Pentóz-foszfát útvonal

A pentóz-foszfát útvonal ( pentózút , hexóz-monofoszfát sönt [1] , Warburg-Dickens-Horecker útvonal [2] ) a glükóz oxidációjának alternatív módja (a glikolízissel és az Entner-Doudoroff útvonallal együtt ), oxidatív és nem oxidatív lépések.

A pentóz-foszfát-útvonal általános egyenlete:

3 glükóz-6-foszfát + 6 NADP + → 3 CO 2 + 6 (NADPH + H + ) + 2 fruktóz-6-foszfát + glicerinaldehid-3-foszfát [3] .

Ezt követően a glicerinaldehid-3-foszfát piruváttá alakul két ATP- molekula képződésével [2] .

A pentóz-foszfát út gyakori a növényekben és állatokban , és a legtöbb mikroorganizmusban csak segédértékkel bír [2] . A pentóz -foszfát-útvonal enzimei mind az állati, mind a növényi sejtek citoszoljában találhatók ; emellett az emlős sejtekben az endoplazmatikus retikulumban , a növényekben pedig a kloroplasztiszokban is találhatók [4] .

A glikolízishez hasonlóan a pentóz-foszfát útnak is nagyon ősi evolúciós története van. Talán az Archean ősi vizeiben , még az élet megjelenése előtt, a pentóz-foszfát ciklus reakciói zajlottak le, amelyeket nem enzimek katalizáltak, mint az élő sejtekben, hanem fémionok , különösen a Fe 2+ [ 5] .

Reakciók

Amint fentebb megjegyeztük, a pentóz-foszfát útvonal oxidatív és nem oxidatív lépésekre oszlik. Az oxidációs lépés során a glükóz-6-foszfáttá foszforilált glükóz ribulóz-5-foszfáttá oxidálódik , és két [6] redukált NADPH keletkezik. A nem oxidáló szakaszban nem képződnek redukáló ekvivalensek, pentózok szintézisére szolgál, és magában foglalja a két vagy három szénfragmens reverzibilis átviteli reakcióit ; a jövőben a pentózok a pentóz-foszfát-útvonal nem oxidatív reakcióinak reverzibilitása miatt újra hexózokká alakulhatnak át a pentóz feleslegével a sejtben [ 7 ] . A pentóz-foszfát folyamatban részt vevő összes enzim három enzimrendszerre osztható:

Oxidatív szakasz

A pentóz-foszfát út oxidatív szakaszának reakciósorozatát a [8] [3] táblázat mutatja be :

szubsztrátok Termékek Enzim Leírás
Glükóz-6-foszfát + NADP + → 6-foszfoglükono-δ-lakton + NADPH + H + Glükóz-6-foszfát-dehidrogenáz Dehidrogénezés. A glükóz-6-foszfát első szénatomján lévő hidroxilcsoport karbonilcsoporttá alakul, laktont képezve , és a NADPH is redukálódik.
6-foszfoglükono-δ-lakton + H2O → 6-foszfoglükonát + H + 6-foszfoglükonolaktonáz Hidrolízis
6-foszfoglükonát + NADP + → Ribulóz-5-foszfát + NADPH + CO 2 6-foszfoglükonát-dehidrogenáz A 6-foszfoglükonát- dehidrogenáz katalizálja a dehidrogénezést, amelyet NADP redukció kísér, és a dekarboxilezést.

Az oxidációs szakasz általános egyenlete:

Glükóz-6-foszfát + 2 NADP + + H 2 O → ribulóz-5-foszfát + 2 (NADPH + H + ) + CO 2 .

Nem oxidáló szakasz

A nem oxidatív reakcióút általános reakciósorozata a következő [3] [9] :

szubsztrátok Termékek Enzim
Ribulóz-5-foszfát ⇌ Ribóz-5-foszfát Ribulóz-5-foszfát izomeráz
Ribulóz-5-foszfát ⇌ Xilulóz-5-foszfát Ribulóz-5-foszfát-3-epimeráz
Xilulóz-5-foszfát + ribóz-5-foszfát ⇌ Gliceraldehid-3-foszfát + sedoheptulóz -7-foszfát Transketoláz
Szedoheptulóz-7-foszfát + gliceraldehid-3-foszfát ⇌ Eritrozo-4-foszfát + fruktóz-6-foszfát Transaldoláz
Xilulóz-5-foszfát + eritróz-4-foszfát ⇌ Gliceraldehid-3-foszfát + fruktóz-6-foszfát Transketoláz

A transzaldoláz és a transzketoláz katalizálja a C-C kötés hasítását és az ebből a hasításból származó szénlánc-fragmensek átvitelét [4] . A transzketoláz tiamin-pirofoszfátot (TPP) használ koenzimként , amely a B1 - vitamin difoszfor- észtere [10] . Az alábbiakban a transzaldoláz és a transzketoláz reakciók sémája látható.

A nem oxidatív lépés általános egyenlete:

3 ribulóz-5-foszfát → 1 ribóz-5-foszfát + 2 xilulóz-5-foszfát → 2 fruktóz-6-foszfát + glicerinaldehid-3-foszfát.

Az oxidatív út reakciói csak akkor mennek végbe, ha a redukált NADPH-t a sejt elfogyasztja , azaz az eredeti redukálatlan állapotba (NADP+) kerül. Ha a sejt NADPH-szükséglete elhanyagolható, akkor a pentóz-foszfát útvonal nem oxidatív szakaszának reverzibilis reakciói eredményeként ribóz-5-foszfát képződik, ahol a kezdeti reagensek a glikolízis metabolitjai - gliceraldehid- 3-foszfát és fruktóz-6-foszfát [3] .

A glikolízis vagy a pentóz-foszfát útvonal kiválasztását a sejt pillanatnyilag az adott pillanatban szükséges szükségletei és a citoszolban lévő NADP + koncentráció határozza meg. Ennek az elektronakceptornak a hiányában a pentóz -foszfát-útvonal első reakciója nem jöhet létre. Ha a sejt aktívan fogyaszt NADPH-t, akkor megnő a NADP + koncentrációja , aminek következtében a glükóz-6-foszfát-dehidrogenáz és a pentóz-foszfát útvonal aktiválódik az oxidált NADPH helyreállítására. Amikor a NADPH fogyasztás csökken, a NADP + koncentráció csökken, a pentóz-foszfát út felfüggesztődik, és a glükóz-6-foszfát részt vesz a glikolízisben [11] .

Pentóz-foszfát ciklus

A nem oxidatív stádium teljes egyenletéből látható, hogy a hexóz-glükóz dekarboxilezése során keletkező pentózokból a pentóz-foszfát útvonalon ismét vissza lehet térni a hexózokhoz. Ebben a tekintetben a pentóz-foszfát-útvonal oxidatív szakasza és a pentózok további hexózokká történő átalakulása ciklikus folyamatot alkot - a pentóz-foszfát-ciklust . A pentóz-foszfát ciklus főleg csak a zsírszövetben és a májban működik . A teljes egyenlete így néz ki:

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

A nem oxidatív pentóz-foszfát útvonal

A glükóz pentózokká történő átrendeződése a szén-dioxid eltávolítása nélkül is végrehajtható cukorátrendeződési enzimek és glikolitikus enzimek rendszerével, amelyek a glükóz-6-foszfátot glicerinaldehid-3-foszfáttá alakítják. Ebben az esetben a következő formájú átrendeződések történnek [12] :

2½ С 6 → 3 С 5 .

A vörös lipidképző élesztőgomba , a Rhodotorula gracilis (ebből az élesztőből hiányzik a foszfofruktokináz , és glikolízissel nem képesek cukrokat oxidálni) metabolizmusának vizsgálatakor kiderült, hogy a glükóz 20%-a oxidálódik a pentóz-foszfát útvonalon, és 80%-a . átrendeződött a nem oxidatív pentóz-foszfát útvonal mentén. Jelenleg azonban nem ismert, hogy ebben az esetben pontosan hogyan képződnek három szénatomos vegyületek, ha a glikolízis lehetetlen [12] .

Módosítások

Számos, radioaktívan jelölt glükózzal végzett vizsgálat megerősítette a fent leírt pentóz-foszfát-útvonal kémiáját. Felmerült azonban, hogy a cukrok pentóz-foszfát-útvonalbeli átrendeződésétől való bizonyos eltérések a májban fordulnak elő, különösen az arabinóz -5-foszfát, az oktulóz-biszfoszfát és az oktulóz-8-foszfát képződése a ribóz-5-foszfátból. , sok kutató azt állítja, hogy ezeknek a további reakcióknak a jelentősége elhanyagolható [12] .

Elterjedés és biológiai jelentősége

Amint fentebb megjegyeztük, a pentóz-foszfát útvonal létezik állatokban, növényekben és mikroorganizmusokban. Ez az út minden sejtben redukált NADPH képzésére szolgál, amelyet hidrogéndonorként használnak a redukciós és hidroxilezési reakciókban , és a sejteket ribóz-5-foszfáttal is ellátja [13] . Bár a NADPH a malát piruváttá és szén-dioxiddá történő oxidációja , valamint az izocitrát dehidrogénezése során is képződik , a legtöbb esetben a sejtek redukáló ekvivalens iránti igényét pontosan a pentóz-foszfát út elégíti ki [3] . Bizonyos esetekben azonban a ribóz-5-foszfát képződése az egyetlen célja a pentóz-foszfát-útvonalnak [4] . A ribóz-5-foszfát az 5-foszforibozil-1-pirofoszfát (PRPP) prekurzoraként szolgál, amely részt vesz a nukleotidok és nukleinsavak , a hisztidin és a triptofán aminosavak bioszintézisében . A pentóz-foszfát útvonal egy másik köztes terméke, az eritróz-4-foszfát, a foszfoenolpiruváttal kondenzálódik , és a triptofán , fenilalanin és tirozin bioszintézisútjának közös része jön létre [14] .

A pentóz-foszfát útvonal működhet a májban, a zsírszövetben, a szoptatás alatti emlőben , a herékben [3] , a mellékvesekéregben , a vörösvértestekben . Ezekben a szövetekben és szervekben a hidroxilációs és redukciós reakciók aktívan játszódnak le, például zsírsavak , koleszterin szintézise, ​​xenobiotikumok semlegesítése során a májban és reaktív oxigénfajták a vörösvértestekben és más szövetekben, ezért nagy szükség van rájuk. redukáló ekvivalensekhez, beleértve a NADPH-t. Különösen az eritrocitákban a reaktív oxigénfajták semlegesítését a glutation antioxidáns  , egy kéntartalmú tripeptid végzi . A glutation, mivel oxidálódik, a reaktív oxigénfajtákat inaktívvá alakítja, azonban a NADPH + H + szükséges ahhoz, hogy a glutationt redukált formává alakítsa vissza . Az eritrociták glükóz-6-foszfát-dehidrogenáz hibájával a hemoglobin protomerek aggregációja következik be , aminek következtében a vörösvértestek elveszítik plaszticitásukat, és működésükhöz a pentóz-foszfát útvonal normális működése szükséges [15] . Érdekes módon a glükóz-6-foszfát-dehidrogenáz aktivitásának (de nem működésének) bizonyos zavarai a Plasmodium falciparum maláriás Plasmodium falciparum -mal szembeni rezisztenciával hozhatók összefüggésbe az afrikai és a mediterrán bevándorlók körében , mivel a gyengébb membrán miatt a vörösvérsejtek, amelyekben A plazmódium életciklusának egy részét tölti, nem tudja biztosítani hatékony szaporodását [16] . Az eritrociták mellett a glükóz-6-foszfát-dehidrogenáz nagy aktivitását a fagocita leukocitákban is kimutatták , ahol a NADPH-oxidáz enzim a redukált NADPH-t felhasználva szuperoxidiont képez az oxigén molekuláris formájából [3] .

Mint fentebb megjegyeztük, a transzketoláz működéséhez tiamin-pirofoszfátra (TPP) van szükség, amely tiaminból ( B 1 -vitamin ) képződik. A transzketoláz gén mutációi, amelyek a TPP-hez csökkent affinitású enzimet eredményeznek (a normál aktivitás egytizede), érzékenyebbé teszik az emberi szervezetet a táplálékban lévő tiamin hiányára. Még a TPP mérsékelt hiánya esetén is jelentősen lelassul a pentóz-foszfát útvonal ezekben az egyénekben. Az ilyen mutációk súlyosbítják a Wernicke-Korsakoff szindróma tüneteit  , amely betegség súlyos tiaminhiány okozza [11] .

A növényekben a pentóz-foszfát út ellentétes irányú reakciói alakítják ki a reduktív pentóz-foszfát útvonalat, amely a fotoszintézis sötét (vagyis cukorképző) reakcióinak alapja [8] . A pentóz-foszfát-útvonal különösen fontos lehet egyes ökológiai növénycsoportok számára. Így az állatokkal ellentétben a Craterostigma plantagineum virágzó növény nagy mennyiségű 2-oxo-oktulózt halmoz fel. Ez a növény képes ellenállni a súlyos kiszáradásnak és gyorsan helyreállítani a víztartalékokat, néhány órán belül visszatérve a normál anyagcseréhez. Kiszáradáskor az oktulóz nagy része szacharózzá alakul . Kiderült, hogy ez a növény nagyszámú transzketolázt kódoló gént tartalmaz, amelyek kulcsszerepet játszhatnak a cukrok egymásba való átalakulásában [12] .

Sok baktériumból hiányzik a pentóz-foszfát-útvonal ciklikus változata, és a pentóz-foszfát-útvonalat pentózok és NADPH képzésére használják, hasonlóan az eukariótákhoz . A pentóz-foszfát út nem oxidatív reakciói szintén felhasználhatók a glükonát metabolizmusában . A pentóz-foszfát-ciklus sok cianobaktériumban működik, mivel nincs teljes Krebs-ciklusuk (nem képesek oxidálni az acetil-CoA- t ), és a bioszintetikus utak a trióz-foszfátok átalakulásával kezdődnek. Ugyanebből az okból kifolyólag egyes ecetsavbaktériumok ( Gluconobacter spp.) végrehajtják a pentóz-foszfát ciklust, és az ennek során szintetizált trióz-foszfátok csak acetáttá oxidálódnak , amely a külső környezetbe kerül. Végül egyes baktériumok ( Thiobacillus novellus és Brucella abortus ) a pentóz-foszfát utat használják a cukor oxidációjának fő módjaként, helyettesítve a glikolízist és az Entner-Doudoroff útvonalat [17] .

rendelet

A glükóz-6-foszfát sorsát - akár a glikolízisbe, akár a pentóz-foszfát útba kerül - a sejt pillanatnyi szükségletei, valamint a citoszolban lévő NADP + koncentráció határozza meg. Elektronakceptor jelenléte nélkül a pentóz-foszfát-útvonal első reakciója (amelyet a glükóz-6-foszfát-dehidrogenáz katalizál) nem megy végbe. Amikor a sejt gyorsan átalakítja a NADPH-t NADP + -vé a bioszintetikus redukciós reakciókban, a NADP + szintje megemelkedik, alloszterikusan stimulálja a glükóz-6-foszfát-dehidrogenázt, és ezáltal növeli a glükóz-6-foszfát áramát a pentóz-foszfát útvonalon. Amikor a NADPH fogyasztás lelassul, a NADP + szint csökken, és a glükóz-6-foszfát glikolitikusan hasznosul [11] .

Tanulmánytörténet

A pentóz-foszfát-útvonal felfedezésének története akkor kezdődött, amikor észrevették, hogy a glikolízis néhány gyakori gátlószere (pl. jód-acetát, fluor) nem változtatja meg a glükózbevitelt. Ezzel együtt Otto Warburg felfedezte a NADPH-t, és leírta a glükóz-6-foszfát oxidációját 6-foszfoglükonsavvá. Ezenkívül kimutatták, hogy a C-1-ben a 14 C izotóppal jelölt glükóz gyorsabban alakult 14 CO 2 -dá, mint a C-6-on jelölt. Ha a glükóz átalakulása csak a glikolízis során megy végbe, akkor a C-1 és C-6 jelölésű glükózból egyformán 14 CO 2 keletkezne. Így bebizonyosodott a glükóz hasznosításának lehetősége a glikolízistől eltérő alternatív úton [18] . A pentóz-foszfát reakcióút teljes reakciósorozatát, beleértve a transzketoláz és transzaldoláz reakciókat is, 1955-ben publikálta I. C. Gunsalus és W. A. ​​Wood [ 19 ] .  

Jegyzetek

  1. ↑ Pentóz-foszfát útvonal – egy cikk a Biological Encyclopedic Dictionary-ből
  2. ↑ 1 2 3 Netrusov, Kotova, 2012 , p. 123.
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Biokémia: A glükóz átalakulás pentóz-foszfát útvonala (hozzáférhetetlen link) . Letöltve: 2014. július 14. Az eredetiből archiválva : 2013. július 30. 
  4. ↑ 1 2 3 Metzler, 2003 , p. 964.
  5. ↑ Keller MA , Turchyn AV , Ralser M. Nem enzimatikus glikolízis és pentóz-foszfát-útvonal-szerű reakciók egy valószínű Archean-óceánban.  (angol)  // Molekuláris rendszerek biológia. - 2014. - Kt. 10. - P. 725. - PMID 24771084 .
  6. ↑ Nelson, Cox, 2008 , p. 560.
  7. ↑ Severin, 2011 , p. 271-272.
  8. ↑ 1 2 3 Metzler, 2003 , p. 963.
  9. ↑ Metzler, 2003 , p. 964-965.
  10. ↑ 1 2 Severin, 2011 , p. 272.
  11. ↑ 1 2 3 Nelson, Cox, 2008 , p. 563.
  12. ↑ 1 2 3 4 Metzler, 2003 , p. 965.
  13. ↑ Severin, 2011 , p. 271.
  14. ↑ Nelson, Cox, 2008 , p. 861.
  15. ↑ Severin, 2011 , p. 272, 274.
  16. ↑ Cappadoro M. , Giribaldi G. , O'Brien E. , Turrini F. , Mannu F. , Ulliers D. , Simula G. , Luzzatto L. , Arese P. A glükóz-6-foszfát dehidrogenáz (G6PD) korai fagocitózisa - a Plasmodium falciparum által parazitált vörösvértestek hiánya magyarázhatja a malária elleni védelmet G6PD-hiány esetén.  (angol)  // Blood. - 1998. - Vol. 92. sz. 7 . - P. 2527-2534. — PMID 9746794 .
  17. ↑ Modern mikrobiológia / Szerk. J. Lengeler, G. Drews, G. Schlegel. - M . : Mir, 2005. - T. 1. - S. 266-267. — 654 p.
  18. ↑ Keshav Trehan. biokémia. - New Delphi: New Age International, 1990. - S. 301. - 580 p. — ISBN 81-224-0248-8 .
  19. ↑ Bernard L. Horecker. The Pentose Phosphate Pathway  // The Journal of Biological Chemistry. - 2002. - T. 277 . - S. 47965-47971 . doi : 10.1074 / jbc.X200007200 .

Irodalom

Linkek

  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák