במאמר זה נשקול את אחת הגרסאות של חמצון גלוקוז - מסלול הפנטוז הפוספט. ינותחו ויתוארו גרסאות של מהלך התופעה, שיטות ליישום שלה, הצורך באנזימים, משמעות ביולוגית והיסטוריית הגילוי.
הצגת התופעה
מסלול הפנטוז פוספט הוא אחת הדרכים שבהן C6H12O6 (גלוקוז) מתחמצן. מורכב משלב מחמצן ולא מחמצן.
משוואת תהליך כללי:
3glucose-6-phosphate+6NADP-à3CO2+6(NADPH+H-)+2פרוקטוז-6-פוספט+גליצראלדהיד-3-פוספט.
לאחר שעברה דרך מסלול הפוספט הפנטוז החמצוני, מולקולת ההיצראלדהיד-3-פוספט הופכת לפירובט ויוצרת 2 מולקולות של חומצה טרי-פוספורית אדנוזין.
לבעלי חיים וצמחים בין יחידות המשנה שלהם יש תפוצה רחבה של תופעה זו, אך מיקרואורגניזמים משתמשים בה רק כתהליך עזר. כל האנזימים של המסלול ממוקמים בציטופלזמה התאית באורגניזמים של בעלי חיים וצמחים. בנוסף, יונקים מכילים חומרים אלוגם ב-EPS, וצמחים בפלסידים, במיוחד בכלורופלסטים.
מסלול הפנטוז פוספט של חמצון גלוקוז דומה לתהליך הגליקוליזה ויש לו מסלול אבולוציוני ארוך במיוחד. כנראה, בסביבה המימית של הארכאה, לפני הופעת החיים במובן המודרני, התרחשו תגובות שהיו בדיוק בעלות אופי פנטוז פוספט, אבל הזרז למחזור כזה לא היה אנזים, אלא יוני מתכת.
סוגי תגובות קיימות
כפי שצוין קודם לכן, מסלול הפוספט הפנטוז מבחין בין שני שלבים, או מחזורים: חמצוני ולא חמצוני. כתוצאה מכך, בחלק החמצוני של המסלול, C6H12O6 מתחמצן מגלוקוז-6-פוספט ל-ribulose-5-פוספט, ולבסוף NADPH מופחת. המהות של השלב הלא חמצוני היא לעזור לסינתזה של פנטוז ולכלול את עצמך בתגובת ההעברה ההפיכה של 2-3 "חתיכות" פחמן. יתר על כן, העברה של פנטוזות למצב של הקסוזות יכולה להתרחש שוב, אשר נגרמת על ידי עודף של פנטוז עצמו. הזרזים המעורבים במסלול זה מחולקים ל-3 מערכות אנזימטיות:
- מערכת דה-הידרו-דעקרבוקסילציה;
- מערכת סוג איזומריזציה;
- מערכת שנועדה להגדיר מחדש סוכרים.
תגובות עם ובלי חמצון
החלק החמצוני של הנתיב מיוצג על ידי המשוואה הבאה:
Glucose6phosphate+2NADP++H2Oàribulose5phosphate+2 (NADPH+H+)+CO2.
Bבשלב הלא חמצוני, ישנם שני זרזים בצורה של טרנסאלדולאז וטרנסקטולז. הם מאיצים את שבירת הקשר C-C והעברת שברי פחמן של השרשרת שנוצרים כתוצאה משבירה זו. טרנסקטולז מנצל את הקואנזים תיאמין פירופוספט (TPP), שהוא ויטמין אסטר (B1) מסוג דיפוספור.
צורה כללית של משוואת השלבים בגרסה הלא-חמצנית:
3 ribulose5phosphateà1 ribose5phosphate+2 xylulose5phosphateà2 fructose6phosphate+glyceraldehyde3phosphate.
ניתן לראות את הווריאציה החמצונית של המסלול כאשר התא משמש NADPH, או במילים אחרות, כאשר הוא עובר למיקום הסטנדרטי בצורה הלא מופחתת שלו.
השימוש בתגובת הגליקוליזה או במסלול המתואר תלוי בכמות ריכוז ה-NADP+ בעובי הציטוזול.
מחזור נתיב
לסיכום התוצאות שהתקבלו מניתוח המשוואה הכללית של מסלול הווריאציה הלא-חמצון, אנו רואים שפנטוזים יכולים לחזור מהקסוזים לחד סוכרים של גלוקוז באמצעות מסלול הפנטוז הפוספט. ההמרה שלאחר מכן של פנטוז להקסוז היא התהליך המחזורי של פנטוז פוספט. הנתיב הנדון וכל תהליכיו מרוכזים, ככלל, ברקמות השומן ובכבד. ניתן לתאר את המשוואה הכוללת כ:
6 glucose-6-phosphate+12nadp+2H2Oà12(NADPH+H+)+5 glucose-6-phosphate+6 CO2.
סוג לא חמצוני של מסלול פנטוז פוספט
השלב הלא חמצוני של מסלול הפוספט הפנטוז יכול לארגן מחדש את הגלוקוז ללאהסרה של CO2, המתאפשרת הודות למערכת האנזימטית (היא מסדרת מחדש סוכרים ואנזימים גליקוליטים הממירים גלוקוז-6-פוספט לגליצראלדהיד-3-פוספט).
כאשר בדקנו את חילוף החומרים של שמרים יוצרים שומנים (שחסרים להם פוספופרוקטוקינאז, המונע מהם לחמצן חד-סוכרים C6H12O6 באמצעות גליקוליזה), התברר שגלוקוז בכמות של 20% עובר חמצון באמצעות מסלול הפוספט והפנטוז, 80% הנותרים עוברים קונפיגורציה מחדש בשלב הלא חמצוני של הנתיב. נכון לעכשיו, התשובה לשאלה איך בדיוק נוצרת תרכובת 3 פחמן, שיכולה להיווצר רק במהלך הגליקוליזה, נותרה לא ידועה.
פונקציה עבור אורגניזמים חיים
הערך של מסלול הפוספט הפנטוז בבעלי חיים וצמחים, כמו גם במיקרואורגניזמים כמעט זהה כל התאים מבצעים תהליך זה על מנת ליצור גרסה מופחתת של NADPH, שתשמש בתור תורם מימן ב- תגובה מסוג רדוקציה והידרוקסילציה. תפקיד נוסף הוא לספק לתאים ריבוז-5-פוספט. למרות העובדה ש-NADPH יכול להיווצר כתוצאה מחמצון מאלאט עם יצירת פירובט ו-CO2, ובמקרה של דהידרוגנציה של איזוציטרט, ייצור מקבילים רדוקטיביים מתרחש עקב תהליך פנטוז פוספט. אמצעי ביניים נוסף של מסלול זה הוא אריתרוז-4-פוספט, שעובר עיבוי עם פוספואנולפירובטים, יוזם היווצרות של טריפטופנים, פנילאלנינים וטירוזינים.
מבצעמסלול הפוספט הפנטוז נצפה בבעלי חיים באיברי הכבד, בלוטות החלב במהלך ההנקה, האשכים, קליפת יותרת הכליה, כמו גם באדמית וברקמות השומן. זה נובע מנוכחות של הידרוקסילציה ותגובות התחדשות אקטיביות, למשל, במהלך סינתזה של חומצות שומן, נצפתה גם במהלך הרס של קסנוביוטיקה ברקמות הכבד וצורת החמצן הפעילה בתאי אריתרוציטים וברקמות אחרות. תהליכים כמו אלה מייצרים ביקוש גבוה למגוון מקבילים, כולל NADPH.
בואו נשקול את הדוגמה של אריתרוציטים. במולקולות אלו, גלוטתיון (טריפפטיד) אחראי לנטרול צורת החמצן הפעילה. תרכובת זו, העוברת חמצון, הופכת מי חמצן ל-H2O, אך המעבר ההפוך מגלוטתיון לשונות המופחתת אפשרי בנוכחות NADPH+H+. אם לתא יש פגם ב-Glucose-6-phosphate dehydrogenase, ניתן להבחין בהצטברות של מקדמי המוגלובין, וכתוצאה מכך האריתרוציט מאבד את הפלסטיות שלו. תפקודם הרגיל אפשרי רק עם הפעלה מלאה של מסלול הפנטוז הפוספט.
מסלול הפנטוז פוספט ההפוך של הצמח מספק את הבסיס לשלב האפל של הפוטוסינתזה. בנוסף, חלק מקבוצות הצמחים תלויות במידה רבה בתופעה זו, שעלולה לגרום, למשל, להמרה הדדית מהירה של סוכרים וכו'.
תפקידו של מסלול הפוספט הפנטוז לחיידקים טמון בתגובות של חילוף החומרים של גלוקונאט. Cyanobacteria להשתמש בתהליך זה בזכותהיעדר מחזור קרבס מלא. חיידקים אחרים מנצלים תופעה זו כדי לחשוף סוכרים שונים לחמצון.
תהליכי רגולציה
וויסות מסלול הפנטוז פוספט תלוי בנוכחות הדרישה לגלוקוז-6-פוספט על ידי התא וברמת הריכוז של NADP+ בנוזל הציטוזול. שני הגורמים הללו הם שיקבעו אם המולקולה הנ ל תיכנס לתגובות גליקוליזה או למסלול מסוג פנטוז פוספט. היעדר מקבלי אלקטרונים לא יאפשר לצעדים הראשונים של הדרך להתקדם. עם ההעברה המהירה של NADPH ל-NADPH+, רמת הריכוז של האחרון עולה. גלוקוז 6 פוספט דהידרוגנאז מעורר גירוי אלוסטרי וכתוצאה מכך מגביר את כמות השטף של גלוקוז 6 פוספט דרך המסלול מסוג פנטוז פוספט. האטה בצריכת NADPH מובילה לירידה ברמת ה-NADP+, ומסלק גלוקוז-6-פוספט.
נתונים היסטוריים
מסלול הפנטוז הפוספט החל את דרכו המחקרית בשל העובדה שתשומת הלב הוקדשה לחוסר השינוי בצריכת הגלוקוז על ידי מעכבי גליקוליזה כלליים. כמעט במקביל לאירוע זה, O. Warburg גילה את הגילוי של NADPH והחל לתאר את החמצון של גלוקוז-6-פוספטים לחומצות 6-phosphoglucon. בנוסף, הוכח ש-C6H12O6, המסומן באיזוטופים 14C (מסומן לפי C-1), הפך ל-14CO2 מהר יותר מאשר זו אותה מולקולה, אבל מסומנת C-6. זה מה שהראה את החשיבות של תהליך ניצול הגלוקוז במהלךסיוע בדרכים חלופיות. נתונים אלו פורסמו על ידי I. K. Gansalus בשנת 1995.
מסקנה
ולכן, אנו רואים שהמסלול הנבחן משמש את התאים כדרך חלופית לחמצון גלוקוז ומחולק לשתי אפשרויות שבהן הוא יכול להמשיך. תופעה זו נצפית בכל צורות האורגניזמים הרב-תאיים ואף במיקרואורגניזמים רבים. בחירת שיטות החמצון תלויה בגורמים שונים, נוכחות של חומרים מסוימים בתא בזמן התגובה.
