تعريف الهيكل الخلوي

 

الهيكل الخلوي

تعريف الهيكل الخلوي (Cytosquelette / Cytoskeleton):

هو عبارة عن نظام ديناميكي وشبكة معقدة ثلاثية الأبعاد مكونة من خيوط بروتين تمتد في جميع أنحاء سيتوبلازم الخلايا (Alberts et al, 1989). يتواجد الهيكل الخلوي في جميع خلايا حقيقات النوى وبدائيات النوى، حيث كان يعتقد في السابق على أنه سمة مميزة لخلايا حقيقيات النوى فقط ولكن بعض الدراسات الحديثة أثبتت تواجد هياكل الخلوية في بعض أنواع البكتيريا، مثل بكتيريا Caulobacter Crescentus (Sundararajan K et al, 2017)، حيث تم العثور على بروتينات في بدائيات النواة مماثلة للبروتينات الرئيسية المكونة للهيكل الخلوي في حقيقة النواة (Shih et al, 2006).

يعمل الهيكل الخلوي بمثابة دعامة خلوية، كما يلعب دورا أساسيا في الوظائف الخلوية المتنوعة بما في ذلك الحفاظ على شكل الخلية، التنظيم بين الخلايا، وهو مسؤول عن حركة الخلية وحركة مختلف العضيات وتثبيتها في مواقع ثابتة داخلها، كما أنه يشارك في إنقسام الخلايا (Sriparna G et al, 2013؛ Susan et al, 2014).

أقسام الهيكل الخلوي:

تحتوي الخلايا على الأنواع الثلاثة الآتية من ألياف الهيكل الخلوي، ويتكون كل واحد من نوع مختلف من تحت الوحدات: 1. الأنيبيبات الدقيقة، 2. خيوط الأكتين، وتسمى أحيانا الخيوط الدقيقة، 3. الخيوط الوسيطة (Susan et al, 2014).

1.         الأنيبيبات الدقيقة Microtubules:

1.1.        تعريفها:

هي تراكيب أسطوانية الشكل، مجوفة وغير متفرعة (Vorobjev and Maly, 2008 ; Lauralee Sherwood, 2010). توجد بصورة سابحة في سيتوبلازم الخلايا حقيقية النواة وبعض أنواع البكتيريا (Cédric and Fabienne, 2011) (الشكل 1).

الأنيبيات الدقيقة أكبر عناصر الهيكل الخلوي بسمكها الذي يقدر ب 25 نانومتر ((nm الذي يماثل خمسة أضعاف من سمك جدارها، و طولها 200 ميكرومتر (µm) (Vorobjev and Maly, 2008 Lauralee Sherwood, 2010 ; ، Jens Lüders, 2016). حيث تعتبر مهمة للتنظيم الداخل خلوي، فصل الكروموسوم وغيرها من العمليات الخلوية (Brouhard and Rice, 2018).

).

2.1.  تركيبها:

عبارة عن بوليمرات ديناميكية مصنوعة من ثنائيات ألفا تيوبيولين (-tubulinα( و بيتا تيوبيولين(β-

tubulin)  (S.P. Pearce et al, 2018). ويعتبران كلاهما من البروتينات الكروية (Cédric and Fabienne, 2011). كلا منهما لديها وزن جزيئي قدره 50 KDa (Jesus et al, 2016).

ترتبط α تيوبيولين ب β تيوبيولين عن طريق الربط العشوائي، حيث ينتج عنه تيوبيولين متغاير الثنائيات "Heterodimers Tubulin"، تتبلمر ثنائيات التيوبيولين بطريقة الرأس-إلى-الذيل "Head-to-Tail" إلى خيوط أولية خطية "Protofilaments" حيث تتوضع ثنائيات التيوبيولين في نفس الإتجاه في الخيط البدائي، عادة يتم تشكيل الأنبيبيات الدقيقة عن طريق تجميع ثلاثة عشر خيوط أولية التي ترتبط أفقيا لا تساهميا بواسطة الروابط الجانيبية (الشكل 2) (Varun Kapoor et al, 2019 ; Tetsuya Horio et al, 2014).

يمكن أن تحتوي الأنييبات الدقيقة على عدد أكثر أو أقل من الخيوط الأولية (من 11 إلى 15 خيط أولي)، تتوضع جزيئات α تيوبيولين في الخيط الأولي الواحد بشكل مجاور لجزيئات β تيوبيولين في الخيط الأولي المقابل، وتكون متوزاية لبعضها البعض (Eric et al, 2015).

تمتاز الأنيبيات الدقيقة بالقطبية "Polar"، ويعود ذلك لوجود نهاية موجبة (+) على أحد اطرافها، المحتوية فقط على β تيوبيولين. بينما تحتوي النهاية السالبة (-) على α تيوبيولين فقط (Tetsuya Horio, 2014 Greogry M. alushin, 2014;).

. أشكال الأنيبيات الدقيقة:

تحتوي الخلايا على نوعين من تجمعات الأنيبيات الدقيقة وهما:

1.3.1. الأنبيبات الدقيقة المستقرة:

1.1.3.1. الجسيم المركزي Centrosome:

يسمى أيضا مركز تنظيم الأنيبيات الدقيقة (MTOC: Microtubule Organizing Center) (Ning Huang et al, 2017). وهو عبارة عن عضو هيولي صغير ذو حجم قدره 1 ميكرومتر مكعب، يقع بالقرب من النواة، ويعتبر من التراكيب الخلوية التي تمتاز بها الخلايا حقيقية النواة فقط (خاصة الخلايا الحيوانية) (Richard Robinson, 2007 ; Sillibourne and Bornens, 2015 ; Peishan and Gohta, 2018). يمكن ملاحظته بشكل واضح أثناء الطور البيني من الإنقسام الخلوي.

يوجد بداخل الجسيم المركزي زوج من المريكزات Centriole التي تكون عادة بزوايا متعامدة مع بعضها، ذات طول قدره 0,5 µM وقطر يقدر ب 0,2 µM، السابحة في المادة حول المريكز PCM ((Pericentriolar material عديمة الشكل، التي تحتوي على بروتين γ تيوبيولين المرتبط بالأسطح الخارجية للمريكز وبروتينات الصدمات الحرارية. (Hsp) يمكن للمادة حول المريكز أن تتكاثف لتكوين الأنبيبات الدقيقة في الخلايا الحيوانية (Qixi Wuet et al, 2012 ; Véronique Marthiens and Renata, 2014، Malgorzata Kloc et al, 2014).

يتكون كل مريكز من 9 مجموعات من الأنيبيات الدقيقة التي تحيط بمركزه الذي يكون فارغا (Heide Schatten, 2015).  كل مجموعة تتكون من 3 أنبيبات دقيقة متلاحمة مع بعضها البعض بواسطة ألياف ومرتبة بشكل حلقة (الشكل 3) (Marine and William, 2014).

تظهر النهاية السالبة للأنبيبات الدقيقة موجهة نحو الجسيم المركزي بشكل مستقر، بينما تتواجد النهاية الموجبة حرة في السيتوبلازم (خارج الجسيم المركزي) (الشكل 3) (Malgorzata Kloc et al, 2013). 

يدخل الجسيم المركزي في:

-         عملية تنوي الأنبيبيات الدقيقة وإستقرارها (Peishan and Gchta, 2018).

-         عملية الإنقسام الخلوي وذلك بتشكيل المغزل حيث يهاجر كل جسيم إلى القطبين المعاكسين للخلية.

-         تشكيل الأسواط والأهداب من الجسم القاعدي (Cédric and Fabienne, 2011).

-         المشاركة في دورة الخلية (Sillibourne and Bornens, 2016).

2.1.3.1. الأهداب والأسواط:

وهي زوائد أشبه بالشعيرات تمثل إمتدادات خيطية دقيقة للسايتوبلازم، تعمل كأعضاء حس، كما تقوم ببعض الوظائف الميكانيكية للخلية. توجد هذه العضيات على سطح الخلايا حقيقية النواة، بما فيها الطلائعيات Protists مثل الطحالب الخضراء (Chlamydomonas) ومعظم خلايا جسم الإنسان (محمد عبد الرحمان الوكيل, 2018 ; Jacob Keeling et al, 2016

  إن الأسواط والأهداب تراكيب متماثلة مظهريا ووظيفيا ولكن يمكن التمييز بينهما بالعدد والحجم (الأسواط أطول)، ومن حيث الحركة تكون حركة الأسواط عشوائية بينما الأهداب تتحرك بتناغم وتناسق معين (أحمد وسهير, 2012).

تكون الأسواط والأهداب مثبتة داخل الخلية بواسطة بنية تسمى الجسم القاعدي والذي يمثل مركز تنظيم الأنيبيبات الدقيقة MTOCs، وتنتج حركتها الشبيهة بحركة السوط داخل السوط نفسه بواسطة منظومة من الأنيبيبات الدقيقة المنتظمة في بنية تسمى الخيط المحوري ذو قطر قدره 300 nm وطول يتراوح بين 5 إلى 10 µm، يمثل الخيط المحوري الهيكل خلوي للأهداب/الأسواط (Jenna et al, 2018 ; Takashi Ishikawa, 2017).

يتكون الخيط المحوري من حلقة من تسعة أزواج أنيبيبية خارجية محاطة بأنيبيبين فرديين في المركز. يدعى هذا التركيب بــــ "9+2"، يحتوي كل زوج أنيبيبي على أنيبيب دقيق A وأنيبيب دقيق B، أو ألياف فرعية Subfibers (الشكل 4). يعتبر الأنيبيب الدقيق A أنيبيب كامل حيث يتكون من 13 خيط أولي بينما يعتبر الأنيبيب الدقيق B غير كامل لإحتوائه على 10 خيوط أولية فقط. تحاط حلقة الأنيبيات الدقيقة المكونة للخيط المحوري بالغشاء البلازمي (The Plasma Membrane) (Lodish H et al, 2000).

في نقطة إرتباطه بالخلية، يتصل الخيط المحوري بالجسم القاعدي المشابه للجسيم المركزي الذي يحتوي على 9 مجموعات من الأنيبيات الدقيقة. تحتوي كل مجموعة على الأنيبيب الدقيق A مندمج بأنيبيب دقيق Bالغير كامل الذي بدوره يكون مرتبط بأنيبيب دقيق C غير كامل. تمتد الأنيبيبات الدقيقة َA وB للجسم القاعدي إلى غاية الخيط المحوري، بينما يتوقف الأنيبيب الدقيق C في المنطقة الإنتقالية Transition zone بين الجسم القاعدي ومجال إمتداد الإنيبيات الدقيقة في الخيط المحوري. يتوقف إمتداد الأنيبيبين المركزيين في الأهداب أو الأسواط أيضا في المنطقة الإنتقالية، فوق الجسم القاعدي. يلعب الجسم القاعدي دورا حاسما في نمو الخيط المحوري (الشكل 5) (Kirsty Y. Wan, 2018 ; 10Kathryn et al, 20).

في الخيط المحوري، يستمر إمتداد مجموعات MTs التسعة الخارجية والأنيبيبين المركزيين على الطول الكامل للهيكله.

يقوم بروتين حركي يعرف بالداينين بتشكيل أذرع على كل ثنائية ترتبط بالثنائية التالية لها على إمتداد الحلقة، وتعمل مادة كيميائية تسمى ثلاثي الفوسفات أدينوزين ATP على تغيير شكل ذراع الداينين، مما يجعل الثنائية التالية تتحرك ويحدث ذلك بإنزلاق الأنيبيات على بعضها (Jikui Guan, 2009).

توجد ثلاث مجموعات بروتينية تربط بين مكونات الخيط المحوري، حيث ترتبط الأنيبيات المركزية المحاطة بهيكل ليفي يسمى الغمد الداخلي The Inner Sheath ببعضها البعض بواسطة جسور ثنائية Periodic bridges. تتكون المجموعة الثانية من الروابط من بروتين النيكسين Nexin الذي يرتكز في الروابط بين اللييفين A و B. تتوضع دواليب شعاعية Radial spokes بإتجاه مركز الخيط المحوري والتي ترتبط بالأنبيب الدقيق A بجاور أذرع الداينين الداخلية التي تمثل نظام الربط الثالث (Richard et al, 2016).

يوجد نوعان من الأهداب والأسواط: المتحركة ذات التركيب (9+2) والغير متحركة ذات التركيب (9+0) التي تفتقر للزوج الأنيبيبي المركزي. (Hannah and Enza, 2017)

تستخدم الأهداب/الأسواط المتحركة إما لتحريك الخلية في السوائل أو لتحريك السوائل داخل الخلية. فمثلا في الجهاز التنفسي تعمل الأهداب على طرد السوائل الموجودة في الرئتين إلى خارج الجسم عن طريق الفم (Nathalie Falk, 2015).

. الأنبيبات الدقيقة الغير مستقرة:

1.2.3.1. تعريفها:

تسمى أيضا بالأنبيبات قصيرة العمر Short-lived Microtubules (F. Jon kull and Roger D, 2014)، حيث تدخل هذه الأنيبيبات السيتوبلازمية في تكوين هيكل مغزل الإنقسام الخيطي التي تتجمع وتتحلل بصفة منتظمة وسريعة (Thomas et al, 2017 ; Johannes et al, 2018).

2.2.3.1. بلمرة وإزالة بلمرة الأنيبيبات الدقيقة:

يعتمد إرتباط وحيدات الأنيبيبات الدقيقة على:

-         توفر جزيئات GTP وشوارد المغنزيوم. (Colby and Jeffrey, 2018)

-         إرتباط أحاديات التيوبيولين β وGTP (Hiroshi Doi et al, 2003، Luke M. Rice et al, 2008).

يعتمد تفكك وحيدات الأنيبيبات الدقيقة على التحلل المائي لجزيئات GTP إلى GDP.

تتم عملية البلمرة في مرحلتين هما: التنوي والبلمرة.  

التنوي: هي العملية الناتجة عن تفاعل عدة جزيئات من التيوبيولين مع بعضها لتشكيل نواة الأنبيب الدقيق (Didier and Odile, 2003)، تتم هذه العملية بواسطة عضيات متخصصة تسمى مراكز تنظيم الأنيبيبات الدقيقة MTOCs التي تحتوي على γ تيوبيولين. يرتبط g تيوبيولين بالعديد من البروتينات الأخرى لتشكيل هيكل يسمى (gamma-Tubulin Ring Complexes : γ-TuRC) (الشكل 6).

يتصرف هذا المركب كنموذج لبدأ بلمرة الثنائي α-β تيوبيولين، فهو بمثابة غطاء للنهاية السالبة بينما يستمر نمو الأنيبيب الدقيق بعيدا عن MTOC في الإتجاه الموجب (Paul T. Conduit, 2016 ; Christiane and Yixian, 2006). 

 في الخلايا ومخبريا في أنبوب الإختبار، تتناوب الأنيبيبات الدقيقة عشوائيا بين مرحلة نمو ومرحلة تقلص والعكس. يتشكل من ذلك سلوك غير مستقر يعرف بعدم الإستقرار الديناميكي، والذي يحدث خلاله بلمرة α/β تيوبيولين وتحلل الـ GTP المرتبط بـ β-تيوبيولين في الموقع E-Site بفضل تفاعلات تتم على مستوى نهاية الأنيبيب الدقيق.

 في البداية، ثنائيات التيوبيولين المحملة بـ GTP ((GTP-αβ-tubulin والتي بدورها تتصرف كـ GTPases تتبلمر إلى صفائح مفتوحة مسطحة والتي تغلق مشكلة بذلك أنبوب، ويتم ذلك على مستوى النهاية الموجبة للأنيبيب الدقيق التي تكون فيها البلمرة أسرع منه في النهاية السالبة. بعد فترة قصيرة من حدوث عملية البلمرة، يتحلل GTP إلى GDP على مستوى شبكية الأنيبيب الدقيق MT lattice، يعتبر هذا التحلل ضروري للإنتقال بالتناوب من مرحلة النمو إلى مرحلة التقلص والذي ما يسمى بالكارثة Catastrophe، بينما الإنتقال من مرحلة التقلص إلى مرحلة النمو يدعى بـ Rescue (الشكل 7).

يرتكز هذا التحلل على تشكل القبعة GTP-Tubulin (cap) في طرف الأنيبيب الدقيق. تساهم هذه القبعة المتشكلة في إستقرار النهاية النامية وذلك بإضافة وحدات التيوبيولين المحملة ب GTP، وهذا ما يحدث أثناء مرحلة النمو.

(Sarah Grieke et al, 2010 Mitra Shojania Eeizabadi, 2019;).

فقدان القبعة يدل على حدوث عملية إزالة البلمرة، وبالتالي فإن هذا الإختلاف الكبير بين بلمرة وإزالة بلمرة نهايات الأنيبيب الدقيق كاف إلى التحول من مرحلة النمو إلى مرحلة التقلص (Ian and Tanmay, 2017).