Pentosephosphatweg: oxidativer Teil und NADPH-Bildung
Wie der Pentosephosphatweg Glucose-6-phosphat in drei Schritten zu Ribulose-5-phosphat umsetzt und an welchen zwei Stellen dabei NADPH entsteht.
Das Wichtigste in Kürze
- Der Pentosephosphatweg (Hexosemonophosphatweg) ist ein cytosolischer Abbauweg für Glucose-6-phosphat, der neben der Glykolyse verläuft und Pentosen und \(\ce{NADPH + H+}\) statt ATP liefert.
- Der oxidative Teil verläuft Glucose-6-phosphat → 6-Phosphoglucono-δ-lacton → 6-Phosphogluconat → Ribulose-5-phosphat.
- \(\ce{CO2}\) entsteht nur einmal, bei der oxidativen Decarboxylierung von 6-Phosphogluconat: aus der Hexose wird eine Pentose.
- Die Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase und die 6-Phosphogluconat-Dehydrogenase liefern je ein NADPH, die Lactonhydrolyse liefert keines.
- \(\ce{NADP+}\) unterscheidet sich von \(\ce{NAD+}\) durch die 2’-Phosphatgruppe und nimmt das Hydrid am C4 des Nicotinamidrings auf.
Worum es geht
Glucose-6-phosphat muss nicht in die Glykolyse gehen. Ein Teil fließt in den Pentosephosphatweg, der statt ATP vor allem NADPH und Pentosen liefert. Wer die Reaktionsfolge seines oxidativen Teils kennt, versteht später auch Reduktionsäquivalente in Biosynthesen und die Wirkung oxidativer Arzneistoffe auf Erythrocyten.
Abzweig vom Glucose-6-phosphat
Glucose-6-phosphat entsteht in der Zelle aus Glucose durch die Hexokinase. Das ist der erste Schritt der Vorbereitungsphase der Glykolyse. An diesem Molekül teilt sich der Weg wie an einer Weiche. Die Isomerisierung zu Fructose-6-phosphat führt in die Glykolyse und liefert ATP. Die Oxidation an C1 führt in den Pentosephosphatweg.
Der Pentosephosphatweg hat zwei Teile. Der oxidative Teil ist irreversibel. Er setzt Glucose-6-phosphat zu Ribulose-5-phosphat um und liefert dabei \(\ce{CO2}\) und NADPH. Der nichtoxidative Teil ist reversibel. Er baut überschüssige Pentosen zu Fructose-6-phosphat und Glycerinaldehyd-3-phosphat um und führt sie so in die Glykolyse zurück. Diesen Teil behandelt die Einheit zum nichtoxidativen Teil und den Funktionen. Alle Enzyme beider Teile liegen im Cytosol, also am selben Ort wie die Glykolyse.
Das wichtigste Produkt des oxidativen Teils ist NADPH. Es ähnelt dem NADH aus Glykolyse und Citratzyklus, hat aber eine andere Aufgabe.
NADPH (Nicotinamidadenindinucleotidphosphat, reduzierte Form) ist ein Coenzym, das Hydridionen überträgt. Es unterscheidet sich von NADH durch eine zusätzliche Phosphatgruppe an C2’ der Adenosin-Ribose. Bei der Reduktion nimmt \(\ce{NADP+}\) ein Hydrid am C4 des Nicotinamidrings auf, das zweite Wasserstoffatom geht als \(\ce{H+}\) in Lösung.
Die Zelle hält \(\ce{NAD+}\) überwiegend oxidiert und \(\ce{NADP+}\) überwiegend reduziert. Die Phosphatgruppe wirkt dabei wie ein Etikett. Enzyme erkennen daran, welches der beiden Coenzyme sie binden.
Weg des Glucoseabbaus
Der Pentosephosphatweg heißt auch Hexosemonophosphatweg. Der Name sagt, womit er beginnt: mit einem Hexose-Monophosphat, dem Glucose-6-phosphat. Es ist sein Ausgangsstoff und das Substrat, das er abbaut. Damit ist der Pentosephosphatweg ein eigenständiger Weg zum Abbau von Glucose neben der Glykolyse.
Die Bilanz unterscheidet sich aber deutlich. Die Glykolyse zielt auf ATP. Der Pentosephosphatweg liefert zwei andere Produkte: Pentosen und \(\ce{NADPH + H+}\). Die Zelle betreibt ihn also, wenn sie Reduktionskraft für Synthesen braucht oder Ribose für Nucleotide.
Aus Hexosen werden dabei Pentosen. Ein \(\mathrm{C_6}\)-Zucker verliert genau ein Kohlenstoffatom, nämlich C1, als \(\ce{CO2}\). Die übrigen fünf Kohlenstoffatome bleiben als Ribulose-5-phosphat erhalten. Pro Molekül Glucose-6-phosphat entsteht im oxidativen Teil also nur ein \(\ce{CO2}\).
Das grenzt den Weg klar von einer vollständigen Oxidation ab. Glucose wird hier nicht durch sechs aufeinanderfolgende oxidative Decarboxylierungen restlos zu \(\ce{CO2}\) abgebaut. Die vollständige Oxidation leisten erst Pyruvatdecarboxylierung und Citratzyklus. Wird im Examen gerne gefragt: Ausgangsstoff ist Glucose-6-phosphat, nicht freie Glucose, und die Produkte sind Pentosen und \(\ce{NADPH + H+}\), nicht ATP.
Reaktionsfolge
Der oxidative Teil besteht aus drei Schritten mit drei Enzymen. Zwischen Ausgangsstoff und Endprodukt liegen zwei Zwischenprodukte: ein Lacton und eine Aldonsäure.
- Oxidation an C1: Die Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase oxidiert das Halbacetal an C1 von Glucose-6-phosphat. Es entsteht 6-Phosphoglucono-δ-lacton, ein cyclischer Ester.
- Hydrolyse: Die Lactonase spaltet den Ring mit Wasser. Es entsteht 6-Phosphogluconat, das Anion der 6-Phosphogluconsäure.
- Oxidative Decarboxylierung: Die 6-Phosphogluconat-Dehydrogenase oxidiert die OH-Gruppe an C3 zur Ketogruppe. Die entstehende β-Ketosäure verliert C1 als \(\ce{CO2}\). Produkt ist Ribulose-5-phosphat.
Als Gleichungen sehen die drei Schritte so aus:
\[\text{Glucose-6-phosphat} + \ce{NADP+} \longrightarrow \text{6-Phosphoglucono-}\delta\text{-lacton} + \ce{NADPH + H+}\]
\[\text{6-Phosphoglucono-}\delta\text{-lacton} + \ce{H2O} \longrightarrow \text{6-Phosphogluconat} + \ce{H+}\]
\[\text{6-Phosphogluconat} + \ce{NADP+} \longrightarrow \text{Ribulose-5-phosphat} + \ce{CO2} + \ce{NADPH}\]
Zusammengenommen setzt der oxidative Teil Glucose-6-phosphat zu Ribulose-5-phosphat und \(\ce{CO2}\) um:
\[\text{Glucose-6-phosphat} + 2\,\ce{NADP+} + \ce{H2O} \longrightarrow \text{Ribulose-5-phosphat} + \ce{CO2} + 2\,\ce{NADPH} + 2\,\ce{H+}\]
Die Folge Glucose-6-phosphat → 6-Phosphoglucono-δ-lacton → 6-Phosphogluconat → Ribulose-5-phosphat solltest du sicher können. Achte darauf, dass der Weg mit einer Oxidation beginnt und \(\ce{CO2}\) erst im letzten Schritt aus 6-Phosphogluconat entsteht.
Die Phosphatgruppe sitzt die ganze Zeit an C6 der Glucose, im Endprodukt also an C5 der Pentose. Oxidiert wird immer an der anderen Seite der Kette.
Glucose-1-phosphat aus dem Glykogenabbau ist nicht das Substrat. Der Weg oxidiert Glucose-6-phosphat an C1 und bildet 6-Phosphogluconat, eine 1-Phosphogluconsäure kommt nicht vor.
Die vier Verbindungen an der Strukturformel erkennen
An C1 und C2 lässt sich jede Stufe ablesen. Die Ringform von Glucose-6-phosphat zeigt man meist als Sessel, die offenkettigen Verbindungen als Fischer-Projektion.
| Verbindung | Stoffklasse | Erkennungsmerkmal |
|---|---|---|
| Glucose-6-phosphat | Aldohexose-phosphat | C1 als Halbacetal im Ring (eine OH-Gruppe an C1), offenkettig Aldehyd; sechs C-Atome |
| 6-Phosphoglucono-δ-lacton | cyclischer Ester (Lacton) | C1 als Carbonylgruppe \(\ce{C=O}\) im Sechsring, Ringsauerstoff zwischen C1 und C5 |
| 6-Phosphogluconat | Aldonsäure (offenkettig) | C1 als Carboxylat \(\ce{COO-}\), sechs C-Atome, Phosphat an C6 |
| Ribulose-5-phosphat | Ketopentose-phosphat | Ketogruppe an C2, fünf C-Atome, \(\ce{CH2OH}\) an C1, Phosphat an C5 |
Die Vorsilbe δ beim Lacton bedeutet: Der Ester schließt über den Sauerstoff am C5, also am δ-Kohlenstoff, einen Sechsring.
NADPH-liefernde Schritte
Zwei der drei Schritte sind Redoxreaktionen. Beide katalysiert eine Dehydrogenase, und beide übertragen Wasserstoff auf \(\ce{NADP+}\). Jeder liefert ein \(\ce{NADPH + H+}\). Das sind die Oxidation von Glucose-6-phosphat zum Lacton und die oxidative Decarboxylierung von 6-Phosphogluconat.
Die Lactonhydrolyse dazwischen liefert kein NADPH. Sie öffnet nur den Ester mit Wasser. Dabei ändert sich keine Oxidationsstufe.
Ob ein Schritt eine Redoxreaktion ist, erkennst du an der Oxidationszahl des betroffenen Kohlenstoffs. Im Halbacetal trägt C1 die Oxidationszahl +1, im Lacton +3. Das ist eine Oxidation um zwei Stufen, also eine Übertragung von zwei Elektronen auf \(\ce{NADP+}\). Im Carboxylat nach der Hydrolyse hat C1 weiterhin +3.
Im dritten Schritt wird C3 von der Alkohol- auf die Ketostufe gehoben, von 0 auf +2. Erst danach löst sich C1 als \(\ce{CO2}\) ab. So entsteht das zweite NADPH.
Dehydrogenase gibt NADPH, Lactonase braucht Wasser. Zwei Dehydrogenasen, zwei NADPH je Glucose-6-phosphat.
Wofür die Zelle dieses NADPH einsetzt, etwa in der Fettsäuresynthese oder zum Schutz vor oxidativem Stress, beschreibt die Einheit zu den Funktionen des Pentosephosphatwegs.
Quiz
Aussage 1
Der Pentosephosphatweg geht von Glucose-6-phosphat aus und liefert Pentosen sowie \(\ce{NADPH + H+}\).
Glucose-6-phosphat ist Ausgangsstoff, Produkte sind Pentosen und \(\ce{NADPH + H+}\).
Aussage 2
Die Umsetzung von 6-Phosphogluconat zu Ribulose-5-phosphat setzt \(\ce{CO2}\) frei und liefert zugleich ein NADPH.
Die 6-Phosphogluconat-Dehydrogenase katalysiert eine oxidative Decarboxylierung, die \(\ce{CO2}\) und \(\ce{NADPH + H+}\) liefert.
Aussage 3
Bei der Spaltung von 6-Phosphoglucono-δ-lacton durch die Lactonase wird \(\ce{NADP+}\) reduziert.
Die Lactonhydrolyse ist keine Redoxreaktion, C1 bleibt auf Oxidationszahl +3. NADPH liefern nur die beiden Dehydrogenase-Schritte.
Aussage 4
6-Phosphoglucono-δ-lacton entsteht vor 6-Phosphogluconat, und dieses wird zu Ribulose-5-phosphat umgesetzt.
Die Reihenfolge lautet Glucose-6-phosphat → Lacton → 6-Phosphogluconat → Ribulose-5-phosphat.
Aussage 5
Im oxidativen Teil des Pentosephosphatwegs werden alle sechs Kohlenstoffatome eines Glucose-6-phosphats nacheinander als \(\ce{CO2}\) abgespalten.
Nur C1 geht als \(\ce{CO2}\) verloren. Die anderen fünf Kohlenstoffatome bleiben als Ribulose-5-phosphat erhalten.
Aussage 6
Der erste Schritt des Pentosephosphatwegs ist die Decarboxylierung von Glucose-6-phosphat.
Der Weg beginnt mit der Oxidation an C1 zum Lacton. Die Decarboxylierung folgt erst im dritten Schritt an 6-Phosphogluconat.
Aussage 7
\(\ce{NADP+}\) trägt im Vergleich zu \(\ce{NAD+}\) eine zusätzliche Phosphatgruppe an C2’ der Adenosin-Ribose.
Die 2’-Phosphatgruppe ist der einzige strukturelle Unterschied und dient den Enzymen als Erkennungsmerkmal.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.