أحد صفحات التقدم العلمي للنشر
الكيمياء الحيوية

جزيئات مرآتية


جزيئات مرآتية (*)
في كيمياء الحياة، الأحماض الأمينية اليسارية هي القاعدة. فلماذا تتخذ الطبيعة بعض الاستثناءات؟

<.S ڤرتز>

 

 

باختصار  

 

 

الأحماض الأمينية، لَبِناتُ بناء البروتينات، يمكنها أن تتخذ أشكالا، مثل أيدينا اليمنى واليسرى، وهي صور مرآتية(1) (صور مرآة)  بعضها لبعض. إذ عندما نشأت الحياة على الأرض، فضلت ما سُمِّي بالأحماض الأمينية اليسارية على الأحماض الأمينية اليمينية للقيام بالأنشطة الخلوية.

ولفترة طويلة وُجِدت الاستثناءات الوحيدة لهذا النمط في البكتيريا. وفي السنوات الأخيرة، مع ذلك، وُجدت أمثلة أكثر وأكثر في المتعضيات الراقية بما في ذلك البشر.

ويدرس باحثو الطب الحيوي تطبيقات الأحماض الأمينية الغريبة في علاج بعض الحالات الطبية مثل الفصام والتليف الكيسي والتنكس البقعي.

 

 

http://oloommagazine.com/Images/Articles/2013/09-10/sa0513Evrt011_opt.jpeg

 

حاول أن تُزعج ذَكَرَ خلد الماء(2) أثناء موسم التزاوج، فسينتهي بك الأمر  محاصرا برجليه الخلفيتين القصيرتين ومهددا بمجموعة من المهاميز الحادة المسلحة بالسم. وهذا السم المؤلم يعرقل حركة الذكور المنافسين كما أنه يشكل دفاعا جاهزا ضد البشر المزعجين والكلاب. وهذا أيضا تدبير غريب بعض الشيء، وغير متوقع من حيوان ثديي معروف بغرابة وضعه للبيض، وبمنقاره الذي يشبه منقار البط. وسُمُّ خلد الماء يحتوي على فئة من الجزيئات التي اعتقد علماء الأحياء أنها لا توجد بشكل طبيعي خارج العالَم الميكروسكوبي(3)microscopic worldd للبكتيريا.

 

وتلك الجزيئات هي صور مرآتية(1) لأحماض أمينية تنظمها عادة الخلايا  بعضها مع بعض لصنع بروتينات الحياة جميعها، والتي هي أساسية لقيامها بوظائفها. وتتكون هذه الصور من الذرات نفسها التي تشكل العشرين حامضا أمينيا قياسيا أو نحو ذلك في مجموعة أدوات علم الأحياء، وترتبط الذرات فيها بعضها ببعض بالترتيب نفسه. إلا أن ترتيب الارتباطات فيها يختلف قليلا، ما تنتج منه بنى تختلف عن الأحماض الأمينية التقليدية مثلما تختلف اليد اليمنى عن اليد اليسرى. وهذان الشكلان، على الرغم من تشابههما، لا يمكن لأحدهما أن يحل محل الآخر في التفاعلات البيولوجية. وفي الواقع، يشار إلى الأحماض الأمينية التقليدية باليسارية، بينما صورها المقابلة في المرآة تسمى اليمينية.

 

وكان يعتقد أن الأحماض الأمينية اليمينية تؤدي دورا طفيفا في المتعضيات الراقية(4) higher organismss باعتبار أنها غير ملائمة، ومن ثم فهي غير قادرة  على العمل ضمن الآلية الجزيئية لدى معظم النباتات والحيوانات. إلاّ أنه في السنوات الأخيرة، فقد ظَهَرَتْ أحماضٌ أمينية نشطة بيولوجيا في جميع أنواع الأماكن غير المتوقعة – من المواد التي ينتجها الكركند lobster لبدء ممارسة الجنس إلى عقاقير الهلوسة التي يتعاطاها الصيادون المحليون في البيرو. وأكثر ما يثير الاهتمام اكتشاف وظائف مهمة تقوم بها الأحماض الأمينية اليمينية في فسيولوجيا البشر، كما يُتَوقّعُ أن يكون لها دور في تطوير علاجات جديدة لأمراض تشمل التليف الكيسي(5) والفصام(6) والتنكس البقعي(7).

 

و<.S سنايدر> [الاختصاصي بعلم الأعصاب في جامعة جونز هوبكنز والذي قام بأبحاث كثيرة حول وظيفة الأحماض الأمينية اليمينية في الدماغ] يقول: إنه وَاجَهَ مقاومة كبيرة عندما حاول نشر أبحاثه العلمية الأولى حول هذا الموضوع. ولكن هذه المواد قد أثارت اهتمامه نظرا لأنها على ما يبدو، «شَذَّت عن القاعدة الأولى في بيولوجيا الثدييات,» على حد تعبيره. وأضاف: «وكما هي الحال في معظم المجال العلمي، عندما يُكتشف أمر مختلف أو جديد حقا، يقول بعض الناس: ‘هذا أمر سخيف’.»

 

فمن وجهة النظر البيوكيميائية، تنقلب الأحماض الأمينية اليسارية إلى صورتها المرآتية في بضع خطوات بسيطة. فعلى الأغلب، كانت عملية التطور تُجري اختباراتها بتصنيع أحماض أمينية يمينية وفقا لذلك، يقول <.R لوسيك> [اختصاصي بيولوجيا الخلية في كلية الطب بجامعة هارڤرد]: «كانت الطبيعة ماهرة تماما في استخدامها طوال هذه السنوات،» ويضيف: «لقد تأخرنا في إدراك ذلك.»

 

 

حادثة مفيدة(**)

 

كيف حدث أن سادت الأحماض الأمينية اليسارية على أشقائها اليمينية – لدرجة أن الوظائف الحيوية المتنوعة للأحماض الأمينية اليمينية قد أُهمِلت ولم تلق اهتماما جادا، مع أن هذه الجزيئات عُرفت منذ أواخر القرن التاسع عشر؟ يرى بعض العلماء أن تغلب الأحماض الأمينية اليسارية نشأ صدفة، أي المكافئ الكوني لرمية قطعة نقود. فالكيانات الكيميائية الأولى التي استطاعت تكرار نفسها بنجاح صَدَفَ أنها كانت تستخدم الأحماض الأمينية اليســـاريـــة وقـــد كـــان هـــذا التحيـــز «اســتثنــاء»، كمـا يقتــرح <.R هازن> [الاختصاصي بالجيوفيزياء والباحث في أصل الحياة بجامعة جورج ماسون]. وهناك نظرية أخرى رائجة ترى أن الضوء المستقطَب polarized light المنبعث من أحد النجوم الدوارة السريعة في مجرتنا الأزلية دَمّر بطريقة انتقائية الأحماضَ الأمينية اليمينية، ما دعم احتمال نشوء الأحماض الأمينية اليسارية كلبنات بناء للحياة. ويعرف هذان الشكلان بالأحماض الأمينية L والأحماض الأمينية D على الترتيب، من الكلمتين اللاتينيتين: يسار laevus ويمين dexter.

 

ويشير <.G جويس> الذي يدرس أصل الحياة بمعهد سكرپس للأبحاث في ليولا بكاليفورنيا أنه حالما تم الاختيار، كان لدى التطور حافز واضح للحفاظ على الأحماض الأمينية المهيمنة. ويضيف: «من المتعارف عليه، بالقياس، يُحَييّ الناس بعضهم بعضا، في الدول الغربية بالتلويح باليد اليمنى، في حين يمكن التلويح باليد اليسرى إذا تم الاتفاق على ذلك. إلا أنه ليس هناك اتفاق. ومن ثم ستتم لقاءات كثيرة غير مناسبة.» وهكذا، فإن معظم آليات الخلايا الحية، بدءا من الإنزيمات التي تنتج الأحماض الأمينية إلى البنى المعقدة المعروفة بالريبوسومات ribosomes، التي تَنْظِم سلسلة الأحماض الأمينية معا لتشكيل البروتينات، تتوافق فقط مع الأحماض الأمينية من النوع L وليس مع تلك من النوع D.

 

في الواقع، فإن القرار المبكر للحياة في اختيار الأحماض الأمينية اليسارية ربما حَفّز الانطباقية(8) handednesss في فئة أخرى من مركبات عضوية يمينية، وهي الكربوهيدرات carbohydratess. وقد أثبت العديد من مجموعات البحث في العقد الماضي أَنَّ تغلّب أحماض أمينية يسارية بسيطة معينة في المحاليل التجريبية التي تشبه الحساء الأزلي الذي ربما وجد على الأرض منذ أربعة بلايين سنة يَميلُ، لأسباب كيميائية معقدة، إلى تكوين كربوهيدرات يمينية والتي هي في حقيقة الأمر الترتيب الذي يصادف في أنحاء العالَم البيولوجي كافة.

 

إن الاستثناءات لقاعدة اليسارية في الأحماض الأمينية الطبيعية قد حظيت باهتمام واسع في تسعينات القرن العشرين، بعد أن أوضح <سنايدر> أن بعض المركبات اليمينية تعمل كنواقل عصبية neurotransmitters في دماغ الإنسان. وفي عام 2002 قرر <.Ph كوتشيل> [الكيميائي في جامعة سيدني] أن سم خلد الماء يحتوي على أحماض أمينية يمينية. وفي عام 2009 أفاد الباحثون في جامعة هارڤرد ومعهد هوارد هيوز الطبي أن العديد من الأحماض الأمينية اليمينية أدت دورا جديدا وغير متوقع في جدران الخلايا البكتيرية. وبحلول عام 2010 أشار الباحثون إلى أن التجمعات المعقدة من البكتيريا التي تنتشر على هيئة أغشية على مختلف الأسطح – من الينابيع الحارة إلى المعدات الطبية – بدا أنها تستخدم الأحماض الأمينية اليمينية كإشارة عندما يتعين على الأغشية الحيوية أن تنتشر.

 

وفي البشر، تبين أن الحامض الأميني أسپارتيت من النوع (9) D يعمل ناقلا عصبيا يشارك في التطور الطبيعي للدماغ. بينما يتشارك الحامض الأميني سيرين من النوع  (10) D مع الحامض الأميني گلوتامات من النوع (11) L في تنشيط جزيئات عصبية ضرورية لما يسميه اختصاصيو الأعصاب تكيفية المشابك العصبية(12) synaptic plasticityy وهي خاصية، تعد بدورها، مفتاح التعلم وتكوين الذكْريات. ويبدو أيضا أن الحامض الأميني سيرين من النوع  D يُعَدُّ عاملا مهما في اضطراب الفصام المتعدد الأوجه. فالأشخاص الذين يعانون هذا المرض لديهم كميات أقل من الحامض الأميني سيرين من النوع D في أدمغتهم، وهو الاكتشاف الذي أَلْهَمَ شركات الأدوية لبحث سبل رفع مستويات هذا الحامض كعلاج محتمل. ومع ذلك، فالمستويات المرتفعة من الحامض الأميني سيرين من النوع D ربما تؤدي إلى مشكلات في ظروف أخرى. فأولئك الذين يعانون سكتة دماغية ربما أدت المستويات المرتفعة من هذا الحامض إلى زيادة تلف أنسجة الدماغ. ولذلك يحاول الباحثون تطوير أدوية تعمل على خفض مستويات هذا الحامض لتخفيف تبعات السكتة الدماغية الضارة.

 

تُنْتِجُ مصانعنا الخلوية أحماضا أمينية من النوع L فقط، وهنا يتساءل الباحثون، كيف ينتهي الأمر لإنتاج أحماض أمينية من النوع D؟ لقد وجد <سنايدر> أن خلايا الدماغ لدينا لا تنتج الحامض الأميني سيرين من النوع D هكذا من فراغ. ولكنها بدلا من ذلك تنتج إنزيما يُحوّل الحامض الأميني من الصورة L إلى الصورة D. وهذه وسيلة رائعة للاستفادة من المستويات الوفيرة من الأحماض الأمينية من النوع L والمتوافرة بالفعل في الخلية.

 

اختبار عملي

كيف تميز جزيئا مرآتيا(***)

 

إن الحامض الأميني گليسين glycine (في الأعلى)، وهو واحد من عشرين حامضا أو يزيد في الطبيعة متناظر مرآتيا achiral وهذا يعني أنه لا يبدي خواص الأحماض الأمينية اليمينية ولا اليسارية، فصورة المرآة لهذا الجزيء تنطبق عليه تماما إذا تراكب الجزيء مع صورته. مع أن الحامض الأميني سيرين، في المقابل، عديم التناظر المرآتي chiral, تكون صورته في المرآة لا تنطبق عليه إذا تراكب الجزيء مع صورته.

http://oloommagazine.com/Images/Articles/2013/09-10/Image444.jpg

 

 

وتوظف الحياة الاستراتيجية نفسها عندما يُكوِّن أحد الأحماض الأمينية من النوع D جزءا من پپتيد peptide – أي سلسلة قصيرة من الأحماض الأمينية – مثل سم خلد الماء. ففي هذه الحالات يقوم الريبوسوم الموكلة إليه هذه المهمة ببناء الپپتيد من الأحماض الأمينية العادية من النوع L. ومن ثم يقوم أحد الإنزيمات بتحويل أحد الأحماض الأمينية من الشكل L في السلسلة إلى الشكل D. وبحمل آلية صنع الأحماض الأمينية أو وصلها بعضها ببعض على كاهلها، لا تحتاج الطبيعـــة أن تطـــور الفــريــق الكــامــل من الإنزيمات المصنعة بيولوجيا الضرورية، عـــادة، لبنـــاء الجــزيء مــن النـــوع D, وهـــذا مـــا يـوضحــه <.G كرايل> [الكيميائي بأكاديمية العلوم النمساوية في ڤيينا] الذي قد اكتشف في عام 2005 إنزيما تستخدمه ضفادع أشجار أمريكا الجنوبية السامة لصنع الأحماض الأمينية من النوع D الموجودة في سُمّها.

 

شُغِفَ <كرايل> بسمّ ضفادع الشجر عندما سمع لأول مرة عن مجموعة من السكان الأصليين في البيرو يطلق عليهم ماتسيس(13) يستخدمون پپتيدات تحوي أحماضا أمينية من النوع DD توجد في جلد نوع من ضفادع الشجر يسمى فيلوميدوسا بايكلر Phyllomedusa bicolor كمادة مهلوِسة قوية في طقوس الصيد الخاصة بهم. ويقوم أفراد الماتسيس بحرق صدورهم أولا ثم يضعون مستخلص جلد الضفادع على جروح الحروق، وهذا ما يسبب فورا الإسهال وخفقان القلب قبل أن يفقد الواحد منهم وعيه مباشرة. وعندما يصحو الشخص تكون حواسه متيقظة وينتابه شعور بالقوة الخارقة. ويضيف <كرايل> أن پپتيد هذا الضفدع (سلسلة الأحماض الأمينية المكونة لِسُّمِّه) يتكون كله من أحماض أمينية من النوع L، ولكن لولا وجود حامض أميني واحد من النوع D في الپپتيد لما كان له التأثير المهلوس هذا.

 

عالَم ظلّي(****)

 

مع أن الأحماض الأمينية من النوع D ظهرت في مجموعة واسعة من سموم المتعضيات، إلاّ أنه توجد في مخلوقات أخرى أغراض سلمية لهذه الجزيئات. فالكركند، على سبيل المثال، يستخدم الأحماض الأمينية من النوع D في تحفيز عملية التناسل والحفاظ على مستويات مضبوطة من الملح في جسده.

 

وما يزال أكبر مستخدم للأحماض الأمينية من النوع D حتى الآن هو الكائنات الدقيقة microbes – مع أن الباحثين يكتشفون وظائف جديدة للجزيئات اليمينية فيها. فمعظم البكتيريا تبني جدران خلاياها من مصفوفة matrex لزجة من البروتينات السكرية(14) تسمى پپتيدوگليكان peptidoglycann معززة بالحامض الأميني ألانين من النوع  (15) D وغيره من الأحماض الأمينية اليمينية. وفي عام 2009 وجد <.M والدور> [من جامعة هارڤرد ومعهد هوارد هيوز الطبي] أن البكتيريا تعزز طبقة الپپتيدوگليكان بملاط mortar يتضمن الحامضين الأمينيين مثيونين methionine وليوسين leucine من النوع D. وهذه الأحماض الأمينية تعيد تشكيل طبقة الپپتيدوگليكان للبكتيريا المجاورة – حتى وإن كانت من خلال أنواع أخرى – وهو الاكتشاف الذي يوحي، كما يقول <والدور> أن المتعضيات الميكروية microorganisms ربما تستخدم هذه الجزيئات لتنسيق أنشطة مثل الفلورة fluorescence أو بناء غشاء حيوي. إلا أن فهم كيفية استغلال البكتيريا لهذه الأحماض الأمينية من النوع D للتواصل يعد ذا فائدة مثيرة لأولئك الذين يرغبون في تطوير عقاقير أو منتجات تعمل على إزالة الأغشية الحيوية المتكونة على أسناننا، أو في الرئتين في حالات مرضى التليف الكيسي، وفي خطوط أنابيب البترول، وحتى المترسبة على الآلات الطبية مثل القثطرات(16).

 

وهناك سبب مهم يجعل البكتيريا وغيرها من المخلوقات السامة توظف الأحماض الأمينية اليمينية وهو أن وجود هذه الأحماض في الپپتيد أو في البروتين الكبير الحجم يجعل من الصعب كسرها بإنزيمات عوائلها أو أعدائها. ففي المتعضيات جميعها توجد إنزيمات پروتياز protease تعمل على هضم البروتين المكون من أحماض من النوع L، وليس من النوع D، مع إعادة تدويره. وفي الواقع يحاول مطورو الأدوية إضافة أحماض أمينية من النوع D إلى الپپتيدات والبروتينات العلاجية لتجنب هذه الإنزيمات، ومن ثم تمكين الأدوية لتبقى فترة أطول في الجسم.

 

وفي الوقت الذي يستكشف فيه الباحثون هذا العالَم الغريب للأحماض الأمينية اليمينية، فَهُمْ في الوقت ذاته يسعون إلى استكشاف أدوار جديدة قد تؤديها هذه النوعية من الأحماض. ويرى <لوزيك> وآخرون أن بعض الأحماض الأمينية اليمينية، على سبيل المثال، التي تنتجها تريليونات الخلايا البكتيرية التي تعيش على جلدنا وفي جهازنا الهضمي وفي أماكن أخرى من الجسم قد تكون مهمة لخير البشر وصحتهم وحتى سلوكهم.

 

ولعل أحد أهم الأسئلة المهمة في بحوث الأحماض الأمينية المطروحة الآن هو ما إذا كانت هناك أجزاء أخرى من جسم الإنسان، عدا الدماغ، تقوم بتصنيع أحماض أمينية من النوع D. والأدلة الأولية حول ذلك واعدة. فقد أعلنت مجموعة عمل بقيادة <.Y ناگاتا> [من جامعة نيهون بطوكيو] اكتشاف أحماض أمينية من النوع D في لُعاب البشر، بينما اكتشفت مجموعة باحثين بقيادة <.K هاماس> [من جامعة كيوشو باليابان] أن الحامض الأميني ألانين من النوع D موجود بتركيز عال في خلايا بيتا المنتجة للإنسولين في بنكرياس الجرذان. وقد اكتشف <كوتشيل> أيضا في تجارب أجريت مؤخرا بمختبره في أستراليا إنزيمات في قلوب الفئران والبشر تُحوّل الأحماض الأمينية من النوع L إلى النوع D تشبه تلك الموجودة في سم خلد الماء.

 

ويقول <كوتشيل>: «إن معرفة الدور الذي قد تقوم به هذه الإنزيمات بدقة في فسيولوجيا البشر لا تزال مع ذلك، لغزا كاملا.» ولم يعد، على الأقل، الاعتقاد أن لهذه الإنزيمات وظائف مهمة أمرا سخيفا.

 

المؤلفة

Sarah Everts
 

<ڤرتز> من مواليد مونتريال، وهي مراسلة مجلة «أخبار الكيمياء والهندسة» الأسبوعية في برلين، وتقوم أيضا بالتدوين في الموقع Artful Science حول الفنون والعلوم.

a0513Evrt02.psd

  مراجع للاستزادة

The New Ambidextrous Universe: Symmetry and Asymmetry from Mirror Reflections to Superstrings. Third revised edition. Martin Gardner. Dover, 2005.

High Dose D-Serine in the Treatment of Schizophrenia. Joshua Kantrowitz et al. in Schizophrenia Research, Vol. 121, No. 1, pages 125–130; August 2010. www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3111070

D-Amino Acids in Chemistry, Life Sciences, and Biotechnology. Edited by Hans Brückner and Noriko Fujii. Wiley, 2011.

Emerging Knowledge of Regulatory Roles of D-Amino Acids in Bacteria. Felipe Cava et al. in Cellular and Molecular Life Sciences, Vol. 68, No. 5, pages 817–831; March 2011. www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3037491

MIRROR MOLECULES (*)

A USEFUL ACCIDENT (**)

How to Spot a Mirror Molecule (***)

SHADOW WORLD (****)

 

mirror images (1)

(2) Platypus: حيوان ثديي يعيش في الماء.

(3) أو: العالَم المجهري

(4) أو: المتعضيات الأعلى

cystic fibrosis (5)

schizophrenia (6)

macular degeneration (7)

(8) خاصية لبعض المواد الكيميائية تدير من خلالها مستوى الضوء المستقطب polarized light في اتجاه دون الآخر.

D-aspartate amino acid (9)

D-serine amino acid (10)

L-amino acid glutamate (11)

(12) تكيفية المشابك العصبية synaptic plasticity: هي قدرة التشابكات العصبية بين النورونات neurons على تغيير قوتها كاستجابة لانتقال الإشارات العصبية خلالها من عدمه.

Matse’s (13)

sugar-protein (14)

D-alanine amino acid (15)

catheters (16)

http://oloommagazine.com/Images/none.gif
تسوق لمجلتك المفضلة بأمان

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

For security, use of Google's reCAPTCHA service is required which is subject to the Google Privacy Policy and Terms of Use.

I agree to these terms.

زر الذهاب إلى الأعلى