PENTOSE-PFADE: PHASEN UND VERWANDTE KRANKHEITEN - BIOLOGIE - 2025

Der Pentosephosphatweg , auch als Hexosemonophosphatdiversion bekannt, ist ein grundlegender Stoffwechselweg, dessen Endprodukt Ribosen sind, die für Nukleotid- und Nukleinsäuresynthesewege wie DNA, RNA, ATP, NADH, FAD und Coenzym A.

Es produziert auch NADPH (Nicotinamidadenindinukleotidphosphat), das in verschiedenen enzymatischen Reaktionen verwendet wird. Dieser Weg ist sehr dynamisch und in der Lage, seine Produkte an die momentanen Bedürfnisse der Zellen anzupassen.

ATP (Adenosintriphosphat) gilt als "Energiewährung" der Zelle, da ihre Hydrolyse an eine Vielzahl biochemischer Reaktionen gekoppelt werden kann.

Ebenso ist NADPH unter anderem eine wesentliche zweite Energiewährung für die reduktive Synthese von Fettsäuren, die Cholesterinsynthese, die Neurotransmittersynthese, die Photosynthese und die Entgiftungsreaktionen.

Obwohl NADPH und NADH eine ähnliche Struktur aufweisen, können sie bei biochemischen Reaktionen nicht austauschbar verwendet werden. NADPH ist an der Nutzung freier Energie bei der Oxidation bestimmter Metaboliten für die reduktive Biosynthese beteiligt.

Im Gegensatz dazu ist NADH an der Nutzung der freien Energie aus der Oxidation von Metaboliten zur Synthese von ATP beteiligt.

Geschichte und Ort

Die Hinweise auf die Existenz dieses Weges begannen 1930 dank des Forschers Otto Warburg, dem die Entdeckung von NADP ^{+ zugeschrieben wird} .

Bestimmte Beobachtungen ermöglichten die Entdeckung des Signalwegs, insbesondere die Fortsetzung der Atmung in Gegenwart von Glykolyse-Inhibitoren wie dem Fluoridion.

1950 beschrieben die Wissenschaftler Frank Dickens, Bernard Horecker, Fritz Lipmann und Efraim Racker den Pentosephosphatweg.

Die an der Synthese von Cholesterin und Fettsäuren beteiligten Gewebe wie Brustdrüsen, Fettgewebe und Nieren weisen hohe Konzentrationen an Pentosephosphatenzymen auf.

Die Leber ist auch ein wichtiges Gewebe für diesen Weg: Ungefähr 30% der Glukoseoxidation in diesem Gewebe erfolgt dank der Enzyme des Pentosephosphatweges.

Eigenschaften

Der Pentosephosphatweg ist für die Aufrechterhaltung der Kohlenstoffhomöostase in der Zelle verantwortlich. Ebenso synthetisiert der Weg die Vorläufer von Nukleotiden und Molekülen, die an der Synthese von Aminosäuren (den Bausteinen von Peptiden und Proteinen) beteiligt sind.

Es ist die Hauptquelle der Reduktionskraft für enzymatische Reaktionen. Darüber hinaus liefert es die notwendigen Moleküle für anabole Reaktionen und für Abwehrprozesse gegen oxidativen Stress. Die letzte Phase des Signalwegs ist bei Redoxprozessen unter Stresssituationen kritisch.

Phasen

Der Pentosephosphatweg besteht aus zwei Phasen im Zellzytosol: einer oxidativen, die unter Oxidation von Glucose-6-phosphat zu Ribose-5-phosphat NADPH erzeugt; und eine nicht oxidative, die die gegenseitige Umwandlung von drei, vier, fünf, sechs und sieben Kohlenstoffzuckern beinhaltet.

Diese Route zeigt Reaktionen, die mit dem Calvin-Zyklus und dem Entner-Doudoroff-Weg, der eine Alternative zur Glykolyse darstellt, geteilt werden.

Oxidative Phase

Die oxidative Phase beginnt mit der Dehydrierung des Glucose-6-phosphat-Moleküls an Kohlenstoff 1. Diese Reaktion wird durch das Enzym Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase katalysiert, das eine hohe Spezifität für NADP ^{+ aufweist} .

Das Produkt dieser Reaktion ist 6-Phosphonoglucon-δ-lacton. Dieses Produkt wird dann durch das Enzym Lactonase hydrolysiert, um 6-Phosphogluconat zu ergeben. Die letztere Verbindung wird vom Enzym 6-Phosphogluconat-Dehydrogenase aufgenommen und wird zu Ribulose-5-phosphat.

Das Enzym Phosphopentose-Isomerase katalysiert den letzten Schritt der oxidativen Phase, bei der Ribose-5-phosphat durch Isomerisierung von Ribulose-5-phosphat synthetisiert wird.

Diese Reihe von Reaktionen erzeugt zwei Moleküle NADPH und ein Molekül Ribose-5-phosphat für jedes Molekül Glucose-6-phosphat, das in diesen enzymatischen Weg eintritt.

In einigen Zellen sind die Anforderungen an NADPH höher als an Ribose-5-phosphat. Daher nehmen die Enzyme Transketolase und Transaldolase Ribose-5-phosphat auf und wandeln es in Glycerinaldehyd-3-phosphat und Fructose-6-phosphat um, wodurch die nichtoxidative Phase entsteht. Diese beiden letzten Verbindungen können in den glykolytischen Weg gelangen.

Nicht oxidative Phase

Die Phase beginnt mit einer Epimerisierungsreaktion, die durch das Enzym Pentose-5-phosphat-Epimerase katalysiert wird. Ribulose-5-phosphat wird von diesem Enzym aufgenommen und in Xylulose-5-phosphat umgewandelt.

Das Produkt wird von dem Enzym Transketolase aufgenommen, das zusammen mit dem Coenzym Thiaminpyrophosphat (TTP) wirkt, das den Übergang von Xylulose-5-phosphat zu Ribose-5-phosphat katalysiert. Bei der Übertragung von Ketose auf Aldose entstehen Glycerinaldehyd-3-phosphat und Sedoheptulose-7-phosphat.

Das Enzym Transaldolase überträgt dann das C3 vom Sedoheptulose-7-phosphat-Molekül auf Glycerinaldehyd-3-phosphat, wobei ein Zucker mit vier Kohlenstoffatomen (Erythrose-4-phosphat) und ein Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen (Fructose-6) erzeugt werden -Phosphat). Diese Produkte sind in der Lage, den glykolytischen Weg zu speisen.

Das transketosale Enzym wirkt erneut, um ein C2 von Xylulose-5-phosphat auf Erythrose-4-phosphat zu übertragen, was zu Fructose-6-phosphat und Glycerinaldehyd-3-phosphat führt. Wie im vorherigen Schritt können diese Produkte in die Glykolyse eintreten.

Diese zweite Phase verbindet die Wege, die NADPH erzeugen, mit denen, die für die Synthese von ATP und NADH verantwortlich sind. Darüber hinaus können die Produkte Fructose-6-phosphat und Glycerinaldehyd-3-phosphat in die Gluconeogenese eintreten.

Verwandte Krankheiten

Zwischen diesen neuromuskulären Erkrankungen und verschiedenen Krebsarten hängen verschiedene Pathologien mit dem Pentosephosphatweg zusammen.

Die meisten klinischen Studien konzentrieren sich auf die Quantifizierung der Aktivität der Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase, da sie das Hauptenzym ist, das für die Regulierung des Signalwegs verantwortlich ist.

In den Blutzellen von Personen, die anfällig für Anämie sind, weisen sie eine geringe enzymatische Aktivität der Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase auf. Im Gegensatz dazu zeigen Zelllinien, die mit Karzinomen im Kehlkopf verwandt sind, eine hohe Enzymaktivität.

NADPH ist an der Produktion von Glutathion beteiligt, einem Schlüsselpeptidmolekül zum Schutz vor reaktiven Sauerstoffspezies, das an oxidativem Stress beteiligt ist.

Verschiedene Krebsarten führen zur Aktivierung des Pentosewegs und sind mit Metastasierungsprozessen, Angiogenese und Reaktionen auf Chemotherapie- und Strahlentherapie-Behandlungen verbunden.

Andererseits entwickelt sich eine chronische granulomatöse Erkrankung, wenn die Produktion von NADPH mangelhaft ist.

Verweise

1. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biochemie. WH Freeman
2. Konagaya, M., Konagaya, Y., Horikawa, H. & Iida, M. (1990). Pentosephosphatweg bei neuromuskulären Erkrankungen - Bewertung der Muskelglukose 6 - Phosphatdehydrogenaseaktivität und RNA-Gehalt. Rinsho Shinkeigak. Clinical Neurology, 30 (10), 1078 & ndash; 1083.
3. MA Kowalik, A. Columbano & A. Perra (2017). Neue Rolle des Pentosephosphatweges beim hepatozellulären Karzinom. Frontiers in Oncology, 7, 87.
4. Patra, KC & Hay, N. (2014). Der Pentosephosphatweg und Krebs. Trends in den biochemischen Wissenschaften, 39 (8), 347–354.
5. A. Stincone, A. Prigione, T. Cramer, M. Wamelink, K. Campbell, E. Cheung,… & Keller, MA (2015). Die Rückkehr des Stoffwechsels: Biochemie und Physiologie des Pentosephosphatweges. Biological Reviews, 90 (3), 927–963.
6. Voet, D. & Voet, JG (2013). Biochemie. Artmed Editor.