Пентозний (апотомічний) цикл перетворення вуглеводів

Дослідженнями вчених В. О. Енгельгардта, О. Варбурга, Ф. Ді-кенса було встановлено, що молекула глюкози здатна піддаватися аэробному перетворенню без попереднього утворення молекул двох фосфотріоз. Оскільки цей процес характеризується поступовим «відсіканням» від молекули глюкози атомів вуглецю, то за пропозицією В. О. Енгельгардта його було названо апотомічним циклом (від грецьк. аро — від, to то — сітки).

Кількість вуглеводів, яка перетворюється за пентозним циклом, для різних організмів різна і залежить від виду тканини організму та її функціонального стану. Так, у ссавців активність пентозного циклу відносно висока у печінці, серці, надниркових залозах і в ембріональній тканині. Реакції пентозного циклу протікають у цитоплазмі клітин. їх поділяють на реакції окислювального і неокислю-вального перетворення пентозофосфатів з утворенням вихідного глюкозо-6-фосфату:

15*

Схема перетворення лентозофосфатів

- Пентозний цикл розпочинається з окисленням глюкозо-6-фосфату до лактон-6-фосфоглюконової кислоти. Реакцію каталізує специфічна дегідрогеназа, коферментом якої є НАДФ+:

он он

і і

сн₂-о-р=о сн₂-о-р=о

н он Глюкозо-6- _ы J—о г»н

^u" фосфатдепдрогеназа ЧАГ \ ° '*

>\У^И % ^{+ НАДФ} — Кон н>=° + над • н + н.

Лактон-6-фосфоглюконова кислота, що утворилася, нестійка і досить швидко гідролізуе з утворенням 6-фосфоглюконової кислоти. Реакція відбувається за участю ферменту глюконолактонази:

он соон

І сн_а-о-р = о

н/І-Ч он

Лактон-6-фосфо глюконойз кислота

Далі 6-фосфоглюконова кислота піддається дегідруванню і декар-боксилюванню. Реакцію каталізує декарбоксилюючий фермент фос-фоглюконатдегідрогеназа. За цих умов 6-фосфоглюконова кислота перетворюється на З-кето-6-фосфоглюконову кислоту, при декарбокси-люванні якої утворюється рибулозо-5-фосфат:

СООН

Під впливом специфічної ізомерази рибулозо-5-фосфат здатний перетворюватися в іншу фосфопентозу — ксилулозо-5-фосфат. Крім того, під дією специфічної ізомерази рибулозо-5-фосфат легко перетво-

рюеться на рибозо-5-фосфат. Між цими формами фосфопентоз встановлюється динамічна рівновага:

О

^чн сн₂о h\ CHjOH

H-C-OH C=0 C=0

I * J

H—C—OH H—C-OH HO—C—H

H-C—OH H-C-OH H-C-OH

/OH I /OH I /OH

CHj-O—P=-0 СН,-0-Р==О_л CH₂-0-P^O

^чон ^xoft ^чон.

Рибозо-5-фосфат Рибулозо-5-фосфат Ксилулозо-5-фосфат

На цьому завершується перша окислювальна стадія пентозного циклу, яку схематично можна зобразити так:

Глюкозо-6-фосфат -}- 2НАДФ+ -у Пентозо-5-фосфат + 2НАДФ ■ Н + Н+ + С0₈.

Цією стадією пентозофосфатний цикл перетворення глкжозо-6-фосфату може завершуватись. Однак за певних умов він може і продовжуватись. При цьому наступає друга стадія, не пов'язана з використанням кисню і здатна проходити в анаеробних умовах. На цій стадії утворюються сполуки, характерні для початкової стадії гліколізу (фрукто-зо-6-фосфат, фосфотріози), та істинні субстрати пентозного циклу — седогептулозо-7-фоефат, пеитозо-5-фосфат і еритрозо-4-фосфат.

Для другої стадії пентозного циклу характерними є дві основні реакції —транскетолазна і трансальдолазна, які каталізуються від- • повідними ферментами. Так, за участю ферменту транскетолази взаємодіють між собою ізомери пентозо-5-фосфатів. Суть даної реакції полягає в перенесенні глікольальдегідного залишку від ксилулозо-5-фосфату до рибозо-5-фосфату. Перенесення цього двовуглецевого залишку відбувається за участю коферменту транскетолази — тіамінпіро-фосфату. Внаслідок реакції утворюються семнвутлецева сполука седогеп-тулозо-7-фосфат і тривуглецева сполука 3-фосфогліцериновий альдегід:

с=о Пн

Сн2—o-pf о

Седогептулозо-7-фосфат З-Фосфогліцериновий

альдегід

Далі проходить трансальдолазна реакція між седогептулозо-7-фос-фатом і 3-фосфогліцериновим альдегідом. Фермент трансальдолаза, що каталізує цю реакцію, забезпечує перенесення триЕуглецевої сполуки — дигідроксіацетону — від седогептулозо-7-фосфату до 3-фос-фогліцеринового альдегіду. За цих умов утворюються фруктозо-б-фосфат і еритрозо-4-фосфат:

На наступному етапі транскетолазна реакція повторюється, але вже не між ізомерами пентоз, як у першому випадку, а між пентозою та еритрозою (ксилулозо-5-фосфатом і еритрозо-4-фосфатом). При цьому утворюються фруктозо-6-фосфат і 3-фосфогліцериновий альдегіді

^р~....................... і /О

СН,ОН1................ -.............. -*С?

І І^хн

J „ Н-С—ОН

н-с-он он І * /он

с'н^-о-р^о ^сн-°-^р^8н

^хон

Ксилул озо-5-фосфат Еритрозо-4 -фосфат

СН₂ОН

С-о с4

І чі

НО-С—Н

->- Н—С—ОН + Н—С—ОН

І І /ОН

Н—С—ОН СНо—О—Р=0

І . он \он.

СН₂—О—Р^О

\он

Фруктозо-6-фосфат З-Фосфогліцеринопий

альдегід

Фруктозо-6-фосфат, що утворився в альдолазиій і кетолазній реакціях, за участю ферменту гексозо-6-фосфатізомерази перетворюється на глюкозо-6-фосфат:

СН_аОН _уО

І С<*

С=0 |^ХН

но—с—н н—с—он

Глюкозо-6-фосф«т1»омср«»«

н—с—он *• ^г но—с—н

н-с-он н-с-он

сн,—о—о—р4о н-с—он

Х)Н І /ОН

сн_а—о—р^о \он.

Фруктозо-6-фосфат Глюкозо-6-фосфат

Як зазначалось вище, з шести молекул глюкозо-6-фосфату, які вступили в пенгозний цикл, утворюється шість молекул рибулозо-

5-фосфату і шість молекул С0₂. Далі з шести молекул рибулозо-5-фосфату регенерується п'ять молекул глюкозо-6-фосфату. При цьому слід підкреслити, що молекула глюкозо-6-фосфату за пентозним циклом повністю не окислюється. Шість молекул С0₂ за цих умов утворюються внаслідок відщеплення Q-вуглецю від шести молекул глюкозо-6-фосфату. Сумарне рівняння перетворення глюкозо-6-фосфату за пентозним циклом можна подати так:

Отже, виходячи з сумарного рівняння, бачимо, що при повному окисленні 1 молекули глюкози утворюється 12 молекул відновленого НАДФ, які в процесі окислення в мітохондріях можуть дати 12 • 3 = 36 молекул АТФ. У макроергічиих зв'язках 36 молекул АТФ зосереджено 36 • 42 = 1^512 кДж енергії. Однак останнім часом прийнято вважати, що утворені за пентозним циклом відновлені форми НАДФ використовуються в основному в процесах синтезу різних сполук (жирних кислот, холестерину тощо) в організмі.

За пентозним циклом, як зазначалось раніше, розкладається невелика кількість вуглеводів. Однак він має досить важливе значення для організму. Так, за рахунок иентозного циклу майже на 50 % задовольняється потреба організму в НАДФ • Н -f H+. Пентозний цикл забезпечує організм також пентозами, необхідними для синтезу нуклеїнових кислот па багатьох кофак торів ферментів.