اكتشف الباحثون في مركز العلوم الصحية بجامعة ولاية لويزيانا كيف يتم تقسيم ATP المعزول في الخلايا، مما يوفر أول صورة واضحة على الإطلاق للتفاعل الرئيسي الذي يسمح للخلايا الحية بالعمل والازدهار.
"ATP هو وقود الحياة. يوضح سونيونغ كيم، الأستاذ الذي قاد البحث المنشور في المجلة العلمية Journal of Biological Chemistry: "إنها عملة الطاقة - أهم خزان للطاقة الكيميائية والميكانيكية في النظم البيولوجية".
لعقود من الزمن، ظل العلماء يدرسون ويحاولون فهم هذا التفاعل الحيوي بشكل كامل، لكنهم حتى الآن لم يتمكنوا من فهم كيفية تلقي البروتينات في الخلايا الحية للطاقة واستخدامها.
يحتوي ATP المعزول في شكله الأصلي على ثلاث مجموعات فوسفور. ورغم أنه كان معروفًا منذ بعض الوقت أنه لكي يتفكك البروتون، من الضروري أن تتفاعل مجموعة الفسفرة الثالثة مع مجموعة الهيدروكسيد، أو بروتون الماء الذي "فقد" أحد بروتوناته، إلا أنه من غير المعروف ما الذي يحرك هذا البروتون بعيدًا بالضبط، وهي الخطوة التي تؤدي إلى إطلاق شحنة ATP - الطاقة. اختار الفريق دراسة عائلة معينة من "آلات" البروتين التي تحلل ATP - الكينيسينات.
الكينسين (دخول ويكيبيديا) هي آلات بيولوجية صغيرة تعمل بشكل مشابه لمحركات السيارات، كما يوضح الباحث الرئيسي، وتتحرك ذهابًا وإيابًا عبر المسارات الخلوية المسؤولة عن العديد من الوظائف المهمة في الخلية، مثل انقسام الخلايا ونقل المواد.
"لقد اخترنا كينيسينات لأنها أبسط "محركات" البروتين المعروفة لدينا. بشكل عام، البروتينات التي تحطم ATP تكون كبيرة جدًا وتحتوي على العديد من المكونات المتحركة لأداء العمل الميكانيكي". "كلما كان النظام أصغر وأبسط، كلما تمكنا من جمع المزيد من المعلومات عنه بالتفصيل."
قام الفريق بتضييق نطاق البحث أكثر واختار كينيسين Eg5 البشري، وهو ضروري لانقسام الخلايا - سواء الطبيعية أو غير الطبيعية - وهو هدف مثير للاهتمام للجيل القادم من الأدوية المضادة للسرطان. إن قمع النشاط الطبيعي لهذا الكينيسين، عن طريق تعطيل قدرته على تحطيم ATP، قد يكون قادرًا على منع تطور السرطان، وهناك الآن العديد من مثبطات هذا النوع في التجارب السريرية.
ومن أجل الحصول على فهم تفصيلي للنشاط الدقيق للبروتين، استخدم الفريق علم البلورات بالأشعة السينية لإنتاج بنية ثلاثية الأبعاد يمكن من خلالها ملاحظة جميع الروابط والمواقع للذرات المختلفة. ومع ذلك، كان التحدي يكمن في التقاط البروتين خلال سلسلة الخطوات التي يتم فيها إطلاق الطاقة عن طريق إجباره على التفاعل والارتباط بجزء مقلد من ATP، وهو جزء لا يسمح بإزالة مجموعة الفسفرة، وفحص البروتين. البروتين "العالق" بمزيد من التفاصيل.
وفقا لأحد الباحثين، فإن التقاط البروتين المرتبط بجزيء محاكاة ATP أمر صعب للغاية. قبل محاولات فريق البحث هذا، لم تنجح سوى ثلاث محاولات أخرى للقيام بذلك. ومع ذلك، فإن كل هذه النجاحات لم تكن مرضية لأنها فشلت في إظهار كيفية حدوث الخطوة الأولى من انهيار ATP بالضبط. فشل آخر يكمن في حقيقة أنه في معظم الحالات تم العثور على بروتينات كينيسين النقية تحتوي على أحد منتجات تحلل ATP - ADP (ثنائي فسفرة الأدينوزين).
"قلنا لأنفسنا: أتعرف ماذا؟ لا يبدو أنه يمكن للمرء ببساطة إدخال مقلد ATP في بروتين نقي مرتبط بالفعل بـ ADP. لقد اعتقدنا أنه سيتعين علينا إخراج ADP أولاً. يقول الباحث: "هذه هي بالضبط الطريقة التي يعمل بها البروتين في حالته الطبيعية". "وهكذا، بدلاً من إجبار البروتين على تجاوز التسلسل الطبيعي للخطوات في إطلاق ATP، قمنا بسحب ADP أولاً ثم جعلناه يتفاعل مع تقليد ATP. وبعد ذلك، تعجبت وتعجبت - لقد حصلنا على الإجابة المطلوبة". وكانت النتيجة المفاجئة هي أن البروتين يستخدم مجموعة من جزيئات الماء للاستفادة من طاقة التفاعل.
ويشير الباحث إلى أن "المعرفة المسبقة قادتنا إلى إدراك أن المادة الفعالة التي تبدأ بداية عملية تفريغ ATP يجب أن تكون مكونًا موجودًا في محتويات البروتين، وهو مكون مثل الحمض الأميني". ومع ذلك، فهو لم يكن حمضًا أمينيًا على الإطلاق، بل كان جزيء ماء ثانيًا هو الذي يسحب البروتون من جزيء الماء الأول.
يوضح الباحث: "كل من فواصل الماء هذه متصلة بجزء مختلف من البروتين وعادةً ما تكون مرتبطة ببعضها البعض بإحكام أثناء ربط الجزأين البعيدين من البروتين عبر جسر جزيئي". "المعلومات المتوفرة لدينا تظهر أنه عندما تلتقط قطرة الماء الثانية البروتون من قطرة الماء الأولى، يتم نقل هذا البروتون على طول هذا الجسر. تؤدي هذه الخطوة إلى فتح الجزأين المختلفين من البروتين المتصلين بواسطة الجسر ومن ثم يتم الحصول على حركة البروتين." هذه الحركة الداخلية تدفع الآلة النانوية على طول مسارها، وهي ظاهرة تسمح لها بأداء نشاطها المهم.
يقول أحد الباحثين: "على الرغم من البساطة النسبية للغشاء المائي، إلا أنه لا يزال مثيرًا للدهشة ويقوم بعمليات معقدة، وما زلت أشعر بسعادة غامرة لأننا وجدنا أنه الجزء المهم في آلية نشاط المحرك البروتيني".
ويأمل الفريق أنه من خلال الفهم الواضح لآلية نشاط الآلات البيولوجية، سيتمكن العلماء من فهم كيفية تحرك المكونات المختلفة داخل الخلايا بشكل أفضل، مما سيسمح لهم بفهم أنظمة التبديل (التشغيل/الإيقاف) وتطوير أدوية مبتكرة يمكن الوقاية من الأمراض المختلفة ومكافحتها بشكل أفضل.
"نحن نعتقد أن العديد من البروتينات، إن لم يكن كلها، التي تستخدم الطاقة التي تم الحصول عليها من انهيار ATP تعمل بنفس الطريقة أو بطريقة مماثلة،" يوضح الباحث الرئيسي.
تعليقات 2
أستطيع أن أفهم لماذا اخترت وضع صورة لها بدلا من صورة الضالة..:-)
رائع. وأتساءل عما إذا كانوا قد فكروا في هذه الآلية ثم أثبتوها أم أنهم توصلوا إليها. إنه أمر منطقي للغاية (على الرغم من أنك تتوقع أن البروتين لن يكتفي بجزيء ماء واحد لغرض تعريض الهيدروكسيد من الماء وإزالة البروتون، لأنه إذا استخدم عدة جزيئات من هذا القبيل فسوف يقترب من ذلك) الموقع النشط حيث يوجد أيضًا جزيء الماء ومن ثم سيكون سحب البروتون أسرع وأكثر كفاءة، ومن ناحية أخرى، إذا كان يعمل مع جزيء ماء واحد - دينو.
ساحر