Embden–Meyerhof–Parnas Dráhy

Glykolýza lze obecně definovat jako získávání energie cestou, která má za následek štěpení a hexóza (glukóza) do triose (pyruvát). Ačkoli termín je často považována za synonyma s Embden–Meyerhof–Parnas (EMP) cestou, jiné glycolytic cesty existují, mezi nimi Entner–Doudoroff cestu, která pokračuje přes glukonové střední a složitých přestaveb, které pokračují přes pentóza intermediate (Obrázek 1).

Obrázek 1. Glykolytické dráhy Escherichia coli. Cesta nejdále vlevo je cesta Emden-Meyerhof-Parnas; nejvzdálenější vpravo je cesta Entner-Doudoroff. Geny, které kódují hlavní enzymy cest, jsou uvedeny kurzívou. Tučné šipky označují výrobu nebo spotřebu vysokoenergetických vazeb (ve formě ATP nebo PEP) nebo snížení výkonu (jako NADH nebo NADPH). Zakřivená, tučná čára v horní části obrázku představuje cytoplazmatickou membránu; reakce nad touto zakřivenou čárou se vyskytují v periplasmě, ty pod ní se vyskytují v cytoplazmě.

cesta EMP je přítomna v organismech ze všech větví bakterií, archaea a eukarya. Je zřejmé, že se jedná o časnou evoluční adaptaci, pravděpodobně přítomnou v předku všech současných forem života. To naznačuje, že cesta EMP se vyvinula v anaerobním, fermentačním světě. Cesta však také účinně funguje jako základ pro aerobní dýchání glukózy. Rozdíly mezi fermentací a dýcháním spočívají převážně v rozdílných osudech produkovaného pyruvátu (viz dále). Pro jednoduchost, tato diskuse se zaměřuje na cestu EMP u známé bakterie Escherichia coli, i když základní rysy cesty jsou téměř univerzální.

před zahájením metabolismu glukózy musí být transportován do buňky a fosforylován. V E. coli jsou tyto dva procesy úzce spojeny tak, že glukóza je fosforylována fosfotransferázovým systémem (PTS) při průchodu do buňky. Protože glukóza-6-fosfát (G-6-P), stejně jako většina, ne-li všechny fosfáty cukru, je toxický při vysokých buněčných koncentracích, je tento transportní proces přísně regulován. Transkripce transportního genu specifického pro glukózu, ptsG, je maximální pouze tehdy, když se hromadí cyklický adenosinmonofosfát (cAMP) (omezení signální energie). Kromě toho je translace ptsg messengerové RNA (mRNA) inhibována malými RNA sgrS, která se vytváří, když se hromadí G-6-P. Proto je dovoz a souběžná fosforylace na G-6-P snížena vždy, když je poptávka po více energii nízká nebo koncentrace G-6-P je nebezpečně vysoká.

v nepřítomnosti ptsg proteinu mohou transportovat a fosforylovat glukózu i další transportéry spojené s PTS, zejména transportér specifický pro manózu, ManXYZ. Mutanti ptsG však rostou pomaleji na glukóze než na kmenech divokého typu. Volná glukóza se také může akumulovat intracelulárně z degradace oligosacharidů obsahujících glukózu, jako je laktóza nebo maltóza. Vstup intracelulární glukózy do dráhy EMP probíhá prostřednictvím hexokinázy kódované genem glk.

další dva kroky v cestě EMP připraví G-6-P pro štěpení na dva fosforečnany triosy. Nejprve reverzibilní izomeráza fosfoglukózy (Gen pgi) převádí G-6-P na fruktózu-6-fosfát. Mutant pgi může stále růst pomalu na glukóze pomocí jiných glykolytických drah (viz dále), ale cesta EMP je blokována v mutantu pgi. Výsledný fruktóza-6-fosfát je dále fosforylován na C1 pozici na fruktóza-1,6,-bisphosphate na úkor adenosin trifosfát (ATP) phosphofructokinase kódovány pfkA. Druhý menší isozym fosfofruktokinázy kódovaný pfkB umožňuje pomalý růst mutantů pfkA. Potenciálně konkurenční sada fosfatáz, že odstranit C1 fosfátu z fruktosa-1,6,-bisphosphate funkce během glukoneogeneze, ale jsou kontrolovány během glykolýzy pomocí různých mechanismů zpětné vazby, aby se zabránilo zbytečné jízda na kole.

Další reakcí v dráze je štěpení fruktózy-1,6-bisfosfátu na dva fosforečnany triózy, které dávají dráze její název (glykolýza = rozbití cukru). Tento reverzibilní reakce se provádí fruktóza bisphosphate aldolázy (fbaA gen) a výnosy dihydroxyaceton fosfát (DHAP) a glyceraldehyd-fosfát (GAP) jako produkty. Druhá nesouvisející aldoláza (Gen fbaB) se vytváří pouze během glukoneogeneze, a proto nehraje žádnou roli v glykolýze. Tyto dva fosforečnany triosy jsou volně intekonvertovatelné triosefosfátovou isomerázou (Gen tpi). DHAP je klíčovým substrátem pro biosyntézu lipidů. GAP je důležitý uzel v glykolýze; dvě další běžné glykolytické dráhy (viz níže) se připojují k EMP dráze v GAP.

Až do tohoto bodu, EMP dráhy může být považováno za biosyntetické dráhy, protože to přináší tři klíčové biosyntetické stavební bloky (G-6-P fruktóza-6-fosfát, a DHAP) na úkor ATP a bez oxidačních stupňů. Dalším krokem je oxidační fosforylace GAP na kyselinu 1,3-difosfoglycerovou, vysokoenergetickou sloučeninu. Inkorporace anorganického fosfátu GAP dehydrogenázou (GAPA gen) je spojena s redukcí NAD + na NADH. Za aerobních podmínek se tento NADH reoxiduje pomocí respiračního řetězce, aby se získal ATP. Za anaerobních podmínek se tento NADH reoxiduje vazbou na redukci produktů získaných z pyruvátu nebo jiných meziproduktů dráhy EMP. Enzym fosfoglycerát kinázy (pgk gen), pak fosforyluje adenosin difosfát (ADP) na ATP na úkor C1 fosfátu z 1,3-diphosphoglycerate. Toto je první ze dvou substrátu úrovni fosforylace, kde fosfát je přenesen z vysoce reaktivního substrátu přímo na ADP bez zapojení membrány ATP syntázy.

další dva kroky uspořádat výsledný 3-fosfoglycerát na poslední high-energie střední cesty, fosfoenolpyruvátu (PEP). Nejprve se fosfát přenáší z polohy C3 do polohy C2 fosfoglycerátovou mutázou. Tam jsou dvě evolučně nepříbuzné izoenzymy, z nichž jeden (kódované gpmA gen) vyžaduje 2,3-bisfosfoglycerát jako kofaktor a další (gpmM gen) není. Ačkoli E. coli, Bacillus subtilis a některé další bakterie mají oba izozymy, mnoho organismů má pouze jednu nebo druhou. Například kvasinky Saccharomyces cerevisiae, bakterie Mycobacterium tuberculosis, a všichni obratlovci mají pouze kofaktor-dependentní enzym, vzhledem k tomu, že vyšší rostliny, archaea a bakterie Pseudomonas syringae mít pouze kofaktor-nezávislé enzymu. Zdá se, že třetí isozym (gen ytjC) existuje v E. coli, i když jeho role je méně jasná.

přeskupený 2-fosfoglycerát se potom dehydratuje enolázou (eno Gen), čímž se získá klíčový meziprodukt, PEP. Ačkoli pyruvát je obecně považován za konečný produkt cesty EMP, lze tvrdit, že PEP tuto čest sdílí. PEP je konečným zdrojem fosfátu pro transport/fosforylaci glukózy zprostředkovanou PtsG, která iniciuje cestu. Kromě toho, enzym enolázy je nutné část degradasome, který funguje s malými RNA sgrS (popsáno dříve), že inhibují překlad ptsG mRNA a stimulovat odbourávání ptsG mRNA. To snižuje generace jinak toxické hromadění G-6-P.

je třeba poznamenat, že PEP je pobočkou bod za aerobních a anaerobních podmínek. Na karboxylaci PEP by PEP carboxylase ppc (gen) poskytuje oxalacetátu, který kondenzuje s acetyl-CoA pocházející z pyruvátu tvoří citrát pro běh obou trikarboxylová (KREBSOVA) cyklu a glyoxylát shunt aerobně. Během fermentace je stejný oxaloacetát meziproduktem v redukční (nad regenerační) cestě k sukcinátu. Kromě toho se oxaloacetát odvozený od PEP používá (prostřednictvím části cyklu TCA) pro biosyntézu kyseliny glutamové i za anaerobních podmínek.

Poslední reakcí je fosforylace ADP na úrovni substrátu na ATP na úkor PEP za vzniku pyruvátu. Dva izoenzym pyruvátkinázy (pykA a pykF geny) jsou aktivovány cukru fosforečnany a produkt z pykF genu ukazuje pozitivní kooperativita s ohledem na substrátu PEP, opět tendenci, aby se zabránilo hromadění tohoto fosforylovaný meziprodukt a tím předcházet vzniku více G-6-P prostřednictvím PEP-dependentní PtsG dopravní mechanismus.

na konci dráhy EMP se 1 mol glukózy převede na 2 mol pyruvátu, který lze použít pro další katabolismus nebo pro biosyntézu. Poskytuje také 2 mol ATP a 2 mol NADH (které musí být reoxidovány, aby dráha mohla pokračovat v provozu). Protože dráha vytváří několik toxických meziproduktů, není divu, že tok cestou je přísně regulován. Enzymy dráhy rychle reagují na změny nabídky a poptávky inhibicí zpětné vazby a substrátovou aktivací enzymových aktivit. Reagují také (pomaleji) transkripční regulací genové exprese v reakci na globální regulátory, které se liší od organismu k organismu.

cesta EMP funguje tak, že generuje jak biosyntetické meziprodukty, tak katabolickou energii z glukózy. Slouží však také jako centrální kmenová linie, do které se přivádí mnoho dalších katabolických drah. G-6-P fruktóza-6-fosfát, DHAP, a MEZERY jsou společné spojovací body, kde katabolické dráhy pro cukry, alkoholy, tuky, a organické kyseliny krmiva do EMP dráhy.