W tym artykule rozważymy jeden z wariantów utleniania glukozy - szlak pentozofosforanowy. Przeanalizowane i opisane zostaną warianty przebiegu tego zjawiska, metody jego realizacji, zapotrzebowanie na enzymy, znaczenie biologiczne oraz historia odkrycia.
Przedstawiamy zjawisko
Ścieżka pentozofosforanowa jest jednym ze sposobów utleniania C6H12O6 (glukozy). Składa się z etapu utleniającego i nieutleniającego.
Ogólne równanie procesu:
3glukozo-6-fosforan +6NADP-à3CO2+6(NADPH+H-)+2fruktozo-6-fosforan+gliceraldehydo-3-fosforan.
Po przejściu przez oksydacyjny szlak pentozofosforanowy, cząsteczka 3-fosforanu aldehydu hicerowego jest przekształcana w pirogronian i tworzy 2 cząsteczki kwasu adenozynotrójfosforowego.
Zwierzęta i rośliny wśród swoich podjednostek mają szerokie rozpowszechnienie tego zjawiska, ale mikroorganizmy wykorzystują je tylko jako proces pomocniczy. Wszystkie enzymy szlaku znajdują się w cytoplazmie komórkowej organizmów zwierzęcych i roślinnych. Ponadto ssaki zawierają te substancjerównież w EPS i roślinach w plastydach, szczególnie w chloroplastach.
Szlak pentozofosforanowy utleniania glukozy jest podobny do procesu glikolizy i ma niezwykle długą ścieżkę ewolucyjną. Prawdopodobnie w wodnym środowisku Archaean, przed pojawieniem się życia we współczesnym znaczeniu, zachodziły reakcje, które miały właśnie charakter pentozofosforanowy, ale katalizatorem takiego cyklu nie był enzym, ale jony metali.
Rodzaje istniejących reakcji
Jak zauważono wcześniej, szlak pentozofosforanowy rozróżnia dwa etapy lub cykle: utleniający i nieoksydacyjny. W rezultacie, na oksydacyjnej części szlaku, C6H12O6 ulega utlenieniu z glukozo-6-fosforanu do rybulozo-5-fosforanu, a na koniec następuje redukcja NADPH. Istotą etapu nieoksydacyjnego jest pomoc w syntezie pentozy i włączenie się w odwracalną reakcję transferu 2-3 „kawałków” węgla. Ponadto może ponownie nastąpić przejście pentoz do stanu heksoz, co jest spowodowane nadmiarem samej pentozy. Katalizatory zaangażowane w ten szlak dzielą się na 3 systemy enzymatyczne:
- system dehydrodekarboksylacji;
- system typu izomeryzującego;
- system zaprojektowany do rekonfiguracji cukrów.
Reakcje z utlenianiem i bez utleniania
Oksydacyjna część ścieżki jest reprezentowana przez następujące równanie:
Glukoza6fosforan+2NADP++H2Oàrybuloza5fosforan+2 (NADPH+H+)+CO2.
BW etapie nieoksydacyjnym występują dwa katalizatory w postaci transaldolazy i transketolazy. Przyspieszają zrywanie wiązania C-C i przenoszenie fragmentów węglowych łańcucha, które powstają w wyniku tego zerwania. Transketolaza wykorzystuje koenzym pirofosforan tiaminy (TPP), który jest estrem witaminy (B1) typu difosforu.
Ogólna postać równania etapowego w wersji nieutleniającej:
3 rybuloza5fosforan 1 ryboza5fosforan + 2 ksyluloza5fosforan 2 fruktoza6fosforan + aldehyd glicerynowy3fosforan.
Zmianę oksydacyjną szlaku można zaobserwować, gdy NADPH jest używane przez komórkę, czyli innymi słowy, gdy przechodzi do standardowej pozycji w swojej niezredukowanej formie.
Wykorzystanie reakcji glikolizy lub opisanej ścieżki zależy od ilości stężenia NADP+ w grubości cytozolu.
Cykl ścieżki
Podsumowując wyniki uzyskane z analizy ogólnego równania szlaku wariantu nieoksydacyjnego, widzimy, że pentozy mogą powrócić z heksoz do monosacharydów glukozy przy użyciu szlaku pentozofosforanowego. Późniejsza konwersja pentozy do heksozy jest cyklicznym procesem pentozofosforanowym. Rozważana ścieżka i wszystkie jej procesy koncentrują się z reguły w tkance tłuszczowej i wątrobie. Całkowite równanie można opisać jako:
6 glukozo-6-fosforan+12nadp+2H2Oà12(NADPH+H+)+5 glukoza-6-fosforan+6 CO2.
Nieoksydacyjny typ szlaku pentozofosforanowego
Nieoksydacyjny etap szlaku pentozofosforanowego może przegrupować glukozę bezusuwanie CO2, co jest możliwe dzięki systemowi enzymatycznemu (przestawia cukry i enzymy glikolityczne, które przekształcają glukozo-6-fosforan w gliceroaldehydo-3-fosforan).
Badania metabolizmu drożdżaków lipidotwórczych (które są pozbawione fosfofruktokinazy, która zapobiega utlenianiu monosacharydów C6H12O6 za pomocą glikolizy), okazało się, że glukoza w ilości 20% ulega oksydacji na szlaku pentozofosforanowym, a pozostałe 80% ulega rekonfiguracji na nieutleniającym etapie ścieżki. Obecnie odpowiedź na pytanie, jak dokładnie powstaje związek 3-węglowy, który może powstać tylko podczas glikolizy, pozostaje nieznana.
Funkcja dla organizmów żywych
Wartość szlaku pentozofosforanowego u zwierząt i roślin, a także mikroorganizmów jest prawie taka sama. Wszystkie komórki wykonują ten proces, aby utworzyć zredukowaną wersję NADPH, która zostanie wykorzystana jako dawca wodoru w reakcja typu redukcji i hydroksylacja. Inną funkcją jest dostarczanie komórkom rybozo-5-fosforanu. Pomimo tego, że NADPH może powstać w wyniku utleniania jabłczanu z wytworzeniem pirogronianu i CO2, a w przypadku odwodornienia izocytrynianu, produkcja równoważników redukcyjnych zachodzi w wyniku procesu pentozofosforanowego. Kolejnym produktem pośrednim tego szlaku jest erytrozo-4-fosforan, który ulegając kondensacji z fosfoenolopirogronianami, inicjuje powstawanie tryptofanów, fenyloalaniny i tyrozyny.
OperacjaSzlak pentozofosforanowy obserwuje się u zwierząt w narządach wątroby, gruczołach sutkowych w okresie laktacji, jądrach, korze nadnerczy, a także w erytrocytach i tkance tłuszczowej. Wynika to z obecności aktywnych reakcji hydroksylacji i regeneracji, na przykład podczas syntezy kwasów tłuszczowych, obserwuje się również podczas niszczenia ksenobiotyków w tkankach wątroby oraz aktywnej formy tlenu w komórkach erytrocytów i innych tkankach. Takie procesy generują duże zapotrzebowanie na różne odpowiedniki, w tym NADPH.
Rozważmy przykład erytrocytów. W tych cząsteczkach glutation (tripeptyd) odpowiada za neutralizację aktywnej formy tlenu. Związek ten, ulegając utlenianiu, przekształca nadtlenek wodoru w H2O, ale odwrotne przejście od glutationu do zredukowanej zmienności jest możliwe w obecności NADPH+H+. Jeśli komórka ma defekt dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej, to można zaobserwować agregację promotorów hemoglobiny, w wyniku której erytrocyt traci swoją plastyczność. Ich normalne funkcjonowanie jest możliwe tylko przy pełnym działaniu szlaku pentozofosforanowego.
Odwrócony szlak pentozofosforanowy w roślinie stanowi podstawę ciemnej fazy fotosyntezy. Ponadto niektóre grupy roślin są w dużej mierze zależne od tego zjawiska, co może powodować np. szybką przemianę cukrów itp.
Rola szlaku pentozofosforanowego dla bakterii polega na reakcjach metabolizmu glukonianu. Cyjanobakterie wykorzystują ten proces z racjibrak pełnego cyklu Krebsa. Inne bakterie wykorzystują to zjawisko, aby narazić różne cukry na utlenianie.
Procesy regulacyjne
Regulacja szlaku pentozofosforanowego zależy od obecności zapotrzebowania na glukozo-6-fosforan przez komórkę oraz poziomu stężenia NADP+ w płynie cytozolu. To właśnie te dwa czynniki określą, czy wspomniana cząsteczka wejdzie w reakcje glikolizy, czy w szlak typu pentozofosforanowego. Brak akceptorów elektronów nie pozwoli na kontynuowanie pierwszych kroków na ścieżce. Wraz z szybkim przeniesieniem NADPH do NADPH+ poziom stężenia tego ostatniego wzrasta. Dehydrogenaza glukozo-6-fosforanowa jest stymulowana allosterycznie i w konsekwencji zwiększa ilość wypływu glukozo-6-fosforanowej poprzez szlak typu pentozofosforanowego. Spowolnienie zużycia NADPH prowadzi do obniżenia poziomu NADP+, a glukozo-6-fosforan jest usuwany.
Dane historyczne
Ścieżka pentozofosforanowa rozpoczęła swoją ścieżkę badawczą, ponieważ zwrócono uwagę na brak zmian w zużyciu glukozy przez ogólne inhibitory glikolizy. Niemal równocześnie z tym wydarzeniem O. Warburg dokonał odkrycia NADPH i zaczął opisywać utlenianie glukozo-6-fosforanów do kwasów 6-fosfoglukonowych. Ponadto wykazano, że C6H12O6, oznaczony izotopami 14C (oznaczony zgodnie z C-1), zamieniał się w 14CO2 stosunkowo szybciej niż to ta sama cząsteczka, ale oznaczona jako C-6. To właśnie pokazało, jak ważny jest proces utylizacji glukozy podczaspomoc tras alternatywnych. Dane te zostały opublikowane przez I. K. Gansalus w 1995 roku.
Wniosek
I tak widzimy, że rozważany szlak jest wykorzystywany przez komórki jako alternatywny sposób utleniania glukozy i jest podzielony na dwie opcje, według których może przebiegać. Zjawisko to obserwuje się we wszystkich formach organizmów wielokomórkowych, a nawet w wielu mikroorganizmach. Wybór metody utleniania zależy od różnych czynników, obecności określonych substancji w komórce w czasie reakcji.
