Interested Article - Путь Энтнера — Дудорова

Путь Э́нтнера — Ду́дорова , или КДФГ-путь ( англ. Entner–Doudoroff pathway ) — путь окисления глюкозы (наряду с гликолизом и пентозофосфатным путём ), приводящий к образованию из одной молекулы глюкозы двух молекул пирувата , одной молекулы АТФ и двух молекул восстановленных пиридиновых нуклеотидов ( НАД٠Н и НАДФ٠Н ) . Хотя ранее считалось, что он имеет место лишь у небольшого числа грамотрицательных бактерий , в настоящее время установлено, что этот путь распространён в природе чрезвычайно широко и используется различными группами грамположительных и грамотрицательных бактерий, а также некоторыми археями и даже эукариотами .

История открытия

Сообщение об открытии пути Энтнера — Дудорова было опубликовано в 1952 году американскими учёными Натаном Энтнером и Михаилом Дудоровым . В своей работе они предоставили убедительные доказательства наличия у бактерии нового, ранее не описанного, пути метаболизма глюкозы. Их выводы были основаны на наблюдении, что первый атом углерода (С1) у глюкозы почти весь уходит в СО ₂ , при этом механизм метаболизма глюкозы явно не включал первичное декарбоксилирование молекулы глюкозы. Используя клетки , обработанные динитрофенолом , они установили, что 1 моль глюкозы, меченной по С1, в конечном счёте превращался в 2 моля пировиноградной кислоты (пирувата), причём все меченные атомы находились в карбоксильной группе пирувата. Кроме того, в неочищенных экстрактах клеток была обнаружена ферментативная активность по расщеплению на пируват и глицеральдегид-3-фосфат . Они также предположили, что ключевым соединением на пути расщепления шестиуглеродного соединения на два трёхуглеродных был 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконат (КДФГ) . В дальнейшем КДФГ был выделен в кристаллическом виде из ферментной клеточной смеси с 6-фосфоглюконовой кислотой. Два этапа пути — образование КДФГ из 6-фосфоглюконата и расщепление КДФГ на пируват и глицеральдегид-3-фосфат — были установлены после выделения ферментов, осуществляющих эти превращения (подробнее см. ниже) .

Механизм

Общая схема пути Энтнера — Дудорова такова. Глюкозо-6-фосфат , образовавшийся при фосфорилировании 1 молекулы глюкозы с затратой 1 молекулы АТФ, переходит в 6-фосфоглюконат с восстановлением молекулы НАДФ и образованием НАДФ٠Н . При дальнейшей дегидратации 6-фосфоглюконата образуется 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконат (КДФГ) — ключевое соединение пути . КДФГ расщепляется на пируват и глицеральдегид-3-фосфат ( 3-ФГА ). При дальнейшем окислении 3-ФГА до пирувата восстанавливается 1 молекула НАД до НАДН и образуется 2 АТФ путём субстратного фосфорилирования . В пути Энтнера — Дудорова задействованы 2 уникальных фермента: , превращающая 6-фосфоглюконат в КДФГ, и КДФГ-альдолаза , катализирующая КДФГ на пируват и 3-ФГА .

Путь Энтнера — Дудорова можно рассматривать как альтернативу гликолизу . Общая схема двух этих путей окисления глюкозы чрезвычайно похожа: 6-углеродные сахара активируются фосфорилированием и после этого разлагаются ферментами группы альдолаз на два трёхуглеродных соединения. Различие заключается в природе промежуточных 6-углеродных соединений, которые разлагаются на трёхуглеродные продукты. При гликолизе фруктозо-1,6-бифосфат разлагается на 3-ФГА и дигидроксиацетонфосфат , а при пути Энтнера — Дудорова КДФГ расщепляется на 3-ФГА и пируват . Таким образом, путь Энтнера — Дудорова содержит только две реакции, дополнительные к реакциям гликолиза и пентозофосфатного пути. Однако путь Энтнера — Дудорова отличается от гликолиза тем, что в нём образуется одна молекула НАДФ٠Н и в качестве суммарного энергетического выхода всего лишь одна, а не две, молекулы АТФ .

Распространение и физиология

Среди бактерий путь Энтнера — Дудорова описан почти исключительно у грамотрицательных бактерий ; редкое исключение — грамположительная кишечная бактерия .

Различные организмы используют путь Энтнера — Дудорова по-разному. Только у небольшого числа организмов путь Энтнера — Дудорова задействован исключительно в катаболизме , протекает по линейному механизму, используется постоянно (конститутивно) и составляет основу центрального метаболизма. Так, в частности, происходит у ; эта бактерия также является единственным известным организмом, облигатно использующим путь Энтнера — Дудорова в анаэробных условиях. Образующийся в ходе этого пути пируват превращается в ацетальдегид, который превращается в этанол и углекислый газ, т. е. Zymomonas mobilis осуществляет спиртовое брожение . Вообще, бродильщики не используют путь Энтнера — Дудорова, по-видимому, из-за низкого выхода АТФ, поскольку брожение также характеризуется низким энергетическим КПД использования сахаров . Кроме Zymomonas mobilis , анаэробно путь Энтнера — Дудорова используется также клостридиями .

У многих бактерий, в частности кишечных, путь Энтнера — Дудорова протекает по линейному механизму и индуцируется только при росте на определённых источниках углерода, например, на глюконате, а основу центрального метаболизма составляют гликолиз и пентозофосфатный путь. Такова, например, E. coli . У неё синтез ферментов пути Энтнера — Дудорова начинается только при наличии глюконата во внешней среде. Образующийся в ходе пути Энтнера — Дудорова пируват вовлекается в цикл Кребса . Кроме того, в присутствии экзогенного пирролохинолинхинона (PQQ), кофактора глюкозооксидазы , E. coli и некоторые другие бактерии способны окислять глюкозу до глюконата с помощью этого фермента. После этого глюконат фосфорилируется и превращается в 6-фосфоглюконат, который далее используется по пути Энтнера — Дудорова. В других случаях глюконат может окисляться глюконатдегидрогеназой до 2-кетоглюконата, который далее фосфорилируется и вновь восстанавливается до 6-фосфоглюконата .

У большей части путь Энтнера — Дудорова протекает по особому циклическому механизму. 3-ФГА , образовавшийся при расщеплении КДФГ КДФГ-альдолазой, при помощи глюконеогенических ферментов непосредственно превращается в 6-фосфоглюконат. Кроме псевдомонад, циклический вариант пути Энтнера — Дудорова описан у некоторых родственных микроорганизмов , в частности Azotobacter vinelandii и других .

Путь Энтнера — Дудорова используется также некоторыми метилотрофными микроорганизмами. Некоторые облигатные и факультативные метилотрофы фиксируют формальдегид с помощью рибулозомонофосфатного пути ( англ. ribulose monophosphate pathway, RMP ). В первой стадии этого пути происходит образование фруктозо-6-фосфата из формальдегида и . Во второй стадии в некоторых вариантах RMP фруктозо-6-фосфат превращается в трёхуглеродные соединения по пути Энтнера — Дудорова. Вначале фруктозо-6-фосфат переводится в изомерный глюкозо-6-фосфат, который по пути Энтнера — Дудорова расщепляется на пируват и 3-ФГК . Последний затем переводится в рибулозо-5-фосфат. Такой вариант углеводного метаболизма выявлен у ряда облигатных метилотрофов, а также некоторых факультативных. Таким образом, в этом случае путь Энтнера — Дудорова оказывается вовлечённым в анаболический процесс (образование рибулозо-5-фосфата), поэтому он может иметь значение не только в катаболических, но и анаболических процессах .

*Phaeodactylum tricornutum* — диатомея, которая использует путь Энтнера — Дудорова

Исследование 2015 года показало, что морские бактерии в значительной мере зависят от пути Энтнера — Дудорова. В ходе этого исследования рассматривались различные штаммы морских бактерий, использующих глюкозу и принадлежащих к разным, филогенетически далёким группам бактерий: филумам , Gammaproteobacteria и Bacteroidetes . Оказалось, что 90 % штаммов использовали путь Энтнера — Дудорова для метаболизма глюкозы, а путь Эмбдена — Мейергофа — Парнаса (обычный гликолиз) — только лишь 10 %. Наземные бактерии, напротив, используют преимущественно второй путь, который даёт больший выход АТФ. У морских бактерий использование пути Энтнера — Дудорова обеспечивает большую устойчивость к окислительному стрессу . Таким образом, путь Энтнера — Дудорова может играть важную роль в превращениях моно- и полисахаридов в морских экосистем .

У холерного вибриона Vibrio cholerae путь Энтнера — Дудорова необходим для использования глюконата и имеет важное значение для вирулентности этой бактерии . Исследование 2014 года показало, что у патогена растений путь Энтнера — Дудорова является главным путём катаболизма глюкозы .

Как упоминалось выше, путь Энтнера — Дудорова обнаружен у некоторых эукариот, а именно Entamoeba histolytica , Aspergillus niger и . Кроме того, ферменты, близкие к 6-фосфоглюконатдегидратазе и КДФГ-альдолазе, были обнаружены в печени коровы , они участвуют в синтезе гидроксипролина . Путь Энтнера — Дудорова описан и у некоторых фотосинтезирующих эукариот, в частности, диатомовой водоросли Phaeodactylum tricornutum . У этой водоросли реакции пути протекают в митохондриях . Возможно, наличие такого варианта даёт возможность водоросли использовать вместо высокоэффективного пути катаболизма глюкозы, для синтеза ферментов которого требуется много энергии (обычного гликолиза), путь с меньшей эффективностью, но и менее затратный с точки зрения синтеза ферментов, что может давать определённое преимущество .

В 2014 году была предпринята попытка внедрить путь Энтнера — Дудорова в клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae . Для этого в клетках дрожжей экспрессировали 6-фосфоглюконатдегидратазу и КДФГ-альдолазу E. coli . Однако попытка не увенчалась успехом: КДФГ-альдолаза E. coli , содержащая железо-серные кластеры , не могла нормально функционировать в дрожжевых клетках .

Модификации

Нефосфорилированный вариант пути Энтнера — Дудорова. КДГ — 2-кето-3-дезокси-6-глюконовая кислота (КДГ), ГА — глицеральдегид , 2-ФГ — 2-фосфоглицериновая кислота, ФЕП — фосфоенолпируват, Пир — пируват

Существуют следующие модификации пути Энтнера — Дудорова:

У галофильных архей и некоторых бактерий ( , некоторых видов Clostridium ) глюкоза окисляется до глюконата, который дегидратируется с образованием 2-кето-дезоксиглюконата, который только после этого фосфорилируется с образованием КДФГ .
У термоацидофильных архей родов Thermoplasma , и функционирует путь Энтнера — Дудорова, все соединения которого находятся в нефосфорилированной форме ( нефосфорилированный вариант пути Энтнера — Дудорова ). При этом альдольному расщеплению подвергается 2-кето-3-дезоксиглюконат, расщепляющийся на пируват и глицеральдегид . Глицеральдегид окисляется до глицерата, который фосфорилируется до 2-фосфоглицерата , который, в свою очередь, превращается в пируват с промежуточным образованием фосфоенолпирувата . При этом выход АТФ отсутствует, так как АТФ, синтезированный при субстратном фосфорилировании в пируваткиназной реакции, расходуется на активацию глицерата . Возможно, необычный путь Энтнера — Дудорова у этих организмов связан с их экстремофильным образом жизни .

Эволюция

Среди учёных нет единого мнения, какой из механизмов окисления глюкозы (гликолиз или путь Энтнера — Дудорова) появился раньше. Прежде считалось, что о большей древности гликолиза свидетельствует его чрезвычайно широкое распространение среди всех клеточных форм жизни. Однако сейчас, когда очевидно, что путь Энтнера — Дудорова также распространён очень широко, этот аргумент уже не может быть принимаем в расчёт. В пользу большей древности пути Энтнера — Дудорова говорит то, что он встречается у некоторых примитивных бродильщиков ( Zymomonas mobilis ). Более того, существование модификаций пути Энтнера — Дудорова, в которых превращениям подвергаются нефосфорилированные соединения, указывает на то, что, возможно, он использовался первыми на Земле бродильщиками .

Существует также точка зрения, что путь Энтнера — Дудорова развивался вместе с аэробным дыханием и циклом Кребса как средство для быстрого образования пирувата из сахаров. Но присутствие пути Энтнера — Дудорова у облигатных бродильщиков ( Zymomonas mobilis ) и облигатных анаэробов (клостридии) ставит под сомнение и такое предположение .

Биотехнологическое применение

В настоящее время путь Энтнера — Дудорова начинают использовать в биотехнологии для выработки или повышения эффективности образования ряда полезных соединений. Так, в 2015 году была опубликована работа, в которой сообщалось об успешном внедрении дополнительных ферментов этого пути из клеток Zymomonas mobilis в клетки E. coli . В результате эффективность образования НАДФ٠Н в ходе этого пути увеличилась в 25 раз. НАДФ٠Н служит кофактором в биосинтезе ряда ценных соединений, таких как изопреноиды , производные жирных кислот и биополимеры , поэтому способы повышения образования НАДФ٠Н имеют важное биотехнологическое значение . В другой работе путь Энтнера — Дудорова вместе с путём дезаминирования серина и пируватдегидрогеназным комплексом был использован для улучшения выработки (биоразлагаемого биопластика ) клетками E. coli . Сочетание пути Энтнера — Дудорова с 2-C-метил-D-эритриол-4-фосфатным путём позволяет увеличить образование изопрена в генно-модифицированных клетках E. coli .

Примечания

, с. 123.
, с. 123, 127.
↑ Conway T. (англ.) // FEMS microbiology reviews. — 1992. — Vol. 9, no. 1 . — P. 1—27. — . [ ]
(неопр.) . Дата обращения: 13 июля 2014. Архивировано из 14 июля 2014 года.
, с. 127.
↑ , с. 265.
, p. 194.
Klingner A. , Bartsch A. , Dogs M. , Wagner-Döbler I. , Jahn D. , Simon M. , Brinkhoff T. , Becker J. , Wittmann C. (англ.) // Applied and environmental microbiology. — 2015. — Vol. 81, no. 7 . — P. 2408—2422. — doi : . — . [ ]
Patra T. , Koley H. , Ramamurthy T. , Ghose A. C. , Nandy R. K. (англ.) // Journal of bacteriology. — 2012. — Vol. 194, no. 13 . — P. 3377—3385. — doi : . — . [ ]
Schatschneider S. , Huber C. , Neuweger H. , Watt T. F. , Pühler A. , Eisenreich W. , Wittmann C. , Niehaus K. , Vorhölter F. J. (англ.) // Molecular bioSystems. — 2014. — Vol. 10, no. 10 . — P. 2663—2676. — doi : . — . [ ]
Fabris M. , Matthijs M. , Rombauts S. , Vyverman W. , Goossens A. , Baart G. J. (англ.) // The Plant journal : for cell and molecular biology. — 2012. — Vol. 70, no. 6 . — P. 1004—1014. — doi : . — . [ ]
Benisch F. , Boles E. (англ.) // Journal of biotechnology. — 2014. — Vol. 171. — P. 45—55. — doi : . — . [ ]
Ahmed H. , Ettema T. J. , Tjaden B. , Geerling A. C. , van der Oost J. , Siebers B. (англ.) // The Biochemical journal. — 2005. — Vol. 390, no. Pt 2 . — P. 529—540. — doi : . — . [ ]
Liu T. , Shen Y. , Liu Q. , Liu B. (кит.) // Wei sheng wu xue bao = Acta microbiologica Sinica. — 2008. — Vol. 48, 第8数 . — P. 1126—1131. — . [ ]
Ng C. Y. , Farasat I. , Maranas C. D. , Salis H. M. (англ.) // Metabolic engineering. — 2015. — Vol. 29. — P. 86—96. — doi : . — . [ ]
Zhang Y. , Lin Z. , Liu Q. , Li Y. , Wang Z. , Ma H. , Chen T. , Zhao X. (англ.) // Microbial cell factories. — 2014. — Vol. 13. — P. 172. — doi : . — . [ ]
Liu H. , Sun Y. , Ramos K. R. , Nisola G. M. , Valdehuesa K. N. , Lee W. K. , Park S. J. , Chung W. J. (англ.) // Public Library of Science ONE. — 2013. — Vol. 8, no. 12 . — P. e83290. — doi : . — . [ ]

Литература

Книги

Нетрусов А. И., Котова И. Б. Микробиология. — 4-е изд., перераб. и доп.. — М. : Издательский центр «Академия», 2012. — 384 с. — ISBN 978-5-7695-7979-0 .
Современная микробиология / Под ред. Й. Ленгелера, Г. Древса, Г. Шлегеля. — М. : Мир, 2005. — Т. 1. — 654 с.
Joanne M. Willey, Linda M. Sherwood, Christopher J. Woolverton. . — 1st edition. — McGraw-Hill Higher Education, 2009. — P. —106. — 968 p. — ISBN 978-0-07-337523-6 .

Статьи

Richhardt J. , Bringer S. , Bott M. (англ.) // Applied microbiology and biotechnology. — 2013. — Vol. 97, no. 10 . — P. 4315—4323. — doi : . — . [ ]
Rutkis R. , Kalnenieks U. , Stalidzans E. , Fell D. A. (англ.) // Microbiology (Reading, England). — 2013. — Vol. 159, no. Pt 12 . — P. 2674—2689. — doi : . — . [ ]
Chavarría M. , Nikel P. I. , Pérez-Pantoja D. , de Lorenzo V. (англ.) // Environmental microbiology. — 2013. — Vol. 15, no. 6 . — P. 1772—1785. — doi : . — . [ ]