9.3.6. Пентозофосфатный цикл

В 1935-38 г.г. исследованиями ряда учёных 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, которые 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 реакции цикла 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.

Повышение концентрации окисленной формы динуклеотидов НАДФ⁺ вызывает активацию дегидрогеназ, катализирующих ключевые реакции пентозофосфатного цикла. Кроме того, промежуточный продукт пентозофосфатного цикла 6-фосфоглюконовая кислота ингибирует фермент фосфофруктокиназу, инициирующий реакции гликолиза, что способствует переводу дыхательного процесса на пентозофосфатный путь окисления гексоз.

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 2 электрона и 2 протона:

Н ОН О (1)

\ / //

С--------- С--------

| | | Н–С–ОН | Н–С–ОН |

| О + НАДФ⁺  | О + НАДФН+ Н⁺

НО–С–Н | НО–С–Н |

| | |

Н–С–ОН Н–С–ОН |

| | |

Н–С--------- Н–С-------

| |

СН₂О Р СН₂О Р

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 Р СН₂О Р

лактон 6-фосфоглюконовой 6-фосфоглюконовая

кислоты кислота

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

На следующем этапе окисления от 6-фосфоглюконовой кислоты отщепляются 2 электрона и 2 протона и переносятся на НАДФ⁺ в каталитическом центре фермента фосфоглюконатдегидрогеназы (1.1.1.43) и под действием этого же фермента происходит отщепление СО₂ от карбоксильной группы 6-фосфоглюконовой кислоты. Установлено, что для проявления каталитической активности этого фермента необходимо присутствие катионов Мn²⁺. В результате декарбоксилирования и сопряжённого с ним -окисления из 6-фосфоглюконовой кислоты образуется рибулозо-5-фосфат:

СОО Н 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 Р

|

СН₂О Р рибулозо-5-фосфат

6-фосфоглюконовая кислота

Д

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 Р СН₂О Р H–C–OH

|

ксилулозо-5-фосфат рибулозо-5-фосфат СН₂О Р

рибозо-5-фосфат

ля 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:

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 фосфата моносахаридов – седогептулозо-7-фосфат и 3-фосфоглицери-новый альдегид:

СН₂ОН СН₂ОН Н (6)

| | /

С=О Н С=О С=О

| + |  |  |

НО–С–Н С=О НО–С–Н Н–С–ОН

| | | |

Н–С–ОН Н–С–ОН Н–С–ОН СН₂О Р

| | | 3-фосфоглице-

СН₂О Р Н–С–ОН Н–С–ОН риновый альдегид

| |

ксилулозо-5-фосфат Н–С–ОН Н–С–ОН

| |

СН₂О Р СН₂О Р

рибозо-5-фосфат седогептулозо-7-

фосфат

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 Р | |

Н–С–ОН 3-фосфоглицери- Н–С–ОН СН₂О Р

| новый альдегид | эритрозо-4-фосфат

Н–С–ОН СН₂О Р

| фруктозо-6 фосфат

СН₂О Р

седогептулозо-7-

фосфат

СН₂ОН 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 Р Н–С–ОН

фруктозо-6-фосфат |

СН₂О Р

глюкозо-6-фосфат

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

Г

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 Р

| | | 3-фосфоглице-

СН₂О Р СН₂О Р Н–С–ОН риновый аль-

ксилулозо-5-фосфат эритрозо-4- | дегид

фосфат СН₂О Р

фруктозо-6-фосфат

люкозо-6-фосфат может снова включаться в реакции пентозофосфатного цикла, а эритрозо-4-фосфат, полученный 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:

О

Н СН₂О Р (10)

/ |

С=О СН₂ОН С=О

| + |  |

Н–С–ОН С=О НО–С–Н

| | | СН₂О Р СН₂О Р Н–С–ОН

3-фосфоглицери- фосфоди- |

новый альдегид оксиацетон Н–С–ОН

|

СН₂О Р

фруктозо-1,6-дифосфат

бразовавшийся в реакции 9 фруктозо-6-фосфат так же, как и в реакции 8, изомеризуется в глюкозо-6-фосфат, а цикл реакций, указанный выше, повторяется ещё раз до образования второй молекулы 3-фосфо-глицеринового 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-фосфо-глицеринового альдегида с образованием фруктозо-1,6-дифосфата. Эту реакцию катализирует фермент альдолаза:

П

СН₂О Р СН₂ОН (11)

| |

С=О С=О

| |

НО–С–Н + Н₂О  НО–С–Н + Н₃РО₄

| |

Н–С–ОН Н–С–ОН

| |

Н–С–ОН Н–С–ОН

| |

СН₂О Р СН₂О Р

фруктозо-1,6-

дифосфат фруктозо-6-фосфат

осле этого от фруктозо-1,6-дифосфата в результате гидролиза отщепляется остаток фосфорной кислоты с образованием фруктозо-6-фосфата:

Полученный в данной реакции фруктозо-6-фосфат, как и в реакции 8, изомеризуется в глюкозо-6-фосфат, который вновь может 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 5 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– Р + 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 обладают большим восстановительным потенциалом по сравнению с НАДН, в связи с чем 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, синтезированные 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 необходимый уровень НАДФН для восстановительных процессов. А поддержание определённого уровня АТФ осуществляется за счет триозофосфатов, образующихся в пентозофосфатном цикле, которые превращаются в 3-фосфо-глицериновую кислоту, инициирующую реакции субстратного фосфорилирования.

Следует отметить, что в пентозофосфатном цикле синтезируются промежуточные метаболиты, которые могут включаться также в реакции гликолиза (фруктозо-6-фосфат, 3-фосфоглицериновый альдегид, фосфодиоксиацетон), поэтому между этими двумя дыхательными путями осуществляется постоянная связь. Взаимодействие между гликолизом 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.

В анаэробных условиях реакции цикла Кребса и пентозофосфатного цикла ингибируются и дыхание в основном осуществляется через гликолиз. 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-фосфата, эфитрозо-4-фосфата.