V tomto článku se budeme zabývat jednou z variant oxidace glukózy – pentózofosfátovou cestou. Budou analyzovány a popsány varianty průběhu tohoto jevu, způsoby jeho realizace, potřeba enzymů, biologický význam a historie objevů.
Představujeme fenomén
Pentosa fosfátová dráha je jedním ze způsobů oxidace C6H12O6 (glukózy). Skládá se z oxidačního a neoxidačního stupně.
Obecná procesní rovnice:
3glukóza-6-fosfát+6NADP-à3CO2+6(NADPH+H-)+2fruktóza-6-fosfát+glyceraldehyd-3-fosfát.
Po průchodu oxidativní cestou pentosafosfátu se molekula hyceraldehyd-3-fosfátu přemění na pyruvát a vytvoří 2 molekuly kyseliny adenosintrifosforečné.
Zvířata a rostliny ve svých podjednotkách mají širokou distribuci tohoto jevu, ale mikroorganismy jej využívají pouze jako pomocný proces. Všechny enzymy dráhy jsou umístěny v buněčné cytoplazmě v živočišných a rostlinných organismech. Tyto látky navíc obsahují savcitaké v EPS a rostliny v plastidech, konkrétně v chloroplastech.
Pentosafosfátová cesta oxidace glukózy je podobná procesu glykolýzy a má extrémně dlouhou evoluční cestu. Pravděpodobně ve vodním prostředí Archaean, před objevením života v jeho moderním smyslu, proběhly reakce, které byly přesně pentózofosfátové povahy, ale katalyzátorem takového cyklu nebyl enzym, ale kovové ionty.
Typy stávajících reakcí
Jak již bylo zmíněno dříve, pentózofosfátová dráha rozlišuje dvě fáze neboli cykly: oxidační a neoxidační. Výsledkem je, že na oxidační části dráhy je C6H12O6 oxidován z glukóza-6-fosfátu na ribulóza-5-fosfát a nakonec je redukován NADPH. Podstatou neoxidační fáze je pomoci při syntéze pentózy a zapojit se do reverzibilní přenosové reakce 2-3 uhlíkových „kousků“. Dále může opět dojít k přechodu pentóz do stavu hexóz, což je způsobeno nadbytkem samotné pentózy. Katalyzátory zahrnuté v této dráze jsou rozděleny do 3 enzymatických systémů:
- dehydro-dekarboxylační systém;
- systém izomeračního typu;
- systém určený k rekonfiguraci cukrů.
Reakce s oxidací a bez oxidace
Oxidační část cesty je reprezentována následující rovnicí:
Glucose6fosfát+2NADP++H2Oàribulóza5fosfát+2 (NADPH+H+)+CO2.
BV neoxidačním kroku jsou dva katalyzátory ve formě transaldolázy a transketolázy. Urychlují přerušení vazby C-C a přenos uhlíkových fragmentů řetězce, které tímto přerušením vznikají. Transketolase využívá koenzym thiaminpyrofosfát (TPP), což je ester vitamínu (B1) difosforového typu.
Obecný tvar stavové rovnice v neoxidační verzi:
3 ribulóza5fosfátà1 ribóza5fosfát+2xylulóza5fosfátà2fruktóza6fosfát+glyceraldehyd3fosfát.
Oxidační variace dráhy lze pozorovat, když je NADPH buňkou používán, nebo jinými slovy, když jde do standardní polohy ve své neredukované formě.
Použití glykolýzní reakce nebo popsané cesty závisí na množství koncentrace NADP+ v tloušťce cytosolu.
Cyklus cesty
Shrneme-li výsledky získané analýzou obecné rovnice cesty neoxidační varianty, vidíme, že pentózy se mohou vrátit z hexóz na monosacharidy glukózy pomocí pentózofosfátové dráhy. Následná přeměna pentózy na hexózu je pentózofosfátový cyklický proces. Uvažovaná cesta a všechny její procesy jsou zpravidla soustředěny v tukových tkáních a játrech. Celková rovnice může být popsána jako:
6 glukóza-6-fosfát+12nadp+2H2Oà12(NADPH+H+)+5 glukóza-6-fosfát+6 CO2.
Neoxidační typ pentózofosfátové dráhy
Neoxidační krok pentózofosfátové dráhy může přeskupit glukózu bezodstranění CO2, které je možné díky enzymatickému systému (přeskupuje cukry a glykolytické enzymy, které přeměňují glukózu-6-fosfát na glyceraldehyd-3-fosfát).
Při studiu metabolismu lipidotvorných kvasinek (kterým chybí fosfofruktokináza, která jim brání oxidovat C6H12O6 monosacharidy pomocí glykolýzy) se ukázalo, že glukóza v množství 20 % podléhá oxidaci pomocí pentózofosfátové dráhy, a zbývajících 80 % prochází rekonfigurací v neoxidačním stádiu cesty. V současnosti zůstává neznámá odpověď na otázku, jak přesně vzniká 3-uhlíková sloučenina, která může vzniknout pouze během glykolýzy.
Funkce pro živé organismy
Hodnota pentózofosfátové dráhy u zvířat a rostlin, stejně jako u mikroorganismů, je téměř stejná Všechny buňky provádějí tento proces, aby vytvořily redukovanou verzi NADPH, která bude použita jako donor vodíku v reakce redukčního typu a hydroxylace. Další funkcí je poskytnout buňkám ribóza-5-fosfát. Navzdory skutečnosti, že NADPH může vznikat v důsledku oxidace malátu za vzniku pyruvátu a CO2 a v případě dehydrogenace isocitrátu dochází k tvorbě redukčních ekvivalentů v důsledku procesu pentosafosfátu. Dalším meziproduktem této dráhy je erythrose-4-fosfát, který po kondenzaci s fosfoenolpyruváty iniciuje tvorbu tryptofanů, fenylalaninů a tyrosinů.
ProvozPentozofosfátová dráha je pozorována u zvířat v orgánech jater, mléčných žláz během laktace, varlat, kůry nadledvin, jakož i v erytrocytech a tukových tkáních. To je způsobeno přítomností aktivních hydroxylačních a regeneračních reakcí, například při syntéze mastných kyselin, je také pozorována při destrukci xenobiotik v jaterních tkáních a aktivní formy kyslíku v buňkách erytrocytů a dalších tkáních. Procesy jako tyto vytvářejí vysokou poptávku po různých ekvivalentech, včetně NADPH.
Uvažujme příklad erytrocytů. V těchto molekulách je glutathion (tripeptid) zodpovědný za neutralizaci formy aktivního kyslíku. Tato sloučenina, která prochází oxidací, přeměňuje peroxid vodíku na H2O, ale zpětný přechod z glutathionu na redukovanou variaci je možný v přítomnosti NADPH+H+. Pokud má buňka defekt glukózo-6-fosfátdehydrogenázy, pak lze pozorovat agregaci promotorů hemoglobinu, v důsledku čehož erytrocyt ztrácí svou plasticitu. Jejich normální fungování je možné pouze při plném provozu pentózofosfátové dráhy.
Reverzní pentózafosfátová dráha rostliny poskytuje základ pro temnou fázi fotosyntézy. Některé skupiny rostlin jsou navíc na tomto jevu do značné míry závislé, což může způsobit např. rychlou přeměnu cukrů atd.
Úloha pentózofosfátové dráhy pro bakterie spočívá v reakcích metabolismu glukonátu. Sinice využívají tento proces na základěnedostatek úplného Krebsova cyklu. Jiné bakterie využívají tento jev k vystavení různých cukrů oxidaci.
Regulační procesy
Regulace pentózofosfátové dráhy závisí na přítomnosti poptávky po glukózo-6-fosfátu buňkou a na úrovni koncentrace NADP+ v cytosolové tekutině. Právě tyto dva faktory budou určovat, zda výše uvedená molekula vstoupí do glykolýzních reakcí nebo do dráhy typu pentózafosfátu. Absence akceptorů elektronů neumožní pokračovat v prvních krocích cesty. S rychlým převodem NADPH na NADPH+ úroveň koncentrace NADPH stoupá. Glukóza 6 fosfát dehydrogenáza je alostericky stimulována a následně zvyšuje množství toku glukóza 6 fosfátu prostřednictvím dráhy pentózofosfátového typu. Zpomalení spotřeby NADPH vede ke snížení hladiny NADP+ a glukóza-6-fosfát je likvidován.
Historická data
Pentosa fosfátová dráha začala svou výzkumnou cestu díky skutečnosti, že pozornost byla věnována nedostatečné změně spotřeby glukózy u obecných inhibitorů glykolýzy. Téměř současně s touto událostí O. Warburg objevil NADPH a začal popisovat oxidaci glukóza-6-fosfátů na 6-fosfoglukonové kyseliny. Navíc bylo prokázáno, že C6H12O6, označený izotopy 14C (označené podle C-1), se přeměnil na 14CO2 relativně rychleji než toto je stejná molekula, ale označená C-6. Právě to ukázalo důležitost procesu využití glukózy běhempomoc s alternativními trasami. Tyto údaje zveřejnil I. K. Gansalus v roce 1995.
Závěr
A tak vidíme, že uvažovanou dráhu využívají buňky jako alternativní způsob oxidace glukózy a dělí se na dvě možnosti, kterými může postupovat. Tento jev je pozorován u všech forem mnohobuněčných organismů a dokonce i u mnoha mikroorganismů. Volba oxidačních metod závisí na různých faktorech, přítomnosti určitých látek v buňce v době reakce.
