ايض الاجهاد Stress metabolism

لا يمكن للأحياء ان تعيش وهي بهذا الكم الهائل من الاعداد تحت ظروف ملائمة لكل منها، فالبيئة تتنوع والاحياء منتشرة في كل انواع البيئات وهذا يعني انها تعيش تحت الاجهادات والكروب، وعيشها في مثل هذه الظروف يعني انها تطبعت وتأقلمت لهذه الظروف وعليه يمكن تعريف الاجهاد او الكرب بالاتي :

الاجهاد Stress

هو أي انحراف عن الظروف المثلى التي تؤدي الى تقليل معدل نمو الاحياء. وتقسم الاحياء من حيث تجاوبها مع الاجهادات الى Eurytolerant اي واسعة التحمل سواء لجرع الاجهاد الواحدة او انواع الاجهادات التي تسلط عليها، والمجموعة الثانية Steno- tolerant وهي ضيقة التحمل بالنسبة للجرع او نوع الاجهادات التي تواجهها. واثناء عمليات التطور اختلفت الاحياء فيما بينها وحصل انفراج بينها من الناحية التركيبية والوظيفية، مثلما ذكر سابقا، ووجدت احياء بدائية النواة واخرى حقيقية النواة وتغيرت تبعا لذلك العديد من الاجهزة والوظائف مثلا نظام استلام الاشارات في البكتريا البدائية مكون من تركيب ثنائي المكونات Tow – component system في حين اصبح مكونا من ثلاثة اجزاء في الاحياء الاكثر رقيا، وفي الاخيرة تشعب وتميز بشكل كبير صعودا الى الإنسان اذ تشكل جينات الاستجابة للإجهادات حوالي 18% ، والباقي متعلقة بالوظائف الاصلية وان كانت لها مشاركة في الاستجابة للإجهادات.

وبما ان الاحياء مرت بحالات تطور منذ القدم لذلك يختلف مكنونها البروتيني في حالة الاجهاد Stress proteome اعتمادا على البيئات التي شغلتها، فالأحياء واسعة التحمل (Eury) تمثل الاحياء القديمة وهي التي لها حدود واسعة وعالية من التحمل تجاه التغيرات البيئية. في حين ان الاحياء ضيقة التحمل (Steno) هي التي شغلت البيئات الثابتة نوعا ما والتي تكون قابليتها قد نشأت من حدوث الطفرات او تطبعت جيناتها للعمل تحت ظروف معينة، وهذا يعني انها تعرضت لعمليات انتخاب طبيعي قللت من استجابتها للإجهادات المختلفة، واحسن مثال هو فقدان Hsp70 (بروتين الصدمة الحرارية) من بعض انواع الاركيا. كما انه في الوقت نفسه فان الاحتمالات حو نشؤ جينات جديدة تكون قد وجدت للاستجابة لظروف الاجهاد مما أدى الى تشجيع التخصص وتحسين ترتيب الجينومات، ومثل هذه العمليات ربما زودت الاحياء ذات التحمل الضيق بميزات مثل زيادة ملائمتها للبيئات الثابتة وزادت من قابليتها على التنافس. فمثلا في الفقريات وخاصة اللبائن فان عددا كبيرا من جينات الاستجابة عملت في نقل الاشارات التي لها علاقة بالاستجابة المناعية لتعطي الاسس البروتينية الضرورية للطبيعة المعقدة للجهاز المناعي عندما اصبحت خلاياها في بيئات مستقرة وثابتة نوعا ما.

ان الاجهاد المسلط على الخلايا والذي يعرف على أنه تهديد مدمر للجزيئات الحيوية الكبيرة، يكون جوهر الاستجابة له هو حماية الخلايا وبالأخص جزيئاتها الحيوية الكبيرة. ففي المراحل الأولى من التعرض لأي اجهاد او ظروف بيئية غير ملائمة فانه يؤدي الى اضطراب التوازن الخلوي، ولذلك تكون الاستجابات بشكل رئيس لحماية وسلامة DNA ثم البروتينات ثم الجزيئات الاخرى التي تليها بالأهمية، ويمكن تقسيم الاجهادات على ضوء هذه (بالنسبة للأحياء الراقية)

•        اجهادات اساسية ومنها الاجهاد التأكسدي، وقلة الاوكسجين و Ischemia" (الاسكيمية وهي فقز دم موضعي نتيجة عدم تدفق الدم في الشرايين).

•        اجهادات ثانوية مثل الاجهاد الحراري واجهاد المعادن الثقيلة واجهاد الاشعاع المؤين وغيرها.

ومعظم هذه العوامل تؤدي الى اضرار في DNA في كل الاحياء لذا لابد من ان الاستجابة توجه لحماية DNA ثم البروتينات ثم الدهون في الأغشية ثم حملية جزيئات RNA المختلفة. وتؤدي الاستجابة الخلوية الى التطبع لزيادة ثباتية الجزيئات الى حدها الاعلى في الحماية والقيام بعمليات الإصلاح في حالة حدوث الضرر . وكل هذه تكون عابرة ولكن ثمنها يكون قلة قابلية الخلايا على أداء وظائفها الطبيعية وما يتبعها من انخفاض معدلات النمو وغيرها من التأثيرات، وذلك لاستنزاف الطاقة الايضية وتقليل المرونة التوزيعية Conformational flexibility للجزئيات لان قلة المرونة هذه تؤدي الى ابطاء معدلات التفاعلات الانزيمية خاصة عندما تكون في المواقع الفعالة، كما أنها تحد من تفاعلات جزيئات اخرى غير الانزيمات.

وبعد التطور اصبح مكنون الاجهاد البروتيني مهما ليس لأداء الحماية للخلايا وابقاءها حية في حالة صحية جدا وانما يعمل في الوظائف العادية للخلايا، فمثلا بروتينات الصدمة الحرارية مثل Hsp70 يعمل في نضج البروتينات في الشبكة الاندوبلازمية في الخلايا حقيقية النواة وكذلك يفعل في الاحياء بدائية النواة. ومن الامثلة الاخرى مكونات نظام الإصلاح MMR التي تشارك في تصحيح انواع مختلفة من الضرر الذي يصيب DNA اضافة الى مشاركتها في فعاليات التصحيح Proofreading اثناء عمليات تضاعف DNA الطبيعية.

ان الآليات الجزيئية لعمل الاجهادات وتدميرها للـ DNA والبروتينات تحدث تحت العديد من الاجهادات مثل وجود المعادن الثقيلة، الاشعة المؤينة، وجود المواد السامة للجينات Chemical genotoxic ، والاجهاد التنافذي والميكانيكي وغيره ويتوسط في أغلبها الجذور الحرة وتغير حالة الاكسدة والاختزال داخل الخلية. ولذلك فالأجزاء المهمة لآليات تحسس الاجهادات العامة يمكن ان تشمل :

•        تحسس التدمير الحاصل للجزيئات الحيوية المهمة.

•        تسجيل حالة الاكسدة والاختزال داخل الخلية والتي تعد دليلا واضحا على تعرض الاحياء للإجهاد

ومن الضروري فهم الاجهادات البيئية التي تؤدي الى حث مجموعة من الاستجابات التطبيعية الثانوية اضافة الى حث استجابة الاجهادات الخلوية الثابتة، وتختلف الاستجابة التطبيعية عن الاستجابة للإجهاد الخلوية ببعض الجوانب :

•        تكون بطيئة نوعا ما في بدئها.

•        توجه لاستعادة التوازن الخلوي الذي اضطرب نتيجة تأثير انواع خاصة من الاجهادات البيئية.

ويحدث التوازن  الخلوي التطبعي عمليا عندما تتعرض الخلايا السليمة وتبقى حية (اي في بداية التعرض) بدء استجابة الاجهاد الخلوي.

ثبات الاستجابة الخلوية

تعد استجابات الاجهاد الخلوية من الآليات المهمة في عدد من مجالات الطب وعلوم الحياة ولذلك درست بشكل كبير وكشف عن الآليات الجزيئية التي تقوم بها الخلايا تجاه الاجهاد وهي كثيرة جدا ويمكن تلخيص هذه الاستنتاجات ببعض النقاط :

•        ان استجابات الاجهاد الخلوية هي تفاعلات تجاه تغيرات او تقلبات في المؤشرات خارج الخلايا والتي تؤدي الى ضرر في تركيب ووظيفة مكونات الخلية.

•        تشارك مجموعة من البروتينات الثابتة في التفاعلات وهي جزء من مكنون الاجهاد البروتيني، وهي متشابه في معظم الاحياء ولكن بعضها يعتمد على نوع الاجهاد.

•        استجابات الخلايا لعدد من الاجهادات تكون متآزرة وبذا فان تعرض الخلايا لاحد انواع الاجهاد يؤدي الى حث استجابة عابرة او مؤقتة لأشكال اخرى من الاجهاد اي حصول تحمل متداخل Cross – tolerance .

•        حصول الاستجابات السريعة أو المؤقتة يكون ضروريا لغرض تسهيل عمليات تكيف اخرى متخصصة بإجهاد معين، وتستهدف الاستجابات السريعة اعادة التوازن الخلوي.

•        الخلايا تستجيب لكل انواع الاجهادات بتحفيز حوالي 4 من الآليات الأساسية التي تستهدف تثبيت تركيب الجزيئات الحيوية المهمة ووظيفتها اثناء الظروف غير الطبيعية بالنسبة للخلايا، وتحافظ في الوقت نفسه على الطاقة الايضية لغرض الوصول الى التوازن الخلوي.

وهذه الاليات تعد حجر الزاوية لاستجابة الخلايا للإجهادات وتشمل الآليات :

•        التحكم بنقاط السيطرة Check points في الخلايا والتي تؤدي الى ايقاف نمو الخلايا ومنها نقطة سيطرة G1 وطور التخليق (G1 / S) S وكذلك نقطة السيطرة الواقعة بين المرحلة G2 وطور الانقسام (G2/M)M.

•        السيطرة على الترجمة.

       حث الوصيفات الجزيئية مثل بروتينات الصدمة الحرارية Hsps وغيرها وهذه تنشط عادة في اللبائن بواسطة الحث او اجراء التحويرات بعد عمليات الترجمة مثل عملية فسفرة البروتين Hsp28 عن طريق p38 MPAK وهو مسار نقل للإشارات.

       تحفيز آليات تثبيت الحوامض النووية والكروماتين واجراء عمليات التصحيح، فمثلا في الخلايا حقيقية النواة يحصل تصحيح وتثبيت للكروماتين باستعمال مسار p53 الذي يحفز عند وجود ضرر في الحوامض النووية اضافة الى وجود مسالك اخرى.

       ازالة بقايا الاجزاء المتضررة من الجزيئات الحيوية التي نتجت من تأثير العوامل المجهدة باستعمال مسار التدمير Ubiquitin / proteasome pathway.

والآليات المذكورة تتداخل وتعمل ضمن شبكة هدفها النهائي المحافظة على الخلايا وسلامتها تحت ظروف الاجهاد، وهذا بطبيعة الحال لا يمكن ان يتم الا على حساب وظائف الخلايا الطبيعية وهذا يوضح حصول الاضطراب أثناء الاستجابة العابرة الانتقالية الى ان تستعيد الخلايا توازنها بالنسبة للمؤشرات التي اضطربت وتعود الى أداء وظائف مستقرة قد تكون مغايرة لما هو الحال عند عدم وجود عوامل الاجهاد. فمثلا حصول تطرف في الضغط التنافذي Hypertonic stress فان هذا يؤدي الى عدم ثباتية البروتين و DNA ويؤدي في الوقت نفسه الى حث الاستجابة في الخلية والتي تشمل التحكم بنقاط السيطرة في دورة الخلية مما يؤدي الى ايقاف النمو، زيادة المكونات العاملة في تصحيح DNA ، حث مسار التدمير ، حث تخليق الوصيفات الجزيئية. اضافة الى محاولات السيطرة على التوازن الخلوي باستجابة ثانوية بطيئة وتستمر الى ان تتغير الظروف وهي تنشيط عدد من أنظمة النقل في الأغشية الخلوية وبعض الانزيمات لتجميع المذابات العضوية المتوافقة، وفي حالة عدم جدوى الوسائل التي اتخذتها الخلية في الاستجابة تقود الخلايا الى الموت المبرمج.

ففي الاحياء متعددة الخلايا حقيقية النواة فان الموت المبرمج والاستماتة يمثلان نوعا من انواع الاستجابة للاجهادات والتي تحدث عندما يكون هناك ضررا كبيرا وعجزا في المحافظة على سلامة جينوم الخلايا. ولذلك فان هذه الآلية (الاستماتة) تجنب الكائن عدم ثباتية المكونات الوراثية وحدوث الاورام. والخلايا في هذه الحالة لابد من ان يكون لديها وسائل لتسجيل مدى شدة الاجهاد والضرر الذي يسببه. وأنظمة التسجيل يجب ان تكون جزءا أساسيا من الاستجابة للاجهادات الخلوية والتي قد تكون مكونة من بروتينات تعمل بشكل غير مستحث (Constitutive) في تصحيح DNA ومسارات تدمير البروتينات وكذلك تعمل في تنظيم حالات الاكسدة والاختزال في الخلية. وقد تم تحديد الجينات المسئولة عن أنظمة التسجيل.

المصادر

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