Pentóz-foszfát-út

A pentóz-foszfát útnak, – más néven hexóz-monofoszfát-söntnek - nevezett reakciósor aerob és fakultatív anaerob baktériumokban egyaránt megtalálható.

Működése esszenciális, mivel számos létfontosságú vegyület képződését teszi lehetővé.

A glükóz-6-foszfátból kiinduló, - és három-, négy-, öt-, hat- és hét-szénatomos cukorfoszfátokon keresztül zajló - folyamat összevont reakcióegyenlete a következő:

3 glükóz-6-foszfát + 6 NADP⁺→ 6 NAD(P)H +H⁺+ 3 CO₂+ glicerinaldehid 3-foszfát vagy

3 glükóz-6-foszfát + 12 NADP⁺→ 12 NAD(P)H +H⁺+ 6 CO₂+ 5 glükóz-6-foszfát

A fenti egyenletből jól látszik, hogy a teljessé vált ciklus NADPH +H⁺-t és glicerinaldehid-3-foszfátot állít elő.

Tehát a különböző szénatom számú intermediereken túlmenően, a pentóz-foszfát út fő funkciója NADPH +H⁺ előállítása a sejtben folyó reduktív bioszintetikus folyamatok (pl. zsírsavszintézis) számára (7.2/14. ábra).

Másrészt az itt keletkező glicerinaldehid-3-foszfát – a glikolízis első szabályozási pontjait elkerülve – kapcsolódhat be az Embden-Meyerhof-Parnas-útba, és ezzel annak folyamatosságát biztosíthatja, vagy éppen a glükoneogenezis irányába futva ismét glükóz-6-foszfáttá alakulhat.

De nézzük, hogyan is zajlik a pentóz-foszfát út. A reakciósor két részre, egy oxidatív és egy nem oxidatív szakaszra bontható.

1.Az első a glükóz direkt oxidációja

Ennek során a glükóz-6-foszfátot a NADP⁺ specifikus glükóz-6-foszfát-dehidrogenáz oxidálja, miközben egy molekula NADP⁺redukálódik, és 6-foszfo-glukonolakton képződik.

A lakton gyűrű hasadását a 6-foszfo-glukonsav kialakulása, majd egy dekarboxilezéssel egybekötött újabb oxidációs lépés követi. Az utóbbi, dehidrogenáz katalizálta reakcióban a 6-foszfo-glukonsav oxidálódik, és egy újabb NADP⁺ redukálódik. Közben a szénlánc megrövidül, egy CO₂kilép, és ribulóz-5-foszfát keletkezik

2.A pentóz-foszfát út második szakaszában - a nem oxidatív jellegű reakciók sorozata következik, amit a ribulóz-5-foszfátnak xilulóz-5-foszfáttá és ribóz-5 foszfáttá alakulása vezet be. Ez az izomerizációs folyamat a sejt számára pentóz raktárt biztosíthat.

A traszketoláz és transzaldoláz reakciók sora pedig különböző szénatom számú intermedierekkel szolgál, valamint regenerálhatja a hat szénatomos cukorfoszfátokat.

Az első ilyen transzfer során a xilulóz-5-foszfát donorról egy két szénatomos egység tevődik át a ribóz-5-foszfát aldehid csoportjára: az eredmény egy glicerinaldehid-3-foszfát és egy szedoheptulóz-7-foszfát. A reakciót a transzketoláz enzim és tiamin-pirofoszfát koenzim komplex katalizálja.

A következő lépésben egy transzaldoláz hatására a szedoheptulóz-7-foszfátról egy három szénatomos dihidroxiaceton egység kerül a glicerinaldehid-3-foszfátra. A három szénatomos aldóz akceptor ezáltal fruktóz-6 foszfáttá, míg a szedoheptulóz-7-foszfát maradvány négy szénatomos eritróz-4-foszfáttá alakul.

Ezt követően ismét a transzketoláz enzim (+tiamin pirofoszfát koenzim) tesz át egy két szénatomos egységet aldózról ketózra, amikor is az eritróz-4-foszfátból és xilulóz-5-foszfátból, fruktóz-6-foszfát és glicerinaldehid-3-foszfát képződik.

A pentóz-foszfát utat pentóz-foszfát-cilkusnak is nevezik, mivel megfelelő körülmények között a glicerinaldehid-3-foszfát és a fruktóz-6-foszfát glükóz-6-foszfáttá alakulva regenerálhatja a kiindulási hat szénatomos cukorfoszfátokat.

A traszketoláz és transzaldoláz reakciók sorozatával történő átalakulás a szénatom számokat tekintve a következőképpen alakul.

C₅+ C₅→ C₃+ C₇(transzketoláz 2C) C₃+ C₇→ C₆+ C₄(transzaldoláz 3C) C₄+ C₅→ C₆+ C₃(transzketoláz 2C)

Nettó reakció 3 C₅→ 2 C₆+ C₃ A C₃aztán belép a glikolízis, vagy a glükoneogenezis folyamatába.

7.2/14. ábra. A pentóz-foszfát-út folyamata

A pentóz-foszfát-út - az anyagcserében betöltött sokoldalú szerepéből adódóan - esszenciális a sejt számára, mivel 1. a bioszintézisekhez NADPH +H⁺-t állít elő;

2. a folyamat során képződött eritróz-4-foszfát, enolpiroszőlősav-foszfáttal kapcsolódva, az aromás gyűrűk szintézisének kiinduló pontja;

3. a ribulóz-5-foszfát autotróf mikrobákban ribulóz-1,5-biszfoszfáttá alakulva, a CO₂-fixáció fontos széndioxid akceptora;

4. a ribóz-5-foszfát pedig a nukleotidok, nukleinsavak szintézisének alapja.

A pentóz-foszfát-út lefolyása és intenzitása mindig a sejt igényei szerint alakul. Ebben pedig a glükóz oxidációja és a NADPH +H⁺koncentrációja a meghatározó tényező, a fő szabályozási pont.

1. Ha a sejtnek több ribózra és kevesebb NADPH +H+-ra van szüksége, akkor a glükóz-bontás folyamata a glikolitikus útvonalon indul el, és halad glicerinaldehid-3-foszfátig, majd ezt követően transzaldoláz és -ketoláz reakciókkal ribóz-5-foszfát képződik.

2. Abban az esetben, ha ribózra és NADPH +H⁺-ra azonos mértékben van igény, a folyamat a pentóz-foszfát-úton, a glükóz direkt oxidációjával indul, és megy ribóz-5-foszfátig.

3. Máskor meg a redukáló képességre, NADPH +H⁺-ra nagyobb szüksége van a sejtnek, mint az öt szénatomos szénvázra. A glükóz-6-foszfát bontása ekkor is a pentóz-foszfát-úton indul, de a reakciósor végén keletkező glicerinaldehid-3-foszfát az Embden-Meyerhof-útba becsatlakozva glükóz-6-foszfáttá alakul vissza.

Vannak mikroorganizmusok, melyeknél a pentóz-foszfát-út legfontosabb feladata - a fentihez hasonlóan - a NADPH + H⁺szintézise, de ez itt elsősorban is az energianyerés, az ATP szintézis céljait szolgálja. Ebben az esetben hat glükóz-foszfát molekulából egy-egy CO₂ kilépésével 6 ribulóz-5-foszfát keletkezik, majd ezek a pentózok a glükoneogenezis során öt hexóz molekulává alakulnak vissza. Hat molekula glükóz-foszfát oxidációjából kiindulva, 12 molekula NADPH + H⁺-vel számolhatunk, mely a légzés során 36 molekula ATP-t szolgáltat.

Más mikroorganizmusoknál a pentóz-foszfát-út legfontosabb rendeltetése NADPH +H⁺és ATP szintézise. Itt a glükóz-foszfát a direkt oxidáció során pentóz-foszfáttá alakul, majd a transzketoláz és aldoláz reakciók révén létrejött glicerinaldehid-3-foszfátból a glikolízisbe belépve piroszőlősav lesz, ami az oxidatív bontása során elegendő ATP-t szolgáltat.

Ha a mikroorganizmusok számára külső tápforrásául pentózok szolgálnak, akkor ezek a sejtben izomerizációs és foszforilációs reakciók révén ribóz-5-, ribulóz-5-, vagy xilulóz-5-foszfáttá alakulnak, amelyek aztán a pentóz-foszfát-úton fruktóz-, ill. glükóz-6-foszfáttá rendeződnek át. De a nukleotidok bontásakor keletkező pentózok átalakítása is a nagyrészt a pentóz-foszfát úton történik.