Ebben a cikkben a glükóz-oxidáció egyik változatát, a pentóz-foszfát útvonalat fogjuk megvizsgálni. Elemezzük és ismertetjük e jelenség lefolyásának változatait, megvalósításának módszereit, az enzimszükségletet, biológiai jelentőségét és a felfedezés történetét.
A jelenség bemutatása
A pentóz-foszfát útvonal a C6H12O6 (glükóz) oxidációjának egyik módja. Oxidáló és nem oxidáló szakaszból áll.
Általános folyamategyenlet:
3glükóz-6-foszfát+6NADP-à3CO2+6(NADPH+H-)+2fruktóz-6-foszfát+gliceraldehid-3-foszfát.
Az oxidatív pentóz-foszfát útvonalon való áthaladás után a hiceraldehid-3-foszfát molekula piruváttá alakul, és 2 molekula adenozin-trifoszforsavvá alakul.
Az állatok és növények alegységeik között széles körben elterjedt ez a jelenség, de a mikroorganizmusok csak segédfolyamatként használják. Az útvonal összes enzime a sejt citoplazmájában található állati és növényi szervezetekben. Ezenkívül az emlősök tartalmazzák ezeket az anyagokataz EPS-ben is, és a plasztidokban lévő növények, különösen a kloroplasztiszokban.
A glükóz oxidációjának pentóz-foszfát útja hasonló a glikolízis folyamatához, és rendkívül hosszú az evolúciós útja. Valószínűleg az archeus vízi környezetében, az élet mai értelemben vett megjelenése előtt, pontosan pentóz-foszfát jellegű reakciók zajlottak le, de egy ilyen ciklus katalizátora nem egy enzim, hanem fémionok volt.
A meglévő reakciók típusai
Amint korábban megjegyeztük, a pentóz-foszfát-útvonal két szakaszt vagy ciklust különböztet meg: oxidatív és nem oxidatív. Ennek eredményeként az út oxidatív részén a C6H12O6 glükóz-6-foszfátból ribulóz-5-foszfáttá oxidálódik, végül a NADPH redukálódik. A nem oxidatív szakasz lényege, hogy segítse a pentóz szintézisét, és bekapcsolódjon a 2-3 szén „darab” reverzibilis transzfer reakciójába. Továbbá a pentózok újra hexóz állapotba kerülhetnek, amit maga a pentóz felesleg okoz. Az ebben a folyamatban részt vevő katalizátorok 3 enzimrendszerre oszlanak:
- dehidro-dekarboxilező rendszer;
- izomerizáló típusú rendszer;
- a cukrok újrakonfigurálására tervezett rendszer.
Reakciók oxidációval és anélkül
Az út oxidatív részét a következő egyenlet reprezentálja:
Glükóz-6foszfát+2NADP++H2Oàribulóz-5-foszfát+2 (NADPH+H+)+CO2.
BA nem oxidatív lépésben két katalizátor van, transzaldoláz és transzketoláz formájában. Felgyorsítják a C-C kötés felszakadását és a lánc e szakadás eredményeként képződő széndarabjainak átvitelét. A transzketoláz a koenzim-tiamin-pirofoszfátot (TPP) hasznosítja, amely egy difoszfor típusú vitamin-észter (B1).
A szakaszegyenlet általános formája a nem oxidatív változatban:
3 ribulóz-5foszfát-1 ribóz-5-foszfát+2 xilulóz-5-foszfát-2-fruktóz-6-foszfát+gliceraldehid-3-foszfát.
Az útvonal oxidatív változása akkor figyelhető meg, ha a sejt NADPH-t használ, vagy más szóval, amikor redukálatlan formájában a standard pozícióba kerül.
A glikolízis reakció vagy a leírt útvonal alkalmazása a citoszol vastagságában lévő NADP koncentrációtól függ+.
Útvonal ciklus
A nem oxidatív variáns útvonal általános egyenletének elemzése során kapott eredményeket összegezve azt látjuk, hogy a pentózok a hexózokból a pentóz-foszfát útvonal segítségével visszatérhetnek a glükóz monoszacharidokká. A pentóz ezt követő átalakulása hexózzá a pentóz-foszfát ciklikus folyamat. A vizsgált út és annak összes folyamata általában a zsírszövetekben és a májban koncentrálódik. A teljes egyenlet a következőképpen írható le:
6 glükóz-6-foszfát+12nadp+2H2Oà12(NADPH+H+)+5 glükóz-6-foszfát+6 CO2.
Nem oxidatív típusú pentóz-foszfát útvonal
A pentóz-foszfát útvonal nem oxidatív lépése átrendezheti a glükózt anélkül, hogyCO2 eltávolítása, ami az enzimrendszernek köszönhetően lehetséges (átrendezi a cukrokat és a glikolitikus enzimeket, amelyek a glükóz-6-foszfátot glicerinaldehid-3-foszfáttá alakítják).
A lipidképző élesztőgombák metabolizmusának tanulmányozása során (amelyből hiányzik a foszfofruktokináz, ami megakadályozza őket abban, hogy glikolízissel oxidálják a C6H12O6 monoszacharidokat) kiderült, hogy a glükóz 20%-a oxidáción megy keresztül a pentóz, phos és phate útvonalon. a fennmaradó 80% az útvonal nem oxidatív szakaszában újrakonfigurálódik. Arra a kérdésre, hogy pontosan hogyan keletkezik egy 3 szénatomos vegyület, amely csak glikolízis során jöhet létre, jelenleg még ismeretlen a válasz.
Funkció élő szervezetek számára
A pentóz-foszfát útvonal értéke állatokban és növényekben, valamint mikroorganizmusokban szinte azonos. Minden sejt végrehajtja ezt a folyamatot annak érdekében, hogy a NADPH redukált változatát képezze, amelyet hidrogéndonorként használnak fel redukciós típusú reakció és hidroxilezés. Egy másik funkció a sejtek ribóz-5-foszfáttal való ellátása. Annak ellenére, hogy NADPH képződhet a malát oxidációja során piruvát és CO2 képződésével, illetve izocitrát dehidrogénezése esetén, a pentóz-foszfát folyamat következtében reduktív ekvivalensek képződnek. Ennek az útnak egy másik köztes terméke az eritróz-4-foszfát, amely a foszfoenolpiruvátokkal kondenzálva megindítja a triptofánok, fenilalaninok és tirozinok képződését.
MűveletA pentóz-foszfát útvonalat állatokban figyelik meg a máj szerveiben, az emlőmirigyekben a laktáció alatt, a herékben, a mellékvesekéregben, valamint a vörösvértestekben és a zsírszövetekben. Ennek oka az aktív hidroxilezési és regenerációs reakciók jelenléte, például a zsírsavak szintézise során, a xenobiotikumok májszövetekben és az aktív oxigénforma vörösvértestekben és más szövetekben történő elpusztulása során is megfigyelhető. Az ehhez hasonló folyamatok nagy keresletet generálnak számos ekvivalens iránt, beleértve a NADPH-t is.
Vegyük a vörösvértestek példáját. Ezekben a molekulákban a glutation (tripeptid) felelős az aktív oxigénforma semlegesítéséért. Ez a vegyület, amely oxidáción megy keresztül, a hidrogén-peroxidot H2O-vá alakítja, de a glutationról a redukált variációra fordított átmenet lehetséges NADPH+H+ jelenlétében. Ha a sejt glükóz-6-foszfát dehidrogenáz hibás, akkor a hemoglobin promóterek aggregációja figyelhető meg, aminek következtében az eritrocita elveszti plaszticitását. Normális működésük csak a pentóz-foszfát-útvonal teljes működésével lehetséges.
A növény fordított pentóz-foszfát-útvonala adja az alapot a fotoszintézis sötét fázisához. Ezenkívül egyes növénycsoportok nagymértékben függenek ettől a jelenségtől, ami például a cukrok gyors egymásba való átalakulását okozhatja, stb.
A pentóz-foszfát-útvonal szerepe a baktériumok számára a glükonát-anyagcsere reakcióiban rejlik. A cianobaktériumok ezt a folyamatot használják fela teljes Krebs-ciklus hiánya. Más baktériumok kihasználják ezt a jelenséget, hogy különféle cukrokat oxidációnak tegyenek ki.
Szabályozási eljárások
A pentóz-foszfát útvonal szabályozása a sejt glükóz-6-foszfát iránti igényétől és a NADP+ citoszolfolyadékban való koncentrációjától függ. Ez a két tényező határozza meg, hogy a fent említett molekula glikolízis reakciókba vagy a pentóz-foszfát típusú reakcióba lép-e be. Az elektronakceptorok hiánya nem teszi lehetővé az út első lépéseit. A NADPH gyors átvitelével a NADPH+-ra az utóbbi koncentrációja emelkedik. A glükóz-6-foszfát-dehidrogenáz alloszterikusan stimulált, és ennek következtében a pentóz-foszfát típusú útvonalon keresztül növeli a glükóz-6-foszfát-fluxus mennyiségét. A NADPH fogyasztásának lassítása a NADP+ szintjének csökkenéséhez vezet, és a glükóz-6-foszfát megsemmisül.
Történelmi adatok
A pentóz-foszfát út azért indult kutatási útjára, mert figyelmet fordítottak arra, hogy az általános glikolízis-gátlók nem változtatják a glükózfogyasztást. Ezzel az eseménnyel csaknem egy időben O. Warburg felfedezte a NADPH-t, és elkezdte leírni a glükóz-6-foszfátok 6-foszfoglükonsavvá történő oxidációját. Ezenkívül bebizonyosodott, hogy a 14C izotópokkal jelölt C6H12O6 (C-1 szerint jelölve) viszonylag gyorsabban átalakult 14CO2-vé, mint ez ugyanaz a molekula, de C-6 jelzéssel. Ez mutatta meg a glükóz hasznosítás folyamatának fontosságát alternatív útvonalak segítése. Ezeket az adatokat I. K. Gansalus 1995-ben.
Következtetés
És tehát azt látjuk, hogy a vizsgált útvonalat a sejtek a glükóz oxidációjának alternatív módjaként használják, és két lehetőségre oszlik, amelyekben továbbhaladhat. Ez a jelenség a többsejtű élőlények minden formájánál, sőt számos mikroorganizmusnál is megfigyelhető. Az oxidációs módszerek megválasztása számos tényezőtől függ, bizonyos anyagok jelenlététől a sejtben a reakció időpontjában.
