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.

Во многих тканях наибольшее значение среди продуктов ПФШ имеют не моносахариды, а НАДФH, необходимого в процессах восстановительного биосинтеза и для преодоления вредного влияния активных форм кислорода. 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 +.

Следующий шаг — гидролиз 6-фосфоглюконо-δ-лактона до 6 фосфоглюконат — катализируется 6-фосфоглюконолактоназою. Продукт этой реакции далее подлежит окислительной декарбоксилированию при участии фермента 6-фосфоглюконатдегидрогеназы, в результате чего образуется углекислый газ и рибулозо-5-фосфат.

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.

Фруктозо-6-фосфат может снова превращаться в глюкозо-6-фосфат фосфогексозоизмеразою, глицеральдегид-3-фосфат также может использоваться для восстановления глкюкозо-6-фосфата как в глюконеогенезе. 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:

Потребность в рибозо-5-фосфата значительно превышает потребность в НАДФH
Происходит так называемый восстановительный пентозофосфатный путь. Почти весь глюкозо-6-фосфат вступает в гликолиз, где превращается в фруктозо-6-фосфата и глицеральдегид-3-фосфата, которые в реакциях обратных к неокислительный стадии ПФШ используются для синтеза рибозо-5-фосфата. Так, было показано, что в раковых клетках, которые быстро делятся, более 70% de novo синтеза рибозы происходит этим неокислительном путем.
Примерно одинаковые потребности в НАДФH и рибозо-5-фосфат
Глюкозо-6-фосфат вступает в окислительную стадию ПФШ и превращается в рибозо-5-фосфата, сопровождается восстановлением двух молекул НАДФ +.
Потребность в НАДФH значительно больше чем в рибозо-5-фосфат
Активно работает окислительная и неокислительный стадии ПФШ, продукты последней (фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат) используются для регенерации глюкозо-6-фосфата благодаря ферментам глюконеогенеза. Итак глюкозо-6-фосфат полностью окисляется до углекислого газа.
Большая потребность в НАДФH и АТФ, низкая в рибозо-5-фосфат
Фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат образованные в неокислительный стадии ПФШ могут вступать в гликолиз и превращаться в пирувата. Полезными продуктами такого пути является АТФ и НАДФH.

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. Например, в 1926 году для лечения малярии был предложен новый препарат — памахин, большинство пациентов переносили его нормально, но в небольшой части появлялись угрожающие жизни симптомы связаны с разрушением эритроцитов. Через 30 лет было установлено, что гемолитическая анемия в ответ на действие памахину возникала у людей с недостатком глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы.

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.

Изображения по теме

  • Пентозофосфатный путь
  • Пентозофосфатный путь
  • Пентозофосфатный путь
  • Пентозофосфатный путь