عرض توضيحي للانتقال الغشائي للهستيدين باستخدام أكياس الماعز المعوية المقلوبة: أداة تربوية تجريبية للطلاب الجامعيين

تحاط الخلايا البيولوجية بطبقة ثنائية دهنية غشائية تفصل السيتوسول داخل الخلايا عن المحتوى خارج الخلية. يعمل الغشاء كحاجز شبه نافذ ينظم حركة المواد المذابة¹. يتأثر النقل عبر الأغشية الحيوية بمعامل نفاذية المذاب، الذي يعتمد على عدة عوامل، بما في ذلك تركيز المذاب وشحنته. بشكل عام ، تتحرك المواد المذابة عبر الغشاء باستخدام ثلاث آليات (الشكل 1): الانتشار السلبي ، والانتشار الميسر ، والنقل النشط². الانتشار البسيط هو العملية التي تمر من خلالها المواد المذابة القابلة للذوبان وغير المشحونة وغير القطبية عبر تدرج تركيزها عبر غشاء شبه منفذ (الشكل 1 أ). لا تساعد البروتينات الغشائية في هذه العملية؛ لأنها تتضمن حركة المواد المذابة من منطقة ذات تركيز أعلى إلى منطقة ذات تركيز أقل. يعتمد معدل الانتشار على قانون فيك³. من ناحية أخرى ، فإن الانتشار الميسر هو نقل يعتمد على البروتين حيث يسمح الغشاء فقط للمواد المذابة الانتقائية بالمرور على طول تدرج التركيز دون إنفاق الطاقة (الشكل 1 ب). هذا النوع من النقل محدد ويختلف عن الانتشار البسيط في إظهار حركية التشبع.

النقل النشط هو نقل يعتمد على البروتين للجزيئات مقابل تدرج تركيزها ، أي من منطقة التركيز المنخفض إلى منطقة ذات تركيز أعلى باستخدام ATP أو التدرجات الأيونية (الشكل 1C). عندما يتحلل الناقل ATP ، يطلق على النقل النقل النشط الأساسي (الشكل 1C ؛ اللوحة اليسرى). شكل آخر من أشكال النقل النشط هو النقل النشط الثانوي (الشكل 1C ؛ اللوحة اليمنى). في النقل النشط الثانوي، تتحرك المواد المذابة بناء على تدرج كهروكيميائي. يحدث ذلك عندما يقرن بروتين ناقل حركة أيون (عادة Na ⁺) أسفل تدرج تركيزه بحركة جزيء آخر أو أيون مقابل تدرج تركيزه. يمكن أن يكون هذا النوع من حركة المذاب عبارة عن نقل مشترك (Symport) حيث يتحرك كل من المذاب والأيون في نفس الاتجاه أو تبادل (Antiport) ، وفي هذه الحالة يتحرك المذاب والأيون في اتجاهين متعاكسين.

يتم امتصاص الأحماض الأمينية الغذائية والسكريات الأحادية من مصادر الغذاء في الأمعاء الدقيقة. يمكن تقسيم الأمعاء الدقيقة وظيفيا إلى ثلاثة أجزاء: الاثني عشر والصائم والدقاق (الشكل 2). يحدث امتصاص المذاب في جميع أنحاء الأمعاء الدقيقة، مع حدوث أقصى امتصاص عند الصائم وعند الطرف القريب من الدقاق. الخلايا المعوية المعوية هي خلايا مستقطبة ، والوصلات الضيقة التي تربط خليتين متجاورتين تخلق موقعين غشائيين متميزين – موقع الغشاء القاعدي والقمي (الشكل 2). يحدث امتصاص المواد المذابة اللمعية الناتجة عن الهضم في موقع الغشاء القمي⁴.

يعد نقل الهستيدين في الخلايا المعوية المعوية المعوية في الغشاء القمي مثالا على التماثل النشط الثانوي الذي يعتمد على الصوديوم. في النهاية القاعدية ، ينتقل الهستيدين الذي يدخل الخلية المعوية إلى أسفل تدرج التركيز في الدورة البابية الكبدية. يتم الحفاظ على تركيزات الصوديوم داخل الخلايا المعوية عند 12 مليمول / لتر¹ ، وهو أقل من التركيزات خارج الخلية / اللمعية ، بسبب الضخ النشط للصوديوم خارج الخلية بواسطة Na ⁺ K ⁺ ATPase الموجود على الغشاء القاعدي (الشكل 3). في الغشاء القمي للخلايا المعوية ، يعد B⁰AT وناقل الأحماض الأمينية المحايدة الصوديوم (SNAT) 5 من الناقلات الرئيسية التي لا تنقل الهستيدين فحسب ، بل تنقل أيضا الأحماض الأمينية مثل الهليون والجلوتامين في النقل المشترك المعتمد على الصوديوم ^5,6. بروتين نقل آخر يسمى ناقل الأحماض الأمينية الكبيرة (LAT)1 الموجود في الغشاء القاعدي للخلايا المعوية ينقل الأحماض الأمينية المحايدة الكبيرة مثل الليوسين والتريبتوفان والتيروزين والفينيل ألانين عبر الغشاء⁷.

بهدف تدريس مفهوم النقل الغشائي المتكامل مع تقنيات مثل القياس الطيفي والمقايسات الكيميائية الحيوية الروتينية من خلال علم أصول التدريس التجريبي ، من الضروري تطوير منهجيات لا يمكنها فقط إظهار المفهوم بعبارات سهلة الفهم ولكن أيضا تمكين التعلم التشاركي للطلاب الجامعيين. حاليا ، هناك موارد محدودة متاحة للطلاب للمشاركة العملية لتعلم مفاهيم الكيمياء الحيوية هذه. هنا ، نبلغ عن بروتوكول بسيط لإثبات انتقال الهستيدين عبر غشاء معوي الماعز يسهل إعادة إنتاجه في المختبرات الجامعية ويمكن تكييفه لتقييم نقل المستقلبات الأخرى أيضا. والأهم من ذلك ، أن الطريقة تستخدم مواد غير مكلفة في مختبر جامعي ، مما يتيح التعلم التجريبي حتى في أبسط الإعدادات المختبرية.