Skip to main content
Global

9.4: إرسال الإشارات في الكائنات الحية أحادية الخلية

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    196431

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    المهارات اللازمة للتطوير

    • وصف كيفية استخدام الخمائر أحادية الخلية لإشارات الخلايا للتواصل مع بعضها البعض
    • اربط دور استشعار النصاب بقدرة بعض البكتيريا على تكوين الأغشية الحيوية

    تسمح الإشارات داخل الخلية للبكتيريا بالاستجابة للإشارات البيئية، مثل مستويات المغذيات، كما تطلق بعض الكائنات الحية أحادية الخلية جزيئات للإشارة إلى بعضها البعض.

    إرسال الإشارات في الخميرة

    الخمائر هي حقيقيات النواة (الفطريات)، والمكونات والعمليات الموجودة في إشارات الخميرة مماثلة لتلك الخاصة بإشارات مستقبلات سطح الخلية في الكائنات متعددة الخلايا. تستطيع الخمائر الناشئة (الشكل\(\PageIndex{1}\)) المشاركة في عملية مشابهة للتكاثر الجنسي الذي يستلزم خليتين مفردتين (خلايا تحتوي على نصف العدد الطبيعي للكروموسومات) تتحد لتشكل خلية ثنائية الصبغيات (خلية تحتوي على مجموعتين من كل كروموسوم، وهو ما تحتويه خلايا الجسم الطبيعية). من أجل العثور على خلية خميرة أحادية الصيغة أخرى مهيأة للتزاوج، تفرز الخمائر الناشئة جزيء إشارة يسمى عامل التزاوج. عندما يرتبط عامل التزاوج بمستقبلات سطح الخلية في خلايا الخميرة الأخرى القريبة، فإنها توقف دورات نموها الطبيعية وتبدأ سلسلة إشارات الخلايا التي تتضمن كينازات البروتين والبروتينات المرتبطة بـ GTP والتي تشبه بروتينات G.

    تُظهر الصورة خلايا الخميرة، بعضها يحتوي على براعم بارزة منها.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): يمكن لخلايا خميرة Saccharomyces cerevisiae الناشئة التواصل عن طريق إطلاق جزيء إشارة يسمى عامل التزاوج. في هذه الصورة المجهرية، يتم تصورها باستخدام الفحص المجهري للتداخل التفاضلي، وهو أسلوب الفحص المجهري الضوئي الذي يعزز تباين العينة.

    إرسال الإشارات في البكتيريا

    يمكّن إرسال الإشارات في البكتيريا البكتيريا من مراقبة الظروف خارج الخلية، وضمان وجود كميات كافية من العناصر الغذائية، وضمان تجنب المواقف الخطرة. ومع ذلك، هناك ظروف تتواصل فيها البكتيريا مع بعضها البعض.

    لوحظ أول دليل على التواصل البكتيري في بكتيريا لها علاقة تكافلية مع حبار هاواي البوبتيل. عندما تصل الكثافة السكانية للبكتيريا إلى مستوى معين، يبدأ التعبير الجيني المحدد، وتنتج البكتيريا بروتينات مضيئة بيولوجيًا تنبعث منها الضوء. نظرًا لأن عدد الخلايا الموجودة في البيئة (كثافة الخلية) هو العامل المحدد للإشارة، فقد تم تسمية الإشارات البكتيرية باستشعار النصاب. في السياسة والأعمال، النصاب القانوني هو الحد الأدنى لعدد الأعضاء المطلوب للحضور للتصويت على قضية ما.

    يستخدم استشعار النصاب المحرضات التلقائية كجزيئات إشارة. المحرضات التلقائية هي جزيئات إشارات تفرزها البكتيريا للتواصل مع بكتيريا أخرى من نفس النوع. يمكن أن تكون المحرضات الذاتية التي يتم إفرازها جزيئات صغيرة كارهة للماء مثل أسيل-هوموسرين لاكتون (AHL) أو جزيئات أكبر تعتمد على الببتيد؛ كل نوع من الجزيئات له طريقة عمل مختلفة. عندما تدخل AHL البكتيريا المستهدفة، فإنها ترتبط بعوامل النسخ، والتي تقوم بعد ذلك بتشغيل التعبير الجيني أو إيقاف تشغيله (الشكل\(\PageIndex{2}\)). تحفز المحرضات التلقائية للببتيد مسارات الإشارات الأكثر تعقيدًا التي تشمل الكينازات البكتيرية. يمكن أن تكون التغييرات في البكتيريا بعد التعرض للمحفزات التلقائية واسعة جدًا. تحتوي البكتيريا المسببة للأمراض Pseudomonas aeruginosa على 616 جينًا مختلفًا تستجيب للمحفزات الذاتية.

    آرت كونيكشن

    يُظهر الجزء الأيسر من هذا الرسم التوضيحي خلية بكتيرية واحدة. تنتج الخلية محرضات تلقائية تنتشر بعيدًا عن الخلية ولا يمكنها ربط المستقبلات داخل الخلايا. يُظهر الجزء الأيمن من هذا الرسم التوضيحي العديد من الخلايا البكتيرية. يوجد المزيد من المحرضات التلقائية، والتي تربط المستقبلات التي بدورها تربط الحمض النووي وتنظم التعبير عن جينات معينة. يتم تشغيل التعبير الجيني للمحفز التلقائي، مما يؤدي إلى حلقة التغذية الراجعة الإيجابية.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): المحرضات التلقائية هي جزيئات صغيرة أو بروتينات تنتجها البكتيريا التي تنظم التعبير الجيني.

    أيٌّ من العبارات التالية عن استشعار النصاب خطأ؟

    1. يجب أن يرتبط المحرِّض التلقائي بالمستقبل لتشغيل نسخ الجينات المسؤولة عن إنتاج المزيد من المحرِّض التلقائي.
    2. يبقى المستقبل في الخلية البكتيرية، لكن المحفز التلقائي ينتشر.
    3. يمكن أن يعمل Autoinducer فقط على خلية مختلفة: لا يمكن أن يعمل على الخلية التي صنع فيها.
    4. يقوم المحرِّض التلقائي بتشغيل الجينات التي تمكّن البكتيريا من تكوين غشاء حيوي.

    تشكل بعض أنواع البكتيريا التي تستخدم استشعار النصاب أغشية حيوية ومستعمرات معقدة من البكتيريا (غالبًا ما تحتوي على عدة أنواع) تتبادل الإشارات الكيميائية لتنسيق إطلاق السموم التي ستهاجم المضيف. يمكن أحيانًا العثور على الأغشية الحيوية البكتيرية (الشكل\(\PageIndex{3}\)) على المعدات الطبية؛ عندما تغزو الأغشية الحيوية الغرسات مثل بدائل الورك أو الركبة أو أجهزة تنظيم ضربات القلب، فإنها يمكن أن تسبب التهابات تهدد الحياة.

    آرت كونيكشن

    الجزء أ: تُظهر هذه الصورة المجهرية الإلكترونية فيلمًا من البكتيريا. الجزء ب: تُظهر هذه الصورة حبار بوبتيل هاواي.
    الشكل\(\PageIndex{3}\): يمكّن الاتصال الخلوي هذه (أ) بكتيريا Staphylococcus aureus من العمل معًا لتشكيل غشاء حيوي داخل قسطرة المريض بالمستشفى، والتي تظهر هنا عن طريق الفحص المجهري الإلكتروني. S. aureus هي السبب الرئيسي للعدوى المكتسبة من المستشفيات. (ب) توجد علاقة تكافلية بين حبار هاواي والبكتريا المضيئة بيولوجياً Vibrio fischeri. يجعل اللمعان من الصعب رؤية الحبار من الأسفل لأنه يزيل ظله بشكل فعال. في مقابل التمويه، يوفر الحبار الغذاء للبكتيريا. لا ينتج V. fischeri الذي يعيش بحرية لوسيفيراز، الإنزيم المسؤول عن التلألؤ، ولكن V. fischeri الذي يعيش في علاقة تكافلية مع الحبار يفعل ذلك. يحدد استشعار النصاب ما إذا كانت البكتيريا يجب أن تنتج إنزيم لوسيفيراز. (الاعتماد أ: تعديلات العمل من قبل CDC/جانيس كار؛ الائتمان ب: تعديلات العمل من قبل Cliff1066/Flickr)

    ما الميزة التي قد يمنحها إنتاج البيوفيلم على بكتيريا S. aureus داخل القسطرة؟

    أدى البحث في تفاصيل استشعار النصاب إلى تقدم في زراعة البكتيريا للأغراض الصناعية. تشير الاكتشافات الحديثة إلى أنه قد يكون من الممكن استغلال مسارات الإشارات البكتيرية للتحكم في نمو البكتيريا؛ يمكن لهذه العملية أن تحل محل أو تكمل المضادات الحيوية التي لم تعد فعالة في حالات معينة.

    رابط إلى التعلم

    شاهد عالمة الوراثة بوني باسلر وهي تناقش اكتشافها لاستشعار النصاب في بكتيريا البيوفيلم في الحبار.

    اتصال التطور: التواصل الخلوي في الخمائر

    تألفت الحياة الأولى على كوكبنا من كائنات بدائية النواة أحادية الخلية ذات تفاعل محدود مع بعضها البعض. بينما تحدث بعض الإشارات الخارجية بين أنواع مختلفة من الكائنات أحادية الخلية، فإن غالبية الإشارات داخل البكتيريا والخمائر تتعلق فقط بالأعضاء الآخرين من نفس النوع. يعد تطور الاتصال الخلوي ضرورة مطلقة لتطوير الكائنات الحية متعددة الخلايا، ويُعتقد أن هذا الابتكار قد تطلب حوالي 2.5 مليار سنة للظهور في أشكال الحياة المبكرة.

    الخمائر عبارة عن حقيقيات نواة أحادية الخلية، وبالتالي فهي تحتوي على نواة وعضيات مميزة لأشكال الحياة الأكثر تعقيدًا. توضح المقارنات بين جينومات الخمائر والديدان الخيطية وذباب الفاكهة والبشر تطور أنظمة الإشارات المعقدة بشكل متزايد والتي تسمح بالأعمال الداخلية الفعالة التي تحافظ على عمل البشر وأشكال الحياة المعقدة الأخرى بشكل صحيح.

    تعد الكينازات مكونًا رئيسيًا للاتصال الخلوي، وتوضح دراسات هذه الإنزيمات الارتباط التطوري للأنواع المختلفة. تحتوي الخمائر على 130 نوعًا من الكينازات. تحتوي الكائنات الحية الأكثر تعقيدًا مثل الديدان الخيطية وذباب الفاكهة على 454 و 239 كينازًا على التوالي. من بين 130 نوعًا من كيناز الخميرة، ينتمي 97 نوعًا إلى 55 فصيلة فرعية من الكينازات الموجودة في الكائنات حقيقية النواة الأخرى. النقص الوحيد الواضح في الخمائر هو الغياب الكامل لكينازات التيروزين. يُفترض أن فسفرة بقايا التيروزين ضرورية للتحكم في الوظائف الأكثر تعقيدًا للتطور والتمايز والتواصل الخلوي المستخدمة في الكائنات متعددة الخلايا.

    نظرًا لأن الخمائر تحتوي على العديد من نفس فئات بروتينات الإشارة مثل البشر، فإن هذه الكائنات الحية مثالية لدراسة سلاسل الإشارات. تتكاثر الخمائر بسرعة وهي كائنات أبسط بكثير من البشر أو الحيوانات الأخرى متعددة الخلايا. لذلك، تكون سلاسل الإشارات أيضًا أبسط وأسهل في الدراسة، على الرغم من أنها تحتوي على نظيرات مماثلة للإشارات البشرية. 1

    رابط إلى التعلم

    شاهد هذه المجموعة من مقاطع المقابلة مع باحثي البيوفيلم في «ما هي الأغشية الحيوية البكتيرية؟»

    ملخص

    تحتوي الخمائر والكائنات متعددة الخلايا على آليات إشارة مماثلة. تستخدم الخمائر مستقبلات سطح الخلية وشلالات الإشارات لتوصيل المعلومات حول التزاوج مع خلايا الخميرة الأخرى. يُطلق على جزيء الإشارة الذي تفرزه الخمائر عامل التزاوج.

    تسمى الإشارات البكتيرية باستشعار النصاب. تفرز البكتيريا جزيئات إشارة تسمى المحرضات التلقائية والتي تكون إما جزيئات صغيرة كارهة للماء أو إشارات قائمة على الببتيد. تعمل المحرضات التلقائية الكارهة للماء، مثل AHL، على ربط عوامل النسخ وتؤثر بشكل مباشر على التعبير الجيني. تربط الجزيئات القائمة على الببتيد الكينازات وتبدأ سلاسل الإشارات في الخلايا.

    اتصالات فنية

    الشكل\(\PageIndex{2}\): أي من العبارات التالية عن استشعار النصاب صحيحة؟

    1. يجب أن يرتبط المحرِّض التلقائي بالمستقبل لتشغيل نسخ الجينات المسؤولة عن إنتاج المزيد من المحرِّض التلقائي.
    2. يبقى المستقبل في الخلية البكتيرية، لكن المحفز التلقائي ينتشر.
    3. يمكن أن يعمل Autoinducer فقط على خلية مختلفة: لا يمكن أن يعمل على الخلية التي صنع فيها.
    4. يقوم المحرِّض التلقائي بتشغيل الجينات التي تمكّن البكتيريا من تكوين غشاء حيوي.
    إجابة

    ج.

    الشكل\(\PageIndex{3}\): ما الميزة التي قد يمنحها إنتاج البيوفيلم على بكتيريا S. aureus داخل القسطرة؟

    إجابة

    تنتج S. aureus فيلمًا حيويًا لأن كثافة الخلايا العالية في البيوفيلم تسمح بتكوين سطح كثيف يساعد على حماية البكتيريا من المضادات الحيوية.

    الحواشي

    1. 1 جي مانينغ، جي دي بلومان، تي هانتر، إس سودارسانام، «تطور إشارات بروتين كيناز من الخميرة إلى الإنسان»، الاتجاهات في العلوم البيوكيميائية 27، رقم 10 (2002): 514-520.

    مسرد المصطلحات

    المحرِّض التلقائي
    جزيء الإشارة الذي تفرزه البكتيريا للتواصل مع البكتيريا الأخرى من نوعها وغيرها
    عامل التزاوج
    جزيء الإشارة الذي تفرزه خلايا الخميرة للتواصل مع خلايا الخميرة القريبة التي تكون متاحة للتزاوج وإيصال اتجاه التزاوج
    استشعار النصاب
    طريقة الاتصال الخلوي التي تستخدمها البكتيريا التي تخبرها بوفرة البكتيريا المتشابهة (أو المختلفة) في البيئة