Пентозофосфатний шлях Пентозофосфатний шлях (ПФШ, гексозомонофосфатний шунт, фосфоглюконатний шлях) — метаболічний шлях перетворення глюкози, потрібний для отримання відновних еквівалентів НАДФH, що використовуються у процесах біосинтезу багатьох речовин, зокрема, жирних кислот та холестерину, та рибозо-5-фосфату, який є важливим попередником в утворенні нуклеотидів. Відбувається в цитоплазмі клітин прокаріот, грибів, рослин та тварин. У фотосинтезуючих організмів пентозофосфатний шлях має багато спільних ферментів із циклом Кальвіна[1]. Історія дослідженняПерші свідчення про існування пентозофосфатного шляху отримав Отто Варбург у 1930-х роках. Він вивчав окиснення глюкозо-6-фосфату до 6-фосфоглюконату і відкрив НАДФ+. Подальші спостереження показали, що клітинне дихання продовжується навіть у присутності високих концентрацій флюоридів, попри те, що ці сполуки інгібують фермент енолазу, блокуючи гліколіз. У 1950-х роках Френк Дікенс, Бернард Горекер, Фріц Ліпманн та Ефраїм Рекер описали пентозофосфатний шлях[2]. Біологічне значення і локалізаціяПФШ відбувається у цитозолі клітин[3][4], він має кілька біологічних функцій. Однією з них є продукування рибозо-5-фосфату, що використовується для синтезу нуклеотидів, які входять до складу РНК та ДНК, а також коферментів, таких, як АТФ, НАД, ФАД, кофермент А. Через це ПФШ активно функціонує у клітинах, що швидко діляться: кісткового мозку, шкіри, слизової оболонки кишки, а також пухлин[5][6]. Інші моносахариди, що утворюються у ПФШ, також можуть використовуватись клітинами, наприклад, у багатьох мікроорганізмів еритрозо-4-фосфат включається в метаболічні шляхи біосинтезу ароматичних амінокислот та вітаміну B6. Рибулозо-5-фосфат може перетворюватись до рибулозо-1,5-бісфосфату, який є акцептором вуглекислого газу у процесі фотосинтезу. Бактерії, що ростуть на середовищі, багатому пентозами, використовують пентозофосфатний шлях з метою отримання гексоз, наприклад, глюкози, необхідної для синтезу пептидоглікану[7]. В багатьох тканинах найбільше значення серед продуктів ПФШ мають не моносахариди, а НАДФН, необхідний у процесах відновного біосинтезу та для подолання шкідливого впливу активних форм кисню. Ферменти цього метаболічного шляху дуже поширені у тканинах, де інтенсивно відбувається біосинтез жирних кислот (печінка, молочні залози під час лактації, жирова тканина) або холестерину та інших стероїдів (печінка, статеві залози, кора наднирників)[5]. Наприклад, було встановлено, що 30 % окиснення глюкози в печінці відбувається за пентозофосфатним шляхом[2]. ПФШ також активно протікає у клітинах, що постійно перебувають у прямому контакті з киснем: еритроцитах та клітинах рогівки і кришталика. Тут він потрібний для підтримання відновного середовища (високого співвідношення НАДФН/НАДФ+ та відновлений глутатіон/окиснений глутатіон), яке може протидіяти окисному ушкодженню ненасичених жирних кислот (перикисному окисенню ліпідів), білків та інших чутливих молекул[5][8]. Реакції пентозофосфатного шляхуЗагальна реакція пентозофосфатного шляху має такий вигляд: 3 Глюкозо-6-фосфат + 6 НАДФ+ + 3 H2O → 6 НАДФН(H+) + 3 CO2 + 2 фруктозо-6-фосфат + гліцеральдегідфосфат; Пентозофосфатний шлях розділяють на дві стадії[3][9][4]:
Деякі автори виділяють у пентозофосфатному шляху три етапи, поділяючи неокиснювальну стадію на дві:
Всі реакції неокиснювальної стадії є оборотними, тому загальний вихід пентозофосфатного шляху дуже різниться в залежності від потреб клітини. Наприклад, коли є необхідність у великій кількості рибозо-5-фосфату, стадія 3 діє у зворотному порядку, тобто продукує цю речовину із фруктозо-6-фосфату та гліцеральдегід-3-фосфату[10]. Окисні реакції пентозофосфтаного шляхуПерша реакція пентозофосфатного шляху — окиснення глюкозо-6-фосфату до внутрішньомолекулярного естеру 6-фосфоглюконо-δ-лактону, що відбувається внаслідок перенесення гідрид іона на НАДФ+. Каталізує цей процес фермент глюкозо-6-фосфатдегідрогеназа, що сильно інгібується відновленим НАДФН[11][5]. Фермент високоспецифічний до НАДФ+, константа Міхаеліса для НАД+ приблизно у 1000 раз вища, ніж для НАДФ+[4]. Наступний крок — гідроліз 6-фосфоглюконо-δ-лактону до 6-фосфоглюконату — каталізується 6-фосфоглюконолактоназою. Продукт цієї реакції далі підлягає окисному декарбоксилюванню за участі ферменту 6-фосфоглюконатдегідрогенази, внаслідок чого утворюється вуглекислий газ та рибулозо-5-фосфат[11]. Отже, на цій стадії пентозофосфатного шляху на кожну молекулу глюкозо-6-фосфату, що вступає в нього, відновлюються дві молекули НАДФ+[11]. У деяких тканинах ПФШ закінчується реакцією перетворення рибулозо-5-фосфату до рибозо-5-фосфату і має загальне рівняння:
Проте часто рибулозо-5-фосфат перетворюється у серії реакцій до проміжних продуктів гліколізу. Неокиснювальна стадія ПФШУтворений у першій стадії пентозофосфатного шляху рибулозо-5-фосфат далі може підлягати дії ферменту фосфопентоізомерази (рибулозо-5-фосфатізомерази), що перетворює його в рибозо-5-фосфат, або фосфопентоепімерази (рибулозо-5-фосфатепімерази), яка здійснює реакцію утворення ксилулозо-5-фосфату. Обидві реакції відбуваються через енедіолатні проміжні сполуки[11]. Рибозо-5-фосфат необхідний для синтезу нуклеотидів, проте коли у клітині його продукується більше, ніж потрібно, він разом із ксилулозо-5-фосфатом перетворюється у проміжні продукти гліколізу (фруктозо-6-фосфат та гліцеральдегід-3-фосфат). Перетворення трьох C5 моносахаридів до двох C6 та одного C3 відбувається завдяки ферментам транскетолазі та трансальдолазі. Вони мають схожий механізм дії, що полягає в генеруванні стабілізованого карбаніону та його приєднання до електрофільного центру, такого, як альдегідна група[11]. Транскетолаза каталізує перенесення C2 фрагменту від ксилулозо-5-фосфату до рибозо-5-фосфату, внаслідок чого утворюється гліцеральдегід-3-фосфат та седогептулозо-7-фосфат. Як кофактор використовується тіамінпірофосфат[11]. Трансальдолазна реакція полягає в перенесенні C3 фрагменту із седогептулозо-7-фосфату на гліцеральдегід-3-фосфат з утворенням фруктозо-6-фосфату та еритрозо-4-фосфату[12]. Наступну реакцію знову каталізує транскетолаза, що переносить C2 фрагмент із ще однієї молекули ксилулозо-5-фосфату на еритрозо-4-фосфат. Продуктами є друга молекула фруктозо-6-фосфату та гліцеральдегід-3-фосфат[12]. Фруктозо-6-фосфат може знову перетворюватись у глюкозо-6-фосфат фосфогексозоізомеразою, гліцеральдегід-3-фосфат також може використовуватись на відновлення глюкозо-6-фосфату, як у глюконеогенезі. В такому випадку одна молекула глюкозо-6-фосфату за 6 циклів пентозофосфатного шляху повністю перетворюється у вуглекислий газ, що супроводжується синтезом 12 молекул відновленого НАДФ[13]. Загальне рівняння процесу матиме такий вигляд:
Регулювання пентозофосфатного шляхуГлюкозо-6-фосфат може вступати як у гліколіз, так і в пентозофосфатний шлях, його розподіл між цими двома шляхами залежить від концентрації НАДФ+, яка впливає на швидкість першої реакції ПФШ. Дегідрогенізація глюкозо-6-фосфату є незворотною і лімітуючою стадією, вона інгібується низькими концентраціями НАДФ+, потрібного як акцептор електронів[14]. Коли клітина активно використовує НАДФН, рівень НАДФ+ зростає і він алостерично активує глюкозо-6-фосфатдегідрогеназу[15]. Швидкість неокиснювальної стадії ПФШ в основному регулюється доступністю субстратів[14]. Протікання пентозофосфатного шляху та його зв'язок із гліколізом і глюконеогенозом сильно залежить від потреб клітини в конкретний момент. Можливі чотири ситуації:
Нестача ферменту глюкозо-6-фосфатдегідрогеназиНайпоширенішим серед усіх метаболічних захворювань людини є нестача першого ферменту пентозофосфатного шляху — глюкозо-6-фосфатдегідрогенази. Знижений рівень цього ензиму спостерігається у понад 400 мільйонів людей по всьому світу, проте переважно ця аномалія ніяк не проявляється. Клінічні симптоми у формі руйнування еритроцитів, що супроводжується жовтяницею та в деяких випадках нирковою недостатністю, з'являються тільки, коли хвора особа стає об'єктом впливу певних факторів середовища[17]. Наприклад, у 1926 році для лікування малярії був запропонований новий препарат — памахін, більшість пацієнтів переносили його нормально, але в невеликої частини з'являлись загрозливі для життя симптоми, пов'язані з руйнуванням еритроцитів. Через 30 років було з'ясовано, що гемолітична анемія у відповідь на дію памахіну виникала у людей із нестачею глюкозо-6-фосфатдегідрогенази[18]. Симптоми, схожі до тих, що виникають під впливом протималярійних препаратів, у людей із нестачею глюкозо-6-фосфатдегідрогенази можуть викликатись і вживанням кінських бобів, захворювання, що виникає при цьому, називається фавізм. Відомо, що грецький філософ Піфагор забороняв своїм послідовникам їсти боби[17]. Протималярійні препарати, такі, як памахін та примахін, пуриновий глікозид віцин із кінських бобів, деякі сульфаніламідні препарати та гербіциди діють за однаковим принципом — викликають оксидативний стрес шляхом збільшення рівня активних форм кисню. Особливо чутливі до такого впливу еритроцити, оскільки в них відсутні мітохондрії, проте в червоних кров'яних тільцях здорової людини згубний ефект активних форм кисню елімінується завдяки відновленому глутатіону. Щоб регенерувати відновлений глутатіон із його окисненої форми, необхідний НАДФН, який утворюється глюкозо-6-фосфатдегідрогеназою в першій реакції пентозофосфатного шляху. В осіб із зниженим рівнем цього ферменту еритроцити не мають ефективного захисту проти оксидативного стресу і тому руйнуються під впливом згаданих речовин[17]. Оскільки до активних форм кисню дуже чутливим є також і клітини малярійного плазмодія, нестача глюкозо-6-фосфатдегідрогенази також забезпечує стійкість проти одного з видів цього паразита — Plasmodium falciparum. Про це свідчить поширення метаболічного захворювання: воно найбільш розповсюджене у тропічній Африці, на Середньому Сході та у Південносхідній Азії, де спостерігаються найвищі рівні захворювання малярією[17]. Примітки
Джерела Вікісховище має мультимедійні дані за темою: Пентозофосфатний шлях
|
||||||||||||||||||||
Portal di Ensiklopedia Dunia
