Pentóza fosfátová dráha

Pentofosfátová dráha ( pentózová dráha , hexóza monofosfátový zkrat [1] , Warburg-Dickens-Horeckerova dráha [2] ) je alternativní dráha pro oxidaci glukózy (spolu s glykolýzou a Entner-Doudoroffovou dráhou ), zahrnuje oxidační a neoxidační kroky.

Celková rovnice pentózofosfátové dráhy je:

3 glukóza-6-fosfát + 6 NADP + → 3 CO 2 + 6 (NADPH + H + ) + 2 fruktóza-6-fosfát + glyceraldehyd-3-fosfát [3] .

Následně se glyceraldehyd-3-fosfát přemění na pyruvát za vzniku dvou molekul ATP [2] .

Pentofosfátová dráha je běžná u rostlin a živočichů a u většiny mikroorganismů má pouze pomocnou hodnotu [2] . Enzymy pentózofosfátové dráhy se nacházejí v cytosolu živočišných i rostlinných buněk ; kromě toho se v savčích buňkách nacházejí také v endoplazmatickém retikulu a v rostlinách - v chloroplastech [4] .

Stejně jako glykolýza se zdá, že pentóza fosfátová cesta má velmi starou evoluční historii. Možná, že ve starověkých vodách Archeanu , ještě před vznikem života, probíhaly reakce pentózofosfátového cyklu, katalyzované nikoli enzymy jako v živých buňkách, ale ionty kovů , zejména Fe 2+ [5]. .

Reakce

Jak je uvedeno výše, pentosafosfátová dráha se dále dělí na oxidační a neoxidační kroky. Během oxidačního kroku se glukóza fosforylovaná na glukóza-6-fosfát oxiduje na ribulóza-5-fosfát a tvoří se dva [6] redukované NADPH. V neoxidačním stupni nevznikají redukční ekvivalenty, slouží k syntéze pentóz a zahrnuje reverzibilní přenosové reakce dvou nebo tří uhlíkových fragmentů; v budoucnu mohou být pentózy opět přeměněny na hexózy s nadbytkem pentóz v buňce díky reverzibilitě neoxidačních reakcí pentózofosfátové dráhy [7] . Všechny enzymy zapojené do pentózofosfátové dráhy lze rozdělit do tří enzymových systémů:

Oxidační stadium

Sled reakcí oxidačního stupně pentózofosfátové dráhy je uveden v tabulce [8] [3] :

substráty produkty Enzym Popis
Glukóza-6-fosfát + NADP + → 6-fosfoglukono-δ-lakton + NADPH + H + Glukóza-6-fosfát dehydrogenáza Dehydrogenace. Hydroxylová skupina na prvním uhlíku glukóza-6-fosfátu je přeměněna na karbonylovou skupinu za vzniku laktonu a také se redukuje NADPH.
6-fosfoglukono-δ-lakton + H20 → 6-fosfoglukonát + H + 6-fosfoglukonolaktonáza Hydrolýza
6-fosfoglukonát + NADP + → Ribulóza-5-fosfát + NADPH + CO 2 6-fosfoglukonátdehydrogenáza 6-fosfoglukonátdehydrogenáza katalyzuje jak dehydrogenaci doprovázenou redukcí NADP, tak dekarboxylaci.

Celková rovnice oxidačního stupně:

Glukóza-6-fosfát + 2 NADP + + H20 → ribulóza-5-fosfát + 2 (NADPH + H + ) + CO2 .

Neoxidační stupeň

Obecný sled reakcí neoxidační dráhy je následující [3] [9] :

substráty produkty Enzym
Ribulóza 5-fosfát ⇌ Ribosa-5-fosfát Ribulóza-5-fosfát izomeráza
Ribulóza 5-fosfát ⇌ Xylulóza-5-fosfát Ribulóza-5-fosfát-3-epimeráza
Xylulóza 5-fosfát + ribóza 5-fosfát ⇌ Glyceraldehyd-3-fosfát + sedoheptulóza-7-fosfát transketolase
Sedoheptulóza-7-fosfát + glyceraldehyd-3-fosfát ⇌ Erythroso-4-fosfát + fruktóza-6-fosfát Transaldolase
Xylulosa 5-fosfát + erythrose 4-fosfát ⇌ Glyceraldehyd-3-fosfát + fruktóza-6-fosfát transketolase

Transaldoláza a transketoláza katalyzují štěpení vazby C-C a přenos fragmentů uhlíkového řetězce vyplývající z tohoto štěpení [4] . Transketolase využívá jako koenzym thiaminpyrofosfát (TPP) , což je difosforový ester vitaminu B 1 [10] . Níže jsou schémata reakcí transaldolázy a transketolázy.

Celková rovnice neoxidačního kroku je:

3 ribulóza-5-fosfát → 1 ribóza-5-fosfát + 2 xylulóza-5-fosfát → 2 fruktóza-6-fosfát + glyceraldehyd-3-fosfát.

Reakce oxidační dráhy probíhají pouze tehdy, pokud je redukovaný NADPH buňkou spotřebován , to znamená, že přejde do původního neredukovaného stavu (NADP+). Pokud je potřeba NADPH v buňce nevýznamná, vzniká ribóza-5-fosfát jako výsledek reverzibilních reakcí neoxidačního stupně pentózofosfátové dráhy, kde výchozími činidly jsou metabolity glykolýzy - glyceraldehyd- 3-fosfát a fruktóza-6-fosfát [3] .

Volba glykolýzy nebo pentózofosfátové dráhy buňkou v daném okamžiku je určena jejími potřebami v daném okamžiku a koncentrací NADP + v cytosolu. V nepřítomnosti tohoto akceptoru elektronů nemůže dojít k první reakci pentózofosfátové dráhy. Pokud buňka aktivně spotřebovává NADPH, pak se zvyšuje koncentrace NADP + , díky čemuž se aktivuje glukóza-6-fosfátdehydrogenáza a pentózafosfátová dráha, aby se obnovil oxidovaný NADPH. Když spotřeba NADPH klesá, koncentrace NADP + klesá, pentózofosfátová dráha je pozastavena a glukóza-6-fosfát se účastní glykolýzy [11] .

Pentóza fosfátový cyklus

Z celkové rovnice neoxidačního stupně je vidět, že z pentóz vzniklých při dekarboxylaci hexóza-glukózy pomocí pentózofosfátové dráhy se lze opět vrátit k hexózám. V tomto ohledu představuje oxidační stupeň pentózofosfátové dráhy a další přeměna pentóz na hexózy cyklický proces – pentózofosfátový cyklus . Pentozofosfátový cyklus funguje především pouze v tukové tkáni a játrech . Jeho celková rovnice vypadá takto:

6 glukóza-6-fosfát + 12NADP + 2H 2 O → 12(NADPH + H + ) + 5 glukóza-6-fosfát + 6 CO 2 [10] .

Neoxidační pentóza fosfátová cesta

Přesmyk glukózy na pentózy lze také provést bez odstranění oxidu uhličitého pomocí systému enzymů přesmyku cukru a glykolytických enzymů, které přeměňují glukóza-6-fosfát na glyceraldehyd-3-fosfát. V tomto případě dochází k přeuspořádání následující formy [12] :

2½ С 6 → 3 С 5 .

Při studiu metabolismu červené lipidotvorné kvasinky Rhodotorula gracilis (tyto kvasinky postrádají fosfofruktokinázu a nejsou schopny oxidovat cukry glykolýzou) se ukázalo, že 20 % glukózy je oxidováno podél pentózofosfátové dráhy a 80 % je přeskupené podél neoxidační pentózofosfátové dráhy. V současné době však není známo, jak přesně v tomto případě tříuhlíkové sloučeniny vznikají, pokud je glykolýza nemožná [12] .

Úpravy

Několik studií provedených s radioaktivně značenou glukózou potvrdilo výše popsanou chemii pentózofosfátové dráhy. Bylo však navrženo, že určité odchylky od přeskupení cukrů v pentózofosfátové dráze se vyskytují v játrech, zejména tvorba arabinóza 5-fosfátu, oktuóza bisfosfátu a oktuóza 8-fosfátu z ribóza-5-fosfátu, nicméně mnoho výzkumníků naznačuje, že význam těchto dodatečných reakcí je zanedbatelný [12] .

Distribuce a biologický význam

Jak bylo uvedeno výše, pentosafosfátová dráha existuje u zvířat, rostlin a mikroorganismů. Ve všech buňkách tato dráha slouží k tvorbě redukovaného NADPH, který se využívá jako donor vodíku při redukčních a hydroxylačních reakcích , a také poskytuje buňkám ribóza-5-fosfát [13] . Přestože NADPH vzniká také při oxidaci malátu na pyruvát a oxid uhličitý, stejně jako při dehydrogenaci isocitrátu , ve většině případů jsou potřeby buněk v redukujících ekvivalentech uspokojeny právě pentózofosfátovou cestou [3] . V některých případech je však tvorba ribóza-5-fosfátu jediným účelem pentózofosfátové dráhy [4] . Ribose-5-fosfát slouží jako prekurzor 5-fosforibosyl-1-pyrofosfátu (PRPP), který se podílí na biosyntéze nukleotidů a nukleových kyselin , aminokyselin histidinu a tryptofanu . Další meziprodukt pentózofosfátové dráhy, erythrose 4-fosfát, kondenzuje s fosfoenolpyruvátem za vzniku společné části biosyntetické dráhy tryptofanu , fenylalaninu a tyrosinu [14] .

Pentos fosfátová dráha může fungovat v játrech, tukové tkáni, prsu během laktace , varlatech [3] , kůře nadledvin , erytrocytech . V těchto tkáních a orgánech aktivně probíhají hydroxylační a redukční reakce, např. při syntéze mastných kyselin , cholesterolu , neutralizaci xenobiotik v játrech a reaktivních forem kyslíku v erytrocytech a dalších tkáních, takže mají velkou potřebu pro redukční ekvivalenty, včetně NADPH. Zejména v erytrocytech se neutralizace reaktivních forem kyslíku provádí antioxidantem glutathionem  , tripeptidem obsahujícím síru . Glutathion, který je oxidován, přeměňuje reaktivní formy kyslíku na neaktivní, avšak NADPH + H + je zapotřebí k přeměně glutathionu zpět na redukovanou formu . Při defektu glukózo-6-fosfátdehydrogenázy v erytrocytech dochází k agregaci protomerů hemoglobinu , čímž erytrocyty ztrácejí svou plasticitu a pro jejich fungování je nezbytný normální provoz pentózofosfátové dráhy [15] . Je zajímavé, že některé poruchy aktivity (ale nikoli funkce) glukózo-6-fosfátdehydrogenázy jsou spojeny s rezistencí na Plasmodium falciparum malarické Plasmodium falciparum mezi přistěhovalci z Afriky a Středomoří , protože kvůli slabší membráně , červené krvinky, ve kterých plasmodium stráví část svého životního cyklu, nemůže zajistit jeho efektivní reprodukci [16] . Kromě erytrocytů byla vysoká aktivita glukózo-6-fosfátdehydrogenázy nalezena ve fagocytujících leukocytech , kde enzym NADPH oxidáza využívá redukovaný NADPH k vytvoření superoxidového iontu z molekulární formy kyslíku [3] .

Jak je uvedeno výše, fungování transketolázy vyžaduje thiaminpyrofosfát (TPP), který se tvoří z thiaminu ( vitamin B1 ). Mutace genu pro transketolázu, jejichž výsledkem je enzym se sníženou afinitou k TPP (jedna desetina normální aktivity), činí lidský organismus citlivějším na nedostatek thiaminu v potravě. I při mírném deficitu TPP je u těchto jedinců pentózofosfátová dráha významně zpomalena. Takové mutace zhoršují symptomy Wernicke-Korsakoffova syndromu  , onemocnění způsobeného závažným nedostatkem thiaminu [11] .

U rostlin se reakcemi pentózofosfátové dráhy v opačném směru tvoří reduktivní pentózofosfátová dráha, která je základem temných (tedy cukrotvorných) reakcí fotosyntézy [8] . Pro některé ekologické skupiny rostlin může mít zvláštní význam pentózafosfátová dráha. Na rozdíl od zvířat tedy kvetoucí rostlina Craterostigma plantagineum akumuluje velké množství 2-oxo-oktulózy. Tato rostlina je schopna odolat silné dehydrataci a rychle obnovit zásoby vody a vrátit se k normálnímu metabolismu během několika hodin. Při dehydrataci se většina oktulosy přemění na sacharózu . Ukázalo se, že tato rostlina má velké množství genů kódujících transketolázu, které mohou hrát klíčovou roli při interkonverzích cukrů [12] .

Mnoho bakterií postrádá cyklickou variantu pentózové fosfátové dráhy a pentózová fosfátová dráha se používá k vytvoření pentóz a NADPH, podobně jako u eukaryot . Neoxidační reakce pentózofosfátové dráhy mohou být také použity v metabolismu glukonátu . Pentozofosfátový cyklus funguje u mnoha sinic, protože nemají úplný Krebsův cyklus (nejsou schopny oxidovat acetyl-CoA ) a biosyntetické dráhy začínají přeměnou triózových fosfátů. Ze stejného důvodu některé octové bakterie ( Gluconobacter spp.) provádějí pentózofosfátový cyklus a při něm syntetizované triózofosfáty se oxidují pouze na acetát , který se uvolňuje do vnějšího prostředí. Konečně, některé bakterie ( Thiobacillus novellus a Brucella abortus ) používají pentózofosfátovou dráhu jako hlavní způsob oxidace cukru, nahrazující glykolýzu a Entner-Doudoroffovu dráhu [17] .

Nařízení

Osud glukóza-6-fosfátu – ať už vstoupí do glykolýzy nebo pentózofosfátové dráhy – je dán aktuálními potřebami buňky a také koncentrací NADP + v cytosolu. Bez přítomnosti akceptoru elektronů neproběhne první reakce pentózofosfátové dráhy (katalyzovaná glukózo-6-fosfátdehydrogenázou). Když buňka rychle konvertuje NADPH na NADP + v biosyntetických redukčních reakcích, hladiny NADP + stoupají, alostericky stimulují glukózo-6-fosfátdehydrogenázu a tím zvyšují proud glukóza-6-fosfátu pentózofosfátovou cestou. Když se spotřeba NADPH zpomalí, hladina NADP + se sníží a glukóza-6-fosfát je glykolyticky využit [11] .

Historie studia

Příběh o objevu pentózofosfátové dráhy začal, když bylo zjištěno, že některé běžné inhibitory glykolýzy (např. jodoacetát, fluorid) nemění příjem glukózy. Spolu s tím Otto Warburg objevil NADPH a popsal oxidaci glukóza-6-fosfátu na kyselinu 6-fosfoglukonovou. Navíc se ukázalo, že glukóza značená izotopem14C na C- 1 byla přeměněna na14C02 rychleji než značená na C-6 . Pokud by ke konverzi glukózy docházelo pouze během glykolýzy, pak by se 14 CO 2 rovnoměrně tvořil z glukózy značené jak C-1, tak C-6. Byla tedy prokázána možnost využití glukózy jinou alternativní cestou než je glykolýza [18] . Kompletní sekvence reakcí pentózofosfátové dráhy, včetně reakcí transketolázy a transaldolázy, byla publikována v roce 1955 I. C.  Gunsalusem a W. A. ​​​​Woodem [ 19 ] . 

Poznámky

  1. ↑ Pentóza fosfátová cesta – článek z Biologického encyklopedického slovníku
  2. ↑ 1 2 3 Netrusov, Kotová, 2012 , str. 123.
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Biochemie: Pentozofosfátová cesta konverze glukózy (nepřístupný odkaz) . Získáno 14. července 2014. Archivováno z originálu 30. července 2013. 
  4. ↑ 1 2 3 Metzler, 2003 , str. 964.
  5. ↑ Keller MA , Turchyn AV , Ralser M. Neenzymatická glykolýza a reakce podobné pentózofosfátové dráze v věrohodném archejském oceánu.  (anglicky)  // Biologie molekulárních systémů. - 2014. - Sv. 10. - S. 725. - PMID 24771084 .
  6. ↑ Nelson, Cox, 2008 , str. 560.
  7. ↑ Severin, 2011 , str. 271-272.
  8. ↑ 1 2 3 Metzler, 2003 , str. 963.
  9. ↑ Metzler, 2003 , str. 964-965.
  10. ↑ 1 2 Severin, 2011 , str. 272.
  11. ↑ 1 2 3 Nelson, Cox, 2008 , str. 563.
  12. ↑ 1 2 3 4 Metzler, 2003 , str. 965.
  13. ↑ Severin, 2011 , str. 271.
  14. ↑ Nelson, Cox, 2008 , str. 861.
  15. ↑ Severin, 2011 , str. 272, 274.
  16. ↑ Cappadoro M. , Giribaldi G. , O'Brien E. , Turrini F. , Mannu F. , Ulliers D. , Simula G. , Luzzatto L. , Arese P. Časná fagocytóza glukózo-6-fosfátdehydrogenázy (G6PD) -deficientní erytrocyty parazitované Plasmodium falciparum mohou vysvětlit ochranu proti malárii u deficitu G6PD.  (anglicky)  // Krev. - 1998. - Sv. 92, č.p. 7 . - S. 2527-2534. — PMID 9746794 .
  17. ↑ Moderní mikrobiologie / Ed. J. Lengeler, G. Drews, G. Schlegel. - M .: Mir, 2005. - T. 1. - S. 266-267. — 654 s.
  18. ↑ Keshav Trehan. biochemie. - New Delphi: New Age International, 1990. - S. 301. - 580 s. — ISBN 81-224-0248-8 .
  19. ↑ Bernard L. Horecker. Pentose Phosphate Pathway  // The Journal of Biological Chemistry. - 2002. - T. 277 . - S. 47965-47971 . doi : 10.1074 / jbc.X200007200 .

Literatura

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie