Entner-Dudoroff-vägen , eller KDFG-vägen [1] ( Eng. Entner -Doudoroff-vägen ) är en glukosoxidationsväg (tillsammans med glykolys och pentosfosfatvägen ), som leder till bildandet av två pyruvatmolekyler , en ATP- molekyl och två molekyler från en reduceradeglukosmolekyl pyridinnukleotider ( NADH och NADPH ) [2 ] . Även om man tidigare trodde att det bara förekommer i ett litet antal gramnegativa bakterier , är det nu fastställt att denna väg är extremt utbredd i naturen och används av olika grupper av grampositiva och gramnegativa bakterier, samt några arkéer och även eukaryoter [3] .
Budskapet om upptäckten av Entner-Dudorov-vägen publicerades 1952 av de amerikanska forskarna Nathan Entner och Mikhail Dudorov [4] . I sitt arbete gav de övertygande bevis på en ny, tidigare obeskriven glukosmetabolismväg i bakterien Pseudomonas saccharophila Deras slutsatser baserades på observationen att den första kolatomen (C1) i glukos nästan all går till CO 2 , medan mekanismen för glukosmetabolism uppenbarligen inte inkluderade den primära dekarboxyleringen av glukosmolekylen. Med hjälp av dinitrofenolbehandlade celler fann de att 1 mol C1-märkt glukos till slut omvandlades till 2 mol pyrodruvsyra (pyruvat), med alla de märkta atomerna i pyruvatets karboxylgrupp . Dessutom, i råa cellextrakt visade sig enzymatisk aktivitet spjälka 6-fosfoglukonsyra till pyruvat och glyceraldehyd-3-fosfat . De antog också att 2-keto-3-deoxi-6-fosfoglukonat (KDPG) var en nyckelförening i klyvningen av en sexkolförening till två trekolsföreningar . Därefter isolerades CDPG i kristallin form från en enzymcellblandning med 6-fosfoglukonsyra. Två stadier av vägen - bildandet av CDPG från 6-fosfoglukonat och klyvningen av CDPG till pyruvat och glyceraldehyd-3-fosfat - etablerades efter isoleringen av enzymerna som utför dessa transformationer (för mer detaljer, se nedan) [ 3] .
Det allmänna schemat för Entner-Dudorov-vägen är som följer. Glukos-6-fosfat , som bildas under fosforyleringen av 1 glukosmolekyl med konsumtion av 1 ATP-molekyl, övergår i 6-fosfoglukonat med återställandet av NADP -molekylen och bildandet av NADP٠H [5] . Med ytterligare uttorkning av 6-fosfoglukonat bildas 2-keto-3-deoxi-6-fosfoglukonat (KDPG), nyckelföreningen i vägen [3] . CDPG klyvs till pyruvat och glyceraldehyd-3-fosfat ( 3-PHA ). Med ytterligare oxidation av 3-PHA till pyruvat reduceras 1 NAD -molekyl till NADH och 2 ATP bildas genom substratfosforylering . Entner-Doudoroff-vägen involverar 2 unika enzymer: 6-fosfoglukonatdehydratas , som omvandlar 6-fosfoglukonat till CDPG, och CDPG-aldolas , som katalyserar aldolklyvningen CDPG till pyruvat och 3-PHA [6] .
Entner-Doudoroff-vägen kan ses som ett alternativ till glykolys . Det allmänna schemat för dessa två glukosoxidationsvägar är extremt lika: sockerarter med 6 kolatomer aktiveras genom fosforylering och sönderdelas sedan av enzymer från aldolasgruppen till två trekolsföreningar. Skillnaden ligger i naturen hos de mellanliggande 6-kolföreningarna, som sönderdelas till trekolsprodukter. Under glykolys sönderdelas fruktos-1,6-bisfosfat till 3-PHA och dihydroxiacetonfosfat , och under Entner-Doudoroff-vägen spjälkas CDPG till 3-PHA och pyruvat [3] . Således innehåller Entner-Doudoroff-vägen endast två reaktioner som är tillägg till reaktionerna av glykolys och pentosfosfatvägen. Entner-Dudoroff-vägen skiljer sig dock från glykolys genom att den producerar en NADPH-molekyl och, som en total energiproduktion, endast en, inte två, ATP-molekyler [6] .
Bland bakterier har Entner-Doudoroff-vägen beskrivits nästan uteslutande i gramnegativa bakterier ; ett sällsynt undantag är den grampositiva tarmbakterien Enterococcus faecalis [7] .
Olika organismer använder Entner-Doudoroff-vägen på olika sätt. Endast i ett litet antal organismer är Entner-Dudoroff-vägen uteslutande involverad i katabolism , fortsätter enligt en linjär mekanism, används konstant (konstitutivt) och utgör grunden för central metabolism. Så i synnerhet händer det i Zymomonas mobilis ; denna bakterie är också den enda organism som är känd för att använda Entner-Doudoroff-vägen under anaeroba förhållanden. Pyruvatet som bildas under denna väg omvandlas till acetaldehyd, som omvandlas till etanol och koldioxid, det vill säga Zymomonas mobilis utför alkoholjäsning [3] . I allmänhet använder fermentorer inte Entner-Doudoroff-vägen, förmodligen på grund av lågt ATP-utbyte, eftersom jäsning också kännetecknas av låg energieffektivitet för sockeranvändning [ 6] . Förutom Zymomonas mobilis används den anaeroba Entner-Dudoroff-vägen också av Clostridium [3] .
Hos många bakterier, särskilt intestinala, fortsätter Entner-Doudoroff-vägen enligt en linjär mekanism och induceras endast när den växer på vissa kolkällor, till exempel på glukonat, och glykolys och pentosfosfatvägen utgör grunden för central metabolism . Sådan är till exempel E. coli . Hos henne börjar syntesen av enzymer från Entner-Dudorov-vägen endast i närvaro av glukonat i den yttre miljön. Pyruvaten som bildas under Entner-Dudoroff-vägen är involverad i Krebs-cykeln [3] . Dessutom, i närvaro av exogent pyrrolokinolinkinon (PQQ), en glukosoxidas- kofaktor , kan E. coli och flera andra bakterier oxidera glukos till glukonat med detta enzym. Därefter fosforyleras glukonatet och omvandlas till 6-fosfoglukonat, som vidare används längs Entner-Doudoroff-vägen. I andra fall kan glukonat oxideras av glukonatdehydrogenas till 2-ketoglukonat, som sedan fosforyleras och återigen reduceras till 6-fosfoglukonat [6] .
För de flesta pseudomonader fortsätter Entner-Dudorov-vägen enligt en speciell cyklisk mekanism. 3-PHA , som bildas under klyvningen av KDPG av KDPG-aldolas, omvandlas direkt till 6-fosfoglukonat med hjälp av glukoneogena enzymer. Förutom pseudomonader har en cyklisk variant av Entner-Doudoroff-vägen beskrivits i vissa besläktade mikroorganismer , särskilt Azotobacter vinelandii och andra [3] .
Entner-Dudoroff-vägen används också av vissa metylotrofa mikroorganismer. Vissa obligatoriska och fakultativa metylotrofer fixerar formaldehyd med hjälp av ribulosmonofosfatvägen (RMP ) . I det första steget av denna väg bildas fruktos-6-fosfat från formaldehyd och ribulos-5-fosfat . I det andra steget, i vissa varianter av RMP , omvandlas fruktos-6-fosfat till trekolföreningar via Entner-Doudoroff-vägen. Först omvandlas fruktos-6-fosfat till isomert glukos-6-fosfat, som klyvs till pyruvat och 3-FGK via Entner-Dudoroff-vägen . Den senare omvandlas sedan till ribulos-5-fosfat. Denna variant av kolhydratmetabolism hittades i ett antal obligatoriska metylotrofer, såväl som i några fakultativa. Sålunda, i detta fall, är Entner-Dudoroff-vägen involverad i den anabola processen (bildningen av ribulos-5-fosfat), så den kan vara viktig inte bara i katabola, utan också i anabola processer [3] .
En studie från 2015 visade att marina bakterier är mycket beroende av Entner-Doudoroff-vägen. Denna studie undersökte olika stammar av glukosanvändande marina bakterier som tillhör olika, fylogenetiskt avlägsna grupper av bakterier: phyla Alphaproteobacteria , Gammaproteobacteria och Bacteroidetes . Det visade sig att 90 % av stammarna använde Entner-Doudoroff-vägen för glukosmetabolism, medan Embden-Meyerhof-Parnassus-vägen (normal glykolys) endast använde 10 %. Terrestra bakterier, å andra sidan, använder företrädesvis den andra vägen, vilket ger ett större utbyte av ATP. Hos marina bakterier ger användningen av Entner–Doudoroff-vägen större motståndskraft mot oxidativ stress . Således kan Entner-Dudoroff-vägen spela en viktig roll i omvandlingen av mono- och polysackarider i bakteriesamhällen i marina ekosystem [8] .
I Vibrio cholerae krävs Entner-Doudoroff-vägen för utnyttjande av glukonat och är väsentlig för denna bakteries virulens [9] . En studie från 2014 visade att i växtpatogenen Xanthomonas campestris är Entner-Doudoroff-vägen huvudvägen för glukoskatabolism [10] .
Som nämnts ovan har Entner-Doudoroff-vägen hittats i vissa eukaryoter, nämligen Entamoeba histolytica , Aspergillus niger och Penicillum notatum . Dessutom har enzymer som liknar 6-fosfoglukonatdehydratas och CDPG- aldolas hittats i kolever , de är involverade i syntesen av hydroxiprolin [3] . Entner-Doudoroff-vägen har också beskrivits i några fotosyntetiska eukaryoter, i synnerhet kiselalgen Phaeodactylum tricornutum . I denna alg sker reaktionsvägarna i mitokondrierna . Kanske gör närvaron av denna variant det möjligt för alger att istället för en högeffektiv glukoskatabolismväg, vars enzymsyntes kräver mycket energi (normal glykolys), en väg med mindre effektivitet, men också billigare i termer av enzymsyntes, vilket kan ge en viss fördel [11] .
2014 gjordes ett försök att introducera Entner-Doudoroff-vägen i celler av jästen Saccharomyces cerevisiae . För detta ändamål uttrycktes E. coli 6-fosfoglukonatdehydratas och CDPG-aldolas i jästceller . Men försöket misslyckades: E. coli CDPG-aldolas innehållande järn-svavelkluster kunde inte fungera normalt i jästceller [12] .
Det finns följande modifieringar av Entner-Dudorov-vägen:
Det finns ingen konsensus bland forskare vilken av mekanismerna för glukosoxidation (glykolys eller Entner-Doudoroff-vägen) som dök upp först. Tidigare trodde man att glykolysens större forntid bevisas av dess extremt breda spridning bland alla cellulära livsformer. Men nu när det är uppenbart att Entner-Dudorov-vägen också är mycket utbredd, kan detta argument inte längre beaktas. Till förmån för Entner-Dudorov-stigens större forntid är det faktum att den finns hos vissa primitiva vandrare ( Zymomonas mobilis ). Dessutom indikerar förekomsten av modifieringar av Entner-Doudoroff-vägen, där icke-fosforylerade föreningar omvandlas, att den kan ha använts av de första fermentorerna på jorden [ 3] .
Det finns också en synpunkt att Entner-Dudoroff-vägen utvecklades tillsammans med aerob andning och Krebs-cykeln som ett medel för snabb bildning av pyruvat från sockerarter. Men närvaron av Entner-Dudoroff-vägen i obligatoriska fermentorer ( Zymomonas mobilis ) och obligatoriska anaerober (clostridia) ställer tvivel på detta antagande [3] .
För närvarande börjar Entner-Dudoroff-vägen användas inom bioteknik för att utveckla eller öka effektiviteten i bildningen av ett antal användbara föreningar. Sålunda publicerades en artikel 2015 som rapporterade det framgångsrika införandet av ytterligare enzymer av denna väg från Zymomonas mobilis- celler till E. coli-celler . Som ett resultat ökade effektiviteten av NADPH-bildning under denna väg med 25 gånger. NADPH fungerar som en kofaktor i biosyntesen av ett antal värdefulla föreningar, såsom isoprenoider , fettsyraderivat och biopolymerer , därför är metoder för att öka bildningen av NADPH av stor bioteknologisk betydelse [15] . I ett annat arbete användes Entner-Doudoroff-vägen, tillsammans med serindeamineringsvägen och pyruvatdehydrogenaskomplexet , för att förbättra produktionen av poly-3-hydroxibutyrat (en biologiskt nedbrytbar bioplast ) av E. coli-celler [16] . Kombinationen av Entner-Doudoroff-vägen med 2-C-metyl-D-erytriol-4-fosfatvägen tillåter en ökning av isoprenproduktionen i genetiskt modifierade E. coli-celler [17] .