Путь Энтнера-Дудорова

Схема пути Энтнера-Дудорова (KDPG: 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконат)

Путь Энтнера-Дудорова (Путь ED) - это метаболический путь, который наиболее характерен для грамотрицательных бактерий, некоторых грамположительных бактерий и архей. Глюкоза является исходным продуктом в пути ED и через серию ферментов с помощью химических реакций катаболизируется в пируват. Entner и Doudoroff (1952) и MacGee и Doudoroff (1954) впервые сообщили о пути ED у бактерии Pseudomonas saccharophila. Первоначально считалось, что это всего лишь альтернатива гликолизу (EMP) и пентозофосфатному пути (PPP), но некоторые исследования теперь предполагают, что первоначальная роль EMP могла первоначально заключаться в анаболизм и со временем изменился на катаболизм, что означает, что путь ЭД может быть более старым путем. Недавние исследования также показали, что путь ЭД может быть более распространенным, чем предполагалось ранее, с доказательствами, подтверждающими наличие этого пути у цианобактерий, папоротников, водорослей, мхи и растения. В частности, есть прямые доказательства того, что Hordeum vulgare использует путь Энтнера – Дудорова.

Отличительные особенности пути Энтнера – Дудорова заключаются в том, что он:

• Использует уникальные ферменты 6-фосфоглюконат дегидратаза альдолаза и 2-кето-дезокси-6-фосфоглюконат (KDPG) альдолаза и другие распространенные метаболические ферменты, участвующие в других метаболических путях, для катаболизма глюкозы в пируват.
• В процессе расщепления глюкозы чистый выход 1 АТФ образуется на каждую обработанную молекулу глюкозы. А также 1 НАДН и 1 НАДФН. Для сравнения, при гликолизе чистый выход составляет 2 молекулы АТФ и 2 молекулы НАДН на каждую метаболизированную молекулу глюкозы. Хотя исследования показывают, что эта разница в производстве энергии может быть компенсирована разницей в количестве белка, необходимого для каждого пути.

Содержание

• 1 Архейские вариации
• 2 Организмы, использующие путь Энтнера-Дудорова
• 3 Катализирующие ферменты
  • 3.1 Превращение глюкозы в глюкозо-6-фосфат
  • 3.2 Превращение глюкозо-6-фосфата в 6-фосфоглюканолактон
  • 3.3 Превращение 6-фосфоглюканолактона в 6-фосфоглюконовую кислоту
  • 3.4 Превращение 6-фосфоглюконовой кислоты кислота в 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюканат
  • 3.5 Превращение 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюканата в пируват и глицеральдегид-3-фосфат
  • 3.6 Превращение глицеральдегид-3-фосфата в 1,3-бисфосфоглицерат
  • 3,7 Превращение 1,3-бисфосфоглицерата в 3-фосфоглицерат
  • 3,8 Превращение 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат
  • 3,9 Превращение 2-фосфоглицерата в 3,10 <пируват фосфоенола>фосфоенолпирувата в пируват
• 4 Ссылки
• 5 Дополнительная литература

Archae все вариации

У архей есть варианты пути Энтнера-Дудорова. Эти варианты называются полуфосфорилирующим ED (spED) и нефосфорилирующим ED (npED):

• spED обнаруживается у галофильных euryachaea и Clostridium видов.
• In spED, разница в том, где происходит фосфорилирование. В стандартном ED фосфорилирование происходит на первом этапе от глюкозы до G-6-P. В spED глюкоза сначала окисляется до глюконата через глюкозодегидрогеназу. Затем глюконатдегидратаза превращает глюконат в 2-кето-3-дезоксиглюконат (KDG). На следующем этапе происходит фосфорилирование, поскольку киназа KDG превращает KDG в KDPG. Затем KDPG расщепляется на глицеральдегид-3-фосфат (GAP) и пируват через альдолазу KDPG и следует по тому же пути EMP, что и стандартный ED. Этот путь продуцирует такое же количество АТФ, что и стандартный ED.
• npED обнаружен в термоацидофильном Sulfolobus, Euryarchaeota Tp. acidophilum и Picrophilus виды.
• В npED фосфорилирование отсутствует вообще. Путь такой же, как у spED, но вместо фосфорилирования, происходящего в KDG, KDG вместо этого расщепляет GA и пируват через альдолазу KDG. Отсюда GA окисляется через дегидрогеназу GA до глицерата. Глицерат фосфорилируется глицераткиназой до 2PG. 2PG затем следует тем же путем, что и ED, и превращается в пируват через ENO и PK. Однако на этом пути АТФ не продуцируется.

Некоторые археи, такие как Crenacraeota Sul. solfacaricus и Tpt. У tenax есть так называемая разветвленная ЭД. При разветвленной ЭД в организме есть как spED, так и npED, которые действуют и работают параллельно.

Организмы, использующие путь Энтнера-Дудорова

Есть несколько бактерий, которые используют путь Энтнера-Дудорова для метаболизма глюкозы и не могут катаболизироваться посредством гликолиза (например, из-за отсутствия необходимых гликолитических ферментов такие как фосфофруктокиназа, обнаруженная у Pseudomonas). Роды, в которых этот путь выражен, включают грамотрицательные, перечисленные ниже, грамположительные бактерии, такие как Enterococcus faecalis, а также несколько бактерий Archaea, второй отдельной ветви прокариоты (и «третья область жизни» после прокариотических эубактерий и эукариот). Из-за низкого выхода энергии пути ED, анаэробные бактерии, по-видимому, в основном используют гликолиз, в то время как аэробные и факультативные анаэробы с большей вероятностью имеют путь ED. Считается, что это связано с тем фактом, что у аэробных и факультативных анаэробов есть другие негликолитические пути создания АТФ, такие как окислительное фосфорилирование. Таким образом, путь ED является предпочтительным из-за меньшего количества требуемых белков. В то время как анаэробные бактерии должны полагаться на путь гликолиза для создания большего процента необходимого для них АТФ, таким образом, их продукция 2 АТФ более предпочтительна по сравнению с производством 1 АТФ путем пути ED.

Примеры бактерий, использующих этот путь:>Pseudomonas, род грамотрицательных бактерий

Azotobacter, род грамотрицательных бактерий

Rhizobium, род Gram-, ассоциированный с корнями растений и активно дифференцирующий растения. отрицательные бактерии

Agrobacterium, растительный патоген (онкогенный) род грамотрицательных бактерий, также имеющий биотехнологическое применение

Escherichia coli, грамотрицательные бактерии

Enterococcus faecalis, грамположительная бактерия

Zymomonas mobilis, грамотрицательная факультативный анаэроб

Xanthomonas campestris, грамотрицательная бактерия, которая использует этот путь в качестве основного пути обеспечения энергии.

На сегодняшний день есть доказательства того, что эукариоты использовали этот путь, что позволяет предположить, что он может быть более распространенным, чем раньше. мысль:

• Hordeum vulgare, ячмень использует путь Entner-Duodoroff.
• Phaeodactylum tricornutum модельный вид диатомовых водорослей представляет функциональные гены фосфоглюконатдегидратазы и дегоксифосфоглюконатальдолазы в его геноме

Путь Entneroff присутствуют у многих видов архей (предостережение, см. ниже), чей метаболизм «напоминает... по [своей] сложности метаболизм Бактерий и низших эукарий», и часто включает как этот путь, так и Эмбден-Мейерхоф-Парнас путь гликолиза, за исключением наиболее часто уникальных, модифицированных вариантов.

Катализирующие ферменты

Превращение глюкозы в глюкозо-6-фосфат

Первым этапом ЭД является фосфорилирование глюкозы семейством ферментов, называемых гексокиназами, с образованием глюкозо-6-фосфата (G6P). Эта реакция потребляет АТФ, но она поддерживает низкую концентрацию глюкозы, способствуя непрерывному транспорту глюкозы в клетку через переносчики плазматической мембраны. Кроме того, он блокирует утечку глюкозы - клетке не хватает транспортеров для G6P, и свободная диффузия из клетки предотвращается из-за заряженной природы G6P. В качестве альтернативы глюкоза может быть образована в результате фосфолиза или гидролиза внутриклеточного крахмала или гликогена.

У животных изофермент гексокиназы, называемый глюкокиназой, также используется в печени, которая имеет гораздо более низкое сродство к глюкозе (K m вблизи 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

Превращение глюкозо-6-фосфата в 6-фосфоглюканолактон

Затем G6P превращается в 6- фосфоглюканолактон в присутствии фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа (оксидоредуктаза ) в присутствии кофермента никотинамидадениндинуклеотидфосфата ( NADP), который будет восстановлен до никотинамидадениндинуклеотидфосфата водорода вместе со свободным атомом водорода H

Превращение 6-фосфоглюканолактона в 6-фосфоглюконовую кислоту

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

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

6-фосфоглюконовая кислота превращается в 2-кето-3- дезокси-6-фосфоглюконат (KDPG) в присутствии фермента 6-фосфоглюконатдегидратазы, при котором молекула воды выделяется в окружающую среду.

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

Затем KDPG превращается в пируват или глицеральдегид-3-фосфат в присутствии фермент KDPG альдолаза. когда KDPG превращается в пируват, путь ED для этого пирувата здесь заканчивается, а затем пируват переходит в другие метаболические пути (цикл TCA, цикл ETC и т. д.).

Другой продукт (глицеральдегид-3-фосфат) далее превращается, вступая в путь гликолиза, и, наконец, превращается в пируват для дальнейшего метаболизма.

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

G3P превращается в 1,3-бисфосфоглицерат в присутствии фермента глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы (оксидо- редуктаза).

Альдегидные группы триозных сахаров окислены, и к ним добавлен неорганический фосфат, образуя 1,3-бисфосфоглицерат.

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

Баланс атома водорода и баланс заряда поддерживаются, поскольку фосфатная (P i) группа фактически существует в форме гидрофосфатного аниона (HPO 4), который диссоциирует, давая дополнительный ион H и дает чистый заряд -3 с обеих сторон.

Превращение 1,3-бисфосфоглицерата в 3-фосфоглицерат

Эта стадия представляет собой ферментативный перенос фосфатной группы из 1,3-бисфосфоглицерата в АДФ за фосфоглицераткиназа, образующая АТФ и 3-фосфоглицерат.

Превращение 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат

Фосфоглицератмутаза изомеризуется 3-фосфоглицерат <189162>в 2-фосфоглицерат.

Превращение 2-фосфоглицерата в фосфоенолпируват

энолаза затем превращает 2-фосфоглицерат в фосфоенолпируват. Эта реакция представляет собой реакцию элиминирования, включающую механизм E1cB.

Кофакторы: 2 Mg: один «конформационный» ион для координации с карбоксилатной группой субстрата и один «каталитический» ион, который участвует в дегидратации

Превращение фосфоенолпирувата в пируват

Конечное фосфорилирование на уровне субстрата теперь образует молекулу пирувата и молекулу АТФ с помощью фермента пируваткиназы. Это служит дополнительным регуляторным этапом, подобным этапу фосфоглицераткиназы.

Кофакторы: Mg

Ссылки

1. ^ Conway, T. (1992) "Путь Энтнера-Дудородда: история, физиология и молекулярная биология" Microbiology of Reviews 103 (19; May), 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. doi : 10.1007 / BF02046462. ISSN 0003-6072. PMID 5304016.
3. ^Romano, A.H.; Конвей, Т. (1996-07-01). «Эволюция метаболических путей углеводов». Исследования в области микробиологии. 147 (6): 448–455. DOI : 10.1016 / 0923-2508 (96) 83998-2. ISSN 0923-2508. PMID 9084754.
4. ^ Chen, Xi, et al. «Путь Энтнера-Дудорова - это гликолитический путь, о котором забывают у цианобактерий и растений». Proceedings of the National Academy of Sciences (2016): 201521916.
5. ^ Flamholz, A.; Noor, E.; Бар-Эвен, А.; Liebermeister, W.; Майло, Р. (29 апреля 2013 г.). «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. ^ Bräsen C.; Д. Эссер; B. Rauch B. Siebers (2014) "Углеводный метаболизм в архее: современные сведения о необычных ферментах и ​​путях их регуляции", Microbiol. Мол. Биол. Ред. 78 (1; март), стр. 89-175, DOI 10.1128 / MMBR.00041-13, см. «Архивная копия». Архивировано с оригинального 22.11.2015. Проверено 4 августа 2015 г. CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка ) или [2], по состоянию на 3 августа 2015 г.
7. ^Willey; Шервуд; Вулвертон. Принципы микробиологии Прескотта.
8. ^ Пикхаус Н., Конвей Т. (1998). «Что на ужин?: Метаболизм Энтнера-Дудорова в кишечной палочке». 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 регулированием у Azotobacter beijerinckii». Журнал общей микробиологии. 109 (1): 89–96. doi : 10.1099 / 00221287-109-1-89.
10. ^Куйкендалл, Л. Дэвид; Джон М. Янг; Эсперанса Мартинес-Ромеро; Аллен Керр и Хироюка Савада (2006) Род I. Rhizobium Frank 1889, 389 [Порядок VI. Rhizobiales ord. nov., Family I Rhizobiaceae Conn 1938, 321 (L. David Kuykendall, Ed.)], стр. 324-339, в Bergey's Manual® of Systematic Bacteriology, Vol. 2 Протеобактерии, часть 3 Альфа-, бета-, дельта- и эпсилонпротеобактерии (Дон Дж. Бреннер, Ноэль Р. Криг, Джеймс Т. Стейли, редакторы тома, Джордж М. Гаррити, изд. В- Chief), Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США: Springer Science Business, ISBN 0387241450, [3], по состоянию на 3 августа 2015 г.
11. ^Артур Л.О., Накамура Л.К., Джулиан Г., Булла Л.А. (1975). «Катаболизм углеводов 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 J.L.; Дж. Р. Сокач (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, G.T.; J.R. Xie; Л. Чен; J.R. Hu; S.Q. An; H.Z. Вс; и другие. (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. ^Fabris M., et al., «Метаболический план Phaeodactylum tricornutum раскрывает эукариотический гликолитический путь Энтнера – Дудорова », The Plant Journal (2012) 70, 1004–1014

Дополнительная литература

• Bräsen C.; Д. Эссер; B. Rauch B. Siebers (2014) "Углеводный метаболизм в архее: современные сведения о необычных ферментах и ​​путях их регуляции", Microbiol. Мол. Биол. Ред. 78 (1; март), стр. 89–175, DOI 10.1128 / MMBR.00041-13, см. [4] или [5], по состоянию на 3 августа 2015 г.
• Ahmed, H.; Б. Тьяден; Р. Хензель и Б. Зиберс (2004) "Пути Эмбдена-Мейерхоф-Парнаса и Энтнера-Дудорова в Thermoproteus tenax: метаболический параллелизм или специфическая адаптация?", Biochem. Soc. Пер. 32 (2; 1 апреля), стр. 303–304, DOI 10.1042 / bst0320303, см. [6], по состоянию на 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], по состоянию на 3 августа 2015 г.
• Snyder, L., Peters, JE, Хенкин, TM, Champness, W. (2013). Молекулярная генетика бактерий. Американское общество микробиологов.