التغذية

توجد بعض الفعاليات التي تكون مشتركة في الكائنات الحية، فالفيروسات لا تقوم بإنتاج الطاقة لأنها تعتمد على الخلايا المضيفة نظراً لوضعها الخاص بالنسبة للحياة. اما خلايا الاحياء المجهرية سواء كانت بدائية النواة او حقيقية النواة فتعمد في الاغلب الى انتاج الطاقة بنفسها، يتناول هذا الجزء بعض المعلومات حول انتاج الطاقة تمهيدا لدراسة النمو على المستوى الخلوي او المجموع الكلي للخلايا. ويمكن تقسيم الاحياء عامة اعتمادا على طريقة تغذيتها والطاقة المستعملة اي تقسيم الاحياء من الناحية الفسلجية وفي هذا التقسيم هنالك بعض المؤشرات المعتمدة، ويحصل التداخل بين المجاميع إذ يمكن لبعض الاحياء ان تشغل أكثر من موضع :

1- المصدر الكاربوني : وفيه تقسم الاحياء الى ذاتية التغذية Autotroph وهي التي تستطيع استخدام صور الكاربون الاكثر اكسدة المتمثلة بثنائي اوكسيد الكاربون Co₂ ويكون تلجدير بالذكر ان العاثيات يمكن ان تمتلك جينات ليس لها علاقة بتحليل الخلايا و استذابتها، والتعبير عن هذه الجينات يسمى تحول العاثيالرقم التأكسدي للكاربون 4 + ويحول الكاربون بعمليات اختزال متعاقبة ليصل الى رقم تأكسدي 4- والمتمثل بالكاربون في المركبات العضوية ويمكنه الدخول الى الانظمة الحيوية التي تكون صفتها العامة والمميزة انها انظمة مختزلة. وتتمثل هذه المجموعة بالنباتات التي تقوم بعمليات التخليق الضوئي والاحياء المجهرية التي تستطيع ان تثبت ثنائي اوكسيد الكاربون وتتصف بشكل عام بوجود الأجسام الكربوكسيلية.

والمجموعة الاخرى وهي متباينة التغذية Heterotrophic وهي التي تستطيع ان تستخدم الكاربون المختزل فقط كما في المركبات العضوية. وتتمثل بأغلبية الأحياء الموجودة على الأرض وتعتمد على الاحياء التي تقوم بعملية التخليق الضوئي واستخدام الطاقة الضوئية من ضوء الشمس لتحولها الى طاقة كيمياوية تخزن في الأواصر الموجودة بين ذرات الكاربون في المواد العضوية وتعمل هذه المجموعة على أكسدة الأواصر للحصول على الطاقة.

وتوجد ضمن هذا التقسيم بعض الاحياء التي تستطيع ان تبدل نمط تغذيتها من الذاتية الى المتباينة وبالعكس اعتمادا على الظروف المحيطة.

2- مصدر الطاقة : اعتمادا على هذا المؤشر تقسم الاحياء الى احياء ضوئية التغذية Phototrophic التي تستعمل الضوء مصدرا لاختزال الكاربون المؤكسد وتحويله الى كاربون مختزل وتتمثل بالنباتات وبعض البكتريا التي تقوم بعمليات التخليق الضوئي الخاص.

3- مصادر الهيدروجين : ويستعمل الهيدروجين كمعط للإلكترونات لغرض اختزال الكاربون المؤكسد او غيره من المواد، وهناك يمكن ان تقسم الاحياء الى احياء ذات تغذية صخرية Lithotroph عندما تستخدم مركبات لا عضوية لاختزال الكاربون كما هو الحال في النباتات التي تستخدم الماء مصدرا للهيدروجين وكذلك بعض البكتريا التي تستخدم مركبات الهيدروجين اللاعضوية اخرى مثل كبريتيد الهيدروجين  H₂S.

وعلى الطرف الثاني يمكن ان تكون مصادر الهيدروجين مركبات عضوية غير قابلة للتخمر وتسمى الاحياء عندها Organotroph، وتستعمل عادة مركبات عضوية قليلة الطاقة مثل اللاكتات او اللبنات (Lactate) والتي لا تصلح لعمليات التخمر وانتاج الطاقة منها.

وعليه فيمكن اشتقاق الموقع التصنيفي للكائن الحي من دراسة المؤشرات وتذكر في التسمية أولاً مصدر الطاقة يليه مصدر الكاربون ثم مصدر الهيدروجين لذلك يمكن ان تكون النباتات ضمن مجموعة Photoautolithotroph، في حين تكون الخلايا الحيوانية ومن ضمنها خلايا الإنسان ضمن المجموعة التصنيفية Chemoheteroorganotroph.

الانجذاب للمواد الغذائية

تظهر الاحياء وخاصة المجهرية المتحركة ظاهرة الانجذاب Taxis باتجاه عدة عوامل مثل المواد الكيماوية (الغذائية) او تجاه الضوء او جهد الاكسدة والاختزال او غيرها من العوامل ولعل اهمها في هذا المجال هو الانجذاب الكيماوي Chemotaxis. فالأحياء المتحركة ومن أهمها البكتريا يمكن ان تحدد مكان وجودها بالنسبة للمحفزات الكيماوية. ويكون الانجذاب الكيماوي الذي يعمل بشكل رئيس كعامل مهم في التغذية، فانه يعتمد في مجالات على عوامل ليست خاصة بالتغذية او ايض الخلايا. ومن جهة اخرى فان الخلايا يمكن ان تتصرف للحصول على الطاقة ليس عند وجود المواد الغذائية وإنما استجابة لحالة الطاقة الايضية داخل الخلية اي نتيجة لتغير مستويات الطاقة داخل الخلية وليس للمؤثر الخارجي وهو المادة الغذائية، وتعطي اشارات انجذاب كيماوي نتيجة لتغير مستوى الطاقة او تغير جهد الاكسدة والاختزال داخلها.

29

في البكتريا يوجد نظام للانجذاب الكيماوي  Chemotactic system لا يعمل في مجال وجود المواد الغذائية فقط. فمثلا في    E.coli يوجد حوالي 20 من المستلمات المختلفة يشترك بعضها في عمليات نقل المواد الغذائية، ولذلك يلاحظ ان الخلايا يمكن ان تغير تصرفاتها نتيجة لعبور بعض المواد للأغشية الخلوية. والانجذاب الكيماوي يمكن ان يكون ايجابي عند الانجذاب للمواد الجاذبة Attractants او الابتعاد عن المواد المنفرة Repellants هو نوع من الاستجابات الخلوية التي يتم بواسطة المستلمات الموجودة على سطوح الخلايا.

والاحياء التي لا تستهلك الهيدروكربونات مثلا تتحرك بعيدا عنها لتقليل الأثر السام لها، في حين ان الاحياء المستهلكة لها تمتلك الوسائل التي تقربها منه، فمثلا الاحياء التي تقوم بتفكيك الهيدروكربونات مثل Pseudomonas putida G7 التي تحلل النفثالين تحوي على البلازميد NAH7 الحاوي على ألجين nahY الذي يشفر للبروتين NAHY وهو بروتين غشائي نهايته الكربوكسيلية مشابه للبروتينات الناقلة لإشارة الانجذاب الكيماوي المعروفة في البكتريا العامة (MCPs) Methyl – accepting chemotaxis protein وعليه فان البروتين NAHY قد يكون هو المستلم للنفثالين او مشتقاته.

وعندما تتحرك البكتريا باتجاه المواد او بعيدا عنها فان ذلك لا يكون اعتمادا على تحسسها لتدرج التركيز وذلك لان سطح البكتريا صغير بالنسبة للبيئة وإنما تعتمد على الحركة لمسح مكان واسع من البيئة، فهي تتحرك لمدة ثانية وتتقلب لمدة 0.1 ثانية ثم تسبح ثانية، وعند وجود مواد جاذبة تسبح البكتريا اتجاه المادة لمدة اطول معطيا توجه اتجاه المادة وكما في الشكل (1)

شكل 1 : الانجذاب الكيماوي للبكتريا باتجاه المواد الجاذبة

والغشاء الخلوي للبكتريا المتحركة يحمل عدد من المستلمات MCPs ويوجد جزء منها في الفسحة المحيطة (كما موضح في الشكل 2) وهذا الجزء يستعرض الغشاء الخلوي، ويرتبط بجزء اخر على جهة الغشاء الخلوي الداخلية. كما ان بعض مستلمات المثيل يمكن ان تتصل ببروتينات رابطة في الفسحة المحيطة ذات الالفة العالية.

فعند وجود مادة منفردة فانها تتداخل مع MCPs وتؤثر على درجة مثيلته لمساعدة البروتين Che w والذي يؤثر على بروتين اخر هو Che A الذي يتفسفر ذاتيا باستعمال ATP مصدرا للفوسفات. ويقوم البروتين المفسفر الاخير P-CHe A بفسفرة بروتينات اخرى هي Che Y و .Che B  و Che B يقوم بعد مدة بإعادة MPCs الى وضعه الطبيعي بإزالة مجموعة المثيل منه، في حين يكون CHe Y الأساس في إرسال اشارات الى السوط (عضو الحركة) اذ يتداخل الشكل المفسفر منه P – Che Y مع بروتينات خاصة موجودة عند قاعدة السوط وهي Fli N , Fli M, Fli G مؤديا الى جعل السوط يدور باتجاه عقرب الساعة مما يؤدي الى اضطراب حركة الخلايا وتبدأ بالتقلب بدون هدف. وتوجد بعض المركبات يمكن ان تعمل على مثيلة CHe Y مثل فوسفات الاستيل وغيرها وتؤدي أيضاً الى اضطراب حركة الخلايا.

أما عند وجود مواد جاذبة فانها تتداخل مع المستلمات MCPs مؤدية الى زيادة فعالية الفروتين Che Z الذي يساعد في ازالة الفوسفات من P – Che Y والشكل غير المفسفر منه يتداخل مع البروتينات الموجودة عند قاعدة السوط الذي يبدأ بالحركة الدورانية باتجاه عكس عقارب الساعة مما يؤدي الى سباحة الخلايا بشكل منتظم كما موضح بالشكل (2).

والبروتينات الموجودة عند قاعدة السوط تستلم اشارتين، واحدة سريعة واخرى بطيئة وتبقى لمدة طويلة، مما يسمح للخلايا التمييز بين الاشارتين على مدى معين من الوقت وهو نوع من الذاكرة للجاذبات الكيماوية ويمكنها من السباحة الطويلة باتجاه المواد الجاذبة المذكورة اعلاه.

أما أنظمة نقل المواد الغذائية في الأغشية الخلوية يمكن ان تؤثر على عملية استجابة الخلايا وحركتها البكتريا وقد يكون ذلك نتيجة لزيادة فعالية Che Z. ولذا يعد PTS جزءا مهما من ظاهرة الانجذاب الكيماوي في البكتريا المتحركة اذ ان جزيئاته تعمل بمثابة مستلمات كيماوية، وفعاليته هذه تساعد البكتريا على الحركة باتجاه التراكيز الملائمة من مواد الاساس التي يعمل عليها النظام.

شكل 2 : تداخلات المواد المنفردة والجاذبة المؤثرة على حركة البكتريا

نقل المواد الغذائية

ان تركيب الغشاء الخلوي ووجود المنطقة الوسطية الكارهة للماء يعد حاجزا نضوحيا مهما امام الجزيئات المحبة للماء. كما ان وجود الجدران الخلوية يجعل الخلايا ذات تغذية تنافذية. ولتسهيل نقل المواد يحتوي الغشاء الخلوي على انظمة لنقل المواد الغذائية وكذلك انظمة لطرح الفضلات. وغالبا ما تنقل المواد الغذائية ضد التركيز لان الخلايا وخاصة البكتريا تعيش في معظم الأحيان في بيئات منخفضة المواد الغذائية وهذا يعني الحاجة الى الطاقة. وهنالك عدة انظمة لنقل المواد الغذائية والتي تختلف باختلاف الخلايا وكذلك باختلاف مواد الاساس التي تنقلها ومن هذه الانظمة :

1- انظمة الانتشار الميسر Facilitated diffusion systems انظمة نقل لا تحتاج الى طاقة اي يكون نقل غير فعال Passive transport يعتمد على التراكيز على جانبي الغشاء ومنها نقل الكليسرول.

2- انظمة نقل معتمدة على وجود بروتينات رابطة وتوجد في البكتريا السالبة لصبغة كرام ويكون النقل بوجود بروتينات رابطة توجد في الفسحة المحيطة. وعملية النقل تزود بالطاقة من ATP او غيره من المركبات الحاوية على مجاميع فوسفات مرتبطة بآصرة عالية الطاقة، وتسمى الانظمة الحساسة للصدمات وذلك لأنها تدمر عند تعرض الخلايا لبعض المحاليل. ومن الجدير بالذكر ان حوالي 45% من المواد تنقل بهذه الطريقة في E. Coli.

3- النقل المعتمد على الضخ الكيماوي Chemiosmotic – driven transport وبهذه الطريقة تنقل المواد بالاعتماد على القوة الدافعة للبروتون (pmf) Proton motive force –او بالاعتماد على القوة الدافعة للصوديوم والتي تكون قد تكونت قبل عملية النقل، وتنتقل الخلايا حوالي 40% من موادها بهذه الطريقة. ان عملية النقل تحدث نتيجة لتكون تدرج في تراكيز الايونات عبر الغشاء الخلوي ويوجد منها ثلاثة أنواع :

- النقل الموحد Uniport وتنقل فيه المواد مع انتقال البروتون الى داخل الخلية بشكل غير معتمد على المادة المنقولة.

- النقل المتوافق Symport وفيه تنقل مادتين في الوقت والاتجاه نفسه واستعمال ناقل واحد

-  النقل المتعاكس Antiport وهذا النظام يساعد في النقل المتزامن لمادتين متشابه الشحنة والتي تنقل باتجاهين متعاكسين وتتم بواسطة نواقل غير متخصصة مثل H⁺/Na⁺.

4- إزفاء المجموعة Group translocation الطريقة التي تمتاز بنقل المواد التي تكون متغيرة داخل الخلية وتستعملها الخلايا لنقل مجموعة من السكريات التي تكون داخل الخلية سكريات مفسفرة، وهذا يؤدي الى توفير الطاقة للخلايا بشكل أمثل وذلك من جعل عملية النقل مزدوجة مع عملية أيض قادمة وهي الفسفرة. وتسمى الأنظمة العاملة في هذه الطريقة بأنظمة Phosphotransferase systems  ومنها PTS الذي يساهم في حركة الخلايا بظاهرة الانجذاب الكيماوي باتجاه المصدر الكاربوني المذكورة آنفا, وكذلك تشارك في تنظيم عدد من المسارات ضمن الكبح بمواد الهدم Catabolite repression.

المصادر

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