گذرگاه امبدن میرهوف (مسیر امبدن میرهوف)
مسیر امبدن - میرهوف مجموعهای از واکنشهای درون یاختهای است که توسط آن یک مولکول گلوکز به دو مولکول سهکربنه پیروات شکسته میشود و بخشی از انرژی آزاد گلوکز برای تشکیل دو مولکول ATP و دو مولکول NADH به مصرف میرسد. به طور کلی، مسیر امبدن - میرهوف که بیشتر آن را با نام قندکافت (یا گلیکولیز) میشناسند، مسیر اصلی فروگشت گلوکز در همهی انواع یاختهها است. فرایند ده مرحلهای امبدن - میرهوف در درون سیتوپلاسم یاختههای پروکاریوتی و یوکاریوتی انجام میشود. بسیاری از ریزاندامگان بیهوازی کاملاً به مسیر امبدن - میرهوف وابستهاند. با توجه این که جو اولیهی زمین فاقد اکسیژن بوده و همچنین بررسیهای توالی ژنی بسیاری از جانوران، احتمال داده میشود که مسیر امبدن - میرهوف یکی از ابتداییترین مسیرهای تولید انرژی از مولکولهای سوختی آلی باشد. در میان گونههای مختلف، مسیر امبدن - میرهوف تنها در نحوهی تنظیم و یا سرنوشت بعدی پیروات متفاوت است.
نامگذاری
نام این مسیر از نام دو زیستشیمیدان آلمانی کاشف آن، یعنی گوستاو گورگ امبدن و اتو فریتز میرهوف گرفته شده است.
نخست امبدن همگی مراحل تبدیل گلیکوژن به اسید لاکتیک را کشف نمود. پس از او میرهوف نحوهی شکستن گلوکز به اسید لاکتیک را در دگرگشت یاختهای شرح داد و امبدن آن را مورد بررسی قرار داد و سرانجام مراحل تبدیل گلیکوژن به اسید لاکتیک در دگرگشت یاختهای، مسیر امبدن - میرهوف نامیده شد. امروزه منظور از مسیر امبدن - میرهوف، مراحل شکستن گلوکز به دو مولکول پیروات در دگرگشت یاختهای است.
از آن جایی که مسیر امبدن - میرهوف یکی از مسیرهای بزرگ و اصلی از انواع مسیرهای قندکافت است، در بیشتر منابع و کتابها، مسیر امبدن - میرهوف را با نام قندکافت (گلیکولیز) معرفی میکنند.
مراحل فرایند
مسیر امبدن - میرهوف شامل ده واکنش آنزیمی است. از دیدگاههای مختلفی این ده واکنش را تقسیمبندی میکنند: برخی آن را به دو مرحله و برخی دیگر به سه مرحله تقسیم میکنند. در دیدگاه دو مرحلهای، مرحله اول (واکنشهای ۱، ۲، ۳، ۴ و ۵)، مرحلهی آمادهسازی و مرحلهی دوم (واکنشهای ۶، ۷، ۸، ۹ و ۱۰)، مرحلهی بهرهداری نام دارد. در دیدگاه سه مرحلهای، مرحلهی اول (واکنشهای ۱، ۲ و ۳) را مرحلهی اولیه، مرحلهی دوم (واکنشهای ۴ و ۵) را مرحلهی گسیختگی و مرحلهی سوم (واکنشهای ۶، ۷، ۸، ۹ و ۱۰) را مرحلهی فسفرگیری افزایشی-کاهشی نامیدهاند. آنزیمهای این ده واکنش به ترتیب عبارتند از:
۱- هگزوکیناز (با مصرف یک مولکول ATP)
۲- فسفوهگزوز ایزومراز
۳- فسفوفروکتوکیناز-۱ (با مصرف یک مولکول ATP)
۴- آلدولاز
۵- تریوز فسفات ایزومراز
۶- گلیسرآلدهید ۳-فسفات دهیدروژناز (با مصرف دو فسفات معدنی و تولید دو مولکول NADH)
۷- فسفوگلیسرات کیناز (با تولید دو مولکول ATP)
۸- فسفوگلیسرات موتاز
۹- انولاز (با تولید دو مولکول آب)
۱۰- پیروات کیناز (با تولید دو مولکول ATP).
در نهایت نیز دو مولکول پیروات باقی میماند. بسته به شرایط و نوع اندامگان، در بیشتر مواقع پیروات طی فرایندهای بعدی به یکی از این سه فراورده تبدیل میشود: اتانول (در تخمیر الکلی)، لاکتات (در تخمیر اسید لاکتیکی) یا استیل کوآنزیمآ (و ورود به چرخه اسید سیتریک در تنفس هوازی). تغییر انرژی آزاد استاندارد مسیر امبدن - میروف در مجموع برابر «۸۵-» کیلوژول بر مول است.
واکنشها
در این واکنشها گلوکز ابتدا در گروه هیدروکسیل کربن شماره شش، فسفردار شده و گلوکز ۶-فسفات حاصل در مرحله بعدی به فروکتوز ۶-فسفات تبدیل میگردد. سپس این ترکیب در کربن شماره یک نیز فسفرگیری کرده و فروکتوز ۶،۱-بیسفسفات را تولید میکند. در هر دو واکنش فسفرگیری، ATP دهندهی گروه فسفریل است. فروکتوز ۶،۱-بیسفسفات به مولکولهای دیهیدروکسی استون فسفات و گلیسرآلدهید ۳-فسفات میشکند که دیهیدروکسی استون فسفات نیز طی یک واکنش تعادلی آنزیمی به گلیسرآلدهید ۳-فسفات تبدیل میشود. پس یک مولکول گلوکز تا پایان مرحلهی پنجم، به دو مولکول گلیسرآلدهید ۳-فسفات شکسته میشود. از این انرژی ذخیره شده در پیوندهای پرانرژی گلوکز (که اکنون به دو موکلول گلیسرآلدهید ۳-فسفات تبدیل گردیده) برای تشکیل زیستمولکولهای پرانرژی مورد نیاز یاخته مانند ATP و NADH استفاده میشود.
یک گروه فسفریل آزاد (و نه از ATP) به گلیسرآلدهید ۳-فسفات متصل شده و با انتقال هیدروژن از این ترکیب به NAD+، یک مولکول ۳،۱-بیسفسفوگلیسرات و یک مولکول NADH تشکیل میگردد. سپس یکی از فسفریلهای ترکیب ۳،۱-بیسفسفوگلیسرات به ADP منتقل شده و که در نتیجهی آن ۳-فسفوگلیسرات و ATP تولید میشود.
تمامی نه ترکیب میانهای این ده واکنش، فسفردار هستند. این گروههای فسفریل دارای سه نقش هستند:
۱- غشای پلاسمایی فاقد هرگونه ناقل برای قندهای فسفردار است؛ بنابراین قندهای فسفردار نمیتوانند یاخته را ترک کنند. پس از فسفرگیری گلوکز در آغاز مسیر، دیگر یاخته نیازی به مصرف انرژی برای نگهداشتن گلوکز در یاخته نخواهد داشت، حتی اگر اختلاف غلظت گلوکز درون و بیرون یاخته بسیار زیاد باشد.
۲- گروههای فسفریل موجب ذخیرهی آنزیمی انرژی میشوند. در واقع تشکیل استرهای فسفاتی نظیر گلوکز ۶-فسفات به کمک شکست ATP، بعداً موجب میشود که ترکیباتی بسیار پرانرژی مانند ۳،۱-بیسفسفوگلیسرات و فسفوانول پیروات گروه فسفریل خود را برای تشکیل ATP به ADP بدهند.
۳- گروههای فسفات سبب کاهش انرژی فعالسازی برای اتصال پیشماده به جایگاه فعال آنزیم میشود. همچنین گروه فسفریل باعث میشود تا آنزیم اختصاصیتر عمل کند.
واکنش ۱: آنزیم هگزوکیناز
واکنش آنزیم هگزوکیناز و تبدیل گلوکز به گلوکز ۶-فسفاتدر نخستین مرحلهی مسیر امبدن - میرهوف، گلوکز با فسفرگیری در کربن شماره شش و تولید گلوکز ۶-فسفات، جهت واکنشهای بعدی فعال میگردد. دهندهی این گروه فسفات، ATP است. این واکنش که در شرایط درونیاختهای برگشتناپذیر است توسط آنزیم هگزوکیناز کاتالیز میگردد. هگزوکیناز برای فعالیت به یون منیزیم نیازمند است. این آنزیم در تمامی یاختههای موجود در همگی موجودات زنده وجود دارد.
واکنش ۲: آنزیم فسفوهگزوز ایزومراز
واکنش آنزیم فسفوهگزوز ایزومراز و تبدیل گلوکز ۶-فسفات به فروکتوز ۶-فسفاتآنزیم فسفوهگزوز ایزومراز، ایزومریزاسیون برگشتپذیر گلوکز ۶-فسفات (یک آلدوز) به فروکتوز ۶-فسفات (یک کتوز) را کاتالیز مینماید.
واکنش ۳: آنزیم فسفوفروکتوکیناز-۱
واکنش آنزیم فسفوفروکتوکیناز-۱ و تبدیل فروکتوز ۶-فسفات به فروکتوز ۶،۱-بیس فسفاتبا انتقال یک گروه فسفریل از یک مولکول ATP به فروکتوز ۶-فسفات توسط آنزیم فسفوفروکتوکیناز-۱، فروکتوز ۱،۶-بیسفسفات ایجاد میگردد. این واکنش در شرایط درونیاختهای، برگشتناپذیر است. آنزیم فسفوفروکتوکیناز-۱، یکی از آنزیمهای تنظیمی مسیر امبدن - میرهوف است.
واکنش ۴: آنزیم آلدولاز
واکنش آنزیم آلدولاز و تبدیل فروکتوز ۶،۱-بیس فسفات به دیهیدروکسی استون فسفات و گلیسرآلدهید ۳-فسفاتآنزیم آلدولاز، پیوند میان کربنهای ۳ و ۴ در فروکتوز ۱،۶-بیسفسفات را شکسته و این آن را به دو تریوز متفاوت تجزیه میکند؛ این دو تریوز عبارتند از: گلیسرآلدهید ۳-فسفات (یک آلدوز) و دیهیدروکسیاستن فسفات (یک کتوز).
واکنش ۵: آنزیم تریوز فسفات ایزومراز
واکنش آنزیم تریوز فسفات ایزومراز و تبدیل دیهیدروکسی استون فسفات به گلیسرآلدهید ۳-فسفاتدیهیدروکسیاستون فسفات تولید شده در مرحلهی گذشته نمیتواند در ادامهی واکنشهای آنزیمی شکسته شود. از اینرو آنزیم تریوز فسفات ایزومراز، دیهیدروکسی استون فسفات را به گلیسرآلدهید ۳-فسفات تغییر میدهد.
واکنش ۶: آنزیم گلیسرآلدهید ۳-فسفات دهیدروژناز
واکنش آنزیم گلیسرآلدهید ۳-فسفات دهیدروژناز و تبدیل گلیسرآلدهید ۳-فسفات به ۳،۱-بیسفسفوگلیسراتگلیسرآلدهید ۳-فسفات توسط آنزیم گیسرآلدهید ۳-فسفات دهیدروژناز به مولکول ۳،۱-بیسفسفوگلیسرات اکسید میگردد. این واکنش اکسایشی با تولید یک مولکول NADH از NAD+ همراه است. مولکول ۳،۱-بیسفسفوگلیسرات دارای انرژی آزاد هیدرولیز بالایی است به گونهای که در ادامهی واکنشها از این ترکیب برای تولید ATP از ADP استفاده میگردد.
واکنش ۷: آنزیم فسفوگلیسرات کیناز
واکنش آنزیم فسفوگلیسرات کیناز و تبدیل ۳،۱-بیس فسفوګلیسرات به ۳-فسفوګلیسراتبا انتقال فسفریل از ۳،۱-بیسفسفوگلیسرات به ADP توسط آنزیم فسفوگلیسرات کیناز، یک مولکول ۳-فسفوگلیسرات به همراه ATP تولید میشود. این مرحله، یک واکنش از نوع فسفرگیری در سطح سوبسترا است.
واکنش ۸: آنزیم فسفوگلیسرات موتاز
با جا به جایی برگشتپذیر گروه فسفریل بین کربنهای ۲ و ۳ در گلیسرات توسط آنزیم فسفوگلیسرات موتاز، ۳-فسفوگلیسرات به ۲-فسفوگلیسرات تبدیل میشود.
واکنش ۹: آنزیم انولاز
آنزیم انولاز با برداشت یک مولکول آب از ۲-فسفوگلیسرات، فسفوانول پیروات را تولید میکند. فسفوانول پیروات توانایی بالایی در انتقال گروه فسفریل پرانرژی دارد که در مرحلهی بعدی از آن استفاده میکند.
واکنش ۱۰: آنزیم پیروات کیناز
مرحلهی پایانی مسیر امبدن - میرهوف، انتقال گروه فسفریل از فسفوانول پیروات به ADP توسط آنزیم پیروات کیناز و تولید ATP میباشد. پیروات حاصله نیز بسته به شرایط یاخته، وارد مسیرهای دیگری میشود.
به نام خداوند یکتا