Put pentoza fosfata

Put pentoza fosfata (engl. Penthose phosphate pathway, PPP) je metbolički put kojim ćelije proizvode šećere sa pet atoma ugljenika (pentoze) i redukovani nikotinamid adenin dinukleotid fosfat (NADPH). Ovaj je metabolički put paralelan glikolizi i delomično s njom povezan. Kod većine organizama put pentoza fosfata se odvija u citoplazmi, jedino se kod biljaka odvija u plastidima [1].

Tok ovog metaboličkog puta može biti podeljen u dve faze: oksidativnu i neoksidativnu.

Najvažniji metabolički produkti puta pentoza fosfata su:

Pentoze koje se unose putem hrane, kao rezultat razgradnje nukleinskih kiselina mogu biti metabolisane u putu pentoza fosfata.

Kod životinja se put pentoza fosfata odvija isključivo u citoplazmi. Organi u kojima je ovaj proces posebno aktivan su jetra, mlečna žlezda dojke, korteks nadbubrežne žlezde, jajnici i testisi. Proces je odsutan u mišićima. Put pentoza fosfata je jedan od najvažnijih načina sinteze molekula s redukujućim delovanjem i odgovoran je za 60% proizvodnje NADPH kod metabolizma čoveka.

NADPH u ćelijama ima ulogu inaktiviranja štetnog delovanja molekula koj izazivaju oksidativni stres. Enzim glutation reduktaza koristi NADPH kako bi redukovao oksidirani oblik glutationa (GSSG) u njegov redukovani oblik (GSH). Redukovani glutation se u daljim reakcijama koristi kao redukujući molekul koji pretvara potencijalno štetni vodonik peroksid (H2O2) u vodu. Ovaj je mehanizam posebno prisutan kod crvenih krvnih zrnaca (eritrocita) i njihov je jedini izvor NADPH.

Oksidativna faza

U ovoj faza metaboličkog puta odvijaju tri reakcije pri kojima se jedan molekul glukoze-6-fosfata pretvara u ribulozu-5-fosfat. Tokom reakcije dva molekula NADP+ se redukuju u NADPH[2].

Glukoza-6-fosfat (1), 6-fosfoglukono-δ-lakton (2), 6-fosfoglukonat (3), ribuloza 5-fosfat (4)

U sledećoj tabeli je sažet je tok enzimskih reakcija:

Reaktanti Produkti Enzim Opis reakcije
Glukoza-6-fosfat + NADP+ → 6-fosfoglukono-δ-lakton + NADPH glukoza-6-fosfat dehidrogenaza Dehidrogenacija. Hemiacetalna hidroksilna grupa smeštena na ugljeniku 1 glukoze 6-fosfat pretvara se u karbonilnu grupu, generirajući tako lakton. Pri tom se procesu stvara jedan molekul NADPH.
6-fosfoglukono-δ-lakton + H2O → 6-fosfoglukonat + H+ 6-fosfoglukonolaktonaza Hidroliza
6-fosfoglukonat + NADP+ → ribuloza 5-fosfat + NADPH + CO2 6-fosfoglukonat dehidrogenaza Oksidativna dekarboksilacija. Tokom ove reakcije NADP+ se redukuje u još jedan molekul NADPH, i kao produkt nastaje ugljen dioksid (CO2) i ribuloza 5-fosfat.

Zbirna stehiometrijska jednačina oksidativne faze je:

Glukoza-6-fosfat + 2 NADP+ + H2O → ribuloza-5-fosfat + 2 NADPH + 2 H+ + CO2

Neoksidativna faza

U ovoj fazi puta pentoza fosfata, koja se sastoji od niza složenih reakcija, dolazi do konverzije ribuloze-6-fosfata u konačne produkte gliceraldehid-3-fosfat i fruktozu-6-fosfat. Ovi produkti potom ulaze u proces glikolize kao reaktanti. Sve enzimatske reakcije neoksidativne faze su reverzibilne i zavise od koncentracije različitih supstrata.[2]

Prva je reakcija epimerizacija konačnog produkta oksidativne faze, šećera ribuloze-6-fosfata u ksilulozu-5-fosfat od strane enzima pentoza-5-fosfat epimeraze. Ribuloza-5-fosfat može ući i u reakciju izomerizacije preko enzima pentoza-5-fosfat izomeraze pri čemu nastaje riboza-5-fosfat.

U sledećoj fazi ksiluloza-5-fosfat i riboza-5-fosfat ulaze u proces rekombiniranja dva atoma ugljenika od strane enzima transketolaze pri čemu nastaju sedoheptuloza-7-fosfat i gliceraldeid-3-fosfat.

Ova dva produkta postaju supstrati sledeće reakcije rekombiniranja atoma ugljenika od strane enzima transaldolaze i kao produkt nastaju fruktoza-6-fosfat i eritroza-4-fosfat. Frukoza-6-fosfat može direktno da ide u proces glikolize kao supstrat, dok se eritroza-4-fosfat mora dodatno obraditi. Enzim transketolaza rekombinuje ugljenikove atome eritroze-4-fosfata s ksilulozom-5-fosfat dobijenom iz prve reakcije epimerizacije i kao produkti nastaju fruktoza-6-fosfat i gliceraldeid-3-fosfat. Oba novonastala produkta mogu ući u glikolizu kao supstrati. Osim u proces glikolize, fruktoza-6-fosfat i gliceraldeid-3-fosfat mogu ući i u metabolički put glukoneogeneze ako organizam ima potrebu za sintezom glukoze.

Na slici je prikazana skica neoksidativne faze puta pentoza fosfata:

Sve enzimatske reakcije neoksidativne faze puta pentoza fosfata sažete su u sledećoj tabeli:

Reaktanti Produkti Enzim
ribuloza-5-fosfat → riboza-5-fosfat ribuloza-5-fosfat isomeraza
ribuloza-5-fosfat → ksiluloza-5-fosfat Ribuloza-5-fosfat 3-epimeraza
ksiluloza-5-fosfat + riboza-5-fosfat → gliceraldehid-3-fosfat + sedoheptuloza-7-fosfat transketolaza
sedoheptuloza-7-fosfat + gliceraldeid-3-fosfat → eritroza-4-fosfat + fruktoza-6-fosfat transaldolaza
ksluloza-5-fosfat + eritroza-4-fosfat → gliceraldehid-3-fosfat + fruktoza-6-fosfat transketolaza

Regulacija puta pentoza fosfata u tkivima

Ovaj je metabolički put izuzetno prilagodljiv potrebama ćelije za različitim supstratima zahvaljujući povratnosti enzimatskih reakcija. Reakcije će se odvijati u određenom smeru zavisno od koncentracije i potreba ATP, NADPH, riboze-5-fosfata, piruvata ili acetil-CoA u ćeliji.

Prvi enzim u nizu reakcija, glukoza-6-fosfat dehidrogenaza je najviše podložan regulaciji. Inhibiran je visokim koncentracijama NADPH u citoplazmi, pošto je to produkt reakcije. Odnos NADPH/NADP+ veći od 10 inhibira aktivnost enzima za više od 90%. Ostali inhibitori ovog enzima su ADP i AMP, dok ATP ima ulogu aktivatora.

Put pentoza fosfata je izuzetno snažno aktiviran u ćelijama masnog tkiva, gde postoji višak glukoze, koja se pretvara u masne kiseline i velika potreba za NADPH, koji ulazi u proces biosinteze masnih kiselina. Kao produkt osidativne faze puta pentoza fosfata nastaje NADPH, kojeg ćelija odmah koristi kao kofaktor, dok se riboza-5-fosfat do kraja transformiše u fruktozu-6-fosfat i gliceraldeid-3-fosfat koji ulaze u reakciju glikolize. Ćelije masnog tkiva nisu posebno aktivne u replikaciji, stoga nemaju posebnu potrebu akumuliranja riboze, pošto je sinteza nukleinskih kiselina minimalna. Glikoliza daje ćeliji acetil-CoA kao konačni produkt, koji je osnovni supstrat za sintezu masnih kiselina. U mišićnom su tkivu potrebe za NADPH vrlo male, dok su potrebe za glukozom-6-fosfatom velike, stoga će put pentoza fosfata biti neaktivan.[3]

Ćelije koje se nalaze u fazi aktivne replikacije imaju velike potrebe za ribozom-5-fosfat kako bi moglo doći do sinteze nukleinskih kiselina. Kod tih stanica može doći do inverzije neoksidativne faze puta pentoza fosfata, pri čemu dolazi do formiranja riboze-5-fosfata počevši od gliceraldehida-3-fosfat i fruktoze-6-fosfata kao početnih supstrata.[4]

Reference

  1. ↑ Kruger NJ, von Schaewen A (June 2003). „The oxidative pentose phosphate pathway: structure and organisation”. Curr. Opin. Plant Biol. 6 (3): 236-46. DOI:10.1016/S1369-5266(03)00039-6. PMID 12753973. 
  2. ↑ Mailloux RJ, Harper ME. Glucose regulates enzymatic sources of mitochondrial NADPH in skeletal muscle cells; a novel role for glucose-6-phosphate dehydrogenase.FASEB J. srpanj 2010.; 24(7):2495-506.
  3. ↑ Early Phagocytosis of Glucose-6-Phosphate Dehydrogenase (G6PD)-Deficient Erythrocytes Parasitized by Plasmodium falciparum May Explain Malaria Protection in G6PD Deficiency

Vanjske veze