Путь Энтнера — Дудорова

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Путь Энтнера — Дудорова, или КДФГ-путь[1] (англ. Entner–Doudoroff pathway) — путь окисления глюкозы (наряду с гликолизом и пентозофосфатным путём), приводящий к образованию из одной молекулы глюкозы двух молекул пирувата, 1 АТФ и 2 восстановленных пиридиннуклеотида (1 — НАДН и 1 — НАДФН)[2]. Хотя раньше 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[3].

История открытия[править | править вики-текст]

Сообщение об открытии пути Энтнера — Дудорова было опубликовано в 1952 году американскими учёными Натаном Энтнером и Михаилом Дудоровым[en][4]. В своей работе они предоставили убедительные доказательства о наличии у бактерии Pseudomonas saccharophila[en] нового, ранее не описанного пути метаболизма глюкозы. Их выводы были основаны на наблюдении, что первый атом углерода1) у глюкозы почти весь уходит в СО2, при этом механизм метаболизма глюкозы явно не включал первичное декарбоксилирование молекулы глюкозы. Используя клетки, меченные динитрофенолом, они установили, что 1 моль глюкозы, меченной по С1, в конечном счёте превращался в 2 моль пировиноградной кислоты (пирувата), причём все меченные атомы находились в карбоксильной группе пирувата. Кроме того, в неочищенных экстрактах клеток была обнаружена ферментативная активность по расщеплению 6-фосфоглюконовой кислоты[en] 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 было выделено в закристаллизованом 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)[3].

Механизм[править | править вики-текст]

Путь Энтнера — Дудорова
Images.png Внешние изображения
Image-silk.png Схема пути Энтнера — Дудорова с указанием формул соединений
Пространственная структура 6-фосфоглюконатдегидрогеназы

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 НАДФН[5]. При дальнейшей дегидратации 6-фосфоглюконата образуется 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконат (КДФГ) — ключевое соединение пути[3]. 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: 6-фосфоглюконатдегидратаза[en], превращающая 6-фосфоглюконат в КДФГ, и КДФГ-альдолаза, катализирующая альдольное расщепление[en] КДФГ на пируват и 3-ФГА[6].

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[en] 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[en], а при пути Энтнера — Дудорова КДФГ расщепляется на 3-ФГА и пируват[3]. 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 НАДФН и в качестве суммарного энергетического выхода всего лишь одна, а не две, молекулы АТФ[6].

Распространение и физиология[править | править вики-текст]

Различные организмы используют путь Энтнера — Дудорова по-разному. Только у небольшого числа организмов путь Энтнера — Дудорова задействован только в катаболизме, протекает по линейному механизму, используется постоянно (конститутивно) и составляет основу центрального метаболизма. Так, в частности, происходит у Zymomonas mobilis[en]; 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[3]. Вообще, бродильщики не используют путь Энтнера — Дудорова, по-видимому, из-за низкого выхода АТФ, поскольку брожение также характеризуется низким энергетическим КПД использования сахаров[6]. Кроме Zymomonas mobilis, анаэробно путь Энтнера — Дудорова используется также клостридиями[3].

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[3]. Кроме того, в присутствии экзогенного пирролохинолинхинона[en] (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[6].

У большей части псевдомонад[en] 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[en] и других[3].

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[en] из формальдегида и рибулозо-5-фосфата[en]. 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[3].

Как упоминалось выше, путь Энтнера — Дудорова обнаружен у некоторых эукариот, а именно Entamoeba histolytica, Aspergillus niger и Penicillum notatum[en]. Кроме того, ферменты, близкородственные 6-фосфоглюконатдегидратазе и КДФГ-альдолазе, были обнаружены в печени коровы, они участвуют в синтезе гидроксипролина[3].

Модификации[править | править вики-текст]

Нефосфорилированный вариант пути Энтнера — Дудорова. KDG — 2-кето-3-дезокси-6-глюконовая кислота (КДГ), GA — глицеральдегид, 2-PG — 2-фосфоглицериновая кислота, PEP — фосфоенолпируват, Pyr — пируват

Существуют следующие две модификации пути Энтнера — Дудорова:

  • У галофильных архей и некоторых бактерий (Rhodobacter sphaeroides[en], некоторые виды Clostridium) глюкоза окисляется до глюконата, который дегидратируется с образованием 2-кето-дезоксиглюконата, который только после этого фосфорилируется с образованием КДФГ[6][3].
  • У термоацидофильных архей родов Thermoplasma и Sulfolobus[en] функционирует путь Энтнера — Дудорова, все соединения которого находятся в нефорсфорилированной форме (нефосфорилированный варинат 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[en], 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[en] реакции, расходуется на активацию глицерата[6][3].

Эволюция[править | править вики-текст]

Среди учёных нет единого мнения, какой из механизмов окисления глюкозы — гликолиз или путь Энтнера — Дудорова — появился раньше. Ранее 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[3].

Однако существует точка зрения, что путь Энтнера — Дудорова развивался вместе с аэробным дыханием и циклом Кребса как средство для быстрого образования пирувата из сахаров. Однако присутствие пути Энтнера — Дудорова у облигатных бродильщиков (Zymomonas mobilis) и облигатных анаэробов (клостридии) ставит под сомнение такое предположение[3].

Примечания[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  • 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.