Šajā rakstā mēs aplūkosim vienu no glikozes oksidācijas variantiem – pentozes fosfāta ceļu. Tiks analizēti un aprakstīti šīs parādības gaitas varianti, īstenošanas metodes, fermentu nepieciešamība, bioloģiskā nozīme un atklāšanas vēsture.
Iepazīstinām ar fenomenu
Pentozes fosfāta ceļš ir viens no veidiem, kā tiek oksidēts C6H12O6 (glikoze). Sastāv no oksidējošās un neoksidējošās pakāpes.
Vispārējais procesa vienādojums:
3glikozes-6-fosfāts+6NADP-à3CO2+6(NADPH+H-)+2fruktoze-6-fosfāts+gliceraldehīds-3-fosfāts.
Pēc tam, kad hiceraldehīda-3-fosfāta molekula tiek izieta caur oksidatīvo pentozes fosfāta ceļu, tā tiek pārvērsta par piruvātu un veido 2 adenozīna trifosfāta molekulas.
Dzīvniekiem un augiem starp to apakšvienībām šī parādība ir plaši izplatīta, bet mikroorganismi to izmanto tikai kā palīgprocesu. Visi ceļa fermenti atrodas šūnu citoplazmā dzīvnieku un augu organismos. Turklāt zīdītāji satur šīs vielasarī EPS un augi plastidos, īpaši hloroplastos.
Pentozes fosfāta glikozes oksidācijas ceļš ir līdzīgs glikolīzes procesam, un tam ir ārkārtīgi garš evolūcijas ceļš. Iespējams, Arhejas ūdens vidē pirms dzīvības parādīšanās tās mūsdienu izpratnē notika reakcijas, kurām bija tieši pentozes fosfāts, taču šāda cikla katalizators bija nevis ferments, bet gan metālu joni.
Esošo reakciju veidi
Kā minēts iepriekš, pentozes fosfāta ceļš izšķir divus posmus jeb ciklus: oksidatīvo un neoksidatīvo. Rezultātā ceļa oksidatīvajā daļā C6H12O6 tiek oksidēts no glikozes-6-fosfāta par ribulozes-5-fosfātu, un visbeidzot tiek reducēts NADPH. Neoksidatīvās stadijas būtība ir palīdzēt pentozes sintēzei un iekļauties 2-3 oglekļa “gabalu” atgriezeniskā pārneses reakcijā. Turklāt var atkal notikt pentožu pāreja uz heksozes stāvokli, ko izraisa pašas pentozes pārpalikums. Šajā ceļā iesaistītie katalizatori ir sadalīti 3 enzīmu sistēmās:
- dehidrodekarboksilēšanas sistēma;
- izomerizējošā tipa sistēma;
- sistēma, kas paredzēta cukuru pārkonfigurēšanai.
Reakcijas ar un bez oksidācijas
Ceļa oksidatīvā daļa ir attēlota ar šādu vienādojumu:
Glikozes6fosfāts+2NADP++H2Oàribuloze5fosfāts+2 (NADPH+H+)+CO2.
BNeoksidatīvajā posmā ir divi katalizatori transaldolāzes un transketolāzes formā. Tie paātrina C-C saites pārraušanu un ķēdes oglekļa fragmentu pārnešanu, kas veidojas šī pārtraukuma rezultātā. Transketolāze izmanto koenzīmu tiamīna pirofosfātu (TPP), kas ir difosfora tipa vitamīna esteris (B1).
Posma vienādojuma vispārīgā forma neoksidatīvajā versijā:
3 riboze5fosfātsà1 riboze5fosfāts+2 ksiluloze5fosfātsà2 fruktoze6fosfāts+gliceraldehīds3fosfāts.
Ceļa oksidatīvās izmaiņas var novērot, kad šūna izmanto NADPH vai, citiem vārdiem sakot, kad tā nonāk standarta pozīcijā nesamazinātā formā.
Glikolīzes reakcijas vai aprakstītā ceļa izmantošana ir atkarīga no NADP koncentrācijas daudzuma+ citozola biezumā.
Ceļa cikls
Apkopojot rezultātus, kas iegūti neoksidatīvā varianta ceļa vispārējā vienādojuma analīzē, redzam, ka pentozes var atgriezties no heksozēm uz glikozes monosaharīdiem, izmantojot pentozes fosfāta ceļu. Sekojošā pentozes pārvēršana heksozē ir pentozes fosfāta ciklisks process. Aplūkojamais ceļš un visi tā procesi, kā likums, ir koncentrēti taukaudos un aknās. Kopējo vienādojumu var aprakstīt šādi:
6 glikozes-6-fosfāts+12nadp+2H2Oà12(NADPH+H+)+5 glikoze-6-fosfāts+6 CO2.
Neoksidatīvs pentozes fosfāta ceļš
Pentozes fosfāta ceļa neoksidatīvais posms var pārkārtot glikozi bezCO2 izvadīšana, kas iespējama fermentatīvās sistēmas dēļ (pārkārto cukurus un glikolītiskos enzīmus, kas pārvērš glikozes-6-fosfātu par gliceraldehīda-3-fosfātu).
Pētot lipīdus veidojošo rauga sēnīšu metabolismu (kuriem trūkst fosfofruktokināzes, kas neļauj tiem oksidēt C6H12O6 monosaharīdus, izmantojot glikolīzi), atklājās, ka glikoze 20% apjomā tiek oksidēta, izmantojot pentozes ceļu, fosforu. atlikušie 80% tiek pārkonfigurēti ceļa neoksidatīvajā stadijā. Šobrīd atbilde uz jautājumu, kā tieši veidojas 3 oglekļa savienojums, kas var rasties tikai glikolīzes laikā, paliek nezināma.
Funkcija dzīviem organismiem
Pentozes fosfāta ceļa vērtība dzīvniekos un augos, kā arī mikroorganismos ir gandrīz vienāda. Visas šūnas veic šo procesu, lai izveidotu samazinātu NADPH versiju, kas tiks izmantota kā ūdeņraža donors reducēšanas tipa reakcija un hidroksilēšana. Vēl viena funkcija ir nodrošināt šūnas ar ribozes-5-fosfātu. Neskatoties uz to, ka NADPH var veidoties malāta oksidēšanās rezultātā, radot piruvātu un CO2, un izocitrāta dehidrogenēšanas gadījumā, pentozes fosfāta procesa dēļ rodas reducējoši ekvivalenti. Vēl viens šī ceļa starpprodukts ir eritrozes-4-fosfāts, kas, kondensējoties ar fosfoenolpiruvātiem, ierosina triptofānu, fenilalanīnu un tirozīnu veidošanos.
DarbībaDzīvniekiem pentozes fosfāta ceļu novēro aknu orgānos, piena dziedzeros laktācijas laikā, sēkliniekos, virsnieru garozā, kā arī eritrocītos un taukaudos. Tas ir saistīts ar aktīvo hidroksilēšanas un reģenerācijas reakciju klātbūtni, piemēram, taukskābju sintēzes laikā, tiek novērota arī ksenobiotiku iznīcināšanas laikā aknu audos un aktīvā skābekļa forma eritrocītu šūnās un citos audos. Šādi procesi rada lielu pieprasījumu pēc dažādiem ekvivalentiem, tostarp NADPH.
Apskatīsim eritrocītu piemēru. Šajās molekulās glutations (tripeptīds) ir atbildīgs par aktīvās skābekļa formas neitralizāciju. Šis savienojums, kas tiek oksidēts, pārvērš ūdeņraža peroksīdu par H2O, bet NADPH+H+ klātbūtnē ir iespējama apgrieztā pāreja no glutationa uz samazinātu variāciju. Ja šūnā ir glikozes-6-fosfātdehidrogenāzes defekts, tad var novērot hemoglobīna promotoru agregāciju, kā rezultātā eritrocīts zaudē plastiskumu. To normāla darbība ir iespējama tikai tad, ja pilnībā darbojas pentozes fosfāta ceļš.
Augu apgrieztais pentozes fosfāta ceļš nodrošina pamatu fotosintēzes tumšajai fāzei. Turklāt dažas augu grupas ir lielā mērā atkarīgas no šīs parādības, kas var izraisīt, piemēram, strauju cukuru savstarpēju pārvēršanos utt.
Pentozes fosfāta ceļa loma baktērijām ir glikonāta metabolisma reakcijās. Cianobaktērijas izmanto šo procesu, pamatojoties uzpilna Krebsa cikla trūkums. Citas baktērijas izmanto šo parādību, lai pakļautu dažādu cukuru oksidēšanai.
Regulēšanas procesi
Pentozes fosfāta ceļa regulēšana ir atkarīga no šūnas pieprasījuma pēc glikozes-6-fosfāta un NADP+ koncentrācijas līmeņa citozola šķidrumā. Tieši šie divi faktori noteiks, vai iepriekšminētā molekula iekļūs glikolīzes reakcijās vai pentozes fosfāta tipa ceļā. Elektronu akceptoru trūkums neļaus veikt pirmos ceļa soļus. Strauji pārnesot NADPH uz NADPH+, pēdējā koncentrācijas līmenis paaugstinās. Glikozes 6 fosfāta dehidrogenāze tiek alosteriski stimulēta un tādējādi palielina glikozes 6 fosfāta plūsmas daudzumu caur pentozes fosfāta veidu. NADPH patēriņa palēnināšanās noved pie NADP+ līmeņa pazemināšanās, un glikozes-6-fosfāts tiek likvidēts.
Vēstures dati
Pentozes fosfāta ceļš sāka savu pētniecības ceļu, jo tika pievērsta uzmanība tam, ka vispārējie glikolīzes inhibitori nemainīja glikozes patēriņu. Gandrīz vienlaikus ar šo notikumu O. Vorburgs atklāja NADPH un sāka aprakstīt glikozes-6-fosfātu oksidēšanu par 6-fosfoglikonskābēm. Turklāt tika pierādīts, ka C6H12O6, kas apzīmēts ar izotopiem 14C (apzīmēts pēc C-1), salīdzinoši ātrāk pārvērtās par 14CO2. šī ir tā pati molekula, bet marķēta ar C-6. Tas ir tas, kas parādīja glikozes izmantošanas procesa nozīmi laikā alternatīvu maršrutu palīdzība. Šos datus publicēja I. K. Gansalus 1995. gadā.
Secinājums
Tā mēs redzam, ka aplūkojamo ceļu šūnas izmanto kā alternatīvu glikozes oksidēšanas veidu, un tas ir sadalīts divās iespējās. Šī parādība tiek novērota visās daudzšūnu organismu formās un pat daudzos mikroorganismos. Oksidācijas metožu izvēle ir atkarīga no dažādiem faktoriem, noteiktu vielu klātbūtnes šūnā reakcijas brīdī.
