Entner-Dudoroffova dráha nebo KDFG dráha [1] ( Entner- Doudoroffova dráha ) je dráha oxidace glukózy (spolu s glykolýzou a pentózofosfátovou dráhou ), která vede k vytvoření dvou molekul pyruvátu , jedné molekuly ATP a dvě molekuly z jedné glukózymolekuly pyridinové nukleotidy ( NADH a NADPH ) [2] . Ačkoli se dříve předpokládalo, že se vyskytuje pouze u malého počtu gramnegativních bakterií , nyní se zjistilo, že tato cesta je v přírodě extrémně rozšířená a používají ji různé skupiny grampozitivních a gramnegativních bakterií, jakož i některé archaea a dokonce eukaryota [3] .
Zprávu o objevu Entner-Dudorovovy cesty publikovali v roce 1952 američtí vědci Nathan Entner a Michail Dudorov [4] . Ve své práci poskytli přesvědčivé důkazy o nové, dříve nepopsané dráze metabolismu glukózy u bakterie Pseudomonas saccharophila Jejich závěry byly založeny na pozorování, že první atom uhlíku (C1) glukózy jde téměř celý do CO 2 , zatímco mechanismus metabolismu glukózy zjevně nezahrnuje primární dekarboxylaci molekuly glukózy. Pomocí buněk ošetřených dinitrofenolem zjistili , že 1 mol C1-značené glukózy byl nakonec přeměněn na 2 moly kyseliny pyrohroznové (pyruvátu), přičemž všechny značené atomy byly v karboxylové skupině pyruvátu. Kromě toho byla v surových buněčných extraktech zjištěna enzymatická aktivita štěpící kyselinu 6-fosfoglukonovou na pyruvát a glyceraldehyd-3-fosfát . Také předpokládali, že 2-keto-3-deoxy-6-fosfoglukonát (KDPG) je klíčovou sloučeninou při štěpení šestiuhlíkové sloučeniny na dvě tříuhlíkové . Následně byl CDPG izolován v krystalické formě ze směsi enzymových buněk s kyselinou 6-fosfoglukonovou. Po izolaci enzymů, které tyto přeměny provádějí (podrobněji viz níže), byly stanoveny dva stupně této dráhy - tvorba CDPG z 6-fosfoglukonátu a štěpení CDPG na pyruvát a glyceraldehyd-3-fosfát . 3] .
Obecné schéma cesty Entner-Dudorov je následující. Glukosa-6-fosfát , vzniklý při fosforylaci 1 molekuly glukózy se spotřebou 1 molekuly ATP, přechází na 6-fosfoglukonát s obnovením molekuly NADP a tvorbou NADP٠H [5] . Při další dehydrataci 6-fosfoglukonátu vzniká 2-keto-3-deoxy-6-fosfoglukonát (KDPG), klíčová sloučenina dráhy [3] . CDPG se štěpí na pyruvát a glyceraldehyd-3-fosfát ( 3-PHA ). Při další oxidaci 3-PHA na pyruvát se 1 molekula NAD redukuje na NADH a 2 ATP se tvoří fosforylací substrátu . Entner-Doudoroffova dráha zahrnuje 2 jedinečné enzymy: 6-fosfoglukonát dehydratázu , která převádí 6-fosfoglukonát na CDPG, a CDPG-aldolázu , která katalyzuje aldolové štěpení CDPG na pyruvát a 3-PHA [6] .
Entner-Doudoroffovu dráhu lze považovat za alternativu ke glykolýze . Obecné schéma těchto dvou drah oxidace glukózy je extrémně podobné: 6-uhlíkové cukry jsou aktivovány fosforylací a následně rozkládány enzymy aldolázové skupiny na dvě tříuhlíkové sloučeniny. Rozdíl spočívá v povaze meziproduktů 6-uhlíkových sloučenin, které se rozkládají na tříuhlíkové produkty. Během glykolýzy se fruktóza-1,6-bisfosfát rozkládá na 3-PHA a dihydroxyacetonfosfát a během Entner-Doudoroffovy dráhy se CDPG štěpí na 3-PHA a pyruvát [3] . Entner-Doudoroffova dráha tedy obsahuje pouze dvě reakce, které jsou dodatečné k reakcím glykolýzy a pentózofosfátové dráze. Entner-Dudoroffova dráha se však od glykolýzy liší tím, že produkuje jednu molekulu NADPH a jako celkový energetický výdej pouze jednu, nikoli dvě molekuly ATP [6] .
Mezi bakteriemi byla Entner-Doudoroffova dráha popsána téměř výhradně u gramnegativních bakterií ; vzácnou výjimkou je grampozitivní střevní bakterie Enterococcus faecalis [7] .
Různé organismy využívají Entner-Doudoroffovu dráhu různými způsoby. Jen u malého počtu organismů se Entner-Dudoroffova dráha podílí výhradně na katabolismu , probíhá lineárním mechanismem, je trvale (konstitutivně) využívána a tvoří základ centrálního metabolismu. Zejména se tak děje v Zymomonas mobilis ; tato bakterie je také jediným známým organismem, který povinně používá Entner-Doudoroffovu dráhu za anaerobních podmínek. Vzniklý pyruvát se při této cestě přemění na acetaldehyd, který se přemění na ethanol a oxid uhličitý, tedy Zymomonas mobilis provádí alkoholové kvašení [3] . Obecně fermentory nepoužívají Entner-Doudoroffovu cestu, pravděpodobně kvůli nízkému výtěžku ATP, protože fermentace je také charakterizována nízkou energetickou účinností využití cukru [6] . Kromě Zymomonas mobilis využívá anaerobní Entner-Dudoroffovu dráhu také Clostridium [3] .
U mnoha bakterií, zejména střevních, probíhá Entner-Doudoroffova dráha podle lineárního mechanismu a je indukována pouze při růstu na určitých zdrojích uhlíku, například na glukonátu, a glykolýza a pentózofosfátová dráha tvoří základ centrálního metabolismu . Taková je například E. coli . U ní začíná syntéza enzymů Entner-Dudorovovy dráhy pouze za přítomnosti glukonátu ve vnějším prostředí. Pyruvát vzniklý během Entner-Dudoroffovy dráhy je zapojen do Krebsova cyklu [3] . Navíc v přítomnosti exogenního pyrrolochinolinchinonu (PQQ), glukózooxidázového kofaktoru , jsou E. coli a několik dalších bakterií schopné oxidovat glukózu na glukonát s tímto enzymem. Poté je glukonát fosforylován a přeměněn na 6-fosfoglukonát, který je dále využíván podél Entner-Doudoroffovy dráhy. V jiných případech může být glukonát oxidován glukonátdehydrogenázou na 2-ketoglukonát, který je následně fosforylován a opět redukován na 6-fosfoglukonát [6] .
U většiny pseudomonád probíhá Entner-Dudorovova cesta podle speciálního cyklického mechanismu. 3-PHA , vznikající při štěpení KDPG KDPG-aldolázou, je přímo přeměněn na 6-fosfoglukonát pomocí glukoneogenních enzymů. Kromě pseudomonád byla popsána cyklická varianta Entner-Doudoroffovy dráhy u některých příbuzných mikroorganismů , zejména u Azotobacter vinelandii a dalších [3] .
Entner-Dudoroffovu dráhu využívají také některé methylotrofní mikroorganismy. Některé obligátní a fakultativní methylotrofy fixují formaldehyd pomocí ribulóza monofosfátové cesty (RMP ) . V první fázi této dráhy vzniká fruktóza-6-fosfát z formaldehydu a ribulóza-5-fosfátu . Ve druhém kroku, v některých variantách RMP , je fruktóza-6-fosfát přeměněn na tříuhlíkové sloučeniny prostřednictvím Entner-Doudoroffovy dráhy. Nejprve se fruktóza-6-fosfát přemění na izomerní glukóza-6-fosfát, který se štěpí na pyruvát a 3- FGK cestou Entner-Dudoroff . Ten je poté přeměněn na ribulóza-5-fosfát. Tato varianta metabolismu sacharidů byla nalezena u řady obligátních methylotrofů i u některých fakultativních. Entnerova-Dudoroffova dráha je tedy v tomto případě zapojena do anabolického procesu (tvorba ribulóza-5-fosfátu), takže může mít význam nejen u katabolických, ale i u anabolických procesů [3] .
Studie z roku 2015 ukázala, že mořské bakterie jsou vysoce závislé na Entner-Doudoroffově cestě. Tato studie zkoumala různé kmeny mořských bakterií využívajících glukózu, které patří do různých, fylogeneticky vzdálených skupin bakterií: kmen Alphaproteobacteria , Gammaproteobacteria a Bacteroidetes . Ukázalo se, že 90 % kmenů využívalo Entner-Doudoroffovu cestu pro metabolismus glukózy, zatímco Embden-Meyerhof-Parnassova cesta (normální glykolýza) pouze 10 %. Suchozemské bakterie naproti tomu přednostně využívají druhou cestu, která dává větší výtěžek ATP. U mořských bakterií poskytuje použití Entner-Doudoroffovy cesty větší odolnost vůči oxidativnímu stresu . Entner-Dudoroffova dráha tedy může hrát důležitou roli při přeměně mono- a polysacharidů v bakteriálních komunitách mořských ekosystémů [8] .
U Vibrio cholerae je Entner-Doudoroffova dráha nezbytná pro využití glukonátu a je nezbytná pro virulenci této bakterie [9] . Studie z roku 2014 ukázala, že u rostlinného patogenu Xanthomonas campestris je Entner-Doudoroffova cesta hlavní cestou katabolismu glukózy [10] .
Jak bylo uvedeno výše, Entner-Doudoroffova dráha byla nalezena u některých eukaryot, jmenovitě Entamoeba histolytica , Aspergillus niger a Penicillum notatum . Kromě toho byly v kravských játrech nalezeny enzymy podobné 6-fosfoglukonát dehydratáze a CDPG-aldoláze , které se účastní syntézy hydroxyprolinu [3] . Entner-Doudoroffova dráha byla také popsána u některých fotosyntetických eukaryot, zejména u rozsivek Phaeodactylum tricornutum . V této řase probíhají reakční dráhy v mitochondriích . Možná přítomnost této varianty umožňuje řasám použít místo vysoce účinné cesty katabolismu glukózy, jejíž syntéza enzymů vyžaduje hodně energie (normální glykolýza), cestu s nižší účinností, ale také méně nákladnou v termíny syntézy enzymů, což může poskytnout určitou výhodu [11] .
V roce 2014 byl učiněn pokus zavést Entner-Doudoroffovu dráhu do buněk kvasinky Saccharomyces cerevisiae . Za tímto účelem byly v kvasinkových buňkách exprimovány E. coli 6-fosfoglukonát dehydratáza a CDPG-aldoláza . Pokus byl však neúspěšný: E. coli CDPG-aldoláza obsahující shluky železa a síry nemohla v kvasinkových buňkách normálně fungovat [12] .
Existují následující úpravy cesty Entner-Dudorov:
Mezi vědci nepanuje shoda, který z mechanismů oxidace glukózy (glykolýza nebo Entner-Doudoroffova dráha) se objevil jako první. Dříve se věřilo, že větší starobylost glykolýzy je doložena její extrémně širokou distribucí mezi všemi buněčnými formami života. Nyní, když je však zřejmé, že cesta Entner-Dudorov je také velmi rozšířená, nelze již tento argument brát v úvahu. Ve prospěch větší starobylosti Entner-Dudorovovy cesty svědčí fakt, že se vyskytuje u některých primitivních tuláků ( Zymomonas mobilis ). Navíc existence modifikací Entner-Doudoroffovy dráhy, ve které se přeměňují nefosforylované sloučeniny, naznačuje, že ji mohly použít první fermentory na Zemi [ 3] .
Existuje také názor, že Entner-Dudoroffova dráha se vyvinula spolu s aerobním dýcháním a Krebsovým cyklem jako prostředek pro rychlou tvorbu pyruvátu z cukrů. Přítomnost Entner-Dudoroffovy dráhy v obligátních fermentorech ( Zymomonas mobilis ) a obligátních anaerobech (klostridie) však tento předpoklad zpochybňuje [3] .
V současné době se Entner-Dudoroffova cesta začíná využívat v biotechnologiích pro vývoj nebo zvýšení účinnosti tvorby řady užitečných sloučenin. V roce 2015 byl tedy publikován článek popisující úspěšné zavedení dalších enzymů této dráhy z buněk Zymomonas mobilis do buněk E. coli . V důsledku toho se účinnost tvorby NADPH během této dráhy zvýšila 25krát. NADPH slouží jako kofaktor v biosyntéze řady cenných sloučenin, jako jsou izoprenoidy , deriváty mastných kyselin a biopolymery , proto mají metody pro zvýšení tvorby NADPH velký biotechnologický význam [15] . V jiné práci byla Entner-Doudoroffova dráha spolu se serinovou deaminační dráhou a pyruvátdehydrogenázovým komplexem použita ke zlepšení produkce poly-3-hydroxybutyrátu (biodegradabilní bioplast ) buňkami E. coli [16]. . Kombinace Entner-Doudoroffovy dráhy s 2-C-methyl-D-erytriol-4-fosfátovou dráhou umožňuje zvýšení produkce isoprenu v geneticky modifikovaných buňkách E. coli [17] .