az Embden-Meyerhof-Parnas útvonal

A glikolízis nagyjából olyan energiatermelő útként definiálható, amely hexóz (glükóz) triózra (piruvát) történő hasítását eredményezi. Bár a kifejezést gyakran az Embden–Meyerhof–Parnas (EMP) útvonal szinonimájának tekintik, más glikolitikus utak is léteznek, köztük az Entner–Doudoroff út, amely glükonsav közbenső útján halad, és egy összetett átrendeződés, amely pentóz közbenső útján halad (1.ábra).

1.ábra. Az Escherichia coli glikolitikus útjai. A bal oldali legtávolabbi út az Emden-Meyerhof-Parnas útvonal; a legtávolabbi jobbra az Entner-Doudoroff útvonal. Az utak fő enzimjeit kódoló géneket dőlt betűvel mutatjuk be. A merész nyilak jelzik a nagy energiájú kötések (ATP vagy PEP formájában) előállítását vagy fogyasztását, vagy csökkentik a teljesítményt (NADH vagy NADPH). A görbe, félkövér vonal az ábra tetején a citoplazmatikus membránt képviseli; az ívelt vonal feletti reakciók a periplazmában fordulnak elő, az alatta lévő reakciók a citoplazmában fordulnak elő.

az EMP útvonal a baktériumok, archaea és eukarya minden ágából származó organizmusokban jelen van. Nyilvánvaló, hogy ez egy korai evolúciós adaptáció, amely valószínűleg jelen van az összes jelenlegi életforma ősében. Ez arra utal, hogy az EMP útvonal anaerob, fermentatív világban fejlődött ki. Az út azonban hatékonyan működik a glükóz aerob légzésének alapjaként is. A fermentáció és a légzés közötti különbségek nagyrészt az előállított piruvát eltérő sorsában rejlenek (lásd később). Az egyszerűség kedvéért ez a vita a jól ismert Escherichia coli baktérium EMP útvonalára összpontosít, bár az út alapvető jellemzői szinte univerzálisak.

a glükóz metabolizmus megkezdése előtt a sejtbe kell szállítani és foszforilálni. Az E. coli-ban ez a két folyamat szorosan összekapcsolódik úgy, hogy a glükózt a foszfotranszferáz rendszer (PTS) foszforilálja, ahogy átjut a sejtbe. Mivel a glükóz-6-foszfát (g-6-P), mint a legtöbb, ha nem minden cukor-foszfát, magas sejtkoncentrációkban mérgező, ez a szállítási folyamat szorosan szabályozott. A glükóz-specifikus transzporter gén, a ptsG transzkripciója csak akkor maximális, ha ciklikus adenozin-monofoszfát (cAMP) (jelző energiakorlátozás) felhalmozódik. Ezenkívül a ptsG messenger RNS (mRNS) fordítását gátolja a kis RNS sgrS, amely a G-6-p felhalmozódásakor keletkezik. Így a G-6-P-re történő behozatal és egyidejű foszforiláció csökken, ha a nagyobb energia iránti kereslet alacsony, vagy a G-6-P koncentrációja veszélyesen magas.

PtsG fehérje hiányában más PTS-hez kötött transzporterek, különösen a mannóz-specifikus transzporter, a ManXYZ, szintén szállíthatnak és foszforilálhatnak glükózt. A ptsG mutánsok azonban lassabban nőnek a glükózon, mint a vad típusú törzseken. A szabad glükóz intracellulárisan felhalmozódhat a glükóztartalmú oligoszacharidok, például laktóz vagy maltóz lebomlásából is. Az intracelluláris glükóz bejutása az EMP útvonalba a glk gén által kódolt hexokinázon keresztül történik.

az EMP útvonal következő két lépése előkészíti a G-6-P-t két trióz-foszfátra történő hasításhoz. Először egy reverzibilis foszfoglükóz-izomeráz (OFJ gén) átalakítja a G-6-P-t fruktóz-6-foszfáttá. A OFJ mutáns más glikolitikus utak (lásd később) alkalmazásával továbbra is lassan növekszik a glükózon, de az EMP útvonal egy OFJ mutánsban blokkolódik. A kapott fruktóz-6-foszfátot a C1 pozícióban tovább foszforiláljuk fruktóz-1,6-biszfoszfátra az adenozin-trifoszfát (ATP) rovására a pfkA által kódolt foszfofruktokinázzal. A pfkB által kódolt foszfofruktokináz második kisebb izozimja lehetővé teszi a pfkA mutánsok lassú növekedését. Potenciálisan versengő foszfatáz-készlet, amely eltávolítja a C1-foszfátot a fruktóz-1,6, – biszfoszfát funkcióból a glükoneogenezis során, de a glikolízis során számos visszacsatolási mechanizmus szabályozza a hiábavaló kerékpározás megelőzése érdekében.

az út következő reakciója a fruktóz-1,6-biszfoszfát két trióz-foszfátra történő hasítása, amely az utat adja (glikolízis = cukortörés). Ezt a reverzibilis reakciót fruktóz-biszfoszfát-aldoláz (fbaa gén) végzi, és termékként dihidroxi-aceton-foszfátot (DHAP) és gliceraldehid-foszfátot (GAP) eredményez. A második, független aldoláz (fbab gén) csak a glükoneogenezis során keletkezik, így nem játszik szerepet a glikolízisben. A két trióz-foszfát szabadon átjárható trioszefoszfát-izomeráz (TPI gén) útján. A DHAP a lipid bioszintézis kulcsfontosságú szubsztrátja. A GAP fontos csomópont a glikolízisben; két másik közös glikolítikus út (lásd alább) csatlakozik az EMP úthoz a GAP-nál.

eddig a pontig az EMP útvonal bioszintetikus útvonalnak tekinthető, mivel három kulcsfontosságú bioszintetikus építőelemet (G-6-P, fruktóz-6-foszfát és DHAP) eredményez az ATP rovására, oxidatív lépések nélkül. A következő lépés a rés oxidatív foszforilációja 1,3-difoszfoglikerikus savra, egy nagy energiájú vegyületre. A szervetlen foszfát GAP-dehidrogenáz (Gapa gén) általi beépítése a NAD+ NADH-hoz történő csökkentéséhez kapcsolódik. Aerob körülmények között ezt a NADH-t újraoxidálják a légzési lánc segítségével az ATP előállításához. Anaerob körülmények között ezt a NADH-t újraoxidálják úgy, hogy összekapcsolják a piruvátból vagy más EMP pathway intermedierekből származó termékek redukciójával. Az enzim foszfoglicerát kináz (PGK gén), majd foszforilátok adenozin-difoszfát (ADP) ATP rovására a C1 foszfát 1,3-difoszfoglikerát. Ez az első a két szubsztrátszintű foszforiláció közül, ahol a foszfátot egy nagyon reaktív szubsztrátumból közvetlenül az ADP-be továbbítják a membrán ATP szintáz bevonása nélkül.

a következő két lépés átrendezi a kapott 3-foszfoglikerátot az út utolsó nagy energiájú köztitermékére, a foszfoenolpiruvátra (PEP). Először is, a foszfátot a C3 pozícióból a C2 pozícióba foszfoglikerát mutáz továbbítja. Két evolúciósan független izozim van, amelyek közül az egyik (a gpmA gén által kódolt) kofaktorként 2,3-biszfoszfoglikerátot igényel, a másik (gpmM gén) nem. Bár az E. coli, a Bacillus subtilis és néhány más baktérium egyaránt izozimokkal rendelkezik, sok szervezetnek csak az egyik vagy a másik. Például az élesztő Saccharomyces cerevisiae, a mycobacterium tuberculosis baktérium, és minden gerincesnek csak a kofaktor-függő enzimje van, míg a magasabb növényeknek, az archaeának és a Pseudomonas syringae baktériumnak csak a kofaktor-független enzimje van. Úgy tűnik, hogy egy harmadik izozim (ytjC gén) létezik az E. coli-ban, bár szerepe kevésbé egyértelmű.

az átrendezett 2-foszfoglikerátot ezután egy enoláz (eno gén) dehidratálja, hogy a legfontosabb közbenső, PEP legyen. Bár a piruvátot általában az EMP útvonal végtermékének tekintik, azzal lehet érvelni, hogy a PEP osztja ezt a megtiszteltetést. A PEP a foszfát végső forrása a PtsG által közvetített glükóz transzport/foszforilációjához, amely elindítja az utat. Ezenkívül az enoláz enzim a degradasome szükséges része, amely a (korábban leírt) kis RNS sgrS-ekkel működik, hogy gátolja a ptsG mRNS fordítását és stimulálja a ptsG mRNS lebomlását. Ez csökkenti a G-6-p egyébként mérgező felhalmozódásának kialakulását.

érdemes megjegyezni, hogy a PEP egy elágazási pont mind aerob, mind anaerob körülmények között. A PEP karboxilezése Pep-karboxilázzal (ppc gén) oxaloacetátot biztosít, amely a piruvátból származó acetil-CoA-val kondenzálódik, hogy citrátot képezzen mind a trikarbonsav (TCA) ciklus, mind a glyoxilát-shunt aerob módon történő futtatásához. Az erjedés során ugyanez az oxaloacetát egy köztes a reduktív (nad regeneráló) úton a szukcináthoz. Ezenkívül a PEP-eredetű oxaloacetátot (a TCA ciklus egy részén keresztül) használják a glutaminsav bioszintéziséhez még anaerob körülmények között is.

az utolsó reakció az ADP szubsztrátszintű foszforilációja az ATP-hez a PEP rovására, hogy piruvátot termeljen. A piruvát-kináz két izozimját (pykA és pykF gének) cukorfoszfátok aktiválják, és a pykF gén terméke pozitív kooperativitást mutat a szubsztrát PEP tekintetében, ismét hajlamos arra, hogy megakadályozza ennek a foszforilált köztiterméknek a felhalmozódását, és ezáltal megakadályozza a G-6-p generációját a Pep-függő Pep transzportmechanizmuson keresztül.

az EMP út végén 1 mol glükózt alakítanak át 2 mol piruvátra, amely további katabolizmusra vagy bioszintézisre használható. Ezenkívül 2 mol ATP-t és 2 mol NADH-t ad (amelyet újra kell oxidálni az út folytatásához). Mivel az út több mérgező intermediert generál, nem meglepő, hogy az úton áthaladó fluxus szorosan szabályozott. Az útvonal enzimjei az enzimaktivitások visszacsatolásával és szubsztrát aktiválásával gyorsan reagálnak a kínálat és a kereslet változásaira. Ők is reagálnak (lassabban) a génexpresszió transzkripciós szabályozásával, válaszul a globális szabályozókra, amelyek szervezetenként változnak.

az EMP útvonal úgy működik, hogy mind a bioszintetikus intermediereket, mind a katabolikus energiát glükózból generálja. Ugyanakkor központi törzsvezetékként is szolgál, amelybe sok más katabolikus út táplálkozik. A G-6-P, a fruktóz-6-foszfát, a DHAP és a GAP közös találkozási pontok, ahol a cukrok, az alkoholok, a zsírok és a szerves savak katabolikus útjai jutnak be az EMP útvonalába.