Պենտոզաֆոսֆատային ուղի

Պենտոզաֆոսֆատային ուղի (պենտոզային ուղի, հեքսոզոմոնոֆոսֆատային շունտ, Վարբուրգ-Դիքենս-Հորեկերի ուղի)-գլյուկոզի օքսիդացման այլընտրանքային ուղի (Էնտներ-Դուդորովի ուղու և գլիկոլիզի հետ միասին), ներառում է օքսիդացման և ոչ օքսիդացման փուլեր։

Պենտոզաֆոսֆատային ուղու գումարային հավասարումն է․
 3 գլյյուկոզ-6-ֆոսֆատ + 6 ՆԱԴՖ+ → 3СО2 + 6 (ՆԱԴՖ + Н+) + 2 ֆրուկտոզա-6-ֆոսֆատ + գլիցերալդեհիդ-3-ֆոսֆատ

Հետագայում գլիցերալդեհիդ-6-ֆոսֆատը փոխակերպվում է պիրուվատի և առաջացնում է երկու մոլեկուլ ԱԵՖ։

Պենտոզաֆոսֆատային ուղին տարածված է բույսերի և կենդանիների մոտ, միկրոօրգանիզմների մեծ մասի մոտ ունի օժանդակ դեր։ Պենտոզաֆոսֆատային ուղու ֆերմենտները և կենդանական, և բուսական բջիջներում գտնվում են ցիտոզոլում․ բացի այդ, կաթնասունների մոտ դրանք գտնվում են նաև Էնդոպլազմային ցանցի վրա, իսկ բույսերի մոտ՝ քլորոպլաստներում։

Գլիկոլիզի նման, պենտոզաֆոսֆատային ուղին, հավանաբար, ունի շատ հին էվոլյուցիոն պատմություն։ Հնարավոր է, արխեայի ջրերում՝ մինչև կյանքի առաջացումը, կատարվում էին պենտոզաֆոսֆատային ուղու ռեակցիաները, որոնք կատալիզվում էին ոչ թե ֆերմենտներով, ինչպես կենդանի բջիջներում, այլ մետաղների իոններով, մասնավորապես Fe2+-ով։

Ռեակցիաներ 
Ինչպես նշված է վերևում, պենտոզաֆոսֆատային ուղին բաժանվում է օքսիդացման և ոչ օքսիդացման փուլերի։ Օքսիդացման փուլի ընթացքում գլյուկոզը, որը ֆոսֆորացվում է մինչև գլյուկոզո-6-ֆոսֆատի, օքսիդանում է մինչև ռիբուլոզո-5-ֆոսֆատ, և ընդ որում առաջանում է երկու վերականգնված NADPH։ Ոչ օքսիդացման փուլի ընթացքում վերականգնված էկվիվալենտներ չեն առաջանում, սա ծառայում է պենտոզի սինթեզին և ներառում է երկու կամ երեք ածխածնային բաղադրիչների փոխանցման դարձելի ռեակցիաներ․ հետագայում պենտոզը կարող է նորից փոխակերպվել հեքսոզի՝ բջջում պենտոզի կուտակման ժամանակ՝ պենտոզաֆոսֆատային ուղու ոչ օքսիդացիոն ռեակցիաների միջոցով։ Բոլոր ֆերմենտները, որոնք օգտագործվում են պենտոզաֆոսֆատային ուղում, կարելի է բաժանել ֆերմենտների 3 համակարգի

 դեհիդրման-դեկարբոքսիլացման համակարգ
 իզոմերացնող համակարգ
 համակարգ, որը կատարում է շաքարների փոխակերպումները

Օքսիդացման փուլ 
Պենտոզոաֆոսֆատային ուղու օքսիդացման փուլի ռեակցիաները ներկայացված են աղյուսակում։

Փուլի գումարային հավասարումն է․
 Գլյուկոզո-6-ֆոսֆատ + 2 NADP+ + H2O → ռիբուլոզո-5-ֆոսֆատ + 2 (NADPH + H+) + CO2

Ոչ օքսիդացման փուլ 
Ոչ օքսիդացիոն փուլի ընդհանուր ռեակցիաների պատկերը հետևյալն է․

 
Տրանսալդոլոզան և տրանսկետոլոզան կատալիզում են С—С կապի ճեխքումը և ածխածնային շղթաների տեղափոխումը, որոնք առաջանում են ճեղքման արդյունքում։ Տրանսկետոլազը որպես կոֆերմենտ օգտագործում է թիամինպիրոֆոսֆատը (ТРР), որը իրենից ներկայացնում է վիտամին В1-ի դիֆոսֆորային եթեր։ Ներոհիշյալ սխեմայում ներկայացվում են տրանսալդոլազի և տրանսկետոլազի ռեակցիաները․

Ոչ օքսիդացոիոն փուլի գումարային հավասարումն է
 3 ռիբուլոզո-5-ֆոսֆատ → 1 ռիբուլոզո-1-ֆոսֆատ+ 2 քսիլոզ-5-ֆոսֆատ → 2 ֆրուկտոզ-6-ֆոսֆատ + գլիցերալդեհիդ-3-ֆոսֆատ։

Օքսիդացման փուլի ռեակցիաները ընթանում են միայն այն դեպքում, եթե վերականգնված NADPH-ը ծախսվում է բջջի կողմից, այսինքն անցնում է չվերականգնված վիճակի (NADP+)։ Եթե բջջում NADPH-ի պահանջը մեծ չէ, ապա ռիբոզո-5-ֆոսֆատը առաջանում է պենտոզաֆոսֆատային ուղու ոչ օքսիդացիոն փուլի դարձելի ռեակցիաների ընթացքում, որտեղ որպես ելանյութ ծառայում են գլիկոլիզի վերջանյութերը՝ գլիցերալդեհիդ-3-ֆոսֆատը և ֆրուկտոզ-6-ֆոսֆատը։

Բջջի կողմից գլիկոլիզի կամ պենտոզաֆոսֆատային ուղու ընտրությունը կախված է տվյալ պահին ցիտոզոլում NADP+-ի կոնցետրացիայի պահանջից։ Էլեկտրոնների այս ակցեպտորի բացակայության պայմաններում պենտոզաֆոսֆատային ուղին չի ընթանում։ Եթե բջիջը ակտիվորեն ծախսում է NADPH, ապա NADP+ կոնցետրացիան աճում է, որի հետևանքով ակտիվանում է գլյուկոզ-6- ֆոսֆատդեհիդրոգենազը և պենտոզաֆոսֆատային ուղին, որպեսzի վերականգնի օքսիդացած NADPH-ը։ Երբ NADPH-ի օգտագործումը նվածում է, NADP+-ի կոնցետրացիան փոքրանում է, պենտոզաֆոսֆատային ուղին չի ընթանում և գլյուկոz-6-ֆոսֆատը անցնում է գլիկոլիզի։

Պենտոզաֆոսֆատային ցիկլ 
Ոչ օքսիդացիոն ուղու գումարային հավասարումից երևում է, որ պենտոզը, որը առաջանում է հեքսոզի՝ գլյուկոզի դեկարբոքսիլացումից, պենտոզաֆոսֆատային ողու օգնությամբ կարող է կրկին վերադառնալ հեքսոզներին։ Սրա հետ կապված օքսիդացիոն փուլը հետագայում պենտոզը փոխակերպում է հեքսոզի, այդ կերպ առաջացնելով ցիկլիկ պրոցես՝ պենտոզաֆոսֆատային ցիկլ։ Պենտոզաֆոսֆատային ցիկլը գլխավորապես գործում է ճարպային հյուսվածքներում և լյարդում։ Նրա գումարային հավասարումը ունի հետևյալ տեսքը․
 6 գլյուկոզո-6-ֆոսֆատ + 12NADP + 2H2O → 12(NADPH + H+) + 5 գլյուկոզո-6-ֆոսֆատ + 6 СО</sub>2</sub>։

Ոչ օքսիդացիոն պենտոզաֆոսֆատային ուղի 
Գլյուկոզի փոխակերպումը պենտոզի կարող է իրականալ նաև առանց ածխաթթու գազի շերտատման, որը կատարվում է շաքարի փոխակերպման ֆերմենտային համակարգի և գլիկոլիտիկ ֆերմենտների միջոցով, որոնք գլյուկոզո-6-ֆոսֆատը փոխակերպում են գլիցերալդեհիդ-3-ֆոսֆատի։ Ընդ որում տեղի է ունենում հետևյալ ձևափոխումը․
 2½ С6 → 3 С5

Rhodotorula gracilis լիպիդառաջացնող խմորասնկերի նյութափախանակության ուսումնասիրման ժամանակ (այս խմորասնկերի մոտ բացակայում է ֆոսֆոֆրուկտոկինազը և նրանք չեն կարողանում կատարել գլիկոլիզ) պարզ դարձավ, որ նրանց մոտ գլյուկոզի 20 %-ը օքսիդանում է պենտոզաֆոսֆատային ուղով, իսկ 80 %-ը ձևափոխվում է ոչ օքսիդացիոն պենտոզաֆոսֆատային ուղով։ Սակայն ներկա պահին անհայտ է, թե այս դեպքում ինչպես է առաջանում եռածխածնային միացություն, եթե գլիկոլիզը անհնար է։

Մոդիֆիկացիա 
Գլյուկոզի ռադիոակտիվ իզոտոպով կատարված որոշ հետազոտություններ ապացուցել են վերը նշված քիմիական ընթացքները։ Բaյց և այնպես, առաջադրվել է ենթադրություն, որ լյարդում կատարվում են պենտոզաֆոսֆատային ուղու շաքարների փոխանակման շեղումներ, մասնավորապես, ռիբոզո-5-ֆոսֆատից արաբինոզ-5-ֆոսֆատի, օկտուլոզոբիֆոսֆատի և օկտուլոզ-8-ֆոսֆատի առաջացումը, սակայն մասնագետների մեծ մասը ենթադրում են, որ այս լրացուցիչ ռեակցիաների կարևորությունը մեծ չէ։

Տարածումը և կենսաբանական նշանակությունը 
Ինչպես նշվեց վերևում, պենտոզաֆոսֆատային ուղին առկա է կենդանիների, բույսերի և միկրոօրգանիզմների մոտ։ Բոլորի մոտ այս ուղին ծառայում է վերականգնված NADPH-ի առաջացման համար, որը վերականգնման և հիդրօքսիլացման ռեակցիաներում օգտագործվում է որպես ջրածնի դոնոր, ինչպես նաև բջջին ապահովում է ռիբոզ-5-ֆոսֆատով։ Թեև NADPH առաջանում է խնձորաթթվից պիրուվատի և ածխաթթու գազի օքսիդացման ժամանակ, ինչպես նաև իզոցիտրատի դեհիդրման ժամանակ, մեծ մասամբ բջջի պահանջը վերականգնված էկվիվալենտներին կատարվում է հենց պենտոզաֆոսֆատային ուղու միջոցով։ Որոշ դեպքերում ռիբոզ-5-ֆոսֆատի առաջացումը համարվում է պենտոզաֆոսֆատային ուղու միակ նպատակը։ Ռիբոզ-5-ֆոսֆատը համարվում է 5-ֆոսֆոռիբոզիլ-1-պիրոֆոսֆատի (PRPP) ելանյութը, որը մասնակցում է նուկլեոտիդների և նուկլեինաթթուների, հիստիդին և տրիպտոֆան ամինաթթուների կենսասինթեզին։ Պենտոզաֆոսֆատային ուղու այլ ինտերմեդիատը՝ էրիթրոզ-4-ֆոսֆատը, ֆոսֆոենելպիրուվատի հետ կոնդենսացվելով, տալիս է տրիպտոֆանի, ֆենիլալանինի և թիրոզինի հիմնական սինթեզի սկիզբը։

Պենտոզաֆոսֆատային ուղին կարող է կատարվել լյարդում, ճարպային հյուսվածքում, կաթնագեղձերում լակտացիայի դեպքում, սերմնարաններում, մակերիկամի կեղևային շերտում, էրիթրոցիտներում։ Այս հյուսվածքներում և օրգաններում ակտիվ կերպով ընթանում են հիդրոքսիլացման և վերականգնման ռեակցիաներ, օրինակ, ճարպաթթուների, խոլեստերոլի սինթեզ, լյարդում քսենոբիոտիկների, էրիթրոցիտներում և այլ հյուսվածքներում թթվածնի ակտիվ ձևերի վնասազերծում, այդ պատճառով նրանց մոտ մեծ է վերականգնված էկվիվալենտների պահանջը, այդ թվում NADPH։ Մասնավորապես, էրիթրոցիտներում թթվածնի ակտիվ ձևերի վնասազերծումը կատարում է գլուտատիոն անտիօքսիդանտը՝ ծծումբ պարունակող տրիպեպտիդը։ Գլուտատիոնը, օքսիդանալով, ջրածնի պերօքսիդը փոխակերպում է ջրի, սակայն գլուտատիոնի հետադարձ փոխակերպման համար անհրաժեշտ է NADPH + H+։ Էրիթրոցիտներում գլյուկոզ-6-ֆոսֆատդեհիդրոգենազի դեֆեկտի դեպքում տեղի է ունենում հեմոգլոբինի պրոտոմերների ագրեգացիա, որի հետևանքով էրիթրոցիտները կորցնում են առանձգականությունը, նրանց գործունեության համար անհրաժեշտ է պենտոզաֆոսֆատային ուղու նորմալ աշխատանքը։ Հետաքրքիր է, որ գլյուկոզո-6-ֆոսֆատդեհիդրոգենազի ակտիվության խախտումը կապված է բջջի անընկալությանը մալարիայի պլազմոդիում Plasmodium falciparum-ին, քանի որ էրիթրոցիտների համեմատաբար թույլ մեմբրանի (պլազմոդիումը այստեղ անց է կացնում կենսական ցիկլի մեծ մասը) պատճառով, պլազմոդիումները չեն կարողանում այստեղ բազմանալ։ Բացի էրիթրոցիտներից, գլյուկոզո-6-ֆոսֆատդեհիդրոգենազի բարձր ակտիվություն նկատվում է ֆագոցիտոզ կատարող բջիջներում, որտեղ NADPH-օքսիդազ ֆերմենտը մոլեկուլային թթվածինը սուպերօքսիդային իոնի փոխակերպելու համար օգտագործում է վերականգնված NADPH-ը։

Ինչպես նշվեց վերևում, տրանսկետոլազի ակտիվության համար անհրաժեշտ է թիամինպիրոֆոսֆատ (ТРР), որը ձևավորվում է թիամինից (վիտամին В1)։ Տրանսկետոլազի գենի մուտացիայի դեպքում, որը տանում է ТРР-ի հետ ավելի քիչ խնամակցված ֆերմենտի առաջացման (նորմալ ակտիվության տասներորդ մասը), մարդու օրգանիզմը դարձնում են ավելի զգայուն թիամինի պարունակությանը սննդի մեջ։ Նույնիսկ ТРР-ի չափավոր պակասի դեպքում այս առանձնյակների մոտ դանդաղում է պենտոզաֆոսֆատային ուղին։ Այսպիսի մուտացիաները խորացնում են Վերնիկ-Կորսակովի սինդրոմի ախտանիշները, ինչը պայմանավորված է թիամինային լուրջ անբավարարությամբ։

Բույսերի մոտ պենտոզաֆոսֆատային ուղու ռեակցիաների հակադարձ ուղին ներկայացնւոմ է վերականգնման պենտոզաֆոսֆատային ուղի՝ ֆոտոսինթեզի մթնային փուլի ռեակցիաներ(այսինքն շաքար առաջացնողներ)։ Պենտոզաֆոսֆատային ուղին բույսերի որոշ էկոլոգիական խմբերի մոտ հատուկ նշանակություն։ Այսպես, ի տարբերություն կենդանիների, ծաղկավոր Craterostigma plantagineum բույսերը կուտակում են մեծ քանակությամբ 2-օքսո-օկտուլոզաներ։ Այս բույսը կարող է դիմանալ ուժեղ դեհիդրատացիայի, արագ վերականգնել ջրային պաշարները և ընդամենը մի քանի ժամվա ընթացքում վերականգնել մետաբոլիզմի նորմալ ընթացքը։ Ջրազրկման դեպքում օկտուլոզայի մեծ մասը փոխակերպվում է սախարոզի։ Պարզվել է, որ այս բույսի մոտ առկա են մի շարք գեներ, որոնք գաղտնագրում են տրանսկետոլազներ, որոնք, հնարավոր է, կարևոր դեր են խաղում ածխաջրերի փոխանակության մեջ։

Շատ բակտերիաների մոտ բացակայում է պենտոզաֆոսֆատային ուղու ցիկլիկ տարբերակը, և պենտոզաֆոսֆատային ուղին օգտագործվում է պենտոզի և NADPH-ի վերականգնման համար, ինչպես էուկարիոտների մոտ։ Պենտոզաֆոսֆատային ուղու ոչ օքսիդացիոն ռեակցիաները նույնպես օգտագործվում են գլյուկոնատի նյութափոխանակության մեջ։ Պենտոզաֆոսֆատային ցիկլը գործում է մի շարք ցիանոբակտերիաների մոտ, քանի որ նրանց մոտ բացակայում է ամբողջական Կրեբսի ցիկլը (նրանք ունակ չեն օքսիդացնել ացետիլ-СоА) և կենսասինթեզի ուղիները սկսվում են թրոզոֆոսֆատների փոխակերպմամբ։ Հենց այդ պատճառով որոշ քացախաթթվային բակտերիաներ-ը (Gluconobacter spp.) իրականացնում են պենտոզաֆոսֆատային ցիկլ և դրա ընթացքում թրիոզոֆոսֆատը օքսիդանում է մինչև ացետատ, որը արտազատվում է արտաքին միջավայր։ Վերջապես, որոշ բակտերիաներ (Thiobacillus novellus և Brucella abortus) պենտոզաֆոսֆատային ուղին օգտագործում են որպես շաքարների օքսիդացման հիմնական ճանապարհ, դրանով փոխարինելով գլիկոլիզը և Էնտեր-Դուդորովի ուղին։

Կարգավորում 
Գլյուկոզ-6-ֆոսֆատի ճակատագիրը՝ թե կանցնի նա գլիկոլիզ կամ պենտոզաֆոսֆատային ուղի, որոշվում է տվյալ պահին բջջի պահանջարկով, ինչպես նաև ցիտոզոլում NADP+-ի կոնցետրացիայով։ Առանց էլեկտրոնների ակցեպտորի առկայության պենտոզաֆոսֆատային ուղու առաջին ռեակցիան (կատալիզվում է գլյուկոզո-6-ֆոսֆատդեհիդրոգենազով) չի ընթանա։ Երբ բջիջը կենսասինթետիկ վերականգնողական ռեակցիաներում արագ փոխակերպում է NADPH-ը NADP+-ի, NADP+-ի մակարդակը բարձրանում է, ալոստերիկ կերպով խթանում գլյուկոզո-6-ֆոսֆատդեհիդրոգենազին և այդ կերպ ոոժեղացնելով գլյուկոզո-6-ֆոսֆատի հոսքը պենտոզաֆոսֆատային ուղով։ Երբ NADPH-ի ծախսը նվազում է, NADP+-ի մակարդակը նվազում է, և գլյուկոզո-6-ֆոսֆատը օգտագործվում է որպես ածխաջուր։

Ուսումնասիրման պատմություն 

Պենտոզաֆոսֆատային ուղու բացահայտման պատմությունը սկսվեց այն ժամանակ, երբ նկատվեց, որ գլիկոլիզի որոշ ընդհանուր ինհիբիտորներ (օրինակ յոդացետատ, ֆլյուորիդ) չեն փոխում գլյուկոզի օգտագործումը։ Դրա հետ մեկտեղ Օտո Վարբուրգը բացահայտեց NADPH-ը և նկարագրեց գլյուկոզո-6-ֆոսֆատի օքսիդացումը մինչև 6-ֆոսֆոգլյուկոնաթթվի։ Բացի այդ, ցույց տրվեց, որ գլյուկոզը, 14C-ից С-1 նշված իզոտոպը, փոխակերպվում է 14СО2 ավելի արագ, քան С-6 նշվածը։ Եթե գլյուկոզի փոխակերպումը ընթանար միայն գլիկոլիզի ընթացքում, ապա 14СО2-ը հավասար կերպով կառաջանար գլյուկոզից, որը նշված է և С-1, և С-6։ Այս կերպ, ապացուցվել է գլյուկոզի ալտերնատիվ օքսիդացման եղանակը, որը տարբերվում է գլիկոլիզից։ Պենտոզաֆոսֆորական ուղու ռեակցիաների ամբողջական հաջորդականությունը, այդ թվում նաև տրանսկետոլազային և տրանսալդելոզային ռեակցիաները, հրապարակվել են 1955 թվականին Ի․ Գանսալուսի () և Վ․ Վուդի () կողմից։

Ծանոթագրություններ

Գրականություն 
 David E. Metzler. Biochemistry։ The Chemical Reactions of Living Cells.. — 2nd edition. — Academic Press, 2003. — Т. 2. — 1973 с. — ISBN 978-0-1249-2541-0.
 David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehninger Principles of biochemistry. — Fifth edition. — New York։ W. H. Freeman and company, 2008. — 1158 p. — ISBN 978-0-7167-7108-1.
 Биологическая химия с упражнениями и задачами / Под ред. С. Е. Северина. — М.։ Издательская группа «ГЭОТАР-Медиа», 2011. — 624 с.
 Нетрусов А. И., Котова И. Б. Микробиология. — 4-е изд., перераб. и доп.. — М.։ Издательский центр «Академия», 2012. — 384 с. — ISBN 978-5-7695-7979-0.

Արտաքին հղումներ 
 The chemical logic behind the pentose phosphate pathway
 Pentose phosphate pathway Map - Homo sapiens

Կենսաքիմիա