Szlak pentozofosforanowy

Szlak pentozofosforanowy (szlak heksozomonofosforanowy, szlak fosfoglukonianowy, cykl pentozofosforanowy) – ciąg reakcji biochemicznych, podczas których glukozo-6-fosforan jest utleniany do rybulozo-5-fosforanu oraz wytwarzany jest NADPH. Głównym celem jest dostarczanie komórce NADPH niezbędnego do przeprowadzania reakcji redukcji w cytoplazmie oraz synteza pentoz.

Reakcje szlaku zachodzą w cytozolu, przede wszystkim tkanki tłuszczowej, gruczołów mlekowych, wątroby, erytrocytów, jąder i kory nadnerczy oraz cytoplazmie i plastydach komórek roślinnych. Opisane poniżej reakcje nazywane są oksydacyjnym szlakiem pentozofosforanowym. Te same enzymy wykorzystywane są w szlaku określanym jako redukcyjny szlak pentozofosforanowy, służącym do odtworzenia z aldehydu fosfoglicerynowego rybulozo-1,5-bisfosforanu w fazie regeneracyjnej cyklu Calvina, zachodzącej w fotosyntetyzujących komórkach roślinnych. Wykorzystanie tych samych enzymów w cyklach reakcji o różnym efekcie końcowym pokazuje swoistą oszczędność ewolucji.

Sumaryczna reakcja szlaku:

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

Przebieg szlaku

W przebiegu szlaku pentozofosforanowego można wyróżnić dwie fazy. Pierwsza – faza oksydacyjna, podczas której powstaje NADPH oraz druga – faza nieoksydacyjna, podczas której powstają pentozy oraz cukry o 3, 4 i 7 atomach węgla.

Faza oksydacyjna

Podczas tej fazy glukozo-6-fosforan zostaje przekształcony w rybulozo-5-fosforan. Jednocześnie dwie cząsteczki NADP⁺ zostają zredukowanie do NADPH+H⁺.

Faza oksydacyjna szlaku pentozofosforanowego

Reakcje fazy oksydacyjnej

Substraty	Produkty	Enzym	Opis
Glukozo-6-fosforan + NADP+	→ 6-fosfoglukono-δ-lakton + NADPH+H+	dehydrogenaza glukozo-6-fosforanowa	Utlenienie. Grupa hydroksylowa przy węglu 1 zostaje przekształcona w grupę ketonową, jednocześnie powstaje NADPH+H+.
6-fosfoglukono-δ-lakton + H2O	→ 6-fosfoglukonian + H+	6-glukonolaktonaza	Hydroliza
6-fosfoglukonian + NADP+	→ rybulozo-5-fosforan + NADPH+H+ + CO2	dehydrogenaza 6-fosfoglukonianowa	Oksydacyjna dekarboksylacja. Przyjmując elektron NADP+ przekształca się w następną cząsteczkę NADPH+H+. Jednocześnie 6-węglowy łańcuch zostaje skrócony do 5-węglowego.

Faza nieoksydacyjna

Podczas tej fazy rybulozo-5-fosforan zostaje przekształcony w rybozo-5-fosforan lub ulega wieloetapowym przekształceniom w metabolity glikolizy.

Faza nieoksydacyjna szlaku pentozofosforanowego

Reakcje fazy nieoksydacyjnej

Substraty	Produkty	Enzym	Opis
rybulozo-5-fosforan	→ rybozo-5-fosforan	izomeraza pentozofosforanowa	izomeryzacja
rybulozo-5-fosforan	→ ksylulozo-5-fosforan	epimeraza pentozofosforanowa	epimeryzacja
ksylulozo-5-fosforan + rybozo-5-fosforan	→ aldehyd 3-fosfoglicerynowy + sedoheptulozo-7-fosforan	transketolaza
sedoheptulozo-7-fosforan + aldehyd 3-fosfoglicerynowy	→ erytrozo-4-fosforan + fruktozo-6-fosforan	transaldolaza
ksylulozo-5-fosforan + erytrozo-4-fosforan	→ aldehyd 3-fosfoglicerynowy + fruktozo-6-fosforan	transketolaza

Reakcje tego etapu są odwracalne. Jeśli zapotrzebowanie w komórce na NADPH jest większe niż na rybozo-5-fosforan, zostaje on przekształcony we fruktozo-6-fosforan i aldehyd 3-fosfoglicerynowy, które są metabolitami glikolizy, zgodnie z przedstawionymi reakcjami. Jeśli natomiast zapotrzebowanie na rybozo-5-fosforan jest znacznie większe niż na NADPH, transketolaza i transaldolaza przekształcają fruktozo-6-fosforan i aldehyd 3-fosfoglicerynowy, pobrane z glikolizy, w rybozo-5-fosforan.

Funkcje w metabolizmie

Szlak pentozofosforanowy spełnia kilka funkcji w metabolizmie komórek:

1. Rybozo-5-fosforan jest wykorzystywany do syntezy nukleotydów budujących RNA oraz jest prekursorem deoksyrybozy wchodzącej w skład nukleotydów budujących DNA
2. NADPH służy jako reduktor w wielu reakcjach biosyntezy zachodzących w cytozolu. Bierze udział w syntezie steroidów w komórkach nadnerczy, jąder i jajników oraz w syntezie kwasów tłuszczowych w komórkach wątroby, tkance tłuszczowej i gruczołach mlecznych (w czasie laktacji, ponieważ poza okresem laktacji gruczoły mleczne przeprowadzają szlak pentozofosforanowy w niewielkim stopniu).
3. W krwinkach czerwonych, nieposiadających mitochondriów, jest jedynym sposobem na wytworzenie siły redukcyjnej w postaci NADPH niezbędnej do redukowania glutationu i ochrony komórki w stresie oksydacyjnym.
4. W komórkach roślinnych erytrozo-4-fosforan bierze udział w syntezie aminokwasów aromatycznych, lignin, związków fenolowych i flawonoidów.
5. W warunkach wysokiego zapotrzebowania na siłę redukcyjną (NADPH) i ATP zwiększa produkcję metabolitów glikolizy, zwiększając wydajność tego procesu.

Szlak pentozofosforanowy a malaria

Zauważono, że genetycznie uwarunkowany niedobór dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej występuje znacznie częściej u Amerykanów pochodzenia afrykańskiego (11%) niż Amerykanów pochodzących z innych kontynentów. Zostało wykazane, że niedobór enzymu szlaku pentozofosforanowego jest czynnikiem chroniącym przed malarią. Pasożyt – Plasmodium falciparum – wywołujący chorobę do rozwoju potrzebuje glutationu, będącego metabolitem opisanego powyżej szlaku^[1].

Zobacz też

• stres oksydacyjny
• malaria

Przypisy

1. Pentose Phosphate Pathway.

Bibliografia

• Metabolizm węglowodanów. W: B.D.Hames, N.M.Hooper: Krótkie wykłady. Biochemia. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2004. Brak numerów stron w książce
• Szlak pentozofosforanowy oraz inne szlaki przemian heksoz. W: R. K. Murray, D. K. Granner, V. W. Rodwell: Biochemia Harpera. Warszawa: PZWL, 2015.
• Szlak pentozofosforanowy i glukoneogeneza. W: Lubert Stryer: Biochemia. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1997. ISBN 83-01-12044-4. Brak numerów stron w książce
• Szlak pentozofosforanowy. W: Edward Bańkowski: Biochemia. Podręcznik dla studentów uczelni medycznych. Wrocław: Wydawnictwo Medyczne Urban & Partner, 2004. ISBN 83-89581-10-8. Brak numerów stron w książce

Encyklopedie internetowe (proces biologiczny):

• Britannica: science/phosphogluconate-pathway