Der Embden–Meyerhof–Parnas-Weg

Die Glykolyse kann allgemein als ein Energie liefernder Weg definiert werden, der zur Spaltung einer Hexose (Glucose) zu einer Triose (Pyruvat) führt. Obwohl der Begriff oft als Synonym für den Embden–Meyerhof–Parnas (EMP) –Weg verstanden wird, gibt es andere glykolytische Wege, darunter den Entner-Doudoroff-Weg, der über ein Gluconsäure-Intermediat verläuft, und einen komplexen Satz von Umlagerungen, die über ein Pentose-Intermediat ablaufen (Abbildung 1).

Abbildung 1. Die glykolytischen Wege von Escherichia coli. Der am weitesten links gelegene Weg ist der Emden-Meyerhof-Parnas-Weg; der am weitesten rechts gelegene ist der Entner-Doudoroff-Weg. Die Gene, die für die wichtigsten Enzyme der Signalwege kodieren, sind kursiv dargestellt. Fette Pfeile zeigen die Produktion oder den Verbrauch von hochenergetischen Bindungen (in Form von ATP oder PEP) oder die Verringerung der Leistung (als NADH oder NADPH) an. Die gekrümmte, fette Linie am oberen Rand der Abbildung stellt die Zytoplasmamembran dar; Reaktionen oberhalb dieser gekrümmten Linie treten im Periplasma auf, die darunter im Zytoplasma.

Der EMP-Signalweg ist in Organismen aus allen Zweigen der Bakterien, Archaeen und Eukarya vorhanden. Dies ist eindeutig eine frühe evolutionäre Anpassung, die wahrscheinlich im Vorfahren aller gegenwärtigen Lebensformen vorhanden ist. Dies deutet darauf hin, dass sich der EMP-Weg in einer anaeroben, fermentativen Welt entwickelt hat. Der Weg funktioniert jedoch auch effizient als Grundlage für die aerobe Atmung von Glukose. Die Unterschiede zwischen Fermentation und Atmung liegen weitgehend in den unterschiedlichen Schicksalen des erzeugten Pyruvats (siehe später). Der Einfachheit halber konzentriert sich diese Diskussion auf den EMP-Signalweg im bekannten Bakterium Escherichia coli, obwohl die grundlegenden Merkmale des Signalwegs nahezu universell sind.

Bevor der Glukosestoffwechsel beginnt, muss er in die Zelle transportiert und phosphoryliert werden. In E. coli sind diese beiden Prozesse eng miteinander gekoppelt, so dass die Glucose beim Eintritt in die Zelle durch das Phosphotransferase-System (PTS) phosphoryliert wird. Da Glucose-6-phosphat (G-6-P), wie die meisten, wenn nicht alle Zuckerphosphate, in hohen zellulären Konzentrationen toxisch ist, ist dieser Transportprozess streng reguliert. Die Transkription des glucose-spezifischen Transportergens ptsG ist nur dann maximal, wenn sich cyclisches Adenosinmonophosphat (cAMP) (Signalenergiebegrenzung) ansammelt. Darüber hinaus wird die Translation von ptsG-Boten-RNA (mRNA) durch die kleine RNA sgrS gehemmt, die bei der Akkumulation von G-6-P entsteht. Somit wird der Import und die begleitende Phosphorylierung zu G-6-P reduziert, wenn der Bedarf an mehr Energie gering ist oder die Konzentration von G-6-P gefährlich hoch ist.In Abwesenheit eines PtsG-Proteins können auch andere PTS-gebundene Transporter, insbesondere der Mannose-spezifische Transporter ManXYZ, Glucose transportieren und phosphorylieren. ptsG-Mutanten wachsen jedoch langsamer auf Glukose als auf Wildtyp-Stämmen. Freie Glucose kann sich auch intrazellulär aus dem Abbau von glucosehaltigen Oligosacchariden wie Lactose oder Maltose anreichern. Der Eintritt von intrazellulärer Glucose in den EMP-Weg erfolgt über eine Hexokinase, die vom glk-Gen codiert wird.

Die nächsten beiden Schritte im EMP-Weg bereiten das G-6-P für die Spaltung in zwei Triosephosphate vor. Zunächst wandelt eine reversible Phosphoglucose-Isomerase (pgi-Gen) G-6-P in Fructose-6-phosphat um. Eine PGI-Mutante kann immer noch langsam auf Glukose wachsen, indem sie andere glykolytische Wege verwendet (siehe später), aber der EMP-Weg ist in einer pgi-Mutante blockiert. Das resultierende Fructose-6-phosphat wird weiter an der C1-Position zu Fructose-1,6,-bisphosphat auf Kosten von Adenosintriphosphat (ATP) durch eine von pfkA kodierte Phosphofructokinase phosphoryliert. Ein zweites kleines Isozym der Phosphofructokinase, das von pfkB kodiert wird, ermöglicht ein langsames Wachstum von pfkA-Mutanten. Ein potenziell konkurrierender Satz von Phosphatasen, die das C1-Phosphat aus Fructose-1,6,-Bisphosphat entfernen, funktionieren während der Glukoneogenese, werden jedoch während der Glykolyse durch eine Vielzahl von Rückkopplungsmechanismen gesteuert, um ein vergebliches Radfahren zu verhindern.

Die nächste Reaktion auf dem Weg ist die Spaltung von Fructose-1,6-Bisphosphat zu zwei Triose-Phosphaten, die dem Weg seinen Namen gibt (Glykolyse = Zuckerbruch). Diese reversible Reaktion wird durch Fructose-Bisphosphat-Aldolase (fbaA-Gen) durchgeführt und liefert als Produkte Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) und Glyceraldehydphosphat (GAP). Eine zweite, nicht verwandte Aldolase (fbaB-Gen) wird nur während der Glukoneogenese gebildet und spielt daher keine Rolle bei der Glykolyse. Die beiden Triose-Phosphate sind über die Triosephosphat-Isomerase (tpi-Gen) frei interkonvertierbar. DHAP ist ein Schlüsselsubstrat für die Lipidbiosynthese. GAP ist ein wichtiger Knoten in der Glykolyse; Zwei andere gemeinsame glykolytische Wege (siehe unten) verbinden den EMP-Weg bei GAP.Bis zu diesem Punkt kann der EMP-Weg als biosynthetischer Weg angesehen werden, da er drei wichtige biosynthetische Bausteine (G-6-P, Fructose-6-phosphat und DHAP) auf Kosten von ATP und ohne oxidative Schritte liefert. Der nächste Schritt ist die oxidative Phosphorylierung von GAP zu 1,3-Diphosphoglycerinsäure, einer energiereichen Verbindung. Der Einbau von anorganischem Phosphat durch GAP-Dehydrogenase (gapA-Gen) ist mit der Reduktion von NAD + zu NADH gekoppelt. Unter aeroben Bedingungen wird dieses NADH unter Verwendung der Atmungskette zu ATP reoxidiert. Unter anaeroben Bedingungen wird dieses NADH durch Kopplung an die Reduktion von Produkten, die von Pyruvat oder anderen EMP-Pathway-Zwischenprodukten abgeleitet sind, reoxidiert. Das Enzym Phosphoglyceratkinase (pgk-Gen) phosphoryliert dann Adenosindiphosphat (ADP) zu ATP auf Kosten des C1-Phosphats von 1,3-Diphosphoglycerat. Dies ist die erste von zwei Phosphorylierungen auf Substratebene, bei denen Phosphat von einem hochreaktiven Substrat direkt auf ADP übertragen wird, ohne dass die Membran-ATP-Synthase beteiligt ist.

Die nächsten zwei Schritte ordnen das resultierende 3-Phosphoglycerat zum letzten energiereichen Zwischenprodukt des Weges, Phosphoenolpyruvat (PEP), um. Zunächst wird das Phosphat durch eine Phosphoglycerat-Mutase von der C3-Position in die C2-Position transferiert. Es gibt zwei evolutionär nicht verwandte Isozyme, von denen eines (kodiert durch das gpmA-Gen) ein 2,3-Bisphosphoglycerat als Cofaktor benötigt und das andere (gpmM-Gen) nicht. Obwohl E. coli, Bacillus subtilis und einige andere Bakterien beide Isozyme haben, haben viele Organismen nur das eine oder das andere. Zum Beispiel haben die Hefe Saccharomyces cerevisiae, das Bakterium Mycobacterium tuberculosis und alle Wirbeltiere nur das Cofaktor-abhängige Enzym, während höhere Pflanzen, die Archaeen und das Bakterium Pseudomonas syringae nur das Cofaktor-unabhängige Enzym haben. Ein drittes Isozym (ytjC-Gen) scheint in E. coli zu existieren, obwohl seine Rolle weniger klar ist.

Das umgelagerte 2-Phosphoglycerat wird dann durch eine Enolase (Eno-Gen) dehydriert, um das Schlüsselintermediat PEP zu erhalten. Obwohl Pyruvat allgemein als Endprodukt des EMP-Weges angesehen wird, kann argumentiert werden, dass PEP diese Ehre teilt. PEP ist die ultimative Phosphatquelle für den PtsG-vermittelten Transport / die Phosphorylierung von Glucose, die den Weg einleitet. Darüber hinaus ist das Enzym Enolase ein erforderlicher Teil des Degradasoms, das mit den kleinen RNA-sgrS (früher beschrieben) arbeitet, um die Translation von ptsG-mRNA zu hemmen und den Abbau von ptsG-mRNA zu stimulieren. Dies reduziert die Erzeugung der ansonsten toxischen Akkumulation von G-6-P.

Es ist erwähnenswert, dass PEP sowohl unter aeroben als auch unter anaeroben Bedingungen ein Verzweigungspunkt ist. Die Carboxylierung von PEP durch PEP-Carboxylase (PPC-Gen) liefert Oxalacetat, das mit dem von Pyruvat abgeleiteten Acetyl-CoA zu Citrat kondensiert, um sowohl den Tricarbonsäure- (TCA) -Zyklus als auch den Glyoxylat-Shunt aerob auszuführen. Während der Fermentation ist dasselbe Oxalacetat ein Zwischenprodukt auf dem reduktiven (NAD-regenerierenden) Weg zu Succinat. Darüber hinaus wird das PEP-abgeleitete Oxalacetat (über einen Teil des TCA-Zyklus) für die Biosynthese von Glutaminsäure auch unter anaeroben Bedingungen verwendet.

Die letzte Reaktion ist eine Phosphorylierung auf Substratebene von ADP zu ATP auf Kosten von PEP zu Pyruvat. Die beiden Isozyme der Pyruvatkinase (pykA- und pykF-Gene) werden durch Zuckerphosphate aktiviert und das Produkt des pykF-Gens zeigt eine positive Kooperativität gegenüber dem Substrat PEP, was wiederum dazu neigt, eine Akkumulation dieses phosphorylierten Intermediats zu verhindern und somit die Erzeugung von mehr G-6-P über den PEP-abhängigen PtsG-Transportmechanismus zu verhindern.

Am Ende des EMP-Weges wird 1 mol Glucose in 2 mol Pyruvat umgewandelt, das für den weiteren Katabolismus oder für die Biosynthese verwendet werden kann. Es ergibt auch 2 mol ATP und 2 mol NADH (die reoxidiert werden müssen, damit der Weg weiter funktioniert). Da der Weg mehrere toxische Zwischenprodukte erzeugt, ist es nicht verwunderlich, dass der Fluss durch den Weg streng reguliert ist. Die Enzyme des Signalwegs reagieren schnell auf Schwankungen von Angebot und Nachfrage durch Rückkopplungshemmung und Substrataktivierung von Enzymaktivitäten. Sie reagieren auch (langsamer) durch Transkriptionsregulation der Genexpression als Reaktion auf globale Regulatoren, die von Organismus zu Organismus variieren.

Der EMP-Signalweg erzeugt sowohl biosynthetische Zwischenprodukte als auch katabolische Energie aus Glukose. Es dient jedoch auch als zentrale Hauptleitung, in die viele andere katabole Pfade einspeisen. G-6-P, Fructose-6-Phosphat, DHAP und GAP sind häufige Knotenpunkte, an denen katabole Wege für Zucker, Alkohole, Fette und organische Säuren in den EMP-Weg münden.