PROFILPELAJAR.COM

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 дослідження

Перші 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 локалізація

ПФШ 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 шляху

Загальна 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]:

Окиснювальна, в ході якої глюкозо-6-фосфат дегідрогенізується та декарбоксилюється з утворенням НАДФН та рибулозо-5-фосфату, що ізомеризується до рибозо-5-фосфату;
Неокиснювальна, в реакціях якої рибулозо-5-фосфат перетворюється до проміжних продуктів гліколізу.

Деякі автори виділяють у пентозофосфатному шляху три етапи, поділяючи неокиснювальну стадію на дві:

Реакції ізомеризації та епімеризації, в яких рибулозо-5-фосфат перетворюється у рибозо-5-фосфат та ксилулозо-5-фосфат;
Серія реакцій розщеплення і утворення C-C зв'язків, в результаті яких дві молекули ксилулозо-5-фосфату та молекула рибозо-5-фосфату перетворюються до двох молекул фруктозо-6-фосфату та однієї молекули гліцеральдегід-3-фосфату^[2].

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 шляху

Перша 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:

Глюкозо-6-фосфат + 2НАДФ⁺ + H₂O → рибозо-5-фосфат + НАДФН(H⁺) + CO₂^[9]

Проте часто рибулозо-5-фосфат перетворюється у серії реакцій до проміжних продуктів гліколізу.

Неокиснювальна стадія ПФШ

Утворений 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:

Глюкозо-6-фосфат + 12НАДФ⁺ + 7H₂O → 6CO₂ + 12НАДФН(H⁺) + Ф_н^[7].

Регулювання пентозофосфатного шляху

Глюкозо-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:

Потреба у рибозо-5-фосфаті значно перевищує потребу в НАДФН
	Відбувається так званий відновний пентозофосфатний шлях. Майже весь глюкозо-6-фосфат вступає у гліколіз, де перетворюється до фруктозо-6-фосфату та гліцеральдегід-3-фосфату, які в реакціях, зворотних до неокиснювальної стадії ПФШ, використовуються для синтезу рибозо-5-фосфату^[14]. Було показано, що в ракових клітинах, які швидко діляться, понад 70 % de novo синтезу рибози відбувається цим неокисним шляхом^[13].
Приблизно однакові потреби у НАДФН та рибозо-5-фосфаті
	Глюкозо-6-фосфат вступає в окисну стадію ПФШ і перетворюється до рибозо-5-фосфату, що супроводжується відновленням двох молекул НАДФ⁺^[16].
Потреба у НАДФН значно більша, ніж у рибозо-5-фосфаті
	Активно працюють окиснювальна і неокиснювальна стадії ПФШ, продукти останньої (фруктозо-6-фосфат та гліцеральдегід-3-фосфат) використовуються для регенерації глюкозо-6-фосфату завдяки ферментам глюконеогенезу. Отже, глюкозо-6-фосфат повністю окиснюється до вуглекислого газу^[1].
Велика потреба у НАДФН та АТФ, низька — у рибозо-5-фосфаті
	Фруктозо-6-фосфат та гліцеральдегід-3-фосфат, утворені в неокиснювальній стадії ПФШ, можуть вступати у гліколіз і перетворюватись до пірувату. Корисними продуктами такого шляху є АТФ та НАДФН^[1].

Нестача ферменту глюкозо-6-фосфатдегідрогенази

Докладніше: Нестача глюкозо-6-фосфатдегідрогенази

Найпоширенішим 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

↑ ^а ^б ^в Berg et al, 2007, с. 585.
↑ ^а ^б ^в Voet et al, 2011, с. 892.
↑ ^а ^б Губський, 2007, с. 201.
↑ ^а ^б ^в Berg et al, 2007, с. 577.
↑ ^а ^б ^в ^г Nelson et al, 2008, с. 558.
↑ Губський, 2007, с. 206.
↑ ^а ^б Prescott, 2002, с. 177.
↑ Губський, 2007.
↑ ^а ^б Nelson et al, 2008, с. 560.
↑ Voet et al, 2011, с. 893.
↑ ^а ^б ^в ^г ^д ^е Voet et al, 2011, с. 894.
↑ ^а ^б Voet et al, 2011, с. 895.
↑ ^а ^б Voet et al, 2011, с. 897.
↑ ^а ^б ^в Berg et al, 2007, с. 583.
↑ Nelaon et al, 2008, с. 563.
↑ Berg et al, 2007, с. 584.
↑ ^а ^б ^в ^г Nelson et al, 2008, с. 559.
↑ Berg et al, 2007, с. 586.

Джерела

Вікісховище має мультимедійні дані за темою: Пентозофосфатний шлях

Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L (2007). Biochemistry (вид. 6th). W.H. Freeman and Company. ISBN 0-7167-8724-5.
Nelson D.L., Cox M.M. (2008). Lehninger Principles of Biochemistry (вид. 5th). W. H. Freeman. ISBN 978-0-7167-7108-1.
Prescott L.M. (2002). Microbiology (вид. 5th). McGraw−Hill. ISBN 0-07-282905-2.
Voet D., Voet J.G. (2011). Biochemistry (вид. 4th). Wiley. с. 487—496. ISBN 978-0470-57095-1.
Губський Ю.І. (2007). Біологічна хімія. Київ-Вінниця: Нова книга. с. 656. ISBN 978-966-382-017-0.