Hexosemonophosphate shunt

Der Pentosephosphat-Weg (auch Hexosemonophosphat-Zyklus, Hexosemonophosphat-Shunt, Transaldolase/-ketolase-Weg oder Phosphogluconat-Weg) ist ein Stoffwechselweg, der in den meisten Lebewesen vorkommt. Er stellt eine Möglichkeit der Verwertung von Kohlenhydraten, beziehungsweise des Glucose-Abbaus dar. Diese Prozesse finden im Cytosol der Zelle statt.

Allgemeiner Ablauf und Produkte

Beim Pentosephosphatweg wird aus Glucose oxidativ unter Gewinn von NADPH/H⁺ Ribose-5-phosphat gebildet, das in Metaboliten der Glycolyse umgewandelt werden kann, oder als Grundbaustein für die Biosynthese von Nukleotiden dient.

Der Pentosephosphatweg lässt sich in einen oxidativen, irreversiblen und einen nicht-oxidativen, reversiblen Abschnitt aufteilen. NADPH/H+ wird im oxidativen Teil durch Oxidation der Hexose Glucose zu der Pentose Ribulose-5-phosphat unter Abspaltung von Kohlendioxid gewonnen.

Im nicht-oxidativen, reversibel ablaufenden Teil wird die entstandene Pentose (C₅-Zucker) in Metabolite der Glycolyse umgewandelt. Als Zwischenprodukte treten

• C₃-Zucker (Triosen),
• C₄-Zucker (Tetrosen) und
• C₇-Zucker (Heptosen) auf.

Unter Einbeziehung der Enzyme der Glycolyse bzw. der Gluconeogenese (Glucose-6-phosphat-Isomerase, Aldolase, Fructose-1,6-bisphosphatase) lässt sich eine Summenformel für den Pentosephosphatweg aufstellen, bei der ein Molekül Glucose-6-phosphat vollständig in CO₂ aufgespalten wird:

$\text{Glucose-6-phosphat} + \text{6 H}_2\text{O} + \text{12 NADP}^+ \longrightarrow \text{6 CO}_2 + \text{P}_i + \text{12 NADPH/H}^+$

Im Gegensatz zur Glycolyse entsteht beim Pentosephosphatweg als Reduktionsäquivalent nicht NADH/H⁺, sondern NADPH/H⁺. Dieses wird nicht in der Atmungskette verbraucht, sondern wird für anabole Stoffwechselwege wie die Reduktion von Glutathion oder die Fettsäure- und Steroidsynthese benötigt. Ribose-5-phosphat als zweites Hauptprodukt des Pentosephosphatwegs wird für die Synthese von Nukleotiden benötigt. In Geweben, in denen der oxidative Teil nur in geringer Aktivität abläuft, kann es auch durch Umkehrung des nicht-oxidativen Teils aus Metaboliten der Glycolyse erzeugt werden.

Oxidativer Teil

Oxidative Schritte des Pentosephosphatweges

Wie in der Glycolyse findet als erster Schritt die Hexokinase-Reaktion statt, bei der Glucose zu Glucose-6-phosphat umgewandelt wird. Die Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase bildet unter Erzeugung von NADPH/H+ 6-Phosphoglucono-delta-Lacton, einen intramolekularen Ester. Die Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase ist hochspezifisch für NADP+ und nicht NAD+. Es handelt sich hierbei um eine Oxidation an C-Atom 1. Als nächstes setzt die 6-Phosphogluconolactonase 6-Phosphoglucono-delta-Lacton zu 6-Phosphogluconat um. Dieses 6-Phosphogluconat wird über die 6-Phosphogluconat-Dehydrogenase zu Ribulose-5-phosphat umgesetzt, wobei NADPH/H⁺ und CO₂ entstehen, d. h. es findet eine Oxidation an C-Atom 3 statt.

Nicht-Oxidativer Teil

Ribulose-5-phosphat wird über die Ribose-5-phosphat-Isomerase zu Ribose-5-phosphat isomerisiert, kann aber auch mithilfe der Ribulosephosphat-3-Epimerase zu Xylulosephosphat umgelagert werden. Beide Produkte nehmen an den folgenden Reaktionen teil.

Wechselseitige Überführung von phosphorylierten C3- bis C7-Zuckern nach dem Transaldolase/Transketolase-Prinzip

Auf Ribose-5-phosphat können noch weitere Kohlenstoffeinheiten übertragen werden. Die Transketolase überträgt zwei, die Transaldolase jedoch drei Kohlenstoffeinheiten. Die Endprodukte sind Fructose-6-phosphat, und Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP) die (nach Isomerisierung zu Dihydroxyacetonphosphat, DHAP) in die Glycolyse einfließen.

Die Übertragung von Kohlenstoffatomen durch Transaldolase und Transketolase verbraucht kein ATP und ist im Fall der Transketolase lediglich vom Cofaktor Thiaminpyrophosphat (TPP, aus Vitamin B1) abhängig.

Regulation

Der Pentosephosphatweg wird nicht speziell über Schlüsselenzyme reguliert sondern allenfalls durch das Prinzip der Gleichgewichtsreaktion. Der P-P-Weg ist eine Alternative zum Embden-Meyerhof-Zyklus. Werden NADPH und Pentose gebraucht, fließt Glucose in diesen Weg ein. Das ist vor allem in Geweben der Fall in denen Fettsäure- oder Steroid-Synthese stattfindet.

Lokalisation (Beispiele)

Die Enzyme sind im Zytoplasma von grundsätzlich allen Zellen vorhanden: Einige Beispiele:

• Fettgewebe (Fettsäureesynthese)
• Leber (Fettsäure- und Colesterinsynthese)
• Nebennierenrinde (Steroidsynthese)
• Schilddrüse
• milchproduziernde weibliche Brust (Mamma lactans)

Der Pentosephosphatweg ist überall dort sehr aktiv, wo Fettsäuren oder Steroide synthetisiert werden. In Muskelzellen und Herzmuskelzellen im Besonderen herrscht die Glycolyse vor.

Erythrozyten als Beispiel

Erythrozyten transportieren Sauerstoff, fast die reaktivste Substanz im Körper. Für Sauerstoff typisch ist die Radikalbildung. Ohne ein geeignetes Gegenmittel (im Körper meist ein Antioxidans) wären Erythrozyten oxidativem Stress ausgeliefert und würden frühzeitig sterben. Um dies zu verhindern benötigt der Erythrozyt viel Antioxidans, insbesondere Glutathion, das durch NADPH aus seiner oxidierten Form regeneriert wird.

Der Pentosephosphatweg ist die wichtigste Quelle für NADPH, denn pro Molekül verstoffwechselter Glucose werden 2 Moleküle NADPH hergestellt.

Der Erythrozyt hat keinen Zellkern und keine Mitochondrien. Das bedeutet, dass er weder oxidative Glycolyse betreiben kann, noch dass er Bedarf an Ribose-5-P hat, dem Endprodukt des oxidativen Zweigs des Pentosephosphatweges. Er würde also alleine mit dem oxidativen Zweig zwar genügend Antioxidans erzeugen können, jedoch zum einen die Glucose "zerstören", die er für die Glycolyse benötigt, und zum anderen würde irgendwann ein osmotisches Problem durch das Ribose-5-P entstehen. Hier kommt der nicht-oxidative Zweig ins Spiel. Hier werden einfach 2 Xylulose-5-P und ein Ribose-5-P zu 2 Fructose-6-P und 1 Glycerinaldehyd-3-P umgesetzt. Diese Produkte kann der Erythrozyt für die Glycolyse verwenden.

Weblinks

• reactome.org: Pentose phosphate pathway (hexose monophosphate shunt)