Put pentoza fosfata

Put pentoza fosfata (engl. Penthose phosphate pathway, PPP) je metabolički put kojim ćelije proizvode šećere sa pet atoma ugljenika (pentoze) i redukovani nikotinamid adenin dinukleotid fosfat (NADPH). Ovaj je metabolički put paralelan glikolizi i delomično s njom povezan. Kod većine organizama put pentoza fosfata se odvija u citoplazmi, jedino se kod biljaka odvija u plastidima^[1].

Tok ovog metaboličkog puta može biti podeljen u dve faze: oksidativnu i neoksidativnu.

Najvažniji metabolički produkti puta pentoza fosfata su:

redukorani koenzim NADPH. NADPH potom ulazi u različite procese biosinteze kao npr. masnih kiselina i holesterola,
riboza-5-fosfat, koji ulazi u procese sinteze nukleotida,
eritroza-4-fosfat, koji ulazi u proces sinteze aromatičnih aminokiselina.

Pentoze koje se unose putem hrane, kao rezultat razgradnje nukleinskih kiselina mogu biti metabolisane u putu pentoza fosfata.

Kod životinja se put pentoza fosfata odvija isključivo u citoplazmi. Organi u kojima je ovaj proces posebno aktivan su jetra, mlečna žlezda dojke, korteks nadbubrežne žlezde, jajnici i testisi. Proces je odsutan u mišićima. Put pentoza fosfata je jedan od najvažnijih načina sinteze molekula s redukujućim delovanjem i odgovoran je za 60% proizvodnje NADPH kod metabolizma čoveka.

NADPH u ćelijama ima ulogu inaktiviranja štetnog delovanja molekula koj izazivaju oksidativni stres. Enzim glutation reduktaza koristi NADPH kako bi redukovao oksidirani oblik glutationa (GSSG) u njegov redukovani oblik (GSH). Redukovani glutation se u daljim reakcijama koristi kao redukujući molekul koji pretvara potencijalno štetni vodonik peroksid (H₂O₂) u vodu. Ovaj je mehanizam posebno prisutan kod crvenih krvnih zrnaca (eritrocita) i njihov je jedini izvor NADPH.

Oksidativna faza

U ovoj faza metaboličkog puta odvijaju tri reakcije pri kojima se jedan molekul glukoze-6-fosfata pretvara u ribulozu-5-fosfat. Tokom reakcije dva molekula NADP⁺ se redukuju u NADPH^[2].

U sledećoj tabeli je sažet je tok enzimskih reakcija:

Reaktanti	Produkti	Enzim	Opis reakcije
Glukoza-6-fosfat + NADP⁺	→ 6-fosfoglukono-δ-lakton + NADPH	glukoza-6-fosfat dehidrogenaza	Dehidrogenacija. Hemiacetalna hidroksilna grupa smeštena na ugljeniku 1 glukoze 6-fosfat pretvara se u karbonilnu grupu, generirajući tako lakton. Pri tom se procesu stvara jedan molekul NADPH.
6-fosfoglukono-δ-lakton + H₂O	→ 6-fosfoglukonat + H⁺	6-fosfoglukonolaktonaza	Hidroliza
6-fosfoglukonat + NADP⁺	→ ribuloza 5-fosfat + NADPH + CO₂	6-fosfoglukonat dehidrogenaza	Oksidativna dekarboksilacija. Tokom ove reakcije NADP⁺ se redukuje u još jedan molekul NADPH, i kao produkt nastaje ugljen dioksid (CO₂) i ribuloza 5-fosfat.

Zbirna stehiometrijska jednačina oksidativne faze je:

Glukoza-6-fosfat + 2 NADP⁺ + H₂O → ribuloza-5-fosfat + 2 NADPH + 2 H⁺ + CO₂

Neoksidativna faza

U ovoj fazi puta pentoza fosfata, koja se sastoji od niza složenih reakcija, dolazi do konverzije ribuloze-6-fosfata u konačne produkte gliceraldehid-3-fosfat i fruktozu-6-fosfat. Ovi produkti potom ulaze u proces glikolize kao reaktanti. Sve enzimatske reakcije neoksidativne faze su reverzibilne i zavise od koncentracije različitih supstrata.^[2]

Prva je reakcija epimerizacija konačnog produkta oksidativne faze, šećera ribuloze-6-fosfata u ksilulozu-5-fosfat od strane enzima pentoza-5-fosfat epimeraze. Ribuloza-5-fosfat može ući i u reakciju izomerizacije preko enzima pentoza-5-fosfat izomeraze pri čemu nastaje riboza-5-fosfat.

U sledećoj fazi ksiluloza-5-fosfat i riboza-5-fosfat ulaze u proces rekombiniranja dva atoma ugljenika od strane enzima transketolaze pri čemu nastaju sedoheptuloza-7-fosfat i gliceraldeid-3-fosfat.

Ova dva produkta postaju supstrati sledeće reakcije rekombiniranja atoma ugljenika od strane enzima transaldolaze i kao produkt nastaju fruktoza-6-fosfat i eritroza-4-fosfat. Frukoza-6-fosfat može direktno da ide u proces glikolize kao supstrat, dok se eritroza-4-fosfat mora dodatno obraditi. Enzim transketolaza rekombinuje ugljenikove atome eritroze-4-fosfata s ksilulozom-5-fosfat dobijenom iz prve reakcije epimerizacije i kao produkti nastaju fruktoza-6-fosfat i gliceraldeid-3-fosfat. Oba novonastala produkta mogu ući u glikolizu kao supstrati. Osim u proces glikolize, fruktoza-6-fosfat i gliceraldeid-3-fosfat mogu ući i u metabolički put glukoneogeneze ako organizam ima potrebu za sintezom glukoze.

Na slici je prikazana skica neoksidativne faze puta pentoza fosfata:

Sve enzimatske reakcije neoksidativne faze puta pentoza fosfata sažete su u sledećoj tabeli:

Reaktanti	Produkti	Enzim
ribuloza-5-fosfat	→ riboza-5-fosfat	ribuloza-5-fosfat isomeraza
ribuloza-5-fosfat	→ ksiluloza-5-fosfat	Ribuloza-5-fosfat 3-epimeraza
ksiluloza-5-fosfat + riboza-5-fosfat	→ gliceraldehid-3-fosfat + sedoheptuloza-7-fosfat	transketolaza
sedoheptuloza-7-fosfat + gliceraldeid-3-fosfat	→ eritroza-4-fosfat + fruktoza-6-fosfat	transaldolaza
ksluloza-5-fosfat + eritroza-4-fosfat	→ gliceraldehid-3-fosfat + fruktoza-6-fosfat	transketolaza

Regulacija puta pentoza fosfata u tkivima

Ovaj je metabolički put izuzetno prilagodljiv potrebama ćelije za različitim supstratima zahvaljujući povratnosti enzimatskih reakcija. Reakcije će se odvijati u određenom smeru zavisno od koncentracije i potreba ATP, NADPH, riboze-5-fosfata, piruvata ili acetil-CoA u ćeliji.

Prvi enzim u nizu reakcija, glukoza-6-fosfat dehidrogenaza je najviše podložan regulaciji. Inhibiran je visokim koncentracijama NADPH u citoplazmi, pošto je to produkt reakcije. Odnos NADPH/NADP⁺ veći od 10 inhibira aktivnost enzima za više od 90%. Ostali inhibitori ovog enzima su ADP i AMP, dok ATP ima ulogu aktivatora.

Put pentoza fosfata je izuzetno snažno aktiviran u ćelijama masnog tkiva, gde postoji višak glukoze, koja se pretvara u masne kiseline i velika potreba za NADPH, koji ulazi u proces biosinteze masnih kiselina. Kao produkt osidativne faze puta pentoza fosfata nastaje NADPH, kojeg ćelija odmah koristi kao kofaktor, dok se riboza-5-fosfat do kraja transformiše u fruktozu-6-fosfat i gliceraldeid-3-fosfat koji ulaze u reakciju glikolize. Ćelije masnog tkiva nisu posebno aktivne u replikaciji, stoga nemaju posebnu potrebu akumuliranja riboze, pošto je sinteza nukleinskih kiselina minimalna. Glikoliza daje ćeliji acetil-CoA kao konačni produkt, koji je osnovni supstrat za sintezu masnih kiselina. U mišićnom su tkivu potrebe za NADPH vrlo male, dok su potrebe za glukozom-6-fosfatom velike, stoga će put pentoza fosfata biti neaktivan.^[3]

Ćelije koje se nalaze u fazi aktivne replikacije imaju velike potrebe za ribozom-5-fosfat kako bi moglo doći do sinteze nukleinskih kiselina. Kod tih stanica može doći do inverzije neoksidativne faze puta pentoza fosfata, pri čemu dolazi do formiranja riboze-5-fosfata počevši od gliceraldehida-3-fosfat i fruktoze-6-fosfata kao početnih supstrata.^[4]

Reference

^ Kruger NJ, von Schaewen A (2003). „The oxidative pentose phosphate pathway: structure and organisation”. Curr. Opin. Plant Biol. 6 (3): 236—46. PMID 12753973. doi:10.1016/S1369-5266(03)00039-6.
^ ^а ^б Wamelink MM, Struys EA, Jakobs C. The biochemistry, metabolism and inherited defects of the pentose phosphate pathway: a review. J Inherit Metab Dis. prosinac 2008.; 31(6):703-17. Review
^ Mailloux RJ, Harper ME. Glucose regulates enzymatic sources of mitochondrial NADPH in skeletal muscle cells; a novel role for glucose-6-phosphate dehydrogenase.FASEB J. srpanj 2010.; 24(7):2495-506.
^ Early Phagocytosis of Glucose-6-Phosphate Dehydrogenase (G6PD)-Deficient Erythrocytes Parasitized by Plasmodium falciparum May Explain Malaria Protection in G6PD Deficiency Архивирано на сајту Wayback Machine (28. август 2009)

Spoljašnje veze

The chemical logic behind the pentose phosphate pathway
Pentose+Phosphate+Pathway на US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)
Pentose phosphate pathway Map - Homo sapiens

[1] Kruger NJ, von Schaewen A (2003). „The oxidative pentose phosphate pathway: structure and organisation”. Curr. Opin. Plant Biol. 6 (3): 236—46. PMID 12753973. doi:10.1016/S1369-5266(03)00039-6.

[Wamelink-2] а ^б Wamelink MM, Struys EA, Jakobs C. The biochemistry, metabolism and inherited defects of the pentose phosphate pathway: a review. J Inherit Metab Dis. prosinac 2008.; 31(6):703-17. Review

[3] Mailloux RJ, Harper ME. Glucose regulates enzymatic sources of mitochondrial NADPH in skeletal muscle cells; a novel role for glucose-6-phosphate dehydrogenase.FASEB J. srpanj 2010.; 24(7):2495-506.

[4] Early Phagocytosis of Glucose-6-Phosphate Dehydrogenase (G6PD)-Deficient Erythrocytes Parasitized by Plasmodium falciparum May Explain Malaria Protection in G6PD Deficiency Архивирано на сајту Wayback Machine (28. август 2009)

[1]

[2]

[3]

[4]