النقل النشط

في علم الأحياء الخلوي ، يُعرف النقل النشط بأنه حركة الجزيئات أو الأيونات عبر غشاء الخلية من منطقة ذات تركيز منخفض إلى منطقة ذات تركيز عالٍ، أي عكس تدرج التركيز . ويتطلب النقل النشط طاقة خلوية لإتمام هذه الحركة. وهناك نوعان من النقل النشط: النقل النشط الأولي الذي يستخدم الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)، والنقل النشط الثانوي الذي يستخدم التدرج الكهروكيميائي . وتختلف هذه العملية عن النقل السلبي ، الذي يسمح للجزيئات أو الأيونات بالتحرك وفقًا لتدرج تركيزها، من منطقة ذات تركيز عالٍ إلى منطقة ذات تركيز منخفض، دون استهلاك طاقة.

يُعدّ النقل النشط ضروريًا للعديد من العمليات الفيزيولوجية، مثل امتصاص العناصر الغذائية، وإفراز الهرمونات، ونقل الإشارات العصبية. فعلى سبيل المثال، تستخدم مضخة الصوديوم والبوتاسيوم جزيئات الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) لضخ أيونات الصوديوم خارج الخلية وأيونات البوتاسيوم داخلها، مما يحافظ على تدرج تركيز ضروري لوظائف الخلية. يتميز النقل النشط بانتقائيته العالية وتنظيمه الدقيق، حيث توجد نواقل مختلفة متخصصة في جزيئات أو أيونات محددة. ويمكن أن يؤدي خلل تنظيم النقل النشط إلى اضطرابات متنوعة، منها التليف الكيسي، الناجم عن خلل في قناة الكلوريد، وداء السكري، الناتج عن عيوب في نقل الجلوكوز إلى داخل الخلايا.

على عكس النقل السلبي ، الذي يستخدم الطاقة الحركية والإنتروبيا الطبيعية للجزيئات المتحركة وفقًا لتدرج التركيز، يستخدم النقل النشط الطاقة الخلوية لنقلها عكس تدرج التركيز، أو التنافر القطبي، أو أي مقاومة أخرى. يرتبط النقل النشط عادةً بتراكم تراكيز عالية من الجزيئات التي تحتاجها الخلية، مثل الأيونات والجلوكوز والأحماض الأمينية . ومن أمثلة النقل النشط امتصاص الجلوكوز في أمعاء الإنسان، وامتصاص الأيونات المعدنية في خلايا الشعيرات الجذرية للنباتات. ^{[ 1 ]}

في عام 1848، اقترح عالم وظائف الأعضاء الألماني إميل دو بوا ريموند إمكانية النقل النشط للمواد عبر الأغشية. ^{[ 2 ]}

في عام 1926، قام دينيس روبرت هوغلاند بدراسة قدرة النباتات على امتصاص الأملاح ضد تدرج التركيز ، واكتشف اعتماد امتصاص العناصر الغذائية وانتقالها على الطاقة الأيضية باستخدام أنظمة نموذجية مبتكرة في ظل ظروف تجريبية مضبوطة. ^{[ 3 ]}

قام روزنبرغ (1948) بصياغة مفهوم النقل النشط بناءً على اعتبارات الطاقة، ^{[ 4 ]} ولكن سيتم إعادة تعريفه لاحقًا.

في عام 1997، حصل الطبيب الدنماركي ينس كريستيان سكو ^{[ 5 ]} على جائزة نوبل في الكيمياء لأبحاثه المتعلقة بمضخة الصوديوم والبوتاسيوم . ^{[ 5 ]}

تُعدّ ناقلات الصوديوم والجلوكوز المشتركة فئةً بارزةً من النواقل المشتركة في أبحاث علاج داء السكري ^{[ 6 ] . وقد اكتشفها علماء في المعهد الوطني للصحة [ 7 ]} ، بعد أن لاحظوا تباينًا في امتصاص الجلوكوز في نقاط مختلفة من الأنابيب الكلوية لدى الفئران. ثمّ اكتُشف جين بروتين نقل الجلوكوز المعوي، ورُبط بأنظمة النقل المشترك للصوديوم والجلوكوز عبر الغشاء. سُمّي أول بروتين من هذه البروتينات الناقلة عبر الغشاء SGLT1 ، ثمّ اكتُشف SGLT2 ^{[ 7 ]} . ولعب روبرت كرين دورًا بارزًا في هذا المجال.

تتعرف بروتينات غشائية متخصصة على المادة وتسمح لها بالمرور عبر الغشاء عندما لا تستطيع ذلك لولاها، إما لأن الطبقة الثنائية من الفوسفوليبيدات في الغشاء غير منفذة للمادة المنقولة، أو لأن المادة تُنقل عكس اتجاه تدرج تركيزها . ^{[ 8 ]} يوجد نوعان من النقل النشط: النقل النشط الأولي والنقل النشط الثانوي. في النقل النشط الأولي، تكون البروتينات المشاركة عبارة عن مضخات تستخدم عادةً الطاقة الكيميائية على شكل ATP. أما النقل النشط الثانوي، فيستخدم طاقة الوضع، والتي تُستمد عادةً من خلال استغلال التدرج الكهروكيميائي . تُستخدم الطاقة الناتجة عن أيون يتحرك وفقًا لتدرجه الكهروكيميائي لتشغيل نقل أيون آخر يتحرك عكس تدرجه الكهروكيميائي. ^{[ 9 ]} يتضمن ذلك بروتينات مُكوِّنة للمسام تُشكِّل قنوات عبر غشاء الخلية . الفرق بين النقل السلبي والنقل النشط هو أن النقل النشط يتطلب طاقة، وينقل المواد عكس تدرج تركيزها، بينما لا يتطلب النقل السلبي أي طاقة خلوية، وينقل المواد في اتجاه تدرج تركيزها. ^{[ 10 ]}

في الناقل المضاد ، يُنقل أحد الركائز في اتجاه واحد عبر الغشاء بينما يُنقل الآخر في الاتجاه المعاكس. أما في الناقل المتزامن ، فيُنقل ركيزتان في نفس الاتجاه عبر الغشاء. ترتبط عمليتا النقل المضاد والمتزامن بالنقل النشط الثانوي ، أي أن إحدى المادتين تُنقل عكس تدرج تركيزها، مستخدمةً الطاقة المُستمدة من نقل أيون آخر (غالباً أيونات الصوديوم ^{أو البوتاسيوم} أو الهيدروجين ⁾ مع تدرج تركيزه.

إذا كانت جزيئات الركيزة تنتقل من مناطق ذات تركيز منخفض إلى مناطق ذات تركيز عالٍ ^{[ 11 ]} (أي في الاتجاه المعاكس لتدرج التركيز)، فإن بروتينات ناقلة غشائية محددة تكون ضرورية. تحتوي هذه البروتينات على مستقبلات ترتبط بجزيئات معينة (مثل الجلوكوز ) وتنقلها عبر غشاء الخلية. ولأن هذه العملية تتطلب طاقة، تُعرف بالنقل النشط. من أمثلة النقل النشط نقل الصوديوم خارج الخلية والبوتاسيوم داخلها بواسطة مضخة الصوديوم والبوتاسيوم. غالبًا ما يحدث النقل النشط في البطانة الداخلية للأمعاء الدقيقة .

تحتاج النباتات إلى امتصاص الأملاح المعدنية من التربة أو مصادر أخرى، لكن هذه الأملاح توجد في محاليل مخففة للغاية . يُمكّن النقل النشط هذه الخلايا من امتصاص الأملاح من هذا المحلول المخفف عكس اتجاه تدرج التركيز . على سبيل المثال، توجد أيونات الكلوريد (Cl⁻ ⁾ والنترات (NO₃⁻ ₎ ^{في سيتوبلازم خلايا النبات، وتحتاج إلى النقل إلى الفجوة العصارية. ورغم وجود قنوات في الفجوة العصارية لهذه الأيونات،} إلا أن نقلها يكون عكس تدرج التركيز، وبالتالي فإن حركة هذه الأيونات تتم بواسطة مضخات الهيدروجين أو مضخات البروتون. ^{[ 9 ]}

يستخدم النقل النشط الأولي، أو النقل النشط المباشر، الطاقة الأيضية مباشرةً لنقل الجزيئات عبر الغشاء الخلوي. ^{[ 12 ]} تشمل المواد التي تُنقل عبر الغشاء الخلوي بواسطة النقل النشط الأولي أيونات المعادن، مثل أيونات الصوديوم (Na ⁺⁾ ، والبوتاسيوم (K ⁺⁾ ، ^{والمغنيسيوم} (Mg2 +) ، والكالسيوم (Ca2 ⁺⁾ . تتطلب هذه الجسيمات المشحونة مضخات أيونية أو قنوات أيونية لعبور الأغشية الخلوية والتوزيع في جميع أنحاء الجسم.

معظم الإنزيمات التي تقوم بهذا النوع من النقل هي إنزيمات ATPase عبر الغشاء. يُعدّ مضخة الصوديوم والبوتاسيوم من إنزيمات ATPase الأساسية الشائعة في جميع الكائنات الحية ، حيث تُساعد في الحفاظ على جهد الخلية . تحافظ مضخة الصوديوم والبوتاسيوم على جهد الغشاء عن طريق نقل ثلاثة أيونات صوديوم (Na ⁺⁾ خارج الخلية مقابل كل أيونين من ^{البوتاسيوم} (K ^{+ ) يدخلانها} . من مصادر الطاقة الأخرى للنقل النشط الأساسي طاقة الأكسدة والاختزال وطاقة الفوتونات ( الضوء ). مثال على النقل النشط الأساسي باستخدام طاقة الأكسدة والاختزال هو سلسلة نقل الإلكترون في الميتوكوندريا ، التي تستخدم طاقة اختزال NADH لنقل البروتونات عبر الغشاء الداخلي للميتوكوندريا عكس تدرج تركيزها. مثال على النقل النشط الأساسي باستخدام طاقة الضوء هو البروتينات المشاركة في عملية البناء الضوئي، التي تستخدم طاقة الفوتونات لإنشاء تدرج بروتوني عبر غشاء الثايلاكويد ، وكذلك لإنتاج طاقة اختزال على شكل NADPH .

1. مضخة الأدينوسين ثلاثي الفوسفات من النوع P : مضخة الصوديوم والبوتاسيوم ، مضخة الكالسيوم ، مضخة البروتون
2. إنزيم F-ATPase : إنزيم ATP سينثاز الميتوكوندري، إنزيم ATP سينثاز البلاستيدات الخضراء
3. V-ATPase : ATPase الفجوي
4. ناقل ABC ( كاسيت ربط ATP ): MDR، CFTR ، إلخ.

تُشكل ناقلات كاسيت ربط الأدينوسين ثلاثي الفوسفات ( ناقلات ABC ) عائلة بروتينية كبيرة ومتنوعة، وغالبًا ما تعمل كمضخات مدفوعة بالأدينوسين ثلاثي الفوسفات. عادةً، تتضمن البنية العامة لبروتين الناقل عدة نطاقات، بما في ذلك نطاقان لربط النيوكليوتيدات يُشكلان وحدة ربط الأدينوسين ثلاثي الفوسفات، ونطاقان كارهان للماء عبر الغشاء يُشكلان مكون "المسام". بشكل عام، تُشارك ناقلات ABC في استيراد أو تصدير الجزيئات عبر غشاء الخلية؛ ومع ذلك، يوجد نطاق واسع من الوظائف ضمن هذه العائلة البروتينية. ^{[ 15 ]}

توجد ناقلات ABC في النباتات غالبًا داخل أغشية الخلايا والعضيات، مثل الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء والغشاء البلازمي. وتشير الأدلة إلى أن ناقلات ABC النباتية تلعب دورًا مباشرًا في الاستجابة لمسببات الأمراض، ونقل الهرمونات النباتية، وإزالة السموم. ^{[ 15 ]} علاوة على ذلك، قد تعمل بعض ناقلات ABC النباتية على تصدير المركبات المتطايرة ^{[ 16 ]} والمستقلبات المضادة للميكروبات بنشاط. ^{[ 17 ]}

في أزهار البتونيا ( Petunia hybrida )، يشارك ناقل ABC المسمى PhABCG1 في النقل النشط للمركبات العضوية المتطايرة. ويُعبر عن PhABCG1 في بتلات الأزهار المتفتحة. وبشكل عام، قد تُعزز المركبات المتطايرة جذب الكائنات الحية المُشتتة للبذور والملقحات، كما تُساعد في الدفاع والإشارات والتأثيرات الكيميائية المتبادلة والحماية. لدراسة بروتين PhABCG1، تم إنشاء سلالات بتونيا مُعدلة وراثيًا بتقنية تداخل الحمض النووي الريبوزي (RNAi) ذات مستويات تعبير منخفضة لـ PhABCG1 . في هذه السلالات المُعدلة وراثيًا، لوحظ انخفاض في انبعاث المركبات المتطايرة. وبالتالي، يُرجح أن PhABCG1 يشارك في تصدير المركبات المتطايرة. تضمنت التجارب اللاحقة حضانة سلالات ضابطة وسلالات مُعدلة وراثيًا تُعبر عن PhABCG1 لاختبار نشاط النقل الذي يشمل ركائز مختلفة. في النهاية، يُعد PhABCG1 مسؤولاً عن النقل البروتيني للمركبات العضوية المتطايرة، مثل كحول البنزيل وميثيل بنزوات، عبر الغشاء البلازمي. ^{[ 16 ]}

بالإضافة إلى ذلك، قد تشارك ناقلات ABC في النباتات في نقل نواتج الأيض الخلوية. يُفترض أن ناقلات ABC المقاومة للأدوية متعددة التأثيرات تُشارك في الاستجابة للإجهاد وتصدير نواتج الأيض المضادة للميكروبات. أحد الأمثلة على هذا النوع من ناقلات ABC هو البروتين NtPDR1. يوجد هذا الناقل الفريد من نوعه في خلايا Nicotiana tabacum BY2، ويتم التعبير عنه في وجود محفزات ميكروبية. يتمركز NtPDR1 في بشرة الجذر والشعيرات الهوائية للنبات. سمحت التجارب التي استخدمت أجسامًا مضادة تستهدف NtPDR1 على وجه التحديد، متبوعةً بتقنية Western blotting، بتحديد هذا التمركز. علاوة على ذلك، من المرجح أن البروتين NtPDR1 ينقل بنشاط جزيئات ثنائي التربين المضادة للميكروبات، والتي تُعد سامة للخلايا عند مستويات عالية. ^{[ 17 ]}

في النقل النشط الثانوي، المعروف أيضًا بالنقل المشترك أو النقل المقترن ، تُستخدم الطاقة لنقل الجزيئات عبر الغشاء؛ ومع ذلك، على عكس النقل النشط الأولي ، لا يوجد اقتران مباشر للأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) . بدلاً من ذلك، يعتمد على فرق الجهد الكهروكيميائي الناتج عن ضخ الأيونات داخل/خارج الخلية. ^{[ 18 ]} إن السماح لأيون أو جزيء واحد بالتحرك وفقًا لتدرج الجهد الكهروكيميائي، وربما عكس تدرج التركيز من المنطقة ذات التركيز الأعلى إلى المنطقة ذات التركيز الأقل، يزيد من الإنتروبيا ويمكن أن يكون مصدرًا للطاقة لعمليات الأيض (كما هو الحال في إنزيم سينثاز الأدينوسين ثلاثي الفوسفات ). تُستخدم الطاقة المُستمدة من ضخ البروتونات عبر غشاء الخلية بشكل متكرر كمصدر للطاقة في النقل النشط الثانوي. في البشر، يُعد الصوديوم (Na ⁺ ) أيونًا شائع النقل المشترك عبر غشاء البلازما، حيث يُستخدم تدرجه الكهروكيميائي لتشغيل النقل النشط لأيون أو جزيء آخر عكس تدرجه. ^{[ 19 ]} في البكتيريا وخلايا الخميرة الصغيرة، يُعد الهيدروجين أيونًا شائع النقل المشترك. ^{[ 19 ]} تُستخدم مضخات الهيدروجين أيضًا لإنشاء تدرج كيميائي كهربائي لتنفيذ العمليات داخل الخلايا، مثل سلسلة نقل الإلكترون ، وهي وظيفة مهمة للتنفس الخلوي تحدث في الميتوكوندريا بالخلية. ^{[ 20 ]}

في أغسطس 1960، في براغ، قدّم روبرت ك. كرين لأول مرة اكتشافه للنقل المشترك للصوديوم والجلوكوز كآلية لامتصاص الجلوكوز في الأمعاء. ^{[ 21 ]} وكان اكتشاف كرين للنقل المشترك أول اقتراح على الإطلاق لمفهوم اقتران التدفق في علم الأحياء. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

يمكن تصنيف النواقل المشتركة إلى نواقل متماثلة ونواقل مضادة اعتمادًا على ما إذا كانت المواد تتحرك في نفس الاتجاه أو في اتجاهين متعاكسين.

ناقل مضاد

في جهاز النقل العكسي، يتم ضخ نوعين من الأيونات أو المواد المذابة الأخرى في اتجاهين متعاكسين عبر غشاء. يُسمح لأحد هذين النوعين بالتدفق من منطقة التركيز العالي إلى منطقة التركيز المنخفض، مما يُنتج طاقة إنتروبية لدفع نقل المادة المذابة الأخرى من منطقة التركيز المنخفض إلى منطقة التركيز العالي.

من الأمثلة على ذلك مبادل الصوديوم-الكالسيوم أو ما يُعرف بالناقل المضاد ، الذي يسمح بدخول ثلاثة أيونات صوديوم إلى الخلية مقابل نقل أيون كالسيوم واحد إلى خارجها. ^{[ 24 ]} تُعد آلية الناقل المضاد هذه مهمة داخل أغشية خلايا عضلة القلب للحفاظ على انخفاض تركيز الكالسيوم في السيتوبلازم. ^{[ 9 ]} تمتلك العديد من الخلايا أيضًا إنزيمات ATPases للكالسيوم ، والتي تعمل عند تركيزات منخفضة من الكالسيوم داخل الخلايا، وتُحدد التركيز الطبيعي أو تركيز الراحة لهذا الرسول الثانوي المهم . ^{[ 25 ]} لكن إنزيم ATPase يُصدّر أيونات الكالسيوم ببطء أكبر: 30 أيونًا فقط في الثانية مقابل 2000 أيون في الثانية بواسطة المبادل. يبدأ المبادل بالعمل عندما يرتفع تركيز الكالسيوم بشكل حاد أو "يحدث ارتفاع مفاجئ"، مما يُتيح التعافي السريع. ^{[ 26 ]} يُبين هذا أن نوعًا واحدًا من الأيونات يُمكن نقله بواسطة عدة إنزيمات، والتي لا يلزم أن تكون نشطة طوال الوقت (بشكل دائم)، ولكن قد توجد لتلبية احتياجات محددة ومتقطعة.

تُعدّ كلٌّ من الإدخال الخلوي والإخراج الخلوي شكلين من أشكال النقل النشط، حيث تنقل المواد إلى داخل الخلايا وخارجها، على التوالي، عبر الحويصلات . ^{[ 34 ]} في حالة الإدخال الخلوي، يلتف الغشاء الخلوي حول المواد المطلوبة خارج الخلية. ^{[ 35 ]} تُحاصر الجسيمات المبتلعة داخل كيس، يُعرف بالحويصلة، داخل السيتوبلازم . غالبًا ما تُستخدم إنزيمات من الليزوزومات لهضم الجزيئات التي امتصتها هذه العملية. تشمل المواد التي تدخل الخلية عبر التحليل الكهربائي المُعتمد على الإشارات البروتينات والهرمونات وعوامل النمو والاستقرار. ^{[ 36 ]} تدخل الفيروسات الخلايا من خلال شكل من أشكال الإدخال الخلوي يتضمن اندماج غشائها الخارجي مع غشاء الخلية. هذا يدفع الحمض النووي الفيروسي إلى داخل الخلية المضيفة. ^{[ 37 ]}

يميز علماء الأحياء نوعين رئيسيين من الإدخال الخلوي: الشرب الخلوي والبلعمة . ^{[ 38 ]}

• في عملية البلع الخلوي، تبتلع الخلايا جزيئات سائلة (تحدث هذه العملية في الأمعاء الدقيقة لدى البشر، حيث تبتلع الخلايا قطرات الدهون). ^{[ 39 ]}
• في عملية البلعمة، تبتلع الخلايا الجسيمات الصلبة. ^{[ 40 ]}

تتضمن عملية الإخراج الخلوي إزالة المواد من خلال اندماج الغشاء الخلوي الخارجي مع غشاء الحويصلة. ^{[ 41 ]} ومن أمثلة الإخراج الخلوي نقل النواقل العصبية عبر المشبك العصبي بين خلايا الدماغ.

• ناقل كاسيت ربط ATP
• تبادل التيار المعاكس
• استهداف البروتين

• الوسائط المتعلقة بالنقل النشط على ويكيميديا ​​كومنز
• النقل النشط الثانوي