Пентозофосфатный путь

Эта статья находится на начальном уровне проработки, в одной из её версий выборочно используется текст из источника, распространяемого под свободной лицензией
Материал из энциклопедии Руниверсалис
Пентозофосфатный путь

Пентозофосфа́тный путь (пентозный путь, гексозомонофосфатный шунт[1], путь Варбурга — Диккенса — Хорекера[2]) — альтернативный путь окисления глюкозы (наряду с гликолизом и путём Энтнера — Дудорова), включает в себя окислительный и неокислительный этапы.

Суммарное уравнение пентозофосфатного пути:

3 глюкозо-6-фосфат + 6 НАДФ+ → 3СО2 + 6 (НАДФH + Н+) + 2 фруктозо-6-фосфат + глицеральдегид-3-фосфат[3].

В дальнейшем глицеральдегид-3-фосфат превращается в пируват с образованием двух молекул АТФ[2].

Пентозофосфатный путь распространён у растений и животных, а у большинства микроорганизмов имеет только вспомогательное значение[2]. Ферменты пентозофосфатного пути располагаются в цитозоле и животных, и растительных клеток; кроме того, в клетках млекопитающих они располагаются также в эндоплазматическом ретикулуме, а у растений — в хлоропластах[4].

Подобно гликолизу, пентозофосфатный путь, по-видимому, имеет очень древнюю эволюционную историю. Возможно, в древних водах архея ещё до возникновения жизни происходили реакции пентозофосфатного цикла, катализируемые не ферментами, как в живых клетках, а ионами металлов, в частности, Fe2+[5].

Реакции

Как отмечалось выше, пентозофосфатный путь подразделяется на окислительный и неокислительный этапы. В ходе окислительного этапа глюкоза, фосфорилируемая до глюкозо-6-фосфата, окисляется до рибулозо-5-фосфата[англ.], и при этом образуется два[6] восстановленных NADPH. В ходе неокислительного этапа восстановительные эквиваленты не образуются, он служит для синтеза пентоз и включает в себя обратимые реакции переноса двух или трёх углеродных фрагментов; в дальнейшем пентозы вновь могут быть переведены в гексозы при избытке пентоз в клетке за счёт обратимости неокислительных реакций пентозофосфатного пути[7]. Все ферменты, задействованные в пентозофосфатном пути, можно подразделить на три системы ферментов:

Окислительный этап

Последовательность реакций окислительного этапа пентозофосфатного пути представлена в таблице[8][3]:

Субстраты Продукты Фермент Описание
Глюкозо-6-фосфат + NADP+ → 6-фосфоглюконо-δ-лактон[англ.] + NADPH+H+ Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа Дегидрирование. Гидроксильная группа при первом атоме углерода глюкозо-6-фосфата превращается в карбонильную, образуя лактон, при этом также происходит восстановление NADPH.
6-Фосфоглюконо-δ-лактон + H2O → 6-фосфоглюконат[англ.] + H+ 6-Фосфоглюконолактоназа[англ.] Гидролиз
6-Фосфоглюконат + NADP+ → Рибулозо-5-фосфат + NADPH + CO2 6-Фосфоглюконатдегидрогеназа[англ.] 6-Фосфоглюконатдегидрогеназа катализирует и дегидрирование, сопровождающееся восстановлением NADP, и декарбоксилирование.

Суммарное уравнение окислительного этапа:

Глюкозо-6-фосфат + 2 NADP+ + H2O → рибулозо-5-фосфат + 2 (NADPH + H+) + CO2.
Окислительный этап пентозофосфатного пути. 1 — глюкозо-6-фосфат; 2 — 6-фосфоглюконо-δ-лактон; 3 — 6-фосфоглюконат; 4 — рибулозо-5-фосфат

Неокислительный этап

Общая последовательность реакций неокислительного пути такова[3][9]:

Субстраты Продукты Фермент
Рибулозо-5-фосфат ⇌ Рибозо-5-фосфат Рибулозо-5-фосфатизомераза
Рибулозо-5-фосфат ⇌ Ксилулозо-5-фосфат[англ.] Рибулозо-5-фосфат-3-эпимераза
Ксилулозо-5-фосфат + рибозо-5-фосфат ⇌ Глицеральдегид-3-фосфат + седогептулозо-7-фосфат[англ.] Транскетолаза
Седогептулозо-7-фосфат + глицеральдегид-3-фосфат ⇌ Эритрозо-4-фосфат[англ.] + фруктозо-6-фосфат Трансальдолаза[англ.]
Ксилулозо-5-фосфат + эритрозо-4-фосфат ⇌ Глицеральдегид-3-фосфат + фруктозо-6-фосфат Транскетолаза
Неокислительный этап пентозофосфатного пути

Трансальдолаза и транскетолаза катализируют разрыв связи С—С и перенос фрагментов углеродной цепи, получающихся при этом разрыве[4]. Транскетолаза в качестве кофермента использует тиаминпирофосфат (ТРР), представляющий собой дифосфорный эфир витамина В1[10]. Ниже представлены схемы трансальдолазной и транскетолазной реакций.

Трансальдолазная реакция. 1 — седогептулозо-7-фосфат, 2 — глицеральдегид-3-фосфат, 3 — эритрозо-4-фосфат, 4 — фруктозо-6-фосфат
Транскетолазная реакция. 1 — ксилулозо-5-фосфат, 2 — эритрозо-4-фосфат, 3 — глицеральдегид-3-фосфат, 4 — фруктозо-6-фосфат

Суммарное уравнение неокислительного этапа:

3 рибулозо-5-фосфат → 1 рибозо-5-фосфат + 2 ксилулозо-5-фосфат → 2 фруктозо-6-фосфат + глицеральдегид-3-фосфат.

Реакции окислительного пути протекают только в том случае, если восстановленный NADPH расходуется клеткой, то есть переходит в исходное невосстановленное состояние (NADP+). Если же потребность в NADPH у клетки незначительна, то рибозо-5-фосфат[англ.] образуется в результате обратимых реакций неокислительного этапа пентозофосфатного пути, где исходными реагентами служат метаболиты гликолиза — глицеральдегид-3-фосфат и фруктозо-6-фосфат[3].

Выбор гликолиза или пентозофосфатного пути клеткой в данный момент определяется её нуждами в этот момент и концентрацией NADP+ в цитозоле. В отсутствие этого акцептора электронов первая реакция пентозофосфатного пути не может произойти. Если же клетка активно расходует NADPH, то концентрация NADP+ растёт, из-за чего активируется глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа и пентозофосфатный путь, чтобы восстанавливать окисленный NADPH. Когда потребление NADPH снижается, концентрация NADP+ падает, пентозофосфатный путь приостанавливается и глюкозо-6-фосфат вовлекается в гликолиз[11].

Пентозофосфатный цикл

Из суммарного уравнения неокислительного этапа видно, что из пентоз, образовавшихся при декарбоксилировании гексозы — глюкозы, при помощи пентозофосфатного пути можно вновь вернуться к гексозам. В связи с этим окислительный этап пентозофосфатного пути и дальнейшее превращение пентоз в гексозы составляют циклический процесс — пентозофосфатный цикл. Пентозофосфатный цикл функционирует главным образом лишь в жировой ткани и печени. Его суммарное уравнение выглядит следующим образом:

6 глюкозо-6-фосфат + 12NADP + 2H2O → 12(NADPH + H+) + 5 глюкозо-6-фосфат + 6 СО2[10].

Неокислительный пентозофосфатный путь

Перестройка глюкозы в пентозы может осуществляться и без отщепления углекислого газа при помощи системы ферментов перестройки сахаров и гликолитических ферментов, переводящих глюкозо-6-фосфат в глицеральдегид-3-фосфат. При этом происходят перестройки следующего вида[12]:

2½ С6 → 3 С5.

При изучении метаболизма красных липидообразующих дрожжей Rhodotorula gracilis (у этих дрожжей отсутствует фосфофруктокиназа, и они неспособны к окислению сахаров путём гликолиза) выяснилось, что у них 20 % глюкозы окисляется по пентозофосфатному пути, а 80 % перестраивается по неокислительному пентозофосфатному пути. Однако к настоящему моменту неизвестно, как именно в этом случае образуются трёхуглеродные соединения, если гликолиз невозможен[12].

Модификации

Несколько исследований, проведённых с меченной радиоактивными изотопами глюкозой, подтвердили описанный выше химизм пентозофосфатного пути. Тем не менее, было высказано предположение, что в печени происходят некоторые отклонения от перестройки сахаров в пентозофосфатном пути, в частности, образование из рибозо-5-фосфата арабинозо-5-фосфата, октулозобифосфата и октулозо-8-фосфата, однако многие исследователи предполагают, что важность этих дополнительных реакций незначительна[12].

Распространение и биологическое значение

Как отмечалось выше, пентозофосфатный путь имеется у животных, растений и микроорганизмов. У всех клеток этот путь служит для образования восстановленного NADPH, который используется как донор водорода в реакциях восстановления и гидроксилирования[англ.], а также обеспечивает клетки рибозо-5-фосфатом[13]. Хотя NADPH образуется также при окислении малата до пирувата и углекислого газа, а также при дегидрировании изоцитрата, в большинстве случаев потребности клеток в восстановительных эквивалентах удовлетворяются именно за счёт пентозофосфатного пути[3]. Впрочем, в некоторых случаях образование рибозо-5-фосфата является единственным назначением пентозофосфатного пути[4]. Рибозо-5-фосфат служит предшественником 5-фосфорибозил-1-пирофосфата (PRPP), который участвует в биосинтезе нуклеотидов и нуклеиновых кислот, аминокислот гистидина и триптофана. Другой интермедиат пентозофосфатного пути, эритрозо-4-фосфат, конденсируясь с фосфоенолпируватом, даёт начало общей части пути биосинтеза триптофана, фенилаланина и тирозина[14].

Пентозофосфатный путь может функционировать в печени, жировой ткани, молочной железе при лактации, семенниках[3], коре надпочечников, эритроцитах. В этих тканях и органах активно протекают реакции гидроксилирования и восстановления, например, при синтезе жирных кислот[англ.], холестерола, обезвреживания ксенобиотиков в печени и активных форм кислорода в эритроцитах и других тканях, поэтому у них велика потребность в восстановительных эквивалентах, в том числе, NADPH. В частности, в эритроцитах обезвреживание активных форм кислорода выполняет антиоксидант глутатион — серосодержащий трипептид. Глутатион, окисляясь, переводит активные формы кислорода в инактивные, однако для перевода глутатиона обратно в восстановленную форму необходим NADPH + H+. При дефекте глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы в эритроцитах происходит агрегация протомеров гемоглобина, из-за чего эритроциты теряют пластичность, для их функционирования необходима нормальная работа пентозофосфатного пути[15]. Интересно, что некоторые нарушения активности (но не функций) глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы связаны с устойчивостью к малярийному плазмодию Plasmodium falciparum среди выходцев из Африки и Средиземноморья, поскольку из-за более слабой мембраны эритроциты, в которых часть своего жизненного цикла проводит плазмодий, не могут обеспечить его эффективного размножения[16]. Кроме эритроцитов, высокая активность глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы выявлена в фагоцитирующих лейкоцитах, где фермент NADPH-оксидаза использует восстановленный NADPH для образования супероксидного иона из молекулярной формы кислорода[3].

Как было отмечено выше, для функционирования транскетолазы необходим тиаминпирофосфат (ТРР), который образуется из тиамина (витамина В1). Мутации в гене транскетолазы, приводящие к образованию фермента со сниженным сродством ТРР (одна десятая от нормальной активности), делают организм человека более чувствительным к нехватке тиамина в пище. Даже при умеренном недостатке ТРР у этих индивидуумов значительно замедляется пентозофосфатный путь. Подобные мутации усугубляют симптомы синдрома Вернике — Корсакова — заболевания, обусловленного серьёзной тиаминовой недостаточностью[11].

У растений реакции пентозофосфатного пути в обратном направлении составляют восстановительный пентозофосфатный путь — основу темновых[англ.] (то есть сахарообразующих) реакций фотосинтеза[8]. Пентозофосфатный путь может иметь особое значение для некоторых экологических групп растений. Так, в отличие от животных, цветковое растение Craterostigma plantagineum накапливает большие количества 2-оксо-октулозы. Это растение способно противостоять сильной дегидратации и быстро восстанавливать водные запасы, возвращаясь к нормальному метаболизму за несколько часов. При обезвоживании большая часть октулозы переводится в сахарозу. Оказалось, что у этого растения имеется большое количество генов, кодирующих транскетолазу, которые, возможно, играют ключевую роль во взаимопревращениях сахаров[12].

У многих бактерий отсутствует циклический вариант пентозофосфатного пути, и пентозофосфатный путь используется для образования пентоз и NADPH, как и у эукариот. Неокислительные реакции пентозофосфатного пути могут также использоваться в метаболизме глюконата. Пентозофосфатный цикл функционирует у многих цианобактерий, поскольку у них отсутствует полный цикл Кребса (они неспособны окислять ацетил-СоА) и пути биосинтеза начинаются с превращений триозофосфатов. По той же причине некоторые уксуснокислые бактерии (Gluconobacter spp.) осуществляют пентозофосфатный цикл, и синтезированные в ходе него триозофосфаты окисляются только до ацетата, выделяемого во внешнюю среду. Наконец, некоторые бактерии (Thiobacillus novellus и Brucella abortus) используют пентозофосфатный путь как основной способ окисления сахаров, заменяя им гликолиз и путь Энтнера — Дудорова[17].

Отто Варбург (1883—1970)

Регуляция

Судьба глюкозо-6-фосфата — вступит ли он в гликолиз или пентозофосфатный путь — определяется потребностями клетки в данный момент, а также концентрацией NADP+ в цитозоле. Без наличия акцептора электронов первая реакция пентозофосфатного пути (катализируемая глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой) не будет идти. Когда клетка быстро переводит NADPH в NADP+ в биосинтетических восстановительных реакциях, уровень NADP+ поднимается, аллостерически стимулируя глюкозо-6-фосфатдегидрогензазу и тем самым увеличивая ток глюкозо-6-фосфата через пентозофосфатный путь. Когда потребление NADPH замедляется, уровень NADP+ снижается, и глюкозо-6-фосфат утилизируется гликолитически[11].

История изучения

История открытия пентозофосфатного пути началась тогда, когда было замечено, что некоторые общие ингибиторы гликолиза (например, иодоацетат, флюорид) не изменяют потребление глюкозы. Вместе с этим Отто Варбург открыл NADPH и описал окисление глюкозо-6-фосфата до 6-фосфоглюконовой кислоты. Кроме того, было показано, что глюкоза, меченная изотопом 14C по С-1, превращалась в 14СО2 быстрее, чем меченная по С-6. Если бы превращения глюкозы происходили только в ходе гликолиза, то 14СО2 в равной мере образовывался из глюкозы, меченной и по С-1, и по С-6. Таким образом, была доказана возможность утилизации глюкозы по альтернативному пути, отличному от гликолиза[18]. Полная последовательность реакций пентозофосфатного пути, в том числе транскетолазных и трансальдолазных реакций, была опубликована в 1955 году И. К. Гансалусом (англ. I.  C. Gunsalus) и У. А. Вудом (англ. W.  A. Wood)[19].

Примечания

  1. ↑ Пентозофосфатный путь — статья из Биологического энциклопедического словаря
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 Нетрусов, Котова, 2012, с. 123.
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 Биохимия: Пентозофосфатный путь превращения глюкозы (недоступная ссылка). Дата обращения: 14 июля 2014. Архивировано 30 июля 2013 года.
  4. ↑ 4,0 4,1 4,2 Metzler, 2003, p. 964.
  5. ↑ Keller M. A., Turchyn A. V., Ralser M. Non-enzymatic glycolysis and pentose phosphate pathway-like reactions in a plausible Archean ocean. (англ.) // Molecular systems biology. — 2014. — Vol. 10. — P. 725. — PMID 24771084. [исправить]
  6. ↑ Nelson, Cox, 2008, p. 560.
  7. ↑ Северин, 2011, с. 271—272.
  8. ↑ 8,0 8,1 8,2 Metzler, 2003, p. 963.
  9. ↑ Metzler, 2003, p. 964—965.
  10. ↑ 10,0 10,1 Северин, 2011, с. 272.
  11. ↑ 11,0 11,1 11,2 Nelson, Cox, 2008, p. 563.
  12. ↑ 12,0 12,1 12,2 12,3 Metzler, 2003, p. 965.
  13. ↑ Северин, 2011, с. 271.
  14. ↑ Nelson, Cox, 2008, p. 861.
  15. ↑ Северин, 2011, с. 272, 274.
  16. ↑ Cappadoro M., Giribaldi G., O'Brien E., Turrini F., Mannu F., Ulliers D., Simula G., Luzzatto L., Arese P. Early phagocytosis of glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PD)-deficient erythrocytes parasitized by Plasmodium falciparum may explain malaria protection in G6PD deficiency. (англ.) // Blood. — 1998. — Vol. 92, no. 7. — P. 2527—2534. — PMID 9746794. [исправить]
  17. ↑ Современная микробиология / Под ред. Й. Ленгелера, Г. Древса, Г. Шлегеля. — М.: Мир, 2005. — Т. 1. — С. 266—267. — 654 с.
  18. ↑ Keshav Trehan. Biochemistry. — New Delphi: New Age International, 1990. — С. 301. — 580 с. — ISBN 81-224-0248-8.
  19. ↑ Bernard L. Horecker. The Pentose Phosphate Pathway // The Journal of Biological Chemistry. — 2002. — Т. 277. — С. 47965—47971. — doi:10.1074/jbc.X200007200.

Литература

  • David E. Metzler. Biochemistry: The Chemical Reactions of Living Cells. — 2nd edition. — Academic Press, 2003. — Т. 2. — 1973 с. — ISBN 978-0-1249-2541-0.
  • David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehninger Principles of biochemistry. — Fifth edition. — New York: W. H. Freeman and company, 2008. — 1158 p. — ISBN 978-0-7167-7108-1.
  • Биологическая химия с упражнениями и задачами / Под ред. С. Е. Северина. — М.: Издательская группа «ГЭОТАР-Медиа», 2011. — 624 с.
  • Нетрусов А. И., Котова И. Б. Микробиология. — 4-е изд., перераб. и доп.. — М.: Издательский центр «Академия», 2012. — 384 с. — ISBN 978-5-7695-7979-0.

Ссылки

Источник — https://xn--h1ajim.xn--p1ai/index.php?title=Пентозофосфатный_путь&oldid=12401974