Пентозофосфатный путь окисления глюкозы¶

Пентозофосфатный путь (также гексозомонофосфатный шунт, фосфоглюконатный путь) — совокупность метаболических реакций окисления глюкозы, протекающих в цитоплазме клеток и не связанных с синтезом АТФ. В отличие от гликолиза, этот путь служит главным источником восстановленного никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФН) и рибозо-5-фосфата — предшественника нуклеотидов. У человека и животных он наиболее активен в печени, жировой ткани, коре надпочечников, эритроцитах и молочной железе, то есть в клетках, где велика потребность в восстановительных эквивалентах для биосинтеза.

¶Общая характеристика

Пентозофосфатный путь включает две фазы: окислительную (необратимую) и неокислительную (обратимую, связанную с взаимопревращением сахаров). Суммарно окисление одной молекулы глюкозо-6-фосфата в окислительной фазе описывается уравнением:

глюкозо-6-фосфат + 2 НАДФ⁺ + H₂O → рибозо-5-фосфат + 2 НАДФН + 2 H⁺ + CO₂.

Ключевая особенность пути — отсутствие запасания энергии в виде АТФ: вся энергия окисления идёт на восстановление НАДФ⁺. Именно поэтому пентозофосфатный путь называют «анаболическим» ответвлением углеводного обмена.

¶Окислительная фаза

Окислительная фаза состоит из трёх последовательных реакций.

1. Дегидрирование. Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа (Г6ФДГ) окисляет глюкозо-6-фосфат до 6-фосфоглюконолактона, восстанавливая НАДФ⁺ до НАДФН. Это ключевая, лимитирующая и регуляторная реакция всего пути.
2. Гидролиз лактона. 6-фосфоглюконолактоназа превращает лактон в 6-фосфоглюконат.
3. Окислительное декарбоксилирование. 6-фосфоглюконатдегидрогеназа окисляет субстрат, вновь восстанавливая НАДФ⁺, а образующийся нестабильный 3-кето-6-фосфоглюконат спонтанно декарбоксилируется с выделением CO₂ и образованием рибулозо-5-фосфата.

Таким образом, за один «оборот» окислительной фазы образуются две молекулы НАДФН и одна молекула пентозофосфата.

¶Неокислительная фаза

Неокислительная фаза обеспечивает взаимопревращение фосфорилированных сахаров с числом углеродных атомов от трёх до семи. Её катализируют ферменты транскетолаза и трансальдолаза, переносящие соответственно двух- и трёхулеродные фрагменты.

Рибулозо-5-фосфат изомеризуется в рибозо-5-фосфат (фосфопентозоизомераза) и ксилулозо-5-фосфат (фосфопентомутаза). Далее в серии реакций образуются седогептулозо-7-фосфат, эритрозо-4-фосфат, фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат. Конечные продукты могут либо вновь вовлекаться в гликолиз, либо рекомбинироваться в глюкозо-6-фосфат, замыкая цикл. В зависимости от потребностей клетки путь может работать в «рибозном» режиме (наработка нуклеотидов) или в «НАДФН-режиме» с полным окислением глюкозы до CO₂.

¶Биологическое значение

Пентозофосфатный путь выполняет несколько функций:

• Источник НАДФН. Восстановительные эквиваленты необходимы для биосинтеза жирных кислот, холестерина, стероидных гормонов, а также для работы антиоксидантных систем.
• Источник рибозо-5-фосфата. Пентозы служат основой для синтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот, коферментов (НАД, ФАД, КоА) и АТФ.
• Метаболическая гибкость. Реакции неокислительной фазы связывают путь с гликолизом, позволяя перераспределять углеродные скелеты между разными путями обмена.
• Защита от окислительного стресса. В эритроцитах НАДФН поддерживает восстановленный глутатион, обезвреживающий перекиси.

¶Регуляция

Скорость пути определяется активностью глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. Фермент ингибируется высокими концентрациями НАДФН и стимулируется при повышении уровня НАДФ⁺. Дополнительный контроль обеспечивает конкуренция за глюкозо-6-фосфат с гликолизом: при низкой потребности в НАДФН субстрат уходит в гликолиз. Гормональная регуляция связана с инсулином, повышающим активность ферментов пути в печени и жировой ткани.

¶Патологии

Наследственный дефицит глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы — одна из самых распространённых ферментопатий человека. Она сцеплена с X-хромосомой и особенно часто встречается в регионах, эндемичных по малярии (Средиземноморье, Африка, Юго-Восточная Азия). У носителей снижена устойчивость эритроцитов к окислительному стрессу, что проявляется гемолитическими кризами после приёма некоторых лекарств (примахин, сульфаниламиды), употребления бобовых или при инфекциях. В России дефицит Г6ФДГ распространён неравномерно и чаще выявляется в отдельных южных регионах.

¶Методы изучения

Активность пути оценивают по скорости образования НАДФН (спектрофотометрия при 340 нм), по выделению ¹⁴CO₂ из меченой глюкозы или по накоплению пентозофосфатов. В клинической практике определение активности Г6ФДГ в эритроцитах используется для диагностики соответствующей ферментопатии перед назначением ряда препаратов.

¶Связь с другими путями обмена

Пентозофосфатный путь тесно сопряжён с гликолизом (общие метаболиты — глюкозо-6-фосфат, фруктозо-6-фосфат, глицеральдегид-3-фосфат) и с биосинтезом нуклеотидов, для которого поставляет рибозо-5-фосфат. Через НАДФН он связан с липогенезом и антиоксидантной защитой, что делает его центральным узлом углеводного, липидного и нуклеотидного обмена.

Источники: учебники биохимии (А. Ленинджер, Д. Нельсон и М. Кокс, В. П. Комов и В. Н. Шведова), материалы по клинической биохимии ферментопатий.