Путь Энтнера–Дудорова

Серия взаимосвязанных биохимических реакций
Схема пути Энтнера-Дудорова (КДПГ: 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконат)

Путь Энтнера-Дудорова (путь ED) — это метаболический путь , который наиболее заметен у грамотрицательных бактерий , некоторых грамположительных бактерий и архей . [1] Глюкоза является субстратом в пути ED и через серию ферментативных химических реакций катаболизируется в пируват . Энтнер и Дудоров (1952) и Макги и Дудоров (1954) впервые сообщили о пути ED у бактерии Pseudomonas saccharophila . [2] Хотя первоначально считалось, что это просто альтернатива гликолизу (EMP) и пентозофосфатному пути (PPP) , некоторые исследования теперь предполагают, что изначальная роль EMP могла изначально заключаться в анаболизме и со временем перепрофилироваться в катаболизм , то есть путь ED может быть более старым путем. [3] Недавние исследования также показали, что распространенность пути ЭД может быть более распространенной, чем предполагалось изначально, с доказательствами, подтверждающими наличие пути у цианобактерий , папоротников , водорослей , мхов и растений . [4] В частности, есть прямые доказательства того, что Hordeum vulgare использует путь Энтнера-Дудорова. [4]

Отличительными особенностями пути Энтнера–Дудорова являются следующие:

  • Использует уникальные ферменты 6-фосфоглюконатдегидратазу и 2-кето-дезокси-6-фосфоглюконат (КДПГ) альдолазу и другие распространенные метаболические ферменты для других метаболических путей катаболизма глюкозы в пируват. [1]
  • В процессе расщепления глюкозы чистый выход 1 АТФ образуется на каждую переработанную молекулу глюкозы, а также 1 НАДН и 1 НАДФН . Для сравнения, гликолиз имеет чистый выход 2 молекул АТФ и 2 молекул НАДН на каждую метаболизированную молекулу глюкозы. Эта разница в производстве энергии может быть компенсирована разницей в количестве белка, необходимого для каждого пути. [5] 

Архейные вариации

У архей есть варианты пути Энтнера-Дудорова. Эти варианты называются полуфосфорилирующим ЭД (spED) и нефосфорилирующим ЭД (npED): [6]

  • spED обнаружен у галофильных видов эвриахей и клостридий . [6]
  • В spED разница в том, где происходит фосфорилирование . В стандартной ED фосфорилирование происходит на первом этапе от глюкозы до G-6-P. В spED глюкоза сначала окисляется до глюконата с помощью глюкозодегидрогеназы. Затем глюконатдегидратаза преобразует глюконат в 2-кето-3-дезокси-глюконат (KDG). На следующем этапе происходит фосфорилирование, когда киназа KDG преобразует KDG в KDPG. Затем KDPG расщепляется на глицеральдегид-3-фосфат (GAP) и пируват с помощью альдолазы KDPG и следует тому же пути EMP, что и стандартная ED. Этот путь производит такое же количество АТФ, как и стандартная ED. [6]
  • npED обнаружен у термоацидофильных видов Sulfolobus , Euryarchaeota Tp. acidophilum и Picrophilus . [6]
  • В npED фосфорилирование вообще отсутствует. Путь тот же, что и в spED, но вместо фосфорилирования, происходящего в KDG, KDG расщепляется на GA и пируват через альдолазу KDG. Отсюда GA окисляется через GA дегидрогеназу в глицерат. Глицерат фосфорилируется глицераткиназой в 2PG. Затем 2PG следует по тому же пути, что и ED, и превращается в пируват через ENO и PK. Однако в этом пути не производится АТФ. [6]

Некоторые археи, такие как Crenacraeota Sul . solfacaricus и Tpt. tenax, имеют то, что называется разветвленной ЭД. При разветвленной ЭД организм имеет как spED, так и npED, которые оба являются действующими и работают параллельно.

Организмы, использующие путь Энтнера-Дудорова

Существует несколько бактерий, которые используют путь Энтнера-Дудорова для метаболизма глюкозы и не способны катаболизировать ее через гликолиз (например, поэтому у них отсутствуют основные гликолитические ферменты, такие как фосфофруктокиназа , как у Pseudomonas). [1] Роды, в которых этот путь является заметным, включают грамотрицательные, [ требуется ссылка ] , как указано ниже, грамположительные бактерии, такие как Enterococcus faecalis , [7] [ требуется полная ссылка ] [ требуется страница ] [ требуется лучший источник ], а также несколько бактерий в Archaea , второй отдельной ветви прокариот (и «третьем домене жизни» после прокариотических Eubacteria и эукариот). [6] Из-за низкого энергетического выхода пути ED анаэробные бактерии, по-видимому, в основном используют гликолиз, в то время как аэробные и факультативные анаэробы, скорее всего, имеют путь ED. Считается, что это связано с тем, что аэробные и факультативные анаэробы имеют другие негликолитические пути для создания АТФ, такие как окислительное фосфорилирование . Таким образом, путь ED предпочтительнее из-за меньшего количества требуемых белков. В то время как анаэробные бактерии должны полагаться на путь гликолиза, чтобы создать больший процент необходимого им АТФ, таким образом, его производство 2 АТФ более предпочтительно, чем производство 1 АТФ путем ED. [5]

Примерами бактерий, использующих этот путь, являются:

  • Pseudomonas , [8] род грамотрицательных бактерий.
  • Azotobacter , [9] род грамотрицательных бактерий.
  • Rhizobium [10] — род грамотрицательных бактерий, ассоциированных с корнями растений и активно участвующих в дифференциации растений.
  • Agrobacterium [11] —патогенный для растений (онкогенный) род грамотрицательных бактерий, также имеющий биотехнологическое применение.
  • Escherichia coli , [8] грамотрицательная бактерия
  • Enterococcus faecalis , [12] грамположительная бактерия
  • Zymomonas mobilis , [ требуется ссылка ] грамотрицательный факультативный анаэроб
  • Xanthomonas campestris [ 13] — грамотрицательная бактерия, которая использует этот путь в качестве основного пути получения энергии.

На сегодняшний день имеются данные, свидетельствующие о том, что эукариоты используют этот путь, что позволяет предположить, что он может быть более распространенным, чем считалось ранее:

Путь Энтнера-Дудорова присутствует во многих видах архей (предостережение, см. ниже), метаболизм которых «напоминает... по [своей] сложности метаболизм бактерий и низших эукариот», и часто включает как этот путь, так и путь гликолиза Эмбдена-Мейерхофа-Парнаса , за исключением, чаще всего, уникальных, модифицированных вариантов. [6]

Катализирующие ферменты

Превращение глюкозы в глюкозо-6-фосфат

Первым шагом в ЭД является фосфорилирование глюкозы семейством ферментов, называемых гексокиназами , с образованием глюкозо-6-фосфата (G6P). Эта реакция потребляет АТФ, но она действует для поддержания низкой концентрации глюкозы, способствуя непрерывному транспорту глюкозы в клетку через переносчики плазматической мембраны. Кроме того, она блокирует утечку глюкозы — в клетке отсутствуют переносчики для G6P, и свободная диффузия из клетки предотвращается из-за заряженной природы G6P. Глюкоза может также образовываться в результате фосфоролиза или гидролиза внутриклеточного крахмала или гликогена.

У животных в печени также используется изофермент гексокиназы, называемый глюкокиназой, который имеет гораздо более низкое сродство к глюкозе (K m около нормальной гликемии ) и отличается регуляторными свойствами. Различное сродство к субстрату и альтернативная регуляция этого фермента отражают роль печени в поддержании уровня сахара в крови.

Кофакторы: Mg 2+

Превращение глюкозо-6-фосфата в 6-фосфоглюконолактон

Затем G6P преобразуется в 6- фосфоглюконолактон в присутствии фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы ( оксидоредуктазы ) с присутствием кофермента никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФ + ), который будет восстанавливаться до водорода никотинамидадениндинуклеотидфосфата вместе со свободным атомом водорода H + .

Превращение 6-фосфоглюконолактона в 6-фосфоглюконовую кислоту

6PGL превращается в 6-фосфоглюконовую кислоту в присутствии фермента гидролазы .

Превращение 6-фосфоглюконовой кислоты в 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконат

6-фосфоглюконовая кислота преобразуется в 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконат (КДФГ) в присутствии фермента 6-фосфоглюконатдегидратазы; при этом в окружающую среду выделяется молекула воды.

Превращение 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконата в пируват и глицеральдегид-3-фосфат

Затем KDPG преобразуется в пируват и глицеральдегид-3-фосфат в присутствии фермента KDPG альдолазы. Для пирувата путь ED заканчивается здесь, и пируват затем переходит в дальнейшие метаболические пути (цикл TCA, цикл ETC и т. д.).

Другой продукт (глицеральдегид-3-фосфат) далее преобразуется, вступая в путь гликолиза , посредством которого он также преобразуется в пируват для дальнейшего метаболизма.

Превращение глицеральдегид-3-фосфата в 1,3-бисфосфоглицерат

G3P преобразуется в 1,3-бисфосфоглицерат в присутствии фермента глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы (оксидоредуктазы).

Альдегидные группы триозосахаров окисляются , и к ним присоединяется неорганический фосфат , образуя 1,3-бисфосфоглицерат .

Водород используется для восстановления двух молекул NAD + , переносчика водорода, с образованием NADH + H + для каждой триозы.

Баланс атомов водорода и баланс заряда поддерживаются, поскольку фосфатная группа (P i ) фактически существует в форме гидрофосфатного аниона (HPO 4 2− ), который диссоциирует, внося дополнительный ион H + и давая суммарный заряд -3 с обеих сторон.

Превращение 1,3-бисфосфоглицерата в 3-фосфоглицерат

Этот этап представляет собой ферментативный перенос фосфатной группы от 1,3-бисфосфоглицерата к АДФ с помощью фосфоглицераткиназы , в результате чего образуются АТФ и 3-фосфоглицерат .

Превращение 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат

Фосфоглицератмутаза изомеризует 3-фосфоглицерат в 2-фосфоглицерат .

Превращение 2-фосфоглицерата в фосфоенолпируват

Затем енолаза преобразует 2-фосфоглицерат в фосфоенолпируват . Эта реакция является реакцией элиминации, включающей механизм E1cB .

Кофакторы: 2 Mg2 + : один «конформационный» ион для координации с карбоксилатной группой субстрата и один «каталитический» ион, участвующий в дегидратации.

Превращение фосфоенолпирувата в пируват

Окончательное фосфорилирование на уровне субстрата теперь образует молекулу пирувата и молекулу АТФ с помощью фермента пируваткиназы . Это служит дополнительным регуляторным шагом, аналогичным шагу фосфоглицераткиназы.

Кофакторы: Mg 2+

Ссылки

  1. ^ abc Conway,T. (1992) «Путь Энтнера–Дуродда: история, физиология и молекулярная биология» Microbiology of Reviews 103 (19; май), стр. 1–28, DOI, см. [1]
  2. ^ Керстерс, К.; Де Лей, Дж. (декабрь 1968 г.). «Возникновение пути Энтнера-Дудорова у бактерий». Антони ван Левенгук . 34 (1): 393–408. дои : 10.1007/BF02046462. ISSN  0003-6072. PMID  5304016. S2CID  6151383.
  3. ^ Романо, AH; Конвей, T. (1996-07-01). "Эволюция путей метаболизма углеводов". Исследования в области микробиологии . 147 (6): 448–455. doi : 10.1016/0923-2508(96)83998-2 . ISSN  0923-2508. PMID  9084754.
  4. ^ abc Чен, Си и др. «Путь Энтнера–Дудорова — это недооцененный гликолитический путь у цианобактерий и растений». Труды Национальной академии наук (2016): 201521916.
  5. ^ ab Flamholz, A.; Noor, E.; Bar-Even, A.; Liebermeister, W.; Milo, R. (2013-04-29). «Гликолитическая стратегия как компромисс между выходом энергии и стоимостью белка». Труды Национальной академии наук . 110 (24): 10039–10044. Bibcode : 2013PNAS..11010039F. doi : 10.1073/pnas.1215283110 . ISSN  0027-8424. PMC 3683749. PMID 23630264  . 
  6. ^ abcdefg Bräsen C.; D. Esser; B. Rauch & B. Siebers (2014) "Углеводный метаболизм у архей: современные знания о необычных ферментах и ​​путях и их регуляция", Microbiol. Mol. Biol. Rev. 78 (1; март), стр. 89–175, DOI 10.1128/MMBR.00041-13, см. "Углеводный метаболизм у архей: современные знания о необычных ферментах и ​​путях и их регуляция". Архивировано из оригинала 22.11.2015 . Получено 04.08.2015 .или [2], доступ 3 августа 2015 г.
  7. ^ Уилли; Шервуд; Вулвертон. Принципы микробиологии Прескотта .[ необходима полная цитата ] [ необходима страница ]
  8. ^ ab Peekhaus N, Conway T (1998). «Что на ужин?: Метаболизм Энтнера–Дудорова в Escherichia coli». J Bacteriol . 180 (14): 3495–502. doi :10.1128/JB.180.14.3495-3502.1998. PMC 107313. PMID  9657988 . 
  9. ^ Майкл П. Стивенсон; Фрэнк А. Джексон; Эдвин А. Доус (1978). «Дальнейшие наблюдения за метаболизмом углеводов и его регуляцией у Azotobacter beijerinckii». Журнал общей микробиологии . 109 (1): 89–96. doi : 10.1099/00221287-109-1-89 .
  10. ^ Кайкендалл, Л. Дэвид; Джон М. Янг; Эсперанса Мартинес-Ромеро; Аллен Керр и Хироюка Савада (2006) Род I. Rhizobium Frank 1889, 389 AL [Отряд VI. Rhizobiales ord. nov. , Семейство I Rhizobiaceae Conn 1938, 321 AL (ред. Л. Дэвид Кайкендалл)], стр. 324–339, в Руководстве Берджи по систематической бактериологии, т. 2 Протеобактерии, часть 3. Альфа-, бета-, дельта- и эпсилонпротеобактерии (Дон Дж. Бреннер, Ноэль Р. Криг, Джеймс Т. Стэйли, редакторы томов, Джордж М. Гаррити, главный редактор), Нью-Йорк, США: Springer Science & Business, ISBN 0387241450 , [3], дата обращения 3 августа 2015 г. 
  11. ^ Артур ЛО, Накамура ЛК, Джулиан Г, Булла ЛА (1975). «Углеводный катаболизм выбранных штаммов рода Agrobacterium». Appl Microbiol . 30 (5): 731–7. doi :10.1128/AEM.30.5.731-737.1975. PMC 187263. PMID  128316 . 
  12. ^ Goddard JL; JR Sokatch (1964). "Ферментация 2-кетоглюконата Streptococcus faecalis". J. Bacteriol . 87 (4): 844–851. doi : 10.1128/JB.87.4.844-851.1964. PMC 277103. PMID  14137623. 
  13. ^ Lu, GT; JR Xie; L. Chen; JR Hu; SQ An; HZ Su; et al. (2009). «Глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа Xanthomonas campestris pv. campestris необходима для внеклеточного производства полисахаридов и полной вирулентности». Микробиология . 155 (5): 1602–1612. doi : 10.1099/mic.0.023762-0 . PMID  19372163.
  14. ^ Фабрис М. и др., «Метаболическая схема Phaeodactylum tricornutum раскрывает эукариотический гликолитический путь Энтнера–Дудорова», The Plant Journal (2012) 70 , 1004–1014

Дальнейшее чтение

  • Bräsen C.; D. Esser; B. Rauch & B. Siebers (2014) «Углеводный метаболизм у архей: современные знания о необычных ферментах и ​​путях и их регуляции», Microbiol. Mol. Biol. Rev. 78 (1; март), стр. 89–175, DOI 10.1128/MMBR.00041-13, см. [4] или [5], доступ получен 3 августа 2015 г.
  • Ахмед, Х.; Б. Тьяден; Р. Хенсель и Б. Сиберс (2004) «Пути Эмбдена–Мейерхофа–Парнаса и Энтнера–Дудорова в Thermoproteus tenax: метаболический параллелизм или специфическая адаптация?», Biochem. Soc. Trans. 32 (2; 1 апреля), стр. 303–304, DOI 10.1042/bst0320303, см. [6], доступ получен 3 августа 2015 г.
  • Conway T. (1992) «Путь Энтнера-Дудорова: история, физиология и молекулярная биология», FEMS Microbiol. Rev., 9 (1; сентябрь), стр. 1–27, см. [7], доступ получен 3 августа 2015 г.
  • Снайдер, Л., Питерс, Дж. Э., Хенкин, Т. М. и Чампнесс, В. (2013). Молекулярная генетика бактерий. Американское общество микробиологии.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Entner–Doudoroff_pathway&oldid=1249264707"