Пентозомонофосфатный путь. 
Биохимия

Альтернативным гликолизу окислительным путем катаболизма гексоз является пентозомонофосфатный, или пентозный путь. Поскольку при этом глюкозо-6-фосфат выключается из метаболического превращения по пути гликолиза, его также называют гексозомонофосфатным шунтом. Пентозный путь широко распространен в природе (животные, бактерии, растения). В организме человека активность этого пути высока в клетках лактируюшей молочной железы, жировой ткани, зрелых эритроцитах; низкий уровень этого процесса выявлен в печени (5—10%), скелетных и сердечной мышцах (5%), мозге (10%), щитовидной железе (15%), легких (15%).

Функции пентозомонофосфатного пути. Этот процесс выполняет две важнейшие метаболические функции (рис. 18.8). Во-первых, поставляет восстановительные эквиваленты (НАДФН) для реакций восстановления в процессах анаболизма, например синтеза высших жирных кислот, холестерола и др.

Рис. 18.8. Метаболические функции пентозофосфатного пути.

Во-вторых, в пентозофосфатном пути окисления глюкозы образуются важнейшие структурные предшественники для анаболических процессов в клетке, в том числе рибозо-5-фосфат — для биосинтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот, эритрозо-4-фосфат — для биосинтеза трех аминокислот: фенилаланина, тирозина, триптофана.

Кроме этого, в аэробных условиях данный путь может выполнять энергетическую функцию, благодаря действию ферментов, вызывающих взаимопревращение НАДФН и НАДН. Последний, как известно, способен запустить процесс окислительного фосфорилирования для синтеза АТФ. У некоторых анаэробных микроорганизмов, например облигатных гетероферментативных молочнокислых бактерий (Leuconostoc mesenteroides), пентозный путь является единственным путем сбраживания углеводов и, следовательно, обеспечения их энергией.

В зеленых растениях метаболиты пентозного пути выполняют важную функцию фиксации С0₂ в цикле фотосинтеза (гл. 16).

Реакции пентозомонофосфатного пути. Пентозомонофосфатный путь составляют восемь реакций, в нем условно выделяют две фазы. Первая фаза — окислительная, включает три реакции и завершается окислением глюкозо-6- фосфата до пентозофосфатов. Вторая фаза — неокислительная (пять реакций), она представляет собой взаимопревращения трех-, четырех-, пяти-, шестии семиуглеродных сахарофосфатов, в результате которых регенерируется гексозо-6-фосфат. Все реакции протекают в цитоплазме клетки и являются обратимыми.

Окислительная фаза. Она включает следующие реакции.

1. Реакция дегидрирования глюкозо-6-фосфата при действии глюкозо-6- фосфа! дегидрогеназы, коферментом которой является НАДФ⁺:

2. Реакция гидролиза лактона, происходящая спонтанно либо с помощью фермента б-фосфоглюконолакгоназы:

3. Реакция окислительного декарбоксилирования 6-фосфоглюконата, ка тализируемая ферментом 6-фосфоглкжонатдегидрогеназой, НАДФ^{3 4}-зависимой, активируемой ионами Mg²⁴. В результате реакции образуется первая кетопентоза-рибулозо-5-фосфат:

Этой реакцией завершается окислительная фаза, в которой глюкозо-6-фосфат окисляется до рибулозо-5-фосфата и восстанавливается 2НАДФН • Н⁺, последние используются как доноры восстановительных эквивалентов для анаболических реакций процессов метаболизма. Стехиометрическое уравнение окислительной фазы пентозофосфатного пути описывается уравнением.

Неокислительная фаза. Основными ферментами неокислительной фазы являются два фермента: транскетолаза и трансальдолаза. Они отщепляют от фосфорилированных кетосахаров соответственно С₂— и С₃-фрагменты, перенося их на фосфоальдосахара. В результате взаимодействия фосфосахаров регулируется их количество в соответствии с потребностями клетки.

Неокислительная стадия начинается с реакций изомеризации (4) и (5). В процессе этих реакций одна часть рибулозо-5-фосфата изомеризуется в рибозо-5-фосфат (акцептор С₂-фрагмснта), другая — в ксилулозо-5-фосфат, который служит донором этого фрагмента.

• 4. Реакция кето-альдольной изомеризации рибулозо-5-фосфата при действии фермента изомеразы, в результате которой образуется рибозо-5-фосфат.
• 5. Реакция эпимсризации, в процессе которой идет обращение конфигурации рибулозо-5-фосфата при третьем углероде при действии фермента эпимеразы и образуется другая фосфопентоза — ксилулозо-5-фосфат:

Если рибозо-5-фосфат вовлекается в анаболические процессы, пентозный путь на этом этапе может завершаться.

6. Первая транскетолазная реакция идет между продуктами четвертой и пятой реакций при действии фермента транс кетолазы, кофакторами которого являются тиамин пирофосфат (ТПФ) и катионы двухвалентных металлов. Реакцию можно рассматривать как обратимый перенос гликоальдегидного остатка от донора кетозы на акцептор альдозу:

7. Трансальдолазная реакция протекает при помощи фермента трансальдолазы, который катализирует перенос остатка диоксиацетона от донора кетозы, представленной седогептулозо-7-фосфатом, на акцептор альдозу — глицеральдегид-3-фосфат:

8. Вторая транскетолазная реакция, в которой донором гликольальдегидной группы выступает, как и в шестой реакции, ксилулозо-5-фосфат, акцептором — продукт седьмой реакции эритрозо-4-фосфат:

Таким образом, первая транскетолазная реакция между двумя фосфопентозами открывает серию реакций превращения моносахаров (6), (7), (8), которые можно представить в виде следующей схемы:

В результате этих реакций три молекулы С₅-сахаров (обведены в кружок) превращаются в две молекулы С₍₎-сахаров и одно С₃-соединение — глицеральдегид-3-фосфат (обведены в квадрат). Этот процесс можно описать уравнением.

Все конечные продукты этих превращений могут далее метаболизировать по пути гликолиза, обеспечивая как энергетические потребности клетки, так и потребности в НАДФН (рис. 18.9).

Если же клетка не нуждается в НАДФН. а ей нужен рибозо-5-фосфат для синтеза нуклеотидов, то промежуточные метаболиты гликолиза — фруктозо-6-фосфат и 3-фосфоглицериновый альдегид — при действии ферментов неокислительной фазы пентозофосфатного пути могут превращаться в рибозо-5-фосфат. Схема этого превращения приведена на рис. 18.10.

Таким образом, пентозофосфатный путь отличается крайней гибкостью. Если в клетке потребности в рибозо-5-фосфат и НАДФН сбалансированы, то неокислительной стадии не нужно. Но если, например, жировым клеткам НАДФН нужно значительно больше, чем рибозо-5-фосфата, то избыток последнего в результате реакций неокислительной фазы превращается в глюкозо-6-фосфат:

Рис. 18.9. Схема реакций пентозофосфатного пути.

Посредством иснтозофосфатного пути может происходить полное окисление глюкозо-6-фосфата до С0₂, если провести расчет на шесть молекул глюкозо-6-фосфата, которые образуют пять молекул глюкозо-6-фосфата и шесть молекул С0₂ по уравнению

Рис. 18.10. Схема превращения метаболитов гликолиза в рибозо-5-фосфат.

После сокращения общих членов получаем:

Однако следует помнить, что все шесть молекул С0₂ образуются из С-1-атомов шести молекул глюкозо-6-фосфата, а из образовавшихся при этом шести молекул рибулозо-5-фосфата снова регенерируются пять молекул глюкозо-6-фосфата.

Регуляция пентозомонофосфатного пути. Главным регуляторным ферментом пентозного пути является глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, катализирующая первую реакцию. Активатором фермента является НАДФ, а роль отрицательного эффектора (ингибитора) выполняет восстановленная форма этого кофермента НАДФН • Н Чувствителен к соотношению |НАДФ*)/ [НАДФН • Н⁺1 и второй окислительный фермент — 6-фосфоглюконатдегидрогенеза. При величине соотношения 0,02 их активность максимальна, при 0,01 она уменьшается на 90%.

В переключении пентозного пути и гликолиза друг на друга роль регулятора выполняет эритрозо-4-фосфат. Если пентозофосфатов много, то эритрозо-4-фосфат участвует в транскетолазной реакции, приводящей к образованию фруктозо-6-фосфата и его альдоизомера глюкозо-6-фосфата. Если же много гексозофосфатов, то эритрозо-4-фосфат вступает в трансальдолазную реакцию, пополняющую пул седогептулозо-7-фосфата.