Пентозофосфатный цикл

Пентозофосфатный путь окисления глюкозы и его значение

В этой статье мы рассмотрим один из вариантов окисления глюкозы – пентозофосфатный путь. Будут разобраны и описаны варианты протекания этого явления, способы его осуществления, потребность в ферментах, биологическое значение и история открытия.

Знакомство с явлением

Пентозофосфатный путь – это один из способов окисления С6Н12О6 (глюкозы). Состоит из окислительной и неокислительной стадии.

Общее уравнение процесса:

3глюкозо-6-фосфат+6НАДФ-à3CO2+6(НАДФН+Н-)+2фруктозо-6-фосфат+глицеральдегид-3-фосфат.

После прохождения окислительного пентозофосфатного пути молекула гицеральдегида-3-фосфата преобразовывается в пируват и образует 2 молекулы аденозинтрифосфорной кислоты.

Пентозофосфатный путь окисления глюкозы подобен процессу гликолиза и имеет чрезвычайно длинный эволюционный путь. Вероятно, в водной среде архея, до появления жизни в современном ее понимании, протекали реакции, имеющие именно пентозофосфатную природу, но катализатором такого цикла был не фермент, а металлические ионы.

Как было отмечено ранее, пентозофосфатный путь различает в себе два этапа, или цикла: окислительный и неокислительный. В результате на окислительной части пути происходит окисление С6Н12О6 от глюкозо-6-фосфата до рибулозо-5-фосфата, в конечном итоге происходит восстановление НАДФН.

Суть неокислительного этапа заключается в помощи для синтеза пентозы и включения себя в обратимую реакцию перенесения 2-х – 3-х углеродных «кусочков». Далее может вновь происходить переведение пентоз в состояние гексоз, что обуславливается переизбытком самой пентозы.

Катализаторы, участвующие в данном пути, делятся на 3 ферментативные системы:

1. система дегидриро–декарбоксилирования;
2. система изомеризующего типа;
3. система, предназначенная для перенастройки сахаров.

Реакции, сопровождаемые окислением и без него

Окислительная часть пути представлена в следующем уравнении:

Глюкозо6фосфат+2НАДФ++Н2Оàрибулозо5фосфат+2 (НАДФН+Н+)+СО2.

В неокислительном этапе имеются два катализатора в форме трансальдолазы и транскетолазы. Они ускоряют разрыв связи С-С и перенесение углеродных фрагментов цепи, которые образуются в результате этого разрыва. Транскетолаза эксплуатирует кофермент тиаминпирофосфата (ТРР), который представляет собой витаминовые эфиры (В1) дифосфорного типа.

Общая форма уравнения этапа в неокислительном варианте:

3 рибулозо5фосфатà1 рибозо5фосфат+2 ксилулозо5фосфатà2 фруктозо6фосфат+глицеральдегид3фосфат.

Наблюдать окислительную разновидность пути можно тогда, когда НАДФН используется клеткой или другими словами, когда оНАДФН переходит в стандартное положение в невосстановленной форме.

Использование реакции гликолиза или описанного пути зависит от количества концентрации НАДФ+ в толще цитозола.

Цикл пути

Подводя итоги, полученные благодаря анализу общего уравнения пути неокислительного варианта, мы видим, что пентозы могут возвращаться от гексозов в моносахариды глюкозы, используя пентозофосфатный путь.

Последующее преображение пентозы в гексоз составляет пентозофосфатный циклический процесс. Рассматриваемый путь и все его процессы сосредоточены, как правило, в жировых тканях и печени.

Суммарно уравнение можно описать как:

6 глюкозо-6-фосфат+12надф+2Н2Оà12(НАДФН+Н+)+5 глюкозо-6фосфат+6 CO2.

Неокислительный тип пентозофосфатного пути

Неокислительный этап пентозофосфатного пути может совершать перестройку глюкозы без отсоединения CO2, что возможно благодаря ферментативной системе (она перестраивает сахара и ферменты гликолитической природы, которые переводят глюкозо-6-фосфат в состояние глицеральдегид-3-фосфата).

При изучении метаболизма дрожжей, образующих липиды (у которых отсутствует фосфофруктокиназа, что не дает им возможности окислять моносахариды С6Н12О6 при помощи гликолиза) выяснилось, что глюкоза в величине 20% подвергается окислению при помощи пентозофосфатного пути, а остальные 80% подвергаются перенастройке на неокислительном этапе пути. В настоящее время неизвестным остается ответ на вопрос, как конкретно образуется 3-х углеродное соединение, которое может создаваться лишь при гликолизе.

Функция для живых организмов

Значение пентозофосфатного пути у животных и растительных организмов, а также микроорганизмов практически одинакова Все клетки совершают этот процесс с целью образовать восстановленный вариант НАДФН, что будет использоваться в качестве водородного донора в реакции восстановительного типа и гидроксилировании. Еще одна функция – это обеспечение клеток рибозо-5-фосфатом. Несмотря на то, что НАДФН может образоваться и в результате окисления малата с созданием пирувата и СО2, и в случае дегидрирования изоцитрата, получение эквивалентов восстановительного характера происходит благодаря пентозофосфатному процессу. Еще одним из интермедиатов этого пути является эритрозо-4-фосфат, который, подвергаясь конденсации с фосфоенолпируватами, кладет начало образованию триптофанов, фенилаланинов и тирозинов.

Функционирование пентозофосфатного пути наблюдается у животных в органах печени, молочных железах во время лактации, семенниках, коре надпочечников, а также в эритроцитах и жировых тканях.

Это вызвано наличием активно проходящих реакций гидроксилирования и регенерации, например, во время синтеза кислот жирного типа, также наблюдается во время уничтожения ксенобиотиков в тканях печени и активной кислородной формы в клетках эритроцитов и остальных тканях.

Подобные процессы вызывают высокую потребность в разнообразных эквивалентах, включая НАДФН.

Это соединение, подвергаясь окислению, переводит водородный пероксид в Н2О, но обратный переход от глутатиона в восстановленную вариацию возможен при наличии НАДФН+Н+.

Если в клетке имеется дефект глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, то можно наблюдать агрегацию гемоглобиновых промотеров, вследствие чего эритроцит утрачивает свою пластичность. Их нормальное функционирование возможно лишь при полноценной работе пентозофосфатного пути.

Растительный пентозофосфатный путь обратного порядка создает основу для протекания темновой фазы фотоситнеза. Помимо этого, некоторые растительные группы во многом зависят от данного явления, которое может обуславливать, например, быстрое взаимопревращение сахаров и т.д.

Роль пентозофосфатного пути для бактерий заключена в реакциях метаболизма глюконатов. Цианобактерии используют данный процесс в силу отсутствия полноценного цикла Кребса. Другие бактерии эксплуатируют это явление для подвергания окислению различных сахаров.

Процессы регуляции

Регуляция пентозофосфатного пути зависит от наличия потребности в глюкозо-6-фосфате клеткой и уровнем концентрации НАДФ+ в жидкости цитозоля. Именно эти два фактора предопределят, будет ли вышеупомянутая молекула вступать в реакции гликолиза или на путь пентозофосфатного типа. Отсутствие электронных акцепторов не позволит первым этапам пути протекать.

При быстром переводе НАДФН в НАДФ+ поднимается уровень концентрации последнего. Происходит аллостерическое стимулирование глюкозо6фосфатдегидрогеназы и вследствие этого увеличивается количество потока глюкозо-6-фосфата при помощи пути пентозофосфатного типа. Замедление потребления НАДФН приводит к снижению уровня НАДФ+, а глюкозо-6-фосфат подвергается утилизации.

Исторические данные

Свой путь исследований пентозофосфатный путь начал благодаря тому, что было обращено внимание на отсутствие изменения потребления глюкозы ингибиторами гликолиза общего типа. Практически одновременно с данным событием О.

Варбург совершил открытие НАДФН и занялся описанием окисления глюкозо-6-фосфатов до 6-фосфоглюконовых кислот. К тому же было доказано, что С6Н12О6, отмеченная изотопами 14С (пометка по С-1), переходила в 14СО2 относительно скорее, чем эта же молекула, но отмеченная С-6.

Именно это показало важность процесса утилизации глюкозы при помощи альтернативных путей. Эти данные были опубликованы И.К. Гансалусом в 1995.

Заключение

И так, мы видим, что рассматриваемый путь используется клетками как альтернативный способ окисления глюкозы и делится на два варианта, в которых он может протекать.

Данное явление наблюдается у всех форм многоклеточных организмов и даже у многих микроорганизмов.

Выбор способов окисления зависит от разнообразных факторов, наличия определенных веществ в клетке на момент протекания реакции.

Пентозофосфатный путь

Пентозофосфатный путь(ПФШ,гексозомонофосфатный шунт,фосфоглюконатний путь) — метаболический путь превращения глюкозы, необходимый для получения восстановительных эквивалентов НАДФH, используемых в процессах биосинтеза многих веществ, в частности жирных кислот и холестерина, и рибозо-5-фосфата, который является важным предшественником в образовании нуклеотидов. Происходит в цитоплазме клеток прокариот, грибов, растений и животных.

В фотосинтезирующих организмов пентозофосфатный путь имеет много общих ферментов с циклом Кальвина.

История исследования

Первые свидетельства о существовании пентозофосфатного пути получил Отто Варбург в 1930-х годах. Он изучал окисления глюкозо-6-фосфата до 6 фосфоглюконат и открыл НАДФ +.

Дальнейшие наблюдения показали, что клеточное дыхание продолжается даже в присутствии высоких концентраций фторидов, несмотря на то, что эти соединения ингибируют фермент енолазы, блокируя гликолиз.

В 1950-х годах Фрэнк Дикенс, Бернард Горекер, Фриц Липманн и Эфраим Рекер описали пентозофосфатный путь.

Биологическое значение и локализация

ПФШ происходит в цитозоле клеток, он несколько биологических функций.

Одной из них является производство рибозо-5-фосфата, который используется для синтеза нукелотидив, которые входят в состав РНК и ДНК, а также коферментов, таких как АТФ, НАД, ФАД, кофермент А.

Поэтому ПФШ активно функционирует в клетках быстро делятся: костного мозга, кожи, слизистой оболочки кишечника, а также опухолей.

Другие моносахариды, образующиеся в ПФШ также могут использоваться клетками, например, во многих микроорганизмов эритроза-4-фосфат включается в метаболические пути биосинтеза ароматических аминокислот и витамина B 6.

Рибулозо-5-фосфат может превращаться в рибулозо-1,5-бисфосфат, который является акцептором углекислого газа в процессе фотосинтеза.

Бактерии, растущие на среде богатом пентозы, используют пентозофосфатный путь с целью получения гексоз, например глюкозы необходимой для синтеза пептидогликана.

Ферменты этого метаболического пути очень распространены в тканях, где интенсивно происходит биосинтез жирных кислот (печень, молочные железы во время лактации, жировая ткань) или холестерина и других стероидов (печень, половые железы, кора надпочечников).

Например, было установлено, что 30% окисления глюкозы в печени происходит пентозофосфатного пути.

ПФШ также активно протекает в клетках, которые постоянно находятся в прямом контакте с кислородом: эритроцитах и ​​клетках роговицы и хрусталика.

Здесь он нужен для поддержания восстановительного среды (высокого соотношения НАДФH / НАДФ + и восстановленный глутатион / окисленный глутатион), которое может противодействовать окислительному повреждению ненасыщенных жирных кислот (перикисного окисенню липидов), белков и других чувствительных молекул.

Реакции пентозофосфатного пути

Общая реакция пентозофосфатного пути выглядит так:

3 глюкозо-6-фосфат + 6 НАДФ + + 3 H 2 O → 6 НАДФH (H +) + 3 CO 2 + 2 фруктозо-6-фосфат + глицеральдегидфосфат;

Пентозофосфатный путь разделяют на две стадии:

1. Оксинювальна, в ходе которой глюкозо-6-фосфат дегидрогенизуеться и декарбоксилируется с образованием НАДФH и рибулозо-5-фосфата, изомеризуется к рибозо-5-фосфата;
2. Неокислительный, в реакциях которой рибулозо-5-фосфат превращается в промежуточных продуктов гликолиза.

Некоторые авторы выделяют в пентозофосфатному пути три этапа разделяя неокислительный стадию на две:

1. Реакции изомеризации и епимеризации, в которых рибулозо-5-фосфат превращается в рибозо-5-фосфат и ксилулозо-5-фсофат;
2. Серия реакций расщепления и образования CC связей, в результате которых два молекулы ксилулозо-5-фосфата и молекула рибозо-5-фосфата превращаются в двух молекул фруктозо-6-фосфата и одной молекулы глицеральдегид-3-фосфата.

Все реакции неокислительный стадии обратимы, поэтому общий выход пентозофосфатного пути очень отличается в зависимости от потребностей клетки. Например, когда есть необходимость в большом количестве рибозо-5-фосфата, стадия 3 действует в обратном порядке, то есть производит это вещество с фруктозо-6-фосфата и глицеральдегид-3-фосфата.

Окислительные реакции пентозофосфтаного пути

Первая реакция пентозофосфтаного пути — окисления глюкозо-6-фосфата в внутримолекулярного эфира 6-фосфоглюконо-δ-лактона, что происходит в результате переноса гидрид иона на НАДФ +.

Катализирует этот процесс фермент глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, сильно ингибируется восстановленным НАДФH.

Фермент высокоспецифичный к НАДФ +, константа Михаэлиса для НАД + примерно в 1000 раз выше, чем для НАДФ +.

Так что на этой стадии пентозофосфтаного шялху на каждую молекулу глюкозо-6-фосфата, вступает в него восстанавливаются две молекулы НАДФ +.

В некоторых тканях ПФШ заканчивается реакцией преобразования рибулозо-5-фосфата в рибозо-5-фосфата и имеет общее ривнння:

Глюкозо-6-фосфат + 2НАДФ + H 2 O → рибозо-5-фосфат + НАДФH (H +) + CO 2

Однако часто рибулозо-5-фосфат превращается в серии реакций в промежуточных продуктов гликолиза.

Неокислительный стадия ПФШ

Основан в первой стадии петозофосфатного пути рибулозо-5-фосфат дальше может подлежать действия фермента фосфопентоизмоеразы (рибулозо-5-фосфатизомеразы), что превращает его в рибозо-5-фосфат, или фосфопентоепимеразы (рибулозо-5-фосфатепимеразы), которая осуществляет реакцию образования ксилулозо -5-фосфата. Обе реакции происходят через енедиолатни промежуточные соединения.

Рибозо-5-фосфат необходим для синтеза нуклеотидов, однако, когда в клетке его производится больше чем нужно, он вместе с ксилулозо-5-фосфатом превращается в промежуточные продукты гликолиза (фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат).

Преобразование трех C5 моносахаридов до двух C6 и одного C3 происходит благодаря ферментам транскетолаза и трансальдолази.

Они имеют схожий механизм действия, заключается в генерировании стабилизированного карбанионы и его присоединения к электрофильного центра, такого как альдегидная группа.

Транскетолаза катализирует перенос C2 фрагмента от ксилулозо-5-фосфата в рибозо-5-фосфата, в результате чего образуется глицеральдегид-3-фосфат и седогептулозо 7-фосфат. В качестве кофактора используется тиаминпирофосфат.

Трансальдолазна реакция заключается в переносе C3 фрагмента с седогептулозо 7-фосфата на глицеральдегид-3-фосфат с образованием фруктозо-6-фосату и эритроза-4-фосфата.

Следующую реакцию снова катализирует транскетолаза, что переносит C2 фрагмент из еще одной молекулы ксилулозо-5-фосфата на эритроза-4-фосфат. Продуктами есть вторая молекула фруктозо-6-фосфата и глицеральдегид-3-фосфат.

В таком случае одна молекула глюкозо-6-фосфата за 6 циклов пентозофосфатного пути полностью превращается в углекислый газ, сопровождается синтезом 12 молекул восстановленного НАДФ.

Общее уравнение процесса будет выглядеть так:

Глюкозо-6-фосфат + 12НАДФ + + 7H 2 O → 6CO 2 + 12НАДФH (H +) + Ф н.

Регулирование пентозофосфатного пути

Глюкозо-6-фосфат может вступать как в гликолиз, так и в пентозофосфатный путь, его распределение между этими двумя путями зависит от концентрации НАДФ +, которая влияет на скорость первой реакции ПФШ.

Дегидрогенизация глюкозо-6-фосфата является необратимой и лимитирующей стадией, она ингибируется низкими концентрациями НАДФ + нужного в качестве акцептора электронов.

Когда клетка активно использует НАДФH, уровень НАДФ + возрастает и он аллостерический активирует глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы.

Скорость неокислительный стадии ПФШ в основном регулируется доступностью субстратов.

Протекания пентозофосфатного пути и его связь с гликолиза и глюконеогензом сильно зависит от потребностей клетки в конкретный момент. Возможны четыре ситуации:

Недостаток фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы

Самым распространенным среди всех метаболических заболеваний человека является недостаток первого фермента пентозофосфатного пути — глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы.

Пониженный уровень этого фермента наблюдается в более 400000000 людей по всему миру, однако преимущественно эта аномалия никак не проявляется.

Клинические симптомы в форме разрушения эритроцитов, сопровождающееся желтухой и в некоторых случаях почечной недостаточностью, появляются только когда заболевший становится объектом воздействия определенных факторов среды.

Симптомы, похожие на тех, что возникают под влиянием противомалярийных препаратов, у людей с недостатком глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы могут вызываться и употреблением конских бобов, заболевание, возникающее при этом, называется фавизм. Известно, что греческий философ Пифагор запрещал своим последователям есть бобы.

Противомалярийные препараты, такие как памахин и примахин, пуриновый гликозид Вицин с конских бобов, некоторые сульфаниламидные препараты и гербициды действуют по одинаковому принципу — вызывают оксидативный стресс, путем увеличения уровня активных форм кислорода.

Особенно чутилвиы к такому воздействию является эритроциты, поскольку в них отсутствуют митохондрии, однако в красных кровяных тельцах здорового человека пагубный эффект активных форм кислорода выводится благодаря восстановленному глутатиона.

Чтобы регенерировать восстановленный глутатион с его окисленной формы, необходимый НАДФH, который образуется глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы в первой реакции пентозофосфатного пути.

У лиц с пониженным уровнем этого фермента эритроциты не имеют эффективной защиты против оксидативного стресса, и поэтому разрушаются под воздействием упомянутых веществ.

Поскольку к активным формам кислорода очень чувствительным также и клетки малярийного плазмодия, недостаток глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы также обеспечивает устойчивость против одного из видов этого паразита — Plasmodium falciparum. Об этом свидетельствует распространение метаболического заболевания: оно наиболее распространено в тропической Африке, на Среднем Востоке и в Юго-Восточной Азии, где наблюдаются самые высокие уровни заболевания малярией.