Ribóza-5-fosfát

Ribóza-5-fosfát (R5P) je fosforylovaný derivát ribózy. Je zároveň produktom a intermediátom pentózafosfátového cyklu. Posledným krokom oxidatívnych reakcií v pentózafosfátovom cykle je tvorba ribulóza-5-fosfátu. Podľa stavu organizmu sa ribulóza-5-fosfát reverzibilne izomerizuje na ribóza-5-fosfát. Ribulóza-5-fosfát môže inak podstúpiť niekoľko izomerizačných, transaldolačných a transketolačných reakcií, po ktorých vznikajú iné pentózafosfáty, ako aj fruktóza-6-fosfát a glyceraldehyd-3-fosfát (intermediáty v glykolýze).
Ribóza-5-fosfát sa premieňa pôsobením enzýmu ribózafosfátdifosfokinázy na fosforibozylpyrofosfát (PRPP).
Štruktúra.
R5P pozostáva z päťuhlíkového sacharidu, ribózy, a fosfátovej skupiny, ktorá je viazaná na uhlík C5. Existuje buď ako lineárna forma, alebo ako cyklická forma (konkrétne ako furanóza). Furanózová forma je bežne označovaná i ako kyselina ribóza-5-fosforečná.
Biosyntéza.
Tvorba R5P je závislá na raste bunky a na potrebe NADPH, R5P a ATP. Tvorba každej z týchto látok je riadená tokom glukóza-6-fosfátu (G6P) v dvoch rôznych metabolických dráhach: pentózafosfátovej dráhe a glykolýze. Vzťah medzi týmito dráhami sa dá skúmať pri rôznych metabolických situáciách.
Pentózafosfátová dráha.
R5P vzniká v pentózafosfátovej dráhe u všetkých organizmov. Pentózafosfátová dráha je metabolická dráha, ktorá beží zároveň s glykolýzou. Je to hlavný zdroj NADPH, ktorý sa využíva pre reduktívnu biosyntézu (napríklad syntézu mastných kyselín) a pentózových cukrov. Táto dráha sa skladá z dvoch častí, a to oxidačnej fáze, pri ktorej sa tvorí NADPH, a neoxidačnej fáze, pri ktorej sa premieňajú cukry. V oxidačnej fáze sa redukujú dve molekuly NADP+ na NADPH pomocou premeny G6P na ribulóza-6-fosfát (Ru6P). V neoxidačnej fáze sa potom Ru5P premieňa na R5P pomocou enzýmu ribóza-5-fosfátizomerázy.
Ak je dopyt pre NADPH a R5P vyrovnaný, G6P tvorí jednu molekulu Ru5P pomocou pentózafosfátovej dráhy, čím vznikajú dve molekuly NADPH a jedna molekula R5P.
Glykolýza.
Ak sa vyžaduje viac R5P než NADPH, R5P sa môže tvoriť i z intermediátov glykolýzy. G6P sa v glykolýze premieňa na fruktóza-6-fosfát (F6P) a glyceraldehyd-3-fosfát (G3P). Transketoláza a transaldoláza premieňajú dve molekuly F6P a jednu molekulu G3P na tri molekuly R5P. Pri rýchlom raste buniek je nutné veľké množstvo R5P a NADPH pre syntézu nukleotidov a mastných kyselín. Glykolytické intermediáty sa teda dajú využiť v neoxidatívnej fáze pentózafosfátového cyklu pomocou expresie génu pre izoenzým pyruvátkinázy, PKM. PKM spôsobí veľké spomalenie v glykolýze, takže sa intermediáty môžu namiesto toho využiť v pentózafosfátovom cykle na syntézu NADPH a R5P. Tento proces je takisto podporený inhibíciou triózafosfátizomerázy, ktorá je inhibovaná fosfoenolpyruvátom, ktorý je substrátom PKM.
Funkcia.
R5P a jej deriváty slúžia ako prekurzory mnohých biomolekúl vrátane DNA, RNA, ATP, koenzýmu A, FAD a histidínu. R5P takisto vystupuje v syntéze tryptofánu.
Biosyntéza nukleotidov.
Nukleotidy sú základné stavebné kamene nukleových kyselín, DNA a RNA. Skladajú sa z dusíkatej báze, pentózy a aspoň jednej fosfátovej skupiny. Nukleotidy obsahujú buď purínovú alebo pyrimidínovú bázu. Všetky intermediáty v biosyntéze purínov sú naviazané na R5P. R5P je takisto dôležitý prekurzor pri syntéze pyrimidínových ribonukleotidov.
Pri biosyntéze nukleotidov pôsobí na R5P ribózafosfátdifosfokináza (PRPS1), vďaka čomu vzniká fosforibozylpyrofosfát (PRPP). Tvorba PRPP je esenciálna pre "de novo" syntézu purínov i pre recyklačné dráhy purínov. Syntéza "de novo" začína aktiváciou R5P premenou na PRPP, ktorý sa potom premieňa na fosforibozylamín (PRA). Počas obnovovacích dráh purínov viažu fosforibozyltransferázy PRPP na bázy.
PRPP hrá dôležitú úlohy i pri syntéze pyrimidínových ribonukleotidov. V piatom kroku tejto syntéze sa PRPP kovalentne viaže na orotát na C1 uhlík ribózy. Reakcia je katalyzovaná enzýmom orotátfosforibozyltransferázou (PRPP transferázou) a jej produktom je orotidínmonofosfát (OMP).
Biosyntéza histidínu a tryptofánu.
Histidín je esenciálna aminokyselina, ktorá sa u ľudí nesyntetizuje "de novo". Podobne ako u nukleotidov začína biosyntéza histidínu premenou R5P na PRPP. Rýchlosť určujúcim krokom biosyntézy histidínu je kondenzácia ATP a PRPP, ktorú katalyzuje ATP-fosforibozyltransferáza. V procese dochádza k štiepeniu kruhu v adeníne. Uhlíkové atómy z ribóza v PRPP tvoria lineárny reťazec a čast imidazolového kruhu histidínu. Biosyntéza histidínu je opatrne regulovaná spätnou inhibíciou.
Podobne je to pri syntéze tryptofánu, kde prvým krokom je N-alkylácia kyseliny antranilovej, ktorú katalyzuje antranilátfosforibozyltransferáza.
Iné funkcie.
R5P sa dá premeniť na adenozíndofosfátribózu, ktorá sa viaže na TRPM2 iónový kanál, čím ho aktivuje. Túto reakciu katalyzuje ribóza-5-fosfátadenylyltransferáza.
Klinický význam.
Niekoľko chorôb súvisí s nerovnováhou R5P v bunkích. Rakoviny a nádory vykazujú zvýšenú produkciu R5P korelovanú so zvýšenou syntézou RNA a DNA. Ribóza-5-fosfátizomerázová deficiencia, najvzácnejšia choroba na svete, takisto súvisí s nerovnováhou R5P. Aj keď molekulárna patológia tejto choroby nie je úplne pochopená, medzi hypotézy patrí znížená syntéza RNA. Ďalšia choroba súvisiaca s R5P je dna. Vysoká hladina G6P vedie k nadbytku intermediátov glykolýzy, ktoré sú smerované k produkcii R5P. R5P sa mení na PRPP, ktorá má za následok tvorbu purínov, čím vzniká nadbytok kyseliny močovej.
Akumulácia PRPP nastáva pri Lesch-Nyhanovom syndróme. Nadbytok je tvorený nedostatočnou aktivitou enzýmu hypoxantín-guanínfosforibozyltransferázy (HGPRT), ktorá vedie k oslabenej syntéze nukleotidov a zvýšenej produkcii kyseliny močovej.
Superaktivita enzýmu PRPS1, ktorý katalyzuje premenu R5P na PRPP, bola takisto spojená s dnou, ako aj s neurologickými vývojovými poruchami a senzorineurálnou hluchotou.