التنافذيات Osmolytes

هنالك العديد من المواد اللابروتينية التي تلعب دورا مهما في حماية الخلايا ضد ظروف الاجهاد وبذلك هي تؤدي في النهاية أدواراً مشابهة لعمل الوصيفات. ومن ظروف الاجهاد المهمة زيادة الضغط التنافذي وارتفاع درجة الحرارة.

تغير الضغط التنافذي

يعد التطبع للضغوط التنافذية الخارجية وتنظيمها من الاساسيات لبقاء الخلايا حية، وعادة يكون الضغط التنافذي داخل الخلايا اعلى من البيئة المحيطة مؤديا الى وجود الضغط الانتفاخي Turgor pressure والذي يكون ضروريا لعمليات النمو وانقسام الخلايا. وتغير الضغط التنافذي وازدياده خارج الخلايا يؤدي الى دفق الماء الى خارج الخلايا مؤديا الى الانكماش وحصول الجفاف، اما عند انخفاض الضغط التنافذي خارج الخلايا يؤدي الى دخول الماء الى داخل الخلايا وانفجارها. ولذلك فان الخلايا طورت آليات عدة للتطبع مع تغيرات الضغط خارج الخلايا.

ويكون تغيير البيئة ناتجا عن تغيير التركيب الأيوني وزيادة الملوحة او وجود مواد اخرى مثل السكريات. وهذا يعني ان البيئات يمكن ان تترواح من بيئات ذات ضغط تنافذي واطئ جدا كما في المياه العذبة الى بيئات يرتفع فيها الضغط التنافذي بشكل كبير كما في البحيرات المالحة وعادة يكون التطرف في احد العوامل مرافقا لتطرف في عوامل اخرى مثل زيادة الحموضة التي قد ترافقها ارتفاع بدرجات الحرارة.

ومن الآليات التي تستعملها الخلايا للتطبع أمام تطرف الضغط التنافذي :

•        تراكم التنافذيات التي تساعد في طوي البروتينات الى شكلها الطبيعي.

•        التمييز بين المذابات ففي بعض الأحيان تجمع الخلايا مركبات سالبة لمعادلة ايونات البوتاسيوم ⁺K او تكون متعادلة وفق الظرف الذي تمر به.

•        السيطرة على الدفق الخارجي للأيونات.

•        التغير في التعبير الجيني للعديد من البروتينات.

•        تطوير الخلايا لأنزيماتها وجعلها مرنة لتتلاءم مع الظروف التي توجد فيها، فمثلا في الخلايا حقيقية النواة فان الانزيم Ribonuclease له قابلية عالية لامتصاص الماء بنسبة تصل الى 600 مول ماء / مول من البروتين، ولكن عند وجود احدى التنافذيات مثل Sarcosine تنخفض القابلية الى 70 مول ماء / مول بروتين.

وتقوم الخلايا بتجميع بعض المواد لغرض مواجهة الضغط التنافذي ويطلق عليها المذابات المتوافقة Compatible solutes . وتقوم المذابات المترافقة بمنع مسخ البروتينات، اذ ان فك انطواء البروتينات يؤدي الى زيادة المساحة السطحية للبروتينات ولذلك فان التنافذيات تقابل توسع سطح البروتين بواسطة زيادة التميؤ Hydration، كما انها تزيد من تداخلات السلاسل الجانبية مما يؤدي الى زيادة ثباتية البروتين اي انها تزيد Chemical potential للبروتينات الممسوخة والتي تؤدي الى معاكسة الالتفاف العشوائي واعادته الى التركيب المطوي الملائم، وبذا فهي تزيد من كمية البروتينات المطوية تحت الظروف غير الملائمة.

وتعود قابلية المذابات المتوافقة او التنافذية في أداء مهمتها المذكورة الى انها تؤدي الى حالة توازن بين سطوح الجزيئات الكبيرة والطور المائي وذلك بمقاومة التغيرات الكبيرة داخل الخلايا، اذ انها تتجمع عند سطوح تلاقي الطور المائي وسطوح الجزيئات الكبيرة مثل البروتينات وغيرها من الجزيئات الخلوية.

أنواع المواد المتراكمة :

 تختلف الاحياء في المواد التي تراكمها لمواجهة اجهاد التنافذ والأغلبية العظمى منها يتم نقلها من الوسط المحيط لأنه يوفر الطاقة للخلايا مقارنة بعمليات تخليقها. وتختلف المواد وفق المادة المسببة لزيادة الضغط ولكن أغلبها تتفق في أنها تكون خاملة كي لا تؤثر على مكونات الخلية الداخلية وتغير من فعاليتها ومنها :

السكريات والكحولات المتعددة : وفي هذه الحالة تجمع الخلايا السكريات ولكن بعد ان تحولها الى شكل خامل وذلك لان وجود السكريات بتراكيز عالية يؤدي الى اضافة السكر الى عدد كبير من الجزيئات بطرق لا انزيمية وخاصة عندما تكون درجات الحرارة عالية ويؤدي ذلك الى تغير فسلجه الخلايا لذلك تقوم الخلايا بتحوير النهايات المختزلة للسكريات مثل تكوين التريهالوز و Glucosylglycerol او Glucosylglycerate او اي مادة اخرى لإخفاء فعالية السكريات. فمثلا Glucosylglycerol وهو من التنافذيات العضوية الذي يتجمع في البكتريا المزرقة استجابة لزيادة الملوحة، وتستعمله بكتريا اخرى عند وجود طلائعه في الوسط الذي تنمو فيه. اما Glucosylglycerate وهو مركب سالب الشحنة مشابه للمركب Glucosylglycerol فتجمعه الاركيا خاصة المولدة للميثان ويمكن ان تكونه تحت ظروف اخرى مثل نقص النتروجين. ويمكن تجميع السكريات قليلة الوزن الجزيئي مثل السكروز والكلوكوز والتريهالوز.

التريهالوز :

سكر ثنائي غير مختزل يوجد عادة في الاحياء التي تتعرض للجفاف مثل الخمائر والاركيا بتراكيز قد تكون عالية جدا او واطئة ويلعب دورا أساسياً في الحفاظ على  البروتينات وطويها . وبعض الاركيا يمكن ان تخلق مشتقاته عند وجود الكلوكوز في الوسط الذي تنمو فيه باستعمال الانزيمات، ومنها المركب 2-sulfotrehalose الذي له قابلية على درئ التنافذية العالية في الاركية المحبة للملوحة والمحبة للقاعدية مثل Natronobacterium spp Natronococcus spp ، والمركب يحوي على الكبريتات المرتبطة الى الذرة الثانية من الكاربون لأحدى جزيئات الكلوكوز. ويوجد المركب كأحدي المذابات المترافقة في احياء اخرى وهو سالب الشحنة وتستعمله الخلايا لمعادلة تراكيز ايون البوتاسيوم، وهذه الظاهرة تكثر في الاركيا اذ ان المواد الموجودة في داخلها تكون أيونية بإضافة شحنة سالبة عليها مثل اضافة الفوسفات او الكبريتات او غيرها.

اما الكحولات المتعددة المستعملة فهي كثيرة مثل الكليسرول والماينتول و Arabitol ولعل أهمها الكليسرول الذي يوجد في العديد من الخمائر والطحالب، والاخيرة تستعمل للإنتاج التجاري مثل الطحالب Dunaliella لمواجهة التركيز الملحي العالي خارج الخلايا. اما الاركيا مثل Archaeoglobus fulgidus فتجمع الكليسرول على شكل فوسفات الكليسرول Diglycerol (DGP)phosphate كمذاب عضوي أساسي داخل الخلايا ويزداد تركيزه عند زيادة تركيز كلوريد الصوديوم وعند ارتفاع درجة الحرارة.

ويعد الاينوزيتول Inositol من المواد التي تتراكم عند ظروف الاجهاد فمثلا النباتات واللبائن تجمع myo-inositol بينما الاركيا تجمع الشكل المفسفر منه Di-myo –inositol – 1 – 1' (DIP) phosphate، ويوجد في اركيا اخرى مثل Methanococcus igneus عند نموها بدرجة حرارة 85 م وكذلك يوجد في الاركيا Thermotogo neapolitana ,Pyrococcus furiosus عند نموها بدرجات حرارية 98- 101م وهذا يشير الى ان المركب يعمل كمذاب متوافق وكحامي من الحرارة Thermoprotactant . واضافة الى ذلك فان الاركيا من مجموعة Hyperthermophilic archaea تجمع المركب (CDPG) Cyclic diphosphoglycerol وهذه المركبات تثبت بعض البروتينات خارج الانظمة الحية وتجعلها مقاومة للحرارة المرتفعة، لذلك يعتقد ان هذه المركبات مهمة في التحمل الحراري وتساعد الاحياء في النمو تحت ظروف الاجهاد ويتوقع ان الانزيمات المسئولة عن تخليقها تكون نشطة تحت ظروف ارتفاع الحرارة ربما بسبب وجود ظاهرة المقاومة الاصيلة Built-in thermo resistance feature وهذه البروتينات يمكن ان تعد من بروتينات الاجهاد وليس من الوصيفات اذ ان تحت مثل هذه الدرجة الحرارية لم يسجل وجود الوصيفات العامة.

الحوامض الامينية ومشتقاتها

أغلب الحوامض الامينية المتجمعة كمذابات متوافقة هي من النوع β  مثل الكلوتامين واللايسين وهذه تستعمل في الاركيا المولدة للميثان عند زيادة تركيز كلوريد الصوديوم خارج الخلايا وتعتمد نوعية المشتق الاميني وزيادة تركيزه على تركيز الملح خارج الخلايا. والحوامض الامينية β تذوب بشكل كبير ولا تمثل من قبل الخلايا ويكون معدل انقلابها بطيء جدا لذلك تعد من المذابات المتوافقة الحقيقية ومن أمثلتها β – alanine.

وتجمع الخلايا الحوامض الامينية من نوع α وخاصة التي تكون هجينة او امفوتيرية متذبذبة مثل البرولين كمواد واقية من التنافذ Osmoprotactants . ويدخل البرولين الى الخلايا بواسطة انظمة نقل خاصة تحث بواسطة البرولين وهي ProU ,ProP التي تكون معتمدة على الصوديوم. ومن التنافذيات الامفوتيرية المماثلة الاخرى مشتقات المركبات الحلقية مثل Ectoine الذي يخلق داخل الخلايا المتحملة للملوحة متباينة التغذية عند ارتفاع الملوحة  وهذا يوفر لها الحماية كما هو الحال مع البرولين ولا يوجد في الاركيا.

وتستعمل كل من البكتريا والاركيا الكلوتامات لدرئ تأثير ارتفاع الضغط التنافذي اضافة الى استعمالها كمعط لمجموعة الأمين لتخليق الحوامض الامينية، وهي اما ان تنقل الى الخلايا من الوسط المحيط او تخلق داخل الخلايا. وتستعمل الخلايا الكلايسين او مشتقاته كمذابات متوافقة مثل ثلاثي مثيل الكلايسين (GB) Betain وهو مركب منتشر في الطبيعة وتستعمله البكتريا لموازنة الضغط التنافذي ويستعمل أيضاً في الحيوانات والنباتات كما انه يوجد في معظم افراد الاركيا، والمجموعة الاخيرة يمكن ان تقبطه من البيئة المحيطة بشكل فعال اذ يقوم بتخليق ناقلات خاصة له وعملية نقله يمكن ان تتلاشى عند وجود حاملات البروتينات Protonophores او حاملات الايونات Ionophores . وذلك لان عملية تخليقه في الاركيا نادرة وعند تخليقه في بعض الأحيان فتتم من اكسدة الكولين الخارجي عن طريق تكوين المركب الوسطي GB aldehyde ، او عن طريق مثيلة الكلايسين.

وتجمع الخلايا مشتقات امينية مثل اوكسيد ثلاثي الامين ومركب – βdimethylsulfoniopropionate وTaurine و γ – aminobutyrate.

تنافذيات اخرى

وتقوم خلايا الاحياء بتجميع مواد اخرى لحماية بروتيناتها غير التي ذكرت اعلاه قد تكون مشحونة لمعادلة ايون البوتاسيوم ومنها متعددات الأمين العضوية، وقد تكون هذه المركبات حلقية او غير حلقية.

المصادر

الخفاجي , زهرة محمود (2008) . التقنية الحيوية الميكروبية (توجهات جزيئية ) . معهد الهندسة الوراثية والتقنية الحيوية . جامعة بغداد .