Ruta da pentosa fosfato

A ruta da pentosa fosfato ou ruta do fosfato de pentosa, tamén chamada ruta do fosfogliconato ou lanzadeira de fosfatos de pentosas, é unha vía metabólica moi relacionada coa glicólise durante a cal se utiliza a glicosa para xerar a ribosa necesaria para a biosíntese de nucleótidos e ácidos nucleicos, e tamén para obter poder redutor (moléculas con capacidade redutora) en forma de NADPH, que se utilizará como coencima en reaccións encimáticas do anabolismo.
Esta ruta ten lugar no citosol na maioría dos organismos, pero nas plantas a maioría das reaccións teñen lugar nos plastos. A ruta serve de ponte entre as rutas anabólicas e catabólicas do metabolismo da glicosa, que está regulado pola insulina.
A ruta da pentosa fosfato pode dividirse en dúas fases: Fase oxidativa: xeración do NADPH.
Fase non oxidativa: síntese das pentosas fosfato e outros monosacáridos fosfato. Fase oxidativa
Durante a fase oxidativa, a partir de glicosa-6-fosfato obtida por fosforilación da glicosa libre, orixínase despois de varias reaccións NADPH e a pentosa ribulosa-5-fosfato, que é a "pentosa fosfato" que lle dá o nome á ruta.
A primeira reacción é a oxidación da glicosa-6-fosfato, levada a cabo polo encima glicosa-6-fosfato deshidroxenase. Neste primeiro paso deshidroxénase o grupo C1 para dar un grupo carboxilo, o cal se enlaza co C5, forma unha lactona, é dicir, un éster intramolecular. Na reacción libéranse dous hidróxenos en forma de ión hidruro (: H-, con dous electróns e un protón), que pasa ao NADP+, transformándoo en NADPH, e un (H+), que se libera no medio. Obtívose aquí a primeira molécula de NAPDH da ruta.
Despois, prodúcese a hidrólise da lactona pola actuación da lactonase, obténdose 6-fosfogliconato. Esta molécula transfórmase en ribulosa-5-fosfato por acción da 6-fosfogliconato deshidroxenase. Aquí obténse a segunda molécula de NADPH da ruta, e libérase unha molécula de CO2 procedente da descarboxilación oxidativa do 6-fosfogliconato.
Finalmente, o encima pentosa-5-fosfato isomerase isomeriza a ribulosa-5-fosfato e convértea en ribosa-5-fosfato, catalizando a transformación da cetosa (ribulosa-5-P) en aldosa (ribosa-5-P). A ribosa-5-fosfato orixinada é un metabolito central na síntese dos nucleótidos necesarios para a biosíntese de ARN, ADN e nucleótidos con función de cofactores.
En consecuencia, nesta fase obtivéronse dúas moléculas de NADPH e unha de ribosa-5-fosfato. O NADPH pode despois utilizarse na síntese de ácidos graxos e colesterol, reaccións de hidroxilación de neurotransmisores, detoxificación de peróxidos de hidróxeno, ou no mantemento do glutatión na súa forma reducida. O NADPH, ademais do seu uso nestas biosínteses redutivas, tamén intervén no mantemento dun medio redutor na célula. Este papel pode poñerse de manifesto se hai un déficit de glicosa-6-fosfato deshidroxenase, producido por un defecto nun xene do cromosoma X, que afecta principalmente aos eritrocitos.
Os glóbulos vermellos do sangue necesitan grandes cantidades de NADPH para a redución da hemoglobina oxidada e para poder rexenerar o glutatión reducido, un antioxidante que presenta importantes funcións como a eliminación de peróxidos e a redución de ferrihemoglobina (con Fe3+). Estas necesidades están cubertas grazas ao NADPH xerado na vía da pentosa fosfato. Porén, cando se presenta este defecto xenético, ou debido á inxestión de certos medicamentos, como o antimalárico primaquina, ou dalgúns vexetais, como por exemplo os feixóns, pode desenvolverse unha anemia hemolítica. A mencionada mutación xenética podería aumentar a produción de peróxidos e iso causaría a oxidación dos lípidos de membrana, xunto coa aceleración da degradación dos eritrocitos. A ruta da pentosa fosfato é a única que lle pode proporcionar aos eritrocitos o NADPH que precisan.
Malia todo, os afectados por este problema conxénito teñen unha vantaxe: están máis protexidos contra a malaria. A mutación mencionada é máis frecuente nas poboacións de países tropicais, onde é frecuente esta doenza. Parece ser que os plasmodios produtores da malaria necesitan un medio reducido para desenvolver o seu metabolismo, xa que estes parasitos resisten moito peor o estrés oxidativo ca as células hóspede, e ademais vense prexudicados polos danos na membrana da célula hóspede. Na táboa resúmense todas as reaccións desta primeira fase da ruta: A reacción global desta primeira fase é: Glicosa-6-fosfato + 2 NADP+ + H2O → Ribulosa-5-fosfato + 2 NADPH + 2 H+ + CO2
Se incluímos a isomerización da ribulosa-5-P a ribosa-5-P, que, en moitas células, é o punto en que a ruta remata, a ecuación quedaría así: Glicosa-6-fosfato + 2 NADP+ + H2O → Ribosa-5-fosfato + 2 NADPH + 2 H+ + CO2 Fase non oxidativa
A fase non oxidativa da ruta da pentosa fosfato actívase cando a célula precisa máis NADPH ca ribosa-5-fosfato. Neste segundo proceso dáse unha complexa secuencia de reaccións que permiten cambiar os azucres C3, C4, C5, C6 e C7 das pentosas para poder formar finalmente gliceraldehido-3-fosfato e frutosa-6-fosfato, os cales poderán seguir directamente as reaccións da glicólise.
Esta fase comporta toda unha serie de reaccións reversibles, o sentido das cales depende da dispoñibilidade do substrato. Ademais, a isomerización de ribulosa-5-fosfato a ribosa-5-fosfato é tamén reversible. Isto permite poder eliminar o excedente de ribosa-5-fosfato para acabar transformándoo en produtos intermediarios da glicólise.
A primeira reacción levada a cabo é a epimerización, regulada polo encima pentosa-5-fosfato epimerase, que converterá a ribulosa-5-fosfato, produto da fase oxidativa, en xilulosa-5-fosfato, xerando así o substrato necesario para a seguinte reacción, controlada pola transcetolase, encima que actúa xunto co coencima pirofosfato de tiamina (TPP). Este encima converterá a xilulosa-5-fosfato en ribosa-5-fosfato e, por medio da transferencia dun grupo de dous carbonos da cetosa á aldosa, producirase gliceraldehido-3-fosfato e sedoheptulosa-7-fosfato.
Seguidamente, a transaldolase, coa axuda dun resto lisina do seu centro activo, transfire un grupo dun carbono da sedoheptulosa-7-fosfato ao gliceraldehido-3-fosfato, co que se formarán a tetrosa eritrosa-4-fosfato, e ademais un dos produtos finais: a hexosa frutosa-6-fosfato, a cal se dirixirá á glicólise. Parte da eritrosa-4-fosfato pode ser desviada á síntese dalgúns aminoácidos aromáticos (fenilalanina, tirosina), e estes á de lignina, en plantas.
No seguinte paso o encima transcetolase volve a transferir un grupo de dous carbonos, desde a xilulosa-5-fosfato á eritrosa-4-fosfato, formando así outra molécula de frutosa-6-fosfato e unha de gliceraldehido-3-fosfato, ambos os dous intermediarios da glicólise. Deste xeito, remata a fase non oxidativa desta vía metabólica.
Esta fase da ruta serve para conectar os procesos metabólicos que xeran NADPH cos que orixinan NADH/ATP. Por outra parte, o gliceraldehído-3-fosfato e a frutosa-6-fosfato en vez de entrar na glicólise poden facelo na gliconeoxénese para formar novas moléculas de glicosa. Na seguinte táboa resúmense as reaccións desta segunda fase da ruta: Reacción neta desta fase:
3 ribulosa-5-fosfato → 1 ribosa-5-fosfato + 2 xilulosa-5-fosfato → 2 frutosa-6-fosfato + gliceraldehido-3-fosfato Importancia da ruta da pentosa fosfato na célula
A ruta da pentosa fosfato ten unha gran flexibilidade, e adáptase continuamente ás cantidades requiridas de ATP, NADPH, ribosa-5-fosfato, piruvato ou acetil-CoA, segundo as necesidades da célula.
Esta ruta está regulada por medio do encima glicosa-6-fosfato deshidroxenase. O regulador máis importante é a dispoñibilidade de NADP+, o cal actúa como activador alostérico, entanto que o NADPH fai diminuír a actividade do encima como inhibidor competitivo. En condicións fisiolóxicas o NADPH está en moita maior proporción (70: 1) ca o NADP+, pero se houbese un gasto significativo de equivalentes de redución (coencimas reducidos) isto levaría rapidamente á estimulación da deshidroxenase debido ao aumento da cantidade de NADP+.
Consecuentemente, esta ruta metabólica é moi activa no tecido adiposo, onde hai unha gran dispoñibilidade de glicosa e unha gran necesidade de NADPH, requirido para a síntese de ácidos graxos. Polo contrario, no tecido muscular, hai pouca necesidade de NADPH, polo que se realiza a inversión da ruta.
No tecido adiposo fórmase NADPH dabondo para as células, pero a formación de ribosa-5-fosfato non será suficiente para a síntese de nucleótidos, feito que provocará a conversión das pentosas en gliceraldehido-3-fosfato e frutosa-6-fosfato (fase non oxidativa). En xeral, estas biomoléculas incorpóranse á glicólise, coa axuda do encima piruvato deshidroxenase, para formar o acetil-CoA necesario para a síntese de ácidos graxos. Na glicólise prodúcense equivalentes de redución (NADH) e tamén enerxía (ATP). Este proceso detense cando xa hai coencimas reducidos dabondo e, ademais, están cubertas as necesidades de ATP. Neste momento, os produtos finais da fase non oxidativa desta ruta poderán incorporarse á gliconeoxénese para formar novamente glicosa-6-fosfato e pechar o ciclo.
Por último, hai outro tipo de células, as proliferantes, que tamén se aproveitan da gran flexibilidade deste proceso metabólico. Para poderen sintetizar ácidos nucleicos e replicarse con rapidez, estas células precisan unha gran cantidade de ribosa-5-fosfato. Deste modo, a ruta pode inverterse, grazas á reversibilidade das súas reaccións e, a partir dunha molécula de gliceraldehido-3-fosfato e dúas de frutosa-6-fosfato, obteremos como produto tres moléculas de ribosa-5-fosfato, sen formarse ningún NADPH.