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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