Vía de Entner-Doudoroff

La vía de Entner-Doudoroff (vía ED) es una vía metabólica que es más notable en bacterias Gram-negativas , ciertas bacterias Gram-positivas y arqueas . ^[1] La glucosa es el sustrato en la vía ED y a través de una serie de reacciones químicas asistidas por enzimas se cataboliza en piruvato . Entner y Doudoroff (1952) y MacGee y Doudoroff (1954) informaron por primera vez la vía ED en la bacteria Pseudomonas saccharophila . ^[2] Si bien originalmente se pensó que era solo una alternativa a la glucólisis (EMP) y la vía de las pentosas fosfato (PPP) , algunos estudios ahora sugieren que el papel original de la EMP puede haber sido originalmente sobre el anabolismo y reutilizado con el tiempo para el catabolismo , lo que significa que la vía ED puede ser la vía más antigua. ^[3] Estudios recientes también han demostrado que la prevalencia de la vía ED puede ser más extendida de lo que se predijo inicialmente, con evidencia que respalda la presencia de la vía en cianobacterias , helechos , algas , musgos y plantas . ^[4] Específicamente, existe evidencia directa de que Hordeum vulgare utiliza la vía Entner-Doudoroff. ^[4]

Las características distintivas de la vía de Entner-Doudoroff son que:

• Utiliza las enzimas únicas 6-fosfogluconato deshidratasa aldolasa y 2-ceto-desoxi-6-fosfogluconato (KDPG) aldolasa y otras enzimas metabólicas comunes para otras vías metabólicas para catabolizar la glucosa en piruvato. ^[1]
• En el proceso de descomposición de la glucosa, se forma un rendimiento neto de 1 ATP por cada molécula de glucosa procesada, así como 1 NADH y 1 NADPH . En comparación, la glucólisis tiene un rendimiento neto de 2 moléculas de ATP y 2 moléculas de NADH por cada molécula de glucosa metabolizada. Esta diferencia en la producción de energía puede compensarse con la diferencia en la cantidad de proteína necesaria por vía. ^[5] 

Las arqueas tienen variantes de la vía de Entner-Doudoroff. Estas variantes se denominan DE semifosforilativa (spED) y DE no fosforilativa (npED): ^[6]

• La spED se encuentra en especies halófilas de Euryachaea y Clostridium ^{. [6]}
• En la DEp, la diferencia es donde ocurre la fosforilación . En la DEp estándar, la fosforilación ocurre en el primer paso de la glucosa a G-6-P. En la DEp, la glucosa se oxida primero a gluconato a través de una glucosa deshidrogenasa. A continuación, la gluconato deshidratasa convierte el gluconato en 2-ceto-3-desoxi-gluconato (KDG). El siguiente paso es donde ocurre la fosforilación cuando la quinasa KDG convierte KDG en KDPG. Luego, el KDPG se escinde en gliceraldehído 3-fosfato (GAP) y piruvato a través de la KDPG aldolasa y sigue la misma vía EMP que la DEp estándar. Esta vía produce la misma cantidad de ATP que la DEp estándar. ^[6]
• npED se encuentra en especies termoacidofílicas de Sulfolobus , Euryarchaeota Tp. acidophilum y Picrophilus ^{. [6]}
• En la npED, no hay fosforilación en absoluto. La vía es la misma que la spED, pero en lugar de que la fosforilación ocurra en KDG, KDG es escindida por GA y piruvato a través de KDG aldolasa. A partir de aquí, GA se oxida a través de GA deshidrogenasa en glicerato. El glicerato es fosforilado por la glicerato quinasa en 2PG. El 2PG luego sigue la misma vía que ED y se convierte en piruvato a través de ENO y PK. Sin embargo, en esta vía, no se produce ATP. ^[6]

Algunas arqueas, como Crenacraeota Sul . solfacaricus y Tpt. tenax, tienen lo que se denomina DE ramificado. En el DE ramificado, el organismo tiene DEp y DEnp, que son operativos y trabajan en paralelo.

Hay varias bacterias que utilizan la vía de Entner-Doudoroff para el metabolismo de la glucosa y no pueden catabolizar a través de la glucólisis (p. ej., carecen de enzimas glucolíticas esenciales como la fosfofructoquinasa , como se ve en Pseudomonas). ^[1] Los géneros en los que la vía es prominente incluyen bacterias Gram-negativas, ^{[ cita requerida ]} como se enumeran a continuación, bacterias Gram-positivas como Enterococcus faecalis , ^{[7] [ cita completa necesaria ] [ página necesaria ] [ mejor fuente necesaria ]} así como varias en Archaea , la segunda rama distinta de los procariotas (y el "tercer dominio de la vida", después de las Eubacteria procariotas y los eucariotas). ^[6] Debido al bajo rendimiento energético de la vía ED, las bacterias anaeróbicas parecen utilizar principalmente la glucólisis, mientras que los anaerobios aeróbicos y facultativos tienen más probabilidades de tener la vía ED. Se cree que esto se debe al hecho de que los anaerobios aeróbicos y facultativos tienen otras vías no glucolíticas para crear ATP, como la fosforilación oxidativa . Por lo tanto, la vía ED se ve favorecida debido a las menores cantidades de proteínas requeridas. Mientras que las bacterias anaeróbicas deben depender de la vía de la glucólisis para crear un mayor porcentaje de su ATP requerido, por lo tanto, su producción de 2 ATP es más favorecida que la producción de 1 ATP de la vía ED. ^[5]

Ejemplos de bacterias que utilizan esta vía son:

• Pseudomonas , ^[8] un género de bacterias Gram-negativas
• Azotobacter , ^[9] un género de bacterias Gram-negativas
• Rhizobium , ^[10] un género de bacterias gramnegativas asociadas a las raíces de las plantas y con actividad de diferenciación en ellas.
• Agrobacterium , ^[11] género de bacterias Gram-negativas, patógenas de plantas (oncogénicas), también de uso biotecnológico.
• Escherichia coli , ^[8] una bacteria Gram-negativa
• Enterococcus faecalis , ^[12] una bacteria Gram-positiva
• Zymomonas mobilis , ^{[ cita requerida ] un} anaerobio facultativo gramnegativo
• Xanthomonas campestris , ^[13] una bacteria Gram-negativa que utiliza esta vía como vía principal para proporcionar energía.

Hasta la fecha, hay evidencia de que los eucariotas utilizan esta vía, lo que sugiere que puede estar más extendida de lo que se creía anteriormente:

• Hordeum vulgare , la cebada utiliza la vía Entner-Duodoroff. ^[4]
• La especie modelo de diatomea Phaeodactylum tricornutum presenta genes funcionales de fosfogluconato deshidratasa y desoxifosfogluconato aldolasa en su genoma ^[14]

La vía de Entner-Doudoroff está presente en muchas especies de Archaea (advertencia, ver a continuación), cuyos metabolismos "se asemejan... en [su] complejidad a los de Bacteria y Eukarya inferiores", y a menudo incluyen tanto esta vía como la vía de Embden-Meyerhof-Parnas de la glucólisis, excepto que la mayoría de las veces son variantes únicas y modificadas. ^[6]

El primer paso en la DE es la fosforilación de la glucosa por una familia de enzimas llamadas hexoquinasas para formar glucosa 6-fosfato (G6P). Esta reacción consume ATP, pero actúa para mantener baja la concentración de glucosa, promoviendo el transporte continuo de glucosa hacia la célula a través de los transportadores de la membrana plasmática. Además, impide que la glucosa se escape al exterior: la célula carece de transportadores para G6P y se impide la difusión libre fuera de la célula debido a la naturaleza cargada de G6P. La glucosa también puede formarse a partir de la fosforólisis o hidrólisis del almidón o glucógeno intracelular.

En los animales , también se utiliza en el hígado una isoenzima de la hexoquinasa llamada glucoquinasa , que tiene una afinidad mucho menor por la glucosa (K _m cercana a la glucemia normal) y difiere en sus propiedades reguladoras. La diferente afinidad por los sustratos y la regulación alternada de esta enzima son un reflejo del papel del hígado en el mantenimiento de los niveles de azúcar en sangre.

Cofactores: Mg ²⁺

La G6P se convierte luego en 6- fosfogluconolactona en presencia de la enzima glucosa-6-fosfato deshidrogenasa ( una oxido-reductasa ) con la presencia de la coenzima nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADP ⁺ ), que se reducirá a nicotinamida adenina dinucleótido fosfato hidrógeno junto con un átomo de hidrógeno libre H ⁺ .

El 6PGL se convierte en ácido 6-fosfoglucónico en presencia de la enzima hidrolasa .

El ácido 6-fosfoglucónico se convierte en 2-ceto-3-desoxi-6-fosfogluconato (KDPG) en presencia de la enzima 6-fosfogluconato deshidratasa; en el proceso, se libera una molécula de agua al entorno.

El KDPG se convierte luego en piruvato y gliceraldehído-3-fosfato en presencia de la enzima KDPG aldolasa. En el caso del piruvato, la vía de la deshidrogenasa termina aquí y luego pasa a otras vías metabólicas (ciclo del ácido tricarboxílico, ciclo de la cadena de transporte, etc.).

El otro producto (gliceraldehído-3-fosfato) se convierte aún más al ingresar en la vía de la glucólisis , a través de la cual también se convierte en piruvato para un mayor metabolismo.

El G3P se convierte en 1,3-bisfosfoglicerato en presencia de la enzima gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa (una oxido-reductasa).

Los grupos aldehído de los azúcares triosas se oxidan y se les añade fosfato inorgánico , formándose 1,3-bisfosfoglicerato .

El hidrógeno se utiliza para reducir dos moléculas de NAD ⁺ , un transportador de hidrógeno, para dar NADH + H ⁺ para cada triosa.

El equilibrio del átomo de hidrógeno y el equilibrio de carga se mantienen porque el grupo fosfato (P _i ) en realidad existe en forma de anión fosfato de hidrógeno (HPO ₄ ²⁻ ), que se disocia para aportar el ion H ⁺ adicional y da una carga neta de -3 en ambos lados.

Este paso es la transferencia enzimática de un grupo fosfato del 1,3-bisfosfoglicerato al ADP por la fosfoglicerato quinasa , formándose ATP y 3-fosfoglicerato .

La fosfoglicerato mutasa isomeriza el 3-fosfoglicerato en 2-fosfoglicerato .

A continuación, la enolasa convierte el 2-fosfoglicerato en fosfoenolpiruvato . Esta reacción es una reacción de eliminación que implica un mecanismo E1cB .

Cofactores: 2 Mg ²⁺ : un ion "conformacional" para coordinar con el grupo carboxilato del sustrato, y un ion "catalítico" que participa en la deshidratación.

Una fosforilación final a nivel de sustrato forma una molécula de piruvato y una molécula de ATP por medio de la enzima piruvato quinasa . Esto sirve como un paso regulador adicional, similar al paso de la fosfoglicerato quinasa.

Cofactores: Mg ²⁺

• Bräsen C.; D. Esser; B. Rauch y B. Siebers (2014) "Metabolismo de carbohidratos en arqueas: conocimientos actuales sobre enzimas y vías inusuales y su regulación", Microbiol. Mol. Biol. Rev. 78 (1; marzo), págs. 89-175, DOI 10.1128/MMBR.00041-13, véase [4] o [5], consultado el 3 de agosto de 2015.
• Ahmed, H.; B. Tjaden; R. Hensel y B. Siebers (2004) "Vías Embden–Meyerhof–Parnas y Entner–Doudoroff en Thermoproteus tenax: ¿paralelismo metabólico o adaptación específica?", Biochem. Soc. Trans. 32 (2; 1 de abril), págs. 303–304, DOI 10.1042/bst0320303, véase [6], consultado el 3 de agosto de 2015.
• Conway T. (1992) "La vía de Entner-Doudoroff: historia, fisiología y biología molecular", FEMS Microbiol. Rev., 9 (1 de septiembre), págs. 1–27, véase [7], consultado el 3 de agosto de 2015.
• Snyder, L., Peters, JE, Henkin, TM y Champness, W. (2013). Genética molecular de bacterias. Sociedad Americana de Microbiología.