Открытие пути прямого окисления углеводов, или, как его называют, пентозного пути, связано главным образом с работами Варбурга, Липмана, Диккенса и В. А. Энгельгардта. Расхождение путей окисления углеводов - классического, при участии цикла трикарбоновых кислот (цикла Кребса), и пентозного - начинается со стадии образования гексозомонофосфата. Если глюкозо-6-фосфат (точнее, фруктозо-6-фосфат) подвергается еще раз фосфорилированию и превращается во фруктозо-1,6-дифосфат, то в этом случае дальнейший распад углеводов происходит по обычному гликолитическому пути с образованием пировиноградной кислоты, которая, окиcляясь до ацетил-КоА, затем сгорает в цикле Кребса.

Если же присоединения второй частицы фосфата к гексозо-6-монофосфорному эфиру не происходит, то фосфорилированная глюкоза может подвергаться прямому окислению до фосфопентоз. В норме доля пентозного цикла в количественном превращении глюкозы обычно невелика, варьирует у разных организмов и зависит от типа ткани и ее функционального состояния.

У млекопитающих активность пентозного цикла относительно высока в печени, надпочечниках, в эмбриональной ткани и в молочной железе в период лактации. Значение этого пути в обмене веществ велико. Он поставляет восстановленный НАДФ (НАДФН₂), необходимый для биосинтеза жирных кислот, холестерина и т. д. За счет пентозного цикла примерно на 50% покрывается потребность организма в НАДФН₂.

Вторая функция пентозного цикла заключается в том, что он поставляет пентозофосфаты для синтеза нуклеиновых кислот и многих коферментов. При ряде патологических состояний удельный вес пентозного пути окисления глюкозы возрастает. Механизм реакций пентозного цикла достаточно расшифрован. Пентозный цикл начинается с окислительного декарбоксилирования (от гексозофосфата отщепляется первый атом углерода). Это так называемая окислительная стадия пентозного цикла. Вторая стадия включает неокислительные превращения пентозофосфатов с образованием исходного глюкозо-6-фосфата (рис. 93).

Реакции пентозного цикла протекают в цитоплазме клетки. Первая реакция - дегидрирование глюкозо-6-фосфата при участии фермента глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы и кофермента НАДФ:

Образовавшийся в ходе данной реакции 6-фосфоглюконой-σ-лактон - соединение нестабильное и с большой скоростью гидролизуется либо спонтанно, либо с помощью фермента глюконо-лактоназы:

Равновесие первой суммарной реакции сильно смещено в сторону образования НАДФН₂.

В следующей окислительной реакции, катализируемой фосфоглюконатдегидрогеназой (декарбоксилирующей), 6-фосфоглюконовая кислота дегидрируется и декарбоксилируется. В результате образуется фосфорилированная кетопентоза-D-рибулозо-5-фосфат и еще одна молекула НАДФН₂. В качестве промежуточного продукта в реакции, вероятно, образуется 3-кето-6-фосфоглюконовая кислота:

Под действием соответствующей эпимеразы из рибулозо-5-фосфата может образоваться другая фосфопентоза - ксилулозо-5-фосфат. Кроме того, рибулозо-5-фосфат под влиянием особой изомеразы легко превращается в рибозо-5-фосфат. Между этими формами пентозофосфатов устанавливается состояние подвижного равновесия:

При определенных условиях пентозный путь на этом этапе может быть завершен. Суммарный итог окислительной стадии (этапа) можно выразить в виде следующего уравнения:

Глюкозо-6-фосфат + 2НАДФ --> Пентозо-5-фосфат + СO₂ + 2НАДФН₂

Однако при других условиях наступает так называемый неокислительный этап (стадия) пентозного цикла. Реакции этого этапа не связаны с использованием кислорода и протекают в анаэробных условиях. При этом частично образуются вещества, характерные для первой стадии гликолиза (фруктозо-6-фосфат, фруктозо-1,6-дифосфат, фосфотриозы), а частично - специфические для пентозного пути (седогептулозо-7-фосфат, пентозо-5-фосфат, эритрозо-4-фосфат).

Основными реакциями неокислительной стадии пентозного цикла являются транскетолазная и трансальдолазная. Эти реакции катализируют превращение изомерных пентозо-5-фосфатов:

Коферментом в транскетолазной реакции служит тиамин-дифосфат (ТДФ), играющий роль промежуточного переносчика гликольальдегидной группы, которая затем присоединяется к рибозо-5-фосфату. В результате образуется семиуглеродный сахар - седогептулозо-7-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат.

Транскетолазная реакция в пентозном цикле встречается дважды, второй раз - при образовании фруктозо-6-фосфата и триозофосфата в результате взаимодействия второй молекулы ксилулозо-5-фосфата с эритрозо-4-фосфатом:

Фермент трансальдолаза катализирует перенос остатка дигидроксиацетона (но не свободного дигидроксиацетона) от седогептулозо-7-фосфата на глицеральдегид-3-фосфат:

Как видно из рис. 93, 6 молекул глюкозо-6-фосфата, вступая в пентозный цикл, дают 6 молекул рибулозо-5-фосфата и 6 молекул СО₂, после чего из 6 молекул рибулозо-5-фосфата снова регенерируют 5 молекул глюкозо-6-фосфата. При этом молекула глюкозо-6-фосфата, вступающая в цикл, полностью не окисляется. Шесть молекул СО₂ образуются из C₁-групп 6 молекул глюкозо-6-фосфата. Валовое уравнение окислительной и неокислительной стадий пентозного цикла можно представить в следующем виде:

6 Глюкозо-6-фосфат + 7 Н₂O + 12 НАДФ --> 5 Глюкозо-6-фосфат+ + 6 СО₂ + Ф_н + 12 НАДФН,
или
Глюкозо-6-фосфат + 7 Н₂О + 12 НАДФ --> 6СO₂ + Н₃РO₄ + 12 НАДФН₂

Образовавшийся НАДФН₂ используется на восстановительные синтезы в цитоплазме и, как правило, не участвует в окислительном фосфорилировании, протекающем в митохондриях.

В последние годы появились работы, которые дают основание предполагать, что схема пентозного превращения углеводов сложнее, чем это представлено на рис. 93.

Согласно новой схеме пентозофосфатного пути, предложенной Вильямсом и Кларком, первые этапы превращения совпадают с прежней схемой. Однако после первой транскетолазной реакции сразу наступает отклонение: рибозо-5-фосфат (Р-5-Ф) под влиянием пентозофосфатэпимеразы (ПФЭ) превращается в арабинозо-5-фосфат (Араб-5-Ф); а глицеральдегид-3-фосфат (Га-3-Ф) изомеризуется в дигидроксиацетонфосфат (ДАФ). Между этими веществами происходит реакция при участии альдолазы и образуется октулозо-1,8-дифосфат (0-1,8-диФ). Что же касается второго продукта транскетолазной реакции - седогептулозо-7-фосфата (С-7-Ф), то он переходит под влиянием фосфотрансферазы в седогептулозо-1,7-дифосфат (С-1,7-диФ) с одновременным образованием октулозо-8-фосфата (0-8-Ф). Затем наступает вторая альдолазная реакция, которая приводит к превращению седогептулозо-1,7-дифосфата в эритрозо-4-фосфат (Э-4-Ф) и дигидрооксиацетонфосфат. Далее эритозо-4-фосфат и октулозо-8-фосфат в результате второй реакции образуют фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф) и глюкозо-6-фосфат (Гл-6-Ф). Все приведенные на рис. 94 реакции обратимы.

Многие исследователи считают, что пентозный путь (его анаэробная часть) и гликолиз, протекающие в цитолизе, способны переключаться с одного пути на другой в зависимости от соотношения концентраций промежуточных продуктов, образовавшихся в клетке. Итак, следует признать возможным обобщение в один суммарный процесс анаэробной фазы пентозного пути превращения углеводов и гликолиза. При этом роль важнейшего регулятора данного процесса играет эритрозо-4-фосфат. В зависимости от того, происходит ли интенсивное использование фосфопентоз или фосфопентозы образуются в оптимальном избытке, эритрозо-4-фосфат участвует либо в альдолазной реакции с образованием седогептулозо-1,7-дифосфата, либо в транскетолазной реакции с образованием фруктозо-6-фосфата и глюкозо-6-фосфата.