Selles artiklis käsitleme ühte glükoosi oksüdatsiooni variantidest – pentoosfosfaadi rada. Analüüsitakse ja kirjeldatakse selle nähtuse kulgemise variante, rakendamise meetodeid, ensüümide vajadust, bioloogilist tähtsust ja avastamislugu.
Tutvustame nähtust
Pentoosfosfaadi rada on üks viise, kuidas C6H12O6 (glükoos) oksüdeeritakse. Koosneb oksüdeerivast ja mitteoksüdeerivast etapist.
Üldine protsessivõrrand:
3glükoos-6-fosfaat+6NADP-à3CO2+6(NADPH+H-)+2fruktoos-6-fosfaat+glütseraldehüüd-3-fosfaat.
Pärast oksüdatiivse pentoosfosfaadi raja läbimist muundub hütseraldehüüd-3-fosfaadi molekul püruvaadiks ja moodustab kaks adenosiintrifosforhappe molekuli.
Loomadel ja taimedel nende allüksuste hulgas on see nähtus lai alt levinud, kuid mikroorganismid kasutavad seda ainult abiprotsessina. Kõik raja ensüümid paiknevad loomsete ja taimsete organismide raku tsütoplasmas. Lisaks sisaldavad imetajad neid aineidka EPS-is ja taimed plastiidides, täpsem alt kloroplastides.
Glükoosi oksüdatsiooni pentoosfosfaadi rada sarnaneb glükolüüsi protsessiga ja sellel on äärmiselt pikk evolutsioonitee. Tõenäoliselt toimusid Arheuse veekeskkonnas enne elu ilmumist selle tänapäevases tähenduses reaktsioone, mis olid just pentoosfosfaadi iseloomuga, kuid sellise tsükli katalüsaatoriks ei olnud ensüüm, vaid metalliioonid.
Olemasolevate reaktsioonide tüübid
Nagu varem märgitud, eristab pentoosfosfaadi rada kahte etappi ehk tsüklit: oksüdatiivset ja mitteoksüdatiivset. Selle tulemusena oksüdeeritakse raja oksüdatiivses osas C6H12O6 glükoos-6-fosfaadist ribuloos-5-fosfaadiks ja lõpuks redutseeritakse NADPH. Mitteoksüdatiivse etapi olemus on aidata kaasa pentoosi sünteesile ja kaasata ennast 2-3 süsiniku "tükikese" pöörduvasse ülekandereaktsiooni. Lisaks võib taas toimuda pentooside ülekandumine heksoosi olekusse, mille põhjustab pentoosi enda liig. Selles rajas osalevad katalüsaatorid jagunevad kolmeks ensümaatiliseks süsteemiks:
- dehüdrodekarboksüülimissüsteem;
- isomeriseerivat tüüpi süsteem;
- süsteem, mis on loodud suhkrute ümberkonfigureerimiseks.
Reaktsioonid oksüdatsiooniga ja ilma selleta
Tee oksüdatiivne osa on esitatud järgmise võrrandiga:
Glükoos6fosfaat+2NADP++H2Oàribuloos5fosfaat+2 (NADPH+H+)+CO2.
BMitteoksüdatiivses etapis on kaks katalüsaatorit transaldolaasi ja transketolaasi kujul. Need kiirendavad C-C sideme katkemist ja selle katkemise tulemusena tekkivate ahela süsiniku fragmentide ülekandumist. Transketolaas kasutab koensüümi tiamiinpürofosfaati (TPP), mis on difosfori tüüpi vitamiiniester (B1).
Etapi võrrandi üldvorm mitteoksüdatiivses versioonis:
3 riboos5fosfaatà1 riboos5fosfaat+2 ksüluloos5fosfaatà2 fruktoos6fosfaat+glütseraldehüüd3fosfaat.
Raja oksüdatiivset varieerumist võib täheldada, kui rakk kasutab NADPH-d või teisisõnu, kui see läheb standardasendisse redutseerimata kujul.
Glükolüüsireaktsiooni või kirjeldatud raja kasutamine sõltub NADP kontsentratsioonist+ tsütosooli paksuses.
Teetsükkel
Võttes kokku mitteoksüdatiivse variandi raja üldvõrrandi analüüsist saadud tulemused, näeme, et pentoosid võivad pentoosfosfaadi rada kasutades naasta heksoosidest glükoosmonosahhariidideks. Järgnev pentoosi muundamine heksoosiks on pentoosfosfaadi tsükliline protsess. Vaadeldav tee ja kõik selle protsessid on reeglina koondunud rasvkoesse ja maksa. Koguvõrrandit saab kirjeldada järgmiselt:
6 glükoos-6-fosfaat+12nadp+2H2Oà12(NADPH+H+)+5 glükoos-6-fosfaat+6 CO2.
Mitteoksüdatiivset tüüpi pentoosfosfaadi rada
Pentoosfosfaadi raja mitteoksüdatiivne etapp võib glükoosi ümber korraldada ilmaCO2 eemaldamine, mis on võimalik tänu ensümaatilisele süsteemile (see korraldab ümber suhkrud ja glükolüütilised ensüümid, mis muudavad glükoos-6-fosfaadi glütseraldehüüd-3-fosfaadiks).
Lipiide moodustavate pärmseente (millel puudub fosfofruktokinaas, mis ei võimalda glükolüüsil C6H12O6 monosahhariide oksüdeerida) metabolismi uurides selgus, et 20% glükoos oksüdeerub pentoosi ja phosite rada kasutades. ülejäänud 80% konfigureeritakse ümber raja mitteoksüdatiivses etapis. Praegu jääb vastus küsimusele, kuidas täpselt tekib 3-süsinikuga ühend, mida saab tekkida ainult glükolüüsi käigus, teadmata.
Elusorganismide funktsioon
Pentoosfosfaadi raja väärtus loomades ja taimedes ning mikroorganismides on peaaegu sama. Kõik rakud teostavad seda protsessi, et moodustada NADPH vähendatud versioon, mida kasutatakse vesiniku doonorina redutseerimistüüpi reaktsioon ja hüdroksüülimine. Teine funktsioon on varustada rakke riboos-5-fosfaadiga. Hoolimata asjaolust, et NADPH võib tekkida malaadi oksüdatsiooni tulemusena püruvaadi ja CO2 tekkega ning isotsitraadi dehüdrogeenimise korral tekib pentoosfosfaadi protsessi tõttu redutseerivaid ekvivalente. Teine selle raja vaheühend on erütroos-4-fosfaat, mis fosfoenoolpüruvaatidega kondenseerudes käivitab trüptofaanide, fenüülalaniinide ja türosiinide moodustumise.
OperatsioonPentoosfosfaadi rada täheldatakse loomadel maksa organites, imetamise ajal piimanäärmetes, munandites, neerupealiste koores, aga ka erütrotsüütides ja rasvkudedes. See on tingitud aktiivsete hüdroksüülimis- ja regenereerimisreaktsioonide olemasolust, näiteks rasvhapete sünteesi ajal, seda täheldatakse ka ksenobiootikumide hävitamisel maksa kudedes ja aktiivse hapniku moodustumisel erütrotsüütide rakkudes ja muudes kudedes. Sellised protsessid tekitavad suure nõudluse erinevate ekvivalentide, sealhulgas NADPH järele.
Vaatleme erütrotsüütide näidet. Nendes molekulides vastutab glutatioon (tripeptiid) aktiivse hapniku vormi neutraliseerimise eest. See oksüdeerumisel toimuv ühend muudab vesinikperoksiidi H2O-ks, kuid NADPH+H+ juuresolekul on võimalik vastupidine üleminek glutatioonilt redutseeritud variatsioonile. Kui rakus on glükoos-6-fosfaatdehüdrogenaasi defekt, siis võib täheldada hemoglobiini promootorite agregatsiooni, mille tulemusena kaotab erütrotsüüt oma plastilisuse. Nende normaalne toimimine on võimalik ainult siis, kui pentoosfosfaadi rada täielikult toimib.
Taime ümberpööratud pentoosfosfaadi rada loob aluse fotosünteesi tumedale faasile. Lisaks sõltuvad mõned taimerühmad suuresti sellest nähtusest, mis võib põhjustada näiteks suhkrute kiiret vastastikust muundumist jne.
Pentoosfosfaadi raja roll bakterite jaoks seisneb glükonaadi metabolismi reaktsioonides. Tsüanobakterid kasutavad seda protsessi tänuKrebsi täieliku tsükli puudumine. Teised bakterid kasutavad seda nähtust ära erinevate suhkrute oksüdeerumiseks.
Reguleerimisprotsessid
Pentoosfosfaadi raja reguleerimine sõltub raku nõudlusest glükoos-6-fosfaadi järele ja NADP+ kontsentratsiooni tasemest tsütosoolivedelikus. Need kaks tegurit määravad, kas eelnimetatud molekul siseneb glükolüüsireaktsioonidesse või pentoosfosfaadi tüüpi radadesse. Elektroniaktseptorite puudumine ei lase tee esimestel sammudel edasi minna. NADPH kiire üleminekuga NADPH+-le tõuseb viimase kontsentratsioonitase. Glükoos 6 fosfaatdehüdrogenaas on allosteeriliselt stimuleeritud ja suurendab järelikult glükoos 6 fosfaadi voogu pentoosfosfaadi tüüpi raja kaudu. NADPH tarbimise aeglustamine viib NADP+ taseme languseni ja glükoos-6-fosfaat kõrvaldatakse.
Ajaloolised andmed
Pentoosfosfaadi rada sai oma uurimistee alguse tänu sellele, et tähelepanu pöörati glükoositarbimise muutuste puudumisele üldiste glükolüüsi inhibiitorite poolt. Peaaegu samaaegselt selle sündmusega avastas O. Warburg NADPH ja hakkas kirjeldama glükoos-6-fosfaatide oksüdeerumist 6-fosfoglükoonhapeteks. Lisaks tõestati, et isotoopidega 14C tähistatud C6H12O6 (märgitud vastav alt C-1) muutus suhteliselt kiiremini 14CO2-ks kui see on sama molekul, kuid märgistatud C-6. See näitas glükoosi kasutamise protsessi tähtsust ajal alternatiivsete marsruutide abi. Need andmed avaldas I. K. Gansalus aastal 1995.
Järeldus
Ja nii näeme, et rakud kasutavad vaadeldavat rada alternatiivse glükoosi oksüdeerimise viisina ja see jaguneb kaheks võimaluseks, mille abil see edasi liikuda saab. Seda nähtust täheldatakse kõigis mitmerakuliste organismide vormides ja isegi paljudes mikroorganismides. Oksüdatsioonimeetodite valik sõltub erinevatest teguritest, teatud ainete olemasolust rakus reaktsiooni ajal.
