Основными запасными веществами семян масличных растений являются жиры, содержание которых в семенах подсолнечника, льна, конопли, горчицы составляет 30-50%. Синтезируются жиры из углеводов, которые поступают в семена из листьев, стеблей и элементов соцветия. Качество масла изменяется в процессе созревания семян: как правило, в нем усиливается синтез ненасыщенных кислот. Основными белками семян масличных культур являются альбумины и глобулины. Это хорошо сбалансированные по аминокислотному составу белки, имеющие высокую питательную ценность. Общее количество белков в семенах составляет 15-30%. Во время созревания в семенах масличных растений происходят два конкурирующих процесса - образование белков из аминокислот, а также синтез жиров из углеводов. В условиях дефицита влаги синтез последних веществ ослабляется, в результате в семенах повышается концентрация белков. Как более энергоемкий процесс, синтез белков замедляется сильнее при меньшем поступлении световой энергии к растениям. При возделывании масличных растений в условиях повышенной влажности и умеренных температур в их семенах образуется больше полиненасыщенных жирных кислот. Многие масленичные культуры во время формирования и налива семян интенсивно поглощают корнями фосфор и калий. При недостатке этих минеральных элементов в почве снижается накопление жиров в семенах. Установлено, что исходный материал, из которого построены органические соединения, входящие в состав семян большинства масличных культур, поступает в семена из вегетативных органов растения. Движение ассимилятов из вегетативных органов в семена и последующий синтез и накопление запасных веществ представляют собой сложный физиолого-биохимический процесс.

Материалом для образования жирных кислот, ацилглицеринов и других липидов, отлагаемых в запас в растениях, служат соединения, поступающие туда из вегетативных органов в виде растворов. Это подтверждается тем, что в вегетативных органах до цветения растения и в первые периоды созревания накапливается значительное количество подвижных водорастворимых соединений - белковых веществ, углеводов и органических кислот. По мере созревания эти соединения переходят в семена. К концу созревания семян в стеблях и листьях масличных растений подвижные углеводы (глюкоза и сахароза), как правило, почти полностью исчезают, содержание крахмала не превышает долей процента, а также резко уменьшается содержание органических кислот.

Это служит показателем того, что для синтеза в семенах начинают использоваться углеводные продукты «раздревеснения»- гидролиза полисахаридов стебля и соцветия, которые в виде подвижных углеводов или более простых соединений поступают в семена. При сокращении фотосинтеза из-за уменьшения поверхности листьев наблюдается также реутилизация белков - деградация их молекул с образованием низкомолекулярных продуктов, которые перемещаются в семена и там включаются в соединения, откладываемые в запас.

В процессе формирования семян на растении различают несколько периодов. Образование семян начинается после оплодотворения. Этот период называется также эмбриональным, так как после его окончания зародыш, отделенный от материнского растения, уже способен дать слабый жизнеспособный росток.

В первом периоде заканчивается дифференциация зародыша с одновременным ростом содержания масла в ядре. Во втором периоде растет крупность семян при медленно повышающейся масличности ядра. Уборочная спелость семян характеризуется снижением влажности семян. После достижения уборочной спелости семена и плоды становятся пригодными для технологического использования в промышленности в качестве масличного сырья. Хотя морфологически созревание семян к этому времени практически заканчивается, физиолого-биохимические процессы в семенах протекают еще достаточно интенсивно и могут в зависимости от создающихся внешних условий приводить к глубоким качественным изменениям в живом организме семян.

3. Общая характеристика вторичных метаболитов.

Растения синтезируют огромное количество разнообразных веществ, ко­торые не участвуют в основном обмене клеток. Традиционно такие соедине­ния называют вторичными, а их обмен — вторичным метаболизмом. По спо­собности образовывать вторичные метаболиты растения являются «рекордс­менами», оставляя далеко позади представителей других царств живых су­ществ. Наряду с фотосинтезом, вторичный метаболизм — характеристиче­ское свойство растительного организма, его «визитная карточка». Парадок­сально, но биологи достаточно долго оставляли этот важнейший аспект жиз­недеятельности растений без должного внимания. Гораздо больше знали о вто­ричных метаболитах провизоры, фармацевты и криминалисты, поскольку лекарственные и ядовитые свойства растений чаще всего обусловлены именно этими соединениями. В последние годы наметился значительный прогресс в изучении вторичного метаболизма, при этом основными являются три на­правления. Фотохимия изучает строение вторичных метаболитов и их распрос­транение по царству растений, биохимия вторичного метаболизма — пути син­теза и энзимологию процесса, физиология вторичного метаболизма исследует локализацию вторичного метаболизма в растении, его изменение в процессе онтогенеза и, главное, — роль вторичных метаболитов в жизнедеятельности растения.

В 1891 г. немецкий биолог Альбрехт Коссель в лекции «О химическом соста­ве клеток», которую он прочел для Берлинского общества физиологов, впер­вые ввел понятие «первичных» и «вторичных» компонентов клетки: «Я пред­лагаю называть соединения, имеющие важность для каждой клетки, первич­ными, а соединения, не присутствующие в любой растительной клетке, — вторичными. В то время как первичные метаболиты присутствуют в любой растительной клетке, способной к делению, вторичные метаболиты присут­ствуют в клетках только «нечаянно» и не необходимы для жизни растения». Отсюда становится понятен термин «вторичные метаболиты» — второстепен­ные, «случайные», некоторые «чудачества» растительного метаболизма, допу­стимые «излишества». Такие соединения в литературе иногда даже называли «веществами роскоши клеток».

Ситуация радикально изменилась в последние десятилетия с возникнове­нием новых методов анализа и идентификации веществ: прежде всего высоко­эффективной хроматографии высокого давления (ВЭЖХ) и хромато-масс-спектрометрии (ГЖХ-МС). Выяснилось, что растения содержат десятки, если не сотни тысяч различных вторичных метаболитов, и их структура чрезвычайно разнообразна. К настоящему времени на предмет присутствия вторичных мета­болитов исследовано около 20 — 30 тыс. видов растений, т.е. 10—15% от всей флоры Земли. Несмотря на это уже идентифицировано около 100 000 индиви­дуальных соединений вторичного метаболизма, и ежедневно в мире иденти­фицируют около десятка новых. Очевидно, что при таком широком представи­тельстве в мире растений считать вторичные метаболиты синтезированными «случайно» не корректно. Также маловероятно, что такое количество разнооб­разных соединений не имеет функциональной роли в жизни растения.

Наиболее аргументирована к настоящему времени гипотеза, согласно кото­рой соединения вторичного метаболизма в отличие от первичных метаболитов имеют функциональное значение не на уровне клетки, а на уровне целого организма. Скорее всего эти вещества выполняют «экологические» функции, т. е. имеют значение для защиты растения от различных вредителей и патоге­нов; они участвуют в размножении растения (окраска и запах цветков, пло­дов), во взаимодействии растений между собой и другими организмами в эко­системе. Условия окружающей среды для разных видов растений весьма разно­образны, более того, каждый вид растения может «решать» сходные задачи по-своему. Отсюда становится понятным огромное разнообразие соединений вторичного метаболизма растений и уникальность их набора для вида расте­ния, зависимость от фазы развития растения, условий его выращивания. Из «экологических» задач также следует, что многие вторичные метаболиты дол­жны обладать биологической активностью. Действительно, большинство ле­карственных и ядовитых растений обязаны своими свойствами присутствию вторичных метаболитов. Выделение и химический анализ действующих веществ из таких растений показали еще одну особенность вторичных метаболитов: эти соединения, как правило, имеют относительно низкую молекулярную массу (у большинства она не превышает 2,0 — 3,0 кДа).

И, наконец, еще одна черта вторичных метаболитов — они синтезируются из очень небольшого числа предшественников: 7 — 8 аминокислот для алкало­идов, фенилаланин или тирозин для фенольных соединений, мевалоновая кис­лота или 5-оксиксилулоза для изопреноидов.

По химической структуре молекулы отличить вторичные метаболиты от первичных можно далеко не всегда. На рисунке приведены некоторые примеры первичных и вторичных метаболитов.

Рис. 1. Структуры кампестерина (первичный метаболит), экдизона и протопанаксатриола (вторичные метаболиты)

Фитостерины (ситостерин, кампестерин, стигмастерин) — обязательные компоненты мембран растительной клетки, и, следовательно, — типичные первичные соединения. Экдистероиды (гормоны линьки насекомых) — вторичные метаболиты, они присутствуют лишь у не­которых видов растений. Эти вещества, как полагают, участвуют в защите ра­стений от насекомых. Протопанаксатриол является агликоном гинзенозидов — вторичных метаболитов женьшеня, присутствующих только в роде Рапах и в большой степени отвечающих за его биологическую активность. В то же время структуры молекул этих соединений похожи и отличаются только числом и расположением метальных и гидроксильных групп. Структуры белковых аминокислот (первичные метаболиты) и небелковых аминокислот (типичные вто­ричные метаболиты) часто отличаются лишь наличием или отсутствием метильной, гидроксильной либо другой функциональной группы.

На основе анализа литературы можно сформулировать четыре признака вто­ричных метаболитов:

1) присутствие не во всех растениях;

2) наличие биологической активности;

3) относительно низкий молекулярный вес;

4) небольшой набор исходных соединений для их синтеза.
Это именно признаки вторичных метаболитов, поскольку каждый из них, в общем-то, не обязателен. Ряд вторичных метаболитов найден практически во всех растениях (например, многие фенилпропаноиды); достаточно много вто­ричных метаболитов без выраженной биологической активности (хотя не ис­ключен вариант, что ее просто не обнаружили); известны высокомолекуляр­ные вторичные метаболиты (например, каучук и гуттаперча).

Однако совокуп­ность указанных признаков достаточно четко очерчивает крут вторичных мета­болитов растений.

Наиболее обоснованно отнести соединение к первичным или вторичным метаболитам можно только после выяснения его роли в жизнедеятельности растения, т.е. на основе его функциональной значимости. Функциональное определение вторичного метаболизма в первом приближении можно дать как метаболизм соединений, имеющих значение на уровне целого организма, но не на уровне клетки.

Принципы классификации вторичных метаболитов, как и названия инди­видуальных соединений, изменялись по мере их изучения. Сейчас можно встре­тить элементы по крайней мере четырех вариантов классификации.

Эмпирическая (тривиальная) классификация. Самый «древний» принцип классификации, основанный на определенных свойствах вторичных метабо­литов. Например, алкалоиды — соединения, имеющие щелочные свойства; сапонины — вещества, образующие при встряхивании пену (от Saponaria — мыльнянка); горечи — соединения с горьким вкусом; эфирные масла — аро­матные летучие вторичные метаболиты. Подобный принцип классификации имеет много недостатков, однако его элементы встречаются до сих пор в силу традиции и длительного употребления.

Вторичные метаболиты получали (и получают) свои названия, как прави­ло, также эмпирически. Чаще всего названия происходят от растения, из кото­рого впервые было выделено соединение. Например, алкалоиды папаверин (Papaver — мак), берберин (Berberis — барбарис), кокаин (Erythroxylum coca — кокаиновый куст). Довольно часто названия связаны с мифологией, историей, личностями и т.д. Например, алкалоид морфин получил свое название в честь бога сна Морфея, алкалоид тебаин — от египетского города Тебаис, рядом с которым в древности был центр по производству наркотиков, каучук в пере­воде с индейского — «слезы дерева».

Подобный способ классификации и формирования названий соединений часто приводит к недоразумениям. Например, биологически активные тритерпеновые гликозиды женьшеня практически одновременно начали изучать в Японии и в России. Японские исследователи предложили их называть гинзенозидами — по видовому названию женьшеня (Рапах ginseng), тогда как русские исследователи — панаксозидами, т.е. по родовому названию. Позже, когда ста­ло ясно, что одни и те же соединения называются по-разному, пришлось пуб­ликовать «таблицы соответствия» гинзенозидов и панаксозидов.
Химическая классификация. Этот вариант классификации основан на при­знаках химической структуры вторичных метаболитов и на данный момент времени наиболее разработан и распространен. Однако и эта классификация не лишена недостатков. Например, алкалоиды по такой классификации — со­единения, имеющие атом азота в гетероцикле. По этому признаку гликоалка-лоиды картофеля или томатов — типичные алкалоиды, однако по способу синтеза, структуре и ряду свойств эти соединения являются изопреноидами.
Биохимическая классификация. Эта классификация базируется на способах биосинтеза вторичных метаболитов. Например, согласно этой классификации упомянутые выше гликоалкалоиды относятся к тритерпеновым псевдоалкало­идам, так как синтезируются, как и стероидные гликозиды, по изопреноидному пути. Это, по-видимому, наиболее объективный вариант классификации. Однако поскольку биохимия вторичного метаболизма еще недостаточно раз­работана, такая классификация находится в периоде становления.
Функциональная классификация. Основана на функциях вторичных метабо­литов в интактном растении. Этот вариант принципиально отличается от предыдущих и должен существовать параллельно с ними. Согласно функциональ­ной классификации в одну группу соединений могут попадать химически раз­ные структуры. Например, фитоалексины (вторичные метаболиты, имеющие защитные функции и синтезирующиеся в ответ на атаку патогена) представ­лены в разных видах фенольными соединениями, изопреноидами, полиацети­ленами и др. Разработка функциональной классификации вторичных метабо­литов только начинается, но она имеет принципиальное значение для физио­логии растений.

Наличие разных вариантов классификации вторичных метаболитов приво­дит к определенным сложностям. В частности, при использовании разных при­знаков, используемых при химической классификации, возможно «перекры­тие» групп вторичных метаболитов. Например, в «фармакогнозии» в качестве действующих веществ многих лекарственных растений выделяют гликозиды (соединения, молекула которых состоит из агликона и углеводного фрагмен­та) в отдельную группу. В то же время по структуре агликона эти гликозиды могут быть отнесены к фенольным соединениям, изопреноидам или другим группам вторичных метаболитов. Еще больше проблем возникает, когда соеди­нение содержит ряд признаков, характерных для разных групп вторичных ме­таболитов (например, пренилированные фенольные соединения). В ряде слу­чаев появляющиеся проблемы можно снять, корректируя химическую класси­фикацию биохимической

В настоящее время известно более десятка групп (классов) вторичных мета­болитов. При этом некоторые группы насчитывают по несколько тысяч индиви­дуальных соединений, тогда как другие — лишь единицы. Так же неравномерно распределены группы в растительном мире. Например, изопреноиды и феноль­ные соединения присутствуют во всех видах растений, тогда как некоторые группы (например, тиофены или ацетогенины) характерны лишь для единичных видов.

Хорошо известны три самые большие группы вторичных метаболитов — алкалоиды, изопреноиды (терпеноиды) и фенольные соединения. Каждая из этих групп состоит из несколько тысяч соединений и подразделяется на многочис­ленные подгруппы. Известно также около десятка менее многочисленных групп вторичных метаболитов: растительные амины, небелковые аминокислоты, цианогенные гликозиды, глюкозинолаты, полиацетилены, беталаины, алкиламиды, тиофены и др. Количество соединений, входящих в эти группы, колеб­лется от единиц до нескольких сотен.

Вторичные метаболиты в растении практически никогда не присутствуют в «чистом виде», они, как правило, входят в состав сложных смесей. Такие сме­си в зависимости от их состава и нахождения в растении часто носят собствен­ные, исторически сложившиеся названия.

Эфирные масла, как правило, представляют из себя смесь легко испаряю­щихся изопреноидов (моно- и сесквитерпенов).

Смолы представлены главным образом дитерпенами.

Камеди состоят преимущественно из полисахаридов, но в их состав часто входят алкалоиды, фенольные соединения.

Слизи — это смесь водорастворимых олиго- и полисахаридов, Сахаров, а так­же небольших количеств фенольных соединений, алкалоидов или изопреноидов.

При анализе структур вторичных метаболитов создается впечатление, что их огромное разнообразие происходит по определенной схеме. Как правило, имеется определенная «базовая» структура, на основе которой образуются мно­гочисленные варианты. При этом можно отметить несколько способов возник­новения таких вариантов.

• Модификации базовой структуры: обычно это либо присоединение, либо замена функциональных групп, изменение степени окисленности молекулы; в качестве функциональных групп часто используются гидроксильные, метильные либо метоксильные группы.

• Образование конъюгатов: присоединение к базовой структуре «унифици­рованных блоков»; чаще всего различных сахаров (моно- или олигосахариды), органических кислот или некоторых групп вторичных метаболитов.

• Конденсация: объединение нескольких одинаковых или различных базо­вых структур, например образование пренилированных фенольных соедине­ний или димерных индольных алкалоидов.

Для разных групп вторичных метаболитов характерны специфические изме­нения структуры. Например, для алкалоидов характерно метоксилирование, но не гликозилирование; для изопреоидов, наоборот, типично гликозилирование, но не метоксилирование; у фенольных соединений наблюдаются оба типа этих модификаций.

Определенные модификации молекул, по-видимому, имеют существенное функциональное значение. Многие из них (в частности, гликозилирование) значительно изменяют биологическую активность молекулы. Очень часто гли­козилирование является универсальным способом перевода активной (функ­циональной) формы вторичного метаболита в неактивную (запасную). По этой причине, видимо, нецелесообразно выделять все гликозиды в отдельную груп­пу вторичных метаболитов.

Пути синтеза большинства вторичных метаболитов установлены достаточно хорошо. В настоящее время интенсивно изучается энзимология вторичного ме­таболизма. На основании имеющейся информации можно сформулировать не­которые закономерности биосинтеза этих соединений. Предшественниками синтеза служит относительно небольшое количество первичных метаболитов. Многие группы вторичных метаболитов могут синтезироваться несколькими путями. Часто этапы синтеза дублированы в разных компартментах клетки (на­пример, пластиды — цитозоль). Синтез четко спланирован и обслуживается набором специальных ферментов, в большинстве случаев весьма специфичных.

Биосинтез алкалоидов. Образование этих веществ тесно связано с общим обменом азота клетки. Для большинства алкалоидов показано, что схемы их синтеза унифицированы, т. е. имеют сходную последовательность реакций. В процессе биосинтеза молекула аминокислоты практически полностью включается в структуру алка­лоида. Синтез алкалоидов разных групп включает одинаковые типы реакций: декарбоксилирование, окислительное дезаминирование, альдольная конденса­ция, но для каждой группы алкалоидов эти реакции осуществляют «собствен­ные» ферменты. На первом этапе синтеза происходит декарбоксилирование аминокислоты при участии соответствующей декарбоксилазы. Образовавшие­ся биогенные амины подвергаются окислительному дезаминированию с учас­тием аминооксидаз. Полученные в результате аминоальдегиды или аминокетоны в результате серии последовательных реакций образуют ключевые гетеро­циклические соединения. Затем происходит модификация базовой структуры с участием разнообразных реакций — гидроксилирования, метилирования и др. В формировании окончательной структуры алкалоида могут принимать участие дополнительные углеродные единицы, например ацетат (в виде ацетил-СоА) или монотерпеновая единица (для сложных индольных алкалоидов). В зависимости от сложности алкалоида его биосинтез включает от трех-четырех до десяти—пятнадцати реакций.

Для целого ряда алкалоидов не только установлена схема синтеза, но оха­рактеризованы и выделены ферменты. Оказалось, что некоторые ферменты синтеза не очень специфичны (в качестве субстратов могут использовать раз­личные соединения), однако в цепочке синтеза обязательно присутствуют высокоспецифичные ферменты, которые используют только один субстрат (или ряд очень близких субстратов) и выполняют очень специфичную реакцию. Например, при синтезе изохинолинов гидроксилирование базовой структуры по каждому положению выполняют разные ферменты. По мере продвижения к заключительным этапам синтеза сродство ферментов к субстрату обычно по­вышается: например, для ряда ферментов синтеза бербериновых алкалоидов К_т составляет менее 1 мкМ. В качестве примера на рис. представлена схема синтеза изохинолиновых алкалоидов.

Рис. 2. Схема биосинтеза изохинолиновых алкалоидов

Биосинтез изопреноидов. Если при синтезе алкалоидов сходная цепочка пре­вращений используется для различных исходных соединений (аминокислот), то синтез колоссального числа изопреноидов происходит из единственного предшественника — изопентенилдифосфата (ИПДФ). Под действием фермен­та изопентенилдифосфатизомеразы, которая сдвигает двойную связь, ИПДФ превращается в диметилаллилдифосфат (ДМАДФ). Далее ИПДФ присоединя­ется к ДМАДФ по двойной связи и образуется С₁₀-соединение — геранилдифосфат. Он служит источником всех монотерпеноидов. Затем к геранилдифосфату присоединяется еще один ИПДФ и образуется С₁₅-соединение фарнезилдифосфат — исходное вещество для синтеза сесквитерпеноидов. Да­лее фарнезилдифосфат может либо присоединить еще одну молекулу ИПДФ с образованием геранилгеранилдифосфата (С₂₀-соединение — источник дитерпеноидов), либо димеризоваться с образованием сквалена (С₃₀-соединение — исходное соединение для всех тритерпеноидов). Наконец, геранилгеранилдифосфат может димеризоваться с образованием фитоина — С₄₀-соединения, источник тетратерпеноидов. Кроме того, к геранилгеранилдифосфату может последовательно присоединиться большое количество ИПДФ, формируя в конечном итоге полиизопреноиды — каучук и гуттаперчу. В результате описан­ных реакций образуется полный гомологический ряд С₅-соединений разной длины. Далее эти алифатические молекулы могут «свернуться» в циклические структуры, причем количество циклов, их размер и типы сочленения могут быть самыми разными. На рис. представлена общая схема синтеза изопре­ноидов.

Синтез базовых изопреноидных структур осуществляют всего два типа фер­ментов — пренилтрансферазы, которые «наращивают» длину изопренои­дов, и циклазы, которые формируют соответствующий циклический скелет молекулы. При этом каждый тип структуры формирует специфическая циклаза. Так как типов циклических структур изопреноидов довольно много, то и количество циклаз должно быть внушительным. К настоящему времени их из­вестно более ста. После формирования базовой структуры (или одновремен­но с этим), происходит ее модификация и «оснащение» функциональными группами.

Рис. 3. Общая схе­ма биосинтеза изопреноидов (Л) и два пути синтеза изопентенилдифосфата (Б) в растениях.

Точками показаны ме­ченые атомы в исходных соединениях и в образо­вавшихся ИПДФ.

Таким образом, биосинтез изопреноидов можно представить себе как свое­образный биохимический «моделист-конструктор». Вначале из унфицированых С₅-модулей изготовляются гибкие линейные конструкции разной длины. Они представляют собой практически идеальный материал для «биохимичес­кого конструирования» и формирования множества вариантов циклических структур.

Долгое время считалось, что во всех организмах исходное соединение для образования изопреноидов — ИПДФ — формируется единственным спосо­бом, а именно из мевалоновой кислоты, которая в свою очередь синтезирует­ся из трех молекул ацетил-СоА. Недавно было установлено, что разные орга­низмы используют различные способы синтеза ИПДФ. В клетках животных и грибов все изопреноиды синтезируются по «классическому» мевалонатному пути. Целый ряд микроорганизмов, в том числе многие цианобактерии и зеле­ные водоросли, используют другой вариант образования ИПДФ. В этом случае его предшественником является 1-дезоксиксилулозо-5-фосфат, который син­тезируется из пирувата и глицеральдегид-3-фосфата. Такой путь синтеза был назван «альтернативным», или «немевалонатным». Оказалось, что растения используют оба варианта образования изопреноидов: в цитозоле синтез идет по классическому пути, а в пластидах — по альтернативному (рис. 3). При этом возможно не только дублирование синтеза изопреноидов в разных ком-партментах клетки, но и разделение по типу синтезируемых структур. Тритерпеноиды (включая стероиды) синтезируются в цитозоле из мевалоната, тогда как дитерпеноиды (включая фитол хлорофилла) и тетратерпеноиды (прежде всего каротиноиды) — в пластидах по альтернативному пути. Моно- и сесквитерпены, вероятно, могут образовываться разными вариантами в зависимости от структуры молекулы и вида растения.

Биосинтез фенольных соединений. К настоящему времени известно два пути образования фенольных соединений — шикиматный (через шикимовую кисло­ту) и ацетатно-малонатный. Основной путь шикиматный, это практически единственный способ формирования ароматического кольца. В качестве исход­ных соединений для синтеза выступают фосфоенолпируват (ФЕП) и эритрозо-4-фосфат. При их конденсации возникает семиуглеродная кислота (2-кето-3-дезокси-7-фосфоарабогептановая), которая затем циклизуется в 5-дегидрохин-ную кислоту. Из дегидрохинной кислоты образуется шикимовая кислота, кото­рая имеет шестичленное кольцо, одну двойную связь, и ее легко перевести в соединения ароматического ряда. Из шикимовой кислоты возможно образова­ние оксибензойных кислот — n-оксибензойной, протокатеховой, галловой. Од­нако основной путь использования шикимовой кислоты — образование через префеновую кислоту ароматических аминокислот фенилаланина и тирозина. Фенилаланин (возможно, в ряде случаев и тирозин) — основной предшествен­ник синтеза фенольных соединений. Дезаминирование фенилаланина осуще­ствляет фермент фенилаланинаммиаклиаза (ФАЛ). В результате образуется ко­ричная кислота, гидроксилирование которой приводит к образованию пара-кумаровой (оксикоричной) кислоты. После дополнительного гидроксилирования и последующего метилирования из нее образуются остальные оксикоричные кислоты.
Оксикоричные кислоты представляют центральное звено синтеза всех фе­нольных соединений клетки. Opтo-кумаровая кислота является предшественником кумаринов. После ряда реакций укорочения алифатической части моле­кулы образуются С₆-С₂- и С₆-С₁ – соединения — это второй путь образования оксибензойных кислот (первый — непосредственно из шикимовой кислоты). Оксикоричные кислоты могут образовывать различные конъюгаты, прежде всего с сахарами, однако основная масса оксикоричных кислот активируется путем взаимодействия с СоА. Два магистральных пути использования СоА-эфиров оксикоричных кислот — синтез лигнинов и синтез флавоноидов. Для синтеза лигнинов СоА-эфиры оксикоричных кислот восстанавливаются до спиртов, которые выступают в качестве мономеров синтеза. При синтезе флавоноидов СоА-производное оксикоричной кислоты взаимодействует с тремя молекула­ми малонил-СоА с образованием халкона. Реакцию катализирует фермент халконсинтаза. Образовавшийся халкон легко преобразуется в флаванон. Из флаванонов за счет реакций гидроксилирования, окисления — восстановления об­разуются другие группы флавоноидов. Затем может происходить модификация молекулы — гликозилирование, метоксилирование и др.

Ацетатно-малонатный путь синтеза фенольных соединений широко распро­странен у грибов, лишайников и микроорганизмов. У растений он является минорным. При синтезе соединений по этому пути ацетил-СоА карбоксилируется с образованием малонилацетил-СоА. Затем происходит каскад аналогич­ных реакций, в результате наращивается углеродная цепь и возникает поли-β-кетометиленовая цепочка. Циклизация поликетидной цепи приводит к образо­ванию различных фенольных соединений. Таким способом синтезируются флороглюцин и его производные, некоторые антрахиноны. В структуре флавонои­дов кольцо В формируется по шикиматному пути (из оксикоричной кислоты), тогда как кольцо А — по ацетатно-малонатному.
В клетке работают два шикиматных пути синтеза флавоноидов — один в пластидах, другой в цитозоле. В этих компартментах находится полный набор изоферментов шикиматного пути, а также ферментов фенольного метаболиз­ма, в том числе ФАЛ и халконсинтазы. Таким образом, в растительной клетке существует две параллельные цепочки синтеза фенольных соединений (анало­гично изопреноидам).

Синтез минорных классов вторичных соединений. Образование этих веществ также изучено достаточно полно. Для многих азотсодержащих соединений ис­ходными веществами являются аминокислоты. Например, синтез цианогенных гликозидов начинается с декарбоксилирования соответствующей амино­кислоты, затем последовательно формируются альдоксим, нитрил и α-гидроксинитрил. На последнем этапе синтеза образуется цианогенный гликозид за счет гликозилирования α-гидроксинитрила при помощи УДФ-глюкозы. Син­тез обычно осуществляет комплекс ферментов: например, для дуррина этот комплекс состоит из четырех ферментов. Гены ферментов клонированы. Транс­генное по двум генам растение арабидопсиса приобрело способность к синтезу цианогенных гликозидов. Синтез беталаинов начинается от тирозина, который гидроксилируется и образуется диоксифенилаланин (ДОФА). ДОФА служит источником для двух фрагментов молекулы бетацианинов — беталамовой кис­лоты и цикло-ДОФА. Объединение этих двух соединений приводит к форми­рованию бетацианинов. При синтезе бетаксантинов беталамовая кислота кон­денсируется с пролином. Серосодержащие вторичные метаболиты обычно син­тезируются из серосодержащих аминокислот.
  Изучение этимологии вторичного метаболизма привело к открытию уди­вительно большого количества различных ферментов, участвующих в этом процессе.

Модификация вторичных метаболитов — источник их поразительного раз­нообразия. Модификация происходит прежде всего в реакциях замещения (их осуществляют ацилтрансферазы), метилирования, гликозилирования. В геноме арабидопсиса обнаружены гены 43 различных ацилтрансфераз. Несколько струк­турно близких ацилтрансфераз используют в качестве субстратов ацил-СоА, в их активном центре содержится консервативный гистидин. Гены ацилтрансфе­раз в геноме собраны в кластеры. Метилтрансферазы представляют собой су­персемейство ферментов, в которое входят О-, С-, N-, S-метилтрансферазы. Они используют в качестве метилирующего субстрата S-аденозинметионин (SAM) и осуществляют метилирование фенилпропаноидов, флавоноидов, алкалоидов, поликетидов, сахаров. С-, N-, S-метилтрансферазы структурно (и, видимо, эволюционно) не связаны, тогда как О-метилтрансферазы имеют сходную первичную структуру и консервативный SAM-связывающий мотив. Гликозилирование осуществляют гликозилтрансферазы, причем существуют три типа ферментов: О-, С-, S-гликозилтрансферазы. Гликозилирование су­щественно изменяет свойства молекулы, прежде всего увеличивает ее раство­римость и снижает токсичность.

Окислительно-восстановительные превращения кардинально изменяют свой­ства молекулы. Эти реакции катализируют окислительно-восстановительные (редокс) ферменты вторичного метаболизма — «метаболические волшебные палочки». У растений обнаружили более 300 цитохром-Р₄₅₀-оксигеназ и более 100 диоксигеназ; при этом следует учесть, что диоксигеназы обычно мультисубстратны и образуют несколько продуктов.