Pentózofosfátový cyklus

Pentózofosfátový cyklus (také pentózový cyklus, hexózamonofosfátový zkrat či HMP zkrat) je metabolická dráha, pomocí které se v buňce produkuje NADPH a pětiuhlíkaté sacharidy (pentózy). Vzniklé NADPH je využíváno v anabolických dějích (hlavně syntéza mastných kyselin a steroidních látek), zatímco pentózy mohou dát vzniknout ribóze, která je důležitá pro syntézu RNA i DNA. Z důvodu výstavby lipidů a steroidů probíhá pentózofosfátový cyklus hlavně v játrech, tukové tkáni, mléčných žlázách, vaječnících, varlatech a kůře nadledvin.

Pentosofosfátový cyklus je analogickým odbouráváním glukózy ke glykolýze, při kterém ovšem nevzniká ATP, ale pouze zredukovaný analog NADH – NADPH. Za přibližně 30 % glukózy degradované v játrech je zodpovědný právě pentózofosfátový cyklus. Pro živočišné a houbové buňky je pentózofosfátový cyklus hlavním zdrojem redukované formy tohoto kofaktoru (u rostlin takto slouží světelná fáze fotosyntézy).

Pentosofosfátový cyklus lze zapsat souhrnnou rovnicí: 6 Glc-6-P + 12 NADP⁺ → 5 Fru-6-P + 6 CO₂+ 12 NADPH + 12 H⁺

Pentosofosfátový cyklus lze rozdělit do tří fází – oxidace a vznik NADPH, epimerizace a izomerizace, transaldolázové a transketolázové reakce. Někdy bývá první fáze označovaná také za oxidační (oxidativní) pentosofosfátovou dráhu a další dvě dráhy za neoxidační (neoxidativní) pentosofosfátovou dráhu ^[1]^[2]

Oxidace a vznik NADPH

Látkou, která vstupuje do pentosofosfátového cyklu, je glukóza-6-fosfát (Glc-6-P), která může vznikat dvěma způsoby – fosforylací glukózy nebo štěpením glykogenu (následované izomerací vzniklé glukózy-1-fosfátu na glukózu-6-fosfát). Během dvou následných oxidacích je glukóza-6-fosfát přeměněna na ribulózu-5-fosfát (pentózu o jeden uhlík kratší) za vzniku dvou molekul NADPH a jedné molekuly CO₂.

V prvním kroku je oxidována glukóza-6-fosfát na prvním uhlíku za vzniku cyklického esteru – laktonu : 6-fosfo-glukono-δ-laktonu (δ značí, že hydroxylová skupina pro vznik esteru se nachází na δ-uhlíku). Při oxidaci vzniká první redukovaná molekula NADPH.

Vzniklý lakton se spontánně nebo enzymaticky štěpí za vzniku kyseliny 6-fosfoglukonové, která je substrátem pro další oxidaci, tentokrát na třetím uhlíku. Vzniká nestabilní kyselina 3-oxo-6-fosfoglukonová (β-oxokyselina), která spontánně dekarboxyluje (dekarboxylace β-oxokyselin). Vzniká ribulóza-5-fosfát spolu s druhou molekulou NADPH a CO₂.

Epimerizace a isomerizace

Vzniklý ribulóza-5-fosfát je izomerací (resp. epimerací) přeměněn na další pentózy – xylulóza-5-fosfát a ribóza-5-fosfát. Ribóza (i xylulóza) může být využita v další části cyklu za vzniku fruktózy-6-fosfátu, nebo může být v případě potřeby využita k syntéze nukleotidů (a deoxyribonukleotidů) pro syntézu RNA a DNA. Naopak nadbytečná ribóza (např. z potravy) může být v další části cyklu přeměněna na fruktózu a využita v glykolýze, pentosofosfátovém cyklu, popříkladě k výstavbě glykogenu).

Transketolázové a transaldolázové reakce

Působením enzymů transketolázy a transaldolázy dochází ke přeskupování dvou- a tříuhlíkatých zbytků, které nakonec dává vzniknout fruktóze-6-fosfátu.

Transketolázy

Transketoláza přenáší dvouuhlíkaté zbytky. (Trans)ketolázy obecně rozpoznávají tzv. acyloinovou strukturu, kterou jsou schopné štěpit i syntetizovat. Jako kofaktor, který přenáší dvouuhlíkaté zbytky ketolázám slouží thiaminpyrofosfát (TPP).

Transaldolázy

Transaldolázy přenáší tříuhlíkaté zbytky. (Trans)aldolázy obecně rozpoznávají aldolovou strukturu, kterou jsou schopné štěpit a syntetizovat. V aktivním centru aldoláz se nachází lysin, který katalyzuje reakci přes Schiffovu bázi.

NADP⁺/NADPH

NADP⁺ neboli nikotinamidadenindinukleotidfosfát je fosforylovaná forma NAD⁺ (nikotinamiddinukletid). Stejně jako NAD⁺ i NADP⁺ je kofaktorem oxidoreduktáz (enzymů katalyzujících oxidoredukční děje). Přestože rozdíl mezi nimi není veliký, metabolicky jsou většinou nezaměnitelné. Zatímco NAD⁺/NADH dodává protony (H⁺) a elektrony (e⁻) do dýchacího řetězce v mitochondrii, kde jsou využity nepřímo na syntézu ATP, NADP⁺/NADPH je využíván v cytoplazmě k syntetickým procesům (například syntéze mastných kyselin, steroidních látek, nebo oxidu dusnatého). NADPH je také využíváno makrofágy k produkci baktericidních kyslíkových radikálů (jako jsou peroxidový a superoxidový), pomocí enzymu NADPH oxidázy (oxidační/respirační vzplanutí)^[3]

NADP⁺	NADPH

Enzymy

seznam enzymů pentosofosfátového cyklu
název	katalyzovaná reakce
glukóza-6-fosfát dehydrogenáza	glukóza-6-fosfát + NADP⁺ → 6-fosfoglukonolakton + NADPH + H⁺
6-fosfoglukonolaktonáza	6-fosfoglukonolakton → kyselina 6-fosfoglukonová
6-fosfoglukonátdehydrogenáza	kyselina 6-fosfoglukonová + NADP⁺ → ribulóza-5-fosfát + NADPH +H⁺ + CO₂
fosfopentózoizomeráza	ribulóza-5-fosfát → ribóza-5-fosfát
fosfopentózoepimeráza	ribulóza-5-fosfát → xylulóza-5-fosfát
transketoláza	xylulóza-5-fosfát + ribóza-5-fosfát → seduheptulóza-7-fosfát + glyceraldehyd-3-fosfát
transketoláza	xylulóza-5-fosfát + erythróza-4-fosfát → fruktóza-6-fosfát + glyceraldehyd-3-fosfát
transaldoláza	seduheptulóza-7-fosfát + glyceraldehyd-3-fosfát → fruktóza-6-fosfát + erythróza-4-fosfát

Regulace

Klíčovým enzymem pro regulaci pentosofosfátového cyklu je glukóza-6-fosfátdehydrogenáza (G6PD). Tento enzym je aktivován NADP⁺. To znamená, že jestliže buňka syntetizuje a spotřebovává NADPH, narůstá koncentrace NADP⁺ a tím i aktivita glukóza-6-fosfátdehydrogenázy. V některých tkáních je navíc tento enzym částečně i pod hormonální kontrolou.^[1]^[4]

Poruchy

Přibližně 400 milionů lidí na světě trpí vrozenou deficiencí (nedostatkem) enzymu glukóza-6-fosfátdehydrogenázy (G6PD) (pravděpodobně nejčastější enzymová deficience vůbec). Lidé trpící touto chorobou jsou více náchylní k oxidačnímu stresu, což se projevuje hlavně předčasnou degradací jejich červených krvinek (hemolytická anémie)^[5]. Deficience G6PD je většinou důsledkem mutace, která snižuje jeho stabilitu. Červené krvinky jsou bezjaderné buňky, kterou jsou transkripčně neaktivní a nemohou si tedy doplňovat zásoby G6PD. Vlivem nestability jsou koncentrace aktivního enzymu v těchto krvinkách velmi nízké a při zvýšeném oxidačním stresu jsou tyto buňky nenávratně poškozeny. G6PD nepřímo ovlivňuje oxidoredukční prostředí v buňce produkcí NADPH. Tento kofaktor je totiž nezbytný k regeneraci glutathionu. Glutathion (GSH) je tripeptid (peptid složený ze tří aminokyselin), který chrání buňku před oxidačním stresem. Obsahuje cystein, jehož thiolová skupina může být oxidována glutathionperoxidázou za tvorby S-S můstku mezi dvěma molekulami glutathionu (GSSG):

2 GSH + R-O-O-H (peroxid) → GSSG + ROH +H₂O

Ke zpětné redukci oxidovaného glutathionu (GSSG) je zapotřebí enzymu glutathionreduktázy, která jako kofaktor používá právě NADPH.^[1]^[6]

Deficience G6PD se vyskytuje hlavně v malarických oblastech, podobně jako srpkovitá anémie pravděpodobně zvyšuje odolnost lidí vůči malárii.^[1]

Propojení s glykolýzou

Pentosofosfátový cyklus úzce souvisí s glykolýzou. Obě metabolické dráhy spolu sdílí některé klíčové metabolity, které umožňují pružné přepínání mezi nimi podle aktuálních potřeb buňky (hlavně nedostatek ATP, NADPH nebo ribózy). Jsou to glukóza-6-fosfát, fruktóza-6-fosfát a glyceraldehyd-3-fosfát.

Odkazy

Reference

↑ ^a ^b ^c ^d Voet D., Voet JG, Pratt CW, "Fundamentals of biochemistry, life at molecular level" 2nd edition, 2006 John Wiley and Sons (Asia) Pte Ltd, ISBN 0-471-74268-6
↑ Kleijn RJ, van Winden WA, van Gulik WM, Heijnen JJ."Revisiting the 13C-label distribution of the non-oxidative branch of the pentose phosphate pathway based upon kinetic and genetic evidence."FEBS J. 2005 Oct;272(19):4970-82.
↑ Hořejší, Bartůňková, Základy imunologie. 2. vyd., Praha : Triton, 2001
↑ Boros LG, Brandes JL, Yusuf FI, Cascante M, Williams RD, Schirmer WJ,"Inhibition of the oxidative and nonoxidative pentose phosphate pathways by somatostatin: a possible mechanism of antitumor action." Med Hypotheses. 1998 Jun;50(6):501-6.
↑ Cappellini MD, Fiorelli G."Glucose-6-phosphate dehydrogenase deficiency."Lancet. 2008 Jan 5;371(9606):64-74
↑ Jacobasch G, Rapoport SM."Hemolytic anemias due to erythrocyte enzyme deficiencies." Mol Aspects Med. 1996 Apr;17(2):143-70.

Literatura

Voet D., Voet JG, Pratt CW, "Fundamentals of biochemistry, life at molecular level" 2nd edition, 2006 John Wiley and Sons (Asia) Pte Ltd, ISBN 0-471-74268-6
Murray RK, Granner DK, Mayes PA, Rodwell VW. „Harper’s illustrated biochemistry“ 26th edition (2003), The McGraw-Hill Companies, Inc, ISBN 0-07-138901-6

Související články

Externí odkazy

Obrázky, zvuky či videa k tématu pentózofosfátový cyklus na Wikimedia Commons
ekniha (v angličtině) Biochemistry, Stryer, 5th edition

[Voet-1] Voet D., Voet JG, Pratt CW, "Fundamentals of biochemistry, life at molecular level" 2nd edition, 2006 John Wiley and Sons (Asia) Pte Ltd, ISBN 0-471-74268-6

[2] Kleijn RJ, van Winden WA, van Gulik WM, Heijnen JJ."Revisiting the 13C-label distribution of the non-oxidative branch of the pentose phosphate pathway based upon kinetic and genetic evidence."FEBS J. 2005 Oct;272(19):4970-82.

[3] Hořejší, Bartůňková, Základy imunologie. 2. vyd., Praha : Triton, 2001

[4] Boros LG, Brandes JL, Yusuf FI, Cascante M, Williams RD, Schirmer WJ,"Inhibition of the oxidative and nonoxidative pentose phosphate pathways by somatostatin: a possible mechanism of antitumor action." Med Hypotheses. 1998 Jun;50(6):501-6.

[5] Cappellini MD, Fiorelli G."Glucose-6-phosphate dehydrogenase deficiency."Lancet. 2008 Jan 5;371(9606):64-74

[6] Jacobasch G, Rapoport SM."Hemolytic anemias due to erythrocyte enzyme deficiencies." Mol Aspects Med. 1996 Apr;17(2):143-70.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]