Pentosephosphatvej

Pentosephosphatvejen ( pentosevej , hexosemonofosfatshunt [1] , Warburg- Dickens -Horecker-vej [2] ) er en alternativ vej for glukoseoxidation (sammen med glykolyse og Entner-Doudoroff-vejen ), omfatter oxidativ og ikke-oxidativ trin.

Den overordnede ligning for pentosephosphatvejen er:

3 glucose-6-phosphat + 6 NADP + → 3 CO 2 + 6 (NADPH + H + ) + 2 fructose-6-phosphat + glyceraldehyd-3-phosphat [3] .

Efterfølgende omdannes glyceraldehyd-3-phosphat til pyruvat med dannelse af to ATP - molekyler [2] .

Pentosephosphatvejen er almindelig i planter og dyr , og i de fleste mikroorganismer har den kun en hjælpeværdi [2] . Enzymer af pentosephosphatvejen er lokaliseret i cytosolen af ​​både dyre- og planteceller ; derudover er de i pattedyrsceller også lokaliseret i det endoplasmatiske reticulum , og i planter - i kloroplaster [4] .

Ligesom glykolyse, ser pentosephosphatvejen ud til at have en meget gammel evolutionær historie. Måske fandt reaktioner af pentosephosphatcyklussen sted i de gamle farvande i det arkæiske område , selv før livets fremkomst, katalyseret ikke af enzymer, som i levende celler, men af ​​metalioner , især Fe 2+ [5] .

Reaktioner

Som bemærket ovenfor er pentosephosphatvejen opdelt i oxidative og ikke-oxidative trin. Under det oxidative trin oxideres glucose phosphoryleret til glucose-6-phosphat til ribulose-5-phosphat , og to [6] reducerede NADPH'er dannes. Under det ikke-oxiderende trin dannes der ikke reducerende ækvivalenter, det tjener til syntese af pentoser og omfatter reversible overføringsreaktioner af to eller tre kulstoffragmenter ; i fremtiden kan pentoser igen omdannes til hexoser med et overskud af pentoser i cellen på grund af reversibiliteten af ​​ikke-oxidative reaktioner af pentosephosphatvejen [7] . Alle enzymer involveret i pentosephosphatvejen kan opdeles i tre enzymsystemer:

Oxidativt stadium

Reaktionssekvensen for det oxidative trin af pentosephosphat-vejen er præsenteret i tabellen [8] [3] :

substrater Produkter Enzym Beskrivelse
Glucose-6-phosphat + NADP + → 6-phosphoglucono-δ-lacton + NADPH + H + Glucose-6-phosphat dehydrogenase Dehydrogenering. Hydroxylgruppen ved det første kulstof i glucose-6-phosphat omdannes til en carbonylgruppe , der danner en lacton , og NADPH reduceres også.
6-Phosphoglucono-δ-lacton + H2O → 6-phosphogluconat + H + 6-Phosphogluconolactonase Hydrolyse
6-phosfogluconat + NADP + → Ribulose-5-phosphat + NADPH + CO 2 6-phosphogluconate dehydrogenase 6-Phosphogluconate dehydrogenase katalyserer både dehydrogenering, ledsaget af NADP-reduktion, og decarboxylering.

Den overordnede ligning for det oxidative trin:

Glucose-6-phosphat + 2 NADP + + H2O → ribulose-5-phosphat + 2 (NADPH + H + ) + CO2 .

Ikke-oxiderende trin

Den generelle sekvens af reaktioner for den ikke-oxidative vej er som følger [3] [9] :

substrater Produkter Enzym
Ribulose 5-phosphat ⇌ Ribose-5-phosphat Ribulose-5-phosphatisomerase
Ribulose 5-phosphat ⇌ Xylulose-5-phosphat Ribulose-5-phosphat-3-epimerase
Xylulose 5-phosphat + ribose 5-phosphat ⇌ Glyceraldehyd-3-phosphat + sedoheptulose-7-phosphat Transketolase
Sedoheptulose-7-phosphat + glyceraldehyd-3-phosphat ⇌ Erythroso-4-phosphat + fructose-6-phosphat Transaldolase
Xylulose 5-phosphat + erythrose 4-phosphat ⇌ Glyceraldehyd-3-phosphat + fructose-6-phosphat Transketolase

Transaldolase og transketolase katalyserer C-C- bindingsspaltningen og overførslen af ​​carbonkædefragmenter som følge af denne spaltning [4] . Transketolase bruger thiaminpyrophosphat (TPP) som et coenzym , som er en diphosphorester af vitamin B 1 [10] . Nedenfor er skemaerne for transaldolase- og transketolase-reaktioner.

Den overordnede ligning for det ikke-oxidative trin er:

3 ribulose-5-phosphat → 1 ribose-5-phosphat + 2 xylulose-5-phosphat → 2 fructose-6-phosphat + glyceraldehyd-3-phosphat.

Reaktionerne af den oxidative vej fortsætter kun, hvis den reducerede NADPH forbruges af cellen , det vil sige, den går i den oprindelige ureducerede tilstand (NADP+). Hvis behovet for NADPH i cellen er ubetydeligt, dannes ribose-5-phosphat som et resultat af reversible reaktioner af det ikke-oxidative stadium af pentosephosphatvejen, hvor de initiale reagenser er glykolysemetabolitter - glyceraldehyd- 3-phosphat og fructose-6-phosphat [3] .

Valget af glykolyse eller pentosephosphatvejen af ​​cellen i øjeblikket bestemmes af dens behov på det tidspunkt og koncentrationen af ​​NADP + i cytosolen. I fravær af denne elektronacceptor kan den første reaktion af pentosephosphatvejen ikke forekomme. Hvis cellen aktivt forbruger NADPH, så stiger koncentrationen af ​​NADP + , på grund af hvilken glucose-6-phosphat-dehydrogenase og pentosephosphat-vejen aktiveres for at genoprette oxideret NADPH. Når NADPH-forbruget falder, falder NADP + -koncentrationen , pentosephosphatvejen suspenderes, og glucose-6-phosphat er involveret i glykolysen [11] .

Pentose fosfat cyklus

Ud fra den samlede ligning for det ikke-oxidative trin kan det ses, at fra pentoserne dannet under decarboxyleringen af ​​hexose-glucose, ved hjælp af pentosephosphat-vejen, kan man igen vende tilbage til hexoser. I denne henseende udgør det oxidative trin af pentosephosphatvejen og den yderligere omdannelse af pentoser til hexoser en cyklisk proces - pentosephosphatcyklussen . Pentosephosphatcyklussen fungerer hovedsagelig kun i fedtvæv og leveren . Dens overordnede ligning ser således ud:

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

Den ikke-oxidative pentosephosphatvej

Omlejringen af ​​glucose til pentoser kan også udføres uden fjernelse af kuldioxid under anvendelse af et system af sukkeromlejringsenzymer og glykolytiske enzymer, der omdanner glucose-6-phosphat til glyceraldehyd-3-phosphat. I dette tilfælde forekommer omarrangeringer af følgende form [12] :

2½ С 6 → 3 С 5 .

Når man studerede metabolismen af ​​den røde lipiddannende gær Rhodotorula gracilis (denne gær mangler phosphofructokinase , og de er ude af stand til at oxidere sukkerarter ved glykolyse), viste det sig, at 20% af glucosen oxideres langs pentosephosphat-vejen, og 80% er omarrangeret langs den ikke-oxidative pentosephosphatvej. Det er dog på nuværende tidspunkt uvist, hvordan der præcist i dette tilfælde dannes tre-carbon-forbindelser, hvis glykolyse er umuligt [12] .

Ændringer

Adskillige undersøgelser udført med radioaktivt mærket glucose bekræftede kemien af ​​pentosephosphatvejen beskrevet ovenfor. Det er dog blevet foreslået, at nogle afvigelser fra omlejringen af ​​sukkerarter i pentosephosphatvejen forekommer i leveren, især dannelsen af ​​arabinose 5-phosphat, octulose bisphosphat og octulose 8-phosphat fra ribose-5-phosphat, dog , antyder mange forskere, at betydningen af ​​disse yderligere reaktioner er ubetydelig [12] .

Fordeling og biologisk betydning

Som nævnt ovenfor eksisterer pentosephosphatvejen i dyr, planter og mikroorganismer. I alle celler tjener denne vej til at danne reduceret NADPH, som bruges som hydrogendonor i reduktions- og hydroxyleringsreaktioner , og forsyner også celler med ribose-5-phosphat [13] . Selvom NADPH også dannes under oxidationen af ​​malat til pyruvat og kuldioxid, såvel som under dehydrogeneringen af ​​isocitrat , bliver cellernes behov for at reducere ækvivalenter i de fleste tilfælde opfyldt præcist af pentosephosphat-vejen [3] . Men i nogle tilfælde er dannelsen af ​​ribose-5-phosphat det eneste formål med pentosephosphat-vejen [4] . Ribose-5-phosphat fungerer som en forløber for 5-phosphoribosyl-1-pyrophosphat (PRPP), som er involveret i biosyntesen af ​​nukleotider og nukleinsyrer , aminosyrerne histidin og tryptophan . Et andet mellemprodukt af pentosephosphatvejen, erythrose 4-phosphat, kondenserer med phosphoenolpyruvat for at give anledning til en fælles del af tryptophan- , phenylalanin- og tyrosinbiosyntesevejen [ 14] .

Pentosephosphatvejen kan fungere i leveren, fedtvæv, bryst under amning , testikler [3] , binyrebark , erytrocytter . I disse væv og organer opstår der aktivt hydroxylerings- og reduktionsreaktioner, for eksempel under syntesen af ​​fedtsyrer , kolesterol , neutralisering af xenobiotika i leveren og reaktive iltarter i erytrocytter og andre væv, så de har et stort behov for at reducere ækvivalenter, herunder , NADPH. Især i erytrocytter udføres neutraliseringen af ​​reaktive oxygenarter af antioxidanten glutathion  , et svovlholdigt tripeptid . Glutathion, som er oxideret, omdanner reaktive oxygenarter til inaktive, men NADPH + H + er nødvendig for at omdanne glutathion tilbage til den reducerede form . Med en defekt i glucose-6-phosphat dehydrogenase i erytrocytter opstår aggregering af hæmoglobinprotomerer , på grund af hvilke erytrocytter mister deres plasticitet, og normal drift af pentosephosphatvejen er nødvendig for deres funktion [15] . Interessant nok er nogle forstyrrelser i aktiviteten (men ikke funktionen) af glucose-6-phosphat dehydrogenase forbundet med resistens over for Plasmodium falciparum malaria Plasmodium falciparum blandt indvandrere fra Afrika og Middelhavet , fordi røde blodlegemer på grund af en svagere membran , plasmodium bruger en del af sin livscyklus, kan ikke sikre sin effektive reproduktion [16] . Ud over erytrocytter er der fundet høj aktivitet af glucose-6-phosphat-dehydrogenase i fagocytiske leukocytter , hvor NADPH-oxidase- enzymet bruger det reducerede NADPH til at danne superoxidionen fra den molekylære form af oxygen [3] .

Som nævnt ovenfor kræver funktionen af ​​transketolase thiaminpyrophosphat (TPP), som er dannet af thiamin ( vitamin B 1 ). Mutationer i transketolasegenet, hvilket resulterer i et enzym med nedsat affinitet for TPP (en tiendedel af normal aktivitet), gør den menneskelige krop mere følsom over for mangel på thiamin i maden. Selv med en moderat mangel på TPP er pentosephosphat-vejen betydeligt bremset hos disse individer. Sådanne mutationer forværrer symptomerne på Wernicke-Korsakoff syndrom  , en sygdom forårsaget af alvorlig thiaminmangel [11] .

Hos planter danner reaktionerne af pentosefosfatvejen i den modsatte retning den reduktive pentosefosfatvej, som er grundlaget for fotosyntesens mørke (det vil sige sukkerdannende) reaktioner [8] . Pentosephosphatvejen kan være af særlig betydning for visse økologiske grupper af planter. Blomstringsplanten Craterostigma plantagineum akkumulerer således i modsætning til dyr store mængder 2-oxo-octulose. Denne plante er i stand til at modstå alvorlig dehydrering og hurtigt genoprette vandreserver og vende tilbage til normal metabolisme om et par timer. Ved dehydrering omdannes det meste af octulosen til saccharose . Det viste sig, at denne plante har et stort antal gener , der koder for transketolase, som kan spille en nøglerolle i indbyrdes omdannelser af sukkerarter [12] .

Mange bakterier mangler en cyklisk variant af pentosephosphatvejen, og pentosephosphatvejen bruges til at danne pentoser og NADPH, svarende til eukaryoter . De ikke-oxidative reaktioner af pentosephosphatvejen kan også bruges i gluconatmetabolisme . Pentosephosphatcyklussen fungerer i mange cyanobakterier, da de ikke har en komplet Krebs-cyklus (de er ude af stand til at oxidere acetyl-CoA ), og biosyntetiske veje begynder med omdannelsen af ​​triosefosfater. Af samme grund udfører nogle eddikesyrebakterier ( Gluconobacter spp.) pentosephosphatcyklussen, og triosephosphaterne, der syntetiseres under den, oxideres kun til acetat , som frigives til det ydre miljø. Endelig bruger nogle bakterier ( Thiobacillus novellus og Brucella abortus ) pentosephosphat-vejen som hovedmetoden for sukkeroxidation, der erstatter glykolyse og Entner-Doudoroff-vejen [17] .

Forordning

Skæbnen for glucose-6-phosphat - uanset om det indgår i glykolyse eller pentosephosphat-vejen - bestemmes af cellens behov i øjeblikket, såvel som koncentrationen af ​​NADP + i cytosolen. Uden tilstedeværelsen af ​​en elektronacceptor vil den første reaktion af pentosephosphatvejen (katalyseret af glucose-6-phosphatdehydrogenase) ikke fortsætte. Når cellen hurtigt omdanner NADPH til NADP + i biosyntetiske reduktionsreaktioner, stiger NADP + -niveauerne , hvilket allosterisk stimulerer glucose-6-phosphat-dehydrogenase og derved øger strømmen af ​​glucose-6-phosphat gennem pentose-phosphat-vejen. Når NADPH-forbruget aftager, falder NADP + -niveauerne , og glucose-6-phosphat udnyttes glykolytisk [11] .

Studiehistorie

Historien om opdagelsen af ​​pentosephosphatvejen begyndte, da det blev bemærket, at nogle almindelige glykolysehæmmere (f.eks. iodacetat, fluorid) ikke ændrede glukoseindtaget. Sammen med dette opdagede Otto Warburg NADPH og beskrev oxidationen af ​​glucose-6-phosphat til 6-phosphogluconsyre. Derudover blev det vist, at glucose mærket med 14 C isotopen ved C-1 blev omdannet til 14 CO 2 hurtigere end mærket ved C-6. Hvis glucoseomdannelser kun fandt sted under glykolyse, ville 14 CO 2 blive dannet ligeligt fra glucose mærket med både C-1 og C-6. Således er muligheden for at udnytte glukose langs en anden alternativ vej end glykolyse blevet bevist [18] . Den komplette sekvens af reaktioner af pentosephosphat-vejen, inklusive transketolase- og transaldolase-reaktionerne, blev offentliggjort i 1955 af I. C. Gunsalus og W. A. ​​Wood [ 19 ] .  

Noter

  1. ↑ Pentose phosphate pathway - en artikel fra Biological Encyclopedic Dictionary
  2. ↑ 1 2 3 Netrusov, Kotova, 2012 , s. 123.
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Biokemi: The Pentose Phosphate Pathway of Glucose Conversion (utilgængeligt link) . Hentet 14. juli 2014. Arkiveret fra originalen 30. juli 2013. 
  4. ↑ 1 2 3 Metzler, 2003 , s. 964.
  5. ↑ Keller MA , Turchyn AV , Ralser M. Ikke-enzymatisk glykolyse og pentosephosphat-pathway-lignende reaktioner i et plausibelt arkæisk hav.  (engelsk)  // Molekylær systembiologi. - 2014. - Bd. 10. - S. 725. - PMID 24771084 .
  6. ↑ Nelson, Cox, 2008 , s. 560.
  7. ↑ Severin, 2011 , s. 271-272.
  8. ↑ 1 2 3 Metzler, 2003 , s. 963.
  9. ↑ Metzler, 2003 , s. 964-965.
  10. ↑ 1 2 Severin, 2011 , s. 272.
  11. ↑ 1 2 3 Nelson, Cox, 2008 , s. 563.
  12. ↑ 1 2 3 4 Metzler, 2003 , s. 965.
  13. ↑ Severin, 2011 , s. 271.
  14. ↑ Nelson, Cox, 2008 , s. 861.
  15. ↑ Severin, 2011 , s. 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) -mangelfulde erytrocytter parasiteret af Plasmodium falciparum kan forklare malariabeskyttelse ved G6PD-mangel.  (engelsk)  // Blood. - 1998. - Bd. 92, nr. 7 . - P. 2527-2534. — PMID 9746794 .
  17. ↑ Moderne mikrobiologi / Red. J. Lengeler, G. Drews, G. Schlegel. - M . : Mir, 2005. - T. 1. - S. 266-267. — 654 s.
  18. ↑ Keshav Trehan. biokemi. - New Delphi: New Age International, 1990. - S. 301. - 580 s. — 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 .

Litteratur

Links

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier