Nichtoxidativer Teil und Funktionen des Pentosephosphatwegs
Wie Transketolase und Transaldolase Pentosen zu Hexosen umbauen und wofür die Zelle Ribose-5-phosphat und NADPH aus dem Pentosephosphatweg braucht.
Das Wichtigste in Kürze
- Der nichtoxidative Teil des Pentosephosphatwegs baut Pentosephosphate reversibel zu Hexose- und Triosephosphaten um, ohne NADPH zu bilden.
- Die Transketolase überträgt \(\ce{C2}\)-, die Transaldolase \(\ce{C3}\)-Fragmente. Aus drei Pentosen entstehen zwei Fructose-6-phosphat und ein Glycerinaldehyd-3-phosphat, ohne Carboxylierung.
- Ribulose-5-phosphat wird zu Ribose-5-phosphat isomerisiert, dem Zuckerbaustein der Nucleotidsynthese.
- \(\ce{NADPH + H+}\) aus dem Pentosephosphatweg dient reduktiven Biosynthesen wie Fettsäure- und Cholesterolsynthese und wird nicht direkt in der Atmungskette oxidiert.
- In Erythrozyten hält NADPH über die Glutathionreduktase Glutathion im reduzierten Zustand.
Worum es geht
Der oxidative Teil des Pentosephosphatwegs liefert NADPH und Ribulose-5-phosphat. Der nichtoxidative Teil baut überschüssige Pentosen wieder zu Glykolyse-Zwischenprodukten um. Pharmazeutisch wichtig ist der Weg vor allem über das NADPH: Es treibt die Fettsäure- und Cholesterolsynthese an und schützt Erythrozyten vor oxidativem Stress.
Transketolase und Transaldolase
Im nichtoxidativen oder regenerativen Teil entsteht kein NADPH mehr. Hier geht es nur um den Umbau von Kohlenstoffgerüsten. Zuerst wird Ribulose-5-phosphat teils zu Ribose-5-phosphat isomerisiert, teils zu Xylulose-5-phosphat epimerisiert. Diese beiden Pentosen sind die Ausgangsstoffe für zwei Schlüsselenzyme.
Die Transketolase überträgt ein \(\ce{C2}\)-Fragment von einer Ketose auf eine Aldose und braucht dafür Thiamindiphosphat. Die Transaldolase überträgt ein \(\ce{C3}\)-Fragment, ebenfalls von einer Ketose auf eine Aldose.
Man kann sich die beiden Enzyme wie Rangierloks vorstellen, die Zuckerstücke zwischen Molekülen hin- und herschieben. Drei Reaktionen folgen aufeinander:
| Schritt | Enzym | Donor | Akzeptor | Produkte |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Transketolase (\(\ce{C2}\)) | Xylulose-5-phosphat | Ribose-5-phosphat | Glycerinaldehyd-3-phosphat + Sedoheptulose-7-phosphat |
| 2 | Transaldolase (\(\ce{C3}\)) | Sedoheptulose-7-phosphat | Glycerinaldehyd-3-phosphat | Erythrose-4-phosphat + Fructose-6-phosphat |
| 3 | Transketolase (\(\ce{C2}\)) | Xylulose-5-phosphat | Erythrose-4-phosphat | Glycerinaldehyd-3-phosphat + Fructose-6-phosphat |
In der Bilanz werden drei Pentosephosphate zu zwei Hexosephosphaten und einem Triosephosphat:
\[3\,\text{C}_5 \rightleftharpoons 2\,\text{C}_6 + \text{C}_3\]
Fructose-6-phosphat und Glycerinaldehyd-3-phosphat kennst du aus der Vorbereitungsphase der Glykolyse. Sie können dort weiter abgebaut oder zu Glucose-6-phosphat zurückgeführt werden. Beim gesamten Umbau bleibt die Zahl der C-Atome erhalten. Es wird also kein \(\ce{CO2}\) eingebaut, eine Carboxylierung findet nicht statt. Alle Schritte sind reversibel.
Pentosen für Nucleotide
Der oxidative Teil endet mit Ribulose-5-phosphat, einer Ketopentose. Die Ribose-5-phosphat-Isomerase wandelt es in die Aldopentose Ribose-5-phosphat um. Beide sind also echte Zwischenprodukte des Weges.
Ribose-5-phosphat ist der Zuckerbaustein der Nucleoside und Nucleotide. Es wird zu PRPP aktiviert und dann in Purin- und Pyrimidinnucleotide eingebaut. Wie diese aufgebaut sind, steht unter Nucleoside und Nucleotide. Teilende Zellen brauchen besonders viel Ribose-5-phosphat für DNA und RNA.
Die Reversibilität des nichtoxidativen Teils macht den Weg flexibel. Braucht eine Zelle mehr Pentosen als NADPH, laufen Transketolase und Transaldolase rückwärts. Dann entsteht Ribose-5-phosphat aus Fructose-6-phosphat und Glycerinaldehyd-3-phosphat, ganz ohne oxidativen Teil.
NADPH für Biosynthesen
Das wichtigste Produkt des Weges ist \(\ce{NADPH + H+}\). Es entsteht im oxidativen Teil und liefert Reduktionsäquivalente, also Elektronen samt Protonen für Reduktionen. Bei Tieren ist der Pentosephosphatweg eine der wichtigsten NADPH-Quellen. Entsprechend aktiv ist er in Leber, Fettgewebe, Nebennierenrinde und laktierender Milchdrüse.
Eine reduktive Biosynthese baut Moleküle auf, die stärker reduziert sind als ihre Vorstufen. Das Reduktionsmittel dafür ist fast immer NADPH.
Typische Abnehmer sind die Fettsäuresynthese und die Cholesterol- und Steroidsynthese. Auch die Ribonucleotid-Reduktase braucht NADPH, um Desoxyribonucleotide herzustellen. Dazu kommt die Glutathionreduktase, um die es im nächsten Abschnitt geht.
Anders als NADH wird dieses NADPH nicht unmittelbar in die Atmungskette eingeschleust. Der Grund ist eine einzige zusätzliche Phosphatgruppe an der 2’-Position der Ribose. An ihr erkennen die Enzyme ihr Coenzym. So hält die Zelle zwei getrennte Pools.
- entsteht in Glykolyse und Citratzyklus
- liegt überwiegend oxidiert vor
- wird in der Atmungskette zur ATP-Gewinnung oxidiert
- entsteht vor allem im Pentosephosphatweg
- liegt überwiegend reduziert vor
- dient reduktiven Biosynthesen und dem Schutz vor Oxidation
Katabolismus und Anabolismus konkurrieren so nicht um dieselben Elektronen.
Glutathion in Erythrozyten
Erythrozyten haben keine Mitochondrien. Der Pentosephosphatweg ist für sie praktisch die einzige NADPH-Quelle. Mehr zum Bau dieser Zellen steht unter Bildung der Erythrozyten.
Das NADPH ermöglicht die Reduktion von Glutathiondisulfid (GSSG) zu reduziertem Glutathion (GSH). Das Enzym dafür ist die Glutathionreduktase:
\[\ce{GSSG + NADPH + H+ -> 2 GSH + NADP+}\]
GSH entgiftet wiederum Peroxide. Die Glutathionperoxidase reduziert Wasserstoffperoxid zu Wasser:
\[\ce{H2O2 + 2 GSH -> GSSG + 2 H2O}\]
Die Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase schließt den Kreis, indem sie \(\ce{NADP+}\) wieder zu NADPH reduziert. Fehlt dieses Enzym, sinkt der GSH-Spiegel. Oxidierende Arzneistoffe wie Primaquin können dann eine Hämolyse auslösen.
Quiz
Aussage 1
Die Transaldolase überträgt ein Fragment aus drei Kohlenstoffatomen von einer Ketose auf eine Aldose.
Die Transaldolase überträgt \(\ce{C3}\)-Einheiten, etwa von Sedoheptulose-7-phosphat auf Glycerinaldehyd-3-phosphat.
Aussage 2
Im Erythrozyten reduziert die Glutathionreduktase Glutathiondisulfid mit NADH aus der Glykolyse.
Die Glutathionreduktase nutzt NADPH aus dem Pentosephosphatweg: \(\ce{GSSG + NADPH + H+ -> 2 GSH + NADP+}\).
Aussage 3
Beim Umbau von Pentosephosphaten zu Hexosephosphaten wird \(\ce{CO2}\) durch Carboxylierung in das Kohlenstoffgerüst eingebaut.
Die Zahl der C-Atome bleibt erhalten (\(3\,\text{C}_5 \rightleftharpoons 2\,\text{C}_6 + \text{C}_3\)). Transketolase und Transaldolase verschieben nur Fragmente, eine Carboxylierung findet nicht statt.
Aussage 4
Ribose-5-phosphat entsteht im Pentosephosphatweg durch Isomerisierung von Ribulose-5-phosphat und liefert den Zucker für die Nucleotidsynthese.
Die Ribose-5-phosphat-Isomerase wandelt die Ketopentose in die Aldopentose um, die über PRPP in Nucleotide eingebaut wird.
Aussage 5
Die Fettsäuresynthese ist eine reduktive Biosynthese, die NADPH als Reduktionsmittel verbraucht.
Fettsäuren sind stärker reduziert als ihre Vorstufen. Die Elektronen dafür stammen aus NADPH, das zu einem großen Teil der Pentosephosphatweg liefert.
Aussage 6
Das im Pentosephosphatweg gebildete NADPH wird hauptsächlich in der mitochondrialen Atmungskette zur ATP-Synthese oxidiert.
NADPH bildet einen eigenen Pool und dient reduktiven Biosynthesen. In die Atmungskette wird NADH eingeschleust.
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