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.

Пентозофосфатный путь

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, 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]:

СубстратыПродуктыФерментОписание
Глюкозо-6-фосфат + NADP+→ 6-фосфоглюконо-δ-лактон + NADPH+H+Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназаДегидрирование. 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 + H+6-ФосфоглюконолактоназаГидролиз
6-Фосфоглюконат + NADP+→ Рибулозо-5-фосфат + NADPH + CO26-Фосфоглюконатдегидрогеназа6-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]:

СубстратыПродуктыФермент
Рибулозо-5-фосфат⇌ Рибозо-5-фосфатРибулозо-5-фосфатизомераза
Рибулозо-5-фосфат⇌ Ксилулозо-5-фосфатРибулозо-5-фосфат-3-эпимераза
Ксилулозо-5-фосфат + рибозо-5-фосфат⇌ Глицеральдегид-3-фосфат + седогептулозо-7-фосфатТранскетолаза
Седогептулозо-7-фосфат + глицеральдегид-3-фосфат⇌ Эритрозо-4-фосфат + фруктозо-6-фосфатТрансальдолаза
Ксилулозо-5-фосфат + эритрозо-4-фосфат⇌ Глицеральдегид-3-фосфат + фруктозо-6-фосфатТранскетолаза
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 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, 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, 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 (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. Нетрусов, Котова, 2012, с. 123.
  3. Биохимия: Пентозофосфатный путь превращения глюкозы (недоступная ссылка). Дата обращения: 14 июля 2014. Архивировано 30 июля 2013 года.
  4. 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.
  6. Nelson, Cox, 2008, p. 560.
  7. Северин, 2011, с. 271—272.
  8. Metzler, 2003, p. 963.
  9. Metzler, 2003, p. 964—965.
  10. Северин, 2011, с. 272.
  11. Nelson, Cox, 2008, p. 563.
  12. 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.
  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
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.