ما هو مفهوم العمليات الخلوية؟

 

يمكن تعريف العمليات الخلوية بأنها جميع الآليات التي يتم تنفيذها داخل الخلية، وتهدف إلى ضمان استقرار الكائن الحي الذي يتكون منه، إذ تحدث العمليات الخلوية كل يوم في البشر والنباتات، مثل التوازن والتمثيل الضوئي، حيث أن الخلايا المشاركة في العملية معقدة للغاية لدرجة أنها تشكل تحديًا لفهم الإنسان لا سيما كيفية عملها في بيئات مختلفة، كما يجادل باحثون في كلية علوم الحياة بأن التصور الكهربائي الحيوي للخلايا يمكن أن يكون المفتاح للبحث في كيفية عمل الخلايا، إذ كان من الممكن تأسيس علم الوراثة والفيزياء وعلم وظائف الأعضاء على التصور الكهربية الحيوية للخلايا، فقد يكون لها آثار على البحث في الظروف المتعلقة بالعمليات الخلوية.

 

أهمية العمليات الخلوية:

 

نستخدم الخلايا للتنفس وللتخفيف من درجة حرارة الجسم، وللنمو والعديد من العمليات اليومية الأخرى، ومع ذلك فإن الخلايا في هذه العمليات معقدة للغاية، مما يجعل العلماء في حيرة من أمرهم بشأن كيفية تطورها في بيئات مختلفة، حيث يقول باحثون إن الأبحاث المستقبلية تحتاج إلى النظر في التركيب الكهربائي الحيوي للخلايا للحصول على إجابات، كماتحدث العمليات الخلوية كل يوم للبقاء على قيد الحياة، وتشكل التوازن لعملية التمثيل الضوئي والتنفس اللاهوائي للتنفس الهوائي، ومع ذلك فقد فتن تعقيد الخلايا الفهم البشري وتحديا له لعدة قرون.

 

كانت “الآلة” الخلوية المسؤولة عن الوظائف الرئيسية محور أبحاث علم الأحياء، وعلى الرغم من البحث السابق الذي يستكشف الأساس الجزيئي والجيني لهذه العمليات التي تظهر رؤى غير مسبوقة، ما زلنا غير قادرين على فهم سلوك الخلية والتنبؤ به بشكل كامل عند مواجهة ظروف مختلفة، على وجه الخصوص لا يزال أساس عدم التجانس في سلوك الخلية المفردة وبدء العديد من الاستجابات الأيضية المختلفة أو النسخية أو الميكانيكية للمنبهات البيئية غير مفسرة إلى حد كبير.

 

كما أن فهم الخلايا ككيانات كهربائية سيمهد الطريق لفهم الوظائف الخلوية والتنبؤ بها وتعديلها بشكل كامل، بحيث عندما يتم فهم الوظائف الخلوية يمكن أن يكون لها تأثير كبير على الرعاية الصحية، مثل الحالات المتعلقة على سبيل المثال، الاستطباب مثل فشل القلب أو مرض السكري، كما يمكن أن يكون لها علاجات جديدة تم البحث عنها إذا كان بإمكاننا التلاعب بالكهرباء الحيوية في الخلايا.

 

تنظيم العمليات الخلوية:

 

يتم تنظيم العمليات الخلوية مثل النسخ وتكرار الحمض النووي وإصلاح الحمض النووي، من خلال تداخل حميم وذاتي التعزيز والاعتماد المتبادل بين المجمعات المعدلة للهيستون والأنشطة الأخرى المعدلة للهيستون مثل الأسيتيل والفسفرة والمثيلة، بحيث تمشيا مع الوظيفة الحاسمة لتعديلات الهيستون في العمليات الخلوية الرئيسية، اقترحت مجموعة كبيرة من الأدلة أن الانحرافات في هذه التعديلات مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالأمراض البشرية.

والجدير بالذكر أن الدراسات الجينية والجزيئية الحديثة قد تورطت بشكل مباشر في تعديلات الهيستون ومركبات تعديل الهيستون في سرطان الإنسان، بحيث أن حقيقة أن التغيرات اللاجينية على عكس التغيرات الجينية، قابلة للانعكاس ولها آثار مهمة على علاج السرطان البشري، إذ أن تعديلات الهيستون الشاذة هي أهداف جزيئية محتملة للتدخل العلاجي في الأورام الخبيثة البشرية.

تتطلب العمليات الخلوية طاقة، وعادة يتم توفير هذه الطاقة في شكل أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)، إذ يتم إنتاج حامل الطاقة العالمي هذا بشكل أساسي عن طريق الفسفرة المؤكسدة في الميتوكوندريا، ولهذا السبب غالبًا ما يشار إلى هذه العضيات على أنها محطات توليد الطاقة في الخلية.

طريقة بديلة ولكن أقل كفاءة لإنتاج( ATP )هي عن طريق تحلل السكر في السيتوبلازم، حيث يعتمد كلا المسارين الأيضيين على الإمداد الغذائي للجلوكوز والكربوهيدرات الأخرى مثل الفركتوز والجالاكتوز، إذ انه عن طريق التحلل السكري ينتج جزيء واحد من الجلوكوز كحد أقصى 2 جزيء من( ATP)، في حين أن الفسفرة المؤكسدة لها أقصى إنتاجية تبلغ 36 جزيءًا من (ATP) لكل جزيء من الجلوكوز وهي مسؤولة عن الجزء الأكبر من إنتاج الطاقة الخلوية، كما تلعب كلتا العمليتين دورًا مهمًا في عملية التمثيل الغذائي ليس فقط فيما يتعلق بإنتاج( ATP)، ولكن أيضًا لإنتاج الأحماض النووية والأحماض الأمينية والدهون.

يعتبر دور الميتوكوندريا في تكوين البويضات، أهم العمليات الخلوية التي تشارك في تطوير البويضات ونضجها وتخصيبها لها إذ تحتاج متطلبات طاقة عالية في البويضة الناضجة، ويكون التحلل السكري للجنين قبل الانغراس محدودًا وتوفر الميتوكوندريا المصدر الأساسي لـ( ATP) لتلبية متطلبات الطاقة الخلوية.

قد يحد انخفاض مستوى (ATP) من إمداد الطاقة للبويضات أو الأجنة السابقة للانغراس بالإضافة إلى ذلك، تشارك الميتوكوندريا في توازن الكالسيوم داخل الخلايا وهي مصدر مهم للكالسيوم في البويضة Ca له وظيفة رئيسية في النضج السيتوبلازمي، كما أنها تشارك في إنتاج الطاقة قبل الإخصاب وهي مهمة لانتقال دورة الخلية الجنينية وإنشاء المحور الجنيني وبالتالي فإن محتوى الميتوكوندريا والتكامل الوظيفي داخل البويضة لهما أهمية حاسمة لتأسيس الكفاءة التنموية والحفاظ على المراحل الأولى من الحياة في الجنين قبل الانغراس.

ترتبط التشوهات الهيكلية والمكانية والوراثية التي تؤدي إلى اختلال وظيفي في الميتوكوندريا ارتباطًا وثيقًا بالعقم وضعف الأداء الإنجابي وانخفاض معدل بقاء الجنين؛ وذلك بسبب تأثير الميتوكوندريا على استقلاب البويضات وتطورها، على النقيض من الخلايا الجسدية، فإن الميتوكوندريا في البويضات النامية والناضجة تكون أصغر ولها شكل كروي أو بيضاوي، وتحتوي على عدد أقل من الكريستيات وتعرض مصفوفة أكثر كثافة ومن المفترض أنها تظهر نشاطًا أقل، حيث تم اقتراح نشاط محدود للميتوكوندريا في البويضات كآلية دفاعية تحمي (mtDNA) من إنتاج ROS الضار، تأخذ تغييرات البنية التحتية للميتوكوندريا في الجنين ومن مرحلة الكيسة الأريمية مظهرًا يُلاحظ في الخلايا الجسدية، والذي يتزامن مع زيادة نشاط التمثيل الغذائي.

 

تخضع العمليات الخلوية إلى حد كبير للتفاعلات الديناميكية بين البروتين والبروتين والتعديلات اللاحقة للترجمة التي تؤدي إلى تغيير في الوظيفة المستهدفة، إذ يتكون البروتين الخلوي من العديد من البروتينات التي يمكن أن تخضع لأكسدة السيستين ثيول – وهي عملية مرتبطة أساسًا بالخلل الوظيفي والمرض ولكنها مقبولة الآن على نطاق واسع كعملية فسيولوجية للإشارات الخلوية.

 

يتم إنشاء المواد المؤكسدة كمنتجات ثانوية للعديد من العمليات الخلوية بما في ذلك سلسلة نقل الإلكترون والتحفيز بواسطة الأكسيدات داخل الخلايا ولكن أيضًا بطريقة منظمة من خلال كونها جزيء الإشارة الأساسي لأكسيداز (NADPH)، حيث تولد أكسيدات (NADPH) أكسيدًا فائقًا (O2−) يتم تفكيكه بسهولة إلى شكل (H2O2) الأكثر استقرارًا إما تلقائيًا أو يتم تحفيزه بواسطة ديسموتاز الإنزيم الفائق.

 

يعد تعديل ثيول السيستين (SH) بواسطة المؤكسدات مثل (H2O2 ) عملية انتقائية تتطلب عمومًا أن يكون السيستين المستهدف في شكل أنيون ثيولات منزوع البروتونات (S-)، كما يخضع تفاعل السيستين لبيئته المحلية مع الأحماض الأمينية المجاورة داخل البنية الثلاثية التي تساهم في قيمة (pKa) الكلية للسيستين.

العمليات الخلوية الرئيسية:

 

الايض:

 

الأيض هو مجموعة من التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الجسم، وتهدف ردود الفعل هذه إلى توليف أو تحطيم المواد، وبمعنى آخر ردود الفعل الأيضية تخلق أو تدمر، حيث يبدأ الأيض على المستوى الخلوي لأنه هنا يتم إطلاق ردود الفعل الأولى التي تحافظ على حياة الكائن الحي، كما يمكن أن تكون التفاعلات الأيضية من نوعين: الابتنائية والعصبية.

 

التمثيل الضوئي:

 

يعرف التمثيل الضوئي (أو التوليف من الضوء) أنه عملية خلوية تحدث في النباتات والطحالب وبعض البكتيريا، إذ تتكون هذه العملية من مرحلتين: مشرق ومظلم.

تخليق البروتين:

 

هذه هي العملية التي يتم من خلالها إنشاء البروتينات داخل الخلية، إذ إنها دورة يتداخل فيها حمض الأكسجين الريبي النووي (DNA) وحمض الريبونوكلي (RNA) والبروتينات، بحيث الحمض النووي يجمع الحمض النووي الريبي والأخير يجمع سلسلة من البروتينات، وستكون هذه البروتينات هي محفزات تخليق الحمض النووي وبالتالي تبدأ الدورة مرة أخرى.

التنفس الخلوي:

 

هو عملية تنطوي على أكسدة بعض الجزيئات لإنتاج الطاقة، وهذا يمكن أن يكون من نوعين: الهوائية واللاهوائية، التنفس الهوائي هو ما يحدث في الكائنات الحية العليا (النباتات والحيوانات والفطريات) في هذا تتأكسد جزيئات الكربون بفضل الأكسجين القادم من الهواء، التنفس اللاهوائي من جانبه هو عملية لتخفيض الأكسدة، ولا يكون فيها الأكسدة عبارة عن أكسجين، وهذا النوع من التنفس هو ما يحدث في الكائنات الأكثر بدائية وخاصة في البكتيريا، كما يمكن العثور عليها في أنسجة الكائنات الأخرى عندما لا يتوفر الأكسجين.

 

التغذية:

 

هي العملية التي من خلالها “تستوعب” الخلية المواد العضوية، كما تسمح هذه المادة للخلية بالتجديد والنمو والحصول على المواد الخام اللازمة للتفاعلات الكيميائية الأخرى التي يجب تنفيذها فيها.

 

الانقسام الخيطي والاختزالي:

 

هو عملية تنطوي على ازدواجية نواة الخلية، هذا يتكون من أربع مراحل، اما الانقسام الاختزالي هو عملية أخرى من انقسام الخلايا التي تتشكل فيها الخلايا الفردية أي بنصف الحمل الوراثي للخلية الأم، وتتم هذه العملية في الكائنات الحية مع التكاثر الجنسي.