磷酸戊糖途径《玩转太极拳之二十四式》作者龙殿法的生物化学笔记
葡萄糖在细胞内除通过有氧氧化和无氧氧化分解产能外,还存在其他不产能的分解代谢途径,如磷酸戊糖途径。磷酸戊糖途径是指从糖酵解的中间产物葡糖-6-磷酸开始形成旁路,通过氧化、基团转移两个阶段生成果糖-6-磷酸和3-磷酸甘油醛,从而返回糖酵解的代谢途径。磷酸戊糖途径不能产生ATP,但可生成 NADPH和磷酸核糖两种重要产物。
一、磷酸戊糖途径分为两个阶段
葡糖-6-磷酸进入磷酸戊糖途径分解,其过程分为两个阶段:第一阶段是氧化反应,生成磷酸戊糖、 NADPH和CO2;第二阶段是基团转移反应,最终生成果糖-6-磷酸和3-磷酸甘油醛。全部反应在细胞质中进行
(一)氧化阶段生成 NADPH和磷酸核糖
葡糖-6-磷酸进入第一阶段的反应包括:①在葡糖-6-磷酸脱氢酶催化下,葡糖-6-磷酸氧化成6-磷酸葡糖酸内酯,脱下的氢由NADP+接受而生成 NADPH,此反应需要Mg2+参与。②由内酯酶催化,6-磷酸葡糖酸内酯水解为6-磷酸葡糖酸。③由6-磷酸葡糖酸脱氢酶催化,6-磷酸葡糖酸氧化脱羧生成核酮糖-5-磷酸,同时生成 NADPH及CO2。④核酮糖5-磷酸经异构酶催化,转变成核糖5-磷酸;或者经差向异构酶催化,转变为木酮糖5-磷酸。这些磷酸戊糖之间的相互转变均为可逆反应。总之,第一阶段中,1分子葡糖-6-磷酸生成2分子 NADPH和1分子核糖-5-磷酸,释出1分子CO2。
(二)基团转移阶段生成磷酸己糖和磷酸丙糖
第一阶段生成的NADPH和磷酸核糖,可用作体内诸多合成代谢的原料,但由于细胞对NADPH的需求量大得多,为避免磷酸核糖积累,多余的戊糖就会进入第二阶段,以便重新返回糖酵解途径而被再次利用。
需要3分子磷酸戊糖进入第二阶段，才能完成所有基团转移反应。一系列基团转移的接受体都是醛糖,反应分为两类:一类是转酮醇酶反应,转移含1个酮基、1个醇基的2碳基团;另一类是转醛醇酶反应,转移3碳单位。这些基团转移均为可逆反应。简而言之;在第二阶段中,3分子磷酸戊糖最终转变成2分子果糖6磷酸和1分子3磷酸甘油醛。此外,本阶段反应过程中,还可提供3C、4C、5C、6C、7C中间产物,这些含不同碳原子数量的碳骨架也是体内生物合成所需要的碳源。
综上,磷酸戊糖途径的全过程归纳,其总反应为:3×葡糖6-磷酸+6NADP+→2×果糖-6-磷酸+3-磷酸甘油醛+6 NADPH+6H+ +3C02
二、磷酸戊糖途径主要受 NADPH/NADP比值的调节
葡糖-6-磷酸可进入多条代谢途径。葡糖-6磷酸脱氢酶是磷酸戊糖途径的关键酶,其活性决定葡糖-6-磷酸进人此途径的流量。从酶含量调节的角度来看,当摄取高碳水化合物饮食、尤其是饥饿后进食时,肝内此酶的含量明显增加,以适应脂肪酸合成时对NADPH的需要。从酶活性快速调节的角度来看, NADPH对葡糖-6-磷酸脱氢酶有强烈的抑制作用,因此该酶活性主要受NADPH/NADP+比值的调节。比值升高磷酸戊糖途径被抑制;比值降低时则被激活。总之,磷酸戊糖途径的流量取决于NADPH需求。
三、磷酸戊糖途径是NADPH和磷酸核糖的主要来源
磷酸戊糖途径产生的磷酸核糖和NADPH,可为体内多种合成代谢提供碳源和供氢体。对于脂质合成旺盛的组织(如肝、脂肪组织、哺乳期的乳腺)、增殖活跃的组织(如骨髓、肿瘤)、红细胞等,磷酸戊糖途径尤为活跃,可大量生成这两种产物,以满足这些组织细胞的代谢需求。
（一）提供磷酸核糖参与核酸的生物合成
核糖是核苷酸的基本组分。体内的核糖并不依赖从食物摄入,而是通过磷酸戊糖途径生成。磷酸核糖的生成方式有两种:一是发生在氧化阶段,由葡糖-6-磷酸氧化脱羧生成;二是发生在基团转移阶段,由糖酵解的中间产物3-磷酸甘油醛和果糖-6-磷酸通过基团转移生成。这两种方式的相对重要性因物种而异,因器官而异。例如,人体主要通过第一种方式生成磷酸核糖,但肌组织内因缺乏葡糖-6-磷酸脱氢酶故通过第二种方式生成磷酸核糖。
(二)提供NADPH作为供氢体参与多种代谢反应
与NADH不同, NADPH携带的氢并不通过电子传递链氧化释出能量,而是参与许多代谢反应,发挥不同的功能
1. NADPH是许多合成代谢的供氢体 NADPH常作为体内生物合成的供氢体:①参与脂质合成:从乙酰CoA合成脂肪酸和胆固醇,中间涉及多步还原反应,需要NADPH供氢;②参与氨基酸合成:机体合成非必需氨基酸时,先由α-酮戊二酸、NH3和NADPH生成谷氨酸,后者再与其他α-酮酸进行转氨基反应而生成相应的氨基酸。
2.NADPH参与羟化反应 需要NADPH的羟化反应包括:①与生物合成相关的羟化反应:从鲨烯合成胆固醇,从胆固醇合成胆汁酸、类固醇激素,从血红素合成胆红素等,均涉及NADPH参与的羟化步骤②与生物转化相关的羟化反应:使某些药物、毒物发生羟化作用的细胞色素P450单加氧酶,也需要NADPH参与反应
3.NADPH用于维持谷胱甘肽的还原状态 谷胱甘肽(GSH)是一个三肽,2分子GSH可以脱氢生成氧化型谷胱甘肽(GSSG),而后者可在谷胱甘肽还原酶作用下,被 NADPH重新还原成为还原型谷胱甘肽。
还原型谷胱甘肽是体内重要的抗氧化剂,可保护一些含巯基的蛋白质或酶免受氧化剂(尤其是过氧化物)的损害。对于红细胞,还原型谷胱甘肽的意义更为重要,可保护红细胞膜的完整性。葡糖-6磷酸脱氢酶缺陷者,其红细胞不能经磷酸戊糖途径获得充足的NADPH,不足以使谷胱甘肽保持还原状态,因而表现出红细胞(尤其是较老的红细胞)易于破裂,发生溶血性黄疸。这种溶血现象常在食用蚕豆(是强氧化剂)后诱发,故称为蚕豆病。