دورة المستقبل

تحدث الدورة غير المثمرة ، والمعروفة أيضًا بدورة الركيزة ، عندما يسير مساران أيضيان في اتجاهين متعاكسين في آنٍ واحد، دون أن يكون لهما أي تأثير إجمالي سوى تبديد الطاقة على شكل حرارة . ^{[ 1 ]} سُميت هذه الدورة بالدورة "غير المثمرة" لأنها بدت وكأنها تعمل دون أي فائدة صافية للكائن الحي. ولذلك، اعتُبرت شذوذًا في عملية الأيض، ومن هنا جاءت تسميتها بالدورة غير المثمرة. بعد مزيد من البحث، تبيّن أن الدورات غير المثمرة بالغة الأهمية في تنظيم تركيزات المستقلبات. ^{[ 2 ]} على سبيل المثال، إذا كان تحلل الجلوكوز وتكوين الجلوكوز نشطين في الوقت نفسه، فسيتحول الجلوكوز إلى بيروفات عن طريق تحلل الجلوكوز، ثم يعود إلى جلوكوز عن طريق تكوين الجلوكوز، مع استهلاك إجمالي لجزيئات ATP . ^{[ 3 ]} قد يكون للدورات غير المثمرة دور في تنظيم الأيض، حيث تكون الدورة غير المثمرة نظامًا يتأرجح بين حالتين، وحساسًا للغاية للتغيرات الطفيفة في نشاط أي من الإنزيمات المشاركة . ^{[ 4 ]} تُنتج هذه الدورة حرارة، ويمكن استخدامها للحفاظ على التوازن الحراري ، كما هو الحال في النسيج الدهني البني لدى الثدييات الصغيرة ، أو لتوليد الحرارة بسرعة، كما هو الحال في عضلات طيران الحشرات وفي الحيوانات التي تدخل في سبات شتوي أثناء استيقاظها الدوري من السبات . وقد أشارت التقارير إلى أن دورة ركائز استقلاب الجلوكوز ليست دورة غير فعالة، بل هي عملية تنظيمية. فعلى سبيل المثال، عندما تشتد الحاجة إلى الطاقة فجأة، يُستبدل الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) بالأدينوسين أحادي الفوسفات (AMP)، وهو أدينين أكثر تفاعلاً.

يُعدّ التنفيذ المتزامن لعمليتي تحلل الجلوكوز وتكوين الجلوكوز مثالاً على دورة غير مجدية، ممثلة بالمعادلة التالية:

على سبيل المثال، أثناء عملية تحلل الجلوكوز، يتم تحويل الفركتوز-6-فوسفات إلى فركتوز-1،6-ثنائي الفوسفات في تفاعل يحفزه إنزيم فوسفوفروكتوكيناز 1 (PFK-1) .

لكن أثناء عملية استحداث الجلوكوز (أي تخليق الجلوكوز من البيروفات ومركبات أخرى) يحدث التفاعل العكسي، ويتم تحفيزه بواسطة فركتوز-1،6-بيسفوسفاتاز (FBPase-1).

مما يعطي رد فعل عام كالتالي:

أي أن تحلل الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) يحدث دون أي عمل أيضي مفيد. من الواضح أنه إذا سُمح لهذين التفاعلين بالحدوث في وقت واحد وبمعدل عالٍ في الخلية نفسها، فإن كمية كبيرة من الطاقة الكيميائية ستتبدد على شكل حرارة. ولذلك، تُسمى هذه العملية غير الاقتصادية بالدورة العقيمة. ^{[ 5 ]}

لا توجد أدوية كثيرة قادرة على علاج السمنة أو عكس مسارها بفعالية. تزيد السمنة من خطر الإصابة بأمراض مرتبطة بشكل أساسي بمشاكل صحية مثل السكري، وارتفاع ضغط الدم، وأمراض القلب والأوعية الدموية، وحتى بعض أنواع السرطان. وقد أظهرت دراسة أجريت على فئران معدلة وراثيًا، حول علاج السمنة والوقاية منها، نتائج إيجابية تشير إلى أن miR-378 قد يكون عاملًا واعدًا للوقاية من السمنة وعلاجها لدى البشر. وتُبين نتائج الدراسة أن تنشيط دورة البيروفات-PEP غير الفعالة في العضلات الهيكلية عبر miR-378 هو السبب الرئيسي لزيادة تحلل الدهون في الأنسجة الدهنية لدى الفئران المعدلة وراثيًا التي تحمل miR-378، كما أنه يُسهم في تنظيم التفاعل بين العضلات والدهون للتحكم في توازن الطاقة لدى الفئران. ^{[ 6 ]}

يُفهم عمومًا أن الدورة غير المُجدية هي دورة ركائز، تحدث عندما يسير مساران أيضيان متداخلان في اتجاهين متعاكسين، وإذا تُركا دون تنظيم، فإنهما يستمران دون سيطرة أو إنتاج فعلي حتى ينضب مخزون الطاقة في الخلايا. مع ذلك، تشير الفكرة الكامنة وراء الدراسة إلى أن دورة البيروفات-فوسفينول بيروفات غير المُجدية، المُنشطة بواسطة miR-378، تُؤدي دورًا تنظيميًا مفيدًا. ^{[ 6 ]} لا يقتصر دور miR-378 على خفض كتلة الدهون في الجسم نتيجةً لزيادة تحلل الدهون، بل يُعتقد أيضًا أن الدورات غير المُجدية تُنظم عملية الأيض للحفاظ على توازن الطاقة. يؤدي miR-378 وظيفة فريدة في تنظيم التواصل الأيضي بين العضلات والأنسجة الدهنية للتحكم في توازن الطاقة على مستوى الجسم ككل. ^{[ 6 ]}

لفهم كيف يساعد وجود دورة عقيمة في الحفاظ على مستويات منخفضة من ATP وتوليد الحرارة في بعض الأنواع، فإننا ننظر إلى المسارات الأيضية التي تتعامل مع التنظيم المتبادل لعملية تحلل الجلوكوز وتكوين الجلوكوز .

تُعدّ مثانة السباحة لدى العديد من الأسماك، كسمكة الزيبرا على سبيل المثال، عضوًا داخليًا مملوءًا بالغاز يُسهم في طفوها . وتوجد خلايا غدة الغاز هذه في مناطق تتواجد فيها الشعيرات الدموية والأعصاب. وقد أظهرت تحليلات الإنزيمات الأيضية أن إنزيم استحداث الجلوكوز، فركتوز-1،6-ثنائي الفوسفاتاز (Fbp1)، وإنزيم تحلل الجلوكوز، جليسرالدهيد-3-فوسفات ديهيدروجينيز (Gapdh)، يُعبَّر عنهما بكثرة في خلايا غدة الغاز. ^{[ 7 ]} وأشارت الدراسة إلى ضرورة استبعاد جين فركتوز-1،6-ثنائي الفوسفاتاز من وصف مثانة السباحة لسمكة الزيبرا. ومن المعروف أن نسيج مثانة السباحة يتميز بنشاط عالٍ في استحداث الجلوكوز ونقص في استحداث الجلوكوز، ومع ذلك وُجد أن كمية كبيرة من Fbp مُعبَّر عنها. تشير هذه النتيجة إلى أن Fbp يُشكّل في خلية غدة الغاز دورة أيضية غير مُجدية تعتمد على ATP. يُعد توليد الحرارة أمرًا بالغ الأهمية لخلايا الغدة الغازية لتخليق حمض اللاكتيك لأن العملية تثبط بشدة إذا تراكمت جزيئات ATP.

يشير مثال آخر إلى أن الحرارة المتولدة في مثانة السباحة لسمكة الفوغو ستنتقل خارج موقع التولد، ومع ذلك قد يتم استعادتها باستمرار من خلال الشبكة العجيبة للحفاظ على درجة حرارة الغدة الغازية أعلى من مناطق الجسم الأخرى.

تتضمن التفاعلات الكلية للدورة غير المجدية استهلاك جزيئات ATP وتوليد الحرارة على النحو التالي:

مثال آخر على استخدام دورة غير مثمرة لتوليد الحرارة نجده في النحل الطنان . يستخدم النحل الطنان الدورة غير المثمرة التي تشمل Fbp وPfk لإنتاج الحرارة في عضلات الطيران وتدفئة أجسامهم بشكل ملحوظ في درجات الحرارة المحيطة المنخفضة. ^{[ 7 ]}

• دورات غير مجدية في رؤوس الموضوعات الطبية (MeSH) بالمكتبة الوطنية الأمريكية للطب