Pentosephosphatzyklus
Der Pentosephosphatzyklus beschreibt Möglichkeiten aus C6-Zuckern (Hexosen) C5-Zucker (Pentosen) zu generieren. Als Zwischenprodukte treten ferner
- C3-Zucker (Triosen),
- C4-Zucker (Tetrosen) und
- C7-Zucker (Heptosen)
auf. Da hier Reaktionen aus dem Tier- und dem Pflanzenreich (Chloroplasten) zusammengefasst wurden, ist davon auszugehen dass es keinen Zelltyp gibt, in dem der gesamte Zyklus in dieser Form abläuft.
Die wechselseitige Umwandlung von Hexosen in Pentosen dient im tierischen Organismus vor allem der Bereitstellung von Nucleinsäure- und Coenzym-Bausteinen. Im pflanzlichen Organismus ist darüber hinaus die Generierung von Ribulose-1.5-bisphosphat (RubP2) aus Triosen bzw. Hexosen von Bedeutung: Die Kohlendioxid-Fixierung an RubP2 ist eine Schlüsselreaktion der Photosynthese. Diese Reaktionen wurden in einem Schema, eben dem "Pentosephosphatzyklus" zusammengeführt.
Die Reaktionsfolge beginnt mit Reaktionen der Gluconeogenese, d.h. der Umwandlung von 3-Phosphoglycerat (3-PG) in Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP) und über Fructose-6-phosphat (F-6P) in Glucose-6-phosphat (G-6P). Der eingeschaltete Reduktionsschritt wird im Tier durch NADH,H+, bei der Pflanze jedoch durch NADPH,H+ erzielt (Assimilation unter Verbrauch der photosynthetischen Energieäquivalente).
G-6P kann im Phosphogluconatweg direkt oxidiert werden. Zwischenprodukt ist Phosphogluconolacton (PGl-L), das unter Decarboxylierung den Übergang zum Stoffwechsel der Pentosen schafft. Wichtige Produkte sind zwei Reduktionsäquivalente (NADPH,H+), die entweder für Biosythesen zur Verfügung stehen, oder reduzierende Schutzreagentien wie Glutathion und Ascorbat (re)generieren.
Bei C3-Pflanzen ist 3-Phosphoglycerat (3-PG) das erste Produkt, das aus der Kohlendioxid-Fixierung hervorgeht. 3-PG wird einerseits zum Aufbau von Hexosen und Stärke eingesetzt andererseits dient es zur Regenerierung des CO2-Akzeptormoleküls Ribulose-1.5-bisphosphat (RubP2) im Transaldolase-Transketolase-Weg (auch "Pentosephosphat-Shunt" genannt). Dabei handelt es sich um Disproportionierungsreaktionen, die in der Bilanz fünf Moleküle einer C3-Verbindung in drei Moleküle einer C5-Verbindung überführen. Schlüsselenzyme sind Transaldolase (Übertragung von C3-Einheiten) und Transketolase (Übertragung von C2-Einheiten unter Vermittlung eines Coenzyms, des Thiamin-Diphosphats).
Abb 1: Pentosephosphat-Zyklus und "Pentosephosphat-Shunt" (diagonal eingezeichneter Reaktionen
der Transaldolase bzw. Transketolase)
Transaldolase/Transketolase-Weg ("Pentosephosphat-Shunt")
Die aus der Glycolyse bekannte Aldolase vollbringt die reversible Spaltung und Knüpfung zwischen den C-Atomen 3 und 4 der Ketose Fructose-1.6-diphosphat (F-1.6DP); bei der Spaltung entstehen Dihydroxyacetonphosphat (DAP) und Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP). Die Reaktion (Aldoladdition) wird durch Bindung des (DAP-)Teils an eine Lysinrest ermöglicht ("Schiffsche Base"). Statt diesen Teil freizusetzen oder wieder mit dem ursprünglichen Reaktionspartner, der Aldose GAP, zu vereinigen, kann er auch mit anderen Aldosen zur Reaktion gebracht werden. Diese Übertragung von C3-Einheiten ist die Aufgabe eines besonderen Enzyms, der Transaldolase.
Transketolase vollführt eine analoge Reaktion: die Abspaltung einer C2-Einheit von einer Ketose und deren Übertragung auf eine Aldose. Hierfür ist ein Coenzym, Thiamin-diphosphat (TDP) erforderlich, das sonst als Cofaktor bei Decarboxylierungsreaktionen bekannt ist.
Somit folgt der Transaldolase/Transketolase-Weg einem einfachen Schema:
Abb. 2: Reaktionsprinzip Transaldolase bzw. Transketolase überträgt eine C3- bzw. C2-Einheit von einer Ketose auf eine Aldose; letztere wird dabei zur Ketose. Der Zyklus schließt sich
Die ausführliche Version dieses Grundprinzips findet sich in Abbildung 3. In der linken Spalte sind die Donoren (Ketosen) aufgeführt, in der rechten Spalte die Akzeptoren (Aldosen). In jedem Zyklus wird aus der Ketose eine Aldose und vice versa
Abb 3: Wechselseitige Überführung von C3- bis C7-Zuckern nach dem Transaldolase/Transketolase-Prinzip