生物化學與分子生物學/磷酸戊糖途徑

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糖代謝 - 糖的攝取與利用 - 糖的無氧氧化 - 糖的有氧氧化 - 磷酸戊糖途徑 - 糖原的合成與分解 - 糖異生 - 葡萄糖的其他代謝途徑 - 血糖及其調節
葡萄糖在細胞內除通過有氧氧化和無氧氧化分解產能外,還存在其他不產能的分解代謝途徑,如磷酸戊糖途徑。磷酸戊糖途徑(pentose phosphate pathway)是指從糖酵解的中間產物葡糖-6-磷酸開始形成旁路,通過氧化、基團轉移兩個階段生成果糖-6-磷酸和3-磷酸甘油醛,從而返回糖酵解的代謝途徑。磷酸戊糖途徑不能產生ATP,但可生成NADPH和磷酸核糖兩種重要產物。

磷酸戊糖途徑分為兩個階段[編輯]

葡糖-6-磷酸進入磷酸戊糖途徑分解,其過程分為兩個階段:第一階段是氧化反應,生成磷酸戊糖、NADPH和CO2; 第二階段是基團轉移反應,最終生成果糖-6-磷酸和3-磷酸甘油醛。全部反應在細胞質中進行。

氧化階段生成NADPH和磷酸核糖[編輯]

葡糖-6-磷酸進入第一階段的反應包括:

  • 在葡糖-6-磷酸脫氫酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase)催化下,葡糖-6-磷酸氧化成 6-磷酸葡糖酸內酯,脫下的氫由NADP+接受而生成NADPH,此反應需要Mg2+參與。
  • 由內酯酶(lactonase)催化,6-磷酸葡糖酸內酯水解為 6-磷酸葡糖酸。
  • 由 6-磷酸葡糖酸脫氫酶催化,6-磷酸葡糖酸氧化脫羧生成核酮糖-5-磷酸,同時生成NADPH及C02
  • 核酮糖-5-磷酸經異構酶催化,轉變成核糖-5-磷酸;或者經差向異構酶催化,轉變為木酮糖-5-磷酸。

這些磷酸戊糖之間的相互轉變均為可逆反應。總之,第一階段中,1分子葡糖-6-磷酸生成2分子NADPH和1分子核糖-5-磷酸,釋出1分子C02

磷酸戊糖途徑第一階段.png

基團轉移階段生成磷酸已糖和磷酸丙糖[編輯]

第一階段生成的NADPH和磷酸核糖,可用作體內諸多合成代謝的原料,但由於細胞對NADPH的需求量大得多,為避免磷酸核糖積累,多餘的戊糖就會進入第二階段,以便重新返回糖酵解途徑而被再次利用。
需要3分子磷酸戊糖進入第二階段,才能完成所有基團轉移反應。一系列基團轉移的接受體都是醋糖,反應分為兩類:一類是轉酮醇酶(transketolase)反應,轉移含l個酮基、1個醇基的2碳基團;另一類是轉醛醇酶(transaldolase)反應,轉移3碳單位。這些基團轉移均為可逆反應。簡而言之,在第二階段中,3分子磷酸戊糖最終轉變成2分子果糖-6-磷酸和1分子3-磷酸甘油醛。此外,本階段反應過程中,還可提供3C、4C、5C、6C、7C中間產物,這些含不同碳原子數量的碳骨架也是體內生物合成所需要的碳源。
綜上,磷酸戊糖途徑的總反應為:
3×葡糖-6-磷酸+6NADP+→2×果糖-6-磷酸+3-磷酸甘油醛+6NADPH+6H++3C02

磷酸戊糖途徑主要受NADPH/NADP+比值的調節[編輯]

葡糖-6-磷酸可進入多條代謝途徑。葡糖-6-磷酸脫氫酶是磷酸戊糖途徑的關鍵酶,其活性決定葡糖-6-磷酸進入此途徑的流量。從酶含量調節的角度來看,當攝取高碳水化合物飲食、尤其是飢餓後進食時,肝內此酶的含盤明顯增加,以適應脂肪酸合成時對NADPH的需要。從酶活性快速調節的角度來看,NADPH對葡糖-6-磷酸脫氫酶有強烈的抑制作用,因此該酶活性主要受NADPH/NADP+比值的調節。比值升高,磷酸戊糖途徑被抑制;比值降低時則被激活。總之,磷酸戊糖途徑的流量取決於NADPH需求。

磷酸戊糖途徑是NADPH和磷酸核糖的主要來源[編輯]

磷酸戊糖途徑產生的磷酸核糖和NADPH,可為體內多種合成代謝提供碳源和供氫體。對於脂質合成旺盛的組織(如肝、脂肪組織、哺乳期的乳腺)、增殖活躍的組織(如骨髓、腫瘤)、紅細胞等,磷酸戊糖途徑尤為活躍,可大量生成這兩種產物,以滿足這些組織細胞的代謝需求。

提供磷酸核糖參與核酸的生物合成[編輯]

核糖是核苷酸的基本組分。體內的核糖並不依賴從食物攝入,而是通過磷酸戊糖途徑生成。磷酸核糖的生成方式有兩種:一是發生在氧化階段,由葡糖-6-磷酸氧化脫羧生成;二是發生在基團轉移階段,由糖酵解的中間產物3-磷酸甘油醒和果糖-6-磷酸通過基團轉移生成。這兩種方式的相對重要性因物種而異,因器官而異。 例如,人體主要通過第一種方式生成磷酸核糖,但肌組織內因缺乏葡糖-6-磷酸脫氫酶故通過第二種方式生成磷酸核糖。

提供NADPH作為供氫體參與多種代謝反應[編輯]

與NADH不同,NADPH攜帶的氫並不通過電子傳遞鏈氧化釋出能量,而是參與許多代謝反應,發揮不同的功能。

  • NADPH是許多合成代謝的供氫體
    • 參與脂質合成:從乙醯CoA合成脂肪酸和膽固醇,中間涉及多步還原反應,需要NADPH供氫;
    • 參與胺基酸合成:機體合成非必需胺基酸時,先由α-酮戊二酸、NH3和NADPH生成穀氨酸,後者再與其他α-酮酸進行轉氨基反應而生成相應的胺基酸。
  • NADPH參與羥化反應,需要NADPH的脛化反應包括:
    • 與生物合成相關的羥化反應:從鯊烯合成膽固醇,從膽固醇合成膽汁酸、類固醇激素,從血紅素合成膽紅素等,均涉及NADPH參與的羥化步驟;
    • 與生物轉化(biotransformation)相關的羥化反應:使某些藥物、毒物發生羥化作用的細胞色素P450單加氧酶,也需要NADPH參與反應。
  • NADPH用於維持穀胱甘肽的還原狀態
    • 穀胱甘肽(glutathione, GSH)是 一個三肽,2分子GSH可以脫氫生成氧化型穀胱甘肽(GSSG), 而後者可在穀胱甘肽還原酶作用下,被NADPH重新還原成為還原型穀胱甘肽。
    • 還原型穀胱甘肽是體內重要的抗氧化劑,可保護一些含巰基的蛋白質或酶免受氧化劑(尤其是過氧化物)的損害。對於紅細胞,還原型穀胱甘肽的意義更為重要,可保護紅細胞膜的完整性。葡糖-6-磷酸脫氫酶缺陷者,其紅細胞不能經磷酸戊糖途徑獲得充足的NADPH, 不足以使穀胱甘肽保持還原 狀態,因而表現出紅細胞(尤其是較老的紅細胞)易於破裂,發生溶血性黃疽。這種溶血現象常在食用蠶豆(是強氧化劑)後誘發, 故稱為蠶豆病。