Г. Укажите биологическое значение ПФП.

А. Пентозофосфатный путь, называемый также гексомонофосфатным шунтом, служит альтернативным путём окисления глюкозо-6-фосфата. Пентозофосфатный путь состоит из 2 фаз (частей) — окислительной и неокислительной.

В окислительной фазе глюкозо-6-фосфат необратимо окисляется в пентозу — рибулозо-5- фосфат, и образуется восстановленный NADPH.

В неокислительной фазе рибулозо-5-фосфат обратимо превращается в рибозо-5-фосфат и метаболиты гликолиза.

Пентозофосфатный путь обеспечивает клетки рибозой для синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов и гидрированным коферментом NADPH, который используется в восстановительных процессах.

Суммарное уравнение пентозофосфатного пути выражается следующим образом:

3 Глюкозо-6-фосфат + 6 NADP+ → 3 С02 +6 (NADPH + Н+) + 2 Фруктозо-6-фосфат +Глицеральдегид-3-фосфат.

Ферменты пентозофосфатного пути, так же, как и ферменты гликолиза, локализованы в цитозоле.

Наиболее активно пентозофосфатный путь протекает в жировой ткани, печени, коре надпочечников, эритроцитах, молочной железе в период лактации, семенниках.

А. ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭТАП

В окислительной части пентозофосфатного пути глюкозо-6-фосфат подвергается окислительному декарбоксилированию, в результате которого образуются пентозы. Этот этап включает 2 реакции дегидрирования.

Первая реакция дегидрирования — превращение глюкозо-6-фосфата в глюконолактон-6- фосфат — катализируется NADP+-3aBHCHMoft глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой и сопровождается окислением альдегидной группы у первого атома углерода и образованием одной молекулы восстановленного кофермента NADPH.

Далее глюконолактон-6-фосфат быстро превращается в 6-фосфоглюконат при участии фермента глюконолактонгидратазы.

Фермент 6-фосфоглюконатдегидрогеназа катализирует вторую реакцию дегидрирования окислительной части, в ходе которой происходит также и декарбоксилирование. При этом углеродная цепь укорачивается на один атом углерода, образуется рибулозо-5-фосфат и вторая молекула гид-рированного NADPH.

Восстановленный NADPH ингибирует первый фермент окислительного этапа пентозофосфатного пути — глюкозо-6-фосфатдегидрогеназу. Превращение NADPH в окисленное состояние NADP+ приводит к ослаблению ингибирования фермента. При этом скорость соответствующей реакции возрастает, и образуется большее количество NADPH.

Суммарное уравнение окислительного этапа пентозофосфатного пути можно представить в виде:

Глюкозо-6-фосфат + 2 NADP+ + Н2О → Рибулозо-5-фосфат + 2 (NADPH + Н+) + СО2.

Реакции окислительного этапа служат основным источником NADPH в клетках. Гидрированные коферменты снабжают водородом биосинтетические процессы, окислительно-восстановительные реакции, включающие защиту клеток от активных форм кислорода. NADPH как донор водорода участвует в анаболических процессах, например в синтезе холестерина. Это источник восстановительных эквивалентов для цитохрома Р450, катализирующего образование гидроксильных групп при синтезе стероидных гормонов, жёлчных кислот, при катаболизме лекарственных веществ и других чужеродных соединений (см. разделы 8, 11, 12). Высокая активность фермента глюкозо-6- фосфатдегидрогеназы обнаружена в фагоцитиру-ющих лейкоцитах, где NAD PH-оке ид аза использует восстановленный NADPH для образования супероксидного иона из молекулярного кислорода. Супероксцдный ион генерирует другие активные формы кислорода, под действием которых и повреждаются молекулы ДНК, белков, липидов бактериальных клеток. Синтез жирных кислот из углеводов в печени является основным путём утилизации NADPH и обеспечивает регенерацию окисленной формы NADP+. В печени глюкозо-6- фосфатдегидрогеназа, как и ключевые ферменты гликолиза и биосинтеза жирных кислот, индуцируется при увеличении соотношения инсулин/глюкагон после приёма богатой углеводами пищи.

Несмотря на то, что NADPH образуется также при окислении малата до пирувата и диоксида углерода (при участии NADP+-зависимой малатдегидрогеназы) и дегидрировании изоцитрата (при участии NADP-зависимой изо-цитратдегидрогеназы), в большинстве случаев потребности клеток в восстановительных эк-вивалентах удовлетворяются за счёт пентозо-фосфатного пути.

Реакции окислительного пути протекают только в том случае, если восстановленный кофермент NADPH возвращается в исходное окисленное состояние NADP+ при участии NADPH-зависимых дегидрогеназ (т.е. при условии использования гидрированного NADPH в восстановительных процессах). Если потребности клетки в NADPH незначительны, рибо- зо-5-фосфат образуется в результате обратимых реакций неокислительного этапа пентозофос-фатного пути, используя в качестве исходных веществ метаболиты гликолиза — глицераль- дегид-3-фосфат и фруктозо-6-фосфат.

 НЕОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭТАП

Неокислительный этап пентозофосфатного пути включает серию обратимых реакций, в результате которых рибулозо-5-фосфат превращается в рибозо-5-фосфат и ксилулозо-5-фосфат, и далее за счёт переноса углеродных фрагментов в метаболиты гликолиза — фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат. В этих превращениях принимают участие ферменты: эпимераза, изомераза, транскетолаза и трансальдолаза. Транскетолаза в качестве кофермента использует тиаминдифосфат. Неокислительный этап пентозофосфатного пути не включает реакции де

гидрирования и поэтому используется только для синтеза пентоз.

Рибулозо-5-фосфат служит субстратом для двух ферментов. Фермент рибулозо-5-фосфат-З-эпимераза изменяет стехиометрическое положение одной ОН-группы у третьего атома углерода, пре-вращая рибулозо-5-фосфат в ксилулозо-5-фосфат. Другой фермент — рибулозо-5-фосфат-изомераза — катализирует превращение рибулозо-5-фосфата в рибозо-5-фосфат. Рибозо-5- фосфат, образующийся в неокислительной фазе, обеспечивает клетки рибозой, необходимой для синтеза нуклеотидов, которые служат предшественниками и структурными компонентами коферментов дегидрогеназ и нуклеиновых кислот.

Ферменты транскетолаза и трансальдолаза ка-тализируют перенос двух- и трёхуглеродных фраг-ментов, соответственно используя в качестве до-нора углеродных фрагментов кетозу, а альдозу — в качестве акцептора. Эти реакции протекают в 2 этапа: сначала происходит отщепление углеродного фрагмента от молекулы-донора, а затем — перенос этого фрагмента на молекулу, выполняющую роль акцептора. Транскетолаза в неокислительной фазе пентозофосфатного пути катализирует 2 реакции. В первой реакции транскетолаза расщепляет связь С-С между кетогруппой и соседним атомом углерода в молекуле ксилулозо-5-фосфат, в результате чего кетосахар превращается в альдозу, глицеральдегид-3-фосфат, содержащую на 2 атома углерода меньше. Образующийся после расщепления двухуглеродный фрагмент остаётся ковалентно связанным в каталитическом центре фермента с коферментом тиаминдифосфатом. Далее фермент переносит двухуглеродный фрагмент на альдегидную группу альдосахара, образую новую кетозу — седогептулозо-7-фосфат.

Трансальдолаза переносит трёхуглеродный фрагмент от седогептулозо-7-фосфата на глицеральдегид-З-фосфат, образуя эритрозо-4-фосфат и фруктозо-6-фосфат.

Эта реакция подобна реакции альдольного расщепления гликолитического пути, за исключением того, что в данном случае трёхуглеродный фрагмент, содержащий кетогруппу, переносится на альдосахар глицеральдегид-3-фосфат, а в гликолитическом пути кетофрагмент высвобождается в виде дигидроксиацетонфосфата.

В следующей реакции, катализируемой транскетолазой, происходит перенос двухуглеродного фрагмента от ксилулозо-5-фосфата на эритрозо-4-фосфат. Продуктами этой реакции являются фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид- 3-фосфат.

Так как все реакции неокислительного этапа обратимы, образование рибозо-5-фосфата может происходить не только в результате изомерного превращения продукта окислительной фазы пентозофосфатного пути рибулозо-5-фосфата в рибозо-5-фосфат под действием изомеразы, но также и из промежуточных продуктов гликолиза — фруктозо-6-фосфата и глицераль дегид-3-фосфата. Последовательность превращений, приводящих к образованию рибозо-5- фосфата из таких продуктов гликолитического пути, можно представить в виде:

2 Фруктозо-6-фосфат + Глицералъдегид-З-фосфат

→ 2 Ксилулозо-5-фосфат + Рибозо-5-фосфат 2 Ксилулозо-5-фосфат→2 Рибулозо-5-фосфат 2 Рибулозо-5-фосфат → 2 Рибозо-5-фосфат.

Суммарный результат метаболизма 3 молекул рибулозо-5-фосфата в неокислительной фазе пентозофосфатного пути — образование 2 молекул фруктозо-6-фосфата и 1 молекулы глицеральдегид-3-фосфата. Далее фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат могут превратиться в глюкозу. С учётом стехиометрического коэффициента, равного 2, для образования 5 молекул глюкозы (содержащих 30 атомов углерода) потребуются 4 молекулы фруктозо-6-фосфата и 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата (в сумме содержащие также 30 атомов углерода) или, соответственно, 6 молекул рибулозо-5-фосфата. Таким образом, неокислительный путь можно представить как процесс возвращения пентоз в фонд гексоз.

Окислительный этап образования пентоз и неокислительный этап (путь возвращения пентоз в гексозы) составляют вместе циклический процесс.

Такой процесс можно описать общим уравнением:

6 Глюкозо-6-фосфат + 12 NADP+ + 2 Н20 -» 5 Глюкозо-6-фосфат + 12 NADPH +12 Н+ +6 СО2.

Это означает, что из 6 молекул глюкозы образуются 6 молекул рибулозо-5-фосфат (пентозы) и 6 молекул С02. Ферменты неокислительной фазы превращают 6 молекул рибулозо-5-фосфат в 5 молекул глюкозы (гексозы). При последова-тельном проведении этих реакций единственным полезным продуктом является NADPH, образу-ющийся в окислительной фазе пентозофосфат- ного пути. Такой процесс называют пентозофос- фатным циклом.

Протекание пентозофосфатного цикла позволяет клеткам продуцировать NADPH, необходимый для синтеза жиров, не накапливая пентозы.

Энергия, выделяющаяся при распаде глюкозы, трансформируется в энергию высоко-энергетического донора водорода — NADPH. Гидрированный NADPH служит источником водорода для восстановительных синтезов, а энергия NADPH преобразуется и сохраняется во вновь синтезированных веществах.

Б. Не будет в пентозе.

Нет, не будет, так как меченый атом 14С был удален в составе СО2 в результате декарбоксилирования 6-фосфоглюконовой кислоты.

В. Будет в СО₂.

Применение радиоактивных индикаторов в органической химии и биохимии. С использованием таких радиоактивных меток, как тритий, углерод-14, сера-35, фосфор-32 и некоторых других исследовано огромное число органических реакций и биохимических процессов. При многих биохимических анализах обычно требуется определить ничтожные (10~14— 10“6 моля) количества вещества. Химические же методы редко позволяют определять количества меньше 10~7 моля. Это ограничение было преодолено развитием техники радиоактивных меток и созданием чувствительных детекторов радиоактивности, позволяющих надежно определять многие вещества в количествах 10~12 моля. Кроме того, использование радиоактивных меток дало толчок для развития плодотворных экспериментальных подходов к решению разнообразных проблем. Такие подходы включают технику двойной метки для одновременного наблюдения за двумя соединениями или для распознавания двух идентичных веществ, синтезируемых в разное время; метод импульсной метки, позволяющий наблюдать за соединением после его образования без помех со стороны конкурентно синтезируемого вещества; анализ процессов обмена для определения участия в реакциях.

 Радиоактивные изотопы углерода. Два радиоактивных изотопа углерода нашли широкое применение в практике. Получение радиоактивного углерода представляет особый интерес, так как с его помощью можно исследовать реакции, протекающие между органическими веществами, и проводить исследования в области биологического обмена углерода.

Г. В реакциях ПФП образуются: НАДФН₂, которые используются в реакциях биосинтеза липидов, ферментных защитных систем; пентозы используются в реакциях синтеза пуринов, пиримидинов, коферментов.

Биологическое значение ПФП:

1.Путь образования пентоз для синтеза нуклеотидов, нуклеиновых кислот и коферментов.

2. Поставляет восстановленный НАДФН2, необходимый для

-биосинтетических процессов(синтез жирных кислот, холестерина, стероидных гормонов)

-компонент антиоксидантной/прооксидантной систем

-обезвреживания эндотоксинов и ксенобиотиков (учавствует в системе микросомального окисления)

3. Альтернативный путь окисления глюкозы

 

Особенности ПФП:

В разных клетках пентозофосфатный путь идет по-разному:

Метаболизм глюкозо-6-фосфата в пентозофосфатном пути может идти по различным вариантам. Судьба метаболитов пентозофосфатного пути зависит от ситуации, потребностей клетки и ее типа.

Растущие и делящиеся клетки

Если клетка растет и делится, то ей необходимы НАДФН и рибозо-5-фосфат. В этом случае 2-й этап идти не будет, весь образуемый на 1-м этапе рибулозо-5-фосфат превратится в рибозо-5-фосфат. Последний далее фосфорилируется в фосфорибозилдифосфат и используется для синтеза как пуриновых, так и пиримидиновых нуклеотидов. НАДФН будет расходоваться на синтез дезоксирибонуклеотидов.

При распаде нуклеотидов образуемый рибозо-5-фосфат через второй этап способен превратиться в фруктозо-6-фосфат и окисляться с получением энергии.

Адипоциты

Если потребность в НАДФН значительно превышает потребность в рибозо-5-фосфате, как, например, в адипоцитах и печени при синтезе жирных кислот, то по окислительным реакциям пентозофосфатного пути образуются НАДФН и рибулозо-5-фосфат. Далее, под действием ферментов 2 этапа, рибулозо-5-фосфат превращается в пентозо-5-фосфаты и далее в метаболиты гликолиза (фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат).

Эти метаболиты превращаются в пируват и ацетил-SKoA и, в основном, используются для синтеза жирных кислот и образования холестерина. Одновременно глицеральдегид-3-фосфат может превращаться в глицерол-3-фосфат и уходить в биосинтез триацилглицеролов.

 Эритроциты

В случае, когда потребность в НАДФН высока, а потребность в рибозо-5-фосфате отсутствует, как в эритроците, где НАДФН активно используется для восстановления антиоксиданта глутатиона ферментом глутатионредуктазой, последовательно идут оба этапа ПФП. Глюкозо-6-фосфат превращается в рибозо-5-фосфат и далее во фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат, которые "проваливаются" в гликолиз с образованием лактата. В конечном результате происходит одновременное генерирование НАДФН и АТФ.

74

Человек вынужден был выполнить тяжелую кратковременную физическую нагрузку.