Pentosofosfátový cyklus

Pentosofosfátový cyklus, nebo také pentózový cyklus se nazývá 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 pentosofosfátový cyklus probíhá hlavně v játrech, tukové tkáni, mléčných žlázách, vaječních, varlatech a kůře nadlevinek.

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 pentosofosfátový cyklus. Pro živočišné a houbí buňky je pentosofosfátový cyklus hlavním zdrojem redukované formy tohoto kofaktoru (u rostlin takto slouží světelná fáze fotosyntézy).

Pentosofosfátový cyklus lze zapsat souhrnou 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]

[editovat] Oxidace a vznik NADH

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.

[editovat] Epimerizace a isomerizace

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

[editovat] Transketolázové a transaldolázové reakce

transketolázy

transaldolázy

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

[editovat] Transketolázy

Podrobnější informace naleznete v článku ketolázy.

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).

[editovat] Transaldolázy

Podrobnější informace naleznete v článku aldolázy.

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

[editovat] NADP⁺/NADPH

NADP⁺ neboli nikotinamiddinukleotidfosfát 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 k transportu protonů (H⁺) a elektronů (e^-) do dýchacího řetězce v mitochondrii, kde jsou využity nepřímo na syntézu ATP, NADP⁺/NADPH je využíván v cytoplazmě k syntetickým procesům (např. syntéza mastných kyselin, syntéza steroidních látek, syntéza oxidu dusnatého). NADPH je také využíváno makrofágy k produkci baktericidních kyslíkových radikálů (peroxidový, superoxidový), pomocí enzymu NADPH oxidázy (tzv. oxidační/respirační vzplanutí)^[3]

NADP+	NADPH

[editovat] Enzymy pentosofosfátového cyklu

[editovat] Regulace pentosofosfátového cyklu

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

[editovat] Poruchy pentosofosfátového cyklu

Přibližně 400 miliónů 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 čevených 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 oxidordukční 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 oxidován glutathionperoxidázou za tvorby S-S můstku mezi dvěma molekulami glutathionu (GSSG):

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

K 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]

[editovat] Propojení pentosofosfátového cyklus 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, glyceraldehyd-3-fosfát.

[editovat] Související články

• glykolýza
• fotosyntéza
• syntéza mastných kyselin
• ribóza
• oxid dusnatý
• NADPH-oxidáza
• makrofág
• anémie
• malárie

[editovat] Zdroje

[editovat] Reference

1. ↑ ^{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-10: 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.

[editovat] 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-10: 0-471-74268-6
• Murrey RK, Granner DK, Mayes PA, Rodwell VW. „Harper’s illustrated biochemistry“ 26th edition (2003), The McGraw-Hill Companies, Inc, ISBN: 0-07-138901-6

[editovat] Externí odkazy

• ekniha (v angličtině) Biochemistry, Stryer, 5th edition