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Shikimisäureweg

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Metabolismus der Carbonsäuren
Gene Ontology
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Der Shikimisäureweg oder Shikimatweg ist die Bezeichnung für einen biochemischen Stoffwechselweg, der in Pflanzen und den meisten Mikroorganismen vorkommt. Er hat grundlegende Bedeutung durch die Biosynthese der proteinogenen aromatischen Aminosäuren Phenylalanin, Tyrosin und Tryptophan. Darüber hinaus liefert er wichtige Ausgangsstoffe für den pflanzlichen Sekundärstoffwechsel.

Reaktionsfolge

Hauptpfad

Im Großen und Ganzen läuft der Shikimisäureweg in den verschiedenen dazu befähigten Organismen ähnlich ab, im Detail existieren jedoch Unterschiede. Deshalb sei darauf hingewiesen, dass sich das folgende Reaktionsschema auf den relativ gut erforschten Shikimisäureweg des Bakteriums Escherichia coli bezieht.[1]

Schritt 1 und 2: Von Phosphoenolpyruvat und Erythrose-4-phosphat über 3-Desoxyarabinoheptulosanat-7-phosphat zu 3-Dehydrochinat.

Als Startpunkt des Shikimisäureweges wird die vom Enzym 3-Desoxyarabinoheptulosanat-7-phosphat-Synthase[2] katalysierte Reaktion von Phosphoenolpyruvat (PEP) und Erythrose-4-phosphat festgelegt. Dabei entsteht 3-Desoxyarabinoheptulosanat-7-phosphat, welches im nächsten Schritt von der 3-Dehydrochinat-Synthase[3] zu 3-Dehydrochinat zyklisiert wird.[4]

Schritt 3 und 4: Von 3-Dehydrochinat über 3-Dehydroshikimat zu Shikimat.

Aus 3-Dehydrochinat entsteht durch eine vom Enzym 3-Dehydrochinat-Dehydratase[5] vermittelte Wasserabspaltung 3-Dehydroshikimat, das danach von der Shikimatdehydrogenase[6] zu Shikimat reduziert wird.[4]

Schritt 5 und 6: Vom Shikimat über Shikimat-3-phosphat zu 5-Enolpyruvylshikimat-3-phosphat.

Darauf folgt die ATP-abhängige Phosphorylierung des Shikimats durch die Shikimatkinase[7] zu Shikimat-3-phosphat. Die von der 5-Enolpyruvylshikimat-3-phosphat-Synthase[8] katalysierte Reaktion mit einem weiteren Molekül Phosphoenolpyruvat ergibt dann 5-Enolpyruvylshikimat-3-phosphat.[4]

Schritt 7: Vom 5-Enolpyruvylshikimat-3-phosphat zum Chorismat.

Nach Abspaltung der Phosphatgruppe durch die Chorismatsynthase[9] wird daraus Chorismat.[4]

Schritt 8: Vom Chorismat zum Prephenat.

Die Chorismat-Mutase katalysiert über eine Claisen-Umlagerung die Umwandlung von Chorismat in Prephenat.[4][10]

Verzweigungen des Syntheseweges

Biosynthese von Tyrosin aus Prephenat
Biosynthese von Phenylalanin aus Prephenat

Die Synthesewege der beiden Aminosäuren Tyrosin und Phenylalanin teilen sich erst beim Prephenat. Für die Tyrosinsynthese wird Prephenat durch eine Prephenatdehydrogenase[11] in 4-Hydroxyphenylpyruvat umgewandelt. Im Phenylalaninzweig des Syntheseweges katalysiert die Prephenatdehydratase[12] die Reaktion von Prephenat zu Phenylpyruvat. In einem letzten Transaminierungsschritt entstehen aus den beiden Vorstufen die jeweiligen Aminosäuren Tyrosin und Phenylalanin. Alternativ kann aber auch zuerst Prephenat zu Arogenat transaminiert werden, das dann entweder durch eine Arogenatdehydratase[13] in Phenylalanin oder durch eine Arogenatdehydrogenase[14] in Tyrosin umgewandelt wird.[1][4]

Schon beim Zwischenprodukt Chorismat zweigt der Syntheseweg der aromatischen Aminosäure Tryptophan vom Hauptpfad ab.

Biosynthese von Tryptophan aus Chorismat

Im ersten Schritt wandelt die Anthranilatsynthase[15] Chorismat in Anthranilat um, das mittels der Anthranilatphosphoribosyltransferase[16] mit Phosphoribosylpyrophosphat zu N-(5-Phosphoribosyl)-anthranilat reagiert. Eine durch die Phosphoribosylanthranilatisomerase[17] katalysierte Amadori-Umlagerung führt zu 1-(2-Carboxyphenylamino)-1-desoxyribulose-5-phosphat. Die Indol-3-glycerolphosphat-Synthase[18] stellt den Ringschluss zu Indol-3-glycerolphosphat her. Die beiden letzten Teilreaktionen, nämlich die Abspaltung von Glycerinaldehyd-3-phosphat zum Zwischenprodukt Indol und dessen Kondensation mit Serin, katalysiert die Tryptophansynthase,[19] was Tryptophan liefert.[1][4]

Biologische Bedeutung

Pflanzen beherrschen als autotrophe Lebewesen den Shikimisäureweg, er ist Teil ihres Primärstoffwechsels, liefert aber auch Vorstufen für sekundäre Pflanzenstoffe. Abgesehen von den proteinogenen aromatischen Aminosäuren Tryptophan, Phenylalanin und Tyrosin resultiert eine Fülle weiterer Substanzen mit aromatischen Ringen letztendlich aus dem Shikimatweg, sehr wichtig ist auch die Chlorogensäure, die u. a. an der pflanzlichen Wundheilung beteiligt ist, wobei die nachfolgende Aufzählung keineswegs abschließend ist und der Shikimatweg auch mit anderen Synthesewegen kombiniert sein kann:[1][20]

Aber auch bei vielen Bakterien, Pilzen und Protozoen wurde der Shikimisäureweg nachgewiesen.[1][21] Tieren fehlen dagegen die entsprechenden Enzyme. Deshalb sind die Aminosäuren Phenylalanin und Tryptophan für sie essentiell, Tyrosin kann nur direkt aus Phenylalanin synthetisiert werden.[1]

Spätestens seit 2016 ist bekannt, dass auch viele Mikrobenstämme über das EPSPS-Enzym (Enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase) als einen zentralen Stoff im Shikimate-Stoffwechsel verfügen, ein Enzym, das Glyphosat beim Angriff auf unerwünschte Pflanzen zerstört. Diese Mikroben finden sich jedoch auch im Darm von Jungbienen, ihre Zerstörung durch Glyphosat führt zur Veränderung der Darmflora dieser Tiere, dann zu einer Immunschwäche. Sie torkeln orientierungslos herum und sterben.[22]

Neben dem Shikimisäureweg existieren weitere Möglichkeiten für die Biosynthese aromatischer Ringstrukturen, wie beispielsweise der Polyketidweg und die Nukleotid-Biosynthese.

Sonstiges

  • Die in der Landwirtschaft als Breitbandherbizid eingesetzte Verbindung Glyphosat unterbricht den Shikimisäureweg, indem sie das Enzym 5-Enolpyruvylshikimat-3-phosphat-Synthase (EC 2.5.1.19) hemmt.[4]
  • Da vielen Krankheitserregern das Vorhandensein des Shikimisäureweges gemeinsam ist, werden die Enzyme dieses Stoffwechselweges als aussichtsreicher Angriffspunkt bei der Entwicklung von Medikamenten mit sehr breitem Wirkungsspektrum angesehen, das sich auf Bakterien-, Pilz- und Protozoeninfektionen erstreckt.[21]

Einzelnachweise

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 D. E. Metzler: Biochemistry. The Chemical Reactions of Living Cells. Volume 2. Elsevier Science, 2003; S. 1420–1471; ISBN 0-12-492541-3.
  2. ↑ EC 2.5.1.54
  3. ↑ EC 4.2.3.4
  4. ↑ 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 4,7 J. M. Berg, J. L. Tymoczko, L. Stryer: Biochemie. 6. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Elsevier GmbH, München 2007; S. 773–775; ISBN 978-3-8274-1800-5.
  5. ↑ EC 4.2.1.10
  6. ↑ EC 1.1.1.25
  7. ↑ EC 2.7.1.71
  8. ↑ EC 2.5.1.19
  9. ↑ EC 4.2.3.5
  10. ↑ EC 5.4.99.5
  11. ↑ EC 1.3.1.12 und EC 1.3.1.13
  12. ↑ EC 4.2.1.51
  13. ↑ EC 4.2.1.91
  14. ↑ EC 1.3.1.43, EC 1.3.1.78 und EC 1.3.1.79
  15. ↑ EC 4.1.3.27
  16. ↑ EC 2.4.2.18
  17. ↑ EC 5.3.1.24
  18. ↑ EC 4.1.1.48
  19. ↑ EC 4.2.1.20
  20. ↑ P. M. Dewick: Medicinal Natural Products: A Biosynthetic Approach. 3. Auflage, John Wiley & Sons Ltd., 2009; S. 137–186; ISBN 978-0-470-74167-2.
  21. ↑ 21,0 21,1 C. W. Roberts et al.: The shikimate pathway and its branches in apicomplexan parasites. In: J. Infect. Dis. 185 Suppl. 1, Feb 2002, S. S25–36. PMID 11865437.
  22. ↑ Pestizid verändert Mikroflora. Glyphosat und die Immunschwäche der Bienen, von Joachim Müller-Jung, FAZ, 25. September 2018; zur Mikroflora des Bienen-Darms.

Weblinks

 Commons: Shikimisäureweg – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
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