- •3. Обмен углеводов, липидов и азотистых веществ
- •3.1. Обмен углеводов
- •3.1.1. Фотосинтез
- •3.1.1.1. Световая стадия фотосинтеза
- •3.1.1.2. Темновая стадия фотосинтеза
- •3.1.1.3. Фотодыхание
- •3.1.1.4. Ассимиляция со2 у с4-растений
- •3.1.1.5. Эффективность использования энергии при фотосинтезе
- •3.1.1.6. Конечные продукты фотосинтеза
- •3.1.2. Дыхание
- •3.1.2.1. Гликолиз
- •3.1.2.2. Цикл ди- и трикарбоновых кислот
- •3. 1.2.4. Окислительное фосфорилирование
- •3.1.2.5. Энергетический выход реакций дыхания
- •3. 1.2.6. Пентозофосфатный цикл
- •3.1.3. Взаимопревращения моносахаридов
- •3.1.4. Синтез и превращения олигосахаридов
- •3.1.5. Синтез и распад полисахаридов
3. 1.2.6. Пентозофосфатный цикл
В 1935–38 гг. исследованиями ряда ученых было показано, что при ингибировании основного дыхательного пути углеводов процесс их окисления не прекращается, так как инициируются реакции превращения гексоз в пентозы на уровне фосфорнокислых эфиров. Эти реакции сопровождаются окислением и отщеплением от гексоз атомов углерода в виде СО2. Такой путь окисления гексоз имеет циклический механизм и получил название пентозофосфатного пути или пентозофосфатного цикла. Как и цикл Кребса, пентозофосфатный путь окисления глюкозы инициируется в присутствии кислорода.
Все ферменты, катализирующие реакции пентозофосфатного цикла, локализованы в жидкой фазе цитоплазмы, а также в хлоропластах и пропластидах. Реакции этого цикла инициируются при усилении биосинтетических процессов, связанных с потреблением восстановленных динуклеотидов НАДФ Н. В нефотосинтезирующих клетках реакции пентозофосфатного цикла являются основным источником этих восстановленных продуктов.
В реакции пентозофосфатного цикла включаются фосфорилированные гексозы, которые изомеризуются в глюкозо-6-фосфат. В первой реакции этого цикла под действием фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (1.1.1.49) глюкозо-6-фосфат окисляется в лактон 6-фосфоглюконовой кис-лоты. Коферментом данной дегидрогеназы служит НАДФ+, с помощью которого от глюкозо-6-фосфата отщепляются два электрона и два протона:
Н ОН О
(1)
\ /
//
С―――
С――― |
| | | Н–С–ОН
│
Н–С–ОН | |
| + НАДФ+
| О + НАДФ
Н + Н+
НО–С–Н
О НО–С–Н | |
| | | Н–С–ОН
Н–С–ОН | |
| | |
Н–С―――
Н–С―――
| |
СН2ОⓅ
СН2ОⓅ глюкозо-6-фосфат
лактон 6-фосфоглюконовой
кислоты
С
О (2)
//
С―――
СООН |
| |
Н–С–ОН │
Н–С–ОН
|
| | НО–С–Н
О + Н2О
НО–С–Н |
| |
Н–С–ОН
│ Н–С–ОН
|
| |
Н–С―――
Н–С–ОН
| |
СН2ОⓅ
СН2ОⓅ лактон
6-фосфоглюконовой 6-фосфоглюконовая
кислоты
кислота
Н
СООН
СН2ОН (3)
| |
Н–С–ОН
С=О
| |
НО–С–Н + НАДФ+
Н–С–ОН
+ НАДФ Н + Н+
+ СО2
| |
Н–С–ОН
Н–С–ОН
| |
Н–С–ОН
СН2ОⓅ
|
СН2ОⓅ
рибулозо-5-фосфат 6-фосфоглюконовая
кислота
СООН
СН2ОН
(3) (3)
|
|
Н–С–ОН
С=О
|
|
НО–С–Н + НАДФ+
¾® Н–С–ОН
+ НАДФ × Н + Н+ +
СО2
| |
Н–С–ОН
Н–С–ОН
| |
Н–С–ОН
СН2ОⓅ
|
СН2ОⓅ
рибулозо-5-фосфат 6-фосфоглюконовая
кислота
Для осуществления дальнейших реакций пентозофосфатного цикла необходимо окисление в рибулозо-5-фосфат ещё одной молекулы глюкозо-6-фосфата, в связи с чем реакции (1), (2) и (3) повторяются, образуя восстановленные динуклеотиды НАДФ Н и рибулозо-5-фосфат. После этого происходит изомеризация рибулозо-5-фосфата в ксилулозо-5-фосфат под действием фермента рибулозофосфатэпимеразы и в рибозо-5-фосфат – с участием фермента рибозофосфатизомеразы:
СН2ОН
СН2ОН Н (4,5)
| | /
С=О С=О
С=О |
| |
НО–С–Н
Н–С–ОН
Н–С–ОН |
| |
Н–С–ОН
Н–С–ОН Н–С–ОН |
| |
СН2ОⓅ
СН2ОⓅ
H–C–OH
| ксилулозо-5-фосфат
рибулозо-5-фосфат СН2ОⓅ
рибозо-5-фосфат
СН2ОН
Н СН2ОН Н (6)
| | | /
С=О
С=О С=О С=О
| |
| |
НО–С–Н +
Н–С–ОН
НО–С–Н + Н–С–ОН
| | | |
Н–С–ОН
Н–С–ОН Н–С–ОН
СН2ОⓅ
| |
| 3-фосфоглицериновый
СН2ОⓅ
Н–С–ОН Н–С–ОН
альдегид
| |
ксилулозо-5-фосфат
СН2ОⓅ
Н–С–ОН
|
рибозо-5-фосфат СН2ОⓅ
седогептулозо-7-фосфат
Далее вступает в действие фермент транскетолаза, который переносит концевой двууглеродный радикал с кетонной группой от ксилулозо-5-фосфата на рибозо-5-фосфат, в результате чего образуются два новых фос-фата моносахаридов – седогептулозо-7-фосфат и 3-фосфоглицериновый альдегид (реакция 6). Затем под действием фермента трансальдолазы осуществляется перенос трёхуглеродного радикала от седогептулозо-7-фосфата на 3-фосфо-глицериновый альдегид с образованием фруктозо-6-фосфата и эритрозо-4-фосфата:
СН2ОН СН2ОН Н
(7)
| Н | /
С=О / С=О
С=О
| С=О
| |
НО–С–Н |
НО–С–Н Н–С–ОН
| +
Н–С–ОН
| + |
Н–С–ОН |
Н–С–ОН Н–С–ОН
|
СН2ОⓅ
| |
Н–С–ОН
Н–С–ОН
СН2ОⓅ
| 3-фосфоглицери-
|
Н–С–ОН
новый альдегид СН2ОⓅ
эритрозо-4-фосфат
|
СН2ОⓅ
фруктозо-6 фосфат
седогептулозо-7-фосфат
О
СН2ОН
Н (8)
| /
С=О С=О
| |
НО–С–Н
Н–С–ОН
|
|
Н–С–ОН
НО–С–Н
| |
Н–С–ОН
Н–С–ОН
| |
СН2ОⓅ
Н–С–ОН
|
фруктозо-6-фосфат
СН2ОⓅ
глюкозо-6-фосфат
Глюкозо-6-фосфат может снова включаться в реакции пентозофосфатного цикла, а эритрозо-4-фосфат, образовавшийся в реакции 7, взаимодействует с ксилулозо-5-фосфатом, который возникает в результате окисления и декарбоксилирования третьей молекулы глюкозо-6-фосфата. Эту реакцию катализирует транскетолаза с образованием фруктозо-6-фосфата и 3-фосфоглицеринового альдегида:
СН2ОН
Н СН2ОН Н (9)
|
/ | /
С=О
С=О С=О С=О
| | |
|
НО–С–Н
+ Н–С–ОН
НО–С–Н + Н–С–ОН
| | |
|
Н–С–ОН
Н–С–ОН Н–С–ОН СН2ОⓅ
| | |
СН2ОⓅ
СН2ОⓅ
Н–С–ОН 3-фосфоглицериновый
| альдегид
ксилулозо-5-фосфат
эритрозо-4-фосфат СН2ОⓅ
фруктозо-6-фосфат
О
СН2ОⓅ
(10)
Н |
/ С=О
С=О СН2ОН
|
| |
НО–С–Н
Н–С–ОН +
С=О ¾®
|
| |
Н–С–ОН
СН2ОⓅ
СН2ОⓅ |
Н–С–ОН
3-фосфоглицери-
фосфодиоксиацетон |
новый альдегид
СН2ОⓅ
фруктозо-1,6-дифосфат
СН2ОⓅ
СН2ОН (11)
| |
С=О
С=О
|
|
НО–С–Н
НО–С–Н + Н3РО4
| + Н2О
|
Н–С–ОН
Н–С–ОН
| |
Н–С–ОН
Н–С–ОН
| |
СН2ОⓅ
СН2ОⓅ
Фруктозо-1,6-дифосфат
фруктозо-6-фосфат
П
Таким образом, в результате окисления шести молекул глюкозо-6-фосфата в реакциях пентозофосфатного цикла шесть раз происходит реакция декарбоксилирования с образованием шести молекул СО2, при этом пять молекул глюкозо-6-фосфата регенерируются, поэтому фактически окислению подвергается одна молекула глюкозо-6-фосфата. При окислении каждой из шести молекул глюкозофосфата дважды прроисходят реакции дегидрирования, и в конечном итоге в них синтезируются 12 молекул восстановленных динуклеотидов НАДФ Н. Суммарное уравнение окисления глюкозо-6-фосфата в пентозофосфатном цикле можно записать в следующем виде:
С6Н11О6Ⓟ + 12НАДФ+ + 7Н2О 6СО2 + 12НАДФ Н + 12Н+ + Н3РО4
В реакциях пентозофосфатного цикла не происходят процессы субстратного фосфорилирования, а синтезируемые в этом цикле восстановленные динуклеотиды НАДФ Н довольно медленно окисляются ферментами электронтранспортной цепи митохондрий, вследствиие чего пентозофосфатный цикл не является активным источником свободной энергии для синтеза АТФ. Однако восстановленные динуклеотиды НАДФ Н, обладая большим восстановительным потенциалом, активно используются в качестве восстановителей во многих окислительно-восстановительных реакциях, таких как синтез жирных кислот, восстановление нитритов, сульфатов, дисульфидных связей в пептидах и белках, превращение рибонуклеотидов в дезоксирибонуклеотиды и др.
В пентозофосфатном цикле осуществляется превращение гексоз в пентозы, которые могут выводиться из цикла и участвовать в различных биосинтетических процессах. Так, рибозо-5-фосфат является исходным соединением, с которого начинается синтез рибонуклеотидов, участвующих в образовании нуклеиновых кислот, макроэргических нуклеозидполифосфатов, а также коферментных группировок НАД, НАДФ, ФАД, кофермента А. Рибулозо-5-фосфат, превращаясь в рибулозо-1,5-дифосфат, участвует в процессах темновой фиксации СО2, в которых также потребляются восстановленные динуклеотиды НАДФ Н, синтезируемые в пентозофосфатном цикле.
У растений и бактерий пентозофосфатный цикл является также важнейшим источником эритрозо-4-фосфата для синтеза шикимовой кислоты, из которой образуются многие ароматические и фенольные соединения.
В хлоропластах реакции пентозофосфатного цикла наиболее активно проходят в темноте, поддерживая в отсутствии света необходимую концентрацию НАДФ Н для восстановительных процессов. За счет триозофосфатов, образующихся в пентозофосфатном цикле, осуществляется также регуляция синтеза АТФ путем их превращения в 3-фосфоглицерино-вую кислоту, инициирующую реакции субстратного фосфорилирования в анаэробной стадии дыхания.
Продукты пентозофосфатного цикла фруктозо-6-фосфат, 3-фосфо-глицериновый альдегид, фосфодиоксиацетон, являясь главными субстратами дыхания, могут включаться в реакции гликолиза, поэтому между этими двумя биохимическими процессами осуществляется постоянная связь. Взаимодействие между анаэробной стадией дыхания и реакциями пентозофосфатного цикла осуществляется очень легко ещё и потому, что они локализованы в жидкой фазе цитоплазмы, в которой постоянно происходят процессы диффузии различных химических компонентов. В связи с этим очень трудно определить, какая из молекул гексозы и на каком этапе включается в реакции гликолиза или пентозофосфатного цикла. При благоприятных условиях развития растительных организмов 10–40% гексоз, окисляющихся при дыхании, подвергаются распаду через реакции пентозофосфатного цикла, а остальные – преимущественно в реакциях гликолиза и цикла Кребса.
Соотношение дыхательных реакций, реализующихся в виде гликолиза и пентозофосфатного цикла, зависит от природы клеток и их функционального состояния. Активизация реакций пентозофосфатного цикла наблюдается при дефиците влаги, затемнении растений, недостатке элементов питания, поражении инфекцией, старении, интенсификации процессов, связанных с потреблением НАДФ Н, рибозо-5-фосфата, рибулозо-5-фос-фата и эфитрозо-4-фосфата.