Витамины необходимые для работы пентозного цикла

Открытие пути прямого окисления углеводов, или, как его называют, пентозного пути, связано главным образом с работами Варбурга, Липмана, Диккенса и В. А. Энгельгардта. Расхождение путей окисления углеводов — классического, при участии цикла трикарбоновых кислот (цикла Кребса), и пентозного — начинается со стадии образования гексозомонофосфата. Если глюкозо-6-фосфат (точнее, фруктозо-6-фосфат) подвергается еще раз фосфорилированию и превращается во фруктозо-1,6-дифосфат, то в этом случае дальнейший распад углеводов происходит по обычному гликолитическому пути с образованием пировиноградной кислоты, которая, окиcляясь до ацетил-КоА, затем сгорает в цикле Кребса.

Если же присоединения второй частицы фосфата к гексозо-6-монофосфорному эфиру не происходит, то фосфорилированная глюкоза может подвергаться прямому окислению до фосфопентоз. В норме доля пентозного цикла в количественном превращении глюкозы обычно невелика, варьирует у разных организмов и зависит от типа ткани и ее функционального состояния.

У млекопитающих активность пентозного цикла относительно высока в печени, надпочечниках, в эмбриональной ткани и в молочной железе в период лактации. Значение этого пути в обмене веществ велико. Он поставляет восстановленный НАДФ (НАДФН₂), необходимый для биосинтеза жирных кислот, холестерина и т. д. За счет пентозного цикла примерно на 50% покрывается потребность организма в НАДФН₂.

Вторая функция пентозного цикла заключается в том, что он поставляет пентозофосфаты для синтеза нуклеиновых кислот и многих коферментов. При ряде патологических состояний удельный вес пентозного пути окисления глюкозы возрастает. Механизм реакций пентозного цикла достаточно расшифрован. Пентозный цикл начинается с окислительного декарбоксилирования (от гексозофосфата отщепляется первый атом углерода). Это так называемая окислительная стадия пентозного цикла. Вторая стадия включает неокислительные превращения пентозофосфатов с образованием исходного глюкозо-6-фосфата (рис. 93).

Реакции пентозного цикла протекают в цитоплазме клетки. Первая реакция — дегидрирование глюкозо-6-фосфата при участии фермента глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы и кофермента НАДФ:

Образовавшийся в ходе данной реакции 6-фосфоглюконой-σ-лактон — соединение нестабильное и с большой скоростью гидролизуется либо спонтанно, либо с помощью фермента глюконо-лактоназы:

Равновесие первой суммарной реакции сильно смещено в сторону образования НАДФН₂.

В следующей окислительной реакции, катализируемой фосфоглюконатдегидрогеназой (декарбоксилирующей), 6-фосфоглюконовая кислота дегидрируется и декарбоксилируется. В результате образуется фосфорилированная кетопентоза-D-рибулозо-5-фосфат и еще одна молекула НАДФН₂. В качестве промежуточного продукта в реакции, вероятно, образуется 3-кето-6-фосфоглюконовая кислота:

Под действием соответствующей эпимеразы из рибулозо-5-фосфата может образоваться другая фосфопентоза — ксилулозо-5-фосфат. Кроме того, рибулозо-5-фосфат под влиянием особой изомеразы легко превращается в рибозо-5-фосфат. Между этими формами пентозофосфатов устанавливается состояние подвижного равновесия:

При определенных условиях пентозный путь на этом этапе может быть завершен. Суммарный итог окислительной стадии (этапа) можно выразить в виде следующего уравнения:

Глюкозо-6-фосфат + 2НАДФ —> Пентозо-5-фосфат + СO₂ + 2НАДФН₂

Однако при других условиях наступает так называемый неокислительный этап (стадия) пентозного цикла. Реакции этого этапа не связаны с использованием кислорода и протекают в анаэробных условиях. При этом частично образуются вещества, характерные для первой стадии гликолиза (фруктозо-6-фосфат, фруктозо-1,6-дифосфат, фосфотриозы), а частично — специфические для пентозного пути (седогептулозо-7-фосфат, пентозо-5-фосфат, эритрозо-4-фосфат).

Основными реакциями неокислительной стадии пентозного цикла являются транскетолазная и трансальдолазная. Эти реакции катализируют превращение изомерных пентозо-5-фосфатов:

Коферментом в транскетолазной реакции служит тиамин-дифосфат (ТДФ), играющий роль промежуточного переносчика гликольальдегидной группы, которая затем присоединяется к рибозо-5-фосфату. В результате образуется семиуглеродный сахар — седогептулозо-7-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат.

Транскетолазная реакция в пентозном цикле встречается дважды, второй раз — при образовании фруктозо-6-фосфата и триозофосфата в результате взаимодействия второй молекулы ксилулозо-5-фосфата с эритрозо-4-фосфатом:

Фермент трансальдолаза катализирует перенос остатка дигидроксиацетона (но не свободного дигидроксиацетона) от седогептулозо-7-фосфата на глицеральдегид-3-фосфат:

Как видно из рис. 93, 6 молекул глюкозо-6-фосфата, вступая в пентозный цикл, дают 6 молекул рибулозо-5-фосфата и 6 молекул СО₂, после чего из 6 молекул рибулозо-5-фосфата снова регенерируют 5 молекул глюкозо-6-фосфата. При этом молекула глюкозо-6-фосфата, вступающая в цикл, полностью не окисляется. Шесть молекул СО₂ образуются из C₁-групп 6 молекул глюкозо-6-фосфата. Валовое уравнение окислительной и неокислительной стадий пентозного цикла можно представить в следующем виде:

6 Глюкозо-6-фосфат + 7 Н₂O + 12 НАДФ —> 5 Глюкозо-6-фосфат+ + 6 СО₂ + Ф_н + 12 НАДФН,
или
Глюкозо-6-фосфат + 7 Н₂О + 12 НАДФ —> 6СO₂ + Н₃РO₄ + 12 НАДФН₂

Образовавшийся НАДФН₂ используется на восстановительные синтезы в цитоплазме и, как правило, не участвует в окислительном фосфорилировании, протекающем в митохондриях.

В последние годы появились работы, которые дают основание предполагать, что схема пентозного превращения углеводов сложнее, чем это представлено на рис. 93.

Согласно новой схеме пентозофосфатного пути, предложенной Вильямсом и Кларком, первые этапы превращения совпадают с прежней схемой. Однако после первой транскетолазной реакции сразу наступает отклонение: рибозо-5-фосфат (Р-5-Ф) под влиянием пентозофосфатэпимеразы (ПФЭ) превращается в арабинозо-5-фосфат (Араб-5-Ф); а глицеральдегид-3-фосфат (Га-3-Ф) изомеризуется в дигидроксиацетонфосфат (ДАФ). Между этими веществами происходит реакция при участии альдолазы и образуется октулозо-1,8-дифосфат (0-1,8-диФ). Что же касается второго продукта транскетолазной реакции — седогептулозо-7-фосфата (С-7-Ф), то он переходит под влиянием фосфотрансферазы в седогептулозо-1,7-дифосфат (С-1,7-диФ) с одновременным образованием октулозо-8-фосфата (0-8-Ф). Затем наступает вторая альдолазная реакция, которая приводит к превращению седогептулозо-1,7-дифосфата в эритрозо-4-фосфат (Э-4-Ф) и дигидрооксиацетонфосфат. Далее эритозо-4-фосфат и октулозо-8-фосфат в результате второй реакции образуют фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф) и глюкозо-6-фосфат (Гл-6-Ф). Все приведенные на рис. 94 реакции обратимы.

Многие исследователи считают, что пентозный путь (его анаэробная часть) и гликолиз, протекающие в цитолизе, способны переключаться с одного пути на другой в зависимости от соотношения концентраций промежуточных продуктов, образовавшихся в клетке. Итак, следует признать возможным обобщение в один суммарный процесс анаэробной фазы пентозного пути превращения углеводов и гликолиза. При этом роль важнейшего регулятора данного процесса играет эритрозо-4-фосфат. В зависимости от того, происходит ли интенсивное использование фосфопентоз или фосфопентозы образуются в оптимальном избытке, эритрозо-4-фосфат участвует либо в альдолазной реакции с образованием седогептулозо-1,7-дифосфата, либо в транскетолазной реакции с образованием фруктозо-6-фосфата и глюкозо-6-фосфата.

Источник

Витамины необходимые для работы пентозного цикла

ПЕНТОЗОФОСФАТНЫЙ ЦИКЛ (пентозный путь, гексо-зомонофосфатный шунт, фосфоглюконатный путь), совокупность обратимых ферментативных р-ций, в результате к-рых происходит окисление глюкозы до CO 2 с образованием восстановленного никотинамидадениндинуклеотид-фосфата (НАДФН) и H + , а также синтез фосфорилир. Сахаров, содержащих от 3 до 7 атомов С.

П. ц. осуществляется в цитозоле (жидкой фазе) клеток животных, растений (особенно в темноте) и микроорганизмов. У растений часть р-ций П. ц. участвует также в образовании гексоз при фотосинтезе .

РЕАКЦИИ ПЕНТОЗОФОСФАТНОГО ЦИКЛА И ФЕРМЕНТЫ ИХ КАТАЛИЗИРУЮЩИЕ

Номер р-ции на схеме

Фермент, катализирующий р-цию

6 Глюкозо-6-фосфат + 6 НАДФ 6 6-Фосфоглюко-нолактон + 6 НАДФН + 6Н +

6 6-Фосфоглюконолактон6 6-Фосфоглюконат

6 6-Фосфоглюконат + 6 НАДФ6 Риболозо-5-фосфат + 6 НАДФН + 6 H + + 6CO 2

2 Рибулозо-5-фосфат2 Рибозо-5-фосфат

4 Рибулозо-5-фосфат 4 2-Ксилулозо-5-фосфат

2 Ксилолуозо-5-фосфат + 2 Рибозо-5-фосфат 2 Седогептулозо-7-фосфат + 2 Глиперальдегид-3-фосфат

2 Седогептулозо-7-фосфат + 2 Глицеральдегид-3-фосфат2 Эритрозо-4-фосфат + 2 Фруктозо-6-фосфат

2 Ксилулозо-5-фосфат + 2 Эритрозо-4-фосфат 2 Глицеральдегид-3-фосфат + 2 Фруктозо-6-фосфат

Глицеральдегид-3-фосфатДигидроксиацетон-фосфат

Дигидроксиацетонфосфат + Глицеральдегид-3-фос-фатФруктозо- 1 ,6-дифосфат

Фруктозе- 1, 6- дифосфатФруктозо-6-фосфат +

5 Фруктозо-6-фосфат5 Глюкозо-6-фосфат

Суммарный процесс: 6 Глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФ5 Глюкозо-6-фос-фат+6 CO 2 + 12 НАДФН +12H + +

Первая (окислит.) стадия П. ц. (р-ции 1-3, см. схему ) осуществляется с образованием НАДФН (осуществляет восстановление субстратов в организме) и рибулозо-5-фос-фата, к-рый затем превращ. в рибозо-5-фосфат (все сахара находятся в D-форме), входящий в состав молекул ряда важнейших прир. соед. (нуклеиновых к-т, нуклеотидов и др.). На неокислит. стадии П. ц. (остальные р-ции) в результате взаимопревращения Сахаров образуются промежут. продукты гликолиза (фруктозо-6-фосфат, глицеральдегид-3-фосфат) и таким образом осуществляется обратимая связь П. ц. с гликолитич. путем метаболизма глюкозы.

В отличие от др. осн. путей метаболизма углеводов (гликолиза, трикарбоновых кислот цикла )функционирование П. ц. нельзя представить в виде линейной последовательности р-ций, приводящей непосредственно от 1 молекулы глюкозо-6-фосфата к 6 молекулам CO 2 . П. ц. характеризуется возможностью многообразных взаимопревращений его метаболитов, происходящих по неск. альтернативным путям. Р-ции отдельных стадий П. ц. (их стехиометрия) и суммарная р-ция цикла приведены в таблице.

Важная особенность П. ц. (в сравнении с др. путями метаболизма углеводов)-его гибкость. Если потребность в рибозо-5-фосфате значительно превышает потребность в НАДФН, то б.ч. глюкозо-6-фосфата по гликолитич. пути превращ. в глицеральдегид-3-фосфат, 1 молекула к-рого, вступая в р-ции с 2 молекулами фруктозо-6-фосфата, превращ. в 3 молекулы рибозо-5-фосфата (обращение р-ций 6-8).

В случаях, когда потребность в НАДФН и рибозо-5-фосфате сбалансирована, преобладающими становятся р-ции окислит, стадии П. ц. и р-ция 4. Суммарное ур-ние такого процесса:

Глюкозо-6-фосфат + 2 НАДФ + H 2 O ри-бозо-5-фосфат + 2 НАДФН + 2 H + + CO 2

Если потребность в НАДФН значительно превышает потребность в рибозо-5-фос-фате, происходит полное окисление глю-козо-6-фосфата до CO 2 , включающее окислит, стадию П. ц. и ресинтез глюкозо-6-фос-фата из фруктозо-6-фосфата по пути глю-конеогенеза (р-ции 1-4, 6, 10-12). В этом случае суммарное ур-ние р-ции:

Глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФ + 7 H 2 O6CO 2 + 12 НАДФН + 12 H + + H 3 PO 4

В условиях, когда потребность в НАДФН значительно превышает потребность в рибозо-5-фосфате, возможна реализация др. механизма, в соответствии с к-рым образующийся рибозо-5-фосфат превращ. не в глюкозо-6-фосфат, а в пиро-виноградную к-ту (пируват) в результате гликолиза фруктозо-6-фосфата и глице-ральдегид-3-фосфата, образующихся в р-циях 6-8. При этом образуются НАДФН, НАДН (восстановленная форма никотинамидадениндинуклеотида) и АТФ по суммарному ур-нию:

3 глюкозо-6-фосфат + 6 НАДФ + 5 НАД + + 5 H 3 PO 4 + 8 АДФ5 пируват + 3 CO 2 + + НАДФН + 5 НАДН + 8 АТФ + 2 H 2 O + 8H +

HАД — окисленная форма НАДН, АДФ-аденозиндифосфат Образующаяся пировиноградная к-та может далее претерпевать превращ. в цикле трикарбоновых к-т (при этом образуется АТФ) в др. р-циях в обмене в-в.

Регуляция направленности р-ций в П. ц. осуществляется гл. обр. ферментами, участвующими в этом цикле: избыток того или иного субстрата подавляет активность фермента, катализирующего его синтез, или активирует фермент, катализирующий его трансформацию в др. соединение.

Относит. кол-ва глюкозы, превращающиеся через П. ц., неодинаковы в разных тканях. В мышцах скорость П. ц. очень низка, а в печени не менее 30% CO 2 образуется при окислении глюкозы в П. ц. В др. тканях, где активно проходит биосинтез жирных к-т и стероидов (семенниках, жировой ткани, лейкоцитах, коре надпочечников, молочной железе), доля П. ц. в окислит. метаболизме глюкозы также очень значительна.

Интенсивность П. ц. зависит от функцион. состояния ткани и от гормонального статуса (напр., в печени резко снижается при голодании из-за инактивации дегидрогеназ П. ц. и восстанавливается вскоре после кормления). Скорость П. ц. регулируется в первую очередь концентрацией НАДФН. Обе дегидрогеназы П. ц. (р-ции 1 и 3) чувствительны к изменению величины отношения НАДФ/НАДФН: при его величине 0,02 активность дегидрогеназ в печени максимальна, а при величине 0,01 снижается на 90%. Интенсивный П. ц. происходит в эритроцитах, что связано с необходимостью НАДФН-зависимого восстановления глутатиона кофактора глутатионредуктазы эритроцитов.

Нарушения функционирования нек-рых ферментов П. ц. приводят к развитию тяжелых заболеваний человека. Недостаточность глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы в эритроцитах служит причиной лек. гемолитич. анемии, а снижение активности транскетолазы в результате нарушения ее способности связывать тиамин приводит к развитию нервно-психич. расстройства синдрома Вернике Корсакова.

Открытие О. Варбугом в 1931 фермента глюкозо-6-фос-фат-дегидрогеназы, катализирующего первую р-цию П. ц., сделало возможным его полную расшифровку, к-рую осуществили F Дикенс, Ф. Липман, Э. Рэкер и Б. Хорекер.

Лит Основы биохимии, пер. с англ., т. 2. M.. 1981.c 599 608; Страйер Л.. Биохимия, пер с анг.1 .т 2. M , 1985, с 95 105: Reflections on biochemistry, Oxf., 1976

Источник