Vía pentosa fosfato

La vía de las pentosas fosfato ( vía de las pentosas , derivación de monofosfato de hexosa [1] , vía de Warburg-Dickens-Horecker [2] ) es una vía alternativa para la oxidación de la glucosa (junto con la glucólisis y la vía de Entner-Doudoroff ), incluye oxidantes y no oxidativos. pasos.

La ecuación general de la ruta de las pentosas fosfato es:

3 glucosa-6-fosfato + 6 NADP + → 3 CO 2 + 6 (NADPH + H + ) + 2 fructosa-6-fosfato + gliceraldehído-3-fosfato [3] .

Posteriormente, el gliceraldehído-3-fosfato se convierte en piruvato con la formación de dos moléculas de ATP [2] .

La ruta de las pentosas fosfato es común en plantas y animales , y en la mayoría de los microorganismos tiene solo un valor auxiliar [2] . Las enzimas de la ruta de las pentosas fosfato se encuentran en el citosol de las células animales y vegetales ; además, en las células de los mamíferos también se encuentran en el retículo endoplásmico y en las plantas, en los cloroplastos [4] .

Al igual que la glucólisis, la vía de las pentosas fosfato parece tener una historia evolutiva muy antigua . Quizás, en las antiguas aguas del Arcaico , incluso antes del surgimiento de la vida, tuvieron lugar reacciones del ciclo de las pentosas fosfato, catalizadas no por enzimas, como en las células vivas, sino por iones metálicos , en particular, Fe 2+ [5] .

Reacciones

Como se señaló anteriormente, la vía de las pentosas fosfato se subdivide en pasos oxidativos y no oxidativos. Durante el paso oxidativo , la glucosa fosforilada a glucosa-6-fosfato se oxida a ribulosa-5-fosfato y se forman dos [6] NADPH reducidos . Durante la etapa no oxidante no se forman equivalentes reductores, sirve para la síntesis de pentosas e incluye reacciones de transferencia reversible de dos o tres fragmentos de carbono ; en el futuro, las pentosas se pueden volver a convertir en hexosas con un exceso de pentosas en la célula debido a la reversibilidad de las reacciones no oxidativas de la ruta de las pentosas fosfato [7] . Todas las enzimas involucradas en la vía de las pentosas fosfato se pueden dividir en tres sistemas enzimáticos:

• sistema de deshidrogenación  - descarboxilación ;
• sistema de isomerización ;
• un sistema que reorganiza los azúcares [8] .

Etapa oxidativa

La secuencia de reacciones de la etapa oxidativa de la ruta de las pentosas fosfato se presenta en la tabla [8] [3] :

sustratos	Productos	Enzima	Descripción
Glucosa-6-fosfato + NADP +	→ 6-fosfoglucono-δ-lactona + NADPH + H +	Glucosa-6-fosfato deshidrogenasa	Deshidrogenación. El grupo hidroxilo en el primer carbono de la glucosa-6-fosfato se convierte en un grupo carbonilo , formando una lactona , y también se reduce el NADPH.
6-fosfoglucono-δ-lactona + H 2 O	→ 6-fosfogluconato + H +	6-fosfogluconolactonasa	Hidrólisis
6-fosfogluconato + NADP +	→ Ribulosa-5-fosfato + NADPH + CO 2	6-fosfogluconato deshidrogenasa	La 6-fosfogluconato deshidrogenasa cataliza tanto la deshidrogenación, acompañada de la reducción de NADP, como la descarboxilación.

La ecuación general de la etapa oxidativa:

Glucosa-6-fosfato + 2 NADP + + H 2 O → ribulosa-5-fosfato + 2 (NADPH + H + ) + CO 2 .

Etapa no oxidante

La secuencia general de reacciones de la vía no oxidativa es la siguiente [3] [9] :

sustratos	Productos	Enzima
Ribulosa 5-fosfato	⇌ Ribosa-5-fosfato	Ribulosa-5-fosfato isomerasa
Ribulosa 5-fosfato	⇌ Xilulosa-5-fosfato	Ribulosa-5-fosfato-3-epimerasa
Xilulosa 5-fosfato + ribosa 5-fosfato	⇌ Gliceraldehído-3-fosfato + sedoheptulosa-7-fosfato	transcetolasa
Sedoheptulosa-7-fosfato + gliceraldehído-3-fosfato	⇌ Eritroso-4-fosfato + fructosa-6-fosfato	transaldolasa
Xilulosa 5-fosfato + eritrosa 4-fosfato	⇌ Gliceraldehído-3-fosfato + fructosa-6-fosfato	transcetolasa

La transaldolasa y la transcetolasa catalizan la escisión del enlace C-C y la transferencia de fragmentos de cadena de carbono resultantes de esta escisión [4] . La transcetolasa utiliza pirofosfato de tiamina (TPP) como coenzima , que es un éster difósforo de la vitamina B 1 [10] . A continuación se muestran los esquemas de las reacciones de transaldolasa y transcetolasa.

La ecuación general del paso no oxidativo es:

3 ribulosa-5-fosfato → 1 ribosa-5-fosfato + 2 xilulosa-5-fosfato → 2 fructosa-6-fosfato + gliceraldehído-3-fosfato.

Las reacciones de la vía oxidativa proceden sólo si la célula consume el NADPH reducido , es decir, pasa al estado original no reducido (NADP+). Si la necesidad de NADPH en la célula es insignificante, entonces la ribosa-5-fosfato se forma como resultado de reacciones reversibles de la etapa no oxidativa de la vía de las pentosas fosfato, donde los reactivos iniciales son los metabolitos de la glucólisis -gliceraldehído- 3-fosfato y fructosa-6-fosfato [3] .

La elección de la vía de la glucólisis o de las pentosas fosfato por parte de la célula en ese momento está determinada por sus necesidades en ese momento y la concentración de NADP + en el citosol. En ausencia de este aceptor de electrones , la primera reacción de la ruta de las pentosas fosfato no puede ocurrir. Si la célula consume activamente NADPH, entonces la concentración de NADP + aumenta, por lo que la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa y la vía de las pentosas fosfato se activan para restaurar el NADPH oxidado. Cuando el consumo de NADPH disminuye, la concentración de NADP + cae, la vía de las pentosas fosfato se suspende y la glucosa-6-fosfato participa en la glucólisis [11] .

Ciclo de las pentosas fosfato

De la ecuación total de la etapa no oxidativa, se puede ver que a partir de las pentosas formadas durante la descarboxilación de la hexosa-glucosa, utilizando la ruta de las pentosas fosfato, se puede volver nuevamente a las hexosas. En este sentido, la etapa oxidativa de la ruta de las pentosas fosfato y la posterior conversión de las pentosas en hexosas constituyen un proceso cíclico: el ciclo de las pentosas fosfato . El ciclo de las pentosas fosfato funciona principalmente sólo en el tejido adiposo y el hígado . Su ecuación general se ve así:

6 glucosa-6-fosfato + 12NADP + 2H 2 O → 12(NADPH + H + ) + 5 glucosa-6-fosfato + 6 CO 2 [10] .

La vía de las pentosas fosfato no oxidativas

El reordenamiento de glucosa en pentosas también se puede llevar a cabo sin la eliminación de dióxido de carbono utilizando un sistema de enzimas de reordenamiento de azúcar y enzimas glucolíticas que convierten la glucosa-6-fosfato en gliceraldehído-3-fosfato. En este caso, se producen reordenamientos de la siguiente forma [12] :

2½ C 6 → 3 C 5 .

Al estudiar el metabolismo de la levadura formadora de lípidos rojos Rhodotorula gracilis ( esta levadura carece de fosfofructoquinasa , y son incapaces de oxidar azúcares por glucólisis), resultó que el 20% de la glucosa se oxida a lo largo de la vía de las pentosas fosfato, y el 80% se reorganizado a lo largo de la ruta de las pentosas fosfato no oxidativas. Sin embargo, actualmente se desconoce cómo se forman exactamente en este caso los compuestos de tres carbonos si la glucólisis es imposible [12] .

Modificaciones

Varios estudios realizados con glucosa radiomarcada confirmaron la química de la ruta de las pentosas fosfato descrita anteriormente. Sin embargo, se ha sugerido que en el hígado se producen algunas desviaciones del reordenamiento de los azúcares en la ruta de las pentosas fosfato, en particular, la formación de arabinosa 5-fosfato, octulosa bisfosfato y octulosa 8-fosfato a partir de la ribosa-5-fosfato. , muchos investigadores sugieren que la importancia de estas reacciones adicionales es insignificante [12] .

Distribución y significado biológico

Como se señaló anteriormente, la vía de las pentosas fosfato existe en animales, plantas y microorganismos. En todas las células, esta vía sirve para formar NADPH reducido, que se utiliza como donante de hidrógeno en las reacciones de reducción e hidroxilación , y también proporciona a las células ribosa-5-fosfato [13] . Aunque el NADPH también se forma durante la oxidación del malato a piruvato y dióxido de carbono, así como durante la deshidrogenación del isocitrato , en la mayoría de los casos, las necesidades de las células en la reducción de equivalentes se satisfacen precisamente mediante la vía de las pentosas fosfato [3] . Sin embargo, en algunos casos, la formación de ribosa-5-fosfato es el único propósito de la vía de las pentosas fosfato [4] . La ribosa-5-fosfato sirve como precursor del 5-fosforribosil-1-pirofosfato (PRPP), que participa en la biosíntesis de nucleótidos y ácidos nucleicos , los aminoácidos histidina y triptófano . Otro intermediario de la ruta de las pentosas fosfato, la eritrosa 4-fosfato, se condensa con fosfoenolpiruvato para dar lugar a una parte común de la ruta biosintética del triptófano , la fenilalanina y la tirosina [14] .

La vía de las pentosas fosfato puede funcionar en el hígado, tejido adiposo, mama durante la lactancia , testículos [3] , corteza suprarrenal , eritrocitos . En estos tejidos y órganos, las reacciones de hidroxilación y reducción ocurren activamente, por ejemplo, durante la síntesis de ácidos grasos , colesterol , neutralización de xenobióticos en el hígado y especies reactivas de oxígeno en eritrocitos y otros tejidos, por lo que tienen una gran necesidad. para la reducción de equivalentes, incluido el NADPH. En particular, en los eritrocitos, la neutralización de las especies reactivas del oxígeno se realiza mediante el antioxidante glutatión  , un tripéptido que contiene azufre . El glutatión, al oxidarse, convierte las especies reactivas de oxígeno en especies inactivas, sin embargo, se necesita NADPH + H + para convertir el glutatión nuevamente en su forma reducida . Con un defecto en la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa en los eritrocitos, se produce la agregación de los protómeros de hemoglobina , por lo que los eritrocitos pierden su plasticidad, y para su funcionamiento es necesario el funcionamiento normal de la vía de las pentosas fosfato [15] . Curiosamente, algunas alteraciones en la actividad (pero no en la función) de la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa están asociadas con la resistencia a Plasmodium falciparum Plasmodium falciparum palúdico entre inmigrantes de África y el Mediterráneo , debido a una membrana más débil , los glóbulos rojos, en los que plasmodium pasa parte de su ciclo de vida, no se puede asegurar su reproducción eficiente [16] . Además de los eritrocitos, se ha encontrado una alta actividad de la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa en los leucocitos fagocíticos , donde la enzima NADPH oxidasa usa el NADPH reducido para formar el ion superóxido a partir de la forma molecular de oxígeno [3] .

Como se señaló anteriormente, el funcionamiento de la transcetolasa requiere pirofosfato de tiamina (TPP), que se forma a partir de la tiamina ( vitamina B 1 ). Las mutaciones en el gen de la transcetolasa, que dan como resultado una enzima con una afinidad reducida por la TPP (una décima parte de la actividad normal), hacen que el cuerpo humano sea más sensible a la falta de tiamina en los alimentos. Incluso con una deficiencia moderada de TPP, la ruta de las pentosas fosfato se ralentiza significativamente en estos individuos. Tales mutaciones agravan los síntomas del síndrome de Wernicke-Korsakoff  , una enfermedad causada por una deficiencia grave de tiamina [11] .

En las plantas, las reacciones de la ruta de las pentosas fosfato en la dirección opuesta forman la ruta reductora de las pentosas fosfato, que es la base de las reacciones oscuras (es decir, de formación de azúcar) de la fotosíntesis [8] . La ruta de las pentosas fosfato puede ser de particular importancia para algunos grupos ecológicos de plantas. Así, a diferencia de los animales, la planta con flores Craterostigma plantagineum acumula grandes cantidades de 2-oxo-octulosa. Esta planta es capaz de soportar una deshidratación severa y restaurar rápidamente las reservas de agua, volviendo al metabolismo normal en pocas horas. En la deshidratación, la mayor parte de la octulosa se convierte en sacarosa . Resultó que esta planta tiene una gran cantidad de genes que codifican transcetolasa, que pueden desempeñar un papel clave en las interconversiones de azúcares [12] .

Muchas bacterias carecen de una variante cíclica de la vía de las pentosas fosfato, y la vía de las pentosas fosfato se utiliza para formar pentosas y NADPH, de forma similar a los eucariotas . Las reacciones no oxidativas de la vía de las pentosas fosfato también pueden utilizarse en el metabolismo de los gluconatos . El ciclo de las pentosas fosfato funciona en muchas cianobacterias, ya que no tienen un ciclo de Krebs completo (no pueden oxidar la acetil-CoA ) y las rutas biosintéticas comienzan con la conversión de triosas fosfatos. Por la misma razón, algunas bacterias del ácido acético ( Gluconobacter spp.) llevan a cabo el ciclo de las pentosas fosfato, y las triosas fosfato sintetizadas durante el mismo se oxidan únicamente a acetato , que se libera al medio externo. Por último, algunas bacterias ( Thiobacillus novellus y Brucella abortus ) utilizan la vía de las pentosas fosfato como principal modo de oxidación de los azúcares, en sustitución de la glucólisis y la vía de Entner-Doudoroff [17] .

Reglamento

El destino de la glucosa-6-fosfato, ya sea que entre en la glucólisis o en la vía de las pentosas fosfato, está determinado por las necesidades de la célula en ese momento, así como por la concentración de NADP + en el citosol. Sin la presencia de un aceptor de electrones, la primera reacción de la vía de las pentosas fosfato (catalizada por la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa) no se llevará a cabo. Cuando la célula convierte rápidamente NADPH en NADP + en reacciones de reducción biosintéticas, los niveles de NADP + aumentan, estimulando alostéricamente la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa y aumentando así la corriente de glucosa-6-fosfato a través de la vía de las pentosas fosfato. Cuando el consumo de NADPH disminuye, los niveles de NADP + disminuyen y la glucosa-6-fosfato se utiliza glucolíticamente [11] .

Historia del estudio

La historia del descubrimiento de la vía de las pentosas fosfato comenzó cuando se observó que algunos inhibidores comunes de la glucólisis (p. ej., yodoacetato, fluoruro) no alteraban la ingesta de glucosa. Junto con esto, Otto Warburg descubrió NADPH y describió la oxidación de glucosa-6-fosfato a ácido 6-fosfoglucónico. Además, se demostró que la glucosa marcada con el isótopo 14 C en C-1 se convirtió en 14 CO 2 más rápido que la marcada en C-6. Si las conversiones de glucosa ocurrieran solo durante la glucólisis, entonces se formaría igualmente 14 CO 2 a partir de la glucosa marcada con C-1 y C-6. Por lo tanto, se ha demostrado la posibilidad de utilizar la glucosa a lo largo de una vía alternativa a la glucólisis [18] . La secuencia completa de reacciones de la vía de las pentosas fosfato, incluidas las reacciones de transcetolasa y transaldolasa, fue publicada en 1955 por I. C.  Gunsalus y W. A. ​​​​Wood [ 19 ] . 

Notas

1. ↑ Ruta de las pentosas fosfato : un artículo del Diccionario enciclopédico biológico
2. ↑ 1 2 3 Netrusov, Kotova, 2012 , pág. 123.
3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Bioquímica: la ruta de las pentosas fosfato de conversión de glucosa (enlace inaccesible) . Consultado el 14 de julio de 2014. Archivado desde el original el 30 de julio de 2013. (indefinido) 
4. ↑ 1 2 3 Metzler, 2003 , pág. 964.
5. ↑ Keller MA , Turchyn AV , Ralser M. Glucólisis no enzimática y reacciones similares a la ruta de las pentosas fosfato en un océano Arcaico plausible.  (Inglés)  // Biología de sistemas moleculares. - 2014. - Vol. 10. - Pág. 725. - PMID 24771084 .
6. ↑ Nelson, Cox, 2008 , pág. 560.
7. ↑ Severin, 2011 , pág. 271-272.
8. ↑ 1 2 3 Metzler, 2003 , pág. 963.
9. ↑ Metzler, 2003 , pág. 964-965.
10. ↑ 1 2 Severin, 2011 , pág. 272.
11. ↑ 1 2 3 Nelson, Cox, 2008 , pág. 563.
12. ↑ 1 2 3 4 Metzler, 2003 , pág. 965.
13. ↑ Severin, 2011 , pág. 271.
14. ↑ Nelson, Cox, 2008 , pág. 861.
15. ↑ Severin, 2011 , pág. 272, 274.
16. ↑ Cappadoro M. , Giribaldi G. , O'Brien E. , Turrini F. , Mannu F. , Ulliers D. , Simula G. , Luzzatto L. , Arese P. Fagocitosis temprana de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (G6PD) Los eritrocitos deficientes parasitados por Plasmodium falciparum pueden explicar la protección contra la malaria en la deficiencia de G6PD.  (Inglés)  // Sangre. - 1998. - vol. 92, núm. 7 . - Pág. 2527-2534. —PMID 9746794 .
17. ↑ Microbiología moderna / Ed. J. Lengeler, G. Drews, G. Schlegel. - M. : Mir, 2005. - T. 1. - S. 266-267. — 654 pág.
18. ↑ Keshav Trehan. bioquímica. - New Delphi: New Age International, 1990. - S. 301. - 580 p. — ISBN 81-224-0248-8 .
19. ↑ Bernard L.Horecker. La ruta de las pentosas fosfato  // The Journal of Biological Chemistry. - 2002. - T. 277 . - S. 47965-47971 . doi : 10.1074 / jbc.X200007200 .

Literatura

• David E. Metzler. Bioquímica: las reacciones químicas de las células vivas. — 2ª edición. - Prensa Académica, 2003. - Vol. 2. - 1973 p. - ISBN 978-0-1249-2541-0 .
• David L. Nelson, Michael M. Cox. Principios de bioquímica de Lehninger. - Quinta edición. — Nueva York: WH Freeman and Company, 2008. — 1158 p. - ISBN 978-0-7167-7108-1 .
• Química biológica con ejercicios y tareas / Ed. S. E. Severina. - M. : Grupo editorial "GEOTAR-Media", 2011. - 624 p.
• Netrusov A.I., Kotova IB Microbiología. - 4ª ed., revisada. y adicionales .. - M . : Centro Editorial "Academia", 2012. - 384 p. - ISBN 978-5-7695-7979-0 .

Enlaces

•  Vía de las pentosas fosfato—Vía de referencia . KEGG. Consultado el 10 de enero de 2015. Archivado desde el original el 5 de enero de 2015.

diccionarios y enciclopedias	gran ruso alrededor del mundo Britannica (en línea)