Az Entner-Dudoroff útvonal vagy KDFG-útvonal [1] ( Entner- Doudoroff útvonal ) egy glükóz oxidációs útvonal (a glikolízissel és a pentóz-foszfát útvonallal együtt), amely két piruvát -molekula , egy ATP- molekula és egy ATP-molekula képződéséhez vezet. egy molekulaglükózmolekulából piridin nukleotidokat ( NADH és NADPH ) [2] . Bár korábban azt hitték, hogy csak kis számú Gram -negatív baktériumban fordul elő , mára megállapították, hogy ez az útvonal rendkívül elterjedt a természetben, és a Gram-pozitív és Gram-negatív baktériumok különböző csoportjai, valamint egyes archaeák és még eukarióták is használják [3] .
Az Entner-Dudorov út felfedezéséről szóló üzenetet Nathan Entner és Mihail Dudorov amerikai tudósok publikálták 1952 -ben [4] . Munkájuk során meggyőző bizonyítékot szolgáltattak a Pseudomonas saccharophila baktériumban egy új, korábban nem leírt glükóz - anyagcsere -útvonalra Következtetéseik azon a megfigyelésen alapultak, hogy a glükóz első szénatomja ( C1) szinte minden CO 2 -be kerül , míg a glükóz metabolizmusának mechanizmusa egyértelműen nem tartalmazza a glükózmolekula elsődleges dekarboxilezését . Dinitrofenollal kezelt sejteket használva azt találták, hogy 1 mól C1-jelzett glükóz végül 2 mól piroszőlősavvá (piruvát) alakul át, és az összes jelölt atom a piruvát karboxilcsoportjában található . Ezenkívül a nyers sejtkivonatokban az enzimaktivitás során a 6-foszfoglükonsavat piruváttá és glicerinaldehid-3-foszfáttá hasítja . Azt is feltételezték, hogy a 2-keto-3-dezoxi-6-foszfoglükonát (KDPG) kulcsfontosságú vegyület egy hat szénatomos vegyület két három szénatomosra való hasításában . Ezt követően a CDPG-t kristályos formában izoláltuk 6-foszfoglükonsav enzimes sejtkeverékből. Az útvonal két szakasza - a CDPG képződése 6-foszfoglükonátból és a CDPG hasadása piruváttá és glicerinaldehid-3-foszfáttá - az ezen átalakulásokat végrehajtó enzimek izolálása után jött létre (további részletekért lásd alább) . 3] .
Az Entner-Dudorov út általános sémája a következő. A glükóz-6-foszfát , amely 1 glükózmolekula foszforilációja során képződik 1 ATP-molekula elfogyasztásával, 6-foszfoglükonáttá alakul a NADP -molekula helyreállításával és NADP٠H képződésével [5] . A 6-foszfoglükonát további dehidratálásával 2-keto-3-dezoxi-6-foszfoglükonát (KDPG) képződik, amely a folyamat kulcsvegyülete [3] . A CDPG piruváttá és glicerinaldehid-3-foszfáttá ( 3-PHA ) hasad. A 3-PHA piruváttá történő további oxidációjával 1 NAD molekula NADH-vá redukálódik, és 2 ATP képződik a szubsztrát foszforilációjával . Az Entner-Doudoroff útvonal 2 egyedi enzimet tartalmaz: a 6-foszfoglükonát-dehidratázt , amely a 6-foszfoglükonátot CDPG-vé alakítja, és a CDPG-aldolázt , amely katalizálja a CDPG aldolos hasítását piruváttá és 3-PHA- vá [6] .
Az Entner-Doudoroff útvonal a glikolízis alternatívájaként tekinthető . A két glükóz oxidációs út általános sémája rendkívül hasonló: a 6 szénatomos cukrok foszforilációval aktiválódnak, majd az aldoláz csoport enzimei két három szénatomos vegyületre bomlanak le. A különbség a köztes 6 szénatomos vegyületek természetében rejlik, amelyek három szénatomos termékekre bomlanak. A glikolízis során a fruktóz-1,6-biszfoszfát 3-PHA- ra és dihidroxi-aceton-foszfátra bomlik , az Entner-Doudoroff reakcióút során pedig a CDPG 3-PHA- ra és piruvátra hasad [3] . Így az Entner-Doudoroff útvonal csak két olyan reakciót tartalmaz, amelyek a glikolízis és a pentóz-foszfát reakcióút mellett további reakciókat tartalmaznak. Az Entner-Dudoroff útvonal azonban abban különbözik a glikolízistől, hogy egy NADPH-molekulát termel, és teljes energiatermelésként csak egy, nem pedig kettő ATP-molekulát termel [6] .
A baktériumok közül az Entner-Doudoroff útvonalat szinte kizárólag Gram-negatív baktériumokban írták le ; ritka kivétel a gram -pozitív bélbaktérium az Enterococcus faecalis [7] .
Különböző organizmusok eltérő módon használják az Entner-Doudoroff útvonalat. Csak kis számú organizmusban az Entner-Dudoroff útvonal kizárólag a katabolizmusban vesz részt , lineáris mechanizmus szerint halad, folyamatosan (konstitutívan) használatos, és a központi anyagcsere alapját képezi. Így különösen ez történik a Zymomonas mobilis ; Ez a baktérium az egyetlen olyan szervezet, amelyről ismert, hogy anaerob körülmények között kötelezően használja az Entner-Doudoroff útvonalat . Az ezen az úton képződő piruvát acetaldehiddé alakul, amely etanollá és szén-dioxiddá alakul, azaz a Zymomonas mobilis alkoholos erjesztést végez [3] . A fermentorok általában nem használják az Entner-Doudoroff útvonalat, feltehetően az alacsony ATP-hozam miatt, mivel a fermentációt a cukorhasznosítás alacsony energiahatékonysága is jellemzi [6] . A Zymomonas mobilis mellett az anaerob Entner-Dudoroff útvonalat a Clostridium is használja [3] .
Sok baktériumban, különösen a bélrendszeri baktériumokban az Entner-Doudoroff útvonal lineáris mechanizmus szerint megy végbe, és csak bizonyos szénforrásokon, például glükonáton növekszik, és a glikolízis és a pentóz-foszfát útvonal képezi a központi anyagcsere alapját. . Ilyen például az E. coli . Nála az Entner-Dudorov útvonal enzimeinek szintézise csak glükonát jelenlétében kezdődik a külső környezetben. Az Entner-Dudoroff útvonal során képződő piruvát részt vesz a Krebs-ciklusban [3] . Ezenkívül exogén pirrolokinolin-kinon (PQQ), egy glükóz-oxidáz - kofaktor jelenlétében az E. coli és számos más baktérium képes glükózt glükonáttá oxidálni ezzel az enzimmel. Ezt követően a glükonát foszforilálódik és 6-foszfoglükonáttá alakul, amelyet tovább használnak az Entner-Doudoroff reakcióút mentén. Más esetekben a glükonátot glükonát-dehidrogenáz oxidálhatja 2-ketoglükonáttá, amely azután foszforilálódik, és ismét 6-foszfoglükonáttá redukálódik [6] .
A legtöbb pszeudomonád esetében az Entner-Dudorov út egy speciális ciklikus mechanizmus szerint halad. A 3-PHA , amely a KDPG KDPG-aldoláz általi hasítása során képződik, glükoneogén enzimek segítségével közvetlenül 6-foszfoglükonáttá alakul. A pszeudomonádokon kívül az Entner-Doudoroff útvonal ciklikus változatát is leírták néhány rokon mikroorganizmusban , különösen az Azotobacter vinelandii -ben és másokban [3] .
Az Entner-Dudoroff útvonalat egyes metilotróf mikroorganizmusok is használják. Egyes kötelező és fakultatív metilotrófok a formaldehidet a ribulóz- monofoszfát útvonal (RMP ) segítségével kötik meg . Ennek az útnak az első szakaszában a fruktóz-6-foszfát formaldehidből és ribulóz-5-foszfátból képződik . A második lépésben az RMP egyes változataiban a fruktóz-6-foszfát három szénatomos vegyületekké alakul az Entner-Doudoroff útvonalon keresztül. Először a fruktóz-6-foszfát izomer glükóz-6-foszfáttá alakul, amely az Entner-Dudoroff útvonalon keresztül piruváttá és 3-FGK -vá hasad . Ez utóbbi ezután ribulóz-5-foszfáttá alakul. A szénhidrát-anyagcsere ezen változata számos obligát metilotrófban, valamint néhány fakultatívban is megtalálható volt. Ebben az esetben tehát az Entner-Dudoroff út az anabolikus folyamatban (ribulóz-5-foszfát képződésében) vesz részt, így nemcsak a katabolikus, hanem az anabolikus folyamatokban is fontos lehet [3] .
Egy 2015-ös tanulmány kimutatta, hogy a tengeri baktériumok nagymértékben függnek az Entner-Doudoroff útvonaltól. Ez a tanulmány a glükózt használó tengeri baktériumok különböző törzseit vizsgálta, amelyek különböző, filogenetikailag távoli baktériumcsoportokhoz tartoznak: a phyla Alphaproteobacteria , a Gammaproteobacteria és a Bacteroidetes . Kiderült, hogy a törzsek 90%-a az Entner-Doudoroff útvonalat használta a glükóz metabolizmusára, míg az Embden-Meyerhof-Parnassus útvonal (normál glikolízis) csak 10%-át. A szárazföldi baktériumok viszont előszeretettel használják a második útvonalat, amely nagyobb ATP-hozamot ad. A tengeri baktériumokban az Entner–Doudoroff útvonal használata nagyobb ellenállást biztosít az oxidatív stresszel szemben . Így az Entner-Dudoroff útvonal fontos szerepet játszhat a mono- és poliszacharidok átalakulásában a tengeri ökoszisztémák bakteriális közösségeiben 8] .
Vibrio cholerae esetén az Entner-Doudoroff útvonal szükséges a glükonát hasznosításához, és elengedhetetlen e baktérium virulenciájához [9] . Egy 2014-es tanulmány kimutatta, hogy a Xanthomonas campestris növénykórokozóban az Entner- Doudoroff útvonal a glükóz katabolizmus fő útvonala [10] .
Mint fentebb említettük, az Entner-Doudoroff útvonalat egyes eukariótákban találták meg, nevezetesen az Entamoeba histolyticában , az Aspergillus nigerben és a Penicillum notatumban . Emellett a tehénmájban a 6-foszfoglükonát-dehidratázhoz és a CDPG - aldolázhoz hasonló enzimeket találtak , amelyek részt vesznek a hidroxiprolin szintézisében [3] . Az Entner-Doudoroff útvonalat néhány fotoszintetikus eukarióta esetében is leírták , különösen a Phaeodactylum tricornutum kovaalgában . Ebben az algában a reakcióutak a mitokondriumokban mennek végbe . Valószínűleg ennek a változatnak a jelenléte lehetővé teszi az algák számára, hogy a nagy hatékonyságú glükóz-katabolizmus helyett, amelynek enzimszintézise sok energiát igényel (normál glikolízis), egy kisebb hatékonyságú, de olcsóbb utat használjon. az enzimszintézis szempontjából, ami bizonyos előnyt jelenthet [11] .
2014-ben kísérletet tettek az Entner-Doudoroff útvonal bevezetésére a Saccharomyces cerevisiae élesztőgomba sejtjébe . Ebből a célból E. coli 6-foszfoglükonát-dehidratázt és CDPG-aldolázt expresszáltak élesztősejtekben . A próbálkozás azonban nem járt sikerrel: a vas-kén klasztereket tartalmazó E. coli CDPG-aldoláz nem tudott normálisan működni élesztősejtekben [12] .
Az Entner-Dudorov útvonalon a következő módosítások vannak:
A tudósok között nincs konszenzus, hogy a glükóz oxidációjának mechanizmusai közül melyik (glikolízis vagy az Entner-Doudoroff út) jelent meg először. Korábban azt hitték, hogy a glikolízis régebbi voltát bizonyítja rendkívül széles elterjedése az összes sejtes életforma között. Most azonban, hogy nyilvánvaló, hogy az Entner-Dudorov út is nagyon elterjedt, ezt az érvet már nem lehet figyelembe venni. Az Entner-Dudorov út nagyobb ősisége mellett szól, hogy néhány primitív vándornál ( Zymomonas mobilis ) megtalálható. Sőt, az Entner-Doudoroff útvonal módosításainak megléte, amelyben a nem foszforilált vegyületek átalakulnak, azt jelzi, hogy a Föld első fermentorai használták [ 3] .
Van egy olyan álláspont is, hogy az Entner-Dudoroff útvonal az aerob légzéssel és a Krebs-ciklussal együtt fejlődött ki, mint a piruvát gyors cukrokból történő képződésének eszköze. De az Entner-Dudoroff útvonal jelenléte az obligát fermentorokban ( Zymomonas mobilis ) és az obligát anaerobokban (clostridiumokban) megkérdőjelezi ezt a feltételezést [3] .
Jelenleg az Entner-Dudoroff útvonalat kezdik alkalmazni a biotechnológiában számos hasznos vegyület kifejlesztésére vagy a képződés hatékonyságának növelésére. Így 2015-ben publikáltak egy tanulmányt, amely arról számol be, hogy a Zymomonas mobilis sejtekből az E. coli sejtekbe sikeresen bejuttatták ezt az utat további enzimek . Ennek eredményeként a NADPH képződés hatékonysága ezen az úton 25-szörösére nőtt. A NADPH számos értékes vegyület, például izoprenoidok , zsírsavszármazékok és biopolimerek bioszintézisében szolgál kofaktorként , ezért a NADPH képződését fokozó módszerek nagy biotechnológiai jelentőséggel bírnak [15] . Egy másik munkában az Entner-Doudoroff útvonalat a szerin dezaminációs útvonallal és a piruvát-dehidrogenáz komplexszel együtt használták a poli-3-hidroxi-butirát (biológiailag lebontható bioplasztikum ) E. coli sejtek termelésének javítására [16]. . Az Entner-Doudoroff útvonal és a 2-C-metil-D-eritriol-4-foszfát útvonal kombinációja lehetővé teszi az izopréntermelés fokozását genetikailag módosított E. coli sejtekben [17] .