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biosintesis
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Ruta del Shikimato
Es la ruta más importante en la mayoría de los organismos autótrofos ya que
convierte precursores básicos de la glucólisis y de la ruta de las pentosas fosfato
en aminoácidos aromáticos (L-fenilalanina, L-tirosina y L-triptófano), así como
ubiquinona, plastoquinonas, tocoferoles, vitamina K, entre otros. Esta ruta es
empleada por microorganismos y plantas, pero no por animales ya que son
incapaces de sintetizar los sistemas de anillos de aminoácidos aromáticos, y en
consecuencia los aminoácidos aromáticos que se encuentran entre los
aminoácidos esenciales para el hombre deben obtenerse de la dieta.
La ruta del shikimato fue identificada a través del estudio de la inducción de luz
ultravioleta en mutantes de E. coli, Aerobacter aerogenes, y Neurospora. En 1950,
se utilizó la técnica de enriquecimiento de la penicilina, Davis obtuvo unas series
de mutantes de E. coli que no podían crecer sin la adición de sustancias
aromáticas. Un número de mutantes requerían cinco compuestos: tirosina,
fenilalanina, triptófano, ácido p-aminobenzoico y una traza de ácido p-4-
hidroxibenzoico. Se encontró que los requerimientos para todos estos cinco
compuestos podrían satisfacerse mediante la adición de ácido shikímico, un
compuesto alifático que fue considerado como un ácido de plantas raras, fue
aislado de plantas de la especie illicium (japonés “shikimi”).
Así, el shikimato fue implicado como un intermediario en la biosíntesis de los tres
aminoácidos aromáticos y de otras sustancias aromáticas esenciales. El ácido
shikímico también es un compuesto de síntesis muy importante en la industria
farmacéutica (Fig.1.). Una de las fuentes más importantes para obtenerlo es el
anís estrellado chino (Illicium verum) fam. Iliciáceas.
Reacciones
Los precursores, que son, D-eritrosa 4-fostafo y fosfoenolpiruvato (PEP) se
combinan para formar 3-desoxi-D-arabinoheptulosonato 7-fosfato (DAHP), una
reacción catalizada por la DAHP sintasa. La enzima, 3-deshidroquinato sintasa,
cataliza la ciclación de DAHP a ácido 3-deshidroquinico, la enzima requiere Co+2 y
NAD+ como cofactores.
La vía del ácido shikímico contiene varios puntos de ramificación, el primero de
ellos, el ácido 3-deshidroquímico, que sigue la vía, o al ácido quínico. Después de
la fosforilación que da lugar al ácido shikímico 3-fosfato catalizada por la shikimato
quinasa, el ácido shikímico se añade sobre el fosfoenolpiruvato (PEP) para formar
ácido 3-fosfato 5-enolpiruvilshikimico, esta reacción es catalizada por la
5-enolpiruvilshikimato 3-fosfato sintasa, mientras que la conversión a ácido
corísmico es catalizada por la corismato sintasa (Fig.2.) La formación del ácido
corísmico es un importante punto de ramificación en la vía del ácido shikímico ya
que este compuesto puede someterse a cuatro tipos diferentes de conversión
(Fig.3.). En la presencia de glutamina, el ácido corísmico es convertido a ácido
antranílico, mientras la corismato mutasa cataliza la formación de ácido prefénico.
El ácido corísmico es también convertido en ácido p-aminobenzoico y en ácido
4-hidroxibenzoico.
El ácido antranílico es convertido primero a ácido fosforibosilantranílico y después
a carboxifenilaminodeoxiribulosa-5-fosfato, esta reacción es catalizada por la
antranilato fosforibosil transferasa y fosforibosil antranilato isomerasa,
respectivamente. El cierre del anillo para formar indol-3-glicerol fosfato es
catalizada por la indolglicerol fosfato sintasa. El enzima que cataliza la reacción
final es, el triptófano sintasa que consiste en dos componentes: componente A,
cataliza la disociación de indolglicerol fosfato a indol y gliceraldehído 3-fosfato,
mientras que el componente B cataliza la condensación directa de indol con serina
para formar triptófano (Fig.4.).
La tirosina y la fenilalanina son ambas biosintetizadas del ácido prefénico, pero por
vías independientes. En la formación de tirosina, el ácido prefénico es primero
aromatizado a ácido 4-hidroxifenilpiruvico, una reacción catalizada por la prefenato
deshidrogenasa, luego ocurre una transaminación, catalizada por la tirosina o
4-hidroxifenilpiruvato aminotransferasa y finalmente se obtiene el aminoácido L-
Tirosina. La biosíntesis de fenilalanina implica primero la aromatización del ácido
prefénico a ácido fenilpirúvico, una reacción catalizada por la prefenato
deshidratasa, y luego una transaminación catalizada por la fenilalanina o
fenilpiruvato aminotransferasa, entonces obtenemos fenilalanina (Fig.5.).
Fig.1. Estructura del ácido shikímico y los frutos del anís de estrella chino (Illicium verum)
HPO
OHOH
O
O CH2
CO2H
P
PEP
D-eritrosa 4-fosfato
+PO
OHOH
OH
H
CO2H
O
OH
OHOH
H
CO2H
O
CO2HOH
OH
OH
O
Ácido 3- deshidroquínico
CO2HOH
OH
OHOH
Ácido quínico
CO2H
OH
OHO3H2PO
Ácido shikímico
CO2H
OH
OHOH
Ácido shikímico
CO2H
OH
OHO3H2PO
Ácido shikímico 3-fosfato
Ácido 3-fosfato 5- enolpiruvilshikím ico (EPSP)
CO2H
O
OHO3H2PO
CH2
COOH
Corism ato
CO2H
O
OH
CH2
COOH
3-desoxi-D-arabinoheptulosonato 7-fosfato (DAHP)
a
H+
d
H2O
b H+
e
NADPH
c
PiPi
NAD+, Co+2
Pi PEP
f
ATP ADP
g
Enzimas:
a) DAHP sintasa. b) 3- deshidroquinato sintasa.c) Quinatodeshidrogenasa (NADPH+). d) 3- deshidrogenato deshidratasa. e) Shikimato deshidroquinasa.f) Shikimato quinasa.g) 5-enolpiruvilshikimato 3-fosfato sintasa.h) Corismato sintasa.
Fig. 2. Ruta del shikimato. La ruta inicia con la condensación de la D-eritrosa 4-fosfato y el fosfoenol piruvato (PEP) y termina con la síntesis del Corismato.
hPi
L-Gln
a
L-Gln
CO2H
OH
O CO2H
CH2
Ácido corísm ico
CO2H
O CO2H
CH2
NH2
Ácido 2-am ino-2desoxicorísm ico
Ácido antranílico
CO2H
NH2
Ácido prefénico
HO2C
OH
O
CO2H
Ácido 4-hidroxibenzoico
CO2H
OH
Ácido 4-am ino-4-desoxicorísm ico
CO2H
NH2
O CO2H
CH2
Ácido p-am inobenzoico (PABA)
CO2H
NH2
b
:OH2
H+
c
d
e
PLPf
Ubiquinonas
Enzimas:
a) 2-amino-2-desoxiisocorismato sintasa.b) 2-amino-2desoxiisocorismato liasa.c) Corismato mutasad) Corismato liasa. e) 4-amino-4-desoxicorismato sintasa.f) 4-amino-4-desoxicorismato liasa.
Fig.3. Síntesis de compuestos derivados del ácido corísmico. (corismato).
Piruvato
Ácido antranílico
CO2H
NH2
Ácido fosforibosilantranílico
O
OH OH
O3H2PO NH
HO2C
Ácido carboxifenilam inodeoxiribulosa 5-fosfato
O3H2PO
OH
OH
NH
OHHO2C
indol 3-glierol fosfato
NH
OH
OH
O3H2PO
Indol
NH
Triptófano
O
NH2NH
OH
Pirofosfato de fosforibosilo+
a
PPi
b
CO2
H2O
Gliceraldehído 3-fosfato
c
L-Serina H2O
d
Alcaloides Pigmentos Hormonas
Fig.4. Síntesis del triptófano a partir del ácido antranílico.
Enzimas:
a) Antranilato fosforibosil transferasa.b) Fosforibosil antranilato isomerasa. c) Indolglicerol fosfato sintasa.d) Triptófano sintasa.
H+OH
O
CO2HO
O
H
Ácido prefénico Ácido fenilp irúvico
O
CO2H
Ácido 4-hidroxifenilp irúvico
O
CO2H
OH
L- T irosina
O
NH2OH
OH
L- Fenilalanina
O
NH2
OH
Ácido cinám ico
O
OH
Ácido 4-coum árico
O
OH
OH
a c
NAD+, [O]
bAAPLP
AAPLP
d
e f
g
NH3NH3
NADPH, O2
Fig.5. Síntesis de los aminoácidos L-Tirosina y L-Fenilalanina.
Enzimas:
a) Prefenato deshidrogenasa.b) Tirosina o 4-hidroxifenilpiruvato aminotransferasa. c) Prefenato deshidratasa.d) Fenilalanina o fenilpiruvato aminotransferasa.e) Cinamato 4-hidroxilasa.f) Fenilalanina amoniaco liasa (PAL).g) Tirosina amoniaco liasa (TAL).
Cumarinas Fenilpropenos Ácidos, aldehídos y
alcoholes cinámicos Lignanos y ligninas Benzaldehídos Flavanonas y
dihidroflavonoles
Biosíntesis de isoprenoides
Los isoprenoides, terpenos o terpenoides son un grupo muy numeroso, y de gran
importancia, de compuestos que participan del metabolismo tanto primario como
secundario de plantas y de otros organismos eucariotas, como hongos y animales,
y de bacterias. Desde un punto de vista químico se clasifican como lípidos
insaponificables que derivan del isopreno (metilbutadieno). El nombre de terpenos
surge de ser muy abundantes en el árbol de la trementina (Pistacia terebinthus)
conocida como turpen oil por su riqueza en aceites usados como disolventes.
La nomenclatura de las principales clases refleja el número de unidades
isoprenoides: Hemiterpenos: 1 unidad de isopreno (5 C), Monoterpenos: 2
unidades de isopreno (10 C), Sesquiterpenos: 3 unidades de isopreno (15 C),
Diterpenos: 4 unidades (20 C), Triterpenos: 6 unidades (30 C), Tetraterpenos: 8
unidades (40 C), Politerpenos: 10 o más unidades
El número de metabolitos encontrados en una especie puede ser muy superior al
de los genes involucrados en su biosíntesis. La biosíntesis de terpenoides es un
ejemplo de esto, ya que permite producir muchos compuestos distintos con un
número de genes relativamente pequeño. Contribuye a ello la estructura modular
de los terpenoides, cuyo esqueleto se fabrica con un cierto número de repeticiones
de una molécula de cinco átomos de carbono, el pirofosfato de isopentenilo (IPP),
y la maleabilidad de los productos primarios, que admiten multitud de
modificaciones, algunas de ellas espontáneas y otras catalizadas por enzimas de
especificidad limitada, que les permite actuar sobre distintos sustratos y no
necesariamente en un orden fijo.
El IPP puede ser sintetizado por dos rutas diferentes. La ruta del mevalonato
(MVA) de la que derivan los isoprenoides mitocondriales y citosólicos (ubiquinona,
esteroles, citoquininas y brasinosteroides) que parte de Acetil-CoA y que tiene
lugar en el citosol y/o en el retículo endoplasmático, y la ruta alternativa que
consiste en la condensación de gliceraldehído-3-fosfato e hidroxietilamina,
producto de la desacrboxilación del piruvato. Esta última vía, independiente de
MVA, que ha sido encontrada en eubacterias y en cloroplastos de algas y de
plantas superiores, pero no en hongos ni en animales, produce el IPP plastídico y
sus derivados isoprenoides: carotenoides, monoterpenos, la cadena lateral de las
clorofilas, plastoquinona y tocoferoles, y las hormonas giberelinas y ácido
abscísico.
Ruta del Mevalonato (citosólica): El mevalonato procede de tres moléculas de
Acetil-CoA. Una de ellas y el acetoacetil-CoA formado por las otras dos se
convierten en 3-hidroxi-3- metilglutaril CoA (HMG-CoA) que se reduce a
mevalonato. La conversión de MVA en IPP ocurre en tres pasos que requieren
cada uno un mol de ATP por mol de sustrato. El mevalonato sufre dos
fosforilaciones sucesivas, con la participación de ATP, y una descarboxilación para
convertirse en IPP, la primera unidad de isopreno.
Ruta alternativa (plastídica): Se inicia con la producción de 1-desoxi-D-xilulosa-5
fosfato (DXP) a partir de Gliceraldehído -3-fosfato e hidroximetil tiamina derivada
del piruvato, mediante una condensación catalizada por la DXP sintasa. Luego se
produce 2-MetilEritritol-4-fosfato mediante un reordenamiento intramolecular y
reducción del DXP. Esta molécula mediante numerosos cambios catalizados por
diferentes enzimas origina una mezcla de IPP y DMAPP (dimetil-alil-pirofosfato).
En ambas rutas, el IPP es convertido en DMAPP por acción de la IPP isomerasa y
la unión de una molécula de IPP con su isómero (DMAPP) forma una molécula de
diez átomos de carbono, el pirofosfato de geranilo y posteriores adiciones de IPP
dan lugar a moléculas de quince (el pirofosfato de farnesilo) y de veinte (el
pirofosfato de gernilgeranilo) átomos de carbono, mediante reacciones catalizadas
por prenil-transferasas. La adición sucesiva de IPP produce terpenoides de varios
tamaños, como el pirofosfato de solanesilo, C45, que es el precursor de la cadena
lateral de la ubiquinona Q9 de Phycomyces.
Referencias
Metzler, D. Biochemistry: Volume 1, 1ª Ed,; Elsevier Science: Estados Unidos (USA), 2003; pp 1421-1428.
Shah, B.; Seth, A. Textbook of Pharmacognosy and Phytochemistry, 1ª Ed.; Elsevier Science: Estados Unidos (USA), 2010; pp Chapter 13.
Haslam, E. The Shikimate Pathway: Biosynthesis of Natural Products Series, 1ª Ed.; Butterworth y Co (Publishers): Inglaterra, 1974; pp 49-59.
Dewick, P. Medicinal Natural Products: A Biosynthetic Approach, 2ª Ed.; Jhon Willey and Sons, LTD: Inglaterra, 2002; pp 121-125.
Shigh, B. Plant Amino Acids: Biochemistry and Biotechnology, 1ª Ed.; Marcel Dekker, Inc.: Estados Unidos (USA), 1999; pp 147-159.
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