04-08-2023
Шикима́тный путь — метаболический путь, промежуточным метаболитом которого является шикимовая кислота (шикимат). Шикиматный путь наряду с поликетидным (ацетатно-малонатным) отмечается как специализированный путь биосинтеза бензоидных ароматических соединений. 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, лигнинов, 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 1935 году немецкий химик-органик Германн Отто Лауренц Фишер (1888—1960) отметил, что кислоты хинная и шикимовая могут быть метаболически тесно связанными с бензоидными ароматическими соединениями, в частности, с галловой кислотой.[1] Подтверждения этого предположения не существовало до 1950-х годов.
В 1950 г. американский микробиолог Бернард Дэвис (1916—1994), используя 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 путём добавления шикимовой кислоты (шикимата), в то время считавшейся редким соединением, встречающимся лишь у некоторых растений.[2]
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.[2]
При помощи ауксотрофных мутантов Escherichia coli, Aerobacter aerogenes и Neurospora и с применением изотопно-меченых соединений был прослежен весь путь от углеводных предшественников до первичных и вторичных метаболитов ароматической природы.[2] Важнейшая часть работы была проделана Бернардом Дэвисом в сотрудничестве с Дэвидом Спринсоном (1910—2007) из Колумбийского университета.[3] 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 1963—1964 г., когда Франк Гибсон наконец выделил и изучил долго ускользавшую от наблюдения «субстанцию X» — недостающий промежуточный метаболит, структура которого до этого уже была предсказана (впоследствии подтверждена Ллойдом Джекмэном 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-фосфат» — предшественник как фенилаланина, тирозина, так и триптофана) была доказана, гипотеза Спринсона (последний общий предшественник трёх ароматических аминокислот — фосфошикимовая кислота) подтверждения не получила.[4]
Сринивасан, Катажи, Спринсон, Майтра установили путь через ДАГФ, долго считавшийся единственным. В 2004 году были опубликованы результаты исследований американского биохимика Роберта Уайта по рассшифровке пути через ДКФФ.[5] Однако предложенная Уайтом гипотетическая схема биосинтеза ДКФФ впоследствии не подтвердилась. В 2006 году Роберт Уайт и Сюй Хуэйминь сообщили, что им удалось выяснить истинный путь биосинтеза ДКФФ у Methanocaldococcus jannaschii.[6]
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 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 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.
Шикиматный путь осуществляется в клетках прокариотических и эукариотических микроорганизмов, грибов, растений. 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.[7] 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. Животные способны преобразовывать готовые ароматические продукты шикиматного пути,[8] 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.[9]
В настоящее время известно два пути биосинтеза дегидрохинната — предшественника шикимата. Это классический путь через ДАГФ и обнаруженный позже у архей путь через ДКФФ.
Наиболее распространённым в органическом мире и первым изученным путём образования дегидрохинната является путь его биосинтеза из эритрозо-4-фосфата и фосфоенолпирувата. Эритрозо-4-фосфат образуется преимущественно в системе транскетолазных и трансальдолазных реакций окислительного пентозофосфатного пути и фотосинтеза. 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 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 энзим — 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 энзим 3-дегидрохиннат-синтаза (КФ 4.2.3.4), требующая в качестве коэнзима NAD, который участвует в механизме реакции, потому как во время каталитического акта сначала происходит окисление, а в дальнейшем — восстановление гидроксильной группы при C5-атоме углерода молекулы ДАГФ. Считается, что в реакцию ДАГФ вовлекается в полукетальной α-пиранозной форме (на схеме из некоторых соображений приведена только формула открытой кето-формы ДАГФ).
Описанный путь биосинтеза дегидрохинната характерен для бактерий, эукариот и части архей.
У многих архей (представители классов 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 (энзим с достаточно низкой субстратной специфичностью) конденсируется с дигидроксиацетонфосфатом с образованием 6-дезокси-5-кетофруктозо-1-фосфата (ДКФФ, англ. DKFP). ДКФФ далее под влиянием специфической альдолазы (КФ 4.1.2.-) взаимодействует с L-аспартат-4-семиальдегидом с образованием 2-амино-3,7-дидезокси-D-трео-гепт-6-улозоната (синоним: 2-амино-2,3,7-тридезокси-D-ликсо-гепт-6-улозонат, англ. ADTH). Последнее соединение окислительно дезаминируется и циклизуется в дегидрохиннат под влиянием NAD-зависимого энзима дегидрохиннат-синтазы-II (КФ 1.4.1.-).
Итак, возникающий в результате циклизации шестичленный карбоцикл в дальнейшем подвергается ароматизации.
Дегидрохиннат может обратимо восстанавливаться NAD-, NADP- и PQQ-зависимыми дегидрогеназами в хиннат, роль в биосинтезе ароматических соединений которого обсуждается (у некоторых растений уже выявлен энзим 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 этапом является обратимая дегидратация (стереохимия — 1,2-син-элиминирование) дегидрохинната в дегидрошикимат (энзим: 3-дегидрохиннат-дегидратаза I (КФ 4.2.1.10)). У ряда организмов дегидрошикимат окисляется NADP-зависимой дегидрогеназой в 3,5-дидегидрошикимат или под влиянием 3-дегидрошикимат-дегидратазы (КФ 4.2.1.-) 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 (энзим: шикимат-киназа (КФ 2.7.1.71), макроэргический донор фосфорильной группы — АТФ). Образовавшийся шикимат-3-фосфат взаимодействует с фосфоенолпируватом и образуется 5-карбоксивинил-шикимат-3-фосфат (энзим: 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 (энзим: хоризмат-синтаза (КФ 4.2.3.5), кофактором которой является FMNred либо FADred, бифункциональные хоризмат-синтазы обладают к тому же NADred или NADPred-зависимой флавин-редуктазной активностью). Стереохимически реакция происходит как 1,4-анти-элиминирование, что предполагает механизм более сложный (принимая во внимание структурные особенности субстрата и характер кофакторов, предположительно радикальный), чем простое 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).
П р и м е ч а н и е: 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.
В живой природе выявлено не менее семи различных путей, расходящихся от хоризмата и приводящих к ароматическим соединениям, а также родственным им хинонам:
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 и др.).[10] Аналогично может начинаться биосинтез циклогексилкарбонил-КоА (предшественник асукамицина, ω-циклогексил-жирных кислот и других соединений).
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, подкисление среды и нагревание ускоряют её. Энзим хоризматмутаза (КФ 5.4.99.5) в физиологических условиях ускоряет реакцию в 2•106 раз.[11]
Реакция дегидратации-декарбоксилирования (механизм — сопряжённое элиминирование) префената приводит к фенилпирувату. Эта реакция в прямом направлении способна проходить спонтанно, для её ускорения существуют энзимы: 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 — NADox или NADPox) 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. Дегидратация-декарбоксилирование арогената приводит к фенилаланину, а окислительное декарбоксилирование (окислитель — NADox или NADPox) 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 энзим аэробная тетрагидробиоптерин-зависимая фенилаланин-4-монооксигеназа (синоним: фенилаланин-4-гидроксилаза, КФ 1.14.16.1), осуществляющий однонаправленное гидроксилирование фенилаланина в тирозин.
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), коэнзимы 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, фанилацетат, гидрохинон могут быть продуктами биодеградации соединений, синтезированных через префенат, помимо чего пара-гидроксибензоат, салицилат и гидрохинон могут быть синтезированы из хоризмата другими путями.
Антранилат синтезируется из хоризмата энзимом антранилатсинтазой (КФ 4.1.3.27). Донором аминогруппы выступает амидный азот глутамина либо аммоний. Антранилатсинтаза требует присутствия ионов Mg2+. Антранилат является предшественником индола и протеиногенной аминокислоты триптофана. Три последних соединения являются предшественниками очень многих соединений: индольных, хинолиновых, хиназолиновых, акридоновых алкалоидов, бензоксазиноидов и др.
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 рассматриваютя как самостоятельные, так как антранилат и 2-амино-4-дезоксихоризмат производятся из хоризмата разными энзимами.
Энзим 2-амино-4-дезоксихоризмат-синтаза (КФ 2.6.1.86) производит из хоризмата 2-амино-4-дезоксихоризмат (2-амино-2-дезоксиизохоризмат), 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 транс-2,3-дигидро-3-гидрокси-антранилат-изомеразы (КФ 5.3.3.-) изомеризуется в (1R,6S)-6-амино-5-кетоциклогекса-2-ен-1-карбоксилат. Последнее соединение подвергается окислительной димеризации в (1R,6R)-1,2,5,5a,6,7-гексагидрофеназин-1,6-дикарбоксилат (энзим КФ 2.5.1.-). Спонтанная реакция декарбоксилирования приводит к (1R)-1,2,10,10a-тетрагидрофеназин-1-карбоксилату. 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).
Структурные производные хиноксалина (бензпиразина) могут синтезироваться также из триптофана. Известен FMN-содержащий энзим (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.
Изомерный антранилату пара-аминобензоат синтезируется из хоризмата через 4-амино-4-дезоксихоризмат энзимом пара-аминобензоат-синтазой (КФ 2.6.1.85 + КФ 4.1.3.38), требующим присутствия ионов Mg2+. 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. Спонтанный или энзиматический гидролиз эфирной связи 4-амино-4-дезоксихоризмата приводит к (3R,4R)-4-амино-3-дигидроксициклогекса-1,5-диен-1-карбоксилату. У некоторых микроорганизмов выявлен энзим, катализирующий аналогичную хоризматмутазной [3,3]-сигматропную перегруппировку 4-амино-4-дезоксихоризмата в 4-амино-4-дезоксипрефенат.[9] Эта реакция составляет этап биосинтеза непротеиногенной аминокислоты пара-аминофенилаланин. Пара-аминофенилаланин — рекурсор нескольких известных антибиотиков, из него образуются 4-(диметиламино)-фенилаланин (остаток входит в структуру некоторых циклических пептидных антибиотиков, например, пристинамицина-IA),[12] пара-нитрофенилсеринол (предшественник хлорамфеникола).[13]
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.
Хоризмат-гидроксимутаза (изохоризмат-синтаза, КФ 5.4.4.2) осуществляет обратимую изомеризацию хоризмата в изохоризмат. Изохоризмат является предшественником салицилата, 2,3-дигидроксибензоата (предшественник сидерофорных соединений, таких, как энтеробактины), 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 энзим (изохоризмат-мутаза), катализирующий [3,3]-сигматропную перегруппировку изохоризмата в изопрефенат.[9] Из изопрефената образуются непротеиногенные аминокислоты мета-карбоксифенилаланин и мета-карбокситирозин — вторичные метаболиты высших растений (Nicotiana silvestria).
Биоинформатический анализ секвенированных геномов привёл к обнаружению у некотоых прокариот (Streptomyces spp., Helicobacter pylori, Campylobacter jejuni) другого пути от хоризмата к менахинонам. В начале этого пути в ходе ферментативной реакции из хоризмата образуется футалозин.[14]
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:
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, цианобактериальный дипептид радиозумин, состоит из модифицированных остатков аминокислот, предположительно являющихся метаболическими производными пара-аминофенилаланина с частично гидрированными кольцами.[15] В то же время установлено, что собственные биосинтетические пути разнообразных неароматических структурных производных ароматических аминокислот, таких как 2,5-дигидро-тирозин, 2,5-дигидро-фенилаланин, тетрагидро-тирозин, тетрагидро-фенилаланин, 2,5-дигидро-стильбен, 2-карбокси-6-гидрокси-октагидроиндол (структурный компонент цианобактериального пептида эругинозина), антикапсин (предшественник бацилизина), исходят от префената. Известен энзим, префенат-декарбоксилаза, 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 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. Этот путь установлен 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 NpR 5600 — гомолога 3-дегидрохиннат-синтазы. Исходным соединением является седогептулозо-7-фосфат — центральный метаболит, соединение, имеющее определённые черты структурного сходства с ДАГФ.[16]
Известны также продукты взаимодействия ароматических продуктов шикиматного пути с неароматическими промежуточными соединениями шикиматного же пути. Так, кофеоил-шикимат содержит одновременно остаток ароматической кофейной кислоты и неароматический карбоцикл шикимовой кислоты. Известным производным хинната аналогичного строения является хлорогенат.
Термохимия и кинетика отдельных реакций шикиматного пути достаточно хорошо изучены. Проводились специальные термодинамические исследования и расчёты. Ниже — данные по отдельным реакциям.
1). Термодинамика ДАГФ-синтазной реакции [17] [18]
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, Im = 0.090 моль/кг, Tris + HCl буфер; установившейся кажущейся константе равновесия K' > 1.4•103:
ΔrHm (cal) = −(67.7 ± 1.5) кДж/моль
Расчётная стандартная молярная энтальпия реакции (T = 298.15 K и Im = 0):
ΔrHɵm = −(70.0 ± 3.0) кДж/моль (~ −17 ккал/моль)
Расчётная стандартная молярная свободная энергия Гиббса реакции (T = 298.15 K и Im = 0):
ΔrGɵm ≈ −39 кДж/моль
Расчётная () константа равновесия (T = 298.15 K и Im = 0):
Kɵ ≈ 7•106
2). Термодинамика 3-дегидрохиннат-синтазной реакции [19] [18]
(C7H10O10P)3−(aq) = (C7H9O6)−(aq) + (HO4P)2−(aq)
Тепловой эффект реакции, измеренный калориметрически (HEPES + NaOH буфер, T = 298.15 K, pH = 7.46, Im = 0.070 моль/кг):
ΔrHm (cal) = −(50.9 ± 1.1) кДж/моль
Расчётная стандартная молярная энтальпия реакции (T = 298.15 K и Im = 0):
ΔrHɵm = −(51.1 ± 4.5) кДж/моль (~ −12 ккал/моль)
Расчётная константа равновесия (T = 298.15 K и Im = 0):
K ≈ 2•1014
3). Термодинамика 3-дегидрохиннат-дегидратазной реакции [19] [18]
(C7H9O6)−(aq) = (C7H7O5)−(aq) + H2O(l)
Тепловой эффект реакции, измеренный калориметрически (HEPES + NaOH буфер, T = 298.15 K, pH = 7.42, Im = 0.069 моль/кг):
ΔrHm (cal) = 2.3 ± 2.3 кДж/моль
Расчётная стандартная молярная энтальпия реакции (T = 298.15 K и Im = 0):
ΔrHɵm = 2.3 ± 2.3 кДж/моль (~ 0,5 ккал/моль)
Расчётная константа равновесия (T = 298.15 K и Im = 0):
K = 4.6 ± 1.5
4). Термодинамика шикимат-дегидрогеназной реакции [18]
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 [20] [21] [18]
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 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):
ΔrHm (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:
ΔrSɵm ≈ 3 Дж/моль•К
Расчётная стандартная молярная энергия Гиббса реакции (T = 298.15 K):
ΔrGɵm ≈ −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.
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 у некоторых организмов может включиться в шикиматный путь на уровне дегидрошикимата.
Следует также отметить, что протокатехат является одним из основных продуктов неполной биодеградации таких соединений как толуол,[22] ПАУ,[23] бензойная,[24] фталевая и терефталевая [23] кислоты, некоторые азакрасители [25] и другие соединения. В процессе биодеградации ксилолов образование протокатехата не наблюдается.[26]
В растениях галлат образуется в реакциях пути шикимовой кислоты, но в грибах это соединение может быть синтезировано поликетидным путём.[2]
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.
Гены прокариот, отвечающие за семь реакций, составляющих путь от 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). Существенное значение для шикиматного пути могут иметь также гены quiA, quiB, qa-3, ydiB, quiC, phhA, tnaA. 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 установлена (по состоянию на сентябрь 1998 года). Для генов растений предлагалось название shk-гены.
Гены шикиматного пути широко разбросаны по геному, и следуют в различном порядке даже у достаточно близких видов, не входят в состав единого регулона. В геноме архебактерии Halobacterium salinarum гены начальных этапов шикиматного пути (OE1472F — ген-паралог fba2 — fructose-bisphosphate aldolase, class I и OE1475F — ген 3-дегидрохиннат-синтазы) включены в триптофановый оперон.
Ферменты шикиматного пути во многих случаях являются многофункциональными. Эти белки — продукты слившихся генов. Среди ферментов шикиматного пути известны следующие бифункциональные белки:
Также хорошо известны:
У эукариот (простейшие, 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 содержит два иона цинка Zn2+.[27]
Для полноценного функционирования ферментной системы шикиматного пути нужно присутствие определённого набора кофакторов, в том числе двухзарядных ионов металлов (Mg2+, Ca2+, Mn2+, Fe2+, Co2+, Cu2+, Zn2+ и др.). Отдельные энзимы могут быть требовательны к присутствию в среде определённого иона, другие ионы могут оказывать ингибирующее влияние, в случае других энзимов эти ионы в определённой мере взаимозаменяемы.
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:
aroP (транскрипция: ←, функция: транспорт ароматических аминокислот, расположение на карте: 2,6), aroL (→, шикимат-киназа, 8,7), aroM (→, функция неизвестна, 8,8), aroG (→, ДАГФ-синтаза, регулируемая фенилаланином 16,9), aroA (→, ЕПШФ-синтаза, 20,7), aroT (—, indole acrylic acid resistant mutants, transport, 28,3), aroD (→, 3-дегидрохиннат-дегидратаза, 38,2), aroH (→, ДАГФ-синтаза, регулируемая триптофаном 38,5), aroC (←, хоризмат-синтаза, 52,7), aroF (←, ДАГФ-синтаза, регулируемая тирозином 59,0), aroE (←, дегидрошикимат-редуктаза, 73,9), aroKB (←, шикимат-киназа/3-дегидрохиннат-синтаза, 75,8), aroI (—, функция неизвестна, 84,2).[28]
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).[29]
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).[30]
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, 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).[31]
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, 1407283..1408131), MJ_1454 (aroD) (←, 3-дегидрохиннат-дегидратаза, 1423963..1424625).[32]
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, 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).[33]
Расположение генов шикиматного пути в хромосомах Saccharomyces cerevisiae S288c (гаплоидное число хромосом — 16):
ARO3 (Продукт: ДАГФ-синтаза. Хромосома: IV (размер всей хромосомы: 1531933 пар нуклеотидов, положение гена в хромосоме: 521816..522928). Интронов не содержит); ARO4 (Продукт: ДАГФ-синтаза. Хромосома: II (813184 пар нуклеотидов, 716882..717994, complement). Интронов не содержит); ARO1 (Продукт: Пентафункциональный белок arom. Хромосома: IV (1531933 пар нуклеотидов, 704484..709250). Интронов не содержит); ARO2 (Продукт: Хоризмат-синтаза. Хромосома: VII (1090940 пар нуклеотидов, 226399..227529). Интронов не содержит); ARO7 (Продукт: Хоризмат-мутаза. Хромосома: XVI (948066 пар нуклеотидов, 674861..675631, complement). Интронов не содержит).[34]
Расположение генов шикиматного пути в хромосомах Populus trichocarpa (гаплоидное число хромосом — 19):
DHS3 (Продукт: ДАГФ-синтаза. Хромосома: LGII (размер всей хромосомы: 24482572 пар нуклеотидов, положение гена в хромосоме: 7115794..7120328). Содержит интроны); DHS1 (Продукт: ДАГФ-синтаза. Хромосома: LGV (17991592 пар нуклеотидов, 1074502..1077390, complement). Содержит интроны); DHS4 (Продукт: ДАГФ-синтаза. Хромосома: LGV (17991592 пар нуклеотидов, 9061181..9065741, complement). Содержит интроны); DHQS6|DHQS7 (Продукт: 3-дегидрохиннат-синтаза. Хромосома: … NW_001492764.1 (complement). Оба транскрипта содержат интроны); DHQD1 (Продукт: дегидрохиннат-дегидратаза/шикимат-дегидрогеназа. Хромосома: … NW_001492761.1. (Содержит интроны); DHQD2 (Продукт: дегидрохиннат-дегидратаза/шикимат-дегидрогеназа. Хромосома: LGXIII (13101108 пар нуклеотидов, 1974817..1978681, complement). Содержит интроны); DHQD3 (Продукт: дегидрохиннат-дегидратаза/шикимат-дегидрогеназа. Хромосома: LGXIII (13101108 пар нуклеотидов, ((1981754..1986754, complement). Содержит интроны); DHQD4 (Продукт: дегидрохиннат-дегидратаза/шикимат-дегидрогеназа. Хромосома: LGX (21101489 пар нуклеотидов, ((4580304..4584686). Содержит интроны); DHQD5 (Продукт: дегидрохиннат-дегидратаза/шикимат-дегидрогеназа. Хромосома: LGXIV (14699529 пар нуклеотидов, 6220933..6226210). Содержит интроны); SK1 (Продукт: шикимат-киназа. Хромосома: … NW_001492757.1 (complement). Содержит интроны); SK2 (Продукт: шикимат-киназа. Хромосома: LGV (17991592 пар нуклеотидов, 1995576..1998169, complement). Содержит интроны); SK3 (Продукт: шикимат-киназа. Хромосома: LGVII (12805987 пар нуклеотидов, 5135260..5138431, complement). Содержит интроны); SKp (Продукт: шикимат-киназа. Хромосома: LGII (24482572 пар нуклеотидов, 4138794..4141592, complement). Содержит интроны); EPSPS (Продукт: ЕПШФ-синтаза. Хромосома: LGII (24482572 пар нуклеотидов, 10940242..10944837). Содержит интроны); CS1 (Продукт: хоризмат-синтаза. Хромосома: LGVIII (16228216 пар нуклеотидов, 2073382..2077810, complement). Содержит интроны); CS2 (Продукт: хоризмат-синтаза. Хромосома: LGX (21101489 пар нуклеотидов, 19004168..19008214). Содержит интроны).[35]
Известны и псевдогены. У не имеющей шикиматного пути лактобактерии Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus ATCC 11842, например, есть псевдогены aroA(pseudo), aroC(pseudo), aroK(pseudo).
Регуляция шикиматного пути осуществляется посредством контроля синтеза ключевых энзимов и путём регуляции активности этих энзимов. Механизмы регуляции шикиматного пути наиболее полно изучены на микроорганизмах.
Репрессию синтеза ДАГФ-синтазы на транскрипционном уровне могут вызывать фенилаланин, тирозин и триптофан. Репрессии подвержены гены aroG, aroF, aroH по отдельности либо одновременно. Ген шикимат-киназы aroL у Escherichia coli подвержен транскрипционному контролю тирозином.[36]
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 энзимом 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.[37]
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 энзимов, ответственных за путь от хоризмата к триптофану, регулируется триптофаном посредством репрессии, и феномена, получившего название аттенуации.[38] Активность энзимов, кодируемых триптофановым опероном, подвержена регуляции триптофаном по типу обратной связи. У многих микроорганизмов триптофан оказывает регулирующее влияние также на биосинтез фенилаланина и тирозина. Синтез хоризматмутазы у некоторых микроорганизмов репрессируется фенилаланином, который, однако, стимулирует её активность. Ингибиторами префенатдегидратазы у различных микроорганизмов могут выступать фенилаланин, тирозин, триптофан.
Помимо триптофанового оперона аттенуация показана также для известного у многих микроорганизмов фенилаланинового оперона.
Шикимат-дегидрогеназа Escherichia coli аллостерически регулируется шикиматом.[36]
Доказано также, что у некоторых организмов значительное регуляторное влияние на энзимы шикиматного пути могут оказывать и продукты шикиматного пути, являющиеся вторичными метаболитами (например, феназиновые соединения у производящих их бактерий).
У Euglena gracilis ключевые 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.[39]
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 о очень раннем эволюционном обособлении этой группы живых организмов.
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, давшим, как полагают, начало пластидам. Кодирование энзимов 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.[39]
Гены и продукты этих генов, как известно, являются эволюционирующими образованиями. Изучение различий в структурах генов и энзимов 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.[39]
Изучение регуляторных механизмов шикиматного пути позволило выявить «рычаги управления» и создать качественные штаммы-продуценты ароматических аминокислот и других ценных соединений.[36]
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 тормозят рост Plasmodium falciparum.[39]
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.
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. Эта наблюдаемая тенденция находит объяснение в рамках теории коэволюции генетического кода и путей биосинтеза аминокислот, ставших протеиногенными аминокислотами.
Американская музыкальная группа из Беллингхэма, «Portals Align», играющая в жанре грув-метал, инструментальная музыка, прогрессивный рок, экспериментальная музыка, джент, в ноябре 2011 года выпустила музыкальную композицию с названием «Shikimate Pathway», на YouTube был опубликован соответствующий видеоклип.[40]
Наиболее известные бензоидные ароматические продукты других путей:
Теме шикиматного пути посвящено несколько обзорных публикаций:
Видео-лекция (англ.): 1 2 3 4 5
Шикиматный путь.
