Embden–Meyerhof–Parnas-reitti

glykolyysi voidaan laajasti määritellä energiaa tuottavaksi reitiksi, joka johtaa heksoosin (glukoosin) pilkkoutumiseen trioosiksi (pyruvaatiksi). Vaikka termiä pidetään usein synonyyminä Embden-Meyerhof–Parnas-reitille (EMP), muita glykolyyttisiä reittejä on olemassa, muun muassa Entner-Doudoroff-reitti, joka etenee glukonihapon välivaiheen kautta, ja monimutkainen uudelleenjärjestelyjen joukko, joka etenee pentoosivälivaiheen kautta (kuva 1).

kuva 1. Escherichia colin glykolyyttiset reitit. Kauimpana vasemmalla on Emden-Meyerhof-Parnas-polku; kauimpana oikealla on Entner-Doudoroff-polku. Geenit, jotka koodaavat tärkeimmät entsyymit reitit on esitetty kursiivilla. Lihavoidut nuolet osoittavat suurienergiaisten sidosten tuotantoa tai kulutusta (ATP: n tai PEP: n muodossa) tai pelkistävää voimaa (NADH: na tai NADPH: na). Kuvion yläreunan lähellä oleva kaareva, lihavoitu viiva esittää sytoplasmakalvostoa; käyrän viivan yläpuolella tapahtuvat reaktiot tapahtuvat periplasmassa, sen alapuolella olevat sytoplasmassa.

EMP-reitti esiintyy eliöissä bakteerien jokaisesta haarasta, arkeasta ja eukaryasta. Kyseessä on selvästikin varhainen evolutionaarinen sopeutuma, joka todennäköisesti esiintyy kaikkien nykyisten elämänmuotojen esi-Isässä. Tämä viittaa siihen, että EMP-reitti kehittyi anaerobisessa, fermentatiivisessa maailmassa. Reitti toimii kuitenkin tehokkaasti myös glukoosin aerobisen hengityksen perustana. Käymisen ja hengityksen väliset erot johtuvat suurelta osin tuotetun pyruvaatin erilaisista kohtaloista (KS.myöhemmin). Yksinkertaisuuden vuoksi tämä keskustelu keskittyy EMP-kulkureittiin tunnetussa Escherichia coli-bakteerissa, vaikka reitin perusominaisuudet ovat lähes yleismaailmalliset.

ennen glukoosiaineenvaihdunnan aloittamista se on kuljetettava soluun ja fosforyloitava. E. coli-bakteerissa nämä kaksi prosessia liittyvät läheisesti toisiinsa siten, että fosfotransferaasijärjestelmä (PTS) fosforyloi glukoosin sen siirtyessä soluun. Koska glukoosi-6-fosfaatti (G-6-p), kuten useimmat ellei kaikki sokerifosfaatit, on myrkyllistä suurina solupitoisuuksina, tämä kuljetusprosessi on tiukasti säännelty. Glukoosispesifisen kuljettajageenin, ptsG: n, transkriptio on maksimaalinen vain syklisen adenosiinimonofosfaatin (cAMP) (signalointienergian rajoittaminen) kerääntyessä. Lisäksi ptsg: n lähetti-RNA: n (mRNA) translaatiota estää pieni RNA sgrS, jota syntyy g-6-P: n kerääntyessä. Siten tuonti ja samanaikainen fosforylaatio g-6-P: ksi vähenee aina, kun lisäenergian tarve on pieni tai G-6-P: n pitoisuus on vaarallisen korkea.

PtsG-proteiinin puuttuessa myös muut traumaperäiseen stressihäiriöön liittyvät kuljettajaproteiinit, erityisesti mannoosispesifinen kuljettajaproteiini ManXYZ, voivat kuljettaa ja fosforyloida glukoosia. PtsG-mutantit kasvavat kuitenkin hitaammin glukoosissa kuin villityyppisissä kannoissa. Vapaa glukoosi voi myös kertyä solunsisäisesti glukoosia sisältävien oligosakkaridien, kuten laktoosin tai maltoosin, hajoamisesta. Solunsisäisen glukoosin pääsy EMP-reitille tapahtuu glk-geenin koodaaman heksokinaasin kautta.

EMP-Reitin kaksi seuraavaa vaihetta valmistavat G-6-P: n pilkkoutumaan kahdeksi trioosifosfaatiksi. Ensin reversiibeli fosfoglukoosi-isomeraasi (SMM-geeni) muuttaa G-6-P: n fruktoosi-6-fosfaatiksi. SMM-mutantti voi vielä kasvaa hitaasti glukoosissa käyttämällä muita glykolyyttisiä reittejä (KS.myöhemmin), mutta SMM-mutantissa EMP-reitti on tukossa. Muodostuva fruktoosi-6-fosfaatti fosforyloidaan edelleen C1-asemassa fruktoosi-1,6, – bisfosfaatiksi adenosiinitrifosfaatin (ATP) kustannuksella pfka: n koodaamalla fosfofruktokinaasilla. Toinen pfkb: n koodaama fosfofruktokinaasin pieni isotsyymi mahdollistaa pfka-mutanttien hitaan kasvun. Mahdollisesti kilpaileva joukko fosfataaseja, jotka poistavat C1-fosfaatin fruktoosi-1,6, – bisfosfaatista glukoneogeneesin aikana, mutta joita kontrolloidaan glykolyysin aikana erilaisilla takaisinkytkentämekanismeilla turhan kierron estämiseksi.

reitin seuraava reaktio on fruktoosi-1,6-bisfosfaatin pilkkominen kahdeksi trioosifosfaatiksi, joka antaa reitille sen nimen (glykolyysi = sokerin rikkoutuminen). Tämän palautuvan reaktion suorittaa fruktoosibisfosfaattialdolaasi (fbaA-geeni) ja tuotteina saadaan dihydroksiasetonifosfaattia (DHAP) ja glyseraldehydifosfaattia (GAP). Toinen, toisiinsa liittymätön aldolaasi (fbab-geeni) muodostuu vain glukoneogeneesin aikana, eikä sillä siten ole merkitystä glykolyysissä. Nämä kaksi trioosifosfaattia ovat vapaasti transkonvertoituvia triosefosfaatti-isomeraasin (tpi-geenin) välityksellä. DHAP on tärkeä substraatti lipidien biosynteesille. GAP on tärkeä solmu glykolyysissä; kaksi muuta yleistä glykolyyttistä reittiä (katso alla) yhtyvät EMP-reittiin Gapissa.

tähän asti EMP-reittiä voidaan pitää biosynteettisenä reittinä, koska se tuottaa kolme keskeistä biosynteettistä rakennusainetta (G-6-P, fruktoosi-6-fosfaatti ja DHAP) ATP: n kustannuksella ja ilman oksidatiivisia vaiheita. Seuraava vaihe on Gapin oksidatiivinen fosforylaatio 1,3-difosfoglyseriinihapoksi, joka on korkeaenerginen yhdiste. Epäorgaanisen fosfaatin liittäminen GAP-dehydrogenaasin (gapA-geenin) avulla yhdistyy NAD+: n pelkistymiseen NADH: ksi. Aerobisissa olosuhteissa tämä NADH hapettuu uudelleen hengitystieketjun avulla ATP: n tuottamiseksi. Anaerobisissa olosuhteissa tämä NADH hapettuu uudelleen kytkemällä pyruvaatista tai muista EMP-reitin välituotteista johdettujen tuotteiden pelkistykseen. Fosfoglyseraattikinaasientsyymi (pgk-geeni) fosforyloi adenosiinidifosfaatin (ADP) ATP: ksi 1,3-difosfoglyseraatin C1-fosfaatin kustannuksella. Tämä on ensimmäinen kahdesta substraattitason fosforylaatiosta, jossa fosfaatti siirtyy erittäin reaktiiviselta substraatilta suoraan ADP: hen ilman kalvon ATP-syntaasin osallistumista.

seuraavat kaksi vaihetta järjestävät muodostuvan 3-fosfoglyseraatin uudelleen reitin viimeiseen korkeaenergiseen välituotteeseen, fosfoenolipyruvaattiin (Pep). Ensin fosfaatti siirretään C3-asemasta C2-asemaan fosfoglyseraattimutaasin avulla. On olemassa kaksi evolutionaarisesti toisiinsa liittymätöntä isoentsyymiä, joista toinen (GPMA-geenin koodaama) vaatii kofaktoriksi 2,3-bisfosfoglyseraatin ja toinen (gpmM-geeni) ei. Vaikka Kolibakteerilla, Bacillus subtilis-bakteerilla ja joillakin muilla bakteereilla on molemmat isotsyymit, monilla eliöillä on vain yksi tai toinen. Esimerkiksi hiivasienillä Saccharomyces cerevisiae, Mycobacterium tuberculosis-bakteerilla ja kaikilla selkärankaisilla on vain kofaktorista riippuvainen entsyymi, kun taas korkeammilla kasveilla, archaea-bakteerilla ja Pseudomonas syringae-bakteerilla on vain kofaktorista riippumaton entsyymi. Kolibakteerissa näyttää olevan kolmas isozyymi (ytjC-geeni), joskin sen rooli on epäselvempi.

enolaasi (eno-geeni) dehydratoi uudelleen järjestetyn 2-fosfoglyseraatin, jolloin saadaan keskeinen Välituote, PEP. Vaikka pyruvaattia pidetään yleensä EMP-reitin lopputuotteena, voidaan väittää Pepin jakavan tämän kunnian. Pep on tärkein fosfaatin lähde ptsg-välitteisessä glukoosin kuljetuksessa/fosforylaatiossa, joka käynnistää reitin. Lisäksi entsyymi enolaasi on degradasomin välttämätön osa, joka toimii pienen RNA sgrS: n kanssa (kuvattu aiemmin) estämään ptsg mRNA: n translaatiota ja stimuloimaan ptsg mRNA: n hajoamista. Tämä vähentää g-6-p: n muuten myrkyllisen kertymisen syntyä.

on syytä huomata, että PEP on haarapiste sekä aerobisissa että anaerobisissa olosuhteissa. PEP: n karboksylointi PEP-karboksylaasin (ppc-geenin) avulla tuottaa oksaloasetaattia, joka tiivistyy pyruvaatista johdetun asetyyli-CoA: n kanssa sitraatiksi, jolla voidaan suorittaa sekä trikarboksyylihapposykli (TCA) että glyoksylaattisuntti aerobisesti. Käymisen aikana tämä sama oksaloasetaatti on välituote pelkistävässä (nad-regeneroituvassa) reitissä sukkinaatiksi. Lisäksi Pep-johdettua oksaloasetaattia käytetään (TCA-syklin osan kautta) glutamiinihapon biosynteesiin myös anaerobisissa olosuhteissa.

viimeisessä reaktiossa ADP fosforyloituu substraattitasolla ATP: ksi PEP: n kustannuksella, jolloin saadaan pyruvaattia. Sokerifosfaatit aktivoivat pyruvaattikinaasin kaksi isoentsyymiä (pykA – ja pykF-geenit), ja pykF-geenin tuotteella on positiivinen yhteistoiminnallisuus substraattiin PEP: hen nähden, mikä taas pyrkii estämään tämän fosforyloidun välituotteen kertymisen ja siten estämään g-6-p: n muodostumisen PPS: stä riippuvaisen PtsG: n kuljetusmekanismin kautta.

EMP-reitin lopussa 1 mol glukoosia muuttuu 2 mol pyruvaatiksi, jota voidaan käyttää edelleen kataboliaan tai biosynteesiin. Se tuottaa myös 2 mol ATP: tä ja 2 mol NADH: ta (joka on oksidoitava reitin jatkamiseksi). Koska reitti tuottaa useita myrkyllisiä välituotteita, ei ole yllättävää, että vuo reitin läpi on tiukasti säännelty. Reitin entsyymit reagoivat nopeasti tarjonnan ja kysynnän vaihteluihin estämällä takaisinkytkentää ja aktivoimalla entsyymitoimintaa substraattiaktivaatiolla. Ne myös reagoivat (hitaammin) transkriptiolla säätelemällä geeniekspressiota vastauksena maailmanlaajuisiin säätelijöihin, jotka vaihtelevat organismista toiseen.

EMP-reitti tuottaa glukoosista sekä biosynteettisiä välituotteita että katabolista energiaa. Se toimii kuitenkin myös keskeisenä runkolinjana,johon monet muut katabolireitit syöttävät. G-6-P, fruktoosi-6-fosfaatti, DHAP ja GAP ovat yleisiä liitoskohtia, joissa kataboliset reitit sokereille, alkoholeille, rasvoille ja orgaanisille hapoille syöttävät EMP-reitille.