解糖

エムデン-マイヤーホフ-パルナス経路

解糖は、ヘキソース（グルコース）がトリオース（ピルビン酸）に開裂するエネルギー産生経路と広義に定義されます。 解糖系は、しばしばEMP（Embden-Meyerhof-Parnas）経路と同義とされるが、グルコン酸中間体を経由するEntner-Doudoroff経路や、ペントース中間体を経由する複雑な転位経路など、他の解糖系も存在する（図1）。

図1. 大腸菌の解糖系の経路。 左端の経路はEmden-Meyerhof-Parnas経路、右端の経路はEntner-Doudoroff経路である。 各経路の主要な酵素をコードする遺伝子をイタリック体で示した。 太い矢印は、高エネルギーの結合（ATPやPEPの形で）や還元力（NADHやNADPHの形で）の生成または消費を示している。

EMP経路は、バクテリア、古細菌、真核生物のすべての系統の生物に存在します。 明らかに、これは初期の進化的適応であり、おそらく現在のすべての生命体の祖先に存在していると思われます。 このことは、EMP経路が嫌気的な発酵の世界で進化したことを示唆している。 しかし、この経路は、グルコースの好気性呼吸の基礎としても効率的に機能している。 発酵と呼吸の違いは、生成されたピルビン酸の運命の違いにある（後述）。

グルコースの代謝が始まる前に、グルコースは細胞内に輸送され、リン酸化されなければなりません。

グルコースの代謝が始まる前には、グルコースが細胞内に運ばれ、リン酸化される必要があります。大腸菌では、この2つのプロセスが密接に結びついており、グルコースが細胞内に入ると、リン酸転移酵素システム（PTS）によってリン酸化されます。 グルコース-6-リン酸（G-6-P）は、すべてではないがほとんどのリン酸糖と同様に、細胞内の高濃度では毒性を示すため、この輸送プロセスは厳密に制御されている。 グルコース特異的トランスポーター遺伝子ptsGの転写は、エネルギー制限のシグナルであるサイクリックアデノシン一リン酸（cAMP）が蓄積しているときにのみ最大となる。 さらに、ptsGのメッセンジャーRNA（mRNA）の翻訳は、G-6-Pが蓄積されると生成される低分子RNA sgrSによって阻害される。

PtsGタンパク質が存在しない場合、他のPTS結合トランスポーター、特にマンノース特異的トランスポーターであるManXYZもグルコースを輸送し、リン酸化することができる。 しかし、ptsG変異体は、野生型株に比べてグルコース上での成長が遅い。 また、ラクトースやマルトースなどのグルコース含有オリゴ糖の分解により、遊離のグルコースが細胞内に蓄積することもある。

EMP経路の次の2つのステップでは、G-6-Pが2つのトリオースリン酸に切断される準備をする。 まず、可逆的なホスホグルコースイソメラーゼ（pgi遺伝子）がG-6-Pをフルクトース-6-リン酸に変換します。 pgi変異体は、他の解糖系経路（後述）を利用することでグルコースを摂取してもゆっくりと成長することができるが、EMP経路はpgi変異体ではブロックされている。 得られたフルクトース-6-リン酸は、pfkAにコードされるホスホフルクトキナーゼによって、アデノシン三リン酸（ATP）を犠牲にして、さらにC1位でリン酸化されてフルクトース-1,6,-二リン酸となる。 pfkBにコードされているホスホフルクトキナーゼの第2のマイナーアイソザイムは、pfkA変異体の成長を遅らせる。

この経路の次の反応は、この経路の名前の由来となった、フルクトース-1,6,-ビスリン酸から2つのトリオースリン酸への開裂である（解糖＝糖の分解）。 この可逆的な反応は、フルクトース二リン酸アルドラーゼ（fbaA遺伝子）によって行われ、ジヒドロキシアセトンリン酸（DHAP）とグリセルアルデヒドリン酸（GAP）が生成物として得られる。 もう一つのアルドラーゼ（fbaB遺伝子）は、糖新生の際にのみ作られ、解糖には関与しない。 2つのトリオースリン酸は、トリオースリン酸イソメラーゼ（tpi遺伝子）によって自由に相互変換できる。 DHAPは、脂質生合成の重要な基質である。

ここまでのEMP経路は、3つの重要な生合成構成要素（G-6-P、フルクトース-6-リン酸、DHAP）を、ATPを犠牲にして、酸化的なステップを経ることなく得ることができるので、生合成経路とみなすことができます。 次に、GAPが酸化的にリン酸化され、高エネルギー化合物である1,3-ジホスホグリセリン酸が生成される。 GAPデヒドロゲナーゼ（gapA遺伝子）による無機リン酸の取り込みは、NAD+からNADHへの還元と連動して行われる。 好気的な条件下では、このNADHは呼吸鎖を用いて再酸化され、ATPが生成される。 嫌気状態では、このNADHは、ピルビン酸や他のEMP経路の中間体に由来する生成物の還元と結合して再酸化される。 次に、ホスホグリセリン酸キナーゼ（pgk遺伝子）という酵素が、1,3-ジホスホグリセリン酸のC1リン酸を犠牲にして、アデノシン二リン酸（ADP）をリン酸化してATPを生成する。

次の2つのステップでは、得られた3-ホスホグリセリン酸を経路の最後の高エネルギー中間体であるホスホエノールピルビン酸(PEP)に再編成します。 まず、ホスホグリセリン酸ムターゼによって、リン酸がC3位からC2位に移される。 進化的に無関係な2つのアイソザイムがあり、一方（gpmA遺伝子にコードされる）は2,3-ビスホスホグリセートを補酵素として必要とし、もう一方（gpmM遺伝子）は必要としない。 大腸菌や枯草菌などの一部の細菌は両方のアイソザイムを持っているが、多くの生物はどちらか一方しか持っていない。 例えば、酵母（Saccharomyces cerevisiae）、結核菌（Mycobacterium tuberculosis）、すべての脊椎動物は補酵素依存型の酵素しか持たず、高等植物、古細菌、細菌（Pseudomonas syringae）は補酵素非依存型の酵素しか持たない。

再配列された2-ホスホグリセリン酸は、エノラーゼ（eno遺伝子）によって脱水され、重要な中間体であるPEPが生成されます。 一般的にはピルビン酸がEMP経路の最終生成物と考えられていますが、PEPもその栄誉を分かち合っていると言えるでしょう。 PEPは、PtsGによるグルコースの輸送とリン酸化によってEMP経路が開始される際の、最終的なリン酸の供給源となる。 さらに、エノラーゼという酵素は、前述の低分子RNAであるsgrSとともに、ptsG mRNAの翻訳を阻害し、分解を促すデグラダソームの必須要素である。

注目すべきは、PEPは好気的、嫌気的な条件下でも分岐点となることです。 PEPカルボキシラーゼ（ppc遺伝子）によってPEPがカルボキシル化されると、オキサロアセテートが得られ、これがピルビン酸から得られるアセチル-CoAと結合してクエン酸を形成し、好気的にトリカルボン酸（TCA）サイクルとグリオキシル酸シャントの両方を動かすことができます。 発酵では、この同じオキサロアセテートが、コハク酸への還元（NAD再生）経路の中間体となる。

最後の反応は、PEPを犠牲にしてADPをATPにリン酸化し、ピルビン酸を生成する基質レベルのリン酸化反応です。 ピルビン酸キナーゼの2つのアイソザイム（pykA遺伝子とpykF遺伝子）は糖リン酸によって活性化され、pykF遺伝子の産物は基質であるPEPに対して正の協同性を示し、このリン酸化された中間体の蓄積を防ぎ、PEP依存性のPtsG輸送機構を介してより多くのG-6-Pが生成されるのを防ぐ傾向があります。

EMP経路の終点では、1molのグルコースが2molのピルビン酸に変換され、さらに異化または生合成に使用することができます。 また、2molのATPと2molのNADHが生成されます（この経路が作動し続けるためには再酸化されなければなりません）。 この経路ではいくつかの毒性のある中間体が生成されるため、経路を通過する量が厳密に制御されているのは当然のことである。 この経路の酵素は、需要と供給の変化に迅速に対応し、酵素活性のフィードバック阻害と基質活性化を行う。

EMP経路は、グルコースから生合成中間体と異化エネルギーの両方を生成する機能を持っています。

EMP経路は、グルコースから生合成中間体と異化エネルギーの両方を生成する機能を持っていますが、他の多くの異化経路が供給される中心的な幹線としても機能します。 G-6-P、フルクトース-6-リン酸、DHAP、GAPは、糖、アルコール、脂肪、有機酸などの異化作用経路がEMP経路に流入する共通の分岐点である。