生物化學與分子生物學/磷酸戊糖途徑

糖代謝 - 糖的攝取與利用 - 糖的無氧氧化 - 糖的有氧氧化 - 磷酸戊糖途徑 - 糖原的合成與分解 - 糖異生 - 葡萄糖的其他代謝途徑 - 血糖及其調節
葡萄糖在細胞內除通過有氧氧化和無氧氧化分解產能外，還存在其他不產能的分解代謝途徑，如磷酸戊糖途徑。磷酸戊糖途徑(pentose phosphate pathway)是指從糖酵解的中間產物葡糖-6-磷酸開始形成旁路，通過氧化、基團轉移兩個階段生成果糖-6-磷酸和3-磷酸甘油醛，從而返回糖酵解的代謝途徑。磷酸戊糖途徑不能產生ATP,但可生成NADPH和磷酸核糖兩種重要產物。

磷酸戊糖途徑分為兩個階段

葡糖-6-磷酸進入磷酸戊糖途徑分解，其過程分為兩個階段：第一階段是氧化反應，生成磷酸戊糖、NADPH和CO₂; 第二階段是基團轉移反應，最終生成果糖-6-磷酸和3-磷酸甘油醛。全部反應在細胞質中進行。

氧化階段生成NADPH和磷酸核糖

葡糖-6-磷酸進入第一階段的反應包括：

• 在葡糖-6-磷酸脫氫酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase)催化下，葡糖-6-磷酸氧化成 6-磷酸葡糖酸內酯，脫下的氫由NADP⁺接受而生成NADPH,此反應需要Mg²⁺參與。
• 由內酯酶(lactonase)催化，6-磷酸葡糖酸內酯水解為 6-磷酸葡糖酸。
• 由 6-磷酸葡糖酸脫氫酶催化，6-磷酸葡糖酸氧化脫羧生成核酮糖-5-磷酸，同時生成NADPH及C0₂。
• 核酮糖-5-磷酸經異構酶催化，轉變成核糖-5-磷酸；或者經差向異構酶催化，轉變為木酮糖-5-磷酸。

這些磷酸戊糖之間的相互轉變均為可逆反應。總之，第一階段中，1分子葡糖-6-磷酸生成2分子NADPH和1分子核糖-5-磷酸，釋出1分子C0₂。

基團轉移階段生成磷酸已糖和磷酸丙糖

第一階段生成的NADPH和磷酸核糖，可用作體內諸多合成代謝的原料，但由於細胞對NADPH的需求量大得多，為避免磷酸核糖積累，多餘的戊糖就會進入第二階段，以便重新返回糖酵解途徑而被再次利用。
需要3分子磷酸戊糖進入第二階段，才能完成所有基團轉移反應。一系列基團轉移的接受體都是醋糖，反應分為兩類：一類是轉酮醇酶(transketolase)反應，轉移含l個酮基、1個醇基的2碳基團；另一類是轉醛醇酶(transaldolase)反應，轉移3碳單位。這些基團轉移均為可逆反應。簡而言之，在第二階段中，3分子磷酸戊糖最終轉變成2分子果糖-6-磷酸和1分子3-磷酸甘油醛。此外，本階段反應過程中，還可提供3C、4C、5C、6C、7C中間產物，這些含不同碳原子數量的碳骨架也是體內生物合成所需要的碳源。
綜上，磷酸戊糖途徑的總反應為：
3×葡糖-6-磷酸+6NADP⁺→2×果糖-6-磷酸+3-磷酸甘油醛+6NADPH+6H⁺+3C0₂

磷酸戊糖途徑主要受NADPH/NADP⁺比值的調節

葡糖-6-磷酸可進入多條代謝途徑。葡糖-6-磷酸脫氫酶是磷酸戊糖途徑的關鍵酶，其活性決定葡糖-6-磷酸進入此途徑的流量。從酶含量調節的角度來看，當攝取高碳水化合物飲食、尤其是飢餓後進食時，肝內此酶的含盤明顯增加，以適應脂肪酸合成時對NADPH的需要。從酶活性快速調節的角度來看，NADPH對葡糖-6-磷酸脫氫酶有強烈的抑制作用，因此該酶活性主要受NADPH/NADP⁺比值的調節。比值升高，磷酸戊糖途徑被抑制；比值降低時則被激活。總之，磷酸戊糖途徑的流量取決於NADPH需求。

磷酸戊糖途徑是NADPH和磷酸核糖的主要來源

磷酸戊糖途徑產生的磷酸核糖和NADPH,可為體內多種合成代謝提供碳源和供氫體。對於脂質合成旺盛的組織（如肝、脂肪組織、哺乳期的乳腺）、增殖活躍的組織（如骨髓、腫瘤）、紅細胞等，磷酸戊糖途徑尤為活躍，可大量生成這兩種產物，以滿足這些組織細胞的代謝需求。

提供磷酸核糖參與核酸的生物合成

核糖是核苷酸的基本組分。體內的核糖並不依賴從食物攝入，而是通過磷酸戊糖途徑生成。磷酸核糖的生成方式有兩種：一是發生在氧化階段，由葡糖-6-磷酸氧化脫羧生成；二是發生在基團轉移階段，由糖酵解的中間產物3-磷酸甘油醒和果糖-6-磷酸通過基團轉移生成。這兩種方式的相對重要性因物種而異，因器官而異。 例如，人體主要通過第一種方式生成磷酸核糖，但肌組織內因缺乏葡糖-6-磷酸脫氫酶故通過第二種方式生成磷酸核糖。

提供NADPH作為供氫體參與多種代謝反應

與NADH不同，NADPH攜帶的氫並不通過電子傳遞鏈氧化釋出能量，而是參與許多代謝反應，發揮不同的功能。

• NADPH是許多合成代謝的供氫體
  • 參與脂質合成：從乙醯CoA合成脂肪酸和膽固醇，中間涉及多步還原反應，需要NADPH供氫；
  • 參與胺基酸合成：機體合成非必需胺基酸時，先由α-酮戊二酸、NH₃和NADPH生成穀氨酸，後者再與其他α-酮酸進行轉氨基反應而生成相應的胺基酸。
• NADPH參與羥化反應，需要NADPH的羥化反應包括：
  • 與生物合成相關的羥化反應：從鯊烯合成膽固醇，從膽固醇合成膽汁酸、類固醇激素，從血紅素合成膽紅素等，均涉及NADPH參與的羥化步驟；
  • 與生物轉化(biotransformation)相關的羥化反應：使某些藥物、毒物發生羥化作用的細胞色素P450單加氧酶，也需要NADPH參與反應。
• NADPH用於維持穀胱甘肽的還原狀態
  • 穀胱甘肽(glutathione, GSH)是 一個三肽，2分子GSH可以脫氫生成氧化型穀胱甘肽(GSSG), 而後者可在穀胱甘肽還原酶作用下，被NADPH重新還原成為還原型穀胱甘肽。
  • 還原型穀胱甘肽是體內重要的抗氧化劑，可保護一些含巰基的蛋白質或酶免受氧化劑（尤其是過氧化物）的損害。對於紅細胞，還原型穀胱甘肽的意義更為重要，可保護紅細胞膜的完整性。葡糖-6-磷酸脫氫酶缺陷者，其紅細胞不能經磷酸戊糖途徑獲得充足的NADPH, 不足以使穀胱甘肽保持還原 狀態，因而表現出紅細胞（尤其是較老的紅細胞）易於破裂，發生溶血性黃疽。這種溶血現象常在食用蠶豆（是強氧化劑）後誘發， 故稱為蠶豆病。