Definition
Auch bekannt als Pentosephosphat-Shunt, Pentosephosphatweg (PPP) ist einer der Stoffwechselwege (die anderen sind Glykolyse und Krebs-Zyklus), der speziell dazu dient, NADPH zu produzieren (Reduziertes Nicotinamidadenindinukleotidphosphat ist eine reduzierte Form von NADP+) und Ribose-5-Triphosphat (PPP) ist eine reduzierte Form von R5P).,
Produkte des Pentosephosphatweges sind essentiell für die normale Zellfunktion und Proliferation und machen PPP somit zu einem der wichtigsten Stoffwechselprozesse in verschiedenen Organismen.
* Ribose 5 phosphat ist erforderlich für die synthese von nukleinsäure während NADPH ist essentiell für die Synthese verschiedener organischer Moleküle (nicht essentielle Aminosäuren, Sterole und Fettsäuren usw.)., Außerdem ist NADPH an der Umwandlung von oxidiertem Glutathion in Glutathion beteiligt, ein Prozess, der zur zellulären antioxidativen Abwehr beiträgt.
* In den meisten Organismen tritt der Pentosephosphatweg im Cytosol auf (hier befinden sich die meisten an den Prozessen beteiligten Enzyme). Bei Pflanzen treten jedoch einige Schritte des Weges in den Plastiden auf.,
Bei den meisten Organismen treten Stoffwechselwege im Cytosol (Zytoplasmamatrix/Zytoplasma) auf, in dem sich die Mehrheit der assoziierten Enzyme befindet. In einigen Organismen (Pflanzen, Parasiten, Protozoen usw.) treten jedoch einige der Schritte im Weg in einigen Organellen wie Glykosomen, dem endoplasmatischen Retikulum und Plastiden auf.
Im Allgemeinen kann der Pentosephosphatweg als ein Weg angesehen werden, der von der Glykolyse abzweigt., Während der Glykolyse wird Glucose, ein 6-Kohlenstoffmolekül, durch Zugabe einer Phosphatgruppe in Glucose-6-phosphat umgewandelt.
Dies geschieht durch einen Prozess, der als Phosphorylierung. Hier ist Hexokinase (oder Glukokinase in einigen Fällen) an der Zugabe der Phosphatgruppe auf den sechsten Glucose-Kohlenstoff beteiligt.,
Die Produktion von Glucose-6-phosphat wird allgemein als der wichtigste Schritt/die wichtigste Phase des Stoffwechsels angesehen, da es der Konvergenzpunkt für alle Stoffwechselwege einschließlich Glykogensynthese, Glykolyse und Pentosephosphatweg ist. Damit all diese Prozesse ablaufen, muss dieser Schritt erfolgen.
Nach der Produktion von Glucose-6-phosphat hängt die Art und Weise, wie der Pentosephosphatweg abläuft, weitgehend von den Bedürfnissen der Zelle ab., Aus diesem Grund ist es wichtig, vor der detaillierten Betrachtung des Weges mehrere Szenarien (in Bezug auf die zellulären Bedürfnisse) und deren Auswirkungen auf den Weg zu berücksichtigen.
Zelle erfordert sowohl ribose-5-Phosphat und NADPH – In einem Szenario, in dem die Zelle erfordert sowohl ribose-5-Phosphat und NADPH, dann Glukose-6-Phosphat betritt die oxidative phase, um diese Produkte herstellen., Für Zellen mit einem hohen Bedarf an den beiden Molekülen haben Studien gezeigt, dass nur die oxidative Phase auftritt. Hier kann also die nicht-oxidative Phase des Weges nicht stattfinden.
Bei dieser Reaktion erzeugt ein einzelnes Molekül Glucose-6-phosphat (in Gegenwart eines Wassermoleküls und NADP+) zwei (2) Moleküle NADPH und ein einzelnes Molekül Ribulose-5-Phosphat. Andere Produkte dieser Reaktionen umfassen Wasserstoffionen und Kohlendioxid.,
Einige der an der oxidativen Phase beteiligten Enzyme umfassen Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase (verantwortlich für die Produktion von NADPH), Lactonase (beteiligt an der Produktion von 6-Phosphogluconat) und 6-Phosphogluconat-Dehydrogenase, die an der Produktion von Ribulose-5-Phosphat und einem zusätzlichen Molekül NADPH beteiligt ist.
Eine Zelle benötigt ribose-5-phosphat – In einem Fall, in dem die Zelle höhere Mengen an Ribose-5-Phosphat als NADPH benötigt (z., zellen, die kurz vor der Zellteilung stehen und somit die Nukleinsäure replizieren müssen) gelangt das Glucose-6-phosphat in den glykolytischen Weg, um Fructose-6-phosphat und Glyceraldehyd-3-phosphat (GAP) zu produzieren.
Die beiden Moleküle sind dann an der Produktion von Ribose-5-phosphat durch die umgekehrte nicht-oxidative Phase beteiligt. Die oxidative Phase wird ebenfalls verhindert und daher wird NADPH nicht produziert. Im Gegensatz zum vorherigen Szenario wird hier ATP-Energie benötigt, um 6 Ribose-5-Phosphat-Moleküle zu erzeugen., Zusätzlich werden ADP und zwei (2) Ionen Wasserstoff erzeugt.
* In dieser Phase ist ATP erforderlich, um Fructose-6-phosphat (das im glykolytischen Prozess aus Glucose-6-phosphat hergestellt wurde) in Fructose-1,6-Bisphosphat umzuwandeln. Es ist Fructose 1,6 Bisphosphat, das dann in Glyceraldehyd 3-Phosphat (das an der Produktion von Ribose 5-Phosphat beteiligt ist) und Dihydroxyaceton Phosphat umgewandelt wird.,
Zelle erfordert hohe Mengen an NADPH – Das Dritte Szenario ist, wo die Zelle erfordert höhere Mengen an NADPH als ribose-5-Phosphat. Ein gutes Beispiel für solche Zellen sind Fettzellen (die an der Biosynthese von Fettsäuren beteiligt sind). Hier tritt Glucose 6-phosphat zuerst in die oxidative Phase ein, um Ribose 5-phosphat zu produzieren. Es folgt dann die nicht-oxidative Phase, die zur Produktion von Fructose 6-phosphat und Glyceraldehyd 3-phosphat führt.,
Die beiden Produkte der nicht-oxidativen Phase werden dann durch einen als Gluconeogenese bekannten Prozess in Glucose-6-phosphat umgewandelt. Hier ist es erwähnenswert, dass Glucose 6-phosphat während der oxidativen Phase ein Wassermolekül und NADP+ verwendet, um zwei Moleküle NADPH, Kohlendioxid und zwei Wasserstoffionen freizusetzen. Daher wird NADPH während der oxidativen Phase freigesetzt.,
Die nicht-oxidative Phase ermöglicht es auch, das produzierte Ribose-5-phosphat wieder in Glucose-6-phosphat umzuwandeln (sie werden recycelt) Wiederholen Sie den Prozess. Infolgedessen ist dieser Prozess in erster Linie an der Herstellung hoher NADPH-Mengen beteiligt, die von der Zelle benötigt werden.,
* Während die oxidative Phase für die Produktion des erforderlichen NADPH ausreicht, ermöglicht die nicht oxidative Phase das Recycling von Ribose-5-Phosphat in Glucose-6 – Phosphat
Zelle benötigt NADPH und ATP-Wie dies bei dem Szenario der Fall ist, bei dem die Zelle hohe Mengen an NADPH benötigt, umfasst dieses Szenario sowohl die oxidative als auch die nicht oxidative Phase. Die Endprodukte der nicht oxidativen Phase unterliegen jedoch keiner Glukoneogenese.,
Während der oxidativen Phase wird Glucose 6-phosphat in NADPH und Ribose 6-phosphat umgewandelt. Dieses Phosphat (Ribose 6-phosphat) tritt dann in die nicht oxidative Phase ein, um Fructose 6-phosphat und Glyceraldehyd 3-phosphat zu produzieren. Die beiden wiederum treten in den glykolytischen Weg ein, wo sie an der Produktion von Pyruvat und zwei ATP-Molekülen beteiligt sind.,
Oxidative und nicht oxidative Phasen
Wie bereits erwähnt, gibt es zwei Hauptphasen des Pentosephosphatwegs. Es hat sich gezeigt, dass die oxidative Phase des Weges in der Mehrzahl der eukaryotischen Zellen besonders aktiv ist und dazu dient, Glucose 6-phosphat in NADPH, Ribulose 5-phosphat sowie Kohlendioxid umzuwandeln.,
Die nicht-oxidative Phase hingegen hat sich als allgegenwärtig erwiesen, wenn Zwischenprodukte der Glykolyse ( Fructose 6-Phosphat und Glyceraldehyd 3-phosphat) metabolisiert werden, um Ribose 5-phosphat zu produzieren, das für die Synthese von Nukleinsäuren benötigt wird.
Darüber hinaus ist die Ribose auch an der Produktion von Zuckerphosphaten beteiligt, die als Vorläufer der Aminosäuresynthese dienen. Dieser Abschnitt konzentriert sich auf die verschiedenen Schritte/Stadien sowohl der oxidativen als auch der nicht oxidativen Phasen des Pentosephosphatwegs.,
Oxidative Phase
Wie bereits erwähnt, besteht die oxidative Phase des Pentosephosphatwegs darin, das Glukosemolekül (Glucose 6-Phosphat) zu oxidieren und letztendlich das dringend benötigte NADPH (ein Reduktionsmittel) zu produzieren.,
Diese Phase des Weges besteht aus mehreren wichtigen Schritten, die Folgendes umfassen:
Schritt 1 – In diesem Schritt der oxidativen Phase wird das Enzym Glucose 6-Phosphat-Dehydrogenase in Gegenwart von Glucose 6-Phosphat von NADP+ (ein universeller Elektronenakzeptor), wandelt Glucose 6-Phosphat in 6 phosphoglucono Delta Lacton.
Während dieser Reaktion akzeptiert das NADP+-Molekül, das ein Elektronenakzeptor ist, zwei Elektronen aus dem Glucose-6-Phosphat., Als Ergebnis wird eine reduzierte Form von NADP+ (NADPH) sowie ein zusätzliches Wasserstoffion gebildet. Durch die Freisetzung der beiden Elektronen wird Glucose 6-phosphat dann in 6-phosphoglucono-Delta-Lacton umgewandelt.
Schritt 2 – Der zweite Schritt der oxidativen Phase zielt darauf ab, die 6-phosphoglucono-Delta-Lacton zur Decarboxylierung (Entfernung der Carboxylgruppe aus dem Molekül)., Dazu wird das Molekül zuerst unter dem Einfluss von Lactonase (einem Protein, das an Hydrolysereaktionen beteiligt ist) hydratisiert.
Diese Reaktion wandelt das 6-Phosphoglucono-delta-Lacton in 6-Phosphogluconat und ein Wasserstoffion um. In dieser Form ist das Molekül zur Decarboxylierung bereit.
Schritt 3 – Dann wird das 6-Phosphogluconat decarboxyliert, um Ribulose 5-Phosphat (ein Pentose-oder 5-Kohlenstoffmolekül) zu bilden., Bei dieser Reaktion ist das Enzym 6-Phosphogluconat an der Decarboxylierung des 6-Phosphogluconatmoleküls beteiligt.
Diese Reaktion beinhaltet nicht nur die Entfernung der Carboxylgruppe auf dem Molekül (6-Phosphogluconat), um Kohlendioxid zu produzieren, sondern auch die Freisetzung von zwei Elektronen, die von NADP+ zur Bildung von NADPH akzeptiert werden. Hier führt die Reduzierung von NADP+ zum Nettoanstieg von NADPH.,
Schritt 4 – Die letzte Reaktion der oxidativen Phase, auch allgemein als Isomerisierungsreaktion bezeichnet, führt zur Bildung eines Isomers. Während dieser Reaktion ist das Enzym Phosphopentoseisomerase für die Umwandlung der Ribulose (Ribulose 5-Phosphat) in Ribose 5-Phosphat verantwortlich.
* Die Geschwindigkeit, mit der diese Reaktionen auftreten, hängt weitgehend von den Bedürfnissen der Zelle ab., Als Elektronenspender, der für die Reduktion oxidierter Verbindungen erforderlich ist, wird NADPH weitgehend für eine Reihe von Redoxreaktionen hergestellt, einschließlich reduktiver Biosynthese (z. B. bei der Synthese von Molekülen wie Steroidhormonen, Fettsäuren und nicht essentiellen Aminosäuren usw.), Entgiftung sowie Erzeugung von reaktivem Sauerstoff usw. Hier ergeben die Reaktionen NADP+ nach der Reduktion von NADPH.,
Im Allgemeinen kann die oxidative Phase des Pentosephosphatwegs wie folgt dargestellt werden:
Nicht-oxidative Phase des Pentosephosphats Pathway
Am Ende der Oxidationsphase produziert ein einzelnes Molekül Glucose 6-Phosphat zwei Moleküle NADPH und ein einzelnes Molekül Ribose 5-Phosphat (ein Pentoszucker). Wie bereits erwähnt, haben NADPH-und Ribosezucker unterschiedliche Funktionen.,
Während NADPH für eine Reihe von Prozessen verwendet wird, einschließlich der Biosynthese verschiedener Makromoleküle und der Entgiftung, wird der Ribosezucker andererseits verwendet, um verschiedene nukleotidbasierte Moleküle (DNA, RNA, FAD und CoA usw.) zu erzeugen.
Im Allgemeinen benötigen Zellen des Körpers möglicherweise mehr NADPH als Ribose-5-Phosphat, da es viel mehr Zellprozesse gibt, die dieses Molekül erfordern., Aus diesem Grund werden einige der Ribose-5-Phosphat-Moleküle recycelt, um Glucose-6-Phosphat zu produzieren, das dann wieder in die oxidative Phase eintreten kann, um mehr NADPH zu produzieren. Diese Reaktionen (die am Recycling von Ribose-5-Phosphat beteiligt sind) treten in der nicht oxidativen Phase auf.,
Wie es bei der oxidativen Phase der Fall ist, kann die nicht-oxidative Phase in 4 Hauptstufen/Schritte unterteilt werden, die umfassen:
Schritt 1 – Während der ersten Stufe der nicht-oxidativen Phase es gibt jedoch zwei Hauptreaktionen, die letztendlich zur Produktion von Xylulose-5-Phosphat führen. Während der ersten Reaktion ist Phosphopentoseisomerase an der Umwandlung von Ribose-5-Phosphat in Ribulose-5-Phosphat beteiligt.,
Dies ist die in Xylulose 5-Phosphat während der zweiten Reaktion durch Phosphopentose Epimerase umgewandelt. Da dieser Schritt mit zwei Molekülen Ribose-5-phosphat beginnt, sind die Endprodukte zwei Moleküle Xylulose-5-Phosphat.,
Schritt 2 – Während der zweiten Stufe der nicht oxidativen Phase verbindet sich ein einzelnes Molekül Xylulose-5-phosphat (ab dem ersten Schritt) mit einem einzelnen Molekül Ribose-5-phosphat in Gegenwart des Enzyms Transketolase zu Sedoheptulose-7-Phosphat und Glyceraldehyd-3-Phosphat. Diese Reaktion ist abhängig von einem Cofaktor, der als Thiaminpyrophosphat bekannt ist.,
In Gegenwart dieses Cofaktors entfernt das Enzym (Transketolase) eine zwei Kohlenstoffgruppen, die sich auf dem Xylulose-5-Phosphat befinden, und fügt sie dem Ribose-5-Phosphat hinzu. Dies führt zur Herstellung eines sieben Kohlenstoffmoleküls (Sedoheptulose 7-Phosphat) und eines drei Kohlenstoffmoleküls (Glyceraldehyd 3-Phosphat).,
Schritt 3 – Im dritten Schritt werden die beiden im zweiten Schritt erzeugten Moleküle zur Herstellung von Erythrose 4-Phosphat und Fructose 6-Phosphat verwendet. Hier ist ein Enzym, das als Transaldolase bekannt ist, am Transfer einer Dreikohlenstoffgruppe von dem Sedoheptulose-7-Phosphat auf das Glyceraldehyd-3-Phosphat beteiligt.,
Dabei wird das Sedoheptulose 7-phosphat in das Erythrose 4-phosphat umgewandelt, während das Glyceraldehyd 3-phosphat in Fructose 6-phosphat umgewandelt wird.
Schritt 4 – Die vierte Schritt der nicht-oxidativen phase ist der Letzte Schritt. In diesem Schritt wird das Erythrose-4-phosphat mit einem Molekül Xylulose-5-phosphat (ab Schritt 1) zu Fructose-6-phosphat und Glyceraldehyd-3-Phosphat kombiniert.,
Diese Reaktion wird durch das Enzym Transketolase katalysiert und beinhaltet die Übertragung der beiden Kohlenstoffgruppen auf Xylulose 5-phosphat auf das Erythrose 4-Phosphat. Infolgedessen wird das Erythrose-4-phosphat in Fructose-6-phosphat umgewandelt, während Xylulose-5-phosphat in Glyceraldehyd-3-phosphat (LÜCKE) umgewandelt wird.,
* Daher dient im Allgemeinen die nicht-oxidative Phase als Ganzes dazu, das Ribose-5-phosphat aus der oxidativen Phase in Fructose-6-phosphat und Glyceraldehyd-3-phosphat umzuwandeln, die glykolytische Zwischenprodukte sind, die an der Produktion von Glucose-6-Phosphat beteiligt sind.
Wie bereits erwähnt, besteht die Hauptfunktion dieser Phase (nicht oxidativ) darin, Ribose 5-Phosphat in Glucose 6-Phosphat zu recyceln., Daher spielt diese Phase bei einem hohen Bedarf an NADPH eine wichtige Rolle beim Recycling der Ribose zur Herstellung von Zwischenprodukten, die wiederum zur Bildung von Glucose-6-Phosphat verwendet werden. Die Glukose tritt dann in die oxidative Phase ein, um zwei Moleküle NADPH und ein einzelnes Ribose-5-Phosphat zu produzieren, während der Zyklus fortgesetzt wird.
Die nicht-oxidative phase kann wie folgt dargestellt werden:
Zurück zu was ist Stoffwechsel?,
Return to Glycolysis
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Anna Stincone et al. (2015). The return of metabolism: biochemistry and physiology of the pentose phosphate pathway.
James D. Mauseth. (1991). Botany: An Introduction to Plant Biology.,
Mary K Campbell und Shawn O. Farrell. (1991). Biochemie.
Marta Anna Kowalik, Amedeo Columbano und Andrea Perra. (2017). Die Rolle des Pentosephosphatweges beim hepatozellulären Karzinom.
