Окислительный пентозофосфатный цикл

Кроме гликолиза и цикла Кребса, существует и другой универсальный, присущий всем организмам, путь полного окисления глюкозы – пентозофосфатный. Ферменты, которые участвуют в этом процессе, локализованы в цитоплазме (гиалоплазме). Исходным веществом для этого цикла является глюкозо-6-фосфат, которая принимает участие и в гликолизе. Пентозофосфатный путь, как и гликолиз, можно разделить на две фазы: фазу окисления глюкозо-6-фосфата и фазу его регенерации (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Окислительный пентозофосфатный цикл

При окислении глюкозо-6-фосфата образуется 6-фосфоглюколактон. Последний неустойчив и преобразуется в 6-фосфоглюконат (6-ФГ). В процессе окисления глюкозо-6-фосфата фермент глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, коферментом которой является НАДФ⁺ в результате окисления глюкозо-6-фосфата восстанавливается:

6-фосфоглюконат, в свою очередь, подвергается окислительному декарбоксилированию, образуется рибулозо-5-фосфат (Рл-5-Ф) и восстанавливается НАДФ⁺, который является коферментом фосфоглюконатдегидрогеназы.

Если во время гликолиза одна молекула преобразуется в две триозы, то в пентозофосфатном цикле от глюкозо-6-фосфата отщепляется один атом углерода и образуется пентоза. Отсюда и другое название пентозофосфатного цикла – анатомический в отличие от гликолиза, называемого дихотомическим. Образованием рибулозо-5-фосфата окислительная фаза цикла заканчивается.

Затем рибулозо-5-фосфат изомеризуется в рибозу-5-фосфат (Р-5-Ф) и ксилулозу-5-фосфат (Кс-5-Ф) при участии соответственно рибозо-фосфат-изомеразы и рибозофосфат-эпимиразы.

Рибозо-5-фосфат и ксилулозо-5-фосфат взаимодействуют между собой (реакция катализируется транскеталазой) и образуют глицеральдегид-3-фосфат (ГА-3-Ф) и седагептулозо-7-фосфат (С-7-Ф). Эти соединения в свою очередь взаимодействуют в присутствии трансальдолазы и образуют фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф) и эритрозу-4-фосфат (Э-4-Ф). В присутствии транскаталазы и Э-4-Ф и Кс-5-Ф образуется фосфоглицериновый альдегид(ГА-3-Ф) и фруктозо-6-фосфат, которые в дальнейшем могут быть метаболизированы по гликолитическому пути.

В фазе регенерации участвуют только фосфорные эфиры сахаров. Процесс идет от пентоз через образование седагептулозо-7-фосфата, эритрозо-4-фосфата, фруктозо-6-фосфата и фосфоглициринового альдегида. Триозы могут конденсироваться до гексоз. В результате альдольной конденсации двух триоз образуется фруктозо-1,6-дифосфат. Гидролиз фосфатной связи приводит к образованию фосфорной кислоты и глюкозо-6-фосфата. Цикл заканчивается.

Итак, в результате этого цикла из 6 молекул глюкозо-6-фосфата одна молекула окисляется до СО₂, а пять молекул регенерируют вновь и выходят из цикла. При этом восстанавливается 12 молекул НАДФ⁺. Суммарное уравнение пентозофосфатного цикла можно записать в виде:

6 глюкозо-6-фосфат + 12НАДФ⁺ + 7 Н₂О →

5 глюкозо-6-фосфат + 6СО₂ + 12НАДФН + 12Н⁺ + Н₃РО₄

На примере этого цикла еще раз убеждаемся в справедливости вывода Палладина: окисление веществ происходит в результате дегидрирования, кислород воздуха в окислении дыхательного субстрата не участвует.

В реакциях пентозофосфатного цикла участвуют те же фосфорные эфиры сахаров, что и в фотосинтетическом цикле Кальвина. Последний в связи с этим даже называют восстановительным пентозофосфатным циклом в отличии от этого – окислительного.

Образование одинаковых промежуточных продуктов в разных циклах говорит о том, что продукты одного цикла могут использоваться в случае необходимости в реакциях другого. Таким образом, каждый цикл не обязательно должен идти до конца, а возможны переходы с одного в другой.

ФГА, образующийся во время пентозофосфатного окислительного цикла, превращается в пируват и дальше участвует в цикле Кребса.

Пентозофосфатный цикл – это аэробное окисление углеводов. Он идет в гиалоплазме при высокой концентрации кислорода.

Большое физиологическое значение этот цикл имеет как источник НАДФН, который является донором водорода для восстановительного аминирования и других процессов. Кроме того, пентозы, которые появляются в этом цикле, используются для синтеза таких важных соединений клетки как АТФ, АДФ, АМФ, нуклеиновые кислоты, пиридиновые ферменты и другие. Эритрозо-4-фосфат – промежуточный продукт этого цикла – участвует в образовании шикимовой кислоты, необходимой для синтеза гормонов роста. Таким образом, этот цикл дыхания очень важный для растений, как и гликолиз, и цикл Кребса.

Скорость пентозофосфатного цикла регулируется концентрацией НАДФ⁺, поскольку для проявления активности глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа и дегидрогеназа 6-фосфоглюконовой кислоты требуется постоянный приток окисленной формы этого нуклеотида.

Один и тот же дыхательный субстрат, например глюкоза, может преобразовываться разными путями. Как клетка выбирает тот путь, по которому пойдет окисление?

Во-первых, влияет наличие кислорода. Так пентозофосфатный окислительный цикл идет только в присутствии О₂; анаэробное условия подавляют активность дегидрогеназ этого цикла. В анаэробных условиях идет гликолиз. Во-вторых, на выбор пути влияет активность ферментов. Когда активны ферменты гликолиза, тогда ферменты пентозофосфатного цикла неактивны. В-третьих, выбор пути окисления зависит от фосфатного баланса, т. е. от отношения неорганического фосфата к АТФ. При низких соотношениях оба пути замедленны.

Рассмотрение преобразований органических веществ при дыхании показывает, что дыхание является центральным процессом обмена веществ, объединяющим преобразование углеводов, белков и жиров. Промежуточные продукты дыхания – ацетил-СоА, пируват, кетоглуторат и др. – могут использоваться для синтеза различных соединений. Участие одних и тех же веществ в разных циклах доказывает возможность переключения от одного цикла на другой в зависимости от потребностей клетки.