In diesem Artikel betrachten wir eine der Varianten der Glukoseoxidation - den Pentosephosphatweg. Varianten des Verlaufs dieses Phänomens, Methoden zu seiner Umsetzung, der Bedarf an Enzymen, biologische Bedeutung und die Entdeckungsgeschichte werden analysiert und beschrieben.
Einführung in das Phänomen
Der Pentosephosphatweg ist einer der Wege, auf denen C6H12O6 (Glukose) oxidiert wird. Besteht aus einer oxidierenden und einer nicht oxidierenden Stufe.
Allgemeine Prozessgleichung:
3Glucose-6-Phosphat+6NADP-à3CO2+6(NADPH+H-)+2Fructose-6-phosphat+Glycerinaldehyd-3-phosphat.
Nachdem es den oxidativen Pentosephosphatweg durchlaufen hat, wird das Hyceraldehyd-3-Phosphat-Molekül in Pyruvat umgewandelt und bildet 2 Moleküle Adenosintriphosphorsäure.
Tiere und Pflanzen unter ihren Untereinheiten haben eine weite Verbreitung dieses Phänomens, aber Mikroorganismen nutzen es nur als Hilfsprozess. Alle Enzyme des Signalwegs befinden sich im zellulären Zytoplasma tierischer und pflanzlicher Organismen. Darüber hinaus enth alten Säugetiere diese Substanzenauch in EPS und Pflanzen in Plastiden, speziell in Chloroplasten.
Der Pentosephosphatweg der Glukoseoxidation ähnelt dem Prozess der Glykolyse und hat einen extrem langen Evolutionsweg. Wahrscheinlich traten in der aquatischen Umwelt der Archäen vor dem Erscheinen des Lebens im modernen Sinne Reaktionen auf, die genau Pentosephosphat-Natur waren, aber der Katalysator für einen solchen Zyklus war kein Enzym, sondern Metallionen.
Arten bestehender Reaktionen
Wie bereits erwähnt, unterscheidet der Pentosephosphatweg zwei Stufen oder Zyklen: oxidativ und nicht-oxidativ. Als Ergebnis wird auf dem oxidativen Teil des Weges C6H12O6 von Glucose-6-Phosphat zu Ribulose-5-Phosphat oxidiert und schließlich NADPH reduziert. Die Essenz der nicht-oxidativen Stufe besteht darin, bei der Synthese von Pentose zu helfen und sich in die reversible Übertragungsreaktion von 2-3 Kohlenstoff-„Stücken“einzubeziehen. Außerdem kann es wieder zu einem Übergang von Pentosen in den Zustand von Hexosen kommen, der durch einen Überschuss an Pentose selbst verursacht wird. Die an diesem Stoffwechselweg beteiligten Katalysatoren werden in 3 enzymatische Systeme unterteilt:
- Dehydro-Decarboxylierungssystem;
- System vom isomerisierenden Typ;
- ein System zur Rekonfiguration von Zuckern.
Reaktionen mit und ohne Oxidation
Der oxidative Teil des Weges wird durch die folgende Gleichung dargestellt:
Glucose6phosphate+2NADP++H2Oàribulose5phosphate+2 (NADPH+H+)+CO2.
BIm nicht-oxidativen Schritt gibt es zwei Katalysatoren in Form von Transaldolase und Transketolase. Sie beschleunigen den Bruch der C-C-Bindung und die Übertragung von Kohlenstofffragmenten der Kette, die infolge dieses Bruchs gebildet werden. Transketolase verwertet das Coenzym Thiaminpyrophosphat (TPP), das ein Vitaminester (B1) vom Diphosphortyp ist.
Allgemeine Form der Stufengleichung in der nicht-oxidativen Version:
3 Ribulose5phosphatà1 Ribose5phosphat+2 Xylulose5phosphatà2 Fructose6phosphat+Glycerinaldehyd3phosphat.
Die oxidative Variation des Signalwegs kann beobachtet werden, wenn NADPH von der Zelle verwendet wird, oder mit anderen Worten, wenn es in seiner nicht reduzierten Form an die Standardposition geht.
Die Verwendung der Glykolysereaktion oder des beschriebenen Weges hängt von der Höhe der NADP-Konzentration+ in der Dicke des Zytosols ab.
Wegzyklus
Indem wir die Ergebnisse der Analyse der allgemeinen Gleichung des Wegs der nicht-oxidativen Variante zusammenfassen, sehen wir, dass Pentosen unter Verwendung des Pentosephosphatwegs von Hexosen zu Glukosemonosacchariden zurückkehren können. Die anschließende Umwandlung von Pentose in Hexose ist der Pentosephosphat-Kreisprozess. Der betrachtete Weg und alle seine Prozesse konzentrieren sich in der Regel auf Fettgewebe und Leber. Die Gesamtgleichung kann wie folgt beschrieben werden:
6 Glucose-6-phosphat+12nadp+2H2Oà12(NADPH+H+)+5 Glucose-6-phosphat+6 CO2.
Nicht-oxidativer Typ des Pentosephosphatwegs
Der nicht-oxidative Schritt des Pentosephosphatwegs kann Glukose ohne Umlagerung umlagernEntfernung von CO2, was aufgrund des enzymatischen Systems möglich ist (es ordnet Zucker und glykolytische Enzyme um, die Glucose-6-Phosphat in Glycerinaldehyd-3-Phosphat umwandeln).
Bei der Untersuchung des Stoffwechsels von lipidbildenden Hefen (denen Phosphofructokinase fehlt, die sie daran hindert, C6H12O6-Monosaccharide durch Glykolyse zu oxidieren), stellte sich heraus, dass Glukose in einer Menge von 20% über den Pentosephosphatweg oxidiert wird, und die verbleibenden 80 % werden in der nicht-oxidativen Phase des Pfades rekonfiguriert. Die Antwort auf die Frage, wie genau eine 3-Kohlenstoff-Verbindung entsteht, die nur bei der Glykolyse entstehen kann, ist derzeit noch unbekannt.
Funktion für lebende Organismen
Der Wert des Pentosephosphatwegs in Tieren und Pflanzen sowie Mikroorganismen ist nahezu gleich. Alle Zellen führen diesen Prozess durch, um eine reduzierte Version von NADPH zu bilden, die als Wasserstoffspender in einem verwendet wird Reduktionsreaktion und Hydroxylierung. Eine weitere Funktion besteht darin, Zellen mit Ribose-5-Phosphat zu versorgen. Trotz der Tatsache, dass NADPH als Ergebnis der Oxidation von Malat unter Bildung von Pyruvat und CO2 gebildet werden kann, und im Fall der Dehydrierung von Isocitrat erfolgt die Produktion von reduktiven Äquivalenten aufgrund des Pentosephosphatprozesses. Ein weiteres Zwischenprodukt dieses Weges ist Erythrose-4-Phosphat, das durch Kondensation mit Phosphoenolpyruvaten die Bildung von Tryptophanen, Phenylalaninen und Tyrosinen initiiert.
BetriebDer Pentosephosphatweg wird bei Tieren in den Organen Leber, Milchdrüsen während der Laktation, Hoden, Nebennierenrinde sowie in Erythrozyten und Fettgeweben beobachtet. Dies ist auf das Vorhandensein aktiver Hydroxylierungs- und Regenerationsreaktionen zurückzuführen, die beispielsweise während der Synthese von Fettsäuren, auch während der Zerstörung von Xenobiotika in Lebergeweben und der aktiven Sauerstoffform in Erythrozytenzellen und anderen Geweben beobachtet werden. Prozesse wie diese erzeugen eine große Nachfrage nach einer Vielzahl von Äquivalenten, einschließlich NADPH.
Betrachten wir das Beispiel Erythrozyten. In diesen Molekülen ist Glutathion (Tripeptid) für die Neutralisierung der aktiven Sauerstoffform verantwortlich. Diese oxidierende Verbindung wandelt Wasserstoffperoxid in H2O um, aber der umgekehrte Übergang von Glutathion zur reduzierten Variante ist in Gegenwart von NADPH+H+ möglich. Weist die Zelle einen Defekt der Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase auf, so kann eine Aggregation von Hämoglobin-Promotoren beobachtet werden, wodurch der Erythrozyten seine Plastizität verliert. Ihre normale Funktion ist nur möglich, wenn der Pentosephosphatweg vollständig funktioniert.
Der umgekehrte Pentosephosphatweg der Pflanze bildet die Grundlage für die Dunkelphase der Photosynthese. Darüber hinaus sind einige Pflanzengruppen weitgehend von diesem Phänomen abhängig, das beispielsweise eine schnelle Umwandlung von Zuckern usw. verursachen kann.
Die Rolle des Pentosephosphatwegs für Bakterien liegt in den Reaktionen des Gluconatstoffwechsels. Cyanobakterien nutzen diesen Prozess aufgrund vonFehlen eines vollständigen Krebszyklus. Andere Bakterien nutzen dieses Phänomen aus, um verschiedene Zucker der Oxidation auszusetzen.
Regulierungsprozesse
Die Regulierung des Pentosephosphatwegs hängt von der Nachfrage nach Glucose-6-phosphat durch die Zelle und der Konzentration von NADP+ in der Zytosolflüssigkeit ab. Es sind diese beiden Faktoren, die bestimmen, ob das zuvor erwähnte Molekül in Glykolysereaktionen oder in den Stoffwechselweg vom Pentosephosphat-Typ eintreten wird. Das Fehlen von Elektronenakzeptoren wird es nicht ermöglichen, die ersten Schritte des Pfades fortzusetzen. Mit der schnellen Übertragung von NADPH zu NADPH+ steigt die Konzentration des letzteren. Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase wird allosterisch stimuliert und erhöht folglich die Menge des Glucose-6-Phosphat-Flusses über den Weg vom Pentosephosphat-Typ. Die Verlangsamung des NADPH-Verbrauchs führt zu einer Abnahme des NADP-Spiegels+, und Glucose-6-Phosphat wird ausgeschieden.
Historische Daten
Der Pentosephosphat-Weg begann seinen Forschungspfad aufgrund der Tatsache, dass der mangelnden Veränderung des Glukoseverbrauchs durch allgemeine Glykolyse-Hemmer Aufmerksamkeit geschenkt wurde. Fast zeitgleich mit diesem Ereignis machte O. Warburg die Entdeckung von NADPH und begann mit der Beschreibung der Oxidation von Glucose-6-phosphaten zu 6-Phosphogluconsäuren. Außerdem wurde nachgewiesen, dass C6H12O6, markiert mit den Isotopen 14C (markiert nach C-1), sich relativ schneller in 14CO2 umwandelte als dies ist das gleiche Molekül, aber mit C-6 gekennzeichnet. Dies zeigte die Bedeutung des Prozesses der Glukoseverwertung währendUnterstützung alternativer Routen. Diese Daten wurden von I. K. Gansalus im Jahr 1995.
Schlussfolgerung
Und so sehen wir, dass der betrachtete Weg von den Zellen als alternativer Weg zur Oxidation von Glukose genutzt wird und in zwei Optionen unterteilt ist, in denen er ablaufen kann. Dieses Phänomen wird bei allen Formen vielzelliger Organismen und sogar bei vielen Mikroorganismen beobachtet. Die Wahl der Oxidationsmethoden hängt von verschiedenen Faktoren ab, dem Vorhandensein bestimmter Substanzen in der Zelle zum Zeitpunkt der Reaktion.
