المعادن والبيئة

تتداخل الجوانب الايجابية والسلبية بين المعادن والتقنية الحيوية البيئية، فمن جهة فان تراكم المعادن وخاصة الثقيلة تعد ذات مؤثرات سلبية على البيئة، في حين ان عمليات التعدين والاستخلاص الحيوي يوفر فرص كبيرة للحصول على المعادن التي لا يمكن الحصول عليها بالطرق اللاحيوية.

يوجد أكثر من 90 عنصر والقائمة في ازدياد، منها 21 عنصر من المواد اللامعدنية، و 16 من المعادن الخفيفة، بينما 53 منها هي العناصر الثقيلة والتي اغلبها من العناصر الانتقالية التي يكون المدار الخارجي d غير ممتلئ بالإلكترونات، وتعد المعادن ثقيلة فيما اذا زادت كثافتها الكتلية عن 5 غم / سم³ . والمدار d هو الذي يعطي المعادن الثقيلة قابلية تكوين الايونات الموجبة القادرة على تكون المركبات المعقدة، وفيما اذا كان العنصر فعال من حيث جهد الاكسدة والاختزال ام لا. ولذلك تلعب العناصر الثقيلة أدواراً مهمة في العمليات الحيوية المعقدة التي تتم على الأرض مثل تثبيت النتروجين وفلق جزئية الماء أثناء عمليات التخليق الضوئي والتنفس الهوائي واللاهوائي. وكذلك في عمليات توزيع الأواصر بين ذرات الكاربون C – C وتمثيل الهيدروجين واليوريا والكثير من العمليات الحيوية الاخرى.

وتلعب المعادن الثقيلة أدوارا مهمة في انتساخ الجينات وتخليق الحوامض النووية. وعند التراكيز العالية تظهر تأثيرات غير متخصصة وبالتالي تسمم الخلايا. ومن الايونات السامة للأنظمة الحيوية بشكل كبير ايونات الفضة ⁺Ag  وايونات الكادميوم ⁺⁺Cdوأيونات الزئبقيك ⁺⁺Hg لذلك وجب ان تكون الخلايا خالية من معظم الايونات الثقيلة واحتوائها على البعض بتراكيز واطئة جدا لغرض ان تبقى حية ولكن دون اجهاد.

التحمل والمقاومة لسمية المعادن الثقيلة

كي تظهر المعادن الثقيلة تأثيرها الايجابي او السلبي على الخلايا لابد ان تدخل الخلية فالأيونات الثنائية الشحنة مثل Zn ⁺⁺ , Cu⁺⁺ , Co⁺⁺ , Fe⁺⁺ , Mn⁺⁺ والتي تكون أقطارها 138 – 160 بيكومتر (Pico meter) تنقل بطرق خاصة. اما الايونات السالبة الاوكسجينية Oxyanions مثل الكرومات CrO4⁼  والفوسفات PO4^3- والكبريتات SO4⁼ والزرنيخات ^-AsO³ والتي يكون فيها الايون مختلف تماماً عن العنصر الاساسي وتحمل اغلبها شحنتين سالبة فعلى الخلايا زيادة الارتباط مع الايون المطلوب عند وجود تشابه بينهم وهذا الارتباط يكلف وقت وطاقة بالنسبة للخلايا، ولذلك طورت الخلايا آليات لحل هذه المشكلة المحيرة ووجد نوعين من الأنظمة لنقل المعادن الثقيلة وأيوناتها

•        انظمة سريعة وغير متخصصة وتستعمل لنقل العديد من المواد ويتم التعبير عنها باستمرار وبدون حث.

•        انظمة بطيئة ومتخصصة تعتمد على تحليل ATP مصدرا للطاقة وبعض الأحيان تستعمل الضخ الكيماوي اضافة الى تحليل ATP ، وتخلقها الخلايا فقط عند الحاجة لأنها مكلفة من حيث الطاقة وتتكون عند المجاعة وحالات الايض الخاصة وتكون مستحثه.

والجدول (1) يوضح بعض الناقلات في الخلايا والايونات التي تقوم بنقلها.

وبصورة عامة فان ايونات النيكل والكوبالت والزنك والمنغنيز والمغنيسيوم تنقل بأنظمة النقل السريع اضافة الى وجود انظمة نقل بطيئة لنقلها ولكنها تستعمل بشكل قليل، اما الزرنيخات والكرومات فتنقل بأنظمة نقل خاصة قد تكون سريعة او بطيئة اعتمادا على الكائن وكذلك العملية الفسلجية التي يقوم بها. ولكن عند زيادة تراكيز المعادن الثقيلة قد يلغى التخصص وتنقل وتتجمع بأنظمة النقل السريع.

جدول 1 : انواع ناقلات الايونات في الخلايا ودورها في النقل

ان انظمة النقل غير المتخصصة في بعض الكائنات تكون غير مستحثه وتنقل المعادن بغض النظر عن تراكيزها لذا يطلق عليها البوابات المفتوحة وهي السبب في كون المعادن سامة للخلايا. وعند حصول طفرات في جينات هذه الانظمة تصبح الطفرات متحملة للمعادن كما في طفرات CorA في البكتريا E. coli المتحملة للكوبالت و Pit المتحملة للزرنيخ، ومثل هذه الطفرات غير ثابتة وتتلاشى من المجموع البكتيري بحدوث طفرات راجعة.

وعند وجود المعدن الثقيل داخل الخلية وخاصة الايونات الموجبة للعناصر ذات الوزن الذري العالي مثل ايونات الزئبقيك والكادميوم والفضة فإنها ترتبط الى مجاميع الثايول (-SH) وتؤدي الى منع فعالية الانزيمات المهمة والحساسة. ويمكن ان تتداخل المعادن مع بعضها مؤدية الى اضطراب المعدن الثقيل الذي يؤدي وظيفة مفيدة للخلايا عندما يكون لوحده كما في تداخل عدد من الايونات مع ايون الزنك. كما ترتبط المعادن الثقيلة مع مركب الكلوتاثايون وتؤدي الى ربطه. لذا يلاحظ لهذا السبب وغيره ان اجهاد التراكيز العالية من المعادن الثقيلة يمكن ان يؤدي الى اجهاد أكسدة.

اما الايونات الاوكسجينية السالبة للمعادن الثقيلة داخل الخلايا يمكن ان تتداخل مع ايض الايونات المشابهة مثل تداخل الكرومات مع الكبريتات، والزرنيخات مع الفوسفات، كما ان اختزالها يمكن ان يؤدي الى انتاج الجذور الحرة كما في اختزال الكرومات. ويوضح جدول (2) التراكيز السامة من المعادن للـ E. coli كنموذج دراسي.

جدول 2: التركيز المثبط الأدنى (MIC) من المعادن الثقيلة للبكتريا E. coli

والسمية القوية للمعادن الثقيلة ووجودها في البيئة وعدم إمكانية انتقالها الى الخلايا أجبرت الاحياء خلال مراحل التطور الأولى الى تطوير آليات للحفاظ على التوازن الأيوني للمعادن الثقيلة وتكونت في بعض الخلايا محددات وراثية تشفر لبروتينات لها تفاعلات تستهدف المعادن الثقيلة موجبة الشحنة، ولذا كانت المقاومة تختلف عن التحمل، وبما ان المعادن لا تتحلل مثل المواد العضوية لذلك اختلفت آليات مقاومتها ومن هذه الآليات :

•        منع تراكم الايونات دخل الخلية باستعمال آلية الدفق الخارجي Efflux بواسطة مضخات فعالة.

•        الايونات المحبة للكبريت يمكن ان تحجز بتكوين معقدات جزيئية حاوية على الثايول.

•        امكانية اختزال ايون المعدن الثقيل الى درجة اختزال اقل سمية.

ويمكن للخلايا استعمال اي من الاليات او الجمع بينها ويكون ذلك اعتمادا على المعدن وعلى نوع الكائن الحي. وعند استعمال آلية الاختزال لإزالة السمية فان ذلك يعتمد على جهد الاكسدة والاختزال Redox potential للمعدن والتي يجب ان تكون القيم لها واقعة بين صفر فولت (الخاص بـ Hydrogen / proton ) و 1.229 فولت الخاص بمزدوج الأوكسجين والهيدروجين (Oxygen / hydrogen)، وهي القيمة الموجودة في العديد من الخلايا تحت الظروف الهوائية، وعليه فان كل من أيون الزئبقيك (0.85 فولت)، والزرنيخات (0.56 فولت)، أيونات الكادميوم (0.403 – فولت) ، أيونات الكوبالت (0.28 – فولت)، ايونات النيكل ⁺⁺Ni (- 0.257) لا يمكن ان تختزل في الخلايا.

والمعادن التي تختزل في الخلايا يجب ان تكون قادرة على الخروج منها والانتشار الى الخارج والا أعيدت اكسدتها داخل الخلايا، ولكن بعض الأحيان فان المركبات الناتجة من الاختزال قد تكون غير ذائبة كما في حالة الكروم ⁺Cr³ او تكون أكثر سمية كما في AsO^2- فالخلايا التي تختزل المعادن يجب ان تكون مزودة بأنظمة لدفقها الى الخارج، لذلك فان ايونات الزئبقيك عندما تختزل الى Hg⁰ يكون ضغط بخاره واطئة لذلك يتطاير ولذا تفضل الخلايا استعمال آلية الاختزال لإزالة سميتها.

واذا كانت الخلايا غير قادرة للقيام بعملية الاختزال او ان العملية تؤدي الى ضرر اكبر لذا سيكون الاختيار بين الدفق الخارجي وتكوين المعقدات او الاثنين معا. وعملية تكوين المعقدات تكلف الخلايا الكثير من الطاقة مقارنة بعملية الدفق الخارجي خاصة في الخلايا سريعة النمو، وتكوين المعقدات تستعمله الخلايا سريعة النمو وذلك لأنها تعود وتقبط الايون من المحيط الخارجي وبذلك تدخل الخلايا دورة لا جدوى منها.

مجاميع البروتينات الناقلة للمعادن الثقيلة : اغلب البروتينات الناقلة تنقل الايونات المشحونة والتي يعتقد انها نشأت اثناء عمليات التطور المبكرة والجدول (1) المذكور يوضح أكثر البروتينات الناقلة والطاقة اللازمة لها. ومن اهم النواقل :

ناقلات ABC

 وهي ناقلات بروتينية ترتبط بالـ (ATP – Binding Cassette) ATP وتوجد الناقلات في اشكال الحياة الثلاثة كما موضح في الجدول (3).

جدول 3 : وجود ناقلات ABC في الاحياء المختلفة

ومنها يتخصص بقبط المعادن والاخرى لنقل المواد الاخرى الى داخل الخلية او دفقها الى الخارج ولكنها لا تنقل في كلا الاتجاهين في الوقت نفسه.

ويتكون الناقل من 4 وحدات فرعية، اثنين في الغشاء، قد تكون متماثلة، واثنين من جهة السايتوبلازم قد تكون أيضاً متشابهة او مختلفة، وعليه يتوقع ان تكون هناك 4 جينات تشفر لها، او وجود جين واحد يكون سلسلة بيبتيدية مكونة من4 أجزاء. وفي البكتريا السالبة لصبغة كرام توجد بروتينات اضافية تكمل العمل اعتمادا على اتجاه النقل. ففي حالة القبط تتعاون البروتينات مع بروتين في الفسحة المحيطة يرتبط بالمادة المنقولة. وفي حالة التصدير الى الخارج يرتبط بروتينين أخريين من البروتينات المدمجة في الغشاء الخارجي من عائلة Membrane fusion proteins family (MEP family)، وتتعاون مع بروتينات الغشاء الخارجي OMF لذلك فان بروتينات OMF , MEP تنقل المواد من السايتوبلازم الى خارج الخلايا. وفي البكتريا تستعمل ناقلات ABC لنقل ايون المنغنيز في St. gordonii وأيونات الزنك والنيكل في E. coli. وتعمل الناقلات في أنواع اخرى من الخلايا لإدخال المواد او دفقها الى الخارج، وفي خلايا الإنسان الورمية تعرف بـ MDR (Multi drug resistance). وترتبط الناقلات وتلعب دورا مهما في العديد من الأمراض مثل التحوصل الليفي Cystic fibrosis والسكري ومتلازمة Zellweger وتلعب دورا مهما في مقاومة Chloroquine في طفيلي الملاريا.

وتعد عائلة ناقلات ABC من أكثر البروتينات التي تحصل فيها التغيرات اذ تصل الى 10 أضعاف ما يحصل في البروتينات الاخرى ويكون ذلك معتمدا على الكائن الحي، ويحصل التغاير في المناطق الثابتة من البروتينات التي تسمى مناطق Walker A و  Walker ويوجد بينها مناطق يطلق عليها ABC signature .

تنقل ABC مواد بروتينية يصل وزنها الجزيئي الى 107 كيلو دالتون وتنقل مواد اخرى حتى الايونات مثل ايونات الكلور. وفي خميرة الخبز تكون مسئولة عن نقل فرمونات التزاوج، وفي البكتريا يساهم نوع منها (SDR) Specific drug resistance في مقاومة الأدوية والمضادات الحيوية. و  ABC بالإضافة الى عملها كناقلات فانها تعمل كقنوات او منظمات للقنوات.

المصادر

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