3. 1.2.6. Пентозофосфатный цикл

В 1935–38 гг. исследованиями ряда ученых было показано, что при ингибировании основного дыхательного пути углеводов процесс их окисления не прекращается, так как инициируются реакции превращения гексоз в пентозы на уровне фосфорнокислых эфиров. Эти реакции сопровождаются окислением и отщеплением от гексоз атомов углерода в виде СО₂. Такой путь окисления гексоз имеет циклический механизм и получил название пентозофосфатного пути или пентозофосфатного цикла. Как и цикл Кребса, пентозофосфатный путь окисления глюкозы инициируется в присутствии кислорода.

Все ферменты, катализирующие реакции пентозофосфатного цикла, локализованы в жидкой фазе цитоплазмы, а также в хлоропластах и пропластидах. Реакции этого цикла инициируются при усилении биосинтетических процессов, связанных с потреблением восстановленных динуклеотидов НАДФ  Н. В нефотосинтезирующих клетках реакции пентозофосфатного цикла являются основным источником этих восстановленных продуктов.

В реакции пентозофосфатного цикла включаются фосфорилированные гексозы, которые изомеризуются в глюкозо-6-фосфат. В первой реакции этого цикла под действием фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (1.1.1.49) глюкозо-6-фосфат окисляется в лактон 6-фосфоглюконовой кис-лоты. Коферментом данной дегидрогеназы служит НАДФ⁺, с помощью которого от глюкозо-6-фосфата отщепляются два электрона и два протона:

Н ОН О (1)

\ / //

С――― С―――

| | | |

Н–С–ОН │ Н–С–ОН |

| | + НАДФ⁺  | О + НАДФ  Н + Н⁺

НО–С–Н О НО–С–Н |

| | | |

Н–С–ОН  Н–С–ОН |

| | | |

Н–С――― Н–С―――

| |

СН₂ОⓅ СН₂ОⓅ

глюкозо-6-фосфат лактон 6-фосфоглюконовой

кислоты

С

О (2)

//

С――― СООН

| | | Н–С–ОН │ Н–С–ОН

| | |

НО–С–Н О + Н₂О  НО–С–Н

| | |

Н–С–ОН │ Н–С–ОН

| | |

Н–С――― Н–С–ОН

| |

СН₂ОⓅ СН₂ОⓅ

лактон 6-фосфоглюконовой 6-фосфоглюконовая

кислоты кислота

участием фермента глюконолактоназы (3.1.1.17) лактон далее превращается в 6-фосфоглюконовую кислоту:

Н

СООН СН₂ОН (3)

| |

Н–С–ОН С=О

| |

НО–С–Н + НАДФ⁺  Н–С–ОН + НАДФ  Н + Н⁺ + СО₂

| |

Н–С–ОН Н–С–ОН

| |

Н–С–ОН СН₂ОⓅ

|

СН₂ОⓅ рибулозо-5-фосфат

6-фосфоглюконовая кислота

а следующем этапе окисления от 6-фосфоглюконовой кислоты отщепляются два электрона и два протона и переносятся на НАДФ⁺ в каталитическом центре фермента фосфоглюконатдегидрогеназы (1.1.1.43). Под действием этого же фермента происходит декарбоксилирование и сопряжённое с ним -окисление из 6-фосфоглюконовой кислоты с образованием рибулозо-5-фосфата:

СООН СН₂ОН (3) (3)

| |

Н–С–ОН С=О

| |

НО–С–Н + НАДФ⁺ ¾® Н–С–ОН + НАДФ × Н + Н⁺ + СО₂

| |

Н–С–ОН Н–С–ОН

| |

Н–С–ОН СН₂ОⓅ

|

СН₂ОⓅ рибулозо-5-фосфат

6-фосфоглюконовая кислота

Для осуществления дальнейших реакций пентозофосфатного цикла необходимо окисление в рибулозо-5-фосфат ещё одной молекулы глюкозо-6-фосфата, в связи с чем реакции (1), (2) и (3) повторяются, образуя восстановленные динуклеотиды НАДФ  Н и рибулозо-5-фосфат. После этого происходит изомеризация рибулозо-5-фосфата в ксилулозо-5-фосфат под действием фермента рибулозофосфатэпимеразы и в рибозо-5-фосфат – с участием фермента рибозофосфатизомеразы:

СН₂ОН СН₂ОН Н (4,5)

| | /

С=О С=О С=О

| | |

НО–С–Н  Н–С–ОН  Н–С–ОН

| | |

Н–С–ОН Н–С–ОН Н–С–ОН

| | |

СН₂ОⓅ СН₂ОⓅ H–C–OH

|

ксилулозо-5-фосфат рибулозо-5-фосфат СН₂ОⓅ

рибозо-5-фосфат

СН₂ОН Н СН₂ОН Н (6)

| | | /

С=О С=О С=О С=О

| | | |

НО–С–Н + Н–С–ОН  НО–С–Н + Н–С–ОН

| | | |

Н–С–ОН Н–С–ОН Н–С–ОН СН₂ОⓅ

| | | 3-фосфоглицериновый

СН₂ОⓅ Н–С–ОН Н–С–ОН альдегид

| |

ксилулозо-5-фосфат СН₂ОⓅ Н–С–ОН

|

рибозо-5-фосфат СН₂ОⓅ

седогептулозо-7-фосфат

Далее вступает в действие фермент транскетолаза, который переносит концевой двууглеродный радикал с кетонной группой от ксилулозо-5-фосфата на рибозо-5-фосфат, в результате чего образуются два новых фос-фата моносахаридов – седогептулозо-7-фосфат и 3-фосфоглицериновый альдегид (реакция 6). Затем под действием фермента трансальдолазы осуществляется перенос трёхуглеродного радикала от седогептулозо-7-фосфата на 3-фосфо-глицериновый альдегид с образованием фруктозо-6-фосфата и эритрозо-4-фосфата:

СН₂ОН СН₂ОН Н (7)

| Н | /

С=О / С=О С=О

| С=О | |

НО–С–Н | НО–С–Н Н–С–ОН

| + Н–С–ОН  | + |

Н–С–ОН | Н–С–ОН Н–С–ОН

| СН₂ОⓅ | |

Н–С–ОН Н–С–ОН СН₂ОⓅ

| 3-фосфоглицери- |

Н–С–ОН новый альдегид СН₂ОⓅ эритрозо-4-фосфат

|

СН₂ОⓅ фруктозо-6 фосфат

седогептулозо-7-фосфат

О

СН₂ОН Н (8)

| /

С=О С=О

| |

НО–С–Н Н–С–ОН

|  |

Н–С–ОН НО–С–Н

| |

Н–С–ОН Н–С–ОН

| |

СН₂ОⓅ Н–С–ОН

|

фруктозо-6-фосфат СН₂ОⓅ

глюкозо-6-фосфат

бразовавшийся фруктозо-6-фосфат в следующей реакции изомеризуется в глюкозо-6-фосфат с участием фермента глюкозофосфатизомеразы:

Глюкозо-6-фосфат может снова включаться в реакции пентозофосфатного цикла, а эритрозо-4-фосфат, образовавшийся в реакции 7, взаимодействует с ксилулозо-5-фосфатом, который возникает в результате окисления и декарбоксилирования третьей молекулы глюкозо-6-фосфата. Эту реакцию катализирует транскетолаза с образованием фруктозо-6-фосфата и 3-фосфоглицеринового альдегида:

СН₂ОН Н СН₂ОН Н (9)

| / | /

С=О С=О С=О С=О

| | | |

НО–С–Н + Н–С–ОН  НО–С–Н + Н–С–ОН

| | | |

Н–С–ОН Н–С–ОН Н–С–ОН СН₂ОⓅ

| | |

СН₂ОⓅ СН₂ОⓅ Н–С–ОН 3-фосфоглицериновый

| альдегид

ксилулозо-5-фосфат эритрозо-4-фосфат СН₂ОⓅ

фруктозо-6-фосфат

О

СН₂ОⓅ (10)

Н |

/ С=О

С=О СН₂ОН |

| | НО–С–Н

Н–С–ОН + С=О ¾® |

| | Н–С–ОН

СН₂ОⓅ СН₂ОⓅ |

Н–С–ОН

3-фосфоглицери- фосфодиоксиацетон |

новый альдегид СН₂ОⓅ

фруктозо-1,6-дифосфат

бразовавшийся в реакции 9 фруктозо-6-фосфат, как и в реакции (8), изомеризуется в глюкозо-6-фосфат, а указанный цикл реакций повторяется ещё раз до образования второй молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида. В этих реакциях происходит окисление еще трёх молекул глюкозо-6-фосфата, однако две из них регенерируются из фруктозо-6-фосфата. Одна из молекул 3-фосфоглицеринового альдегида под действием фермента триозофосфатизомеразы изомеризуется в фосфодиоксиацетон, который далее взаимодействует со второй молекулой 3-фосфоглицеринового альдегида с образованием фруктозо-1,6-дифосфата. Эту реакцию катализирует фермент альдолаза:

СН₂ОⓅ СН₂ОН (11)

| |

С=О С=О

| |

НО–С–Н НО–С–Н + Н₃РО₄

| + Н₂О  |

Н–С–ОН Н–С–ОН

| |

Н–С–ОН Н–С–ОН

| |

СН₂ОⓅ СН₂ОⓅ

Фруктозо-1,6-дифосфат фруктозо-6-фосфат

П

осле этого от фруктозо-1,6-дифосфата в результате гидролиза отщепляется остаток фосфорной кислоты с образованием фруктозо-6-фос-фата (реакция 11). Полученный в данной реакции фруктозо-6-фосфат, как и в реакции (8), изомеризуется в глюкозо-6-фосфат, который может вновь включаться в реакции пентозофосфатного цикла.

Таким образом, в результате окисления шести молекул глюкозо-6-фосфата в реакциях пентозофосфатного цикла шесть раз происходит реакция декарбоксилирования с образованием шести молекул СО₂, при этом пять молекул глюкозо-6-фосфата регенерируются, поэтому фактически окислению подвергается одна молекула глюкозо-6-фосфата. При окислении каждой из шести молекул глюкозофосфата дважды прроисходят реакции дегидрирования, и в конечном итоге в них синтезируются 12 молекул восстановленных динуклеотидов НАДФ  Н. Суммарное уравнение окисления глюкозо-6-фосфата в пентозофосфатном цикле можно записать в следующем виде:

С₆Н₁₁О₆Ⓟ + 12НАДФ⁺ + 7Н₂О  6СО₂ + 12НАДФ  Н + 12Н⁺ + Н₃РО₄

В реакциях пентозофосфатного цикла не происходят процессы субстратного фосфорилирования, а синтезируемые в этом цикле восстановленные динуклеотиды НАДФ  Н довольно медленно окисляются ферментами электронтранспортной цепи митохондрий, вследствиие чего пентозофосфатный цикл не является активным источником свободной энергии для синтеза АТФ. Однако восстановленные динуклеотиды НАДФ  Н, обладая большим восстановительным потенциалом, активно используются в качестве восстановителей во многих окислительно-восстановительных реакциях, таких как синтез жирных кислот, восстановление нитритов, сульфатов, дисульфидных связей в пептидах и белках, превращение рибонуклеотидов в дезоксирибонуклеотиды и др.

В пентозофосфатном цикле осуществляется превращение гексоз в пентозы, которые могут выводиться из цикла и участвовать в различных биосинтетических процессах. Так, рибозо-5-фосфат является исходным соединением, с которого начинается синтез рибонуклеотидов, участвующих в образовании нуклеиновых кислот, макроэргических нуклеозидполифосфатов, а также коферментных группировок НАД, НАДФ, ФАД, кофермента А. Рибулозо-5-фосфат, превращаясь в рибулозо-1,5-дифосфат, участвует в процессах темновой фиксации СО₂, в которых также потребляются восстановленные динуклеотиды НАДФ  Н, синтезируемые в пентозофосфатном цикле.

У растений и бактерий пентозофосфатный цикл является также важнейшим источником эритрозо-4-фосфата для синтеза шикимовой кислоты, из которой образуются многие ароматические и фенольные соединения.

В хлоропластах реакции пентозофосфатного цикла наиболее активно проходят в темноте, поддерживая в отсутствии света необходимую концентрацию НАДФ  Н для восстановительных процессов. За счет триозофосфатов, образующихся в пентозофосфатном цикле, осуществляется также регуляция синтеза АТФ путем их превращения в 3-фосфоглицерино-вую кислоту, инициирующую реакции субстратного фосфорилирования в анаэробной стадии дыхания.

Продукты пентозофосфатного цикла фруктозо-6-фосфат, 3-фосфо-глицериновый альдегид, фосфодиоксиацетон, являясь главными субстратами дыхания, могут включаться в реакции гликолиза, поэтому между этими двумя биохимическими процессами осуществляется постоянная связь. Взаимодействие между анаэробной стадией дыхания и реакциями пентозофосфатного цикла осуществляется очень легко ещё и потому, что они локализованы в жидкой фазе цитоплазмы, в которой постоянно происходят процессы диффузии различных химических компонентов. В связи с этим очень трудно определить, какая из молекул гексозы и на каком этапе включается в реакции гликолиза или пентозофосфатного цикла. При благоприятных условиях развития растительных организмов 10–40% гексоз, окисляющихся при дыхании, подвергаются распаду через реакции пентозофосфатного цикла, а остальные – преимущественно в реакциях гликолиза и цикла Кребса.

Соотношение дыхательных реакций, реализующихся в виде гликолиза и пентозофосфатного цикла, зависит от природы клеток и их функционального состояния. Активизация реакций пентозофосфатного цикла наблюдается при дефиците влаги, затемнении растений, недостатке элементов питания, поражении инфекцией, старении, интенсификации процессов, связанных с потреблением НАДФ  Н, рибозо-5-фосфата, рибулозо-5-фос-фата и эфитрозо-4-фосфата.