Figura 1. Căile glicolitice ale Escherichia coli. Calea cea mai îndepărtată spre stânga este calea Emden-Meyerhof-Parnas; cea mai îndepărtată spre dreapta este calea Entner-Doudoroff. Genele care codifică enzimele majore ale căilor sunt prezentate cu caractere cursive. Săgețile îndrăznețe indică producerea sau consumul de legături de mare energie (sub formă de ATP sau PEP) sau reducerea puterii (ca NADH sau NADPH). Linia curbată și îndrăzneață din partea de sus a figurii reprezintă membrana citoplasmatică; reacțiile de deasupra acelei linii curbe apar în periplasmă, cele de sub ea apar în citoplasmă.

calea EMP este prezentă în organismele din fiecare ramură a bacteriilor, archaea și eukarya. În mod clar, aceasta este o adaptare evolutivă timpurie, probabil prezentă în strămoșul tuturor formelor de viață actuale. Acest lucru sugerează că calea EMP a evoluat într-o lume anaerobă, fermentativă. Cu toate acestea, calea funcționează eficient și ca bază pentru respirația aerobă a glucozei. Diferențele dintre fermentație și respirație se află în mare parte în soarta diferită a piruvatului produs (vezi mai târziu). Pentru simplitate, această discuție se concentrează pe calea EMP în binecunoscuta bacterie Escherichia coli, deși caracteristicile de bază ale căii sunt aproape universale.

înainte de începerea metabolismului glucozei, acesta trebuie transportat în celulă și fosforilat. În E. coli, aceste două procese sunt cuplate intim, astfel încât glucoza este fosforilată de sistemul fosfotransferazei (PTS) pe măsură ce trece în celulă. Deoarece glucoza-6-fosfat (G-6-P), ca majoritatea, dacă nu toți fosfații de zahăr, este toxică la concentrații celulare ridicate, acest proces de transport este strict reglementat. Transcrierea genei transportoare specifice glucozei, ptsG, este maximă numai atunci când adenozin monofosfat ciclic (cAMP) (limitarea energiei de semnalizare) se acumulează. Mai mult, traducerea ARN-ului mesager ptsG (ARNm) este inhibată de ARN-ul mic sgrS, care este produs atunci când se acumulează G-6-P. Astfel, importul și fosforilarea concomitentă la G-6-P sunt reduse ori de câte ori cererea de mai multă energie este scăzută sau concentrația de G-6-P este periculos de mare.

în absența unei proteine PtsG, alți transportori legați de PTS, în special transportorul specific manozei, ManXYZ, pot transporta și fosforila glucoza. Cu toate acestea, mutanții ptsG cresc mai lent pe glucoză decât pe tulpini de tip sălbatic. Glucoza liberă se poate acumula, de asemenea, intracelular din degradarea oligozaharidelor care conțin glucoză, cum ar fi lactoza sau maltoza. Intrarea glucozei intracelulare în calea EMP are loc printr-o hexokinază codificată de gena glk.

următorii doi pași din calea EMP pregătesc G-6-P pentru scindare în doi fosfați de trioză. În primul rând, o izomerază fosfoglucoză reversibilă (gena IGP) transformă G-6-P în fructoză-6-fosfat. Un mutant IGP poate crește încet pe glucoză utilizând alte căi glicolitice (vezi mai târziu), dar calea EMP este blocată într-un mutant IGP. Fructoza-6-fosfatul rezultat este în continuare fosforilat în poziția C1 la fructoză-1,6, – bifosfat în detrimentul adenozin trifosfatului (ATP) de către o fosfofructokinază codificată de pfkA. O a doua izozimă minoră a fosfofructokinazei codificată de pfkB permite creșterea lentă a mutanților pfkA. Un set potențial concurente de fosfataze care elimina fosfat C1 din fructoză-1,6, – bifosfat funcția în timpul gluconeogenezei, dar sunt controlate în timpul glicoliza printr-o varietate de mecanisme de feedback pentru a preveni ciclismul inutil.

următoarea reacție pe cale este scindarea fructozei-1,6-bisfosfatului la doi fosfați de trioză care dă căii numele său (glicoliză = ruperea zahărului). Această reacție reversibilă este efectuată de fructoză bifosfat aldolază (gena fbaA) și produce fosfat de dihidroxiacetonă (DHAP) și fosfat de gliceraldehidă (GAP) ca produse. O a doua aldolază fără legătură (gena fbaB) se face numai în timpul gluconeogenezei și, prin urmare, nu joacă niciun rol în glicoliză. Cei doi fosfați de trioză sunt liber interconvertibili prin triosefosfat izomerază (gena tpi). DHAP este un substrat cheie pentru biosinteza lipidelor. GAP este un nod important în glicoliză; alte două căi glicolitice comune (vezi mai jos) se alătură căii EMP la GAP.

până în acest moment, calea EMP poate fi privită ca o cale biosintetică, deoarece produce trei blocuri cheie de construcție biosintetice (G-6-P, fructoză-6-fosfat și DHAP) în detrimentul ATP și fără pași oxidativi. Următorul pas este fosforilarea oxidativă a GAP la acidul 1,3-difosfogliceric, un compus cu energie ridicată. Încorporarea fosfatului anorganic de gap dehidrogenază (gena gapA) este cuplată la reducerea NAD+ LA NADH. În condiții aerobe, acest NADH este reoxidat folosind lanțul respirator pentru a produce ATP. În condiții anaerobe, acest NADH este reoxidat prin cuplarea la reducerea produselor derivate din piruvat sau alți intermediari ai căii EMP. Enzima fosfoglicerat kinază (gena pgk) fosforilează apoi adenozin difosfatul (ADP) în ATP în detrimentul fosfatului C1 al 1,3-difosfogliceratului. Aceasta este prima dintre cele două fosforilări la nivel de substrat în care fosfatul este transferat dintr-un substrat foarte reactiv direct în ADP fără implicarea membranei ATP sintază.

următorii doi pași rearanjează 3-fosfogliceratul rezultat la ultimul intermediar de mare energie al căii, fosfoenolpiruvat (PEP). În primul rând, fosfatul este transferat din poziția C3 în poziția C2 printr-o mutază de fosfoglicerat. Există două izozime fără legătură evolutivă, dintre care una (codificată de gena gpmA) necesită un 2,3-bisfosfoglicerat ca cofactor, iar cealaltă (gena gpmM) nu. Deși E. coli, Bacillus subtilis și alte bacterii au ambele izozime, multe organisme au doar una sau alta. De exemplu, drojdia Saccharomyces cerevisiae, bacteria Mycobacterium tuberculosis și toate vertebratele au doar enzima dependentă de cofactor, în timp ce plantele superioare, archaea și bacteria Pseudomonas syringae au doar enzima independentă de cofactor. O a treia izoenzimă (gena ytjC) pare să existe în E. coli, deși rolul său este mai puțin clar.

2-fosfogliceratul rearanjat este apoi deshidratat de o enolază (gena eno) pentru a produce intermediarul cheie, PEP. Deși piruvatul este în general considerat a fi produsul final al căii EMP, se poate argumenta că Pep împărtășește această onoare. PEP este sursa finală de fosfat pentru transportul/fosforilarea mediată de PtsG a glucozei care inițiază calea. În plus, enzima enolază este o parte necesară a degradazomului care funcționează cu ARN-ul mic SGRS (descris mai devreme) pentru a inhiba traducerea ARNm ptsG și a stimula degradarea ARNm ptsG. Acest lucru reduce generarea acumulării altfel toxice de G-6-P.

este de remarcat faptul că PEP este un punct de ramură atât în condiții aerobe, cât și anaerobe. Carboxilarea PEP de către Pep carboxilază (gena ppc) furnizează oxaloacetat, care se condensează cu acetil-CoA derivat din piruvat pentru a forma Citrat pentru rularea atât a ciclului acidului tricarboxilic (TCA), cât și a șuntului glioxilat aerob. În timpul fermentației, același oxaloacetat este un intermediar în calea reductivă (regenerarea NAD) pentru succinat. În plus, oxaloacetat derivat din PEP este utilizat (printr-o porțiune a ciclului TCA) pentru biosinteza acidului glutamic chiar și în condiții anaerobe.

Ultima reacție este o fosforilare la nivel de substrat a ADP la ATP în detrimentul PEP pentru a produce piruvat. Cele două izozime ale piruvat kinazei (genele pykA și pykF) sunt activate de fosfații de zahăr, iar produsul genei pykF prezintă cooperativitate pozitivă față de substratul Pep, având din nou tendința de a preveni acumularea acestui intermediar fosforilat și prevenind astfel generarea mai multor G-6-P prin mecanismul de transport ptsg dependent de PEP.

la sfârșitul căii EMP, 1 mol de glucoză este transformat în 2 mol de piruvat, care poate fi utilizat pentru catabolism suplimentar sau pentru biosinteză. De asemenea, produce 2 mol de ATP și 2 mol de NADH (care trebuie reoxidat pentru ca calea să continue să funcționeze). Deoarece calea generează mai mulți intermediari toxici, nu este surprinzător faptul că fluxul prin cale este strict reglementat. Enzimele căii răspund rapid la variațiile ofertei și cererii prin inhibarea feedback-ului și activarea substratului activităților enzimatice. De asemenea, răspund (mai lent) prin reglarea transcripțională a expresiei genelor ca răspuns la regulatorii globali care variază de la organism la organism.

calea EMP funcționează pentru a genera atât intermediari biosintetici, cât și energie catabolică din glucoză. Cu toate acestea, servește și ca linie centrală a trunchiului în care se hrănesc multe alte căi catabolice. G-6-P, fructoză-6-fosfat, DHAP și GAP sunt puncte comune de joncțiune în care căile catabolice pentru zaharuri, alcooli, grăsimi și acizi organici se hrănesc în calea EMP.