La vía Entner-Dudoroff , o vía KDFG [1] ( Eng. Entner-Doudoroff vía ) es una vía de oxidación de la glucosa (junto con la glucólisis y la vía de las pentosas fosfato ), que conduce a la formación de dos moléculas de piruvato , una molécula de ATP y una de ATP. dos moléculas de una glucosamolécula los nucleótidos de piridina ( NADH y NADPH ) [2] . Aunque anteriormente se pensaba que se presentaba solo en un pequeño número de bacterias gramnegativas , ahora se ha establecido que esta vía está muy extendida en la naturaleza y es utilizada por varios grupos de bacterias grampositivas y gramnegativas, así como por algunas arqueas e incluso eucariotas [3] .
El mensaje sobre el descubrimiento de la ruta Entner-Dudorov fue publicado en 1952 por los científicos estadounidenses Nathan Entner y Mikhail Dudorov [4] . En su trabajo, proporcionaron pruebas convincentes de una nueva vía de metabolismo de la glucosa no descrita anteriormente en la bacteria Pseudomonas saccharophila Sus conclusiones se basaron en la observación de que el primer átomo de carbono (C1) de la glucosa se convierte casi en su totalidad en CO 2 , mientras que el mecanismo del metabolismo de la glucosa claramente no incluía la descarboxilación primaria de la molécula de glucosa. Usando células tratadas con dinitrofenol , encontraron que 1 mol de glucosa marcada con C1 finalmente se convirtió en 2 moles de ácido pirúvico (piruvato), con todos los átomos marcados en el grupo carboxilo del piruvato. Además, en extractos de células crudas, se encontró actividad enzimática para dividir el ácido 6-fosfoglucónico en piruvato y gliceraldehído-3-fosfato . También plantearon la hipótesis de que el 2-ceto-3-desoxi-6-fosfogluconato (KDPG) era un compuesto clave en la división de un compuesto de seis carbonos en dos de tres carbonos . Posteriormente, se aisló CDPG en forma cristalina a partir de una mezcla de células enzimáticas con ácido 6-fosfoglucónico. Se establecieron dos etapas de la vía, la formación de CDPG a partir de 6-fosfogluconato y la escisión de CDPG en piruvato y gliceraldehído-3-fosfato, después del aislamiento de las enzimas que llevan a cabo estas transformaciones (para obtener más detalles, consulte a continuación) [ 3] .
El esquema general de la ruta Entner-Dudorov es el siguiente. La glucosa-6-fosfato , formada durante la fosforilación de 1 molécula de glucosa con el consumo de 1 molécula de ATP, pasa a 6-fosfogluconato con la restauración de la molécula de NADP y la formación de NADP٠H [5] . Con una mayor deshidratación del 6-fosfogluconato, se forma 2-ceto-3-desoxi-6-fosfogluconato (KDPG), el compuesto clave de la vía [3] . El CDPG se escinde en piruvato y gliceraldehído-3-fosfato ( 3-PHA ). Con la oxidación adicional de 3-PHA a piruvato, 1 molécula de NAD se reduce a NADH y se forman 2 ATP por fosforilación del sustrato . La vía Entner-Doudoroff involucra 2 enzimas únicas: 6-fosfogluconato deshidratasa , que convierte el 6-fosfogluconato en CDPG, y CDPG-aldolasa , que cataliza la escisión aldólica CDPG en piruvato y 3-PHA [6] .
La vía de Entner-Doudoroff puede verse como una alternativa a la glucólisis . El esquema general de estas dos vías de oxidación de la glucosa es muy similar: los azúcares de 6 carbonos se activan por fosforilación y luego se descomponen mediante enzimas del grupo aldolasa en dos compuestos de tres carbonos. La diferencia radica en la naturaleza de los compuestos intermedios de 6 carbonos, que se descomponen en productos de tres carbonos. Durante la glucólisis, la fructosa-1,6-bisfosfato se descompone en 3-PHA y fosfato de dihidroxiacetona , y durante la vía de Entner-Doudoroff, el CDPG se escinde en 3-PHA y piruvato [3] . Por lo tanto, la ruta de Entner-Doudoroff contiene solo dos reacciones que son adicionales a las reacciones de la glucólisis y la ruta de las pentosas fosfato. Sin embargo, la vía de Entner-Dudoroff se diferencia de la glucólisis en que produce una molécula de NADPH y, como producción total de energía, solo una, no dos, moléculas de ATP [6] .
Entre las bacterias, la vía de Entner-Doudoroff se ha descrito casi exclusivamente en bacterias Gram-negativas ; una rara excepción es la bacteria intestinal grampositiva Enterococcus faecalis [7] .
Diferentes organismos utilizan la vía de Entner-Doudoroff de diferentes maneras. Solo en un pequeño número de organismos, la vía Entner-Dudoroff está involucrada exclusivamente en el catabolismo , procede de acuerdo con un mecanismo lineal, se usa constantemente (constitutivamente) y forma la base del metabolismo central. Así, en particular, sucede en Zymomonas mobilis ; esta bacteria es también el único organismo conocido que utiliza obligatoriamente la vía Entner-Doudoroff en condiciones anaeróbicas . El piruvato formado en el curso de este camino se convierte en acetaldehído, que se convierte en etanol y dióxido de carbono, es decir, Zymomonas mobilis lleva a cabo la fermentación alcohólica [3] . En general, los fermentadores no utilizan la vía de Entner-Doudoroff, presumiblemente debido al bajo rendimiento de ATP, ya que la fermentación también se caracteriza por una baja eficiencia energética en la utilización del azúcar [6] . Además de Zymomonas mobilis , Clostridium [3] también utiliza la vía anaeróbica Entner-Dudoroff .
En muchas bacterias, en particular las intestinales, la vía de Entner-Doudoroff procede de acuerdo con un mecanismo lineal y se induce solo cuando crecen en ciertas fuentes de carbono, por ejemplo, en gluconato, y la glucólisis y la vía de las pentosas fosfato forman la base del metabolismo central. . Tal es, por ejemplo, E. coli . En ella, la síntesis de enzimas de la vía Entner-Dudorov comienza solo en presencia de gluconato en el ambiente externo. El piruvato formado durante la vía de Entner-Dudoroff está involucrado en el ciclo de Krebs [3] . Además, en presencia de pirroloquinolina quinona (PQQ) exógena, un cofactor de glucosa oxidasa , E. coli y varias otras bacterias pueden oxidar la glucosa a gluconato con esta enzima. Después de eso, el gluconato se fosforila y se convierte en 6-fosfogluconato, que se usa más a lo largo de la vía Entner-Doudoroff. En otros casos, la gluconato deshidrogenasa puede oxidar el gluconato a 2-cetogluconato, que luego se fosforila y se reduce nuevamente a 6-fosfogluconato [6] .
Para la mayoría de las pseudomonas , el camino de Entner-Dudorov procede de acuerdo con un mecanismo cíclico especial. El 3-PHA , formado durante la escisión de KDPG por KDPG-aldolasa, se convierte directamente en 6-fosfogluconato con la ayuda de enzimas gluconeogénicas. Además de las pseudomonas, se ha descrito una variante cíclica de la vía Entner-Doudoroff en algunos microorganismos relacionados , en particular Azotobacter vinelandii y otros [3] .
La vía de Entner-Dudoroff también es utilizada por algunos microorganismos metilotróficos . Algunos metilotrofos obligados y facultativos fijan formaldehído mediante la vía del monofosfato de ribulosa (RMP ) . En la primera etapa de esta vía, la fructosa-6-fosfato se forma a partir de formaldehído y ribulosa-5-fosfato . En el segundo paso, en algunas variantes de RMP , la fructosa-6-fosfato se convierte en compuestos de tres carbonos a través de la vía Entner-Doudoroff. En primer lugar , la fructosa-6-fosfato se convierte en glucosa-6-fosfato isomérica, que se escinde en piruvato y 3-FGK a través de la vía Entner-Dudoroff . Este último se convierte luego en ribulosa-5-fosfato. Esta variante del metabolismo de los carbohidratos se encontró en varios metilotrofos obligados, así como en algunos facultativos. Así, en este caso, la vía Entner-Dudoroff está involucrada en el proceso anabólico (la formación de ribulosa-5-fosfato), por lo que puede ser importante no solo en los procesos catabólicos, sino también en los anabólicos [3] .
Un estudio de 2015 mostró que las bacterias marinas dependen en gran medida de la vía Entner-Doudoroff. Este estudio examinó varias cepas de bacterias marinas que utilizan glucosa que pertenecen a diferentes grupos de bacterias filogenéticamente distantes: los filos Alphaproteobacteria , Gammaproteobacteria y Bacteroidetes . Resultó que el 90 % de las cepas usaba la vía de Entner-Doudoroff para el metabolismo de la glucosa, mientras que la vía de Embden-Meyerhof-Parnassus (glucólisis normal) usaba solo el 10 %. Las bacterias terrestres, por el contrario, utilizan preferentemente la segunda vía, que proporciona un mayor rendimiento de ATP. En bacterias marinas, el uso de la vía Entner-Doudoroff proporciona una mayor resistencia al estrés oxidativo . Por lo tanto, la vía Entner-Dudoroff puede desempeñar un papel importante en la conversión de monosacáridos y polisacáridos en las comunidades bacterianas de los ecosistemas marinos [8] .
En Vibrio cholerae , la vía Entner-Doudoroff es necesaria para la utilización de gluconato y es esencial para la virulencia de esta bacteria [9] . Un estudio de 2014 mostró que en el patógeno vegetal Xanthomonas campestris , la vía Entner-Doudoroff es la principal vía para el catabolismo de la glucosa [10] .
Como se mencionó anteriormente, la vía Entner-Doudoroff se ha encontrado en algunos eucariotas, a saber, Entamoeba histolytica , Aspergillus niger y Penicillum notatum . Además, se han encontrado en el hígado de vaca enzimas similares a la 6-fosfogluconato deshidratasa y la CDPG-aldolasa , que están involucradas en la síntesis de hidroxiprolina [3] . La vía de Entner-Doudoroff también se ha descrito en algunos eucariotas fotosintéticos , en particular, la diatomea Phaeodactylum tricornutum . En esta alga, las vías de reacción tienen lugar en las mitocondrias . Quizás, la presencia de esta variante hace posible que las algas utilicen, en lugar de una ruta de catabolismo de glucosa altamente eficiente, cuya síntesis enzimática requiere mucha energía (glucólisis normal), una ruta con menor eficiencia, pero también menos costosa en términos de síntesis de enzimas, lo que puede proporcionar una cierta ventaja [11] .
En 2014 se intentó introducir la vía Entner-Doudoroff en células de la levadura Saccharomyces cerevisiae . Para este propósito, se expresaron 6-fosfogluconato deshidratasa y CDPG-aldolasa de E. coli en células de levadura . Sin embargo, el intento no tuvo éxito: las agrupaciones de hierro y azufre que contenían CDPG-aldolasa de E. coli no podían funcionar normalmente en las células de levadura [12] .
Existen las siguientes modificaciones de la ruta Entner-Dudorov:
No hay consenso entre los científicos sobre cuál de los mecanismos de oxidación de la glucosa (glucólisis o vía de Entner-Doudoroff) apareció primero. Anteriormente, se creía que la mayor antigüedad de la glucólisis se evidencia por su distribución extremadamente amplia entre todas las formas de vida celular. Sin embargo, ahora que es evidente que la vía Entner-Dudorov también está muy extendida, este argumento ya no puede tenerse en cuenta. A favor de la mayor antigüedad del camino Entner-Dudorov está el hecho de que se encuentra en algunos errantes primitivos ( Zymomonas mobilis ). Además, la existencia de modificaciones de la vía Entner-Doudoroff, en la que se convierten compuestos no fosforilados, indica que pudo haber sido utilizada por los primeros fermentadores de la Tierra [ 3] .
También existe el punto de vista de que la vía Entner-Dudoroff se desarrolló junto con la respiración aeróbica y el ciclo de Krebs como un medio para la formación rápida de piruvato a partir de azúcares. Pero la presencia de la vía Entner-Dudoroff en fermentadores obligados ( Zymomonas mobilis ) y anaerobios obligados (clostridia) arroja dudas sobre esta suposición [3] .
En la actualidad, la ruta de Entner-Dudoroff está comenzando a utilizarse en biotecnología para desarrollar o aumentar la eficiencia de la formación de una serie de compuestos útiles. Por lo tanto, en 2015, se publicó un artículo que informaba sobre la introducción exitosa de enzimas adicionales de esta vía de células de Zymomonas mobilis en células de E. coli . Como resultado, la eficiencia de la formación de NADPH durante esta vía aumentó 25 veces. NADPH sirve como cofactor en la biosíntesis de varios compuestos valiosos, como isoprenoides , derivados de ácidos grasos y biopolímeros , por lo tanto, los métodos para aumentar la formación de NADPH son de gran importancia biotecnológica [15] . En otro trabajo, se utilizó la vía de Entner-Doudoroff, junto con la vía de desaminación de la serina y el complejo piruvato deshidrogenasa , para mejorar la producción de poli-3-hidroxibutirato (un bioplástico biodegradable ) por parte de las células de E. coli [16] . La combinación de la vía de Entner-Doudoroff con la vía del 2-C-metil-D-eritriol-4-fosfato permite aumentar la producción de isopreno en células de E. coli modificadas genéticamente [17] .