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Pentosephosphat-Zyklus

Synonyme: Pentosephosphat-Weg, Pentosephosphat-Shunt, Hexosemonophosphat-Zyklus, Warburg-Dickens-Horecker-Zyklus
Englisch: pentose phosphate cycle

1 Definition

Der Pentosephosphat-Zyklus ist ein von der Glucose ausgehender, der Glykolyse teilweise parallel geschalteter Stoffwechselweg, der verschiedenen Funktionen dient:
Zum einen werden Pentosephosphate (besonders Ribose-5-Phosphat) für die Synthese von Nukleotiden bereitgestellt, zum anderen werden Redox-Äquivalente in Form von NADPH geschaffen, die in anderen Teilreaktionen des Stoffwechsels benötigt werden.

2 Reaktionen des Pentosephosphat-Zyklus

Der Pentosephosphat-Zyklus besteht aus zwei Abschnitten: In einer ersten Phase wird Glucose unter Bildung von NADPH oxidiert und Ribulose-5-Phosphat gebildet; im zweiten Teil des Zyklus werden über Isomerisierungs- und Transfer-Reaktionen verschiedene Monosaccharide hergestellt; die nicht benötigten Zucker können wieder in Glucose überführt werden und stehen damit wieder zur Glykolyse oder anderen Stoffwechselschritten des Organismus bereit.
Die Teilreaktionen im zweiten Abschnitt des Pentosephosphat-Zyklus sind reversibel, so dass auch ohne ein ausreichendes Vorliegen aller für den Zyklus notwendigen Enzyme (Anmerkung: das ist beispielsweise in der Skelettmuskulatur der Fall) Pentosen gebildet werden können. Der Pentosephosphatweg läuft dann praktisch rückwärts.

2.1 Oxidation von Glucose-6-Phosphat

Im ersten Schritt des Pentosephosphat-Zyklus wird in Halbacetalform vorliegendes Glucose-6-Phosphat durch das Enzym Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase zu 6-Phospho-Gluconolacton oxidiert, und im Gegenzug wird NADP+ zu NADPH reduziert.
Diese Reaktion setzt darüber hinaus die Anwesenheit zweiwertiger Kationen voraus.

  • Anmerkung: Der erste Schritt des Zyklus ist aufgrund seines exergonischen Charakters physiologischerweise irreversibel.

Das nun vorliegende Lakton wird unter Verbrauch von Wasser durch das Enzym 6-Phospho-Gluconolacton-Hydrolase (Lactonase) gespalten, es entsteht 6-Phosphogluconat.

2.2 Oxidation von 6-Phospho-Gluconat

In einer weiteren Oxidation wird 6-Phospho-Gluconat mit Hilfe der 6-Phosphogluconat-Dehydrogenase in 3-Keto-6-Phospho-Gluconat umgewandelt, das spontan zu Ribulose-5-Phosphat decarboxyliert. Die hierbei freiwerdenden Energie wird wiederum in Form von NADPH fixiert.

  • Anmerkung: Auch dieser Schritt ist praktisch irreversibel.

2.3 Isomerisierungen von Ribulose-5-Phosphat

Das im ersten Schenkel des Pentosephosphat-Zyklus entstandene Ribulose-5-Phosphat fließt nun in zwei Reaktionen des zweiten Abschnittes:
Zum einen wird das Molekül mit Hilfe der Ribulose-5-Phosphat-Epimerase in die epimere Substanz Xylulose-5-Phosphat umgewandelt, zum anderen entsteht unter dem Einfluss des Enzyms Ketopentose-5-Phosphat-Isomerase Ribose-5-Phosphat, das für den Aufbau von Nukleotiden verwendet werden kann.

2.4 Bildung von Sedoheptulose-7-Phosphat und Glycerinaldehyd-3-Phosphat

Xylulose-5-Phosphat wird unter dem Einfluss der Transketolase in Glycerinaldehyd-3-Phosphat und einen Glykolaldehyd-Rest gespalten, der auf den Cofaktor des Enzyms, Thiaminpyrophosphat übertragen wird. Die so aktivierte C2-Gruppe wird von der Transketolase auf Ribose-5-Phosphat übertragen, wobei Sedoheptulose-7-Phosphat entsteht.

2.5 Bildung von Erythrose-4-Phosphat und Fructose-6-Phosphat

Durch das Enyzm Transaldolase werden die Kohlenstoffatome C1 bis C3 der Sedoheptulose auf das Glycerinaldehyd-3-Phosphat übertragen, so dass Fructose-6-Phosphat und Erythrose-4-Phosphat entstehen.

  • Anmerkung: Als eines der Produkte des Pentosephosphat-Zyklus kann Fructose-6-Phosphat in die Glykolyse eingebracht oder wieder in Glucose-6-Phosphat überführt werden, um für einen erneuten Durchlauf des Pentosephosphatweges zur Verfügung zu stehen.

2.6 Bildung von Fructose-6-Phosphat und Glycerinaldehyd-3-Phosphat

Das verbleibende Erythrose-4-Phosphat reagiert mit einem weiteren durch Thiaminpyrophosphat aktivierten Molekül Glykolaldehyd, das aus Xylulose-5-Phosphat mit Hilfe der Transketolase gebildet wurde; es entstehen ein weiteres Molekül Fructose-6-Phosphat und Glycerinaldehyd-3-Phosphat.

  • Anmerkung: Auch die in diesem enzymatischen Schritt entstehenden Moleküle können der Glykolyse zugeführt oder für einen erneuten Pentosephosphat-Zyklus verwendet werden.

3 Regulation des Pentosephosphat-Zyklus

Die Regulation des Pentosephosphat-Zyklus erfolgt vorwiegend über die beiden am Anfang des Stoffwechselweges stehenden oxidativen Enzyme Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase und 6-Phosphogluconat-Dehydrogenase (Schrittmacherenzyme). NADPH und Acetyl-CoA hemmen die Enzyme, NADP+ steigert den metabolischen Umsatz.
Insulin wird eine transkriptionsfördernde Aktivität auf die Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase zugeschrieben, so dass unter Insulineinfluss die Aktivität des Pentosephosphatweges erhöht ist.

4 Physiologische Bedeutung des Pentosephosphat-Zyklus

Der Pentosephosphat-Zyklus läuft vorwiegend in den Geweben ab, die NADPH benötigen. Da das Molekül zur Synthese von Fettsäuren im Zytosol benötigt wird, findet sich eine starke Aktivität des Zyklus in Hepatozyten und Adipozyten sowie in Drüsenzellen der laktierenden Mamma.
Erythrozyten benötigen NADPH zur Reduktion von Glutathion, auch sie verwenden den Pentosephosphatweg. Daneben finden sich Enzyme des Zyklus in Leydig-Zellen des Testis und den endokrinen Zellen der Nebennierenrinde, die an der Steroidsynthese beteiligt sind: Auch hierfür wird NADPH benötigt.
In anderen Geweben, die die Pentosephosphate für die Synthese von Nukleotiden benötigen, läuft üblicherweise der zweite Schenkel des Zyklus "rückwärts" ab.

5 Pathophysiologie

Bei Defekten der Enzyme des Pentosephosphat-Zyklus kann nicht mehr in ausreichender Menge NADPH bereitgestellt werden. Dieser Mangel äußert sich besonders bei oxidativem Stress in einer Hämolyse, da das oxidierte Glutathion nicht mehr reduziert werden kann. Am häufigsten betroffen ist dabei die Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase; das zugehörige Krankheitsbild wird als Favismus bezeichnet. Da diese Erkrankung ein Selektionsvorteil in Endemiegebieten der Malaria ist, finden sich die X-chromosomal vererblichen Enzymdefekte vorwiegend in den Ländern des Mittelmeerraumes.

Bei Diabetes mellitus ist die Aktivität des Pentosephosphatweges gehemmt.

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