Перейти к содержанию
ОПИУМ

ОПИУМ

  • Навигация
  • Курс по биохимии
  • Поддержать автора
ОПИУМ
ОПИУМ

Пентозофосфатный путь окисления глюкозы

Биохимия Углеводы

Эта тема входит в мой курс по биохимии

Подробнее

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.

Первая реакция гликолиза - образование глюкозо-6-фосфата
Когда глюкоза попадает в клетку, то она тут же фосфорилируется

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.

Строение НАД и НАДФ
НАД+ отличается от НАДФ+ всего на одну фосфатную группу

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. 

Пентозофосфатный путь — поставщик НАДФH и пентоз для клетки.

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.

Пентозофосфатный путь окисления глюкозы. Первая реакция - образование глюконолактона
Первая реакция окислительного этапа

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. 

Пентозофосфатный цикл. Вторая реакция - образование 6-фосфоглюконата
Вторая реакция окислительного этапа

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.

Пентозофосфатный путь. Окислительный этап. Образование рибулозо-5-фосфата
Третья реакция окислительного этапа

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.

Итог окислительного этапа: образование пятиуглеродной кетозы и двух 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.

Пентозофосфатный путь. Неокислительный этап. Образование рибозо-5-фосфата
Образование рибозо-5-фосфата в неокислительном этапе

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.

Пентозофосфатный путь. Неокислительный этап

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

Пентозофосфатный путь. Неокислительный этап. Образование ксилулозо-5-фосфата
Неокислительный этап. Образование двух молекул ксилулозо-5-фосфата.

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. 

Пентозофосфатный путь. Неокислительный этап. Транскетолазная реакция
Неокислительный этап. Образование глицеральдегид-3-фосфата и седогептулозо-7-фосфата

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. 

Пентозофосфатный путь. Неокислительный этап. Трансальдолаза
Трансальдолазная реакция неокислительного этапа

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.

Пентозофосфатный путь. Неокислительный этап. Транскетолазная реакция
Снова транскетолаза

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. 

Фосфогексоизомераза
Реакция изомеризации. Фруктозо-6-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат

А вот общая схема неокислительного этапа:

Пентозофосфатный путь. Неокислительный этап
Неокислительный этап. В последней реакции, которую катализирует транскетолаза, нужно поменять местами фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат. Но у меня так не получается схемка, так что сорян)))

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. 

Пентозофосфатный путь
Неокислительный этап с шестью рибулозо-5-фосфатами.

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. 

Пентозофосфатный путь. Синтез рибозы и НАДФH
Клетке нужны НАДФH и пентозы

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. 

Пентозофосфатный цикл. Образование НАДФH
Пентозофосфатный цикл

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.

Пентозофосфатный путь окисления глюкозы. Его связь с гликолизом
Связь пентозофосфатного пути с гликолизом.

Ситуация 4. Клетке нужны НАДФH и АТФ. 

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

Пентозофосфатный путь. Связь с гликолизом.
Связь между пентозофосфатным циклом и гликолизом.

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.

Подписаться:

YouTube Telegram

© 2023 ОПИУМ

 

 

Прокрутить вверх
  • Навигация
  • Курс по биохимии
  • Поддержать автора
Поиск