Szlak pentozofosforanowy , znany również jako przekierowanie heksozo-monofosforanu, jest podstawowym szlakiem metabolicznym, którego produktem końcowym są rybozy, niezbędne dla szlaków syntezy nukleotydów i kwasów nukleinowych, takich jak DNA, RNA, ATP, NADH, FAD i koenzym A.
Wytwarza również NADPH (fosforan dinukleotydu nikotynamidoadeninowego), który jest używany w różnych reakcjach enzymatycznych. Ta ścieżka jest bardzo dynamiczna i może dostosowywać swoje produkty w zależności od chwilowych potrzeb komórek.
ATP (trifosforan adenozyny) jest uważany za „walutę energetyczną” komórki, ponieważ jej hydroliza może być sprzężona z szerokim zakresem reakcji biochemicznych.
W ten sam sposób NADPH jest niezbędną drugą walutą energetyczną, między innymi w redukcyjnej syntezie kwasów tłuszczowych, syntezie cholesterolu, syntezie neuroprzekaźników, fotosyntezie i reakcjach detoksykacji.
Chociaż NADPH i NADH mają podobną strukturę, nie można ich stosować zamiennie w reakcjach biochemicznych. NADPH uczestniczy w wykorzystaniu energii swobodnej w utlenianiu niektórych metabolitów do biosyntezy redukcyjnej.
W przeciwieństwie do tego NADH bierze udział w wykorzystywaniu wolnej energii z utleniania metabolitów do syntezy ATP.
Historia i lokalizacja
Wskazania na istnienie tej ścieżki zaczęły się w 1930 roku dzięki badaczowi Otto Warburgowi, któremu przypisuje się odkrycie NADP + .
Pewne obserwacje pozwoliły na odkrycie szlaku, w szczególności kontynuację oddychania w obecności inhibitorów glikolizy, takich jak jon fluorkowy.
Następnie, w 1950 roku, naukowcy Frank Dickens, Bernard Horecker, Fritz Lipmann i Efraim Racker opisali szlak pentozofosforanowy.
Tkanki biorące udział w syntezie cholesterolu i kwasów tłuszczowych, takie jak gruczoły sutkowe, tkanka tłuszczowa i nerki, mają wysokie stężenia enzymów fosforanu pentozy.
Wątroba jest również ważną tkanką dla tego szlaku: około 30% utleniania glukozy w tej tkance zachodzi dzięki enzymom szlaku pentozofosforanowego.
cechy
Szlak pentozofosforanowy jest odpowiedzialny za utrzymanie homeostazy węgla w komórce. Podobnie szlak syntetyzuje prekursory nukleotydów i cząsteczek biorących udział w syntezie aminokwasów (elementów budulcowych peptydów i białek).
Jest głównym źródłem siły redukującej reakcje enzymatyczne. Ponadto dostarcza cząsteczek niezbędnych do reakcji anabolicznych i procesów obronnych przed stresem oksydacyjnym. Ostatnia faza ścieżki jest krytyczna w procesach redoks w sytuacjach stresowych.
Fazy
Szlak pentozofosforanowy składa się z dwóch faz w cytozolu komórkowym: oksydacyjnej, która wytwarza NADPH wraz z utlenianiem glukozo-6-fosforanu do rybozo-5-fosforanu; i nieutleniający, który obejmuje wzajemną przemianę cukrów o trzech, czterech, pięciu, sześciu i siedmiu węglach.
Ta trasa przedstawia reakcje wspólne z cyklem Calvina i szlakiem Entnera-Doudoroffa, który jest alternatywą dla glikolizy.
Faza oksydacyjna
Faza oksydacyjna rozpoczyna się od odwodornienia cząsteczki glukozo-6-fosforanu na węglu 1. Ta reakcja jest katalizowana przez enzym dehydrogenazę glukozo-6-fosforanową, który ma wysoką specyficzność dla NADP + .
Produktem tej reakcji jest 6-fosfonoglukon-δ-lakton. Ten produkt jest następnie hydrolizowany przez enzym laktonazę z wytworzeniem 6-fosfoglukonianu. Ten ostatni związek jest wychwytywany przez enzym dehydrogenazę 6-fosfoglukonianową i staje się rybulozo-5-fosforanem.
Enzym izomeraza fosfopentozy katalizuje ostatni etap fazy oksydacyjnej, która obejmuje syntezę 5-fosforanu rybozy poprzez izomeryzację 5-fosforanu rybulozy.
W tej serii reakcji powstają dwie cząsteczki NADPH i jedna cząsteczka rybozy 5-fosforanu na każdą cząsteczkę 6-fosforanu glukozy, która wchodzi na ten szlak enzymatyczny.
W niektórych komórkach wymagania dotyczące NADPH są większe niż wymagania dla 5-fosforanu rybozy. Dlatego enzymy transketolaza i transaldolaza pobierają rybozo-5-fosforan i przekształcają go w gliceraldehydo-3-fosforan i fruktozo-6-fosforan, przechodząc w fazę nieutleniającą. Te dwa ostatnie związki mogą wejść na szlak glikolityczny.
Faza nieutleniająca
Faza rozpoczyna się od reakcji epimeryzacji katalizowanej przez enzym epimerazę pentozo-5-fosforanową. Enzym ten pobiera rybulozo-5-fosforan i przekształca go w ksylulozo-5-fosforan.
Produkt jest wychwytywany przez enzym transketolazę, który działa razem z koenzymem pirofosforanu tiaminy (TTP), który katalizuje przejście ksylulozo-5-fosforanu do rybozo-5-fosforanu. Wraz z przeniesieniem ketozy do aldozy powstają gliceraldehydo-3-fosforan i sedoheptulozo-7-fosforan.
Następnie enzym transaldolaza przenosi C3 z cząsteczki sedoheptulozo-7-fosforanu do gliceraldehydo-3-fosforanu, wytwarzając czterowęglowy cukier (erytrozo-4-fosforan) i sześciowęglowy cukier (fruktozę-6 -fosforan). Produkty te są zdolne do zasilania szlaku glikolitycznego.
Enzym transketosal ponownie działa przenosząc C2 z ksylulozo-5-fosforanu do erytrozo-4-fosforanu, w wyniku czego powstaje fruktozo-6-fosforan i gliceraldehydo-3-fosforan. Podobnie jak w poprzednim kroku, produkty te mogą ulec glikolizie.
Ta druga faza łączy szlaki generujące NADPH z tymi odpowiedzialnymi za syntezę ATP i NADH. Ponadto produkty fruktozo-6-fosforan i gliceraldehydo-3-fosforan mogą wchodzić w glukoneogenezę.
Powiązane choroby
Ze szlakiem pentozofosforanowym, między tymi chorobami nerwowo-mięśniowymi a różnymi typami raka, związane są różne patologie.
Większość badań klinicznych skupia się na ilościowym określaniu aktywności dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej, ponieważ jest to główny enzym odpowiedzialny za regulację szlaku.
W krwinkach osób podatnych na anemię wykazują niską aktywność enzymatyczną dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej. Natomiast linie komórkowe związane z rakami krtani wykazują wysoką aktywność enzymatyczną.
NADPH bierze udział w produkcji glutationu, kluczowej cząsteczki peptydu chroniącej przed reaktywnymi formami tlenu, biorącymi udział w stresie oksydacyjnym.
Różne typy nowotworów prowadzą do aktywacji szlaku pentozowego i są związane z procesami przerzutów, angiogenezy i odpowiedzi na chemioterapię i radioterapię.
Z drugiej strony, przewlekła choroba ziarniniakowa rozwija się, gdy występuje niedobór produkcji NADPH.
Bibliografia
- Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L (2002). Biochemia. WH Freeman
- Konagaya, M., Konagaya, Y., Horikawa, H. i Iida, M. (1990). Szlak pentozofosforanowy w chorobach nerwowo-mięśniowych - ocena aktywności mięśniowo-glukozy 6 - dehydrogenazy fosforanowej i zawartości RNA. Rinsho shinkeigak. Clinical neurology, 30 (10), 1078-1083.
- Kowalik, MA, Columbano, A. i Perra, A. (2017). Pojawiająca się rola szlaku pentozofosforanowego w raku wątrobowokomórkowym. Frontiers in onkology, 7, 87.
- Patra, KC, & Hay, N. (2014). Szlak pentozofosforanowy i rak. Trendy w naukach biochemicznych, 39 (8), 347–354.
- Stincone, A., Prigione, A., Cramer, T., Wamelink, M., Campbell, K., Cheung, E.,… & Keller, MA (2015). Powrót metabolizmu: biochemia i fizjologia szlaku pentozofosforanowego. Biological Reviews, 90 (3), 927–963.
- Voet, D. i Voet, JG (2013). Biochemia. Redaktor Artmed.