الموسوعة العربية

بحث متقدم

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

الإفراز

افراز

Secretion - Sécrétion

الإفراز

سعاد عقلة

إفراز البروتين عند حقيقيات النوى

الإفراز عند بدائيات النوى

الإفراز secretion عملية تقوم بها الخلية الحية تؤدي إلى تحرير مادة كيميائية في الوسط خارج الخلوي، وقد تكون هذه المادة هرموناً أو ناقلاً عصبياً أو بروتيناً سكرياً. وتختلف عملية الإفراز كثيراً عن الإطراح excretion؛ ففي عملية الإفراز يتم تحرير مواد تقوم - بعد مغادرتها الخلية - بوظائف فيزيولوجية مهمة ومحددة، في حين يُخَلِّص الإطراح الخلية من الفضلات الاستقلابية والمواد الأخرى غير المفيدة.

إفراز البروتين عند حقيقيات النوى:

تتمتع خلايا حقيقيات النوى، بما فيها الخلايا البشرية، بقدرة إفرازية متطورة تسلك فيها البروتينات المعدَّة للإفراز مساراً معقداً ومحدداً بدقة. هناك نمطان من الإفراز: إفراز تقليدي وإفراز غير تقليدي.

1 - الإفراز التقليدي: يشترط هذا النمط من الإفراز توسط ببتيد إشارة signal peptide يوجد في النهاية الأمينية للسلسلة الببتيدية، يعمل واسماً يميز البروتينات المفرزة وفقاً لهذا السبيل. وتتم هذه السيرورة process وفقاً لعدد من المراحل التي تجري على سطح الشبكة البلازمية (البلاسمية) الداخلية endoplasmic reticulum وفي لمعتها، وداخل جهاز غولجي Golgi apparatus، وعلى السطح الداخلي للغشاء السيتوبلازمي (الهيولي). ويتم ذلك في مراحل متتالية:

أ- تركيب البروتين على مستوى الشبكة البلازمية الداخلية: تُمثِّل الشبكة البلازمية الداخلية إحدى عُضَيّات الخلايا حقيقيات النوى، وتتكون من مجموعة من الأنابيب والحويصلات الغشائية المترابطة والمتداخلة بعضها مع بعض بشكل شبكة مستمرة مع الغشاء النووي. ويمكن تمييز نمطين من الشبكة البلازمية الداخلية يختلفان بالشكل والوظيفة: شبكة بلازمية داخلية خشنة يغطي سطحها الخارجي العديد من الجسيمات الريبية، وشبكة بلازمية داخلية ملساء لا تحمل على سطحها أي جسيمات ريبية. يقوم النمط الأول باصطناع جميع البروتينات المفرَزَة وتعديلها؛ والبروتينات التي تدخل في بنية الغشاء السيتوبلازمي؛ والبروتينات غير المفرزة التي تبقى داخل جهاز غولجي والجسيمات الحالَّة، ويقوم النمط الثاني باصطناع الشحوم lipids والستيروئيدات واستقلاب السكاكر وتخزين الكلسيوم وإبطال فاعلية السموم.

يبدأ تركيب البروتين المعد للإفراز بنسخ transcription الجين المرمِّز له على شكل RNA مرسال (mRNA)، يُتَرجَم على سطوح الجسيمات الريبية الحرة في سيتوبلازما الخلية بعملية تعرف بالترجمة translation. وتدخل الببتيدات إلى لمعة الشبكة البلازمية الخشنة بسبب امتلاكها لببتيد إشاري يتكون من تتالٍ قصير لنحو عشرين ثمالة residues حمض أميني كاره للماء. يسمح هذا التتالي الإشاري بتوجيه الجسيمات الريبية لتتوضع على سطح الشبكة البلازمية الداخلية وارتباط الببتيد بغشائها؛ ويتوسط ذلك بروتين يعرف بجسيم تعرف الإشارة signal-recognition particle (SRP) يرتبط من جهة بالتسلسل الإشاري ومن جهة أخرى بمستقبل يوجد على غشاء الشبكة البلازمية الداخلية. يؤلف هذا المستقبل جزءاً من معقد بروتيني يسمى معقد الترجمة، يمتلك قناةً غشائية membrane channel وإنزيم ببتيداز خاصاً قادراً على شطر التتالي الإشاري. وبعد أن يتوسط جسيم التعرف الإشاري ربط الببتيد بغشاء الشبكة البلازمية الداخلية يغادر سطح هذه الشبكة، وتتوقف السلسلة الببتيدية عن النمو. يدخل الببتيد إلى لمعة الشبكة البلازمية الداخلية عبر القناة الغشائية، ويبقى التتالي الإشاري مرتبطاً بالغشاء، ثم يقوم الإنزيم الذي يشطر التتالي بقطع الببتيد الإشاري، فتتحرر السلسلة الببتيدية داخل اللمعة (الشكل1).

الشكل (1): الآلية الإشارية لتوجيه البروتينات إلى الشبكة البلازمية الداخلية.

تدخل البروتينات إلى لمعة الشبكة البلازمية على شكل سلاسل خطية عديدة الببتيد، وتخضع هناك لعدد من التعديلات تتمثل بِطَيّ folding السلسلة الببتيدية لتأخذ بنيتها الفراغية ثلاثية الأبعاد؛ وتجميع السلاسل المكونة للبروتين. وتساهم في هاتين العمليتين مجموعة من البروتينات تسمى بروتينات الشابيرون chaperones. يعد البروتين المسمى BiP أحد أهم بروتينات الشابيرون الموجودة في لمعة الشبكة البلازمية الداخلية، وهو يرتبط بالسلسلة عديدة البيبتيد الخطية منذ لحظة عبورها القناة الغشائية ويتوسط طيها، كما يساهم في ربط السلاسل البيبتيدية المختلفة المشكلة للبروتين الوظيفي معاً فيما يعرف بتجميع تحت وحدات البروتين multisubunit proteins. وتتشكل في هذه الأثناء الروابط ثنائية الكبريت بين ثمالات السيستيئين ضمن سلسلة عديدة البيبتيد الواحدة وبين السلاسل المختلفة المشكلة للبروتين، وذلك بفضل البيئة التأكسدية التي يوفرها الوسط داخل اللمعة، ووجود إنزيم خاص يعرف بإيزوميراز دايسَلفيد بروتين protein disulfide isomerase. يؤدي تشكيل هذه الروابط إلى ثبات البنية الفراغية الوظيفية للبروتين المُفرَز. إن تجميع البروتين وطَيّه بالشكل السَوِيّ يؤدي إلى تحرير بروتين BiP من البروتين المراد إفرازه فيصبح جاهزاً للانتقال إلى جهاز غولجي، في حين تبقى البروتينات غير المطواة بالشكل السوي مرتبطة بهذا البروتين لتتخلص منها الخلية بعملية التَدَرُّك degradation. كما يتم في لمعة الشبكة البلازمية الداخلية عملية ربط السكاكر بثمالات محددة من الأسبارجين في البروتين تعرف بـ N-linked glycosylation ؛ حيث يقوم الإنزيم الناقل لقليل السكريل oligosaccharyltransferase بربط وِحْدات units من قليلات السكريد oligosaccharide - التي تتألف كل وِحْدةٍ من نحو خمس عشرة ثمالة سكر أحادي - بثمالات الأسبارجين. وبعد انتهاء هذه التعديلات تغادر البروتينات المعدّة للإفراز الشبكة البلازمية الداخلية ضمن حويصلات ناقلة تتبرعم من جدار هذه الشبكة وتنتقل إلى جهاز غولجي.

ب- التعديلات في مستوى جهاز غولجي: يقوم جهاز غولجي بتعديل البروتينات القادمة من الشبكة السيتوبلازمية الداخلية الخشنة، ويرسلها إلى أماكن توضعها النهائية داخل الجسيمات الحالَّة، أو تدخل في بنية الغشاء السيتوبلازمي، أو تُفرَزُ خارج الخلية.

يتألف جهاز غولجي من أكياسٍ مغلفة بغشاء membrane-enclosed sacs وحويصلاتٍ مرتبطة بها، تتميز بوجهين مختلفين من حيث الشكل والوظيفة. يعرف الوجه الأول بالوجه المقرون cis face أو وجه الإدخال entry face، وهو المواجه للنواة، ويعرف الوجه المقابل بالوجه المفروق trans face أو وجه المغادرة exit face. يدخل البروتين المعدّ للإفراز جهاز غولجي من وجهه المقرون باندماج الحويصل الناقل به، ثم يتقدم تدريجياً إلى طبقاته الوسطى حيث تكون الفعالية الاستقلابية بحدّها الأعظمي، ويستمر بالتقدم إلى الوجه المفروق الذي يعمل كموضعٍ لإخراج البروتينات الوظيفية إلى أماكن تَوضُّعِها النهائية وتوزيعها (الشكل 2). وما تزال الآلية الدقيقة لانتقال الجزيئات المختلفة ضمن أكياس جهاز غولجي من الوجه المقرون إلى الوجه المفروق موضع جدل، وتشير كثير من الأبحاث إلى أن هذا الانتقال يتم عن طريق حويصلات تتبرعم من أحد الأكياس لتعود وتندمج في الكيس الذي يليه.

الشكل (2): العلاقة بين عضيات النظام الغشائي الداخلي.

تتضمن التعديلات التي تطرأ على البروتين المعدِّ للإفراز في جهاز غولجي نمطين من التعديلات، تتم بصفة رئيسية في أجزائه السكرية. يتضمن النمط الأول من التعديلات تغيرات في قليلات السكاكر التي تمت إضافتها في الشبكة البلازمية الداخلية والمرتبطة بالرابطة N- N linked oligosaccharides، وبالرغم من أن هذه التغيرات قد تختلف قليلاً من بروتين سكري مُفرَز إلى آخر، لكنها تؤدي - عامة - إلى إزالة خمس ثمالات من المانوز، وإضافة الفيكوز وثلاث ثمالات من كل من N أستيل غلوكوز أمين والغالاكتوز وحمض السياليك sialic acid. ويتضمن النمط الثاني من التعديلات اصطناع أجزاء سكرية جديدة، حيث تُضَاف ثمالات مفردة من السكاكر إلى ثمالات الحمضين الأمينيين السيرين والثريونين في مواضع محددة من البروتين. ويكون أول السكاكر المضافة عادة هو N أسيتيل غالاكتوز أمين، ومن ثم تتم إضافة السكاكر الأخرى واحداً تلو الآخر؛ والتي غالباً ما تكون معدلة بربطها بزمر فسفاتية. يعرف هذا النمط من إضافة السكاكر بـ O-linked glycosylation.

ج- الفرز والنقل إلى الغشاء: تغادر البروتينات بعد تعديلها جهاز غولجي إلى أماكن توضعها النهائي ضمن حويصلات غشائية خاصة تتبرعم من الوجه المفروق لجهاز كولجي، تعرف بحويصلات الإفراز إذا احتوت على بروتينات معدة للإفراز وكانت وجهتها الغشاء البلازمي؛ وبالحويصلات الناقلة عندما تتوجه إلى عُضَيَّة خلوية أخرى؛ وبالجسيمات الحالَّة في حال احتوائها على إنزيمات حالَّة. تسلك البروتينات المُعَدَّة للإفراز في الخلايا حقيقية النوى مسلكين إفرازيين: المسلك الإفرازي الأساسي constitutive secretory pathway، والمسلك الإفرازي المُنَظَّم regulated secretory pathway.

يعمل المسلك الإفرازي الأساسي في جميع الأنماط الخلوية؛ ويؤدي إلى إفراز مستمر وغير مضبوط لعدد قليل من البروتينات غير النوعية. وتتميز هذه البروتينات بكونها لا تحمل أي تسلسل إشاري يوجهها إلى عضية معينة، فترسلها الخلية إلى الوسط الخارجي، في حين تسلك بعض الأنماط الخلوية مسالك إفرازية مُنَظَّمَة تستخدمها لإفراز نمطٍ محدد من البروتينات تحمل تسلسلات إشارية تجعلها معدة للإفراز وذلك في وقت محدد استجابةً للإشارات الخارجية، حيث تخرج البروتينات المعدلة من الوجه المفروق لجهاز غولجي، وتُجمَع في حويصلات إفرازية يَفوق حجمها الحويصلات الناقلة. تبقى هذه الحويصلات مُختَزِنةً البروتينات المعدة للإفراز حتى تتلقى الخلية إشارة نوعية تؤدي إلى اندماج هذه الحويصلات في الغشاء البلازمي، فتفرغ محتوياتها في الوسط خارج الخلية. ومن الأمثلة على هذا النمط من الإفراز المنظم إفراز الهرمونات من قبل الخلايا الصم endocrine cells، وإفراز النواقل العصبية من قبل الخلايا العصبية، وإفراز الإنزيمات الهاضمة من قبل الغدد الملحقة بجهاز الهضم، حيث تُختزن الإنزيمات الهاضمة ضمن حويصلات إفراز توجد في نمط محدد من خلايا البنكرياس، ويعمل دخول الطعام إلى المعدة والأمعاء الدقيقة كإشارة تحفيزية تؤدي إلى اندماج الحويصلات الإفرازية في الغشاء البلازمي، وتحرر الإنزيمات الهاضمة إلى خارج الخلايا. وفي بعض الحالات يمكن أن يستمر تعديل البروتينات المعدة للإفراز ضمن الحويصل الإفرازي، كما هي حال هرمون الإنسولين الذي يصبح وظيفياً بعد شطر البروتين طليعة الإنسولين proinsulin في الحويصل الإفرازي.

د- الإخراج الخلوي exocytosis: تتوجه الحويصلات الإفرازية باتجاه الغشاء البلازمي في مسارات محددة ضمن الخلية مستخدمة نُبَيْبات دقيقة microtubules في الهيكل الخلوي cytoskeleton والبروتينات المحركة motor proteins، وعند ملامسة الحويصلات الإفرازية أماكن محددة من الغشاء البلازمي تعرف بالجسيمات المسامية porosomes (بُنى غشائية لها شكل كأس) ترتبط بها بعملية تعرف بالرسو docking تساهم فيها مجموعة من البروتينات تسمى SNARE. ومن هذه البروتينات نوعان: الأول يوجد على سطوح الحويصلات الإفرازية ويُعرَف بـ v-SNARE، والثاني يوجد في الجسيمات المسامية ويعرف بـ t-SNARE. يؤدي ارتباط هذين النوعين من البروتينات إلى رسو الحويصلات الإفرازية على الغشاء البلازمي مشكّلة معقدات حلقية الشكل ring complex، يختلف حجمها بحسب حجم الحويصلات الإفرازية المشكلة لها، يراوح حجم هذه المعقدات بين nm10 وnm15 في الخلايا العصبية، ويصل إلى nm180 في خلايا البنكرياس. ويؤدي تشكيل هذه المعقدات إلى تفعيل قنوات الماء والقنوات الإيونية فيها، فيدخل الماء إلى داخل هذه المعقدات، فيزداد الضغط داخلها فتَنتَبِج، ومن ثَم تنفجر محررة محتواها في الوسط خارج الخلية، ويندمج جدار الحويصل الإفرازي في الغشاء البلازمي ويصبح على استمرارية معه.

2 - الإفراز غير التقليدي: كان يعتقد ولفترة طويلة أن البروتين المعدّ للإفراز خارج الخلية يجب أن يحمل في نهايته الأمينيية التسلسل الإشاري الخاص بالإفراز، لكن الدراسات الحديثة بينت أن العديد من البروتينات المفرزة إلى خارج الخلايا (كعوامل نمو الأرومة الليفيةfibroblast growth factor من النمط الأول FGF-1 والنمط الثاني FGF-2 والأنترلوكين-1 IL-1) لاتحمل في نهايتها الأمينية أي تسلسل إشاري مميز للإفراز، لذلك يعرف هذا النمط من الإفراز بالإفراز غير العادي unconventional secretion أو غير التقليدي. تختلف طرائق إفراز هذه البروتينات و تتنوع الآليات المقترحة باختلاف البروتين، فمثلاً يعتقد أن إفراز 1-FGF من سيتوبلازما الخلية إلى خارجها لا يتم عبر حويصل إفرازي، وإنما يتم بمساعدة نوعين من الجزيئات: الأول الفسفاتيديل إنوزيتول 4 و 5 ثنائي الفسفات (جزيء عابر للغشاء) يساهم في إخراج البروتين من الخلية، ليتلقفه الجزيء الثاني الهيبارين فسفات بروتيوغليكان (أحد مكونات المَطرِس خارج الخلية extracellular matrix).

الإفراز عند بدائيات النوى

لا تقتصر عملية الإفراز على خلايا حقيقيات النوى؛ إذ تقوم خلايا بدائيات النوى بأنواعها بهذه العملية باستعمال آليات متنوعة ومختلفة عن تلك المتبعة في حقيقيات النوى. فالبكتريا موجبة الغرام gram positive bacteria تصنع البروتينات المعدّة للإفراز - التي تحمل في نهايتها الأمينية تسلسلاً إشارياً إفرازياً- في السيتوبلازما وترسلها بشكلها الأولي (غير المطوي) إلى الغشاء السيتوبلازمي حيث تعبر الغشاء وتجري معالجتها وطيها في بيئة الجدار الخلوي على تماس مع السطح الخارجي للغشاء السيتوبلازمي لتأخذ شكلها ثلاثي الأبعاد الوظيفي. ويمكن أن يبقى البروتين مرتبطاً بالسطح الخارجي للخلية، أو يحرر في الوسط خارج الخلية. يعرف هذا المسلك بالمسلك الإفرازي العام general secretory pathway أو بالمنظومة الإفرازية secretory system. ويعد هذا المسلك نظيراً للمسلك الإفرازي المنظم في حقيقيات النوى، ويؤدي إلى إفراز معظم البروتينات المعدة للإفراز الحاملة للتسلسل الإشاري الإفرازي في النهاية الأمينية. ومن أهم الأمثلة على البروتينات الجرثومية المفرزة بحسب هذا المسلك الذيفانات الخارجية exotoxins لجراثيم العنقوديات المذهبة Staphylococcus aureus والمستضدات الواقية لبكتريا الجمرة Anthrax الجمرة Bacillus anthracis التي تشكل عوامل الفوعة virulence factors الخاصة بها. في حين تؤدي البنية الأكثر تعقيداً للبكتريا سالبة الغرام gram negative bacteria -لاحتوائها على غشائين - إلى اتباع مسالك إفرازية يزيد عددها على ستة نظم إفرازية مختلفة ومتخصصة بإفراز مواد مختلفة.