Entner-Dudoroff-reitti tai KDFG-reitti [1] ( eng. Entner-Doudoroff-reitti ) on glukoosin hapettumisreitti (yhdessä glykolyysin ja pentoosifosfaattireitin kanssa ), joka johtaa kahden pyruvaattimolekyylin , yhden ATP -molekyylin ja kaksi molekyyliä yhdestä pelkistiglukoosimolekyylistä pyridiininukleotidejä ( NADH ja NADPH ) [ 2] . Vaikka aiemmin uskottiin esiintyvän vain pienessä määrässä gramnegatiivisia bakteereja Nyt on todettu, että tämä reitti on erittäin laajalle levinnyt luonnossa ja sitä käyttävät useat grampositiivisten ja gramnegatiivisten bakteerien ryhmät sekä jotkut arkeat ja jopa eukaryootit [3] .
Viestin Entner-Dudorov-polun löytämisestä julkaisivat vuonna 1952 amerikkalaiset tutkijat Nathan Entner ja Mikhail Dudorov [4] . Työssään he tarjosivat vakuuttavia todisteita uudesta, aiemmin kuvaamattomasta glukoosin metaboliareitistä Pseudomonas saccharophila -bakteerissa Heidän johtopäätöksensä perustuivat havaintoon, että glukoosin ensimmäinen hiiliatomi ( C1) siirtyy lähes kokonaan CO 2 :ksi , kun taas glukoosin aineenvaihdunnan mekanismi ei selvästikään sisältänyt glukoosimolekyylin primaarista dekarboksylaatiota . Käyttämällä dinitrofenolilla käsiteltyjä soluja he havaitsivat, että 1 mooli C1-leimattua glukoosia muuttui lopulta 2 mooliksi pyruviinihappoa (pyruvaattia), ja kaikki leimatut atomit olivat pyruvaatin karboksyyliryhmässä . Lisäksi raakasoluuutteissa entsymaattisen aktiivisuuden havaittiin pilkkovan 6 -fosfoglukonihappoa pyruvaatiksi ja glyseraldehydi-3-fosfaatiksi . He myös olettivat, että 2-keto-3-deoksi-6-fosfoglukonaatti (KDPG) oli avainyhdiste kuuden hiilen yhdisteen pilkkomisessa kahdeksi kolmihiiliseksi yhdisteeksi . Tämän jälkeen CDPG eristettiin kiteisessä muodossa entsyymisoluseoksesta 6-fosfoglukonihapon kanssa. Reitin kaksi vaihetta - CDPG:n muodostuminen 6-fosfoglukonaatista ja CDPG:n pilkkominen pyruvaaiksi ja glyseraldehydi-3-fosfaatiksi - perustettiin sen jälkeen, kun näitä transformaatioita suorittavat entsyymit oli eristetty (katso lisätietoja alla) [ 3] .
Entner-Dudorov-polun yleinen kaavio on seuraava. Glukoosi-6-fosfaatti , joka muodostuu 1 glukoosimolekyylin fosforylaation aikana yhden ATP-molekyylin kulutuksen aikana, siirtyy 6-fosfoglukonaatiksi NADP -molekyylin palautuessa ja NADP٠H:n muodostuessa [5] . Kun 6-fosfoglukonaattia dehydratoidaan edelleen, muodostuu 2-keto-3-deoksi-6-fosfoglukonaattia (KDPG), joka on reitin avainyhdiste [3] . CDPG pilkkoutuu pyruvaaiksi ja glyseraldehydi-3-fosfaatiksi ( 3-PHA ). Kun 3-PHA hapetetaan edelleen pyruvaaiksi, 1 NAD -molekyyli pelkistyy NADH:ksi ja 2 ATP:tä muodostuu substraattifosforylaatiolla . Entner-Doudoroff-reitti sisältää 2 ainutlaatuista entsyymiä: 6-fosfoglukonaattidehydrataasi , joka muuttaa 6-fosfoglukonaatin CDPG:ksi, ja CDPG-aldolaasi , joka katalysoi CDPG: n aldolin pilkkoutumista pyruvaaiksi ja 3-PHA :ksi [6] .
Entner-Doudoroff-reittiä voidaan pitää vaihtoehtona glykolyysille . Näiden kahden glukoosin hapetusreitin yleinen kaavio on äärimmäisen samanlainen: 6- hiilisokerit aktivoidaan fosforyloimalla ja sitten hajoavat aldolaasiryhmän entsyymit kahdeksi kolmen hiilen yhdisteeksi. Ero on 6-hiiliyhdisteiden luonteessa, jotka hajoavat kolmen hiilen tuotteiksi. Glykolyysin aikana fruktoosi-1,6-bisfosfaatti hajoaa 3-PHA :ksi ja dihydroksiasetonifosfaatiksi , ja Entner-Doudoroff-reitin aikana CDPG pilkkoutuu 3-PHA :ksi ja pyruvaaiksi [3] . Siten Entner-Doudoroff-reitti sisältää vain kaksi reaktiota, jotka ovat lisäksi glykolyysin ja pentoosifosfaattireaktion reaktioita. Entner-Dudoroff-reitti eroaa kuitenkin glykolyysistä siinä, että se tuottaa yhden NADPH-molekyylin ja kokonaisenergiantuotannona vain yhden, ei kahta ATP-molekyyliä [6] .
Bakteereista Entner-Doudoroff-reitti on kuvattu lähes yksinomaan gramnegatiivisissa bakteereissa ; harvinainen poikkeus on grampositiivinen suolistobakteeri Enterococcus faecalis [7] .
Eri organismit käyttävät Entner-Doudoroff-reittiä eri tavoin. Vain pienessä määrässä organismeja Entner-Dudoroff-reitti osallistuu yksinomaan kataboliaan , etenee lineaarisen mekanismin mukaisesti, sitä käytetään jatkuvasti (konstitutiivisesti) ja muodostaa keskusaineenvaihdunnan perustan. Niinpä se tapahtuu erityisesti Zymomonas mobilisissa ; tämä bakteeri on myös ainoa organismi, jonka tiedetään käyttävän Entner-Doudoroff-reittiä anaerobisissa olosuhteissa. Tämän polun aikana muodostunut pyruvaatti muuttuu asetaldehydiksi, joka muuttuu etanoliksi ja hiilidioksidiksi, eli Zymomonas mobilis suorittaa alkoholikäymisen [3] . Yleensä fermentoijat eivät käytä Entner-Doudoroff-reittiä, oletettavasti alhaisen ATP-saannon vuoksi, koska käymiselle on ominaista myös sokerin käytön alhainen energiatehokkuus [6] . Zymomonas mobiliksen lisäksi anaerobista Entner-Dudoroff-reittiä käyttää myös Clostridium [3] .
Monissa bakteereissa, erityisesti suoliston bakteereissa, Entner-Doudoroff-reitti etenee lineaarisen mekanismin mukaan ja indusoituu vain kasvaessaan tietyillä hiililähteillä, esimerkiksi glukonaatilla, ja glykolyysi ja pentoosifosfaattireitti muodostavat keskusaineenvaihdunnan perustan. . Tällainen on esimerkiksi E. coli . Hänessä Entner-Dudorov-reitin entsyymien synteesi alkaa vain glukonaatin läsnä ollessa ulkoisessa ympäristössä. Entner-Dudoroff-reitin aikana muodostunut pyruvaatti osallistuu Krebsin kiertokulkuun [3] . Lisäksi eksogeenisen pyrrolokinoliinikinonin (PQQ), glukoosioksidaasikofaktorin , läsnä ollessa E. coli ja useat muut bakteerit pystyvät hapettamaan glukoosin glukonaatiksi tällä entsyymillä . Sen jälkeen glukonaatti fosforyloidaan ja muunnetaan 6-fosfoglukonaatiksi, jota käytetään edelleen Entner-Doudoroff-reittiä pitkin. Muissa tapauksissa glukonaatti voidaan hapettaa glukonaattidehydrogenaasin vaikutuksesta 2-ketoglukonaatiksi, joka sitten fosforyloituu ja pelkistyy jälleen 6-fosfoglukonaatiksi [6] .
Useimmille pseudomonadeille Entner-Dudorov-polku etenee erityisen syklisen mekanismin mukaisesti. 3-PHA , joka muodostuu KDPG:n pilkkomisen aikana KDPG-aldolaasin vaikutuksesta, muuttuu suoraan 6-fosfoglukonaatiksi glukoneogeenisten entsyymien avulla. Pseudomonadien lisäksi Entner-Doudoroff-reitin syklinen variantti on kuvattu joissakin sukulaismikro- organismeissa , erityisesti Azotobacter vinelandiissa ja muissa [3] .
Entner-Dudoroff-reittiä käyttävät myös jotkut metylotrofiset mikro-organismit. Jotkut pakolliset ja fakultatiiviset metylotrofit kiinnittävät formaldehydin ribuloosimonofosfaattireittiä (RMP ) käyttämällä . Tämän reitin ensimmäisessä vaiheessa fruktoosi-6-fosfaatti muodostuu formaldehydistä ja ribuloosi-5-fosfaatista . Toisessa vaiheessa joissakin RMP:n muunnelmissa fruktoosi-6-fosfaatti muunnetaan kolmen hiilen yhdisteiksi Entner-Doudoroff-reitin kautta. Ensin fruktoosi-6-fosfaatti muunnetaan isomeeriseksi glukoosi-6-fosfaatiksi, joka pilkkoutuu pyruvaaiksi ja 3-FGK :ksi Entner-Dudoroff-reitin kautta . Jälkimmäinen muunnetaan sitten ribuloosi-5-fosfaatiksi. Tämä hiilihydraattiaineenvaihdunnan variantti löydettiin useista pakollisista metylotrofeista sekä joistakin fakultatiivisista. Tässä tapauksessa Entner-Dudoroff-reitti on siis mukana anabolisessa prosessissa (ribuloosi-5-fosfaatin muodostuminen), joten se voi olla tärkeä paitsi katabolisissa myös anabolisissa prosesseissa [3] .
Vuoden 2015 tutkimus osoitti, että meribakteerit ovat erittäin riippuvaisia Entner-Doudoroff-reitistä. Tässä tutkimuksessa tutkittiin erilaisia glukoosia käyttäviä meribakteerikantoja, jotka kuuluivat erilaisiin, fylogeettisesti etäisiin bakteeriryhmiin : phyla Alphaproteobacteria , Gammaproteobacteria ja Bacteroidetes . Kävi ilmi, että 90 % kannoista käytti Entner-Doudoroff-reittiä glukoosin aineenvaihduntaan, kun taas Embden-Meyerhof-Parnassus-reitti (normaali glykolyysi) käytti vain 10 %. Toisaalta maabakteerit käyttävät mieluiten toista reittiä, joka antaa suuremman ATP-saannon. Meren bakteereissa Entner–Doudoroff-reitin käyttö lisää vastustuskykyä oksidatiivista stressiä vastaan . voi olla tärkeä rooli mono- ja polysakkaridien muuntamisessa meren ekosysteemien bakteeriyhteisöissä [8] .
Vibrio choleraessa Entner- Doudoroff -reitti tarvitaan glukonaatin hyödyntämiseen ja on välttämätön tämän bakteerin virulenssille [9] . Vuonna 2014 tehty tutkimus osoitti , että kasvipatogeenissä Xanthomonas campestris Entner-Doudoroff-reitti on pääasiallinen glukoosin katabolian reitti [10] .
Kuten edellä mainittiin, Entner-Doudoroff-reitti on löydetty joistakin eukaryooteista, nimittäin Entamoeba histolyticasta , Aspergillus nigeristä ja Penicillum notatum . Lisäksi lehmän maksasta on löydetty 6-fosfoglukonaattidehydrataasin ja CDPG-aldolaasin kaltaisia entsyymejä , jotka osallistuvat hydroksiproliinin synteesiin [3] . Entner-Doudoroff-reittiä on kuvattu myös joissakin fotosynteettisissä eukaryooteissa, erityisesti piilevässä Phaeodactylum tricornutum . Tässä levässä reaktioreitit tapahtuvat mitokondrioissa . Ehkä tämän muunnelman läsnäolo mahdollistaa sen, että levit voivat käyttää erittäin tehokkaan glukoosin kataboliareitin sijaan, jonka entsyymisynteesi vaatii paljon energiaa (normaali glykolyysi), polkua, joka on vähemmän tehokas, mutta myös halvempi entsyymisynteesin termejä, mikä voi tarjota tietyn edun [11] .
Vuonna 2014 Entner-Doudoroff-reittiä yritettiin viedä Saccharomyces cerevisiae -hiivan soluihin . Tätä tarkoitusta varten E. colin 6-fosfoglukonaattidehydrataasia ja CDPG-aldolaasia ekspressoitiin hiivasoluissa . Yritys kuitenkin epäonnistui: E. coli CDPG-aldolaasi , joka sisältää rauta- rikkiklustereita, ei voinut toimia normaalisti hiivasoluissa [12] .
Entner-Dudorov-polussa on seuraavat muutokset:
Tiedemiehet eivät ole yksimielisiä siitä, mikä glukoosin hapettumismekanismeista (glykolyysi tai Entner-Doudoroff-reitti) ilmestyi ensin. Aikaisemmin uskottiin, että glykolyysin vanhempaa jälkeä todistaa sen äärimmäisen laaja jakautuminen kaikkien solujen elämänmuotojen kesken. Nyt kun on kuitenkin ilmeistä, että Entner-Dudorov-polku on myös hyvin laajalle levinnyt, tätä väitettä ei voida enää ottaa huomioon. Entner-Dudorov-polun vanhemman iän puolesta puhuu se, että sitä löytyy joistakin primitiivisistä vaeltajista ( Zymomonas mobilis ). Lisäksi Entner-Doudoroff-reitin muunnelmien olemassaolo, jossa fosforyloimattomat yhdisteet muuttuvat, viittaa siihen, että ensimmäiset fermentoijat maapallolla ovat saattaneet käyttää sitä [ 3] .
On myös näkökulma, että Entner-Dudoroff-reitti kehittyi yhdessä aerobisen hengityksen ja Krebsin syklin kanssa keinona pyruvaatin nopeaan muodostumiseen sokereista. Mutta Entner-Dudoroff-reitin esiintyminen pakollisissa fermentoreissa ( Zymomonas mobilis ) ja pakollisissa anaerobeissa (clostridia) kyseenalaistaa tämän oletuksen [3] .
Tällä hetkellä Entner-Dudoroff-reittiä aletaan käyttää bioteknologiassa useiden hyödyllisten yhdisteiden muodostumisen kehittämiseen tai tehostamiseen. Siten vuonna 2015 julkaistiin paperi, jossa kerrottiin tämän reitin lisäentsyymien onnistuneesta tuomisesta Zymomonas mobilis -soluista E. coli -soluihin . Tämän seurauksena NADPH:n muodostumisen tehokkuus tämän reitin aikana kasvoi 25-kertaiseksi. NADPH toimii kofaktorina useiden arvokkaiden yhdisteiden, kuten isoprenoidien , rasvahappojohdannaisten ja biopolymeerien , biosynteesissä , joten menetelmät NADPH:n muodostumisen lisäämiseksi ovat bioteknologisesti erittäin tärkeitä [15] . Toisessa työssä Entner-Doudoroff-reittiä yhdessä seriinin deaminaatioreitin ja pyruvaattidehydrogenaasikompleksin kanssa käytettiin parantamaan poly-3-hydroksibutyraatin (biologisesti hajoava biomuovin ) tuotantoa E. coli -soluissa [16] . . Entner-Doudoroff-reitin yhdistelmä 2-C-metyyli-D-erytrioli-4-fosfaattireitin kanssa mahdollistaa isopreenin tuotannon lisäämisen geneettisesti muunnetuissa E. coli -soluissa [17] .