استجابة الخمائر للضغط التنافذي

زيادة الضغط التنافذي أو قلة الماء يؤدي الى حدوث الجفاف وتقويض تدرج الايونات عبر الأغشية الخلوية وبالتالي تؤثر على عيوشية الخلايا. ويمكن تلخيص تأثير ارتفاع الضغط على الفعاليات الحيوية للخلايا :

•        اضطراب السيطرة على نقل المواد عبر الأغشية الخلوية.

•        اضطراب السيطرة على تنظيم الفعاليات الحيوية.

•        التأثير على دورة الخلية.

•        التأثير على الهيكل الخلوي.

وقلة النشاط المائي يؤدي الى تقليل نمو الخمائر وقد استعملت هذه الظاهرة منذ قديم الزمان في عمليات حفظ المواد الغذائية والفواكه كما في زيادة تركيز السكريات في صناعة المربيات. والنشاط المائي يتغير بسرعة حول الخمائر وذلك نتيجة لتأثير الظروف الخارجية او نتيجة لفعالية الخلايا نفسها. ولذلك تحافظ الخلايا على حجمها الطبيعي وتحافظ على النسبة بين الماء الحر والماء المرتبط او المقيد ليلائم فعالياتها الحيوية. فالنشاط المائي في المحلول الخلوي وعضيات الخلية للخمائر يجب ان يكون اقل من النشاط المائي للوسط المحيط لتكون هناك قوة دافعة للماء للدخول الى الخلايا بشكل ثابت. وهذه القوة يعاكسها الضغط الانتفاخي والذي يكون ناتجا عن محدودة تمدد كل من الأغشية والجدران الخلوية. وتحت مثل هذه الظروف تحاول الخلايا البقاء حية عند حصول تغيرات مفاجئة في النشاط المائي سواء عند الانخفاض اي حصول زيادة في الضغط التنافذي الذي يؤدي الى (Osmotic upshift) Hyperosmotic shock والذي يرافقه خروج الماء وانكماش الخلية، او زيادة النشاط المائي الذي يؤدي الى (Osmotic downshift) Hypoosmotic shock مؤديا الى دخول الماء وانتفاخ الخلايا وزيادة الضغط الانتفاخي. ان قابلية الخمائر للتعامل مع التغيير في النشاط المائي لابد ان تكون نابعة من داخل الخلايا، وهذا يعني وجود الأنظمة الملائمة تتخذ الاجراءات اللازمة تحت كل الظروف وتعمل في اثناء الثواني الأولى من التغيير وذلك لان خروج الماء ودخوله يحدث بسرعة، وخروج الماء يؤدي الى زيادة تركيز الايونات والمواد الخلوية الاخرى، وهذا يؤدي الى توقف الفعاليات الحيوية الطبيعية وتصبح الخلايا تحت الاجهاد التنافذي. وقد طورت الخمائر آليات للتعامل مع هذا الاجهاد وتعتمد الآليات على عدة مكونات.

استجابة الخمائر لزيادة الضغط التنافذي :

 تتم معالجة الاجهاد وتنظيمه عن طريق Mitogen-activated protein kinases) MAPK) كعمود فقري تسبقه بعض المكونات وتعقبه بعض المكونات التي تقوم بإكمال دوره.

تحسس الضغط التنافذي :

 هناك العديد من البروتينات التي تعمل كمتحسسات للتنافذية  Osmosensors وتكون هذه لازمة للاستجابة. وهذه المتحسسات تختلف عن المتحسسات الكيماوية Chemosensors في انها لا تعمل كمستلمات للمواد وانما تتحسس التغيرات في الصفات الفيز وكيماوية في المذيب المحيط بالخلايا نتيجة لتغيير تركيز الماء او تغيير تركيب جزيئة الماء، اي انها تتحسس التغيرات التي تحصل نتيجة لتغير النشاط المائي (Water activity) a_w . ومن المتوقع ان متحسسات التنافذ تعمل على سطوح الخلايا كبروتينات أصيلة في الأغشية، ولكن يمكن ان تكون بعض متحسسات التنافذ بروتينات ذائبة. وهناك نوعان من البروتينات التي تسيطر على التغيرات التنافذية وهي :

•        بروتينات متحسسة فقط وهي أصيلة وغير مستحثه وتسيطر على مسارات نقل الاشارات وتؤدي الى حصول الاستجابة للتكيف للضغط التنافذي.

•        البروتينات الناقلة التي تشغل وتستعرض الأغشية الخلوية وهي التي يسيطر عليها بالمحفزات الميكانيكية او التغيير في درجة تنافذية الوسط المحيط بالخلايا. والتي يعتقد انها قنوات حساسة للتغيير الميكانيكي وترتبط بمسارات نقل الاشارات في الخلية.

والتحسس يمكن ان يحصل خلال دقيقة في حالة اضافة تراكيز من كلوريد الصوديوم (100 ملي مول) وتصل ذروة الاستجابة عند اضافة 300 ملي مول الى خميرة  الخبز وذلك نتيجة لتغير المؤشرات ومنها الميكانيكية كما ذكر، اضافة الى التغيرات  التي يحدثها الضغط الانتفاخي والذي يمثل قوة شد على شطح الخلية فتغيره يؤدي الى تغير الشد السطحي على مكونات الحدود الخارجية مثل الجدران والاغشية الخلوية والذي يؤدي بدوره الى تغير ترابط الهيكل الخلوي مع الأغشية الخلوية وهذا يعد من الاشارات القوية.

فمن المعروف ان الجدران الخلوية في الخمائر من التراكيب المعقدة ولها اتصالات عرضية كثيرة مع بروتينات الغشاء الخلوي والتغير في الشد لهذه الاتصالات يمكن ان يؤدي الى تغيرات شكلية في البروتينات الغشائية المرتبطة بالجدران الخلوي وهذا يكون بمثابة تحسس للتغيير في الضغط التنافذي، كما ان التغير في الشد يؤثر على الطبقة الدهنية الثنائية في الأغشية الخلوية والذي يمكن ان يكون جزءا من الاشارات، اضافة الى ان القنوات الايونية في غشاء الخلية والتي تكون حساسة للتغيرات الميكانيكية يمكن ان تحفز بهذا الشد.

واضافة الى ذلك فان خيوط الاكتين المكون للهيكل الخلوي يمكن ان تكون ذات أهمية في تحسس التغير في الضغط التنافذي فتوجد عدة انبعاجات غشائية تلتف حول حزم من خيوط الاكتين والمكونة لجيوب قشرة الاكتين (Cortical patches)  فالتغير في الضغط التنافذي يؤثر على هذه الانبعاجات خيوط الاكتين سوف تشد او تتراخى مؤدية الى حدوث تغيير في شكل الاكتين وبذا تجعل البروتينات المرتبطة بالأكتين تعمل كمتحسسات للتغير في الضغط التنافذي.

تحفيز مسار تخليق الكليسرول

بعد ان تتم عملية التحسس بالضغط التنافذي تحصل عمليات تنشيط للمسار المعني بمعالجة الاجهاد وهو مسار (HOG pathway (High osmolarity glycerol وهو احد مسارات MAPK ويشبه نظام المكونين الموجود في البكتريا والموضح في الشكل (1).

وتنشيط المسار يؤثر على التعبير عن عدد من الجينات وبالتالي التأثير على وظائف الخلية. فمن المظاهر العامة عمل مسار HOG  :

•        توقف آني للنمو.

•        فقد لعمليات تنظيم اكتين الهيكل الخلوي.

•        توقف مؤقت لعمليات تخليق بعض البروتينات.

•        حيث تخليق مجموعة بروتينات الصدمة الحرارية.

•        زيادة تركيز المذابات المتوافقة داخل الخلايا.

شكل 1 : مسار اجهاد التنافذ العالي في خميرة الخبز

فالخلايا تحت الظروف الطبيعية تكون ناضجة للكليسرول، وزيادة الضغط التنافذي خارج الخلايا يؤدي الى :

•        نقصان في نضوحيه الخلايا للكليسرول وذلك بتثبيط ناقلاته.

•        حث تخليق الانزيمات المسئولة عن تخليق الكليسرول من Dihydroxy acetone phosphate وهي (Glycerol -3p dehydrogenase) GDP 1 و (Glycerol -3- (phosphate وبذا يزداد تركيز الكليسرول داخل الخلايا.

ويستحث مسار HOG بمواد عدة مثل كلوريد الصوديوم وكلوريد البوتاسيوم، والسوربيتول، والكلوكوز مما يشير الى انه يستجيب للتغير في التنافذية وليس بنوعية مذاب معين، من الجدير بالذكر ان زيادة تركيز كلوريد الصوديوم اضافة الى تغييره الضغط التنافذي فان له تأثير اضافي وهي سمية الملح الخاصة.

وقد سجلت تأثيرات مسار HOG على التعبير الجيني من قياس مستوى البروتينات او قياس مستويات mRNA وقد وجد أن لكل مادة يتم تحفيز جينات خاصة وبنمط وقتي معين. والطفرات في مسار HOG لا يمكن ان يعود فيها الاكتين بعد اعادة الخلايا الى الوضع الطبيعي من ناحية الضغط التنافذي، وهذا يشير الى ان المسار يصحح مكائن النمو في الخلية والانقسام بعد الصدمة التنافذية.

ومن ناحية علاقة المسار بدورة الخلية فهو يوقف الخلية عند المرحلة G2. ومن جهة ثانية يلاحظ ان تنشيط المسار الدائمي يكون مميتا للخلايا حتى تحت ظروف ارتفاع التنافذية، لذلك يجب ان يغلق لتبقى الخلايا حية ويتم ذلك اما بالتنظيم الذاتي او بواسطة انزيمات الفوسفيتزات واهمها Tyrosine phosphatase .

وبجانب مسار HOG هناك العديد من المكونات التي تعمل في مجالات التنظيم والتي تختلف باختلاف المادة المسببة لارتفاع الضغط التنافذي. مثلا المواد العضوية يكون لها توجها خاصا يختلف عن الايونات، فالسوربيتول يؤدي الى حث 13 جين منها 8 تكون متخصصة وتحث بشكل قوي بالسوربيتول والاخرى تعمل ضمن الاستجابات العامة.

المصادر

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