Calea Entner-Dudoroff sau calea KDFG [ 1] ( calea Entner-Doudoroff ) este o cale de oxidare a glucozei (împreună cu glicoliză și calea pentozei fosfat ), care duce la formarea a două molecule de piruvat , o moleculă de ATP și două molecule dintr-o glucozămoleculă nucleotide de piridină ( NADH și NADPH ) [2] . Deși anterior se credea că apare doar într-un număr mic de bacterii gram -negative, acum s-a stabilit că această cale este extrem de răspândită în natură și este utilizată de diferite grupuri de bacterii gram-pozitive și gram-negative, precum și unele arhei și chiar eucariote [3] .
Mesajul despre descoperirea căii Entner-Dudorov a fost publicat în 1952 de oamenii de știință americani Nathan Entner și Mihail Dudorov [4] . În munca lor, ei au oferit dovezi convingătoare ale unei noi căi de metabolizare a glucozei , nedescrisă anterior, în bacteria Pseudomonas saccharophila Concluziile lor s-au bazat pe observația că primul atom de carbon (C1) al glucozei merge aproape tot la CO 2 , în timp ce mecanismul metabolismului glucozei în mod clar nu includea decarboxilarea primară a moleculei de glucoză. Folosind celule tratate cu dinitrofenol , ei au descoperit că 1 mol de glucoză marcată cu C1 a fost în cele din urmă transformat în 2 moli de acid piruvic (piruvat), toți atomii marcați fiind în grupa carboxil a piruvatului. În plus, în extractele de celule brute , sa descoperit că activitatea enzimatică scindează acidul 6-fosfogluconic în piruvat și gliceraldehidă-3-fosfat . Ei au emis, de asemenea, ipoteza că 2-ceto-3-deoxi-6-fosfogluconat (KDPG) a fost un compus cheie în scindarea unui compus cu șase atomi de carbon în doi compusi cu trei atomi de carbon . Ulterior, CDPG a fost izolat sub formă cristalină dintr-un amestec de celule enzimatice cu acid 6-fosfogluconic. Două etape ale căii - formarea CDPG din 6-fosfogluconat și scindarea CDPG în piruvat și gliceraldehidă-3-fosfat - au fost stabilite după izolarea enzimelor care efectuează aceste transformări (pentru mai multe detalii, vezi mai jos) [ 3] .
Schema generală a căii Entner-Dudorov este următoarea. Glucoza-6-fosfatul , format în timpul fosforilării unei molecule de glucoză cu consumul a 1 moleculă de ATP, trece în 6-fosfogluconat cu refacerea moleculei NADP și formarea NADP٠H [5] . Odată cu deshidratarea suplimentară a 6-fosfogluconatului, se formează 2-ceto-3-deoxi-6-fosfogluconatul (KDPG), compusul cheie al căii [3] . CDPG este scindat în piruvat și gliceraldehidă-3-fosfat ( 3-PHA ). Odată cu oxidarea ulterioară a 3-PHA la piruvat, 1 moleculă de NAD este redusă la NADH și 2 ATP se formează prin fosforilarea substratului . Calea Entner-Doudoroff implică 2 enzime unice: 6-fosfogluconat dehidratază , care transformă 6-fosfogluconat în CDPG și CDPG-aldolaza , care catalizează scindarea aldolică CDPG în piruvat și 3-PHA [6] .
Calea Entner-Doudoroff poate fi văzută ca o alternativă la glicoliză . Schema generală a acestor două căi de oxidare a glucozei este extrem de asemănătoare: zaharurile cu 6 atomi de carbon sunt activate prin fosforilare și apoi descompuse de enzimele grupului aldolazei în doi compuși cu trei atomi de carbon. Diferența constă în natura compușilor intermediari cu 6 atomi de carbon, care se descompun în produse cu trei atomi de carbon. În timpul glicolizei, fructoza-1,6-bisfosfatul se descompune în 3-PHA și dihidroxiacetonă fosfat , iar în timpul căii Entner-Doudoroff, CDPG este scindat în 3-PHA și piruvat [3] . Astfel, calea Entner-Doudoroff conține doar două reacții care sunt suplimentare față de reacțiile de glicoliză și calea pentozei fosfat. Totuși, calea Entner-Dudoroff diferă de glicoliză prin faptul că produce o moleculă de NADPH și, ca producție totală de energie, doar una, nu două, molecule de ATP [6] .
Dintre bacterii, calea Entner-Doudoroff a fost descrisă aproape exclusiv în bacterii Gram-negative ; o excepție rară este bacteria intestinală gram pozitivă Enterococcus faecalis [7] .
Diferite organisme folosesc calea Entner-Doudoroff în moduri diferite. Doar într-un număr mic de organisme, calea Entner-Dudoroff este implicată exclusiv în catabolism , decurge conform unui mecanism liniar, este utilizată constant (constitutiv) și formează baza metabolismului central. Deci, în special, se întâmplă în Zymomonas mobilis ; această bacterie este, de asemenea, singurul organism cunoscut că folosește în mod obligatoriu calea Entner-Doudoroff în condiții anaerobe . Piruvatul format în cursul acestei căi este transformat în acetaldehidă, care este transformată în etanol și dioxid de carbon, adică Zymomonas mobilis efectuează fermentația alcoolică [3] . În general, fermentatoarele nu folosesc calea Entner-Doudoroff, probabil din cauza randamentului scăzut de ATP, deoarece fermentația se caracterizează și prin eficiența energetică scăzută a utilizării zahărului [6] . Pe lângă Zymomonas mobilis , calea anaerobă Entner-Dudoroff este folosită și de Clostridium [3] .
În multe bacterii, în special în cele intestinale, calea Entner-Doudoroff se desfășoară conform unui mecanism liniar și este indusă numai atunci când crește pe anumite surse de carbon, de exemplu, pe gluconat, iar glicoliza și calea pentozei fosfat formează baza metabolismului central. . Acesta este, de exemplu, E. coli . În ea, sinteza enzimelor căii Entner-Dudorov începe numai în prezența gluconatului în mediul extern. Piruvatul format în timpul căii Entner-Dudoroff este implicat în ciclul Krebs [3] . În plus, în prezența pirolochinolinei chinonei exogene (PQQ), un cofactor de glucozooxidază , E. coli și alte câteva bacterii sunt capabile să oxideze glucoza la gluconat cu această enzimă. După aceea, gluconat este fosforilat și transformat în 6-fosfogluconat, care este utilizat în continuare de-a lungul căii Entner-Doudoroff. În alte cazuri, gluconat poate fi oxidat de gluconat dehidrogenază la 2-cetogluconat, care este apoi fosforilat și din nou redus la 6-fosfogluconat [6] .
Pentru majoritatea pseudomonadelor , calea Entner-Dudorov se desfășoară conform unui mecanism ciclic special. 3-PHA , format în timpul clivajului KDPG de către KDPG-aldolază, este transformat direct în 6-fosfogluconat cu ajutorul enzimelor gluconeogene. În plus față de pseudomonade, o variantă ciclică a căii Entner-Doudoroff a fost descrisă în unele microorganisme înrudite , în special Azotobacter vinelandii și altele [3] .
Calea Entner-Dudoroff este folosită și de unele microorganisme metilotrofe . Unii metilotrofi obligatorii și facultativi fixează formaldehida folosind calea ribulozei monofosfat (RMP ) . În prima etapă a acestei căi, fructoza-6-fosfatul se formează din formaldehidă și ribuloză-5-fosfat . În a doua etapă, în unele variante ale RMP , fructoza-6-fosfatul este transformat în compuși cu trei atomi de carbon prin calea Entner-Doudoroff. În primul rând , fructoza-6-fosfatul este transformat în glucoză-6-fosfat izomer, care este scindat în piruvat și 3-FGK prin calea Entner-Dudoroff . Acesta din urmă este apoi transformat în ribuloză-5-fosfat. Această variantă a metabolismului carbohidraților a fost găsită la o serie de metilotrofi obligatorii, precum și la unii facultativi. Astfel, în acest caz, calea Entner-Dudoroff este implicată în procesul anabolic (formarea ribulozei-5-fosfat), deci poate fi importantă nu numai în procesele catabolice, ci și în procesele anabolice [3] .
Un studiu din 2015 a arătat că bacteriile marine sunt foarte dependente de calea Entner-Doudoroff. Acest studiu a examinat diferite tulpini de bacterii marine care utilizează glucoză aparținând unor grupuri diferite de bacterii filogenetic îndepărtate: phyla Alphaproteobacteria , Gammaproteobacteria și Bacteroidetes . S-a dovedit că 90% dintre tulpini au folosit calea Entner-Doudoroff pentru metabolismul glucozei, în timp ce calea Embden-Meyerhof-Parnassus (glicoliză normală) a folosit doar 10%. Bacteriile terestre, pe de altă parte, folosesc de preferință a doua cale, care oferă un randament mai mare de ATP. În bacteriile marine, utilizarea căii Entner-Doudoroff oferă o rezistență mai mare la stresul oxidativ . Astfel, calea Entner-Dudoroff poate juca un rol important în conversia mono- și polizaharidelor în comunitățile bacteriene ale ecosistemelor marine [8] .
În Vibrio cholerae , calea Entner-Doudoroff este necesară pentru utilizarea gluconatului și este esențială pentru virulența acestei bacterii [9] . Un studiu din 2014 a arătat că în agentul patogen al plantelor Xanthomonas campestris , calea Entner-Doudoroff este calea principală pentru catabolismul glucozei [10] .
După cum am menționat mai sus, calea Entner-Doudoroff a fost găsită la unele eucariote, și anume Entamoeba histolytica , Aspergillus niger și Penicillum notatum . În plus, enzime similare cu 6-fosfogluconat dehidratază și CDPG-aldolaza au fost găsite în ficatul de vacă , ele fiind implicate în sinteza hidroxiprolinei [3] . Calea Entner-Doudoroff a fost, de asemenea, descrisă la unele eucariote fotosintetice , în special, la diatomee Phaeodactylum tricornutum . În această algă, căile de reacție au loc în mitocondrii . Poate că, prezența acestei variante face posibilă utilizarea algelor, în locul unei căi de catabolism a glucozei foarte eficientă, a cărei sinteză enzimatică necesită multă energie (glicoliză normală), o cale cu eficiență mai mică, dar și mai puțin costisitoare în termenii sintezei enzimatice, care pot oferi un anumit avantaj [11] .
În 2014, s-a încercat introducerea căii Entner-Doudoroff în celulele drojdiei Saccharomyces cerevisiae . În acest scop, E. coli 6-fosfogluconat dehidratază și CDPG-aldolaza au fost exprimate în celulele de drojdie . Cu toate acestea, încercarea a eșuat: E. coli CDPG-aldolaza care conținea clustere de fier-sulf nu a putut funcționa normal în celulele de drojdie [12] .
Există următoarele modificări ale căii Entner-Dudorov:
Nu există un consens în rândul oamenilor de știință care dintre mecanismele de oxidare a glucozei (glicoliză sau calea Entner-Doudoroff) a apărut primul. Anterior, se credea că vechimea mai mare a glicolizei este evidențiată de distribuția sa extrem de largă între toate formele de viață celulare. Totuși, acum că este evident că și calea Entner-Dudorov este foarte răspândită, acest argument nu mai poate fi luat în considerare. În favoarea vechimii mai mari a căii Entner-Dudorov este faptul că se găsește la unii rătăcitori primitivi ( Zymomonas mobilis ). Mai mult, existența unor modificări ale căii Entner-Doudoroff, în care compușii nefosforilați sunt convertiți, indică faptul că ar fi putut fi folosit de primii fermentatori de pe Pământ [ 3] .
Există, de asemenea, un punct de vedere că calea Entner-Dudoroff s-a dezvoltat împreună cu respirația aerobă și ciclul Krebs ca mijloc pentru formarea rapidă a piruvatului din zaharuri. Dar prezența căii Entner-Dudoroff în fermentatorii obligați ( Zymomonas mobilis ) și anaerobii obligați (clostridii) pune la îndoială această ipoteză [3] .
În prezent, calea Entner-Dudoroff începe să fie utilizată în biotehnologie pentru a dezvolta sau crește eficiența formării unui număr de compuși utili. Astfel, în 2015, a fost publicată o lucrare care raportează introducerea cu succes a enzimelor suplimentare ale acestei căi din celulele Zymomonas mobilis în celulele E. coli . Ca rezultat, eficiența formării NADPH în timpul acestei căi a crescut de 25 de ori. NADPH servește ca cofactor în biosinteza unui număr de compuși valoroși, cum ar fi izoprenoidele , derivații de acizi grași și biopolimerii , prin urmare, metodele de creștere a formării NADPH au o mare importanță biotehnologică [15] . Într-o altă lucrare, calea Entner-Doudoroff, împreună cu calea dezaminarii serinei și complexul de piruvat dehidrogenază , a fost utilizată pentru a îmbunătăți producția de poli-3-hidroxibutirat (un bioplastic biodegradabil ) de către celulele E. coli [16] . Combinația căii Entner-Doudoroff cu calea 2-C-metil-D-eritriol-4-fosfat permite o creștere a producției de izopren în celulele E. coli modificate genetic [17] .