кето-3-дезокси-6-фосфогалактонат-альдолаза (KDPGal-альдолаза). Этот фермент, катализируя обратимое альдольное расщепление 2-кето-3-дезокси-6-фосфогалактоната до пирувата и d-глицеральдегид-3-фосфата, способен катализировать также и аналогичную основной, побочную реакцию — альдольную конденсацию пирувата и d-эритрозо-4-фосфата с образованием ДАГФ. Хотя подобная предполагаемая возможность замены ДАГФ-синтазы KDPGal-альдолазой исследуется в экспериментах по направленной эволюции (ради перспективы получения более эффективных продуцентов), обнаруженные в природе KDPGal-альдолазы в этом отношении слишком малоактивны и не могут функционально полностью заменить ДАГФ-синтазу.

Наиболее убедительным объяснением отсутствия некоторых ферментов у определённых архей является существование негомологичных изофункциональных ферментов. Так, у большинства архей вместо обычной шикимат-киназы присутствует негомологичная ей шикимат-киназа, принадлежащая к надсемейству GHMP-киназ (включает галакто-, гомосерин-, мевалонат- и фосфомевалонат- киназы) и возникшая в результате дупликации какого-то гена с последующим изменением его функции. Некоторые археи всё же имеют обычную шикимат-киназу, однако фрагментарность её таксономического распределения в домене, гетерогенность (встречается как однодоменная форма шикимат-киназы, так и бифункциональная шикимат-киназа/шикимат-дегидрогеназа), говорит о разных филогенетических корнях в пределах домена и о неоднократном горизонтальном приобретении шикимат-киназы от бактерий.

Эукариоты

Представляется вполне вероятным то, что эукариоты унаследовали шикиматный путь (в том числе распространённый только среди эукариот пентафункциональный белок arom) от последнего общего эукариотического предка, затем частью эукариот (Metazoa) шикиматный путь был безвозвратно утрачен в связи с гетеротрофностью, а другой частью (Plantae) он был утрачен и повторно приобретён путём симбиоза с цианобактериями, давшими, как полагают, начало пластидам. Кодирование ферментов шикиматного пути ядерным геномом растений, объясняется эндосимбиотическим переносом генов. Эволюционная история шикиматного пути в грибах, так же как и в растениях, видимо, была под влиянием событий горизонтального переноса прокариотических генов.

Не исключено также, что arom-суперген мог ещё не существовать во времена последнего общего эукариотического предка. В этом случае аrom-суперген, очевидно являясь очень ранней эукариотической инновацией, должен был быть распространён путём горизонтального переноса генов на самых ранних этапах эволюции эукариот.

Родственные метаболические пути

Гомологи ферментов шикиматного пути участвуют в других метаболических процессах (обмен углеводов и синтез вторичных метаболитов). Аминошикиматный путь — этот путь, имеющий значение для синтеза определёнными актиномицетами некоторых вторичных метаболитов (рифамицины, нафтомицины, стрептоварицин, гельданамицин, ансамитоцины, ансатриенины, митомицины и другие), эволюционно произошёл от шикиматного (отдельные ферменты гомологичны ферментам шикиматного пути и осуществляют похожие реакции).

Аминошикиматный путь

Ингибиторы

В процессе изучения шикиматного пути, а также механизмов токсического влияния на живые организмы различных химических факторов, было обнаружено и сконструировано большое количество различных ингибиторов шикиматного пути. Многие из числа этих ингибиторов нашли применение не только в решении важных исследовательских задач, но и в практических приложениях (хороший пример — гербицид глифосат). Весьма разнообразны как структура этих синтетических и полусинтетических соединений, так и характер их влияния на ферментную систему шикиматного пути. В более простых случаях ингибитор подобен (аналог) субстрату или переходному состоянию, и непосредственно ингибирует фермент, конкурентно связываясь с его активным центром. В других случаях соединение вовлекается в путь, и лишь через определённое число шагов продукт биотрансформации соединения вызывает блокировку процесса (например, по причине наличия атома фтора в том месте, где в нормальном субстрате находится принципиально важный на данном этапе атом водорода) — так называемый «летальный синтез». Многие ингибиторы проявляют свою активность только для определённой широты круга организмов; в случае различных организмов характер ингибирующего влияния может существенно различаться. Так, к примеру, у Neurospora crassa добавляемая (6S)-6-фторшикимовая кислота метаболизируется в (6S)-6-фтор-5-енолпирувил-шикимат-3-фосфат, который конкурентно ингибирует хоризмат-синтазу, а у Escherichia coli метаболизм вводимой (6S)-6-фторшикимовой кислоты заходит дальше и образуется 6-фторхоризмат, который не может быть субстратом в синтезе пара-аминобензоата.

Некоторые соединения, блокирующие шикиматный путь или его ответвления в результате непосредственного или опосредованного конкурентного ингибирования определённых ферментов. Пометки: 1 — ингибитор ДАГФ-синтазы, 2 — ингибитор дегидрохиннат-синтазы (аналог полукетальной α-пиранозной формы ДАГФ), 3 — ингибитор дегидрохиннат-дегидратазы (аналоги одного из интермедиатов реакции), 4—6 — ингибиторы ЕПШФ-синтазы (4 — используемый в качестве гербицида глифосат, 5 — трифторметильный аналог переходного состояния, 6 — пример аналога, структура которого упрощена ахиральностью кольца в основе молекулы), 7—11 — фторшикиматные аналоги (9 — (6S)-6-фторшикимовая кислота — на два порядка более сильный антибактериальный агент, чем (6R)-6-фторшикимовая кислота (на рисунке не показана)), 12 — эффективный ингибитор хоризматмутазы (аналог переходного состояния).

Практическое значение

Изучение шикиматного пути, его регуляторных механизмов, а также сопряжённое с этим получение, изучение и отбор различных мутантов, позволило выявить «рычаги управления» и создать качественные штаммы-продуценты ароматических аминокислот и других ценных соединений. В настоящее время микробиологическое производство этих соединений экономически выгоднее, чем их химический синтез.

Шикиматный путь отсутствует у Metazoa, но некоторые патогенные для животных микроорганизмы не способны обходиться без его протекания. Поэтому шикиматный путь — потенциальная цель в борьбе с этими патогенами. In vitro было показано, что фторшикиматные аналоги ((6S)-6-фторшикимовая кислота и др.) тормозят рост Plasmodium falciparum. Разрабатываются антибактериальные препараты, мишенью которых являются ферменты шикиматного пути. К тому же, на основе болезнетворных микроорганизмов, ослабленных блокировкой шикиматного пути, возможно приготовление вакцин.

Конкурентный ингибитор растительной ЕПШФ-синтазы — N-(фосфонометил)-глицин (глифосат) — широко используется в качестве неселективного системного гербицида. Известно, что ЕПШФ-синтазы ряда организмов (штаммы Agrobacterium tumefaciens, Salmonella Typhimurium, Klebsiella pneumoniae и др.) практически не ингибируются глифосатом. Это стало предпосылкой для создания специальных генетически модифицированных культур, достаточно резистентных к действию гербицидов на основе глифосата. Эффективность борьбы с сорняками на посевах таких культур значительно повышается (обычно имеется в виду повышение урожайности, но не снижение расхода глифосата). Установлено, что глифосат может понижать активность ещё двух ферментов шикиматного пути: ДАГФ-синтазы и дегидрохиннат-синтазы, а также оказывать некоторое влияние на активность ещё нескольких ферментов других метаболических процессов.

Интересные факты

Кодоны, кодирующие аминокислоты, относящиеся к семейству шикимата (синтезируемые шикиматным путём), начинаются с U (матричная РНК, 5′→3′). Кодоны фенилаланина — UUU, UUC, кодоны тирозина — UAU, UAC, кодон триптофана — UGG (в митохондриях — ещё и UGA, являющийся в стандартном варианте генетического кода стоп-кодоном). Как правило, аминокислоты, порождаемые одним метаболическим путём, кодируются кодонами с одинаковым нуклеотидом на 5′-конце. Вероятность случайности подобной организации генетического кода достаточно низка, поэтому вполне обоснованны попытки найти объяснение. Указанный факт находит это объяснение в рамках представлений о коэволюции генетического кода и путей биосинтеза аминокислот, ставших протеиногенными аминокислотами.

Прочие факты и аспекты

Американская музыкальная группа из Беллингхэма, «Portals Align», играющая в жанре грув-метал, инструментальная музыка, прогрессивный рок, экспериментальная музыка, джент, в ноябре 2011 года записала музыкальную композицию с названием «Shikimate Pathway», на YouTube был опубликован соответствующий видеоклип. Не менее любопытна также дабстеп-композиция «Shikimat» от «Toneless Bombast». На статичной заставке в клипе различимы нарисованные от руки формулы и надписи, имеющие отношение к шикиматному пути.

См. также

• Ароматичность и ароматизация
• Ароматические соединения
• Поликетиды, Поликетидсинтаза
• en:Aminoshikimate pathway

Наиболее известные бензоидные ароматические продукты других путей:

• Тетрагидроканнабинол — пример природного бензоидного ароматического соединения, биосинтез бензольного ядра которого происходит не шикиматным путём, а поликетидным. Второй карбоцикл (пренильного происхождения) молекулы тетрагидроканнабинола может ароматизоваться с образованием системы бифенила, что даёт молекулу каннабинола.
• Гиперицин — пример природного бензоидного ароматического соединения, образованного путём окислительной конденсации антроновой и антрахиноновой единиц поликетидного происхождения.
• Рибофлавин — важный пример природного бензоидного ароматического соединения, первичный метаболит, биосинтез которого не связан с шикиматным путём. Бензольное ядро рибофлавина строится в две реакции (обе способны происходить спонтанно в относительно мягких условиях) из l-3,4-дигидроксибутан-2-он-4-фосфата (1-дезокси-l-глицеро-тетрулозо-4-фосфата), генерируемого из d-рибулозо-5-фосфата.
• Эстрадиол — пример бензоидного ароматического соединения, биосинтез бензольного ядра которого осуществляется не специализированным шикиматным путём, а в результате ароматизации, спорадически встречающейся среди метаболических превращений биогенных соединений самых различных типов. В метаболизме изопреноидных соединений, к которым относятся и стероиды, известно довольно много реакций ароматизации.

Приложение

Реакции шикиматного пути

№ Субстраты Продукты Фермент Кофакторы Тип реакции Комментарий 1 Фосфоенолпируват + d-эритрозо-4-фосфат + вода → ДАГФ + ортофосфат ДАГФ-синтаза M2+ Альдольная конденсация C4+C3→C7. Лимитирующая стадия 2 ДАГФ → Дегидрохиннат + ортофосфат Дегидрохиннат-синтаза NADox, M2+ Альдольная конденсация Замыкается цикл 3 Дегидрохиннат ⇌ Дегидрошикимат + вода Дегидрохиннат-дегидратаза (дегидрохинназа) Элиминирование (дегидратация) В цикле появляется двойная связь 4 Дегидрошикимат + NADPH + H+ ⇌ Шикимат + NADP+ Шикимат-дегидрогеназа (дегидрошикимат-редуктаза) Восстановление (гидрирование) >C=O→>CH—OH 5 Шикимат + АТФ → Шикимат-3-фосфат + АДФ Шикимат-киназа (M2+) Фосфорилирование (C3)—OH-группа модифицируется 6 Шикимат-3-фосфат + фосфоенолпируват ⇌ ЕПШФ + ортофосфат ЕПШФ-синтаза (M+ или NH4+) Конденсация (C5)—OH-группа модифицируется 7 ЕПШФ → Хоризмат + ортофосфат Хоризмат-синтаза FMNred либо FADred Элиминирование В цикл вводится вторая двойная связь

Биосинтез ароматических аминокислот
Биосинтез фенилаланина и тирозина Субстраты Продукты Фермент Кофакторы Тип реакции Комментарий Хоризмат ⥂ Префенат Хоризматмутаза [3,3]-сигматропная перегруппировка Предобразован фенилпропаноидный скелет Префенат ⥂ Фенилпируват + CO2 + H2O Префенатдегидратаза, арогенат/префенат-дегидратаза Дегидратационное декарбоксилирование Ароматизация Префенат + NAD+ ⥂ 4-Гидроксифенилпируват + CO2 + NADH + H+ Префенатдегидрогеназа Окислительное декарбоксилирование Ароматизация Префенат + α-аминокислота ⇌ Арогенат + α-кетокислота Трансаминазы PLP Переаминирование Фенилпируват + α-аминокислота ⇌ Фенилаланин + α-кетокислота Трансаминазы PLP Переаминирование →Phe 4-Гидроксифенилпируват + α-аминокислота ⇌ Тирозин + α-кетокислота Трансаминазы PLP Переаминирование →Tyr Арогенат → Фенилаланин + CO2 + H2O Префенатдегидратаза, арогенат/префенат-дегидратаза Дегидратационное декарбоксилирование Ароматизация, →Phe Арогенат + NAD(P)+ → Тирозин + CO2 + NAD(P)H + H+ Арогенатдегидрогеназа, циклогексадиен/префенат-дегидрогеназа Окислительное декарбоксилирование Ароматизация, →Tyr Фенилаланин + BH4 + O2 → Тирозин + BH2 + H2O Фенилаланин-4-гидроксилаза Fe2+ Гидроксилирование Phe→Tyr
Биосинтез триптофана Субстраты Продукты Фермент Кофакторы Тип реакции Комментарий Хоризмат + NH3 (или Gln) → Антранилат + пируват + H2O (или Glu) Антранилат-синтаза Mg2+ Ароматизация Антранилат + PRPP ⇌ Фосфорибозилантранилат + пирофосфат Антранилат-фосфорибозилтрансфераза Фосфорибозилирование Нуклеотидоподобный продукт Фосфорибозилантранилат ⇌ Фосфорибулозилантранилат Фосфорибозилантранилат-изомераза Перегруппировка Амадори Изомеризация Фосфорибулозилантранилат ⇌ Индол-глицерол-фосфат + CO2 + H2O Индол-глицерол-фосфат-синтаза Дегидратационное декарбоксилирование, циклизация Замыкается пиррольный цикл, индольное ядро сформировано Индол-глицерол-фосфат ⇌ Индол + глицеральдегид-3-фосфат Триптофан-синтаза PLP Индол + Ser ⇌ Триптофан + H2O →Trp Индол-глицерол-фосфат + Ser ⇌ Триптофан + глицеральдегид-3-фосфат + H2O →Trp

Годы открытия некоторых наиболее важных соединений, являющихся исходными, промежуточными соединениями шикиматного пути, а также продуктами шикиматного пути
Соединение Год Исследователь Фосфоенолпируват 1934 K. Lohmann, O. Meyerhof d-Эритрозо-4-фосфат 1953 B. L. Horecker, P. Z. Smyrniotis	Соединение Год Исследователь ДАГФ 1959 (1958) P. R. Srinivasan, D. B. Sprinson 3-Дегидрохиннат 1952 B. D. Davis, U. Weiss, E. S. Mingioli 3-Дегидрошикимат 1951 B. D. Davis, I. I. Salamon Шикимат 1885 (1884) J. F. Eykman Фосфошикимат 1953 B. D. Davis, E. S. Mingioli, U. Weiss ЕПШФ 1960 (1953) J. G. Levin, D. B. Sprinson, M. J. Clark Хоризмат 1962 Frank Gibson, Lloyd Jackman	Соединение Год Исследователь Префенат 1954 B. D. Davis, U. Weiss и др. Арогенат 1974 S. L. Stenmark и др. Антранилат 1840 Ю. Ф. Фрицше Фенилаланин 1881 (1879) Э. Шульце, Й. Барбьери Тирозин 1846 Юстус фон Либих Триптофан 1902 (1901) Ф. Гопкинс, Д. Кол

Литература

1. Бартон Д., Оллис У. Д., Хаслам Э. (ред.). Общая органическая химия = Comprehensive organic chemistry / Перевод с английского под ред. Н. К. Кочеткова. — М.: «Химия», 1986. — Т. 11 (Липиды, углеводы, макромолекулы, биосинтез). — С. 685—724. — 736 с.
2. Мецлер Д. Биохимия. Химические реакции в живой клетке = Biochemistry. The chemical reactions of living cells / Перевод с английского под ред. акад. А. Е. Браунштейна, д-ра хим. наук Л. М. Гинодмана, д-ра хим. наук Е. С. Северина. — М.: «Мир», 1980. — Т. 3. — 488 с. — 25 000 экз.

Теме шикиматного пути посвящён ряд обзорных публикаций:

1. Ronald Bentley. The shikimate pathway — a metabolic tree with many branches (англ.) // Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology : Научный журнал. — 1990. — Vol. 25, no. 5. — P. 307—384. — doi:10.3109/10409239009090615. — PMID 2279393.
2. Paul M. Dewick. The Shikimate Pathway: Aromatic Amino Acids and Phenylpropanoids // Medicinal Natural Products: A Biosynthetic Approach. — 3rd edition. — 2009. — P. 137—186. — 539 p.
3. Klaus M. Herrmann, Lisa M. Weaver. THE SHIKIMATE PATHWAY (англ.) // Plant Physiology : Научный журнал. — American Society of Plant Biologists, 1999. — Vol. 50. — P. 473—503. — doi:10.1146/annurev.arplant.50.1.473. — PMID 15012217.

Монография:

1. Edwin Haslam. The Shikimate Pathway. — first editions. — London: Butterworths, 1974. — 316 p. — (Biosythesis of natural products series). — ISBN 0-470-35882-3.

Отчёт по симпозиуму, прошедшему 12—16 июня 1985 в Asilomar Conference Center, Пасифик Гров, Калифорния, США (главный редактор Eric E. Conn):

1. Heinz G. Floss. The Shikimate Pathway — An Overview (англ.) // Recent Advances in Phytochemistry : Научный журнал. — 1986. — Vol. 20. — P. 13—55. — doi:10.1007/978-1-4684-8056-6_2.

Ссылки

• Phenylalanine, tyrosine and tryptophan biosynthesis — Reference pathway (англ.). KEGG. Дата обращения: 29 апреля 2013. Архивировано 12 мая 2013 года.
• Aromatic Compounds Biosynthesis (англ.). MetaCyc. Дата обращения: 6 мая 2013. Архивировано 12 мая 2013 года.
• Shikimate and Chorismate Biosynthesis (англ.). IUBMB. Дата обращения: 6 мая 2013. Архивировано 12 мая 2013 года.
• SKPDB (ShiKimate Pathway DataBase) (англ.). Дата обращения: 6 мая 2013. Архивировано 12 мая 2013 года.
• Как осуществляется биосинтез фенольных соединений?  (неопр.) PharmSpravka.ru. Дата обращения: 6 мая 2013.
• Биосинтез фенольных соединений  (неопр.). Дата обращения: 6 мая 2013.
• The Shikimic Acid Pathway (англ.). Plant Physiology (online). Дата обращения: 6 мая 2013. Архивировано 12 мая 2013 года.
• Shikimisäure-Weg (нем.). Spektrum der Wissenschaft. Дата обращения: 21 июля 2014.
• Chorismate Is a Key Intermediate in the Synthesis of Tryptophan, Phenylalanine, and Tyrosine (англ.). Principles of Biochemistry (online). Дата обращения: 6 мая 2013. Архивировано 12 мая 2013 года.

Видео-лекция (англ.): 1 2 3 4 5