Пентозофосфа́тный путь ( пентозный путь , гексозомонофосфатный шунт , путь Варбурга — Диккенса — Хорекера ) — альтернативный путь окисления глюкозы (наряду с гликолизом и путём Энтнера — Дудорова ), включает в себя окислительный и неокислительный этапы.

Суммарное уравнение пентозофосфатного пути:

3 глюкозо-6-фосфат + 6 НАДФ ⁺ → 3 СО ₂ + 6 (НАДФH + Н ⁺ ) + 2 фруктозо-6-фосфат + глицеральдегид-3-фосфат .

В дальнейшем глицеральдегид-3-фосфат превращается в пируват с образованием двух молекул АТФ .

Пентозофосфатный путь распространён у растений и животных , а у большинства микроорганизмов имеет только вспомогательное значение . 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 .

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, Fe ²⁺ .

Реакции

Как отмечалось выше, пентозофосфатный путь подразделяется на окислительный и неокислительный этапы. В ходе окислительного этапа глюкоза, фосфорилируемая до глюкозо-6-фосфата, окисляется до , и при этом образуется два 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 . Все ферменты , задействованные в пентозофосфатном пути, можно подразделить на три системы ферментов:

• система дегидрирования — декарбоксилирования ;
• изомеризующая система;
• система, осуществляющая перестройки сахаров .

Окислительный этап

Последовательность реакций окислительного этапа пентозофосфатного пути представлена в таблице :

Субстраты	Продукты	Фермент	Описание
Глюкозо-6-фосфат + NADP +	→ + NADPH + H +	Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа	Дегидрирование. Гидроксильная группа при первом атоме углерода глюкозо-6-фосфата превращается в карбонильную , образуя лактон , при этом также происходит восстановление NADPH.
6-Фосфоглюконо-δ-лактон + H 2 O	→ + H +		Гидролиз
6-Фосфоглюконат + NADP +	→ Рибулозо-5-фосфат + NADPH + CO 2		6-Фосфоглюконатдегидрогеназа катализирует и дегидрирование, сопровождающееся восстановлением NADP, и декарбоксилирование.

Суммарное уравнение окислительного этапа:

Глюкозо-6-фосфат + 2 NADP ⁺ + H ₂ O → рибулозо-5-фосфат + 2 (NADPH + H ⁺ ) + CO ₂ .

Неокислительный этап

Общая последовательность реакций неокислительного пути такова :

Субстраты	Продукты	Фермент
Рибулозо-5-фосфат	⇌ Рибозо-5-фосфат	Рибулозо-5-фосфатизомераза
Рибулозо-5-фосфат	⇌	Рибулозо-5-фосфат-3-эпимераза
Ксилулозо-5-фосфат + рибозо-5-фосфат	⇌ Глицеральдегид-3-фосфат +	Транскетолаза
Седогептулозо-7-фосфат + глицеральдегид-3-фосфат	⇌ + фруктозо-6-фосфат
Ксилулозо-5-фосфат + эритрозо-4-фосфат	⇌ Глицеральдегид-3-фосфат + фруктозо-6-фосфат	Транскетолаза

Трансальдолаза и транскетолаза катализируют разрыв связи С—С и перенос фрагментов углеродной цепи, получающихся при этом разрыве . Транскетолаза в качестве кофермента использует тиаминпирофосфат (ТРР), представляющий собой ди фосфорный эфир витамина В ₁ . Ниже представлены схемы трансальдолазной и транскетолазной реакций.

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 образуется в результате обратимых реакций неокислительного этапа пентозофосфатного пути, где исходными реагентами служат метаболиты гликолиза — глицеральдегид-3-фосфат и фруктозо-6-фосфат .

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 .

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 + 2H ₂ O → 12(NADPH + H ⁺ ) + 5 глюкозо-6-фосфат + 6 СО ₂ .

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 :

2½ С ₆ → 3 С ₅ .

При изучении метаболизма красных липидообразующих дрожжей (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 .

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 .

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 , а также обеспечивает клетки рибозо-5-фосфатом . 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 . Впрочем, в некоторых случаях образование рибозо-5-фосфата является единственным назначением пентозофосфатного пути . 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 .

Пентозофосфатный путь может функционировать в печени, жировой ткани, молочной железе при лактации , семенниках , коре надпочечников , эритроцитах . В этих тканях и органах активно протекают реакции гидроксилирования и восстановления, например, при , 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 . 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 . 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 . 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 .

Как было отмечено выше, для функционирования транскетолазы необходим тиаминпирофосфат (ТРР), который образуется из тиамина ( витамина В ₁ ). 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 .

У растений реакции пентозофосфатного пути в обратном направлении составляют восстановительный пентозофосфатный путь — основу (то есть сахарообразующих) реакций фотосинтеза . Пентозофосфатный путь может иметь особое значение для некоторых экологических групп растений. Так, в отличие от животных, цветковое растение 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 .

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 ( и Brucella abortus ) используют пентозофосфатный путь как основной способ окисления сахаров, заменяя им гликолиз и путь Энтнера — Дудорова .

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 .

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 ¹⁴ C по С-1, превращалась в ¹⁴ СО ₂ быстрее, чем меченная по С-6. Если бы превращения глюкозы происходили только в ходе гликолиза, то ¹⁴ СО ₂ 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 . 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 ) .

Примечания

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

• (англ.) . KEGG. Дата обращения: 10 января 2015. 5 января 2015 года.