Der Glykolyse parallel geschaltet, beginnt auch der Pentosephosphatweg mit dem Abbau von Glucose beziehungsweise Glucose-6-phosphat. In zwei Teile geteilt, stellt er NADPH und Pentosephosphate für andere Stoffwechselwege zur Verfügung. Der Pentosephosphatweg ist ein kleiner, aber wichtiger biochemischer Stoffwechselweg, der dem Mediziner wegen seines entscheidenden Selektionsvorteils bei der Erkrankung Malaria bekannt sein sollte.

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Transketolase

Image: Chemical structure for thiamine pyrophosphate and protein structure of transketolase.“ by Thomas Shafee. License: CC BY-SA 4.0


Der Pentosephosphatweg versteckt sich hinter vielen Synonymen. Sei es der Pentosephosphatzyklus oder -shunt, aber auch der Hexosemonophosphat-Zyklus oder Warburg-Dickens-Horecker-Zyklus, sie alle meinen dasselbe: die Bereitstellung von NADPH und von Pentosephosphaten für andere biochemische Stoffwechselwege.

NADPH findet sich vor allem in Geweben, in denen biosynthetische Prozesse stattfinden. Das heißt, dass in diesen Geweben auch der Pentosephosphatweg benötigt wird, um durch die Reduktion von Glucose NADPH zu erzeugen. Beispiele hierfür sind die Hepatozyten und die Adipozyten, die Fettsäuren synthetisieren, oder der Hoden und die Nebennierenrinde, in denen die Steroidsynthese abläuft.

Neben der Synthese von Fettsäuren, wird NADPH auch für die Cholesterinbiosynthese, die Synthese von Neurotransmittern und zur Nucleotidbiosynthese benötigt. Des Weiteren ist NADPH wichtig für die Entgiftung und wird in den Erythrozyten zur Reduktion von Glutathion verwendet. Der Pentosephosphatweg kann in zwei Teile unterteilt werden: einen ersten oxidativen und einen zweiten nicht-oxidativen, also reduktiven Teil. Beide Prozesse finden im Zytosol statt.

Pentosephosphatweg: Der oxidative Teil

Im ersten oxidativen Teil des Pentosephosphatweges entstehen 2 NADPH bei der Oxidation von Glucose. Dieser Weg ist praktisch irreversibel, da die Reaktionen teilweise sehr stark exergonischen Charakters sind.

Pentosephosphatweg oxidativer Teil

Bild: “oxidativer Teil des Pentosephosphatweges” von Yikrazuul. Lizenz: Public Domain

Erster Schritt

Ausgangssubstrat ist ein Glucose-6-Phosphat, 2 NADP+ und H2O. Mithilfe der Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase wird ein Wasserstoffatom am C1-Atom des Glucose-6-Phosphat abgespalten, sodass 6-Phosphoglucono-δ-lacton entsteht. Im Gegenzug zu dieser Oxidation wird NADP+ zu NADPH reduziert.

Zweiter Schritt

Dieses 6-Phosphoglucono-δ-lacton wird durch eine Lactonase zu Gluconat-6-Phosphat hydrolysiert.

Dritter Schritt

Eine Gluconat-6-phosphat-Dehydrogenase decarboxyliert das Gluconat-6-Phosphat wiederum zu 3-Keto-6-Phospho-Gluconat, welches zu Ribulose-5-phosphat zerfällt. Hierbei entsteht ein weiteres Mal NADPH.

Pentosephosphatweg: Der nicht-oxidative Teil

Dieser zweite Abschnitt, der reversibel und reduktiv ist, stellt Pentosephosphate für die Produktion von Nukleotiden bereit und setzt sich aus verschiedenen Schritten des Austauschens von Kohlenstoffgruppen zusammen. Hierbei entstehen auch Zwischenprodukte, die beispielsweise in die Glykolyse eingeschleust werden können.

nichtoxidativen Schritte des Pentosephosphatweges

Bild: “Die nichtoxidativen Schritte des Pentosephosphatweges” von Yikrazuul. Lizenz: (CC BY-SA 3.0)

Erster Schritt

Das noch im oxidativen Teil entstandene Ribulose-5-phosphat wird zu einem Teil mithilfe der Ribulose-5-phosphat-Epimerase zu Xylulose-5-phosphat, zum anderen Teil mittels der Phosphopentose-Isomerase zu Ribose-5-phsophat umgewandelt.

Zweiter Schritt

Diese zwei entstandenen C5-Kohlenhydrate werden nun gemeinsam für den nächsten Schritt benötigt: Xylulose-5-phosphat dient als C2-Donor. Eine Transketolase überträgt diese Gruppe auf die Pentose Ribose-5-Phosphat. Somit entstehen Glycerinaldehyd-3-Phosphat und Sedoheptulose-7-phosphat.

Dritter Schritt

Die beiden Produkte des vorherigen Schrittes tauschen nun erneut Kohlenstoffe aus: Eine Transaldolase überträgt drei Kohlenstoffatome von der Sedoheptulose-7-phosphat auf das Glycerinaldehyd-3-phosphat. So entstehen zwei neue Kohlenhydrate: Erythrose-4-phosphat und Fructose-6-phopshat.

Vierter Schritt

Für diesen Schritt kommt erneut eine Transketolase zum Einsatz: Ein weiteres Xylulose-5-phosphat wird verwendet, um gemeinsam mit dem im dritten Schritt entstandenen Erythrose-4-phosphat ein weiteres Fructose-6-phosphat und ebenso ein weiteres Glycerinaldehyd-3-phosphat zu bilden.

Letztendlich können also aus 3 Ribose-5-phosphaten 2 Fructose-6-phosphate und ein Glycerinaldehyd-3-phosphat hergestellt und der Glykolyse zugeführt werden. Des Weiteren kann das Fructose-6-phosphat wieder in Glucose-6-phosphat umgewandelt und einem erneutem Durchgang des Pentosephosphatweges zugeführt werden.

Der Pentosephosphatweg: Regulationsmechanismen

Welcher Teil des Pentosephosphatwegs abläuft und wie schnell ist von dem Bedarf und der Verfügbarkeit verschiedener Produkte, Zwischenprodukte und Ausgangsstoffe des Weges abhängig. Auch die intrazelluläre NADP+-Konzentration spielt eine Rolle.

Besitzt eine Zelle einen niedrigen NADP+-Spiegel, hemmt dies die Dehydrogenierung von Glucose-6-phosphat, das heißt, es wird kaum NADPH hergestellt. Erst wenn wieder NADPH für reduktive Biosynthesen benötigt wird, läuft die erste Phase des Pentosephosphatweges ab. Unter dem Einfluss von Insulin soll es zu einer verstärkten Transkription der Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase kommen, sodass es den ersten Schritt des Pentosephosphatweges verstärkt.

Hat die NADP+-Konzentration vor allem einen Einfluss auf die erste Phase des Pentosephosphatweges, so bedingen die Konzentrationen verschiedener Substrate eher die zweite Phase.

Der Pentosephosphatweg: Energiebilanz

Da der Pentosephosphatweg der Glykolyse sehr nahe ist und die verschiedenen Moleküle zwischen beiden Stoffwechselwegen je nach Bedarf hin und her wechseln können, ist der Ausgang des Pentosephosphatweges vom Bedarf der Zelle abhängig. Folgende Situationen beschreiben vier Möglichkeiten zur Erzeugung verschiedener Produkte je nach Bedarf in der Zelle.

Benötigt eine Zelle zum Beispiel viele Nucleotide für die DNA-Synthese, benötigt sie viel Ribose-5-phosphat. Dafür kann die Zelle den oben beschriebenen Weg umkehren und aus zwei Fructose-6-phosphat-Molekülen und einem Glycerinaldehyd-3-phosphat 3 Moleküle Ribose-5-Phosphat unter ATP-Verbrauch herstellen.

Benötigt eine Zelle sowohl Ribose-5-phosphat als auch NADPH kann nur der erste Teil des Pentosephosphatweges ablaufen, sodass aus jedem Glucose-6-phosphat 2 NADPH und ein Ribose-5-phosphat entstehen.

Finden in einer Zelle reduktive Biosynthesen statt, wird viel NADPH verbraucht. Für diesen erhöhten Bedarf an NADPH können die Endprodukte der zweiten Phase des Pentosephosphatweges Glycerindaldehyd-3-phosphat und Fructose-6-phosphat wieder in Glucose-6-phosphat überführt und erneut dem Pentosephosphatweg zugeführt werden. Hierbei können mithilfe eines Moleküls Glucose-6-phosphat 12 NADP+ zu NADPH umgewandelt werden.

Wenn eine Zelle sowohl NADPH als auch ATP benötigt, werden die Produkte des Pentosephosphatweges Glycerinaldehyd-3-phosphat und Fructose-6-phosphat der Glykolyse zugeführt. Somit entstehen beispielsweise aus 3 Molekülen Glucose-6-phosphat unter anderem 5 Moleküle Pyruvat, 6 NADPH und 8 ATP.

Pathophysiologie: Wenn der Pentosephosphatweg nicht funktioniert

Wie bereits oben erwähnt, übernimmt das im Pentosephosphatweg erzeugte NADPH eine Entgiftungsfunktion: Es kann oxidiertes Glutathion wieder reduzieren. Das Glutathion ist ein Tripeptid, welches reaktive Sauerstoffverbindungen ROS (engl.: reactive oxygen species) reduziert und so den sogenannten oxidativen Stress, der zu vielen Erkrankungen beiträgt, bekämpft.

Funktioniert der Pentosephosphatweg nicht richtig, beispielsweise durch einen Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase-Mangel, wird nicht ausreichend NADPH gebildet. Vor allem für Erythrozyten, die keine anderen Möglichkeiten haben, Reduktionsäquivalente bereitzustellen, bedeutet dies den Zelluntergang. Somit geht dieser Mangel mit einer hämolytischen Anämie einher. Das dazugehörige Krankheitsbild wird als Favismus bezeichnet.

Übrigens: Der Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase-Mangel bildet einen natürlichen Schutz vor Malaria, da die krankheitsübertragenden Parasiten reduziertes Glutathion für ihr Wachstum benötigen. Dieser Selektionsvorteil erklärt, warum dieser genetisch bedingte Mangel bei Schwarzafrikanern und im Mittelmeerraum weit verbreitet ist.

Beliebte Prüfungsfragen zum Pentosephosphatweg

1. Was ist kein Substrat oder Produkt des Pentosephosphatwegs?

  1. Xylulose-6-phosphat
  2. Ribose-5-phosphat
  3. Ribulose-5-phosphat
  4. Erythrose-4-phosphat
  5. Fructose-6-phosphat

2. Im nicht-oxidativen Teil des Pentosephosphatwegs…

  1. …wird NADPH produziert.
  2. …wird Ribulose-5-phosphat zu Glycerinaldehyd-3-phosphat.
  3. …wird Xylulose-5-phosphat zu Glucose-6-phosphat.
  4. …wird NADPH reduziert.
  5. …wird Fructose-6-phosphat als Produkt gebildet.

3. Wodurch ist das Krankheitsbild eines Mangels an Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase am ehesten gekennzeichnet?

  1. Verstärkte Glykolyse
  2. Verstärkte Hämolyse
  3. Erhöhte Konzentration an Glucose-6-phosphat
  4. Erniedrigte Konzentration an Fructose-6-phosphat
  5. Zu viel reduziertes Glutathion

 

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