8.5: هدم الدهون والبروتينات

Last updated
Save as PDF

Page ID: 194794

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

أهداف التعلم

وصف كيفية تقويض الدهون
وصف كيف يمكن استخدام هدم الدهون لتحديد الميكروبات
وصف كيفية تقويض البروتينات
وصف كيف يمكن استخدام هدم البروتين لتحديد البكتيريا

ناقشت الأقسام السابقة تقويض الجلوكوز، الذي يوفر الطاقة للخلايا الحية، وكذلك كيفية تحلل السكريات مثل الجليكوجين والنشا والسليلوز إلى مونومرات الجلوكوز. لكن الميكروبات تستهلك أكثر من مجرد الكربوهيدرات في الغذاء. في الواقع، يُعرف العالم الميكروبي بقدرته على تحلل مجموعة واسعة من الجزيئات، سواء التي تحدث بشكل طبيعي أو تلك التي تصنعها العمليات البشرية، لاستخدامها كمصادر للكربون. في هذا القسم، سنرى أن مسارات هدم الدهون والبروتين ترتبط بتلك المستخدمة في تقويض الكربوهيدرات، مما يؤدي في النهاية إلى تحلل السكر، والتفاعل الانتقالي، ومسارات دورة كريبس. يجب اعتبار المسارات الأيضية مسامية - أي أن المواد تدخل من مسارات أخرى، وتغادر المواد الوسيطة إلى مسارات أخرى. هذه المسارات ليست أنظمة مغلقة. العديد من الركائز والمواد الوسيطة والمنتجات في مسار معين هي مواد تفاعلية في مسارات أخرى.

هدم الدهون

الدهون الثلاثية هي شكل من أشكال تخزين الطاقة على المدى الطويل في الحيوانات. وهي مصنوعة من الجلسرين وثلاثة أحماض دهنية (انظر الشكل 7.3.1). تشكل الفسفوليبيدات الخلايا والأغشية العضية لجميع الكائنات الحية باستثناء الأركيا. يشبه هيكل الفوسفوليبيد الدهون الثلاثية باستثناء أن أحد الأحماض الدهنية يتم استبداله بمجموعة رأس فوسفورية (انظر الشكل 7.3.2). يتم تكسير الدهون الثلاثية والفوسفوليبيدات أولاً عن طريق إطلاق سلاسل الأحماض الدهنية (و/أو مجموعة الرأس الفوسفورية، في حالة الفوسفوليبيدات) من العمود الفقري للجلسرين ثلاثي الكربون. يتم تحفيز التفاعلات التي تكسر الدهون الثلاثية بواسطة الليباز ويتم تحفيز تلك التي تحتوي على الفسفوليبيدات بواسطة الفوسفوليباز. تساهم هذه الإنزيمات في ضراوة بعض الميكروبات، مثل بكتيريا Staphylococcus aureus وفطر Cryptococcus neoformans. تستخدم هذه الميكروبات الفسفوليباز لتدمير الدهون والفوسفوليبيدات في الخلايا المضيفة ثم تستخدم المنتجات التقويضية للحصول على الطاقة (انظر عوامل ضراوة مسببات الأمراض البكتيرية والفيروسية).

يمكن زيادة تدهور المنتجات الناتجة عن هدم الدهون والجلسرين والأحماض الدهنية. يمكن تسفير الجلسرين إلى الجلسرين 3-الفوسفات وتحويله بسهولة إلى الغليسيرالديهيد 3-فوسفات، والذي يستمر من خلال تحلل السكر. يتم تقويض الأحماض الدهنية المنبعثة في عملية تسمى أكسدة بيتا، والتي تزيل بالتتابع مجموعات الأسيتيل ثنائية الكربون من نهايات سلاسل الأحماض الدهنية، مما يقلل ^NAD+ و FAD لإنتاج NADH و FADH ₂، على التوالي، والتي يمكن استخدام إلكتروناتها لصنع ATP عن طريق الأكسدة الفسفرة. _{يتم نقل مجموعات الأسيتيل المنتجة أثناء أكسدة بيتا بواسطة الإنزيم المساعد A إلى دورة كريبس، وتؤدي حركتها خلال هذه الدورة إلى تحللها إلى ثاني أكسيد الكربون، مما ينتج ATP عن طريق الفسفرة على مستوى الركيزة وجزيئات NADH و FADH ₂ الإضافية (انظر الملحق C)} للحصول على توضيح مفصل لأكسدة بيتا).

يمكن أيضًا أن تتحلل أنواع أخرى من الدهون بواسطة ميكروبات معينة. على سبيل المثال، تساهم قدرة بعض مسببات الأمراض، مثل المتفطرة السلية، على تحلل الكوليسترول في ضراوتها. يمكن إزالة السلاسل الجانبية للكوليسترول بسهولة إنزيميًا، ولكن تدهور الحلقات المنصهرة المتبقية يمثل مشكلة أكبر. يتم كسر الحلقات الأربع المنصهرة بالتتابع في عملية متعددة الخطوات تسهلها إنزيمات محددة، ويمكن تقويض المنتجات الناتجة، بما في ذلك البيروفات، في دورة كريبس.

التمارين الرياضية\(\PageIndex{1}\)

كيف يمكن أن يساهم الليباز والفوسفوليباز في ضراوة الميكروبات؟

هدم البروتين

تتحلل البروتينات من خلال العمل المنسق لمجموعة متنوعة من إنزيمات البروتياز الميكروبية. تقوم البروتياز خارج الخلية بتقطيع البروتينات داخليًا في تسلسلات محددة من الأحماض الأمينية، وتقسيمها إلى ببتيدات أصغر يمكن للخلايا بعد ذلك تناولها. يمكن التعرف على بعض مسببات الأمراض المهمة سريريًا من خلال قدرتها على إنتاج نوع معين من البروتياز خارج الخلية. على سبيل المثال، يمكن استخدام إنتاج جيلاتيناز البروتياز خارج الخلية من قبل أعضاء من جنسين Proteus و Serratia لتمييزهم عن البكتيريا المعوية الأخرى سالبة الجرام. بعد التلقيح ونمو الميكروبات في مرق الجيلاتين، يمنع تحلل بروتين الجيلاتين بسبب إنتاج الجيلاتين تصلب الجيلاتين عند تبريده. يمكن تمييز مسببات الأمراض الأخرى بقدرتها على تحلل الكازين، البروتين الرئيسي الموجود في الحليب. عند زراعته على أجار الحليب الخالي من الدسم، يتسبب إنتاج الكازيناز البروتيني خارج الخلية في تحلل الكازين، الذي يظهر كمنطقة تطهير حول النمو الميكروبي. يمكن استخدام إنتاج الكازيناز بواسطة العامل الممرض الانتهازي Pseudomonas aeruginosa لتمييزه عن البكتيريا الأخرى ذات الصلة التي لا تحتوي على جرامات.

بعد تحلل البروتياز خارج الخلية وامتصاص الببتيدات في الخلية، يمكن بعد ذلك تقسيم الببتيدات إلى أحماض أمينية فردية عن طريق بروتياز إضافي داخل الخلايا، ويمكن إزالة كل حمض أميني إنزيميًا لإزالة المجموعة الأمينية. يمكن للجزيئات المتبقية بعد ذلك أن تدخل التفاعل الانتقالي أو دورة كريبس.

التمارين الرياضية\(\PageIndex{2}\)

كيف يمكن أن يساعد هدم البروتين في تحديد الميكروبات؟

التركيز السريري: الجزء 3

نظرًا لتطور التهاب السحايا البكتيري بسرعة كبيرة، قرر أطباء هانا علاجها بقوة بالمضادات الحيوية، بناءً على الملاحظة التجريبية لأعراضها. ومع ذلك، لا تزال الاختبارات المعملية لتأكيد سبب التهاب السحايا لدى هانا مهمة لعدة أسباب. N. meningitidis هو أحد مسببات الأمراض المعدية التي يمكن أن تنتقل من شخص لآخر من خلال الاتصال الوثيق؛ لذلك، إذا أكدت الاختبارات أن N. meningitidis هي سبب أعراض هانا، فقد يحتاج والدا هانا وغيرهم ممن كانوا على اتصال وثيق معها إلى التطعيم أو تلقي المضادات الحيوية الوقائية لتقليل خطر الإصابة بالمرض. من ناحية أخرى، إذا اتضح أن التهاب السحايا ليس هو السبب، فقد يحتاج أطباء هانا إلى تغيير علاجها.

أجرى المختبر السريري بقعة جرام على دم هانا وعينات السائل النخاعي. أظهرت بقعة غرام وجود مكورات ثنائية الشكل على شكل حبة الفول سالبة الجرام. قام الفني في مختبر المستشفى بزراعة عينة دم هانا على كل من أجار الدم وأجار الشوكولاتة، وشكلت البكتيريا التي نمت على كلا الوسيطين مستعمرات رمادية غير انحلالية. بعد ذلك، أجرى اختبار أوكسيديز على هذه البكتيريا وحدد أنها إيجابية للأوكسيديز. أخيرًا، فحص مخزون السكريات التي يمكن للبكتيريا استخدامها كمصدر للكربون ووجد أن البكتيريا كانت إيجابية لاستخدام الجلوكوز والمالتوز ولكنها سلبية لاستخدام اللاكتوز والسكروز. تتوافق جميع نتائج الاختبارات هذه مع خصائص N. mineginitidis.

التمارين الرياضية\(\PageIndex{3}\)

ماذا تخبرنا نتائج الاختبارات هذه عن المسارات الأيضية للبكتريا السحائية؟
لماذا تعتقد أن المستشفى استخدم هذه الاختبارات البيوكيميائية لتحديد الهوية بدلاً من التحليل الجزيئي عن طريق اختبار الحمض النووي؟

المفاهيم الأساسية والملخص

بشكل جماعي، تمتلك الميكروبات القدرة على تحلل مجموعة متنوعة من مصادر الكربون إلى جانب الكربوهيدرات، بما في ذلك الدهون والبروتينات. ترتبط المسارات التقويضية لجميع هذه الجزيئات في النهاية بتحلل السكر ودورة كريبس.
يمكن أن تتحلل عدة أنواع من الدهون ميكروبيًا. تتحلل الدهون الثلاثية عن طريق الليباز خارج الخلية، مما يؤدي إلى إطلاق الأحماض الدهنية من العمود الفقري للجلسرين. تتحلل الفوسفوليبيدات بواسطة الفوسفوليباز، مما يؤدي إلى إطلاق الأحماض الدهنية ومجموعة الرأس الفوسفورية من العمود الفقري للجلسرين. يعمل الليباز والفوسفوليباز كعوامل ضراوة لبعض الميكروبات المسببة للأمراض.
يمكن أن تتحلل الأحماض الدهنية بشكل أكبر داخل الخلية من خلال أكسدة بيتا، والتي تزيل بالتتابع مجموعات الأسيتيل ثنائية الكربون من نهايات سلاسل الأحماض الدهنية.
يتضمن تحلل البروتين البروتياز خارج الخلية الذي يحلل البروتينات الكبيرة إلى ببتيدات أصغر. يمكن استخدام الكشف عن البروتياز خارج الخلية والجيلاتيناز والكازيناز للتمييز بين البكتيريا ذات الصلة سريريًا.