La vía Embden–Meyerhof–Parnas

La glucólisis puede definirse ampliamente como una vía de producción de energía que resulta en la escisión de una hexosa (glucosa) a una triosa (piruvato). Aunque el término a menudo se toma como sinónimo de la vía Embden–Meyerhof–Parnas (EMP), existen otras vías glucolíticas, entre ellas la vía Entner–Doudoroff que procede a través de un intermedio de ácido glucónico y un complejo conjunto de reordenamientos que proceden a través de un intermedio de pentosa (Figura 1).

la Figura 1. Las vías glicolíticas de Escherichia coli. El camino más a la izquierda es el camino Emden-Meyerhof-Parnas; el más a la derecha es el camino Entner-Doudoroff. Los genes que codifican las enzimas principales de las vías se muestran en cursiva. Las flechas en negrita indican la producción o el consumo de enlaces de alta energía (en forma de ATP o PEP) o potencia reductora (como NADH o NADPH). La línea curvada y en negrita cerca de la parte superior de la figura representa la membrana citoplasmática; las reacciones por encima de esa línea curva se producen en el periplasma, las que están por debajo se producen en el citoplasma.

La vía EMP está presente en organismos de todas las ramas de las bacterias, arqueas y eukarya. Claramente, esta es una adaptación evolutiva temprana, probablemente presente en el ancestro de todas las formas de vida actuales. Esto sugiere que la vía EMP evolucionó en un mundo anaeróbico y fermentativo. Sin embargo, la vía también funciona de manera eficiente como la base para la respiración aeróbica de la glucosa. Las diferencias entre la fermentación y la respiración se encuentran en gran medida en los diferentes destinos del piruvato producido (ver más adelante). Para simplificar, esta discusión se centra en la vía del pulso electromagnético en la conocida bacteria Escherichia coli, aunque las características básicas de la vía son casi universales.

Antes de que comience el metabolismo de la glucosa, debe transportarse a la célula y fosforilarse. En E. coli, estos dos procesos están íntimamente acoplados de tal manera que la glucosa es fosforilada por el sistema fosfotransferasa (PTS) a medida que pasa a la célula. Dado que la glucosa-6-fosfato (G-6-P), como la mayoría si no todos los fosfatos de azúcar, es tóxica a altas concentraciones celulares, este proceso de transporte está estrechamente regulado. La transcripción del gen transportador específico de glucosa, ptsG, es máxima solo cuando se acumula el monofosfato cíclico de adenosina (cAMP) (limitación de energía de señalización). Además, la traducción del ARN mensajero ptsG (ARNm) es inhibida por los pequeños ARN SGRs, que se producen cuando se acumula G-6-P. Por lo tanto, la importación y la fosforilación concomitante a G-6-P se reduce cuando la demanda de más energía es baja o la concentración de G-6-P es peligrosamente alta.

En ausencia de una proteína PtsG, otros transportadores vinculados al PTS, especialmente el transportador específico de manosa, ManXYZ, también pueden transportar y fosforilar glucosa. Sin embargo, los mutantes ptsG crecen más lentamente en la glucosa que en cepas de tipo salvaje. La glucosa libre también puede acumularse intracelularmente por la degradación de oligosacáridos que contienen glucosa, como la lactosa o la maltosa. La entrada de glucosa intracelular en la vía EMP ocurre a través de una hexoquinasa codificada por el gen glk.

Los siguientes dos pasos de la vía EMP preparan el G-6-P para la escisión en dos fosfatos triosos. En primer lugar, una fosfoglucosa isomerasa reversible (gen igp) convierte la G-6-P en fructosa-6-fosfato. Un mutante de pgi puede crecer lentamente en glucosa usando otras vías glicolíticas (ver más adelante), pero la vía EMP está bloqueada en un mutante de pgi. La fructosa-6-fosfato resultante es fosforilada en la posición C1 a fructosa-1,6, – bisfosfato a expensas del trifosfato de adenosina (ATP) por una fosfofructocinasa codificada por pfkA. Una segunda isoenzima menor de fosfofructocinasa codificada por pfkB permite un crecimiento lento de mutantes pfkA. Un conjunto potencialmente competidor de fosfatasas que eliminan el fosfato C1 de la fructosa-1,6,-bisfosfato funciona durante la gluconeogénesis, pero se controla durante la glucólisis mediante una variedad de mecanismos de retroalimentación para evitar ciclos inútiles.

La siguiente reacción en la vía es la escisión de fructosa-1,6-bisfosfato en dos fosfatos de triosa que le dan su nombre a la vía (glicólisis = rotura del azúcar). Esta reacción reversible es llevada a cabo por la fructosa bisfosfato aldolasa (gen fbaA) y produce fosfato de dihidroxiacetona (DHAP) y fosfato de gliceraldehído (GAP) como productos. Una segunda aldolasa no relacionada (gen fbaB) se produce solo durante la gluconeogénesis y, por lo tanto, no desempeña ningún papel en la glucólisis. Los dos fosfatos de triosa son libremente interconvertibles a través de la triosefosfato isomerasa (gen tpi). La DHAP es un sustrato clave para la biosíntesis de lípidos. GAP es un nodo importante en la glucólisis; otras dos vías glucolíticas comunes (ver a continuación) se unen a la vía EMP en GAP.

Hasta este punto, la vía EMP puede considerarse como una vía biosintética, ya que produce tres bloques de construcción biosintéticos clave (G-6-P, fructosa-6-fosfato y DHAP) a expensas del ATP y sin ningún paso oxidativo. El siguiente paso es la fosforilación oxidativa de GAP a ácido 1,3-difosfoglicérico, un compuesto de alta energía. La incorporación de fosfato inorgánico por la deshidrogenasa GAP (gen gapA) se acopla a la reducción de NAD+ a NADH. En condiciones aeróbicas, este NADH es reoxidado usando la cadena respiratoria para producir ATP. En condiciones anaeróbicas, este NADH es reoxidado mediante el acoplamiento a la reducción de productos derivados del piruvato u otros intermedios de la vía EMP. La enzima fosfoglicerato quinasa (gen pgk) fosforila el difosfato de adenosina (ADP) a ATP a expensas del fosfato C1 de 1,3-difosfoglicerato. Esta es la primera de dos fosforilaciones a nivel de sustrato en las que el fosfato se transfiere de un sustrato altamente reactivo directamente al ADP sin la participación de la ATP sintasa de membrana.

Los dos pasos siguientes reorganizan el 3-fosfoglicerato resultante al último intermedio de alta energía de la vía, el fosfoenolpiruvato (PEP). En primer lugar, el fosfato se transfiere de la posición C3 a la posición C2 mediante una fosfoglicerato mutasa. Hay dos isoenzimas no relacionadas evolutivamente, una de las cuales (codificada por el gen gpmA) requiere un 2,3-bisfosfoglicerato como cofactor y la otra (gen gpmM) no. Aunque E. coli, Bacillus subtilis y algunas otras bacterias tienen ambas isoenzimas, muchos organismos solo tienen una u otra. Por ejemplo, la levadura Saccharomyces cerevisiae, la bacteria Mycobacterium tuberculosis y todos los vertebrados solo tienen la enzima dependiente del cofactor, mientras que las plantas superiores, las archaea y la bacteria Pseudomonas syringae solo tienen la enzima independiente del cofactor. Una tercera isoenzima (gen ytjC) parece existir en E. coli, aunque su papel es menos claro.

El 2-fosfoglicerato reorganizado es deshidratado por una enolasa (gen eno) para producir el intermediario clave, el PEP. Aunque el piruvato se considera generalmente como el producto final de la vía del pulso electromagnético, se puede argumentar que el PEP comparte ese honor. El PEP es la fuente última de fosfato para el transporte/fosforilación de glucosa mediada por PtsG que inicia la vía. Además, la enzima enolasa es una parte necesaria del degradasoma que funciona con los pequeños ARN SGR (descritos anteriormente) para inhibir la traducción del mRNA de ptsG y estimular la degradación del mRNA de ptsG. Esto reduce la generación de la acumulación tóxica de G-6-P.

Vale la pena señalar que la PEP es un punto de ramificación tanto en condiciones aeróbicas como anaeróbicas. La carboxilación de la PEP por la PEP carboxilasa (gen ppc) proporciona oxaloacetato, que se condensa con el acetil-CoA derivado del piruvato para formar citrato para ejecutar el ciclo del ácido tricarboxílico (TCA) y la derivación del glioxilato aeróbicamente. Durante la fermentación, este mismo oxaloacetato es un intermediario en la vía reductora (regeneradora de NAD) para succinar. Además, el oxaloacetato derivado del PEP se utiliza (a través de una parte del ciclo de TCA) para la biosíntesis del ácido glutámico incluso en condiciones anaeróbicas.

La última reacción es una fosforilación a nivel de sustrato de ADP a ATP a expensas del PEP para producir piruvato. Las dos isoenzimas de la piruvato quinasa (genes pykA y pykF) son activadas por fosfatos de azúcar y el producto del gen pykF muestra una cooperatividad positiva con respecto al sustrato PEP, tendiendo de nuevo a evitar la acumulación de este intermedio fosforilado y evitando así la generación de más G-6-P a través del mecanismo de transporte PtsG dependiente de PEP.

Al final de la vía EMP, 1 mol de glucosa se convierte en 2 mol de piruvato, que se puede usar para un mayor catabolismo o para la biosíntesis. También produce 2 mol de ATP y 2 mol de NADH (que deben reoxidarse para que la vía continúe funcionando). Dado que la vía genera varios intermedios tóxicos, no es sorprendente que el flujo a través de la vía esté estrechamente regulado. Las enzimas de la vía responden rápidamente a las variaciones en la oferta y la demanda mediante la inhibición de la retroalimentación y la activación del sustrato de las actividades enzimáticas. También responden (más lentamente) mediante la regulación transcripcional de la expresión génica en respuesta a reguladores globales que varían de un organismo a otro.

La vía EMP funciona para generar intermedios biosintéticos y energía catabólica a partir de la glucosa. Sin embargo, también sirve como una línea troncal central en la que se alimentan muchas otras vías catabólicas. G-6-P, fructosa-6-fosfato, DHAP y GAP son puntos de unión comunes donde las vías catabólicas de azúcares, alcoholes, grasas y ácidos orgánicos se alimentan de la vía EMP.