Put pentoza fosfata B. Mildner Put pentoza fosfata Svrha ovog puta je: A) da se stanici omogući dovoljno NADPH, koji služi kao reducens u biosintetskim reakcijama kao i u zaštiti stanica od kisikovih radikala. B) da se stanici osigura dovoljne količine riboze, kako bi se provela sinteza nukleinskih kiselina. Opća jednadžba za oksidativni dio puta: Glukoza-6-fosfat + 2NADP + + H 2 O ribuloza-5-fosfat + 2NADPH + 2H + + CO 2 1
Metabolički putovi koji koriste NADPH Put pentoza fosfata 1. U oksidativnom dijelu puta nastaje NADPH i riboza fosfat koja je preteča nukleinskim kiselinama i koenzimima. 2. U neoksidativnom dijelu međusobno se pretvaraju fosforilirani šećeri koji onda ovaj put povezuju s glikolizom. 2
Prva reakcija oksidativnog puta pentoza fosfata Prva reakcija puta pentoza fosfata je oksidacija glukoza 6-fosfata pomoću glukoza 6-fosfat dehidrogenaze (G6PD) te nastaje 6- fosfoglukono-δ-lakton. NADP + je akceptor elektrona i ravnoteža reakcije je u smjeru nastajanja NADPH. Druga reakcija oksidativnog puta pentoza fosfata Lakton se hidrolizira u kiselinu, 6-fosfoglukonat, pomoću laktonaze 3
Treća reakcija oksidativnog puta pentoza fosfata Iz 6-fosfoglukonata, oksidacijom i dekarboksilacijom, što katalizira 6- fosfoglukonat dehidrogenaza, nastaje ketopentoza odnosno ribuloza 5- fosfat. U ovoj se reakciji NADP + ponovno reducira u NADPH. Prikaz reakcija oksidativnog dijela puta pentoza fosfata U ovom dijelu puta nastaju dvije molekule NADPH i jedna molekula pentoza fosfata. 4
Bilanca oksidativnog dijela puta pentoza fosfata Ribuloza 5-fosfat može se izomerazom pretvoriti u riboza-5-fosfat (aldozu) ili fosfopentoza epimerazom u ksiluloza-5-fosfat (ketozu). Mnoga tkiva ne trebaju riboza-5-fosfat te pretvaraju riboza-5-fosfat u gliceraldehid-3- fosfat i fruktoza-6-fosfat. Transketolaze i transaldolaze omogućavaju ove pretvorbe. Bilanca oksidativnog dijela puta pentoza fosfata glukoza 6-fosfat + 2NADP + + H 2 O riboza 5-fosfat + CO 2 + 2NADPH + 2H + Ukupni rezultat je proizvodnja NADPH koji je reducens u biosintetskim reakcijama, kao i riboza 5-fosfat koja je preteča u sintezi nukleotida. 5
Put pentoza fosfata i glikolizu povezuju transketolaze i transaldolaze Ribuloza 5-fosfat može se izomerazom pretvoriti u riboza-5-fosfat (aldozu) ili fosfopentoza epimerazom u ksiluloza-5-fosfat (ketozu). Mnoga tkiva ne trebaju riboza-5-fosfat te pretvaraju riboza-5-fosfat u gliceraldehid-3- fosfat i fruktoza-6-fosfat. Transketolaze i transaldolaze omogućavaju ove pretvorbe. Neoksidativne reakcije puta pentoza fosfata povezuju put pentoza fosfata s glikolizom Ove reakcije pretvaraju pentoza fosfate u heksoza fosfate što omogućava dalje provođenje oksidativnih reakcija. Specifični enzimi ovog puta su transketolaza i transaldolaza. Ostali enzimi koji kataliziraju pojedine reakcije ovog puta sudjeluju i u glikolitičkom ili pak putu glukoneogeneze. 6
Put pentoza fosfata i glikolizu povezuju transketolaze i transaldolaze Transketolaze i transaldolaze povezuju put pentoza fosfata s glikolizom jer kataliziraju tri uzastopne reakcije: C5 + C5 C3 + C7 C3 + C7 C6 + C4 C4 + C5 C6 + C3 Tako da je ukupno: 3C5 2C6 + C3 odnosno pretvorbom 3 pentoze nastaju 2 heksoze i jedna trioza. Transketolaza katalizira prijenos jedinice od dva ugljika s donora ketoze na akceptor alodozu Općenita shema reakcije transketolaza. Transketolaza prenosi 2 ugljikova atoma (2 C jedinice) sa ketoze (donora) na aldozu (akceptor). 7
Općenita reakcija transaldolaza Na aldozu, akceptor, reakcijom koju kataliziira transaldolaza, prenose se 3 C jedinice sa ketoze (donora), te nastaje ketoza. Neoksidativne reakcije puta pentoza fosfata Shematski prikaz kako se 6 pentoza (5C) pretvaraju u 5 heksoza (6C). Tijekom ove pretvorbe dolazi do pregradnji koje su prikazane na prethodnom dijapozitivu. Svaka prikazana pregradnja je reverzibilna. Jednosmjerne strelice su korištene samo kako bi se ukazalo na smjer reakcija tijekom kontinuirane oksidacije glukoza 6-fosfata. U reakcijama fotosinteze, koje ne ovise o svjetlu, smjer prikazanih reakcija je suprotan. 8
Transketolaza katalizira prijenos jedinice od dva ugljika s donora ketoze na akceptor alodozu Pretvorba dvije molekule pentoza fosfata u trioza fosfat i seduheptuloza 7- fosfat, fosfat šećera sa 7 C-atoma. U ovoj prvoj reakciji transketolaza prenosi C-1 i C-2 sa ksiluloza-5-fosfata na riboza-5-fosfat, pri čemu nastaju seduheptuloza-7-fosfat i gliceraldehid-3- fosfat. Transaldolaza katalizira prijenos tri ugljikova atoma na gliceraldehid U drugoj reakciji transaldolaza uklanja 3 ugljikove jedinice sa seduheptuloza- -7-fosfata (ketoze) te ih donira gliceraldehid-3-fosfatu (aldozi). Ovom reakcijom nastaju eritroza-4-fosfat (aldoza) i fruktoza-6-fosfat (ketoza). 9
Transketolaza prenosi dvije C-jedinice sa ksiluloza-5-fosfata na eritroza-4-fosfat. U trećoj reakciji, transketolaza prenosi s ksiluloza-5-fosfata (ketoza) dvije jedinice ugljikovih atoma na eritroza-4-fosfat (aldoza), te nastaje gliceraldehid-3-fosfat (aldoza) i fruktoza-6-fosfat (ketoza). U završnoj reakciji puta pentoza fosfata, ukoliko je potrebno, fruktoza-6-fosfat pretvara se pomoću heksoza izomeraze u glukoza-6-fosfat. Put pentoza fosfata i glikolizu povezuju transketolaze i transaldolaze Sumarno, ove tri reakcije daju: 2 ksiluloza-5-fosfat + riboza-5-fosfat 2 fruktoza-6-fosfat + gliceraldehid-3-fosfat Kako se ksiloza-5-fosfat djelovanjem fosfopentoza epimeraze i fosfopentoza izomeraze može pretvoriti u riboza-5-fosfat Suma ove tri reakcije je: 3 riboza-5-fosfat 2 fruktoza-6-fosfat + gliceraldehid-3-fosfat Prema tome, višak riboza-5-fosfata koji nastaje u oksidativnom dijelu puta pentoza fosfata, djelovanjem transketolaze i transaldolaze može se pretvoriti u međuprodukte glikolitičkog puta. 10
Tablični prikaz reakcija puta pentoza fosfata Sažetak puta pentoza fosfata Dvije molekule gliceraldehid-3-fosfata koje nastaju tijekom dvije transketolazne reakcije mogu se pretvoriti pomoću aldolaze u fruktoza 1,6- bisfosfat kao što je to u glukoneogenezi. Djelovanjem FBPaze-1 i fosfoheksoza izomeraze fruktoza-1,6-bisfosfat pretvara se u glukoza-6- fosfat. U oksidativnom dijelu puta pentoza fosfata, prva i treća reakcija (reakcije u kojima nastaje NADPH) su oksidacije s velikom promjenom slobodne energije, pa su u stanici ireverzibilne. Reakcije neoksidativnog dijela puta pentoza fosfata su uglavnom reverzibilne i omogućavaju pretvorbe pentoza fosfata u heksoza fosfate i obratno. Svi enzimi puta pentoza fosfata nalaze se u citosolu kao što se to isto nalaze i enzimi uključeni u glikolizu odnosno glukoneogenezu. Ova tri puta povezana su preko nekoliko zajedničkih međuprodukata i enzima. Gliceraldehid 3-fosfat može se prevesti ili u glukoza-6-fosfat ili se može oksidirati do piruvata. Sudbinu trioza određuju stanične potrebe za pentoza fosfatima, NADPH i ATP. 11
Sažetak puta pentoza fosfata Glukoza 6-fosfat koji nastaje putom pentoza fosfata koristi se ili u glikolizi ili se može ponovno koristiti u putu pentoza fosfata. Da li će glukoza 6-fosfat ući u glikolizu ili u put pentoza fosfata ovisi o trenutačnim potrebama stanice kao i o koncentraciji NADP + u citoplazmi. Bez ovog akceptora elektrona prva reakcija puta pentoza fosfata (reakcija koju katalizira G6PD) ne može se provesti. Kada stanica brzo pretvara NADPH u NADP +, kao što je to u biosintetskim reakcijama, koncentracija NADP + se povećava te alosterički stimulira G6PD, pa se protok glukoza-6-fosfata kroz put pentoza fosfata povećava. Kada se smanji potreba za NADPH, smanjuje se i koncentracija NADP +, te se usporava put pentoza fosfata, a glukoza-6-fosfat koristi se za glikolizu. Uloga NADPH u regulaciji korištenja glukoza-6-fosfata između glikolize i puta pentoza fosfata. Kada NADPH nastaje brže nego što se iskorištava u biosintetskim reakcijama, ili u reakcijama detoksifikacije, koncentracija NADPH se povećava i inhibira prvi enzim puta pentoza fosfata, tj. glukoza-6-fosfat dehidrogenazu (G6PD). Sudbina glukoza-6-fosfata ovisi o koncentracijama NADPH, riboza-5- fosfata i ATP. 12
Sudbina glukoza-6-fosfata ovisi o NADPH, riboza-5- fosfatu i ATP Veća je potreba za riboza-5-fosfatom nego za NADPH. U tom slučaju najveća količina glukoza-6- fosfata pretvorit će se glikolizom do fruktoza-6- fosfata i gliceraldehid-3- fosfata koji će se onda neoksidativnim dijelom puta pentoza fosfata pretvoriti u riboza-5- fosfat. 5 glukoza-6-fosfat + ATP 6 riboza-5-fosfat + ADP + H + Sudbina glukoza-6-fosfata ovisi o NADPH, riboza-5- fosfatu i ATP Ujednačena je potreba i za riboza-5-fosfatom i za NADPH. Reakcije koje će se u ovom slučaju odvijati su: sinteza dvije molekule NADPH i riboza-5-fosfata iz jedne molekule glukoza-6-fosfata. To znači da se put pentoza fosfata zaustavlja nakon oksidativnog dijela puta. Glukoza-6-fosfat + 2NADP + + H 2 O riboza-5-fosfat + 2NADPH + H + + CO 2 13
Sudbina glukoza-6-fosfata ovisi o NADPH, riboza-5- fosfatu i ATP Potrebno je daleko više NADPH nego riboza-5-fosfata U ovom slučaju odvijat će se tri vrste reakcija: 1. oksidativni dio puta pentoza fosfata; 2. neoksidativni dio puta; 3. Iz trioza, glukoza će se resintetizirati reakcijama glukoneogeneze. Glukoza-6-fosfat + 12NADP + + 6H 2 O 6CO 2 + 12NADPH + 12 H + Biosintetički aktivna tkiva kojima je potrebna velika količina NADPH 14
Sudbina glukoza-6-fosfata ovisi o NADPH, riboza-5- fosfatu i ATP Potrebni su i NADPH i ATP. Riboza-5-fosfat koja nastaje u oksidativnom dijelu ciklusa pretvara se dalje glikolitičkim reakcijama u piruvat. 3 glukoza-6-fosfat + 6NADP + + 5NAD + + 5P i + 8ADP 5piruvat + 3CO 2 + 6NADPH + 5NADH + 8ATP + 2H 2 O + 8H + Glukoza-6-fosfat dehidrogenaza umanjuje oksidativni stres Glutation reduktaza GSSG + NADPH + H + 2 GSH + NADP + Glutation peroksidaza 2GSH + ROOH GSSG + H 2 O + ROH Nedostatak reduciranog glutationa (deficit glukoza-6- dehidrogenaze) dovodi do stvaranja agregata hemoglobina u eritrocitima. 15
Glukoza-6-fosfat dehidrogenaza umanjuje oksidativni stres Uloga NADPH i glutationa u zaštiti stanica od reaktivnih kisikovih radikala. Reducirani glutation (GSH) štiti stanicu jer uništava vodikov peroksid i slobodne hidroksilne radikale. Za regeneraciju GSH iz njegovog oksidiranog oblika (GSSG) potreban je NADPH koji nastaje tijekom reakcije glukoza-6-fosfat dehidrogenaze. 16