Pentózy fosfát dráha, také známý jako hexosová monofosfátu zneužívání, je základní metabolickou cestou, jejíž konečný produkt je ribózami, nezbytné pro nukleotid a cesty syntézy nukleových kyselin, jako je například DNA, RNA, ATP, NADH, FAD a koenzym A.
Produkuje také NADPH (nikotinamid adenin dinukleotid fosfát), který se používá při různých enzymatických reakcích. Tato cesta je velmi dynamická a je schopna přizpůsobit své produkty v závislosti na momentálních potřebách buněk.
ATP (adenosintrifosfát) je považován za „energetickou měnu“ buňky, protože její hydrolýza může být spojena s celou řadou biochemických reakcí.
Stejně tak je NADPH nezbytnou druhou energetickou měnou pro redukční syntézu mastných kyselin, syntézu cholesterolu, syntézu neurotransmiterů, fotosyntézu a detoxikační reakce.
Ačkoliv NADPH a NADH mají podobnou strukturu, nemohou být při biochemických reakcích zaměnitelně použity. NADPH se podílí na využití volné energie při oxidaci určitých metabolitů pro redukční biosyntézu.
Naproti tomu NADH se podílí na využití volné energie z oxidace metabolitů k syntéze ATP.
Historie a umístění
Indikace o existenci této cesty začala v roce 1930 díky výzkumníkovi Ottovi Warburgovi, který je zasvěcen objevem NADP +.
Některá pozorování umožnila objev cesty, zejména pokračování dýchání v přítomnosti inhibitorů glykolýzy, jako je fluoridový ion.
Poté, v roce 1950, vědci Frank Dickens, Bernard Horecker, Fritz Lipmann a Efraim Racker popsali cestu pentózového fosfátu.
Tkáně zapojené do syntézy cholesterolu a mastných kyselin, jako jsou mléčné žlázy, tuková tkáň a ledviny, mají vysoké koncentrace enzymů pentózofosfátu.
Játra jsou také důležitou tkání pro tuto dráhu: přibližně 30% oxidace glukózy v této tkáni nastává díky enzymům pentózofosfátové dráhy.
Funkce
Penta-fosfátová cesta je zodpovědná za udržování homeostázy uhlíku v buňce. Dráha rovněž syntetizuje prekurzory nukleotidů a molekul podílejících se na syntéze aminokyselin (stavební bloky peptidů a proteinů).
Je to hlavní zdroj redukční energie pro enzymatické reakce. Kromě toho poskytuje nezbytné molekuly pro anabolické reakce a pro obranné procesy proti oxidačnímu stresu. Poslední fáze cesty je kritická v redoxních procesech ve stresových situacích.
Fáze
Dráha pentózového fosfátu sestává ze dvou fází v buněčném cytosolu: oxidační, která generuje NADPH s oxidací glukóza-6-fosfátu na ribosu-5-fosfát; a neoxidační, který zahrnuje vzájemnou přeměnu tří, čtyř, pěti, šesti a sedmi uhlíkových cukrů.
Tato cesta představuje reakce sdílené s Calvinovým cyklem a s Entner - Doudoroffovou cestou, což je alternativa k glykolýze.
Oxidační fáze
Oxidační fáze začíná dehydrogenací glukózy-6-fosfátové molekuly na uhlíku 1. Tato reakce je katalyzována enzymem glukóza-6-fosfát dehydrogenáza, který má vysokou specificitu pro NADP +.
Produktem této reakce je 6-fosfonoglukon-5-lakton. Tento produkt se potom hydrolyzuje enzymem laktonázou, čímž se získá 6-fosfoglukonát. Posledně jmenovaná sloučenina je absorbována enzymem 6-fosfoglukonát dehydrogenáza a stává se 5-fosfátem ribulózy.
Enzym fosfopentóza isomeráza katalyzuje poslední krok oxidační fáze, která zahrnuje syntézu ribosy 5-fosfátu izomerizací ribulosy 5-fosfátu.
Tato série reakcí produkuje dvě molekuly NADPH a jednu molekulu 5-fosfátu ribózy pro každou molekulu 6-fosfátu glukózy, která vstupuje do této enzymatické dráhy.
V některých buňkách jsou požadavky na NADPH vyšší než požadavky na 5-fosfát ribózy. Enzymy transketolasa a transaldolasa tedy berou 5-fosfát ribózy a přeměňují ji na glyceraldehyd 3-fosfát a fruktóza 6-fosfát, čímž se uvolňuje neoxidační fáze. Tyto poslední dvě sloučeniny mohou vstoupit do glykolytické dráhy.
Neoxidační fáze
Fáze začíná epimerizační reakcí katalyzovanou enzymem pentóza-5-fosfát epimeráza. Ribulóza-5-fosfát je absorbován tímto enzymem a převeden na xylulos-5-fosfát.
Produkt je absorbován enzymem transketolasou, která působí společně s koenzymem thiamin-pyrofosfátem (TTP), který katalyzuje průchod xylulóza-5-fosfátu na ribosu-5-fosfát. Převodem ketosy na aldosu vznikají glyceraldehyd-3-fosfát a sedoheptulos-7-fosfát.
Enzym transaldolasa poté přenáší C3 z molekuly sedoheptulosa-7-fosfátu na glyceraldehyd-3-fosfát, čímž se vytvoří čtyřuhličitý cukr (erythrosa-4-fosfát) a šestikarbonový cukr (fruktóza-6) -fosfát). Tyto produkty jsou schopné krmit glykolytickou dráhu.
Transketosální enzym znovu působí na přenos C2 z xylulóza-5-fosfátu na erytrosu-4-fosfát, což má za následek fruktózu-6-fosfát a glyceraldehyd-3-fosfát. Stejně jako v předchozím kroku mohou tyto produkty vstoupit do glykolýzy.
Tato druhá fáze spojuje cesty, které vytvářejí NADPH, s těmi, kdo jsou zodpovědní za syntézu ATP a NADH. Kromě toho produkty fruktóza-6-fosfát a glyceraldehyd-3-fosfát mohou vstoupit do glukoneogeneze.
Související nemoci
Různé patologie souvisejí s cestou pentózofosfátu, mezi těmito neuromuskulárními chorobami a různými typy rakoviny.
Většina klinických studií se zaměřuje na kvantifikaci aktivity glukóza-6-fosfát dehydrogenázy, protože je hlavním enzymem zodpovědným za regulaci dráhy.
V krevních buňkách náležejících jednotlivcům citlivým na anémii vykazují nízkou enzymatickou aktivitu glukóza-6-fosfátdehydrogenázy. Naopak buněčné linie související s karcinomy v hrtanu vykazují vysokou enzymatickou aktivitu.
NADPH se podílí na produkci glutathionu, klíčové peptidové molekuly v ochraně proti reaktivním druhům kyslíku, podílejícím se na oxidačním stresu.
Různé typy rakoviny vedou k aktivaci pentózové dráhy a jsou spojeny s procesy metastázy, angiogeneze a reakcemi na chemoterapii a radioterapii.
Na druhé straně se chronické granulomatózní onemocnění vyvíjí, když je nedostatek produkce NADPH.
Reference
- Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L (2002). Biochemie. WH Freeman
- Konagaya, M., Konagaya, Y., Horikawa, H., & Iida, M. (1990). Dráha fosforečnanu pentosového u neuromuskulárních onemocnění - hodnocení aktivity svalové glukózy 6 - fosfát dehydrogenázy a obsahu RNA. Rinsho shinkeigak. Klinická neurologie, 30 (10), 1078-1083.
- Kowalik, MA, Columbano, A., & Perra, A. (2017). Vznikající role pentózofosfátové dráhy v hepatocelulárním karcinomu. Hranice v onkologii, 7, 87.
- Patra, KC a Hay, N. (2014). Penta-fosfátová cesta a rakovina. Trendy v biochemických vědách, 39 (8), 347–354.
- Stincone, A., Prigione, A., Cramer, T., Wamelink, M., Campbell, K., Cheung, E.,… & Keller, MA (2015). Návrat metabolismu: biochemie a fyziologie pentózofosfátové dráhy. Biological Reviews, 90 (3), 927–963.
- Voet, D., & Voet, JG (2013). Biochemie. Artmed Editor.