Embden-Meyerhof-Parnas väg

glykolys kan i stort sett definieras som en energiavkastande väg som resulterar i klyvning av en hexos (glukos) till en trios (pyruvat). Även om termen ofta anses vara synonymt med Embden–Meyerhof–Parnas (EMP) – vägen, finns andra glykolytiska vägar, bland dem Entner-Doudoroff-vägen som fortskrider via en glukonsyraintermediär och en komplex uppsättning omarrangemang som fortsätter via en pentosintermediär (Figur 1).

Figur 1. De glykolytiska vägarna för Escherichia coli. Vägen längst till vänster är Emden-Meyerhof-Parnas väg; den längst till höger är Entner-Doudoroff-vägen. Generna som kodar för de viktigaste enzymerna i vägarna visas i kursiv stil. Djärva pilar indikerar produktion eller konsumtion av högenergibindningar (i form av ATP eller PEP) eller reducerande effekt (som NADH eller NADPH). Den böjda, djärva linjen nära toppen av figuren representerar det cytoplasmiska membranet; reaktioner ovanför den krökta linjen förekommer i periplasmen, de under den förekommer i cytoplasman.

EMP-vägen finns i organismer från varje gren av bakterierna, archaea och eukarya. Det är uppenbart att detta är en tidig evolutionär anpassning, förmodligen närvarande i förfader till alla nuvarande livsformer. Detta tyder på att EMP-vägen utvecklades i en anaerob, fermentativ Värld. Vägen fungerar emellertid också effektivt som grund för aerob andning av glukos. Skillnaderna mellan jäsning och andning ligger till stor del i de olika öden för det producerade pyruvatet (se senare). För enkelhetens skull fokuserar denna diskussion på EMP-vägen i den välkända bakterien Escherichia coli, även om de grundläggande egenskaperna hos vägen är nästan universella.

innan glukosmetabolism börjar måste den transporteras in i cellen och fosforyleras. I E. coli är dessa två processer intimt kopplade så att glukosen fosforyleras av fosfotransferasystemet (PTS) när det passerar in i cellen. Eftersom glukos-6-fosfat (G-6-P), som de flesta om inte alla sockerfosfater, är giftigt vid höga cellulära koncentrationer, är denna transportprocess tätt reglerad. Transkription av den glukosspecifika transportörgenen, ptsG, är maximal endast när cykliskt adenosinmonofosfat (cAMP) (signaleringsenergibegränsning) ackumuleras. Vidare hämmas översättning av ptsg messenger RNA (mRNA) av de små RNA sgrS, som produceras när G-6-P ackumuleras. Således reduceras importen och samtidig fosforylering till G-6-P när efterfrågan på mer energi är låg eller koncentrationen av G-6-P är farligt hög.

i avsaknad av ett ptsg-protein kan andra PTS-kopplade transportörer, särskilt den mannosspecifika transportören, ManXYZ, också transportera och fosforylera glukos. PtsG-mutanter växer dock långsammare på glukos än på vilda stammar. Fri glukos kan också ackumuleras intracellulärt från nedbrytningen av glukosinnehållande oligosackarider såsom laktos eller maltos. Inträde av intracellulär glukos i EMP-vägen sker via ett hexokinas kodat av glk-genen.

de följande två stegen i EMP-vägen förbereder G-6-P för klyvning i två triosfosfater. Först omvandlar en reversibel fosfoglukosisomeras (pgi-gen) G-6-P till fruktos-6-fosfat. En PGI-mutant kan fortfarande växa långsamt på glukos genom att använda andra glykolytiska vägar (se senare), men EMP-vägen blockeras i en pgi-mutant. Det resulterande fruktos-6-fosfatet fosforyleras vidare vid C1-positionen till fruktos-1,6, – bisfosfat på bekostnad av adenosintrifosfat (ATP) av ett fosfofruktokinas kodat av pfkA. Ett andra mindre isozym av fosfofruktokinas kodat av pfkB möjliggör långsam tillväxt av pfka-mutanter. En potentiellt konkurrerande uppsättning fosfataser som avlägsnar C1-fosfatet från fruktos-1,6,-bisfosfatfunktionen under glukoneogenes men kontrolleras under glykolys av en mängd olika återkopplingsmekanismer för att förhindra meningslös cykling.

nästa reaktion i vägen är klyvningen av fruktos-1,6-bisfosfat till två triosfosfater som ger vägen sitt namn (glykolys = sockerbrott). Denna reversibla reaktion utförs av fruktosbisfosfat aldolas (fbaa-gen) och ger dihydroxiacetonfosfat (DHAP) och glyceraldehydfosfat (GAP) som produkter. En andra, orelaterad aldolas (fbab-gen) tillverkas endast under glukoneogenes och spelar således ingen roll i glykolys. De två triosfosfaten är fritt interkonverterbara via triosefosfatisomeras (TPI-gen). DHAP är ett viktigt substrat för lipidbiosyntes. GAP är en viktig nod i glykolys; två andra vanliga glykolytiska vägar (se nedan) går med i EMP-vägen vid GAP.fram till denna punkt kan EMP-vägen betraktas som en biosyntetisk väg eftersom den ger tre viktiga biosyntetiska byggstenar (G-6-P, fruktos-6-fosfat och DHAP) på bekostnad av ATP och utan några oxidativa steg. Nästa steg är oxidativ fosforylering av GAP till 1,3-difosfoglycerinsyra, en högenergiförening. Inkorporeringen av oorganiskt fosfat med GAPDEHYDROGENAS (gapA-gen) är kopplad till reduktionen av NAD+ till NADH. Under aeroba förhållanden reoxideras denna NADH med hjälp av andningskedjan för att ge ATP. Under anaeroba förhållanden reoxideras denna NADH genom koppling till reduktionen av produkter härrörande från pyruvat eller andra EMP-mellanprodukter. Enzymet Fosfoglyceratkinas (PGK-gen) fosforylerar sedan adenosindifosfat (ADP) till ATP på bekostnad av C1-fosfatet av 1,3-difosfoglycerat. Detta är den första av två substratnivåfosforyleringar där fosfat överförs från ett mycket reaktivt substrat direkt till ADP utan involvering av membranet ATP-syntas.

de följande två stegen omarrangerar det resulterande 3-fosfoglyceratet till den sista högenergiintermediären i vägen, fosfoenolpyruvat (PEP). Först överförs fosfatet från C3-positionen till C2-positionen med ett fosfoglyceratmutas. Det finns två evolutionärt orelaterade isozymer, varav en (kodad av gpma-genen) kräver ett 2,3-bisfosfoglycerat som en kofaktor och den andra (gpmM-genen) gör det inte. Även om E. coli, Bacillus subtilis och vissa andra bakterier har båda isozymerna, har många organismer bara den ena eller den andra. Till exempel har jäst Saccharomyces cerevisiae, bakterien Mycobacterium tuberculosis och alla ryggradsdjur endast det kofaktorberoende enzymet, medan högre växter, archaea och bakterien Pseudomonas syringae bara har det kofaktoroberoende enzymet. Ett tredje isozym (ytjC-gen) verkar existera i E. coli, även om dess roll är mindre tydlig.

det omarrangerade 2-fosfoglyceratet dehydratiseras sedan av ett enolas (ENO-gen) för att ge nyckeln mellanprodukt, PEP. Även om pyruvat i allmänhet anses vara slutprodukten av EMP-vägen, kan det hävdas att PEP delar den ära. PEP är den ultimata källan till fosfat för PtsG-medierad transport / fosforylering av glukos som initierar vägen. Dessutom är enzymet enolas en nödvändig del av degradasomen som fungerar med de små RNA sgrS (beskrivits tidigare) för att hämma översättning av ptsG mRNA och stimulera nedbrytning av ptsG mRNA. Detta minskar genereringen av den annars toxiska ackumuleringen av G-6-P.

det är värt att notera att PEP är en grenpunkt under både aeroba och anaeroba förhållanden. Karboxyleringen av PEP med PEP-karboxylas (PPC-gen) ger oxaloacetat, som kondenserar med acetyl-CoA härrörande från pyruvat för att bilda citrat för att köra både trikarboxylsyra (TCA) – cykeln och glyoxylat shunt aerobt. Under jäsning är samma oxaloacetat en mellanprodukt i den reduktiva (nad-regenererande) vägen till succinat. Dessutom används det PEP-härledda oxaloacetatet (via en del av TCA-cykeln) för biosyntes av glutaminsyra även under anaeroba förhållanden.

den sista reaktionen är en substratnivåfosforylering av ADP till ATP på bekostnad av PEP för att ge pyruvat. De två isozymerna av pyruvatkinas (pykA-och pykF-gener) aktiveras av sockerfosfater och produkten från pykF-genen visar positiv kooperativitet med avseende på substratet PEP, som återigen tenderar att förhindra ackumulering av denna fosforylerade mellanprodukt och därmed förhindra generering av mer G-6-P via den PEP-beroende ptsg-transportmekanismen.

i slutet av EMP-vägen omvandlas 1 mol glukos till 2 mol pyruvat, som kan användas för ytterligare katabolism eller för biosyntes. Det ger också 2 mol ATP och 2 mol NADH (som måste reoxideras för att vägen ska fortsätta fungera). Eftersom vägen genererar flera giftiga mellanprodukter är det inte förvånande att flödet genom vägen är tätt reglerat. Banans enzymer svarar snabbt på variationer i utbud och efterfrågan genom återkopplingshämning och substrataktivering av enzymaktiviteter. De svarar också (långsammare) genom transkriptionell reglering av genuttryck som svar på globala regulatorer som varierar från organism till organism.

EMP-vägen fungerar för att generera både biosyntetiska mellanprodukter och katabolisk energi från glukos. Det fungerar emellertid också som en central stamlinje i vilken många andra kataboliska vägar matar. G-6-P, fruktos-6-fosfat, DHAP och GAP är vanliga korsningspunkter där kataboliska vägar för sockerarter, alkoholer, fetter och organiska syror matas in i EMP-vägen.