كيفية إمداد خلية “الإيشريشيا كولاي” بالطاقة

2013 آلات الحياة

د.ديفيد س. جودسل

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

خلية الإيشريشيا كولاي كيفية امداد خلية الإيشريشيا كولاي بالطاقة البيولوجيا وعلوم الحياة

ما يقرب من ربع الجزيئات في خلية الإيشريشيا كولاي تم تخصيصه لإنتاج الطاقة (شكل 7.4).

ونظراً لأن هذه البكتيريا عادةً ما تعيش داخل أمعائنا، فإن لديها مصدراً سهلاً للطاقة: حيث تقوم ببساطة بهضم بعض ما نأكله من غداء.

ولكن أنواعاً أخرى من البكتيريا تعيش في بيئات أقل كرماً ولذلك فإنها تكون مضطرة لاستخدام كل أشكال الطاقة غير المألوفة، مثل الطاقة الناتجة عن أكسدة المركبات الكبريتية في الينابيع الحارة.

 

ولكن خلايا الإيشريشيا كولاي، بشكل عام، تحصل على الطاقة بسهولة. فنحن نوصل لها الغذاء بشكل مباشر.

تحدث الخطوات الأولى في إنتاج الطاقة خارج الخلية، حيث يتم إفراز الإنزيمات الهاضمة بواسطة الخلية إلى المكان المحيط بها. وتقوم هذه الأنزيمات بتكسير الغذاء إلى قطع يمكن تداولها ونقلها إلى داخل الخلية.

 

وبعد ذلك، يبدأ العمل الحقيقي!! حيث تقوم خلايا الإيشـريشيا كولاي بإنتاج كافة أنواع الأنزيمات التي تقوم بتكسير جزيئات الغذاء.

وتسخدم الطاقة الناتجة في بناء جزيئات "الأدينوسين ثلاثي الفوسفات" أو ATP أو إحداث تدرج كهروكيميائي على جانبي الغشاء الخلوي.

 

شكل 7.4 إنتاج الطاقة: تنتشر الإنزيمات التي تعمل على استخلاص الطاقة من الغذاء في الغشاء الداخلي للخلية وفي السيتوبلازم.

وتتضمن هذه الإنزيمات تلك المشتركة في دورة « تحلل الجلوكوز » (A)( Glycolysis) ودورة حمض الستريك (B).

ويشترك العديد من الجزيئات في إنتاج واستخدام تدرج البروتونات في الغشاء الداخلي، مثل « معقد  NADH ديهيدروجينيز » (C)  وإنزيم « الأوبيكينول أوكسيديز » (D), و « إنزبم بناء ATP  » (E) .

 

وتقوم الخلية بإنتاج إنزيمات مختلفة تبعاً لنوعية جزيئات الغذاء المتاحة – فبعض الإنزيمات تتخصص في تمثيل الجلوكوز، والبعض الاخر يقوم بمهاجمة الأحماض الأمينية، أو الدهون.

ويتم إنتاج هذه االإنزيمات تبعاً للحاجة. فعلى سبيل المثال، إذا ما صادفت الخلية مصدراً غنياً بالحمض الأميني أسبارتيك، فإنها سوف تقوم ببناء الأنزيمات اللازمة لتمثيله.

عندما يكون الأكسجين متاحاً ، فإن خلايا الإيشريشيا كولاي تسخدم نظاماً متعدد الخطوات يشبه إلى حد كبير النظام المركزي الذي تستخدمه أجسامنا لإنتاج الطاقة.

 

حيث يبدأ الأمر بعملية تحلل الجلوكوز (Glycolysis) والتي تقوم بها سلسلة من 10 انزيمات تعمل على التقاط الجلوكوز وتكسيره إلى جزيئين.

وكما يحدث مع كل التحولات الكيميائية في الخلية، فإن تحلل الجلوكوز يحدث من خلال العديد من الخطوات، والتي يخضع كل منها لتحكم دقيق.

وهناك خطوتان من تلك الخطوات يؤديان إلى إنتاج الطاقة بصفة خاصة. 

 

ويتم استخدامهما لإنتاج جزيئين من ATP. والعديد من الميكروبات يتوقف عند هذه المرحلة بحيث يقوم الميكروب باستخدام جزيئات ATP كمصدر للطاقة مع التخلص من نواتج تكسير السكر في صورة كحول (وهذه هي الطريقة التي يتم بها إنتاج الكحول في النبيذ والبيرة بواسطة ميكروب الخميرة).

إلا أن خلايانا وكذلك خلايا الإيشـريشيا كولاي تعمل على إضافة خطوات أخرى وذلك للاستفادة القصوى من جزيئات الغذاء للحصول منها على طاقة أكبر.

 

حيث تقوم هذه الخلايا بالتكسير التام للقطع الناتجة عن تحلل الجلوكوز لينتج ثاني أكسيد الكربون، وذلك من خلال ما يعرف بدورة حمض الستريك.

وكما يحدث في عملية « تحلل الجلوكوز » فإن دورة حمض الستريك هي سلسلة من التفاعلات الكيميائية، والتي يتم التحكم في كل منها بواسطة إنزيم يتم تخصيصه لكل تفاعل.

ومع تكسير الجزيئات، فإن إلكترونات عالية الطاقة يتم غصطيادها على جزيئات حاملة للإلكترونات. وهذه الإلكترونات هي مصدر أغلب الطاقة الأيضية5 بأجسامنا.

 

في الخطوة الأخيرة من عملية إنتاج الطاقة، والتي تُعرف بخطوة التنفس (Respiration) فإن هذه الإلكترونات تتدفق خلال سلسلة من البروتينات مثل « معقد NADH ديهيدروجينيز » والذي يوجد في الغشاء السيتوبلازمي.

وفي النهاية، فإن الإلكترونات يتم وضعها على جزيئات أكسجين بواسطة الأوبيكينول أوكسيديز، بحيث تتحول بمساعدة أيونات قليلة من الهيدروجين إلى ماء.

ويُعد تدفق الاليكترونات بين البروتينات من العمليات ذات الإنتاج العالي من الطاقة، وتُستخدم لتشغيل مضخات بروتينية تقوم بنقل أيونات الهيدروجين خلال الغشاء الخلوي.

 

ويؤدي نقل أيونات الهيدروجين إلى إيجاد تدرج كهروكيميائي قوي على جانبي الغشاء الخلوي يمكن إستخدامه في العديد من المهام المفيدة.

على سبيل المثال يعمل هذا التدرج على إمداد المحرك الضخم الذي يقوم بتحريك الأسواط. كذلك فإنه يعمل على إمداد "إنزيم بناء ATP" ATP Synthase) ) بالطاقة، ويعمل هذا الإنزيم على تحريك وبناء ثلاثة جزيئات من  ATP مع كل دورة.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]