Glykolyse
Der Embden-Meyerhof-Parnas-Weg
Glykolyse kann allgemein als ein Energiegewinnungsweg definiert werden, der zur Spaltung einer Hexose (Glucose) in eine Triose (Pyruvat) führt. Obwohl der Begriff oft als Synonym für den Embden-Meyerhof-Parnas (EMP)-Weg verwendet wird, existieren auch andere glykolytische Wege, darunter der Entner-Doudoroff-Weg, der über ein Gluconsäure-Zwischenprodukt verläuft, und eine komplexe Reihe von Umlagerungen, die über ein Pentose-Zwischenprodukt ablaufen (Abbildung 1).
Abbildung 1. Die glykolytischen Bahnen von Escherichia coli. Der am weitesten links liegende Weg ist der Emden-Meyerhof-Parnas-Weg, der am weitesten rechts liegende ist der Entner-Doudoroff-Weg. Die Gene, die für die wichtigsten Enzyme der Stoffwechselwege kodieren, sind kursiv dargestellt. Die fetten Pfeile zeigen die Produktion oder den Verbrauch von energiereichen Bindungen (in Form von ATP oder PEP) oder reduzierender Energie (als NADH oder NADPH) an. Die gekrümmte, fette Linie oben in der Abbildung stellt die Zytoplasmamembran dar; Reaktionen oberhalb dieser gekrümmten Linie finden im Periplasma statt, solche unterhalb im Zytoplasma.
Der EMP-Weg ist in Organismen aus allen Zweigen der Bakterien, Archaeen und Eukaryonten vorhanden. Offensichtlich handelt es sich um eine frühe evolutionäre Anpassung, die wahrscheinlich schon beim Vorfahren aller heutigen Lebensformen vorhanden war. Dies legt nahe, dass sich der EMP-Weg in einer anaeroben, fermentativen Welt entwickelt hat. Allerdings funktioniert der Weg auch effizient als Basis für die aerobe Atmung von Glukose. Die Unterschiede zwischen Fermentation und Atmung liegen vor allem in den unterschiedlichen Schicksalen des produzierten Pyruvats (siehe später). Der Einfachheit halber konzentriert sich diese Diskussion auf den EMP-Weg in dem bekannten Bakterium Escherichia coli, obwohl die Grundzüge des Weges nahezu universell sind.
Bevor der Glukosestoffwechsel beginnt, muss die Glukose in die Zelle transportiert und phosphoryliert werden. In E. coli sind diese beiden Prozesse eng miteinander gekoppelt, so dass die Glukose beim Eintritt in die Zelle durch das Phosphotransferase-System (PTS) phosphoryliert wird. Da Glucose-6-Phosphat (G-6-P), wie die meisten, wenn nicht sogar alle Zuckerphosphate, bei hohen zellulären Konzentrationen toxisch ist, wird dieser Transportprozess streng reguliert. Die Transkription des Glukose-spezifischen Transporter-Gens, ptsG, ist nur dann maximal, wenn zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) (das Energie-Limitierung signalisiert) akkumuliert. Außerdem wird die Translation der ptsG-Messenger-RNA (mRNA) durch die kleine RNA sgrS gehemmt, die bei Akkumulation von G-6-P gebildet wird. So wird der Import und die begleitende Phosphorylierung zu G-6-P immer dann reduziert, wenn der Bedarf an mehr Energie gering oder die Konzentration von G-6-P gefährlich hoch ist.
In Abwesenheit eines PtsG-Proteins können auch andere PTS-verknüpfte Transporter, insbesondere der Mannose-spezifische Transporter ManXYZ, Glucose transportieren und phosphorylieren. Allerdings wachsen ptsG-Mutanten langsamer auf Glukose als Wildtyp-Stämme. Freie Glukose kann sich auch intrazellulär durch den Abbau von glukosehaltigen Oligosacchariden wie Laktose oder Maltose anreichern. Der Eintritt der intrazellulären Glukose in den EMP-Weg erfolgt über eine Hexokinase, die durch das glk-Gen kodiert wird.
Die nächsten beiden Schritte im EMP-Weg bereiten das G-6-P für die Spaltung in zwei Triosephosphate vor. Zunächst wandelt eine reversible Phosphoglucose-Isomerase (pgi-Gen) G-6-P in Fructose-6-Phosphat um. Eine pgi-Mutante kann immer noch langsam auf Glukose wachsen, indem sie andere glykolytische Wege nutzt (siehe später), aber der EMP-Weg ist in einer pgi-Mutante blockiert. Das resultierende Fructose-6-Phosphat wird weiter an der C1-Position zu Fructose-1,6,-Biphosphat auf Kosten von Adenosintriphosphat (ATP) durch eine von pfkA kodierte Phosphofructokinase phosphoryliert. Ein zweites kleines Isozym der Phosphofructokinase, das von pfkB kodiert wird, ermöglicht ein langsames Wachstum der pfkA-Mutanten. Ein potenziell konkurrierender Satz von Phosphatasen, die das C1-Phosphat von Fructose-1,6,-Biphosphat entfernen, funktioniert während der Gluconeogenese, wird aber während der Glykolyse durch eine Reihe von Rückkopplungsmechanismen kontrolliert, um sinnlose Zyklen zu verhindern.
Die nächste Reaktion im Stoffwechselweg ist die Spaltung von Fructose-1,6-Bisphosphat in zwei Triosephosphate, die dem Stoffwechselweg seinen Namen gibt (Glykolyse = Zuckerabbau). Diese reversible Reaktion wird von der Fructose-Bisphosphat-Aldolase (fbaA-Gen) durchgeführt und liefert als Produkte Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) und Glyceraldehydphosphat (GAP). Eine zweite, nicht verwandte Aldolase (fbaB-Gen) wird nur während der Gluconeogenese gebildet und spielt daher bei der Glykolyse keine Rolle. Die beiden Triosephosphate sind über die Triosephosphat-Isomerase (tpi-Gen) frei miteinander konvertierbar. DHAP ist ein Schlüsselsubstrat für die Lipidbiosynthese. GAP ist ein wichtiger Knotenpunkt der Glykolyse; an GAP schließen sich zwei weitere gängige glykolytische Wege (siehe unten) an den EMP-Weg an.
Bis zu diesem Punkt kann der EMP-Weg als Biosyntheseweg betrachtet werden, da er drei wichtige Biosynthesebausteine (G-6-P, Fructose-6-Phosphat und DHAP) auf Kosten von ATP und ohne oxidative Schritte liefert. Der nächste Schritt ist die oxidative Phosphorylierung von GAP zu 1,3-Diphosphoglycerinsäure, einer hochenergetischen Verbindung. Der Einbau von anorganischem Phosphat durch die GAP-Dehydrogenase (gapA-Gen) ist an die Reduktion von NAD+ zu NADH gekoppelt. Unter aeroben Bedingungen wird dieses NADH über die Atmungskette zu ATP reoxidiert. Unter anaeroben Bedingungen wird dieses NADH durch Kopplung an die Reduktion von Produkten, die aus Pyruvat oder anderen Zwischenprodukten des EMP-Weges stammen, reoxidiert. Das Enzym Phosphoglyceratkinase (pgk-Gen) phosphoryliert dann Adenosindiphosphat (ADP) zu ATP auf Kosten des C1-Phosphats von 1,3-Diphosphoglycerat. Dies ist die erste von zwei Phosphorylierungen auf Substratebene, bei der Phosphat von einem hochreaktiven Substrat direkt auf ADP übertragen wird, ohne dass die ATP-Synthase der Membran beteiligt ist.
Die nächsten beiden Schritte bauen das resultierende 3-Phosphoglycerat zum letzten hochenergetischen Zwischenprodukt des Weges, Phosphoenolpyruvat (PEP), um. Zunächst wird das Phosphat durch eine Phosphoglycerat-Mutase von der C3-Position auf die C2-Position übertragen. Es gibt zwei evolutionär nicht verwandte Isoenzyme, von denen eines (kodiert durch das gpmA-Gen) ein 2,3-Bisphosphoglycerat als Cofaktor benötigt und das andere (gpmM-Gen) nicht. Obwohl E. coli, Bacillus subtilis und einige andere Bakterien beide Isoenzyme besitzen, haben viele Organismen nur das eine oder das andere. Zum Beispiel haben die Hefe Saccharomyces cerevisiae, das Bakterium Mycobacterium tuberculosis und alle Wirbeltiere nur das Cofaktor-abhängige Enzym, während höhere Pflanzen, die Archaeen und das Bakterium Pseudomonas syringae nur das Cofaktor-unabhängige Enzym haben. Ein drittes Isozym (ytjC-Gen) scheint in E. coli zu existieren, obwohl seine Rolle weniger klar ist.
Das umgelagerte 2-Phosphoglycerat wird dann durch eine Enolase (eno-Gen) dehydriert, um das Schlüsselzwischenprodukt PEP zu erhalten. Obwohl Pyruvat im Allgemeinen als das Endprodukt des EMP-Weges angesehen wird, kann man argumentieren, dass PEP diese Ehre teilt. PEP ist die ultimative Phosphatquelle für den PtsG-vermittelten Transport/Phosphorylierung von Glukose, die den Weg initiiert. Darüber hinaus ist das Enzym Enolase ein notwendiger Teil des Degradasoms, das mit der kleinen RNA sgrS (oben beschrieben) zusammenarbeitet, um die Translation von ptsG mRNA zu hemmen und den Abbau von ptsG mRNA zu stimulieren. Dadurch wird die Bildung der ansonsten toxischen Akkumulation von G-6-P reduziert.
Es ist erwähnenswert, dass PEP sowohl unter aeroben als auch unter anaeroben Bedingungen ein Verzweigungspunkt ist. Die Carboxylierung von PEP durch die PEP-Carboxylase (ppc-Gen) liefert Oxalacetat, das mit dem aus Pyruvat stammenden Acetyl-CoA zu Citrat kondensiert, um sowohl den Tricarbonsäurezyklus (TCA) als auch den Glyoxylat-Shunt aerob zu betreiben. Während der Fermentation ist das gleiche Oxalacetat ein Zwischenprodukt im reduktiven (NAD regenerierenden) Weg zu Succinat. Außerdem wird das PEP-abgeleitete Oxalacetat (über einen Teil des TCA-Zyklus) für die Biosynthese von Glutaminsäure auch unter anaeroben Bedingungen verwendet.
Die letzte Reaktion ist eine Phosphorylierung auf Substratebene von ADP zu ATP auf Kosten von PEP, um Pyruvat zu erhalten. Die beiden Isoenzyme der Pyruvatkinase (pykA- und pykF-Gene) werden durch Zuckerphosphate aktiviert und das Produkt des pykF-Gens zeigt eine positive Kooperativität in Bezug auf das Substrat PEP, was wiederum die Akkumulation dieses phosphorylierten Zwischenprodukts und damit die Bildung von mehr G-6-P über den PEP-abhängigen PtsG-Transportmechanismus verhindert.
Am Ende des EMP-Weges wird 1 mol Glucose in 2 mol Pyruvat umgewandelt, das für den weiteren Katabolismus oder für die Biosynthese verwendet werden kann. Außerdem entstehen 2 mol ATP und 2 mol NADH (das reoxidiert werden muss, damit der Stoffwechselweg weiter funktioniert). Da der Stoffwechselweg mehrere toxische Zwischenprodukte erzeugt, ist es nicht überraschend, dass der Fluss durch den Stoffwechselweg stark reguliert ist. Die Enzyme des Stoffwechselwegs reagieren schnell auf Schwankungen von Angebot und Nachfrage durch Rückkopplungshemmung und Substrataktivierung der Enzymaktivitäten. Sie reagieren auch (langsamer) durch transkriptionelle Regulation der Genexpression als Antwort auf globale Regulatoren, die von Organismus zu Organismus variieren.
Der EMP-Stoffwechselweg dient der Erzeugung von biosynthetischen Zwischenprodukten und kataboler Energie aus Glukose. Er dient aber auch als zentraler Hauptstrang, in den viele andere katabole Stoffwechselwege einmünden. G-6-P, Fructose-6-Phosphat, DHAP und GAP sind häufige Knotenpunkte, an denen katabole Stoffwechselwege für Zucker, Alkohole, Fette und organische Säuren in den EMP-Weg einspeisen.