مضخة الصوديوم: صوديوم/ بوتاسيوم أتيبيئيز Na+/ K+-ATPase
تكررت دعوة الخالق سبحانه وتعالى للإنسان بالتفكر والنظر في الكون!! والمخلوقات!! وفي طعامه !! ونفسه !! أن ما يحدث في جسم الإنسان من تفاعلات كيموحيوية غاية في الدقة والتنظيم ووفق نواميس محددة لمعجزة لا يمكن الإتيان بمثلها مهما تقدم العلم وادعى المدعون .. فجميع المكتشفات في علوم الأحياء تشير إلى أنه سبق تقديرها من خالق السموات والأرض ومن عليها، ولذلك فكل اكتشاف يتم التوصل إليه يؤكد أنه يتضمن نظام وقانون يحكمه، ولا يعني كشف الجينوم البشري والاستنساخ وزراعة الجينات إيجاد شيء غير موجود وإنما مكنت التقنيات التي هي نفسها تعمل وفق تقدير مسبق للتوصل لهذه التطبيقات العلمية … ولا زالت الأسئلة التي ليس من السهولة الإجابة عليها كثير جداً فلماذا وجدت الجينات في أنوية الخلايا؟ ولماذا تشتق منها الشفرات الوراثية؟ ولماذا تتواجد الريبوسومات خارج النواة ؟ ومن حدد قانون ترجمة الشفرات الوراثية إلى بروتينات؟ ولماذا وجدت جميعها بتلك الكيفيات ؟
سنتحدث في هذه المقالة عن واحد من مجموعة (عائلة) بروتينات الأيتيبيئيزز ATPases family المكونة للأغشية، سواءً تلك المحيطة بالخلايا (الغشاء البلازمي) أو أغشية العضيات (كالميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء) والشبكة الساركوبلازمية في العضلات والأندوبلازمية في الخلايا العادية. تختص هذه العائلة من البروتينات باستهلاك وإنتاح الطاقة الحيوية، وسيتركز الحديث في هذه المقالة عن الخلايا الحيوانية ما لم يشر إلى غير ذلك بالنص، ولكن أجد أنه من الضروري في البداية الحديث بإيجاز عن مركب الطاقة ومشتقاته وأهميتها في حياة الكائنات عامة والخلية بصفة خاصة.
يعد مركب الطاقة Adenosine triphosphate (ATP) من اكثر المركبات الغنية بالطاقة والمستخدمة في أجسام الكائنات الحية وتقدر كمية الـ ATP التي ينتجها جسم الإنسان يومياً ويستهلكها في نفس الوقت بحوالي نصف وزن الجسم. هذه الكمية الناتجة والمستهلكة تحتاج إلى نظام عالي الدقة والفعالية لإنتاجها وآخر لاستخدامها في تسيير العمليات الحيوية على مستوى الخلايا كالبناء، الحركة، النقل والإحساس، وجميع نشاطات الجسم التي تتطلب طاقة كالسمع والبصر والتفكير. يوجد مركبات أخرى غنية بالطاقة وتؤدي أدوار حيوية مختلفة في الأنظمة الحيوية ولكن ليس هذا مكن استعراضها.
أظهرت جميع الدراسات أهمية تواجد تركيز محدد من الـ ATP في سيتوبلازم الخلايا يمكنها من الاحتفاظ بحيويتها، ولذلك فجميع المركبات الكيميائية التي توقف نشاط الأنزيمات المحللة للـ ATP و تلك التي توقف تكوينه تؤدي إلى نفوق (موت) الخلية، ويحدد محتوى الـ ATP في الخلية نوع النفوق عن طريق التنكرز Necrosis (توقف إنتاجه) أو الظمور الذاتي Apoptosis (نظام إنتاجه فعال).
يتكون الـ ATP من التالي:
1. أدينين Adenine
2. سكر ريبوز Ribose
3. ثلاث مجموعات فوسفات Three phosphate group
إرتباط الادينين مع سكر الريبوز ينتج مركب يدعى نيوكليوسايد Nucleoside وهذا بدوره يرتبط مع مجموعة الفوسفات، وينتج عن هذا الارتباط ثلاثة مركبات كما يلي:
1. أدينوسين أحادي الفوسفات Adenosine monophosphate (AMP) (شكل 1)، ويلعب أدوار كثيرة في الخلية الحية من أهمها دوره كمرسال ثاني لبعض الهرمونات المؤثرة على وظائف الخلايا حيث يتحول إلى أدينوسين أحادي الفوسفات الحلقي Cyclic adenosine monophosphate (c-AMP) ليؤدي هذا الدور.
2. أدينوسين ثنائي الفوسفات Adenosine diphosphate (ADP)، ويلعب دور تنظيمي لنشاط بعض الأنزيمات، ويعد أحد أهم المركبات التي تشحن بالطاقة أثناء عملية البناء الضوئي في بلاستيدات النباتات الخضراء وغيرها من الكائنات القادرة على القيام بعملية لبناء الضوئي، وأثناء تحلل الجلوكوز أو التنفس اللاهوائي (في عدم وجود الأكسجين) والهوائي (وجود الأكسجين والميتوكوندريا أو ما يؤدي دورها في أولية النواة) في الخلايا.
3. أدينوسين ثلاثي الفوسفات Adenosine triphosphate (ATP)، وهذا يعد "العملة" التي تصرفها الخلية علي مختلف نشاطاتها، وعجز الخلية عن إنتاجه واستخدامه بالطريقة المثلى يؤدي إلى نفوقها. يستخدم الـ ATP في تسيير النشاطات الحيوية حيث يتحلل كما في المعادلة التالية:
ATP + H2O ADP + Pi (Inorganic phosphste فوسفات غير عضوي ) + Energy
تقدر الطاقة الناتجة من إنفصال مجموعة الفوسفات الثالثة في الـ ATP بـ 7.3 كيلوكالوري /مول، ويتم إعادة ربطها في التفاعلات التي تتم في الميتوكوندريا أو البلاستيدات الخضراء أو أثناء تحلل الجلوكوز بالطريق اللاهوائية كما في المعادلة التالية:
ADP + Pi + 7.3 Kcal/ mol ATP + H2O
البروتينات التي لها دور في تحولات الطاقة في الخلية هي في الواقع أنزيمات Enzymes تدخل في تركيب الأغشية وتدعى الأيتيبيئيز ATP Phosphohydrolases (EC 3. 6. 1. 3)، وتشكل عائلة الأيتيبيئيز لأنها تعمل على تكوين الـ ATP أو تحلله، ويقع عليها العبء الأكبر في تسيير تحولات الطاقة في الخلية والجسم بقدرة الله سبحانه وتعالى.
توجد الـ ATPases في عدة أنظمة غشائية رئيسية تحتوي نوع أو أكثر من الـ ATPases، كما يوجد أنواع أخرى في تراكيب محدده سنتطرق لذكرها فيما بعد، ويمكن حصرها في التالي :
1) الغشاء الخلوي:
يحتوي كالسيوم أيتيبيئيز Ca2+-ATPase يضخ أيونات الكالسيوم إلى خارج الخلية، ويساهم في خفض تركيز أيونات الكالسيوم في الخلية وإيقاف نشاط بعض الأنزيمات التي يتطلب نشاطها تركيز محدد من هذه الأيونات.
2) الجزء القمي من الغشاء البلازمي:
يحتوي الأيتيبيئيز القمي (V-type ATPase or Gastric H-ATPase) Apical ATPase ويتركز وجوده في أغشية الخلايا الطلائية المواجهة للتجاويف الداخلية في المعدة والأمعاء والأنابيب البولية في الكلية ويلعب دور أساسي في تكوين تحدركيموكهربي يساهم في إفراز وامتصاص السوائل.
3) الشبكة الساركوبلازمية :
تحتوي كالسيوم أيتيبيئيز Ca2+-ATPase وتوجد في العضلات المخططة ويختلف عن ذلك الموجود في الغشاء البلازمي، ويعمل على ضخ أيونات الكالسيوم إلى تجاويف الشبكة مما يؤدي إلى خفض تركيز أيونات الكالسيوم في الساركوبلازم (سيتوبلازم الألياف أو الخلايا العضلية)، وانفصال الأكتين عن المايوسين وحدوث الارتخاء العضلي وتوقف نشاط بعض الأنزيمات المنتجة للطاقة.
4) الألياف العضلية :
تحتوي أيتيبيئيز الأكتومايوسين Actomyosin ATPase وينتج من إرتباط خيوط الأكتين مع خيوط المايوسين أثناء التقلص العضلي في وجود أيونات الكالسيوم.
5) الشبكة الأندوبلازمية:
تحتوي كالسيوم أيتيبيئيز Ca2+-ATPase يعمل على ضخ أيونات الكالسيوم إلى تجاويف الشبكة لينخفض تركيزه في سيتوبلازم الخلايا غير العضلية.
6) الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء:
تحتوي الأيتيبيئيز المعتمد على المغنيسيوم Mg2+-dependent ATPase (F-Type ATPases) يعمل على تكوين الـ ATP عن طريق ربط مجموعة الفوسفات مع ADP باستخدام الطاقة الناتجة من أكسدة الوقود في عضيات الميتوكوندريا عن طريق الأكسدة الفسفورية Oxidative phosphorylstionواستغلال الطاقة الشمسية (الفسفرة الضوئيةPhotophosphorylation) في البلاستيدات الخضراء.
الغشاء البلازمي :
يحيط بالخلية ويفصلها عن محيطها، ويحافظ على الاختلاف بين مكونات الخلية الداخلية (السيتوبلازم) components Cytosol والوسط المحيط بها Extracellular environment، وهذا الفصل لا يتم في عدم توفر الطاقة اللازمة لعمليات النقل النشط. تستخدم الطاقة لتأسيس تحدر (اختلاف) في تركيز الأيونات Ionic concentration gradients عبر الغشاء البلازمي عن طريق نشاط مضخات أيونية Ionic pumps متخصصة تتضمن أحد أنواع الـ ATPases الدخلة في تكوين الغشاء، ويمثلها الصوديوم/ بوتاسيوم أتيبيئيز.
http://www.mark-hilge.com/images/nak...d/rotation.jpgصورة للانزيم منفردا للانزيم
http://www.mark-hilge.com/images/nak/kopf.jpgصورة للانزيم وهو داخل تركيب الغشاء البلازمي للخلية
صوديوم / بوتاسيوم أيتيبيئيز Na+/ K+ - ATPase
يعد هذا الأنزيم جزء أساسي في تكوين الأغشية البلازمية وينظم حركة أيونات الصوديوم والبوتاسيوم بين الخلية ومحيطها، وهو ما يطلق عليه علماء الفسيولوجيا مضخة الصوديوم Na+-pump (ذكر الأنزيم أو المضخة في هذه المقالة تعني شيء واحد)، ويحافظ على تركيز محدد منهما بحيث يكون تركيز الصوديوم في خارج الخلية أعلى منه في الداخل (Na+ outside = 150 mmol; Na+ inside = 10 mmol) والعكس بالنسبة للبوتاسيوم
(K+ inside = 120-160 mmol; K+ outside = 4 mmol) ، وهذا يؤدي في حالة الراحة إلى بقاء غشاء الخلية مستقطب Polarized (يحمل شحنات موجبة على السطح الخارجي وأخرى سالبة على السطح الداخلي] -70 إلى –90مليفولت [) وتدعى هذه الظاهرة التحدر الكيموكهربي Electrochemical gradient. يعمل الأنزيم عند نشاطه على إخراج 3 أيونات صوديوم وإدخال 2 أيون بوتاسيوم، وتستخدم الطاقة الناتجة من تحلل جزيء واحد من الـ ATP لإنجاز ذلك، وتقدر الدراسات أن 25 % من الـ ATP تصرف على مضخة الصوديوم أثناء الراحة في الإنسان بينما في الأعصاب تصل الكمية إلى 70 %.
إضافة إلى دور الـ Na+/ K+ - ATPase في استقطاب أغشية الخلايا وتوازن الأيونات فهو أساسي في المحافظة على حجم الخلية وحركة السوائل وامتصاص الماء في المعدة والأمعاء والكلية، وإمداد الخلية باحتياجاتها من الجلوكوز والأحماض الأمينية، ويلعب الدور الأساسي في نقل الإستحثاثات العصبية ويساهم في استهلال التقلصات العضلية وطرح الخلايا لإفرازاتها.
تقدر وحدات الـ Na+/ K+ - ATPase في غشاء الخلية الواحدة، التي يبلغ قطرها حوالي 0.2 ميكروميتر، ما بين 80 ألف إلى 30 مليون وحدة وذلك حسب نوع الخلية وأهمية التوازن الأيوني في نشاطاتها الفسيولوجية، وقد تكون الوحدات موزعة بانتظام أو على هيئة عنقودية.
يتألف جزيء الأنزيم من وحدات هما:
1) وحدة الفا Alpha unit (~100 KD)وتعد الوحدة الفاعلة حيث يرتبط بها الـ ATP وأيونات الصوديوم والبوتاسيوم وموضع الفسفرة Phosphorylation site.
2) وحدة بيتا Beta unit (~55 KD) وهي معقد من الجليكوبروتين Glycoprtein وضرورية لنشاط الأنزيم وإزالتها يفقد الأنزيم نشاطه حيث يعتقد أنها تسهل تموضع الوحدة الكبير (الفا) في الغشاء.
3) وحدة جاما Gama unit (~10 KD) غير معرف دورها.
دراسة التركيب الفراغي للأنزيم وتتابع الأحماض الأمينية فيه تقترح أنه يعبر الغشاء من الخارج إلى الداخل حوالي 8 – 10 لفات، ويوجد ثلاث مشابهات Isozymes(Isoform) للوحدات (الأولى [Atp la1, Atp la2 and Atp la3] والثانية [Atp lb1, Atp lb2 and Atplb3]) ومشابه واحد للوحدة الثالثة، والاختلاف بين المتشابهات للوحدتين الأولى والثانية يتمثل في عديد الببتيد التي يرمز لها بـ la1, la2 and la3 و lb1, lb2 and lb3 (وحدة من عديد الببتيد أو 2 أو 3) مشابهة لوحدتي الفا وبيتا، على التوالي، ولكن الدور الفسيولوجي للمشابهات لم يتم حسمه بعد.
لقد تم عزل الـ Na+/ K+ - ATPase من مختلف المصادر الحيوانية ودرست خواصه الفسيوكيميائية، وأشارت جميع الدراسات إلى اختلافات طفيفة في استجابة الأنزيم لتركيز الأيونات (Na+, K+ and Mg2+) والـ ATP المؤثرة على نشاطه، وهذه ربما تعكس فسيولوجية النسيج المستخلص منه الأنزيم إلا أنه وبغض النظر عن مصدره اتضح أنه يتأثر بالعوامل التالية (شكل 4):
1) يحتاج وجود أيونات الصوديوم والبوتاسيوم والمغنيسيوم ومركب الطاقة (ATP) .
2) يستحث بأيونات الصوديوم من الداخل والبوتاسيوم من الخارج بالنسبة لغشاء الخلية.
3) يتأثر بدرجة الحرارة والأس الهيدروجيني (pH).
4) فيما عدا بعض الاستثناءات وخاصة تلك الأنزيمات المستخلصة من بعض الحشرات، التي تتغذى على النباتات السامة المحتوية عصاراتها على الجليكوسيدات القلبية Cardiac glycosides، يثبط نشاط الأنزيم بالديجالس، الديجيتوكسين والوابين وغيرها من هذه المركبات، كما أن الليثيوم والفانيديوم والكثير من المبيدات الحشرية وبعض المركبات الكيميائية تؤثر على نشاطه.
5) تلعب العديد من الهرمونات وخاصة هرمونات الثيرويد Thyroids hormones والـ Aldosterone والـ Catecholamines( Dopamine and Epinephrine) والأنسولين Insulin دور هام وحيوي في تنظيم نشاط مضخة الصوديوم والسيطرة على التوازن الأيوني في سوائل الجسم.
6) تواجد الأنزيم بصورة غير طبيعية في الأغشية البلازمية يؤدي إلى اختلال في وظيفة العضو، ويتمثل ذلك في بعض أمرض القلب والضغط Hypertension والفشل الكلوي.
ميكانيكية النقل:
تتم عملية نقل الصوديوم والبوتاسيوم حسب الميكانيكية التالية:
– يرتبط الأنزيم بـ ATP وثلاثة أيونات صوديوم من الجهة الداخلية للغشاء البلازمي.
– يتحلل بـ ATP ، ويؤدي هذا إلى فسفرة الجزء المتخصص (وحدة الفا) من الأنزيم Phosphorylation حيث ينطلق الـ ADP وتبقى مجموعة الفوسفات (Pi) مرتبطة.
– يحدث تغير في التركيب الفراغي للأنزيم، ويؤدي هذا التغير إلى نقل أيونات الصوديوم من الجزء الداخلي للغشاء المواجه السيتوبلازم إلى الجهة الخارجية من الغشاء.
– يرتبط الإنزيم في نفس الوقت بأيونين من البوتاسيوم من الخارج ويصحبها نزع مجموعة الفوسفات المرتبطة بالأنزيم Dephosphorylation.
– يرتبط جزيء جديد من بـ ATP من الداخل ويعود الأنزيم إلى وضعه السابق، ويؤدي ذلك إلى نقل أيونات البوتاسيوم من الخارج إلى السيتوبلازم، وتعود الدورة مرة أخرى.
يجب أن نتذكر أن وحدات الأنزيم في غشاء الخلية عالي جداً (80 ألف إلى 30 مليون وحدة)، وهذا يشير إلى حدوث تغير فجائي وبكمية كبيرة لأيونات الصوديوم والبوتاسيوم بين سيتوبلازم الخلية والسوائل المحيطة بها، وهذا التغير يؤدي إلى تغير في الاسموزية وبالتالي امتصاص أو إفراز الماء وتوجيه النشاط الفسيولوجي للخلية الواحدة والنسيج عامة حسب الظروف التي تتطلبها حياة الكائن. صدق الله العظيم القائل في محكم التنزيل :" هل أتى على الإنسان حينٌ من الدهر لم يكن شيئاً مذكورا ** إنا خلقنا الإنسان من نطفةٍ أمشاج نبتليه فجعلناه سميعاً بصيراً " ** ( سورة الإنسان الآية 1 و 2 ).
عرض المشاركات