Pentosfosfatväg

Pentosfosfatvägen ( pentosväg , hexosmonofosfatshunt [1] , Warburg-Dickens-Horeckerväg [2] ) är en alternativ väg för glukosoxidation (tillsammans med glykolys och Entner -Doudoroff-vägen ), inkluderar oxidativ och icke-oxidativ väg steg.

Den övergripande ekvationen för pentosfosfatvägen är:

3 glukos-6-fosfat + 6 NADP + → 3 CO 2 + 6 (NADPH + H + ) + 2 fruktos-6-fosfat + glyceraldehyd-3-fosfat [3] .

Därefter omvandlas glyceraldehyd-3-fosfat till pyruvat med bildandet av två ATP - molekyler [2] .

Pentosfosfatvägen är vanlig i växter och djur , och i de flesta mikroorganismer har den bara ett hjälpvärde [2] . Enzymer från pentosfosfatvägen finns i cytosolen hos både djur- och växtceller ; dessutom är de i däggdjursceller också lokaliserade i det endoplasmatiska retikulumet och i växter - i kloroplaster [4] .

Liksom glykolys verkar pentosfosfatvägen ha en mycket gammal evolutionär historia. Kanske ägde reaktioner av pentosfosfatcykeln rum i de antika vattnen i Archean , redan innan livet uppstod, katalyserade inte av enzymer, som i levande celler, utan av metalljoner , i synnerhet Fe 2+ [5] .

Reaktioner

Som noterats ovan är pentosfosfatvägen uppdelad i oxidativa och icke-oxidativa steg. Under det oxidativa steget oxideras glukos fosforylerad till glukos-6-fosfat till ribulos-5-fosfat och två [6] reducerade NADPHs bildas. Under det icke-oxiderande steget bildas inte reducerande ekvivalenter, det tjänar till syntesen av pentoser och inkluderar reversibla överföringsreaktioner av två eller tre kolfragment ; i framtiden kan pentoser återigen omvandlas till hexoser med ett överskott av pentoser i cellen på grund av reversibiliteten av icke-oxidativa reaktioner av pentosfosfatvägen [7] . Alla enzymer som är involverade i pentosfosfatvägen kan delas in i tre enzymsystem:

Oxidativt stadium

Reaktionssekvensen för det oxidativa stadiet av pentosfosfatvägen presenteras i tabellen [8] [3] :

substrat Produkter Enzym Beskrivning
Glukos-6-fosfat + NADP + → 6-fosfoglukono-δ-lakton + NADPH + H + Glukos-6-fosfatdehydrogenas Dehydrering. Hydroxylgruppen vid det första kolet i glukos-6-fosfat omvandlas till en karbonylgrupp och bildar en lakton och NADPH reduceras också.
6-fosfoglukono-5-lakton + H2O → 6-fosfoglukonat + H + 6-fosfoglukonolaktonas Hydrolys
6-fosfoglukonat + NADP + → Ribulos-5-fosfat + NADPH + CO 2 6-fosfoglukonatdehydrogenas 6-fosfoglukonatdehydrogenas katalyserar både dehydrering, åtföljd av NADP-reduktion, och dekarboxylering.

Den övergripande ekvationen för det oxidativa steget:

Glukos-6-fosfat + 2 NADP + + H2O → ribulos-5-fosfat + 2 (NADPH + H + ) + CO2 .

Icke-oxiderande steg

Den allmänna reaktionssekvensen för den icke-oxidativa vägen är som följer [3] [9] :

substrat Produkter Enzym
Ribulos 5-fosfat ⇌ Ribos-5-fosfat Ribulos-5-fosfatisomeras
Ribulos 5-fosfat ⇌ Xylulos-5-fosfat Ribulos-5-fosfat-3-epimeras
Xylulos 5-fosfat + ribos 5-fosfat ⇌ Glyceraldehyd-3-fosfat + sedoheptulos-7-fosfat Transketolas
Sedoheptulos-7-fosfat + glyceraldehyd-3-fosfat ⇌ Erythroso-4-fosfat + fruktos-6-fosfat Transaldolase
Xylulos 5-fosfat + erytros 4-fosfat ⇌ Glyceraldehyd-3-fosfat + fruktos-6-fosfat Transketolas

Transaldolas och transketolas katalyserar C-C- bindningsklyvningen och överföringen av kolkedjefragment som härrör från denna klyvning [4] . Transketolas använder tiaminpyrofosfat (TPP) som ett koenzym , vilket är en difosforester av vitamin B 1 [10] . Nedan visas scheman för transaldolas- och transketolasreaktioner.

Den övergripande ekvationen för det icke-oxidativa steget är:

3 ribulos-5-fosfat → 1 ribos-5-fosfat + 2 xylulos-5-fosfat → 2 fruktos-6-fosfat + glyceraldehyd-3-fosfat.

Reaktionerna för den oxidativa vägen fortsätter endast om den reducerade NADPH konsumeras av cellen , det vill säga den går in i det ursprungliga oreducerade tillståndet (NADP+). Om behovet av NADPH i cellen är obetydligt, bildas ribos-5-fosfat som ett resultat av reversibla reaktioner av det icke-oxidativa stadiet av pentosfosfatvägen, där de initiala reagensen är glykolysmetaboliter - glyceraldehyd- 3-fosfat och fruktos-6-fosfat [3] .

Valet av glykolys eller pentosfosfatvägen av cellen för tillfället bestäms av dess behov i det ögonblicket och koncentrationen av NADP + i cytosolen. I frånvaro av denna elektronacceptor kan den första reaktionen av pentosfosfatvägen inte inträffa. Om cellen aktivt konsumerar NADPH, ökar koncentrationen av NADP + , på grund av vilket glukos-6-fosfatdehydrogenas och pentosfosfatvägen aktiveras för att återställa oxiderad NADPH. När NADPH-konsumtionen minskar, sjunker NADP + -koncentrationen, pentosfosfatvägen avbryts och glukos-6-fosfat är involverat i glykolysen [11] .

Pentosfosfatcykel

Från den totala ekvationen för det icke-oxidativa steget kan man se att från de pentoser som bildas under dekarboxyleringen av hexos-glukos, med användning av pentosfosfatvägen, kan man återgå till hexoser. I detta avseende utgör det oxidativa stadiet av pentosfosfatvägen och den ytterligare omvandlingen av pentoser till hexoser en cyklisk process - pentosfosfatcykeln . Pentosfosfatcykeln fungerar huvudsakligen endast i fettvävnad och levern . Dess övergripande ekvation ser ut så här:

6 glukos-6-fosfat + 12NADP + 2H2O → 12(NADPH + H + ) + 5 glukos-6-fosfat + 6 CO2 [ 10] .

Den icke-oxidativa pentosfosfatvägen

Omlagringen av glukos till pentoser kan också utföras utan avlägsnande av koldioxid med användning av ett system av sockeromlagringsenzymer och glykolytiska enzymer som omvandlar glukos-6-fosfat till glyceraldehyd-3-fosfat. I det här fallet inträffar omarrangemang av följande form [12] :

2½ С 6 → 3 С 5 .

När man studerade metabolismen av den röda lipidbildande jästen Rhodotorula gracilis (denna jäst saknar fosfofruktokinas och de är oförmögna att oxidera sockerarter genom glykolys), visade det sig att 20 % av glukosen oxideras längs pentosfosfatvägen, och 80 % är omarrangeras längs den icke-oxidativa pentosfosfatvägen. Det är dock för närvarande okänt hur exakt i detta fall trekolföreningar bildas om glykolys är omöjligt [12] .

Ändringar

Flera studier utförda med radiomärkt glukos bekräftade kemin hos pentosfosfatvägen som beskrivs ovan. Det har dock föreslagits att vissa avvikelser från omarrangemang av sockerarter i pentosfosfatvägen förekommer i levern, i synnerhet bildandet av arabinos 5-fosfat, oktulosbisfosfat och oktulos 8-fosfat från ribos-5-fosfat, dock , menar många forskare att betydelsen av dessa ytterligare reaktioner är försumbar [12] .

Distribution och biologisk betydelse

Som noterats ovan finns pentosfosfatvägen i djur, växter och mikroorganismer. I alla celler tjänar denna väg till att bilda reducerad NADPH, som används som vätedonator i reduktions- och hydroxyleringsreaktioner , och förser även celler med ribos-5-fosfat [13] . Även om NADPH också bildas under oxidationen av malat till pyruvat och koldioxid, såväl som under dehydreringen av isocitrat , tillgodoses i de flesta fall cellernas behov av att reducera ekvivalenter exakt av pentosfosfatvägen [3] . Men i vissa fall är bildningen av ribos-5-fosfat det enda syftet med pentosfosfatvägen [4] . Ribos-5-fosfat fungerar som en prekursor till 5-fosforibosyl-1-pyrofosfat (PRPP), som är involverat i biosyntesen av nukleotider och nukleinsyror , aminosyrorna histidin och tryptofan . En annan mellanprodukt av pentosfosfatvägen, erytros 4-fosfat, kondenserar med fosfoenolpyruvat för att ge upphov till en gemensam del av tryptofan- , fenylalanin- och tyrosinbiosyntesvägen [ 14] .

Pentosfosfatvägen kan fungera i levern, fettvävnad, bröst under amning , testiklar [3] , binjurebarken , erytrocyter . I dessa vävnader och organ sker aktivt hydroxylerings- och reduktionsreaktioner, till exempel under syntesen av fettsyror , kolesterol , neutralisering av xenobiotika i levern och reaktiva syrearter i erytrocyter och andra vävnader, så de har ett stort behov för att minska ekvivalenter, inklusive , NADPH. Speciellt i erytrocyter utförs neutraliseringen av reaktiva syreämnen av antioxidanten glutation  , en svavelinnehållande tripeptid . Glutation, som oxideras, omvandlar reaktiva syreämnen till inaktiva, men NADPH + H + behövs för att omvandla glutation tillbaka till den reducerade formen . Med en defekt i glukos-6-fosfatdehydrogenas i erytrocyter uppstår aggregering av hemoglobinprotomerer , på grund av vilka erytrocyter förlorar sin plasticitet, och normal drift av pentosfosfatvägen är nödvändig för deras funktion [15] . Intressant nog är vissa störningar i aktiviteten (men inte funktionen) av glukos-6-fosfatdehydrogenas associerade med resistens mot Plasmodium falciparum malaria Plasmodium falciparum bland invandrare från Afrika och Medelhavet , eftersom röda blodkroppar , på grund av ett svagare membran , plasmodium tillbringar en del av sin livscykel, kan inte säkerställa sin effektiva reproduktion [16] . Förutom erytrocyter har hög aktivitet av glukos-6-fosfatdehydrogenas hittats i fagocytiska leukocyter , där NADPH-oxidasenzymet använder den reducerade NADPH för att bilda superoxidjonen från den molekylära formen av syre [3] .

Som noterats ovan kräver funktionen av transketolas tiaminpyrofosfat (TPP), som bildas av tiamin ( vitamin B 1 ). Mutationer i transketolasgenen, vilket resulterar i ett enzym med minskad affinitet för TPP (en tiondel av normal aktivitet), gör människokroppen mer känslig för brist på tiamin i maten. Även med en måttlig brist på TPP bromsas pentosfosfatvägen avsevärt hos dessa individer. Sådana mutationer förvärrar symptomen på Wernicke-Korsakoffs syndrom  , en sjukdom som orsakas av allvarlig tiaminbrist [11] .

Hos växter bildar reaktionerna av pentosfosfatvägen i motsatt riktning den reduktiva pentosfosfatvägen, som är grunden för fotosyntesens mörka (det vill säga sockerbildande) reaktionerna [8] . Pentosfosfatvägen kan vara av särskild betydelse för vissa ekologiska växtgrupper. Således, till skillnad från djur, ackumulerar blomväxten Craterostigma plantagineum stora mängder 2-oxo-oktulos. Denna växt kan motstå allvarlig uttorkning och snabbt återställa vattenreserver och återgå till normal metabolism om några timmar. Vid uttorkning omvandlas det mesta av oktulosen till sackaros . Det visade sig att denna växt har ett stort antal gener som kodar för transketolas, vilket kan spela en nyckelroll i interomvandlingar av sockerarter [12] .

Många bakterier saknar en cyklisk variant av pentosfosfatvägen, och pentosfosfatvägen används för att bilda pentoser och NADPH, liknande eukaryoter . De icke-oxidativa reaktionerna av pentosfosfatvägen kan också användas i glukonatmetabolism . Pentosfosfatcykeln fungerar i många cyanobakterier, eftersom de inte har en fullständig Krebs-cykel (de kan inte oxidera acetyl-CoA ) och biosyntetiska vägar börjar med omvandlingen av triosfosfater. Av samma anledning utför vissa ättiksyrabakterier ( Gluconobacter spp.) pentosfosfatcykeln, och triosfosfaterna som syntetiseras under den oxideras endast till acetat , som släpps ut i den yttre miljön. Slutligen använder vissa bakterier ( Thiobacillus novellus och Brucella abortus ) pentosfosfatvägen som huvudsättet för sockeroxidation, och ersätter glykolysen och Entner-Doudoroff-vägen [17] .

Förordning

Ödet för glukos-6-fosfat - oavsett om det går in i glykolys eller pentosfosfatvägen - bestäms av cellens behov för tillfället, såväl som koncentrationen av NADP + i cytosolen. Utan närvaro av en elektronacceptor kommer den första reaktionen av pentosfosfatvägen (katalyserad av glukos-6-fosfatdehydrogenas) inte att fortsätta. När cellen snabbt omvandlar NADPH till NADP + i biosyntetiska reduktionsreaktioner, stiger NADP + -nivåerna , vilket allosteriskt stimulerar glukos-6-fosfatdehydrogenas och därigenom ökar strömmen av glukos-6-fosfat genom pentosfosfatvägen. När NADPH-konsumtionen saktar ner minskar NADP + -nivåerna och glukos-6-fosfat används glykolytiskt [11] .

Studiens historia

Historien om upptäckten av pentosfosfatvägen började när det märktes att några vanliga hämmare av glykolys (t.ex. jodacetat, fluorid) inte förändrade glukosintaget. Tillsammans med detta upptäckte Otto Warburg NADPH och beskrev oxidationen av glukos-6-fosfat till 6-fosfoglukonsyra. Dessutom visades det att glukos märkt med 14C isotopen vid C-1 omvandlades till 14 CO 2 snabbare än märkt vid C-6. Om glukosomvandlingar inträffade endast under glykolys, skulle 14 CO 2 bildas lika mycket från glukos märkt med både C-1 och C-6. Således har möjligheten att använda glukos längs en annan väg än glykolys bevisats [18] . Den fullständiga sekvensen av reaktioner för pentosfosfatvägen, inklusive transketolas- och transaldolasreaktionerna, publicerades 1955 av I. C. Gunsalus och W. A. ​​Wood [ 19 ] .  

Anteckningar

  1. ↑ Pentosfosfatväg - en artikel från Biological Encyclopedic Dictionary
  2. ↑ 1 2 3 Netrusov, Kotova, 2012 , sid. 123.
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Biokemi: Pentosfosfatvägen för omvandling av glukos (otillgänglig länk) . Hämtad 14 juli 2014. Arkiverad från originalet 30 juli 2013. 
  4. ↑ 1 2 3 Metzler, 2003 , sid. 964.
  5. ↑ Keller MA , Turchyn AV , Ralser M. Icke-enzymatisk glykolys och pentosfosfatväg-liknande reaktioner i ett rimligt arkeiskt hav.  (engelska)  // Molekylär systembiologi. - 2014. - Vol. 10. - P. 725. - PMID 24771084 .
  6. ↑ Nelson, Cox, 2008 , sid. 560.
  7. ↑ Severin, 2011 , sid. 271-272.
  8. ↑ 1 2 3 Metzler, 2003 , sid. 963.
  9. ↑ Metzler, 2003 , sid. 964-965.
  10. ↑ 1 2 Severin, 2011 , sid. 272.
  11. ↑ 1 2 3 Nelson, Cox, 2008 , sid. 563.
  12. ↑ 1 2 3 4 Metzler, 2003 , sid. 965.
  13. ↑ Severin, 2011 , sid. 271.
  14. ↑ Nelson, Cox, 2008 , sid. 861.
  15. ↑ Severin, 2011 , sid. 272, 274.
  16. ↑ Cappadoro M. , Giribaldi G. , O'Brien E. , Turrini F. , Mannu F. , Ulliers D. , Simula G. , Luzzatto L. , Arese P. Tidig fagocytos av glukos-6-fosfatdehydrogenas (G6PD) -brist på erytrocyter parasiterade av Plasmodium falciparum kan förklara malariaskydd vid G6PD-brist.  (engelska)  // Blood. - 1998. - Vol. 92, nr. 7 . - P. 2527-2534. — PMID 9746794 .
  17. ↑ Modern mikrobiologi / Ed. J. Lengeler, G. Drews, G. Schlegel. - M . : Mir, 2005. - T. 1. - S. 266-267. — 654 sid.
  18. ↑ Keshav Trehan. biokemi. - New Delphi: New Age International, 1990. - S. 301. - 580 sid. — 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

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk