Распад глюкозы в пентозофосфатном пути
.pdfТема: «Распад глюкозы в пентозофосфатном пути»
Цель занятия: изучить распад глюкозы в пентозофосфатном пути,
определить его связь с другими обменами.
План:
1.Пентозофосфатный путь окисления глюкозы (ПФП):
характеристика, этапы, последовательность реакций окислительной ветви,
ферменты, биологическая роль.
2.Неокислительная ветвь пентозофосфатного пути окисления глюкозы: схема реакций, ферменты, биологическое значение.
3.Регуляция пентозофосфатного пути, взаимосвязь с гликолизом.
4.Наследственные нарушения пентозофосфатного пути.
1. Общая характеристика пентозофосфатного пути
Пентозофосфатный путь (ПФП) – это сложный ферментативный процесс прямого аэробного окисления фосфорилированной глюкозы до CO2 и
H2O, сопровождающийся образованием восстановленного кофермента НАДФ.
ПФП служит альтернативным путём окисления глюкозо-6-фосфата.
Внорме доля пентозофосфатного пути в количественном превращении глюкозы обычно невелика и зависит от типа ткани и ее функционального состояния.
Впентозофосфатном пути превращения глюкозы выделяют окислительный и неокислительный этапы.
На окислительном этапе глюкозо-6-фосфат необратимо окисляется в пентозу - рибулозо-5-фосфат. Энергия, выделяющаяся при распаде глюкозы,
трансформируется в энергию высокоэнергетического донора водорода -
НАДФН. При определенных условиях пентозофосфатный путь на этом этапе может быть завершен.
На неокислительном этапе рибулозо-5-фосфат обратимо превращается в рибозо-5-фосфат и метаболиты гликолиза.
Значение окислительного этапа:
1.Главный поставщик рибозо-5-фосфата для биосинтеза:
•мононуклеотидов (АМФ, ГМФ, УМФ, ЦМФ, ТМФ);
•нуклеиновых кислот (ДНК, РНК);
•коферментов (НАД+, НАДФ+, ФАД, КоА-SН).
2.Основной источник НАДФН+Н+ в клетках.
НАДФН+Н+ в клетках используется как донор водорода:
1)в реакциях восстановления при биосинтезе:
•жирных кислот;
•холестерола, стероидных гормонов, желчных кислот;
•заменимых аминокислот (как кофермент глутаматдегидрогеназы в реакциях восстановительного аминирования α-кетоглутарата);
2)для обезвреживания токсических веществ и лекарственных препаратов в процессе микросомального окисления;
3)в системе антиоксидантной защиты клетки как кофермент глутатионредуктазы для восстановления глутатиона. Для эритроцитов единственным источником получения NADPH служит пентозофосфатный путь, для других тканей существует альтернативный способ – при участии
NADH-зависимой малатдегидрогеназы (малик-фермент);
4)для превращения рибонуклеотидов в дезоксирибонуклеотиды под действием НАДФ-зависимой рибонуклеотидредуктазы;
5)в фагоцитозе - генерирование активных форм кислорода. NADPH-
оксидаза использует восстановленный NADPH для образования супероксидного иона из молекулярного кислорода. Супероксидньгй ион генерирует другие активные формы кислорода, под действием которых и повреждаются молекулы ДНК, белков, липидов бактериальных клеток. При недостаточной продукции НАДФН при нарушении ПФП отмечается хроническое течение инфекционных заболеваний.
Локализация ПФП. Наиболее активно реакции протекают в цитозоле клеток печени, жировой ткани, эритроцитах, коре надпочечников, молочной железе при лактации, т.е. в органах, где активно протекают реакции гидроксилирования и восстановления, например при синтезе жирных кислот,
холестерола, обезвреживания ксенобиотиков в печени и активных форм кислорода в эритроцитах и других тканях. В гораздо меньшей степени в ПФП протекает в скелетных мышцах.
1.1. Реакции окислительной ветви пентозофосфатного пути
окисления глюкозы.
В окислительной ветви пентозофосфатного пути глюкозо-6-фосфат подвергается окислительному декарбоксилированию, в результате которого образуются пентозы. Этот этап включает 2 реакции дегидрирования.
Первая реакция дегидрирования - превращение глюкозо-6-фосфата в глюконолактон-6-фосфат – катализируется NADP+-зависимой глюкозо-6-
фосфатдегидрогеназой и сопровождается окислением альдегидной группы у первого атома углерода и образованием одной молекулы восстановленного кофермента NADPH.
Рис.1 Реакции окислительной ветви ПФП Далее глюконолактон-6-фосфат быстро превращается в 6-
фосфоглюконат при участии фермента глюконолактонгидратазы.
Фермент 6-фосфоглюконатдегидрогеназа катализирует вторую реакцию дегидрирования окислительной ветви, в ходе которой происходит также и декарбоксилирование. При этом углеродная цепь укорачивается на один атом углерода, образуется рибулозо-5-фосфат и вторая молекула восстановленного
NADPH.
2. Реакции неокислительной ветви пентозофосфатного пути
Неокислительный этап образования пентоз обратим, следовательно, он может служить для образования гексоз из пентоз. С помощью этого пути избыток пентоз, превышающий потребности клетки, может быть возвращен в фонд гексоз.
Неокислительный этап пентозофосфатного пути включает серию обратимых реакций, в результате которых рибулозо-5-фосфат превращается в рибозо-5-фосфат и ксилулозо-5-фосфат, и далее за счёт переноса углеродных фрагментов в метаболиты гликолиза – фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид- 3-фосфат. В этих превращениях принимают участие ферменты: эпимераза,
изомераза, транскетолаза и трансальдолаза.
Рис.2 Превращения рибулозо-5-фосфата
Ферменты транскетолаза и трансальдолаза катализируют перенос двух- и трёхуглеродных фрагментов, соответственно используя в качестве донора углеродных фрагментов кетозу, а альдозу - в качестве акцептора.
Рис.3 1-я транкетолазная реакция ПФП: реакция переноса двухуглеродного фрагмента, катализируемая транскетолазой.
Эти реакции протекают в 2 этапа: сначала происходит отщепление углеродного фрагмента от молекулы-донора, а затем – перенос этого фрагмента на молекулу, выполняющую роль акцептора.
Транскетолаза расщепляет связь С-С между кетогруппой и соседним атомом углерода в молекуле ксилулозо-5-фосфат, в результате чего кетосахар превращается в альдозу, глицеральдегид-3-фосфат, содержащую на 2 атома углерода меньше. Образующийся после расщепления двухуглеродный фрагмент остаётся ковалентно связанным в каталитическом центре фермента с коферментом тиаминдифосфатом. Далее фермент переносит двухуглеродный фрагмент на альдегидную группу альдосахара, образуя новую кетозу - седогептулозо-7-фосфат.
Трансальдолаза переносит трёхуглеродный фрагмент от седогептулозо- 7-фосфата на глицеральдегид-3-фосфат, образуя эритрозо-4-фосфат и фруктозо-6-фосфат.
Рис.4 Реакция, катализируемая трансальдолазой В следующей реакции происходит перенос двухуглеродного фрагмента
от ксилулозо-5-фосфата на эритрозо-4-фосфат.
Продуктами этой реакции являются фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат.
Промежуточные продукты пентозофосфатного пути превращения глюкозы (фруктозо-6-фосфат, глицеральдегид-3-фосфат) могут включаться в пути аэробного и анаэробного окисления и служить источником энергии для синтеза АТР.
Рис.5 Вторая транкетолазная реакция ПФП
Понятие о пентозофосфатном цикле (ПФЦ)
Окислительный этап синтеза пентоз и этап возвращения пентоз в гексозы (неокислительный этап в обратном направлении) вместе составляют циклический процесс (пентозофосфатный цикл) - за один оборот цикла полностью распадается одна молекула глюкозы. Шесть молекул глюкозо-6-
фосфата, вступая в пентозофосфатный цикл, образуют 6 молекул рибулозо-5-
фосфата и 6 молекул СО2, после чего из 6 молекул рибулозо-5-фосфата снова регенерируется 5 молекул глюкозо-6-фосфата.
|
Однако |
это |
не |
|
означает, что |
молекула |
|
|
глюкозо-6-фосфата, |
|
|
|
вступающая |
в |
цикл, |
Рис. 6 Возвращение пентоз в гексозы |
полностью окисляется. |
|
|
Все 6 молекул СО2 образуются из первого атома углерода всех шести молекул глюкозо-6-фосфата, вступающих в реакции ПФЦ. Поэтому пентозофосфатный цикл – это последовательность реакций прямого
(апотомичекого) окисления глюкозо-6-фосфата.
Пентозофосфатный цикл функционирует в основном только в жировой ткани и печени.
При ПФЦ в качестве продукта образуется только НАДФН+Н+. Пентозы в этом случае не являются конечным продуктом, они превращаются в фосфогексозы, которые замыкают цикл, или уходят в гликолиз. Благодаря этому рибозо-5-фосфат не будет накапливаться, и его углероды перейдут в состав фруктозо-6-фосфата и глицеральдегид-3-фосфата, которые являются метаболитами гликолиза. Либо глицеральдегид-3-фосфат восстановится до глицерол-3-фосфата и будет использован для синтеза триацилглицеролов.
Суммарная реакция пентозофосфатного цикла:
6 Глюкозо-6-фосфат + 12 NADP+ + 7 H2O →
5 Глюкозо-6-фосфат + 12 NADPH +H+ + 6 CO2 + Р.
Рис. 7 Общая схема пентозофосфатного цикла
Особенности пентозофосфатного пути в различных тканях.
В отличие от др. основных путей метаболизма углеводов функционирование пентозофосфатного цикла нельзя представить в виде линейной последовательности реакций, приводящей непосредственно от 1
молекулы глюкозо-6-фосфата к 6 молекулам CO2. Пентозофосфатный цикл характеризуется возможностью многообразных взаимопревращений его метаболитов, происходящих по нескольким альтернативным путям.
Если клетка нуждается в больших количествах НАДФН, например,
синтез жирных кислот и холестерина в печени, то активно протекает ПФЦ:
идут реакции окислительной и неокислительной ветви, а образованные фруктозо-6-фосфат и глицеральдегидфосфат превращаются в глюкозо-6-
фосфат и цикл повторяется снова.
Если клетке нужны НАДФН и энергия АТФ (как в эритроцитах), то образованные фруктозо-6-фосфат и глицеральдегидфосфат включаются в гликолиз.
Если клетка растет и делится, то ей необходимы НАДФН и рибозо-5-
фосфат. В этом случае второй этап идти не будет, весь образованный рибулозо-5-фосфат превратится в рибозо-5-фосфат и используется на синтез нуклеотидов. НАДФН используется для синтеза дезоксирибонуклеотидов.
В тканях, которые не испытывают значительную потребность в
НАДФН, (например, скелетные мышцы) функционирует только неокислительная стадия ПФП, причем ее реакции идут в обратную сторону начиная с фруктозо-6-фосфата до рибозо-5-фосфат.
3. Регуляция пентозофосфатного пути
Неокислительные реакции могут начинаться от фруктозо-6-фосфата и завершаться образованием пентозофосфатов или они могут быть продолжением окислительных реакций, включая превращения пентозофосфатов в глюкозо-6-фосфат. Поток метаболитов через ПФП и образование НАДФ+ определяется функциональным состоянием клеток тканей.
Регуляция пентозофосфатного цикла осуществляется с помощью.
гормонов и аллостерически.
Регуляторным является первый фермент окислительного этапа пентозофосфатного пути глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, которая существует в фосфорилированной и дефосфорилированной форме. Активной является дефосфорилированная форма фермента, которая образуется под действием протеинфосфатазы, активируемой инсулином. В печени глюкозо-6-
фосфатдегидрогеназа, как и ключевые ферменты гликолиза и биосинтеза жирных кислот, индуцируется при увеличении соотношения инсулин/глюкагон после приёма богатой углеводами пищи, а снижается при голодании и сахарном диабете.
Аллостерически скорость ПФЦ регулируется в первую очередь
концентрацией НАДФН, который ингибирует глюкозо-6-
фосфатдегидрогеназу. Реакции окислительного пути протекают только в случае активного использования гидрированного НАДФН в восстановительных процессах или в системе антиоксидантной защиты.
Если клетки активно используют НАДФ+, то увеличивается концентрация НАДФ+, который повышает активность фермента и тем самым восполняет количество НАДФН.
Избыток рибозо-5-фосфата может превращаться в промежуточные продукты гликолиза.
3.1. Связь ПФП и гликолиза.
Пентозофосфатный путь и гликолиз тесно связаны и в зависимости от соотношения концентраций промежуточных продуктов, образовавшихся в клетке, возможны переключения с одного пути на другой.
При сбалансированной потребности в NADPH и пентозах в клетке
происходит окислительный путь синтеза пентоз. Если потребности в пентозах превышают потребности в NADPH, то окислительный путь шунтируется за счет использования метаболитов гликолиза: фруктозо-6-фосфат и глицероальдегидфосфат в реакциях неокислительного пути превращаются в пентозы.
Если же NADPH необходим в большей степени, чем пентозы, то
возможны два варианта:
-при высоком энергетическом статусе клетки излишки пентоз путем обратных реакций неокислительного пути превращаются в фруктозо-6-фосфат и глицероальдегидфосфат, из которых в процессе глюконеогенеза образуется глюкоза;
-при низком энергетическом статусе клетки из пентоз также образуются глицероальдегидфосфат и фруктозо-6-фосфат, которые затем включаются в гликолиз.