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] .
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:
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 .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] .
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 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] .
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] .
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] .
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] .
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 ] .
Szótárak és enciklopédiák |
---|