Окислительный пентозофосфатный цикл

Окислительный пентозофосфатный цикл (или путь, ПФП) — это еще один способ окисления глюкозы, свойственный всем высшим растениям. Участвующие в этом процессе ферменты находятся в цитозоле. Субстратом для этого цикла служит глюкозо-6-фосфат (Г-6-Ф) (рис. 5.4). Пентозофосфатный цикл можно разделить на две фазы: фазу окисления глюкозо-6-фосфата и фазу его регенерации.

Рис. 5.4. Окислительный пентозофосфатный путь:

• 1 — глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа; 2 — глюконолактоназа;
• 3 — фосфоглюконатдсгидрогсназа (дскарбоксилирующая); 4 — фосфопентоэпимераза; 5 — фосфопентоизомераза; 6 — транскетолаза; 7 — трансальдолаза;
• 8 — транскетолаза; 9 — гриозофосфатизомераза; 10 — альдолаза; 11 — фосфатаза;
• 12 — гексофосфатизомераза

При окислении глюкозо-6-фосфата образуется 6-фосфоглюколактон. Он нестабилен и превращается в 6-фосфоглюконат (6-ФГ). В процессе окисления глюкозо-6-фосфата участвует глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа. Ее коферментом является НАДФ⁺, который восстанавливается (см. рис. 5.4). 6-Фосфоглюконат, в свою очередь, подвергается окислительному декарбоксилированию, образуется рибулозо-5-фосфат (Py-5-Ф), а также восстанавливается НАДФ, являющийся коферментом фосфоглюконатдегидрогеназы. Образованием рибулозо-5-фосфата заканчивается окислительная фаза.

Если во время гликолиза одна молекула глюкозы превращается в две молекулы триоз, то в пентозофосфатном цикле от молекулы глюкозо-6-фосфата отрывается один атом углерода и образуется пентоза. Отсюда происходит второе название этого цикла — апотомический, в отличие от гликолиза, в котором молекула С₆ разрывается на две молекулы С₃, называемого дихотомическим.

В фазе регенерации участвуют только фосфорные эфиры сахаров. Процесс идет от пентоз (см. рис. 5.3) через образование седогептулозо- 7-фосфата (С-7-Ф), эритрозо-4-фосфата (Э-4-Ф), фруктозо-6-фосфата (Ф-6-Ф) и фосфоглицеринового альдегида (ФГА). В результате альдольной конденсации двух триоз образуется фруктозо-1,6-дифосфат. Гидролиз фосфатной связи приводит к образованию фосфорной кислоты и глюкозо- 6-фосфата. Цикл замыкается. Этот путь тоже можно назвать циклом, так как в конце его образуется опять глюкозо-6-фосфат.

Характерными ферментами этого цикла являются глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, 6-фосфоглюконатдегидрогеназа, которые катализируют необратимые реакции, и трансальдолаза, которая переносит трехуглеродный скелет с седогептулозо-7-фосфата на ФГА с образованием фруктозо- 6-фосфата эритрозо-4-фосфата.

Итак, в результате этого цикла из 6 молекул глюкозо-6-фосфата 1 молекула окисляется до С0₂, а 5 молекул регенерируют вновь и выходят из цикла. При этом восстанавливаются 12 молекул НАДФ. Суммарное уравнение пентозофосфатного цикла можно записать так:

Из уравнения видно, что окисление веществ происходит в результате дегидрирования, кислород воздуха в окислении дыхательного субстрата не участвует.

В пентозофосфатном окислительном цикле участвуют те же фосфорные эфиры сахаров, что и в С₃-цикле фотосинтеза. Поэтому последний даже называют пентозофосфатным восстановительным циклом. Образование одинаковых веществ в обоих циклах показывает, что промежуточные продукты одного цикла могут использоваться в случае необходимости в реакциях другого. Следовательно, каждый цикл не обязательно должен идти до конца, а возможны переходы из одного в другой.

Этот цикл идет в цитозоле и в строме хлоропластов. В цитозоле его рассматривают как путь дыхания, альтернативный (от лат. alternarse — чередоваться) гликолизу. В хлоропластах протекает ряд реакций, обратных циклу Кальвина. Однако окислительный и восстановительный пентозофосфатные циклы в хлоропластах не пересекаются во времени. Эго происходит благодаря тому, что некоторые ферменты цикла Кальвина активируются светом, а ферменты пентозофосфатного окислительного цикла, например глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, активны только в темноте.

Физиологическое значение этого цикла — не расщепление молекулы глюкозы, а получение промежуточных продуктов. Во-первых, он снабжает.

клетки НАДФН, являющимся донором водорода для синтеза жирных кислот, восстановительного аминирования и других процессов. Во-вторых, промежуточные вещества этого цикла — пентозы — используются для синтеза АТФ, АДФ, АМФ, нуклеиновых кислот, пиридиновых ферментов, веществ клеточной стенки и других соединений. Эритрозо-4-фосфат участвует в образовании шикимата, необходимого для синтеза гормонов. ФГА, образующийся в течение этого цикла, может включиться в гликолиз, превратиться в пируват и далее участвовать в цикле Кребса. Таким образом, этот цикл дыхания так же важен для растений, как гликолиз и цикл Кребса.

Таким образом, один и тот же дыхательный субстрат, например глюкоза, может окисляться разными путями. Во-первых, это зависит от количества кислорода. Если кислорода достаточно, то происходят гликолиз и цикл Кребса, а также пентозофосфатный окислительный цикл. Если 0₂ мало или нет, то пируват включается в спиртовое или реже в молочнокислое брожение, но клетка получает меньше энергии. Во-вторых, на выбор пути распада влияет активность ферментов. Если активны ферменты гликолиза, то ферменты пентозофосфатного окислительного цикла неактивны. В-третьих, выбор способа окисления зависит от отношения количества АТФ к количеству АДФ. При низком отношении оба пути заторможены.