V tomto článku sa budeme zaoberať jedným z variantov oxidácie glukózy – pentózofosfátovou cestou. Budú analyzované a opísané varianty priebehu tohto javu, spôsoby jeho realizácie, potreba enzýmov, biologický význam a história objavu.
Predstavujeme fenomén
Pentózofosfátová dráha je jedným zo spôsobov oxidácie C6H12O6 (glukózy). Pozostáva z oxidačnej a neoxidačnej fázy.
Všeobecná procesná rovnica:
3glukóza-6-fosfát+6NADP-à3CO2+6(NADPH+H-)+2fruktóza-6-fosfát+glyceraldehyd-3-fosfát.
Po prechode oxidatívnou pentózofosfátovou cestou sa molekula hyceraldehyd-3-fosfátu premení na pyruvát a vytvorí 2 molekuly kyseliny adenozíntrifosforečnej.
Zvieratá a rastliny vo svojich podjednotkách majú široké rozšírenie tohto javu, ale mikroorganizmy ho využívajú len ako pomocný proces. Všetky enzýmy dráhy sa nachádzajú v bunkovej cytoplazme v živočíšnych a rastlinných organizmoch. Okrem toho tieto látky obsahujú cicavcetiež v EPS a rastliny v plastidoch, konkrétne v chloroplastoch.
Pentózofosfátová dráha oxidácie glukózy je podobná procesu glykolýzy a má extrémne dlhú evolučnú dráhu. Pravdepodobne vo vodnom prostredí Archaean, pred objavením sa života v jeho modernom zmysle, prebiehali reakcie, ktoré boli presne pentózofosfátovej povahy, ale katalyzátorom takéhoto cyklu nebol enzým, ale ióny kovov.
Typy existujúcich reakcií
Ako už bolo uvedené, pentózofosfátová dráha rozlišuje dve štádiá alebo cykly: oxidačné a neoxidačné. Výsledkom je, že na oxidačnej časti dráhy sa C6H12O6 oxiduje z glukóza-6-fosfátu na ribulóza-5-fosfát a nakoniec sa redukuje NADPH. Podstatou neoxidačného štádia je pomôcť pri syntéze pentózy a zapojiť sa do reakcie reverzibilného prenosu 2-3 uhlíkových „kúskov“. Ďalej môže opäť nastať prechod pentóz do stavu hexóz, čo je spôsobené nadbytkom samotnej pentózy. Katalyzátory zahrnuté v tejto dráhe sú rozdelené do 3 enzymatických systémov:
- dehydro-dekarboxylačný systém;
- systém izomerizačného typu;
- systém určený na rekonfiguráciu cukrov.
Reakcie s oxidáciou a bez oxidácie
Oxidatívnu časť cesty predstavuje nasledujúca rovnica:
Glukóza6fosfát+2NADP++H2Oŕribulóza5fosfát+2 (NADPH+H+)+CO2.
BV neoxidačnom kroku sú dva katalyzátory vo forme transaldolázy a transketolázy. Urýchľujú štiepenie väzby C-C a prenos uhlíkových fragmentov reťazca, ktoré vznikajú v dôsledku tohto prerušenia. Transketoláza využíva koenzým tiamín pyrofosfát (TPP), čo je ester vitamínu (B1) difosforového typu.
Všeobecný tvar fázovej rovnice v neoxidačnej verzii:
3 ribulóza5fosfátà1 ribóza5fosfát+2xylulóza5fosfátà2fruktóza6fosfát+glyceraldehyd3fosfát.
Oxidačné variácie dráhy možno pozorovať, keď bunka využíva NADPH, alebo inými slovami, keď ide do štandardnej polohy vo svojej nezredukovanej forme.
Použitie reakcie glykolýzy alebo opísanej dráhy závisí od množstva koncentrácie NADP+ v hrúbke cytosólu.
Cyklus trasy
Zhrnutím výsledkov získaných z analýzy všeobecnej rovnice neoxidačnej variantnej dráhy vidíme, že pentózy sa môžu vrátiť z hexóz na glukózové monosacharidy pomocou pentózofosfátovej dráhy. Následná konverzia pentózy na hexózu je pentózofosfátový cyklický proces. Uvažovaná cesta a všetky jej procesy sú spravidla sústredené v tukovom tkanive a pečeni. Celkovú rovnicu možno opísať ako:
6 glukóza-6-fosfát+12nadp+2H2Oà12(NADPH+H+)+5 glukóza-6-fosfát+6 CO2.
Neoxidačný typ pentózofosfátovej dráhy
Neoxidačný krok pentózofosfátovej dráhy môže zmeniť usporiadanie glukózy bezodstránenie CO2, čo je možné vďaka enzymatickému systému (preskupuje cukry a glykolytické enzýmy, ktoré premieňajú glukóza-6-fosfát na glyceraldehyd-3-fosfát).
Pri štúdiu metabolizmu lipidotvorných kvasiniek (ktorým chýba fosfofruktokináza, ktorá im bráni oxidovať C6H12O6 monosacharidy pomocou glykolýzy) sa ukázalo, že glukóza v množstve 20 % podlieha oxidácii pomocou pentózofosfátovej dráhy a zvyšných 80 % prejde rekonfiguráciou v neoxidačnom štádiu cesty. V súčasnosti zostáva neznáma odpoveď na otázku, ako presne vzniká 3-uhlíková zlúčenina, ktorá môže vzniknúť len pri glykolýze.
Funkcia pre živé organizmy
Hodnota pentózofosfátovej dráhy u zvierat a rastlín, ako aj mikroorganizmov je takmer rovnaká Všetky bunky vykonávajú tento proces, aby vytvorili redukovanú verziu NADPH, ktorá sa použije ako donor vodíka v reakcia redukčného typu a hydroxylácia. Ďalšou funkciou je poskytnúť bunkám ribóza-5-fosfát. Napriek tomu, že NADPH môže vznikať v dôsledku oxidácie malátu za vzniku pyruvátu a CO2 a v prípade dehydrogenácie izocitrátu dochádza k produkcii redukčných ekvivalentov pentózofosfátovým procesom. Ďalším medziproduktom tejto dráhy je erytróza-4-fosfát, ktorý po kondenzácii s fosfoenolpyruvátmi iniciuje tvorbu tryptofánov, fenylalanínov a tyrozínov.
PrevádzkaPentofosfátová dráha sa pozoruje u zvierat v orgánoch pečene, mliečnych žliaz počas laktácie, semenníkov, kôry nadobličiek, ako aj v erytrocytoch a tukovom tkanive. Je to spôsobené prítomnosťou aktívnych hydroxylačných a regeneračných reakcií, napríklad pri syntéze mastných kyselín, pozorujeme sa aj pri deštrukcii xenobiotík v tkanivách pečene a aktívnej formy kyslíka v bunkách erytrocytov a iných tkanivách. Procesy ako tieto vytvárajú vysoký dopyt po rôznych ekvivalentoch vrátane NADPH.
Uvažujme o príklade erytrocytov. V týchto molekulách je glutatión (tripeptid) zodpovedný za neutralizáciu aktívnej formy kyslíka. Táto zlúčenina, ktorá prechádza oxidáciou, premieňa peroxid vodíka na H2O, ale spätný prechod z glutatiónu na redukovanú variáciu je možný v prítomnosti NADPH+H+. Ak má bunka defekt v glukózo-6-fosfátdehydrogenáze, potom možno pozorovať agregáciu promótorov hemoglobínu, v dôsledku čoho erytrocyt stráca svoju plasticitu. Ich normálne fungovanie je možné len pri plnej prevádzke pentózofosfátovej dráhy.
Obrátená pentózofosfátová dráha rastliny poskytuje základ pre temnú fázu fotosyntézy. Okrem toho sú niektoré skupiny rastlín do značnej miery závislé od tohto javu, čo môže spôsobiť napríklad rýchlu vzájomnú premenu cukrov atď.
Úloha pentózofosfátovej dráhy pre baktérie spočíva v reakciách metabolizmu glukonátu. Cyanobaktérie využívajú tento proces na základenedostatok úplného Krebsovho cyklu. Iné baktérie využívajú tento jav na vystavenie rôznych cukrov oxidácii.
Regulačné procesy
Regulácia pentózofosfátovej dráhy závisí od prítomnosti potreby glukózo-6-fosfátu bunkou a od úrovne koncentrácie NADP+ v cytosólovej tekutine. Sú to tieto dva faktory, ktoré určia, či vyššie uvedená molekula vstúpi do glykolýznych reakcií alebo do dráhy typu pentózafosfátu. Absencia akceptorov elektrónov neumožní pokračovať v prvých krokoch cesty. S rýchlym prechodom NADPH na NADPH+ úroveň koncentrácie NADPH stúpa. Glukóza-6-fosfátdehydrogenáza je alostericky stimulovaná a následne zvyšuje množstvo toku glukózo-6-fosfátu prostredníctvom dráhy pentózofosfátového typu. Spomalenie spotreby NADPH vedie k zníženiu hladiny NADP+ a glukóza-6-fosfát sa likviduje.
Historické údaje
Pentózofosfátová dráha začala svoju výskumnú cestu vďaka skutočnosti, že pozornosť bola venovaná absencii zmien v spotrebe glukózy všeobecnými inhibítormi glykolýzy. Takmer súčasne s touto udalosťou O. Warburg objavil NADPH a začal popisovať oxidáciu glukózo-6-fosfátov na 6-fosfoglukónové kyseliny. Okrem toho sa dokázalo, že C6H12O6, označený izotopmi 14C (označené podľa C-1), sa zmenil na 14CO2 relatívne rýchlejšie ako toto je tá istá molekula, ale označená C-6. Práve to ukázalo dôležitosť procesu využitia glukózy počaspomoc alternatívnych trás. Tieto údaje zverejnil I. K. Gansalus v roku 1995.
Záver
A tak vidíme, že uvažovanú dráhu využívajú bunky ako alternatívny spôsob oxidácie glukózy a je rozdelená na dve možnosti, ktorými môže postupovať. Tento jav sa pozoruje u všetkých foriem mnohobunkových organizmov a dokonca aj u mnohých mikroorganizmov. Výber metód oxidácie závisí od rôznych faktorov, prítomnosti určitých látok v bunke v čase reakcie.
