Cykl pentozowy

Cykl pentozowy jest alternatywną do glikolizy drogą do rozłożenia spożytych węglowodanów. Istotą cyklu pentozowego jest maksymalne wyekstrahowanie z cząsteczki glukozy wodoru w celu wykorzystania go do syntez wewnątrzkomórkowych - w szczególności do syntezy kwasów tłuszczowych i cholesterolu.

Sumaryczna reakcja spalania 1 cząsteczki glukozy może być zapisana następująco:

C₆H₁₂O₆ + 12 NADP + 6 H₂O -> 12 NADPH₂ + 6 CO₂

Widzimy tu, że 1 cząsteczka glukozy bez udziału tlenu, wykorzystując dodatkowo tlen i wodór zawarte w wodzie, rozpada się na dwutlenek węgla i wodór. Duża ilość wodoru powstałego w tym cyklu (przenoszonego przez NADP, a nie NAD) jest następnie używana do syntezy kwasów tłuszczowych i cholesterolu. Zauważmy też ciekawostkę, że powstający w tym cyklu wodór pochodzi w połowie z cukru, a w połowie z wody. Tkanka tłuszczowa, do syntezy której jest on zużywany, powstaje częściowo z wody. Oczywiście niezbędny jest współudział nadmiaru węglowodanów.

Zauważmy, że bez wodoru powstałego w szlaku cyklu pentozowego, a przenoszonego przez NADP, nie zajdzie w organizmie synteza kwasów tłuszczowych ani cholesterolu. Wynika to z faktu, że cykl pentozowy, jest ilościowo zdecydowanie dominującym źródłem NADPH2 potrzebnego do syntez. Intensywność tego szlaku zależy w dużej mierze od ilości zjadanych węglowodanów. Każdy wie, że tyje się od słodyczy. Wynika to z praw biochemii rządzących naszym organizmem. Tłuszcz spożyty równocześnie z cukrem nasila jedynie szlak cyklu pentozowego. Jeśli jednak węglowodany się ograniczy do niezbędnego minimum, to spożywając sam tłuszcz nie przytyje się. Osobną kwestią jest natomiast, jaka proporcja tłuszczu do węglowodanów jest korzystna z punktu widzenia indywidualnego typu metabolicznego.

Szlak pentozofosforanowy jest ilościowo znacznie mniej istotny od cyklu Krebsa i łańcucha oddechowego. Wytwarza jednak ważny rodzaj energii metabolicznej - potencjał redukcyjny. Niektóre z elektronów i atomów wodoru cząsteczek paliwowych muszą zostać zachowane do celów biosyntezy i nie są przekazywane na O₂ w celu uzyskania ATP. Źródłem łatwo dostępnego potencjału redukcyjnego jest w komórce NADPH. Od NADH różni się tylko grupą fosforanową przy węglu C-2 jednej z ryboz. Między NADH i NADPH istnieje zasadnicza różnica funkcji pełnionych w większości reakcji biochemicznych. NADH jest utleniany w łańcuchu oddechowym, a wydzielana przy tym energia zostaje zużyta do syntezy ATP, natomiast NADPH służy jako donor protonów i elektronów podczas redukcyjnych procesów biosyntezy.

NADPH jest wywarzany w szlaku pentozofosforanowym z równoczesnym utlenieniem glukozo-6-fosforanu do rybozo-6-fosforanu. Pięciowęglowy cukier - ryboza i jego pochodne są składnikami wielu związków bardzo ważnych biologicznie, takich jak ATP, CoA, NAD⁺, FAD, RNA i DNA.

glukozo-6-fosforan + 2 NADP⁺ + H₂O → rybozo-5-fosforan + 2 NADPH + 2 H⁺ + CO₂

W szlaku pentozofosforanowym zachodzą też w serii reakcji nieutleniających wzajemne przekształcenia cukrów trój=, cztero-, pięcio-, sześcio- i siedmiowęglowych. Wszystkie te reakcje zachodzą w cytozolu. U roślin niektóre intermediaty szlaku pentozofosforanowego uczestniczą podczas fotosyntezy w tworzeniu heksoz z CO₂. Szlak pentozofosforanowy jest nazywany czasami cyklem pentozowym, szlakiem heksozomonofosforanowym lub szlakiem fosfoglukonianowym utleniającym.

Utleniające odgałęzienie szlaku pentozofosforanowego zaczyna się odwodorowaniem glukozo-6-fosforanu przy węglu C-1 w reakcji katalizowanej przez dehydrogenazę glukozo-6-fosforanową. Enzym ten jest silnie specyficzny w stosunku do NADP⁺. Produktem tej reakcji jest 6-glukono-lakton - ester wewnętrzny między grupą karboksylową C-1 a grupą hydroksylową przy C-5. następnie specyficzna glukonolaktonaza hydrolizuje 6-glukono-lakton do 6-fosfoglukonianu. Ten sześciowęglowy cukier ulega następnie dekarboksylacji oksydacyjnej przez dehydrogenazę 6-fosfoglukonianową do rybulozo-5-fosforanu. Także tutaj akceptorem elektronów jest NADP⁺.

Końcowym etapem w syntezie rybozo-5-fosforanu jest izomeryzacja rybulozo-5-fosforanu, katalizowana przez izomerazę pentozofosforanową (rybozofosforanową).

Reakcja ta jest podobna do przejść: glukozo-6-fosforan, fruktozo-6-fosforan i fosfodihydroksyaceton - aldehyd-3-fosfoglicerynowy, zachodzących podczas glikolizy. Wszystkie trzy izomeryzacje ketoza-aldoza przebiegają przez endiolowy związek pośredni.

Dotychczas omówione reakcje szlaku z utlenieniem każdej cząsteczki glukozo-6-fosforanu dają 2 cząsteczki NADPH i 1 cząsteczkę rybozo-5-fosforanu. Wiele komórek przeprowadza jednak dużo więcej syntez redukcyjnych zależnych od NADPH niż tylko synteza rybozo-5-fosforanu, koniecznego do syntezy nukleotydów i kwasów nukleinowych. W takich przypadkach rybozo-5-fosforan przekształca się z udziałem transketolazy i transaldolazy w aldehyd-3-fosfoglicerynowy i fruktozo-6-fosforan. Enzymy te tworzą odwracalne przejście między glikolizą a szlakiem pentozofosforanowym, katalizując następujące trzy reakcje odwracalne

:

W rezultacie przebiegu tych reakcji z trzech pentoz powstają dwie heksozy i jedna trioza.

Transketolaza przenosi jednostki dwuwęglowe, a trans aldolaza- trójwęglowe. Cukrem dostarczającym fragmentów dwu- i trójwęglowych jest zawsze ketoza, akceptorem-zawsze aldoza.

Pierwszą z tych trzech reakcji łączących szlak pentozofosforowy z glikolizą jest tworzeni się z dwóch pentoz aldehydu 3-fosfoglicerowego i sedoheptulozo-7-fosforanu.

Donorem fragmentu dwuwęglowego w tej reakcji jest ksylulozo-5-fosforan, epimerem rybulozo-5-fosforanu. Ketoza jest substratem transketolazy tylko wtedy, gdy jej grupa hydroksylowa przy węglu C-3 ma konfigurację ksylulozy a nie rybulozy. Przekształcenie rybulozo-5-fosforanu w odpowiedni epimer, będący substratem dla transketolazy, katalizuje epimeraza pentozofosforanowa (3-epimeraza rybulozofosforanowa).

Następnie aldehyd 3-fosfoglicerynowy i sedoheptulozo-7-fosforan reagują tworząc fruktozo-6-fosforan i erytrozo-4-fosforan. Syntezę tę, prowadzącą do cukru czterowęglowego i sześciowęglowego, katalizuje transaldolaza.

W trzeciej reakcji transketolaza katalizuje syntezę fruktozo-6-fosforanu i aldehydu 3-fosfoglicerynowego z erytruozo-4-fosforanu i ksylulozo-5-fosforanu.

Po zsumowaniu tych reakcji otrzymujemy:

2 ksylulozo-5-fosforan + rybozo-5-fosforan ←→ 2 fruktozo-6-fosforan + aldehyd 3-fosfoglicerynowy

Ponieważ ksylulozo-5-fosforan może być tworzony z rybulozo-5-fosforanu przez działanie kolejno izomerazy pentozofosforanowej i epimerazy pentozofosforanowej, wychodząc od rybulozo-5-fosforanu otrzymujemy:

3 rybulozo-5-fosforan ←→ 2 fruktozo-6-fosforan + aldehyd 3-fosfoglicerynowy

W ten sposób nadmiar rybozo-5-fosforanu wytworzonego w szlaku pentozofosfo-ranowym, może być całkowicie przekształcony w intermediaty glikolizy. Wynika z tego, że szkielety węglowe cukrów mogą ulec znacznemu przekształceniu w zależności od zapotrzebowania fizjologicznego.

Szlak pentozofosforanowy spełnia trzy główne funkcje:

1) wytwarza NADPH dla takich redukujących syntez jak:

• biosynteza kwasów tłuszczowych i steroidów

• redukcyjne karboksylacje i aminacje

• uwodornienie kwasu foliowego

• procesy hydroksylacji

2) dostarcza rybozy do biosyntezy nukleotydów i kwasów nukleinowych

3) dostarcza erytrozy, która włącza się do budowy pierścienia aromatycznego