Пентозофосфатный путь окисления глюкозы

Для начала нужно понять, что это за путь такой и какая молекула в него вступает. Пентозофосфатный путь — это путь окисления глюкозы. Точнее, не совсем глюкозы, а глюкозо-6-фосфата. Мы уже знаем, что глюкоза, которая попадает в клетку, фосфорилируется гексокиназой или глюкокиназой. В зависимости от типа ткани. В печени работает глюкокиназа, а в остальных тканях — гексокиназа. Клетка получает глюкозо-6-фосфат, который можно отправить на синтез гликогена или окислить до пирувата с помощью гликолиза.

Но существует другой путь окисления глюкозо-6-фосфата — пентозофосфатный. Если в ходе гликолиза клетка стремится получить энергию из этой молекулы, то в пентозофосфатном у неё другие цели. И вот какие: получить кофермент НАДФH и пентозы. И тут вы задаётесь вопросом: «Неужели эти молекулы так важны, что для них существует целый отдельный путь?». Да, важны — сейчас посмотрим почему. 

Функции пентозофосфатного пути

Мы первый раз встречаемся с коферментом НАДФH, до этого речь шла только о НАДH. Этот восстановленный кофермент используется для некоторых химических реакций, но его основная роль — отдать два электрона в дыхательную цепь. В дыхательной цепи из электронов получится 2,5 молекулы АТФ. Но я отвлёкся.

НАД⁺ отличается от НАДФ⁺ всего на одну фосфатную группу, но при этом у них огромное различие в функциях.

Для чего же клетке нужен НАДФH? 

А вот для чего:

1. Синтеза жирных кислот;
2. Синтеза холестерола;
3. Синтеза нейромедиаторов;
4. Образования дезоксирибозы — компонента нуклеотидов ДНК;
5. Реакций обезвреживания ксенобиотиков и активных форм кислорода. 

Довольно большой список. Даже если ты ещё не встречался с этими процессами, то он всё равно впечатляет. Видно, что у НАДФH огромная роль в нашем организме. И вот в чём прикол: пентозофосфатный путь почти единственный способ получить НАДФH для клеточек. Есть ещё малик-фермент и дегидрирование изоцитрата, но о них в другой раз. В норме клетке хватает пентозофосфатного пути для синтеза НАДФH. 

Но это только первый продукт пентозофосфатного пути, а ведь были ещё пентозы. А если точнее, то в ходе пентозофосфатного пути образуется рибоза-5-фосфат. Она используется для синтеза:

1. Нуклеотидов ДНК и РНК;
2. АТФ;
3. Коферментов НАД, НАДФ, ФАД и А.

У всех этих молекул есть кое-что общее. В их формулах есть рибоза, либо дезоксирибоза. А дезоксирибоза это производное чего? Рибозы!!! Респект. 

Реакции пентозофосфатного пути

Реакции протекают в цитоплазме клетки, там же где и гликолиз. Пентозофосфатный путь состоит из двух этапов: окислительного и неокислительного. Мне не совсем нравится слово «этап». Оно подразумевает, что это два друг за другом следующих процесса. Но к концу статьи вы поймёте, что пентозофосфатный путь может идти не только последовательно, но и отдельно по каждому этапу. Ну вот, я опять забежал вперёд. 

Окислительный этап

Мы договорились, что в пентозофосфатный путь вступает глюкозо-6-фосфат. В ходе окислительного этапа из этой молекулы образуется рибулозо-5-фосфат. Глюкоза теряет один атом углерода — из гексозы образуется пентоза. Давайте прикинем, что нужно для этого. Легко отщепить атом углерода, когда он карбоксильный — ведь у нас есть реакции декарбоксилирования. В них отщепляется кислотная группа COOH. В глюкозо-6-фосфате, увы, такой группы нет. Есть только альдегидная, да и та участвует в образовании циклической формы (вспомнить про альдозы и кетозы можно тут). Поэтому окислительный этап будет направлен на раскрытие цикла и перевод альдегидной группы в карбоксильную.

Первая реакция. Катализатор — глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа. Кофермент реакции НАДФ. В ходе этой реакции от молекулы глюкозо-6-фосфата отщепляется два водорода. При этом НАДФ присоединяет к себе гидрид ион. Гидрид ион состоит из протона водорода и двух электронов. Образуется глюконолактон-6-фосфат и НАДФH. Один протон отправляется в цитоплазму.

Для того, чтобы превратить глюконолактон-6-фосфат в пентозу нужно раскрыть цикл. Ведь наша молекула до сих пор в циклической форме. За счёт дегидрирования мы увеличили нестабильность связи, с помощью которой образуется цикл. Теперь эту связь легко порвать.

Вторая реакция. Фермент — глюконолактон-гидратаза. У неё есть название попроще — лактоназа. Лактоназа присоединяет молекулу воды по нестабильной связи, что приводит к её разрушению. В ходе этой реакции образуется 6-фосфоглюконат. 

Эти две реакции нужны были для раскрытия шестичленного цикла. Но не только. Ещё мы превратили альдегидную группу глюкозо-6-фосфата, которая находится у первого углерода, в карбоксильную группу. Или превратили альдегид в кислоту. Ведь реакция декарбоксилирования пойдёт только при наличии карбоксильной группы. Да-да, я капитан очевидность. 

Третья реакция. Катализирует реакцию 6-фосфоглюконатдегидрогеназа, а её кофермент — НАДФ. В этой реакции происходят два важных момента: глюконат теряет карбоксильную группу, и от пентозы отщепляются два водорода. Продукты реакции — рибулозо-5-фосфат и НАДФH.

На этом заканчивается окислительный этап. Клетка синтезировала рибулозо-5-фосфат из глюкозо-6-фосфата. Она превратила шестиуглеродную альдозу в пятиуглеродную кетозу. И не менее важно, что клетка получила две молекулы НАДФH.

И ещё одно — все эти реакции были необратимыми. Этим окислительный этап отличается от неокислительного. Там все реакции будут обратимыми. 

Неокислительный этап 

Четвёртая реакция. Далее из рибулозо-5-фосфата можно получить рибозо-5-фосфат. Для этого нужно провести реакцию изомеризации. Ведь рибоза — это альдоза, а не кетоза. Фермент — фосфопентозоизомераза. Или просто изомераза.

Образуется рибозо-5-фосфат. Клетка получила то, что хотела — рибозо-5-фосфат. Теперь его можно пустить на синтез ДНК, РНК, АТФ, НАД, НАДФ, ФАД или кофермента А. Это в идеале. 

Что, если клетке не нужны эти молекулы? Допустим, что сейчас ей всего достаточно — она укомплектована по полной. Но при этом ей нужен НАДФ. Клетка хочет синтезировать жирные кислоты или ей нужно что-то обезвредить. А двух молекул НАДФH как-то маловато. Что делать? 

Можно сделать вот как. Пустим больше молекул глюкозо-6-фосфата на пентозофосфатный путь — получим больше НАДФH. Но при этом в клетке накапливаются пентозы, которые ей не нужны. Невыгодно. Глупо тратить глюкозо-6-фосфат, получая только половину плюшек. 

Поэтому клетка делает по-другому. Она превращает рибозо-5-фосфат обратно в глюкозу. Но как? Ведь ты сказал, что окислительный этап необратим. А я и не врал, для этого нужен неокислительный этап. Вообще суть неокислительного этапа — перебрасывание углеродов с одной молекулы на другую. Сорри за спойлеры.

Вернёмся к третьей реакции. В ходе неё был получен рибулозо-5-фосфат. Давайте предположим, что мы пустили на пентозофосфатный путь три молекулы глюкозо-6-фосфата, а не одну. Не думай, почувствуй — дальше всё станет понятно. Клетка получит три молекулы рибулозо-5-фосфата. Из них одну мы превратим в рибозо-5-фосфат. А две другие в ксилулозо-5-фосфат. Их тоже будет два.

Фермент — фосфопентозоэпимераза. Или просто эпимераза. Она изменяет положение гидроксильной группы у третьего атома углерода. Теперь она слева, а не справа.

Можно начать синтезировать глюкозу из двух ксилулозо-5-фосфатов и одного рибозо-5-фосфата. Это невозможно сделать в одну реакцию, поэтому клетке понадобится целая серия. Сначала два атома углерода с ксилулозо-5-фосфата переносятся на рибозо-5-фосфат. Катализирует реакцию транскетолаза, она не может работать без своего кофермента — тиаминдифосфата. 

В ходе этой реакции получаем глицеральдегид-3-фосфат и седогептулозо-7-фосфат (какое сложное название). Первый образовался из ксилулозо-5-фосфата. Для образования альдегидной группы нужна была реакция эпимеризации — превращения рибулозо-5-фосфата в ксилулозо-5-фосфат. А второй из рибозо-5-фосфата. Клетка получает триозу и гептозу. 

Продолжаем перекидывать атомы углерода с одной молекулы на другую. Теперь у нас другой фермент — трансальдолаза. Она переносит три атома углерода с седогептулозо-7-фосфата на глицеральдегид-3-фосфат. 

Образуется фруктозо-6-фосфат и эритрозо-4-фосфат. Вроде всё неплохо, фруктозо-6-фосфат можно превратить в глюкозу, но что делать с эритрозо-4-фосфатом? Вспоминаем, что у нас есть ещё одна молекула ксилулозо-5-фосфата. Снова используем транскетолазу. Она перекидывает два атома углерода с ксилулозо-5-фосфата на эритрозо-4-фосфат. Получаем ещё один фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат.

Получается, что из трёх молекул рибулозо-5-фосфата были синтезированы две молекулы фруктозо-6-фосфата и один глицеральдегид-3-фосфат. Из двух фруктозо-6-фосфатов образуется два глюкозо-6-фосфата. 

А вот общая схема неокислительного этапа:

Глицеральдегид-3-фосфат — знакомая молекула, она встречалась нам в гликолизе. Это значит, что её можно отправить в глюконеогенез. Правда для того, чтобы синтезировать молекулу глюкозы нужно два глицеральдегид-3-фосфата. Ну давайте решим эту проблему тем, что удвоим количество глюкозо-6-фосфата, который был пущен на пентозофосфатный путь. 

Мы взяли три молекулы, а теперь возьмём шесть. Из них будет синтезировано шесть молекул рибулозо-5-фосфата. Превратим их в две молекулы рибозо-5-фосфата и четыре молекулы ксилулозо-5-фосфата. Так мы получим четыре фруктозо-6-фосфата и два глицеральдегид-3-фосфата. Из фруктозо-6-фосфата образуется четыре молекулы глюкозо-6-фосфата, а две молекулы глицеральдегид-3-фосфата превратим в ещё один фруктозо-6-фосфат. Получается, что общее уравнение такого пентозофосфатного пути будет:

6 глюкозо-6-фосфат + 12НАДФ⁺ + 6H₂O = 5 глюкозо-6-фосфат + 12НАДФH + 12H⁺ + 6CO₂. 

Поздравляю! Мы превратили наш пентозофосфатный путь в цикл. Пусть он и не будет работать слишком долго, но так мы уменьшим потери глюкозо-6-фосфата на образование НАДФH.

Пластичность пентозофосфатного пути

Ну а теперь посмотрим на пластичность пентозофосфатного пути в разных ситуациях.

Ситуация 1. Клетке нужны НАДФH и пентозы. 

Допустим, что клетка готовится к делению. Ей нужно реплицировать ДНК и создать запас питательных веществ. На синтез ДНК нужны пентозы, а на запас — НАДФH.

Здесь всё просто — отправляем глюкозо-6-фосфат на окислительный этап. Далее превращаем рибулозо-5-фосфат в рибозо-5-фосфат. При этом получаем две молекулы НАДФH и одну пентозу. Использовать по потребности. 

Ситуация 2. Клетке нужен НАДФH, но не нужны пентозы. 

Такая ситуация будет в эритроцитах. В норме гемовое железо имеет заряд +2, но существуют метгемоглобинобразователи, которые переводят его в +3. При этом образуются активные формы кислорода. Им не место в эритроците — они могут повредить его мембрану. Повреждение мембраны приведёт к гемолизу. Вот мы и потеряли эритроцит. Но в эритроците есть герой — глутатион. Это трипептид, у него имеется -SH группа. Глутатион восстанавливает активные формы кислорода, отдавая электроны. А сам окисляется.  Для того, чтобы вернуть глутатион в активное состояние нужен фермент глутатионпероксидаза. Она переносит электроны с НАДФH на глутатион, восстанавливая его. Вот такая сложная система. 

Проводим окислительный этап, а далее зацикливаем процесс. Превращаем шесть молекул рибулозо-5-фосфата в пять молекул глюкозо-6-фосфата. Крутим, пока клетке не надоест этим заниматься. Эту ситуацию мы разбирали выше. 

Ситуация 3. Клетке нужны пентозы, но не нужен НАДФH. 

Допустим, что клетке требуются рибонуклеотиды, а дезоксирибонуклеотиды — нет. Значит ей нужен только рибозо-5-фосфат.

Забываем про окислительный этап. Помните, что в неокислительном этапе все реакции обратимы? Это значит, что мы можем повернуть их в другую сторону. В ходе гликолиза получаем четыре молекулы фруктозо-6-фосфата. Далее используем трансальдолазные и транскетолазные реакции для того, чтобы получить пять молекул рибозо-5-фосфата.  

Правда для этого нам понадобится две молекулы глицеральдегид-3-фосфата, которые мы так же получим в ходе гликолиза. Но не трогая четыре фруктозо-6-фосфата, которые мы уже взяли до этого. Для этого пустим ещё одну молекулу глюкозо-6-фосфата в гликолиз.

Ситуация 4. Клетке нужны НАДФH и АТФ. 

Такая ситуация тоже может быть в эритроцитах, когда им не нужно много НАДФH.

В этом случае будем отправлять глюкозо-6-фосфат на окислительный этап. Получаем пентозы и НАДФH. Пентозы с помощью транскетолазных и трансальдолазных реакций превращаем в фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат. Отправляем их в гликолиз. В эритроцитах идёт только анаэробный гликолиз, поэтому получаем лактат. В других клетках гликолиз будет аэробным — образуется пируват. Синтезированный пируват пойдёт в цикл трикарбоновых кислот.