葡萄糖通过酵解和三羧酸循环氧化分解,可以提供大量能量。除此以外,细胞中还有磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等代谢通路,各有不同功能。
磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway,PPP)在细胞质中进行,将葡萄糖转变成5-磷酸核糖,同时生成NADPH。核糖用于核酸及一些辅酶的合成,NADPH称为还原力,用于生物合成和抗氧化。
磷酸戊糖途径分为两个阶段,第一阶段是不可逆的氧化阶段,由葡萄糖-6-磷酸生成核酮糖-5-磷酸,并产生NADPH。第二阶段是可逆的分子重排阶段,将5-磷酸核酮糖转变为6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛,以进入糖酵解。因为此途径不含二磷酸己糖中间物,所以又称为己糖单磷酸途径(hexose monophosphate pathway, HMP)。相应地,糖酵解又称为己糖二磷酸途径(hexose diphosphate pathway)。
PPP产物可进入糖酵解。引自Protein Cell. ;5(8):592-602.
氧化阶段首先是葡萄糖-6-磷酸生成6-磷酸葡萄糖酸内酯,并产生NADPH。这是一个不可逆反应,由葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G6PDH,此途径的限速酶)催化反应,受NADPH反馈抑制。之后内酯水解,生成的6-磷酸葡萄糖酸再脱氢脱羧,生成5-磷酸核酮糖,并产生第二个NADPH。
分子重排阶段先由5-磷酸核酮糖依次异构成5-磷酸核糖和5-磷酸木酮糖。然后经过转酮-转醛-转酮过程,生成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛。重排的总反应是:
3 核糖-5-磷酸=2 果糖-6-磷酸+甘油醛-3-磷酸
转酮反应
催化转酮反应的转酮醇酶需TPP和镁离子,转醛酶则不需要辅酶。转酮反应转移2个碳原子,产物为L-构型;转醛转3个碳原子,产物为D-构型。分子重排是可逆过程,如果细胞中核糖过多,可以由此进入酵解;如果核糖不足,也可以通过逆反应进行合成。另外,其中间产物赤藓糖4-磷酸、景天庚酮糖7-磷酸是芳香族氨基酸合成的前体。
转醛反应
如果从葡萄糖开始,磷酸戊糖途径其实可以看作糖酵解的一个支路。所以糖酵解的限速酶是PFK而不是HK,这样可以避免细胞能量充足时抑制磷酸戊糖途径,造成还原力缺乏而无法进行合成代谢。
酵解的第二步反应是可逆的,反应方向由两侧的相对浓度控制。磷酸葡萄糖异构酶受6-磷酸葡萄糖酸竞争性抑制,而且pH降低使抑制加强。所以乳酸积累时PPP以此抑制酵解,以免组织过酸。
NADPH用于生物分子合成过程中的还原反应,如脂肪酸、胆固醇、脱氧核糖、四氢叶酸等物质的合成。NADPH还用于氧化型谷胱甘肽的还原,维持细胞的氧化还原平衡。PPP的通量主要由还原力的多少决定。
对于肿瘤细胞,PPP非常很重要。肿瘤细胞不仅DNA合成活跃,需要大量还原力,而且较高的ROS水平也需要更多NADPH来维持氧化还原平衡。所以肿瘤细胞PPP通量更高,其限速酶G6PDH表达也更多。目前有许多研究试图通过抑制PPP来治疗肿瘤,G6PDH是主要靶标(Biomol Ther (Seoul). Jan; 26(1): 29–38.)。
氧化剂处理会导致GAPDH失活。这会抑制酵解,增加磷酸戊糖途径流量,以增加NADPH产量,提高细胞抗氧化能力。活性氧(ROS)通过抑制PFK1、GAPDH和PKM2抑制糖酵解,促进PPP(Innovative Medicine: Basic Research and Development [Internet]. Tokyo: Springer; .)。
活性氧调控酵解与磷酸戊糖途径。引自Innovative Medicine: Basic Research and Development [Internet]. Tokyo: Springer; .
NADPH与NADH可以通过线粒体的转氢酶(nicotinamide nucleotide transhydrogenase,NNT)互相转化。有研究认为NNT也在一些癌症中其重要作用(Redox Biol. Sep; 18: 246–255.)。
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