felépítési és lebontási folyamatok a prokariótákban
NAD(P)H + H + /FADH 2
7.2.1.4. Entner–Doudoroff–út
Az Entner-Doudoroff–út is a hexózok degradációját szolgálja (7.2/15. ábra). Ezt az archeákban és valódi baktériumokban egyaránt fellelhető reakciósort aPseudomonas saccharophila-t vizsgálva fedezték fel (1951). A folyamatot, aminek során egy molekula glükózból 2 piroszőlősav képződik, az alábbiak szerint összesíthetjük.
glükóz + ATP + Pi+ NADP++ NAD+→ 2 piruvát + 2 ATP + NAD(P)H + H++ NADH + H+ Az Entner-Doudoroff–út az Embden-Meyerhof-Parnas féle glikolízis alternatív útjának tekinthető.
Indítása mégis a pentóz-foszfát útéval azonos, miszerint a glükóz-6-foszfátot a glükóz-6-foszfát-dehidrogenáz oxidálja, miközben egy molekula NADP+redukálódik, és előbb 6-foszfo-glukonolakton, majd 6-foszfo-glukonsav képződik.
És itt tér el az Entner-Doudoroff-út, amikor is a glükonsav-6-foszfátból - a 6-foszfo-glukonsav-dehidratáz katalizise mellett - egy molekula víz elvonásával 2-keto-3-dezoxi-6-foszfoglükonsavat hoz létre:
Ezt a hatszénatomos savat a következő lépésben egy aldoláz piroszőlősavra és glicerinaldehid-3-foszfátra hasítja.
Az utóbbit aztán - az Embden-Meyerhof-Parnas-útba csatlakozva - a gikolízis enzimei piroszőlősavvá alakítják.
Az Entner-Doudoroff-út ily módon a glikolízis regulációs pontjait elkerülve képes triózfoszfátok képzésére.
7.2/15. ábra. Az Entner – Doudoroff –út folyamata
A teljessé vált ciklus ugyan mindkét esetben piroszőlősavat állít elő, mégis alapvető különbség, hogy glikolitikus úton a glükóz 3. és 4. szénatomja, míg az Entner-Doudoroff-út során a glükóz 1. és 4. szénatomja képezi a piruvuvát karboxilcsoportját (7.2/16. ábra).
7.2/16. ábra. A CO2képződés folyamata az Embden-Meyerhof-Parnas- (EMP) és az Entner-Doudoroff-út (ED) során
További különbség, hogy a reakciósor sztöchiometriáját tekintve, egy kiindulási glükóz molekulát számítva, az Embden-Meyerhof-Parnas-útban 2 molekula ATP és 2 molekula NADH + H+képződik, míg az Entner-Doudoroff-út során 1 ATP, 1 NADPH +H+és 1 molekula NADH + H+a nyereség.
Az bakteriális anyagcserében az Entner-Doudoroff-út különböző módosulásaival találkozhatunk.
1. Konstitutív lineáris út
AZymomonas mobilis, -amely a pentóz-foszfát-út kulcsenzimével, a 6-foszfoglukonsav-dehidrogenázzal nem rendelkezik - a hexózok katabolikus bontását, és így az anaerob fermentációját is kizárólag az Entner-Doudoroff-úton végzi. Ez az út biztosítja a sejt számára fontos prekurzorokat, valamint szubsztrátszintű foszforilációval az ATP-t. (7.2/17. ábra)
AZymomonas mobilisfruktózt és glükózt is bont ezen az úton. A szénhidrátok a membrán transzport során facilitált diffúzióval jutnak a sejtbe, ahol aztán egy ATP-dependens foszforilációt követően lépnek be az Entner-Doudoroff-útba.A fruktóz-6-foszfát egy foszfogluko-izomeráz katalizálta lépésben alakul glükóz-6-foszfáttá, amiből aztán 2 piroszőlősav képződik. Anaerob feltételek mellett, az alkoholos fermentáció során pedig a piruvát dehidrogenáz hatására, a piroszőlősavból egy CO2kilépésével acetalhehid, majd etilalkohol keletkezik. A folyamat során 1 glükózra számítva nettó 1 ATP képződik.
ANeisseria gonorrhoeaenál is fellelhető az Entner-Doudoroff-útnak ez a lineáris változata. De ennél a baktériumnál már kizárólag a glükóz szolgál energiaforrásként, és a sejt az Entner-Doudoroff- (87%), valamint a pentóz-foszfát-utat kombinálja a szénhidrát bontáskor.
7.2/17. ábra. Az Entner-Doudoroff út 1. változata: Konstitutív lineáris út a Zymomonas mobilis esetén 2.Indukálható lineáris út
Az Entner-Doudoroff–út számos esetben csak periférikus szerepet játszik a központi anyagcserében. AzEscherichia colipl. a glükóz bontásra az Embden-Meyerhof-Parnas-, vagy a pentóz-foszfát-utat, a glükonát asszimilációjára viszont az Entner-Doudoroff –utat használja (7.2/18. ábra). A glükonát aktív transzporttal (szimport, azaz két anyag irányú transzlokációjával) jut a sejtbe, ahol is a glukokináz katalizálta foszforilációt követően, mint 6-foszfo-glukonsav lép be az Entner-Doudoroff–útba. Itt aztán piroszőlősav képződik belőle, aminek a további bontása
mind anaerob módon a fermentáció irányában - mint azt aZymomonas mobilisnál is láthattuk - mind aerob úton, a TCA-ciklusba belépve megtörténhet.(XX. ábra). A savas funkciós csoportot tartalmazó cukrok (mint pl. a glükonát) degradációját a Clostridium-ok is ezen a líneáris Entner-Doudoroff–úton keresztül végzik.
7.2/18. ábra. Az Entner-Doudoroff út 2. változata: indukálható lineáris út az Escherichia coli esetén
3.Ciklikus út
APseudomonasok anyagcseréjében viszont központi szerepet tölt be az Entner-Doudoroff –út. Ezek a baktériumok ugyanis nem rendelkeznek a glikolízis első szakaszainak enzimeivel, mint például a fruktokinázzal, és energianyerésre így az Entner-Doudoroff–utat használják. (7.2/19. ábra)
A ciklikus Entner-Doudoroff–út a lineáris úttól a triózok szétválását követően tér el, amikor is a glicerinaldehid-3-foszfát átalakulása két irányban, a glikolízis és a glükoneogenezis irányában futhat.
Tehát a glicerinaldehid-3-foszfát egyrészt bekapcsolódhat az Embden-Meyerhof-Parnas-útba és ezen a lineáris reakciósoron végigfutva, egy ATP szintézise mellett piroszőlővavvá alakulhat. Másrészt ciklust alkotva, a glükoneogenezis irányába haladhat, amikor is a glicerinaldehid-3-foszfát a dihidroxiaceton-fosztáttal előbb fruktóz-1,6-difoszfáttá, majd fruktóz-6-foszfáttá és végezetül a kört bezárva, glükóz-6-fosztáttá alakul. Ez utóbbi három reakciót egy aldoláz, a fruktóz-difoszfatáz és a foszfo-glükóz-izomeráz katalizálja. Az Entner-Doudoroff-út ciklikus működésének lényege tehát, hogy a fenti enzimek katalízisével a három szénatomos cukorfoszfátokból glükóz regenerálható.
A fentieken túlmenően, aPseudomonas, Azotobacterés más genuszok tagjai, a glükózt előzetes foszforiláció nélkül még glükonsavvá, majd 6-foszfo-glükonsavvá, és 2-keto-3-deoxi-6-foszfoglükonsavvá oxidálhatják.
7.2/19. ábra. Az Entner-Doudoroff út 3. változata: indukálható ciklikus út az Pseudomonas aeruginosa esetén 4.Módosult Entner-Doudoroff-út
A glükóz bontásnak ezt a változatát elsőként aRhodobacter sphaeroidesnél írták le. (7.2/20. ábra)
Az Entner-Doudoroff-út első lépéseként, a glükóz itt is előzetes foszforiláció nélkül alakul glükonsavvá, majd a dehidrogenáz katalizálta lépésben 2-keto-3-deoxiglukonsavvá. És innen aztán két irányban ágazhat el az út.
Az egyikben a 2-keto-3-deoxiglukonsav foszforilálódik majd az így képződött 2-keto-3-dezoxi-6-foszfo-glukonsav egy aldoláz hatására piroszőlősavvá és glicerinaldehid-3-foszfáttá alakul. A továbbiakban aztán az Embden-Meyerhof-Parnas-úthoz csatlakozva, a glicerinaldehid-3-foszfátból is piroszőlősav lesz. Ez az út néhányClostridium fajra, mint például a Clostridium aceticumra, valamint az Archaea birodalomba tartozó Halobacterium saccharovorumra jellemző.
A másik változat, amikor is a 2-keto-3-deoxiglukonsavból – mindennemű foszforiláció nélkül - egy aldoláz hasításával piroszőlősav és glicerinaldehid szintetizálódik. Az utóbbi aztán egy dehidrogenáz, majd egy kináz
hatására előbb glicerinsavvá, majd 2-foszfo-glicerinsavvá alakul, s lép be a glikolízis folyamatába. Ez a verziót az Archaeak közé tartozóSulfolobus solfataricusés aThermoplasma acidophilumfajoknál mutatták ki.
7.2/20. ábra. Az Entner-Doudoroff út 4. változata: módosult Entner-Doudoroff út
Az Entner-Doudoroff-út tehát széles körben elterjedt a baktériumok között. Ez a katabolikus reakciósor egyrészt anyagcsere köztitermékeket (intermediereket), másrészt szubsztrát szintű foszforilációval ATP-t képez, energiát biztosít a sejt számára. Kulcsenzime a redukáló képességet biztosító dehidrogenáz, ami egyes esetekben, - mint például aZymomonas mobilisésPseudomonas aeruginosanál - mind NAD+-ot, mind NADP+-t redukálhat, míg más baktériumoknál, mint pl. azEscherichia coli-nál szigorúan NADP+specifikus.
Az Embden-Meyerhof-Parnas-út, a pentóz-foszfát-út és az Entner-Doudoroff-út működése, jelenléte, vagy éppen hiánya, az egyes mikroorganizmusok anyagcsere rendszerének, enzimkészletének, valamint a környezeti feltételek függvényében nagyon változó lehet. Erre láthatunk néhány példát a7.2/2. táblázatban.
7.2/2. táblázat. Az Embden-Meyerhof-Parnas-(EMP), a pentóz-foszfát-(PF), és az Entner-Doudoroff (ED) út százalékos megoszlása 9 baktérium faj esetén (Szentirmai, 2000)
Entner-Doudoroff út
A fentiek jól tükrözik, hogy a különböző szénhidrátok bontási, illetve hasznosítási folyamatainak kezdeti lépéseinél számos anyagcsereút jöhet számításba. Ugyanakkor valamennyi szénhidrát bontásának eredményeként piroszőlősav képződik. Ebből aztán anaerob viszonyok között a fermentáció irányába terelődik a szénhidrátok lebontása. Aerob feltételek mellett pedig a piroszőlősav acetil-koenzimA-vá oxidálódik és ebben az alakban lép be a citrát ciklusba.
A piroszőlősav oxidációja
A prokarióta sejtekben aerob feltételek között a piroszőlősav oxidálódik, és ennek eredményeként az anyagcsere egyik legfontosabb intermedier vegyülete, acetil-koenzimA (KoASH) jön létre.
A reakciót több köztilépésen át a piruvát dehidrogenáz enzimkomplex katalizálja. A komplexet három enzim (E1, E2, E3) és öt koenzim (TPP, lipoamid, KoASH, FAD, NAD) alkotja. A koenzimek közül a NAD+ és a KoA szöchiometrikus kofaktor, míg a tiaminopirofoszfát, a liponsav és a FAD katalitikus kofaktorok. Ez utóbbiak a folyamat során regenerálódnak (7.2/3. táblázat).
7.2/3. táblázat. Az E. coli-ból kimutatott piruvát-dehidrogenáz enzimkomplex és az általuk katalizált reakciók
acetil csoport szállítása a koA-hoz Lipoamid
A piruvát dehidrogenáz először - a tiaminpirofoszfát közreműködésével - egy CO2–t hasít le a piroszőlősavról.
Az így létrejött dekarboxilációs termék aztán a liponsavamidra kerül, miközben egy oxidációs folyamattal két elektront veszít. Ezt követően az acetil csoport egy koenzimA-hoz kötődik, és létrejön az acetil-KoA. Az utolsó két lépés a regenerációs szakasz, amikor is a liponsavamidot a FAD, míg az így keletkezett FADH2-t a NAD+ oxidálja. (7.2/21. ábra)
7.2/21. ábra. A piruvát dehidrogenáz enzimkomplex működése