Sinh tổng hợp Terpen

SINH SINH TO TO ÅÅ Å NG NG H H ỢÏ Ợ P P TERPEN TERPEN Nghiên cứu cho thấy, sự sinh tổng hợp sesquiterpen đi ngang qua sự sinh tổng hợp monoterpen. Hiện nay người ta đã xác định được tiền chất của monoterpen là pirophosphat isopentenil (IPP). Các IPP này được sinh tổng hợp từ acid mevalonic. Acid mevalonic (MVA) được tạo thành từ acid acetic trong các mô của sinh vật. Cơ chế bao gồm sự súc hợp của 2 phân tử acetil CoA tạo ra acetoacetil CoA (CoA: coenzym A, chất chuyên chở các nhóm acetil hoạt động). Sau đó acetoacetil CoA súc hợp với một phân tử acetil CoA nữa và tạo ra -hidroxi-- metilglutaril CoA. Sau đó chất này sẽ được hoàn nguyên hai lần liên tiếp với sự tham gia của phosphat nicotinamid adenin dinucleotid (NADPH). Kết quả là nhóm carboxil có mang CoA sẽ bị chuyễn hóa thành acol nhất. Acid 3R-(+)-mevalonic khi tạo thành sẽ không chuyễn hóa ngược lại. HOOC OH H3C OH Acid 3R-(+)-mevalonic Sơ đồ sự chuyển hóa có thể trình bày như sau: 2CH3CO SCoA CH3COCH2CO SCoA + CoA SH Acetil CoA Acetoacetil CoA CH3CO SCoA C CH2 COOH CH3 OH CH2 CO SCoA + CoA SH NADPH C CH2 COOH CH3 OH CH2 CH SCoA OH NADPH C CH2 COOH CH3 OH CH2 CH2 OH Acid mevalonic Sau đó acid mevalonic được phosphoril hóa liên tiếp qua hai giai đoạn. Cả hai giai đoạn đều có sự tham gia của phosphat adenosil (ATP) trong vai trò hợp chất cung cấp phosphat (NADPH và ATP là những cofactor đặc biệt quan trọng). Aicd mevalonic lúc này được chuyển hóa thành acid 5-pirophosphatmevalonic theo sơ đồ sau: C CH2 COOH CH3 OH CH2 CH2 OH Acid mevalonic ATP C CH2 COOH CH3 OH CH2 CH2 OP ATP C CH2 COOH CH3 OH CH2 CH2 OPP Acid 5-pirophosphatmevalonic Bước biến đổi kế tiếp của acid 5-pirophosphatmevalonic là bước biến đổi đặc sắc nhất của sự biến dưỡng isopren. C OH CH3 H2C CH2 OPP H2C C O O H - H2O - CO2 C H2C CH3 CH2 CH2 OPP Acid 5-pirophosphatmevalonic Pirophosphat isopentenil Trong sự biết đổi này, nhóm carboxil của acid 5-pirophosphatmevalonic sẽ bi loại đi dưới dạng CO2. Sự loại này xảy ra đồng thời với sự khử nước giữa hai nguyên tử carbon C2 và C3 để tạo ra pirophosphat isopentenil (IPP) Sự sinh tổng hợp monoterpen Pirophosphat isopenenil (IPP) là đơn vị căn bản trong quá trình sinh tổng hợp monoterpen. Sự tham gia của IPP vào các quá trình trên diễn ra như sau: đầu tiên một phân tử IPP đồng phân hóa thành phân tử pirophosphat dimetilalil (DMAPP) dưới tác dụng của enzym isomeraz. C H2C CH3 CH2 CH2 OPP C H3C CH3 CH CH2 OPP Isomeraz IPP DMAPP IPP là một tác nhân thân điện tử, do đó nó có thể chuyển một đơn vị dimetilalil vào một tâm thân hạch của một IPP. PPO OPP H OPP IPP + DMAPP GPP Trong trường hợp này, tâm thân hạch là nối đôi nằm ở cuối phân tử IPP. Phản ứng đưa đến sự kết hợp hai đơn vị 5 carbon. Sản phẩm của phản ứng được gọi là pirophosphat geranil (GPP). Hầu hết các monoterpen được tạo thành từ GPP hoặc từ đồng phân hình học của nó là pirophosphat neril (NPP), với nối đôi nằm ở cấu hình cis, pirophospat neril là tiền chất cho các monoterpen chi hoàn. CH2OPP CH2OPP GPP NPP GPP vẫn còn một đơn vị pirophosphat alil nên nó cũng có khả năng đưa nhóm geranil vào một tâm thân hạch nữa. Việc này sẽ diễn ra trong sự sinh tổng hợp sesquiterpen. Sự sinh tổng hợp monoterpen chi phương Một khi GPP hình thành, có nhiều sự lựa chọn cho sự biến đổi tiếp theo, mỗi hướng biến đổi được kiểm soát diếu tố đặc biệt. Bước đầu tiên là sự loại pirophosphat từ GPP để cho ra hợp chất oxigen như geraniol, linalol hoặc các hợp chất hidrocarbon như ocimen, mircen. Sau đó những hợp chất này có thể bị oxid hóa hoặc hoàn nguyên để tạo thành những hợp chất khác như citral và citronelal, Sơ đồ sự sinh tổng hợp các monoterpen chi phương như sau: CH2OPP GPP OH Linalol CH2OH Geraniol Mircen CHO Citral CHO Citronelal Ocimen Sự sinh tổng hợp monoterpen đơn hoàn Các hợp chất monoterpen đơn hoàn được hình thành ngang qua phản ứng tạo vòng nội phân tử của pirophosphat linalil (LPP), hợp chất này là sản phẩm chuyển vị của GPP. LPP bị đóng vòng bởi enzym prenil ciclaz (Croteau 1987), một trong những sản phẩm thường gặp nhất là monoterpen hidrocarbon limonen. Limonen tạo thành có thể phản ứng như một chất nền để tạo thành trans- carveol. trans-Carveol tiếp tục bị oxid hóa thành carvon, là cấu phần chính của tinh dầu bạc hà lục (Mentha spicata). Sơ đồ sinh tổng hợp monoterpen đơn hoàn có thể được trình bày như sau: CH2 OPP GPP OPP H LPP Limonen HO Carveol O Carvon Sự sinh tổng hợp monoterpen nhị hoàn Monoterpen nhị hoàn có thể được tạo ra trực tiếp từ GPP, NPP, hoặc LPP với bước đầu tiên là sự loại –OPP tạo thành cation geranil, neril hoặc linalil tương ứng. Thí dụ một sơ đồ sinh tổng hợp đi từ NPP (với C* là 14C): OPP GPP * * * * * * * * * * Một điều rất lý thú là biệt tính lập thể của các đồng phân quang học trong sự sinh tổng hợp được bảo vệ rất chặt chẻ. Thí dụ như trong sự sinh tổng hợp camphor: (BPP: pirophosphat bornil) OPP * OH * BPP (-)-Borneol O * (-)-Camphor OPP * * OPP OPP * NPP LPP GPP OH * (+)-Borneol O * (+)-Camphor OPP * BPP Một số monoterpen có sự sinh tổng hợp tạo vòng đặc biệt, thí dụ như trong cây Chenopodium ambrosiodes sự cộng hai oxigen vào monoterpen bất bão hòa xúc tác bởi enzym iodoperoxidaz chuyển hóa -terpinen thành ascaridol. -Terpinen I I OOH O O Ascaridol Sinh tổng hợp sesquiterpen Pirophosphat farnesil (FPP) là tiền chất của quá trình sinh tổng hợp sesquiterpen được hình thành do sự kết hợp thêm một phân tử pirophosphat isopentenil vào một pirophosphat geranil. Sơ đồ sinh tổng hợp sesquiterpen: OPP OPP H GPP IPP OPP FPP Sự sinh tổng hợp sesquiterpen chi phương Pirophosphat farnesil đồng phân hóa thành pirophosphat nerolidil, cả hai là nguồn gốc của các sesquiterpen chi phương. Isomeraz OPP FPP OPP Pirophosphat nerolidil Sinh tổng hợp sesquiterpen chi hoàn Tùy theo sự đóng vòng của các cation dẫn xuất từ 2Z,6E-FPP hoặc 2E,6E-FPP tạo nên sườn cơ bản của các hợp chất sesquiterpen chi hoàn (một, hai hay ba vòng). Các kiểu đóng vòng của các cation này xảy ra theo các kiểu tạo nối như sau: 2Z,6E-FPP 2E,6E-FPP Thí dụ trong sự đóng vòng với cation dẫn xuất từ 2Z,6E-FPP cho sesquiterpen đơn hoàn vòng 6: -Bisabolen Hoặc cho sesquiterpen nhị hoàn sườn azulen: Hoặc cho sesquiterpen nhị hoàn sườn naptalen, thí dụ trong sự sinh tổng hợp - cadinen. H H H H H -Cadinen Hoặc cho sesquiterpen nhị hoàn sườn cariophilan, như trong sự sinh tổng hợp cariophilen. H Cariophilen Cation dẫn xuất từ 2E,6E-FPP cũng cho phản ứng đóng vòng, thí dụ như sự sinh tổng hợp germacren B (vòng 10). Germacren B Hoặc trong sự sinh tổng hợp humulen (vòng 11). Humulen Trên đây chỉ là sự giới thiệu một số cơ chế sinh tổng hợp sesquiterpen kinh điển, còn rất nhiều trường hợp khác đang tiếp tục nghiên cứu.