Биосинтез алкалоидов. 
Биохимия растений: вторичный обмен

Биосинтез алкалоидов изучен в значительно меньшей степени, чем биосинтез других соединений. Это связано с тем, что данная группа сборная. В отличие от изопреноидов, биосинтез которых идет от одного общего предшественника, при изучении биосинтеза алкалоидов приходится сталкиваться с большим разнообразием исходных соединений. К тому же алкалоиды далее всех других классов природных соединений отстоят от начальных биосинтетических путей (реакции фотосинтеза) [см.: 7, с. 253].

Проблема биосинтеза алкалоидов начала успешно разрабатываться только с появлением изотопной техники. К настоящему времени определены первичные предшественники большого числа алкалоидов и расшифрованы основные ключевые этапы образования наиболее распространенных структурных типов этих соединений.

Несмотря на исключительное многообразие алкалоидов, образование их происходит за счет одних и тех же первичных предшественников через сходные промежуточные реакции. Основу их строения составляет относительно небольшое число структурных элементов. Исследование путей их образования является основополагающей задачей, решение которой необходимо для глубокого понимания процессов биосинтеза этого класса вторичных метаболитов.

Биогенетическими предшественниками большинства алкалоидов являются аминокислоты: орнитин, лизин, фенилаланин, тирозин, триптофан, гистидин, аспарагиновая кислота и антраниловая кислота. Все эти аминокислоты, кроме антраниловой кислоты, являются протеиногенными. Никотиновая кислота может быть синтезирована из триптофана или аспарагиновой кислоты.

Основными реакциями при биосинтезе подавляющего числа алкалоидов являются декарбоксилирование и окислительное дезаминирование или переаминирование аминокислот и диаминов, первичное метилирование, трансметилированис, а также циклизация алифатических соединений-предшественников до гетерои карбоциклических структур.

Особую роль в образовании алкалоидов играют реакции метилирования. Оно часто происходит на стадии ациклического соединения и предшествует циклизации, направляя ее. Метальные группы, введенные в молекулу алкалоида, стабилизируют ее. Кроме того, метилированные аналоги менее токсичны, чем алкалоиды, не имеющие метальных групп [см.: 4, с. 209]. В молекулах алкалоидов метилироваться могут кислород и азот, образуя группы —ОСН₃ и =N—СН₃. Метальные группы переносятся с помощью ферментов метилтрансфераз.

Реакции циклизации, имеющие при образовании алкалоидов универсальное значение, очень разнообразны и могут совершаться через азометин с образованием основания Шиффа, по типу конденсации Манниха, путем альдольной конденсации, через форму лактамиой связи и т. д. [см.: 13, с. 82].

Ниже представлены наиболее характерные реакции, участвующие в биосинтезе различных классов алкалоидов.

Основания Шиффа могут быть получены в результате реакции аминов с кетонами или альдегидами. Данная реакция является распространенным способом формирования C=N связи. При биосинтезе алкалоидов реакция образования основания может проходить также внутримолекулярно: например, при синтезе пиперидиновых алкалоидов (рис. 10).

Рис. 10. Образование оснований Шиффа [см.: 7, с. 254].

Рис. 11. Реакция Манниха [см.: 7, с. 254].

В реакции Манниха (рис. 11), помимо амина и карбонильного соединения, участвует также карбанион, играющий роль нуклеофила в процессе присоединения к иону, образованному взаимодействием амина и карбонильного соединения.

Реакция Манниха также может осуществляться как межмолекулярно, так и внутримолекулярно (см. рис. 11). Примером внутримолекулярной реакции Манниха служит синтез пирролизидинового ядра.

Разновидностью внутримолекулярной реакции Манниха является реакция Пикте — Шпенглера — циклизация шиффовых оснований, образованных из Р-фенилэтиламинов с образованием системы тетрагидроизохинолина.

Процессы циклизации, ведущие к замыканию алифатических соединений-предшественников в гетероциклы на первых этапах биосинтеза алкалоидов, на последующих этапах в подавляющем большинстве случаев дополняются процессами конденсации, в ходе которых отдельные кольца, соединяясь друг с другом, образуют более сложные фигуры [см.: 13, с. 83].

При биосинтезе алкалоидов постоянно происходит образование активных центров, которые способны присоединять к себе как отдельные фрагменты алифатических молекул, так и замкнутые гетероциклы. Возникновение этих центров может быть связано не только с декарбоксилированием, но также с отщеплением других функциональных групп.

В ряде случаев образование алкалоидов сопряжено с расщеплением (размыканием) циклических структур, наступающим в результате разрыва С—С, С—N или С—О связей. Широко известна, например, реакция окислительного расщепления ароматических колец по соседству с фенольной группировкой, которая имеет место при биосинтезе индольных алкалоидов.

Помимо циклизации и конденсации, усложнение углеродного скелета алкалоидов достигается также в ходе внутримолекулярных перегруппировок, при которых происходит не только разрыв, но и образование новых С—С и С—N-связей. Ограниченное число вариантов циклизации и внутримолекулярных перегруппировок при биосинтезе алкалоидов, как правило, сочетается с различными вариантами локализации функциональных групп в составе их молекул, что, в свою очередь, также обусловливает многообразие структурных типов этих соединений.

Таким образом, на первых этапах биосинтеза алкалоидов, когда предшественник имеет ациклическое строение, осуществляются реакции, характерные для обмена аминокислот: дезаминирование, переаминирование, декарбоксилирование. Далее происходит циклизация, а затем конденсация.

Первичными предшественниками алкалоидов являются аминокислоты или родственные им диамины. Вместе с тем единые на первых этапах пути биосинтеза различных азотистых соединений расходятся на заключительных этапах. У растений имеется значительно больший, по сравнению с животными тканями, набор ферментов, функционирующих на заключительных стадиях биогенеза. Именно это в конечном счете и является причиной исключительного многообразия органических форм азота (в том числе и алкалоидной природы), которое отличает растительный мир от животного.

На примере алкалоидов впервые расшифрован биосинтез пиридинового кольца и показано, что его образование у растений происходит иначе, чем у человека, животных и большинства микроорганизмов. Поскольку пиридиновое кольцо в качестве основной структурной единицы, помимо алкалоидов, входит в состав важнейших коферментов, связанных с основными звеньями обмена растительной клетки, решение этого вопроса представляет значительный общебиологический интерес [см.: 13, с. 86].

Алкалоиды накапливаются, как правило, в вакуолях. В периплазматическое пространство алкалоиды практически не поступают. Возможно, это является следствием «бережного отношения» растения к азотсодержащим соединениям. Транспорт алкалоидов в вакуоли проходит, видимо, с участием специфичных переносчиков. Во всяком случае, в ряде экспериментов показано, что в изолированные вакуоли эффективно поступают только «собственные» алкалоиды, т. е. характерные для данного растения. В вакуолях алкалоиды обычно находятся в виде солей. Синтез алкалоидов проходит в пластидах либо в цитозоле или эндоплазматическом ретикулуме.