التعاون

التعاونية ظاهرة تظهر في الأنظمة التي تتضمن عناصر متطابقة أو شبه متطابقة، حيث تعمل هذه العناصر بشكل مستقل عن بعضها البعض، مقارنةً بنظام افتراضي قياسي غير متفاعل تعمل فيه العناصر بشكل مستقل. ومن مظاهر هذه الظاهرة الإنزيمات أو المستقبلات التي تحتوي على مواقع ارتباط متعددة، حيث تزداد أو تقل ألفة أحد مواقع الارتباط للرابط عند ارتباط الرابط بموقع ارتباط آخر، وهو ما يُعرف بالتعاونية الإيجابية. على سبيل المثال، عندما يرتبط الأكسجين الجزيئي بأحد مواقع الارتباط الأربعة للهيموجلوبين، تزداد ألفة المواقع الثلاثة المتبقية للأكسجين؛ أي أن احتمالية ارتباط الأكسجين بالهيموجلوبين المرتبط بذرة أكسجين واحدة أكبر من احتمالية ارتباطه بالهيموجلوبين غير المرتبط. ويُشار إلى هذه الظاهرة بالارتباط التعاوني . ^{[ 1 ]}

نلاحظ أيضًا ظاهرة التعاونية في الجزيئات ذات السلاسل الطويلة المكونة من العديد من الوحدات الفرعية المتطابقة (أو شبه المتطابقة) (مثل الحمض النووي DNA والبروتينات والفوسفوليبيدات ) ، عندما تخضع هذه الجزيئات لتحولات طورية كالانصهار أو التفكك أو الانفتاح. ويُشار إلى هذه الظاهرة باسم تعاونية الوحدات الفرعية. مع ذلك، فإن تعريف التعاونية بناءً على الزيادة أو النقصان الظاهري في الألفة لخطوات ارتباط الليجاند المتتالية يُعد إشكاليًا، إذ يجب دائمًا تعريف مفهوم "الطاقة" نسبةً إلى حالة قياسية. فعندما نقول إن الألفة تزداد عند ارتباط ليجاند واحد، يصبح المعنى غير واضح تجريبيًا، نظرًا لضرورة وجود منحنى ارتباط غير تعاوني لتحديد طاقة الارتباط بدقة، وبالتالي الألفة أيضًا. أما التعريف الأكثر عمومية وفائدة للتعاونية الإيجابية فهو: عملية تتضمن خطوات تراكمية متطابقة متعددة، حيث تكون الحالات الوسيطة ممثلة تمثيلًا ناقصًا إحصائيًا مقارنةً بنظام قياسي افتراضي (فرضية العدم) تحدث فيه الخطوات بشكل مستقل عن بعضها البعض.

وبالمثل، يُمكن تعريف التعاونية السلبية بأنها عملية تتضمن خطوات متزايدة متطابقة متعددة، حيث تكون الحالات الوسيطة ممثلة بشكل زائد مقارنةً بحالة قياسية افتراضية تحدث فيها الخطوات الفردية بشكل مستقل. ^{[ 2 ]} تشمل هذه التعريفات الأخيرة للتعاونية الإيجابية والسلبية بسهولة جميع العمليات التي نُطلق عليها اسم "التعاونية"، بما في ذلك التحولات التركيبية في الجزيئات الكبيرة (مثل البروتينات) وحتى الظواهر النفسية لأعداد كبيرة من الناس (والتي يُمكن أن تتصرف بشكل مستقل عن بعضها البعض، أو بطريقة تعاونية).

عندما يرتبط الركيزة بوحدة فرعية إنزيمية واحدة، يتم تحفيز باقي الوحدات الفرعية وتصبح نشطة. يمكن أن يكون للروابط إما تعاون إيجابي، أو تعاون سلبي، أو عدم تعاون.

من أمثلة التعاونية الإيجابية ارتباط الأكسجين بالهيموجلوبين . إذ يمكن لجزيء أكسجين واحد أن يرتبط بذرة الحديدوز في جزيء الهيم في كل سلسلة من السلاسل الأربع لجزيء الهيموجلوبين . يتميز الهيموجلوبين منزوع الأكسجين بألفة منخفضة نسبيًا للأكسجين ، ولكن عند ارتباط جزيء واحد بهيم واحد، تزداد ألفة الأكسجين ، مما يسمح للجزيء الثاني بالارتباط بسهولة أكبر، والثالث والرابع بسهولة أكبر. تبلغ ألفة الأكسجين للهيموجلوبين-3-أوكسي حوالي 300 ضعف ألفة الأكسجين للهيموجلوبين منزوع الأكسجين. يؤدي هذا السلوك إلى أن يكون منحنى ألفة الأكسجين للهيموجلوبين على شكل حرف S ، وليس على شكل قطع زائد كما هو الحال مع الميوغلوبين الأحادي . وبنفس العملية، تزداد قدرة الهيموجلوبين على فقدان الأكسجين كلما قل عدد جزيئات الأكسجين المرتبطة به. ^{[ 1 ]} انظر أيضًا منحنى تفكك الأكسجين من الهيموجلوبين .

تعني خاصية التعاون السلبي أن العكس هو الصحيح؛ فعندما ترتبط الليجاندات بالبروتين ، تقل ألفة البروتين لليجاند، أي يصبح من غير المرجح أن يرتبط الليجاند بالبروتين. ومن الأمثلة على ذلك العلاقة بين جليسرالدهيد-3-فوسفات وإنزيم جليسرالدهيد -3-فوسفات ديهيدروجينيز.

يشير التعاون المتجانس إلى أن الجزيء المُسبب للتعاون هو نفسه الجزيء الذي سيتأثر به. أما التعاون غير المتجانس، فيحدث عندما تُسبب مادة ثالثة تغييرًا في الألفة. وقد يكون التعاون المتجانس أو غير المتجانس إيجابيًا أو سلبيًا، وذلك بحسب ما إذا كان يدعم أو يُعارض ارتباط جزيئات الليجاند بالإنزيمات. ^{[ 3 ]}

لا تقتصر ظاهرة التعاونية على ارتباط الليجاندات فحسب، بل تنطبق أيضًا في أي وقت تجعل فيه التفاعلات النشطة حدوث شيء ما أسهل أو أصعب عند وجود وحدات متعددة مقارنةً بحدوثه عند وجود وحدة واحدة. (أي، أسهل أو أصعب مقارنةً بما هو متوقع عند الأخذ في الاعتبار إضافة وحدات متعددة فقط). على سبيل المثال، يتضمن فك التفاف الحمض النووي (DNA ) التعاونية: يجب أن تنفك أجزاء من الحمض النووي لكي يتمكن من القيام بعمليات التضاعف والنسخ وإعادة التركيب . تجعل التعاونية الإيجابية بين نيوكليوتيدات الحمض النووي المتجاورة فك التفاف مجموعة كاملة من النيوكليوتيدات المتجاورة أسهل من فك التفاف نفس العدد من النيوكليوتيدات المنتشرة على طول سلسلة الحمض النووي. حجم الوحدة التعاونية هو عدد القواعد المتجاورة التي تميل إلى الانفكاك كوحدة واحدة بسبب تأثيرات التعاونية الإيجابية. تنطبق هذه الظاهرة على أنواع أخرى من جزيئات السلسلة أيضًا، مثل طي البروتينات وفك التفافها، وفي "انصهار" سلاسل الفوسفوليبيد التي تُكوّن أغشية الخلايا . يتم قياس تعاون الوحدات الفرعية على المقياس النسبي المعروف باسم ثابت هيل.

يُعد نموذج هيل نموذجًا بسيطًا وشائع الاستخدام للتفاعلات الجزيئية ، وهو يوفر طريقة لتحديد كمية الارتباط التعاوني من خلال وصف نسبة مواقع ارتباط الربيطة المشبعة كدالة لتركيز الربيطة.

معامل هيل هو مقياس للحساسية الفائقة (أي مدى انحدار منحنى الاستجابة).

من وجهة نظر عملية، يمكن تقدير معامل هيل على النحو التالي:

${\displaystyle n_{H}={\frac {\log(81)}{\ce {\log(EC90/EC10)}}}}$.

أين${\displaystyle {\ce {EC90}}}$و${\displaystyle {\ce {EC10}}}$تمثل هذه القيم المدخلة اللازمة لإنتاج 10% و90% من الاستجابة القصوى، على التوالي.

لا تُجسّد مقاييس الحساسية العالمية، مثل معامل هيل، السلوكيات المحلية للمنحنيات ذات الشكل S. وبدلاً من ذلك، يتم رصد هذه الخصائص بدقة بواسطة مقياس معامل الاستجابة ^{[ 4 ]} المُعرّف على النحو التالي:

${\displaystyle R(x)={\frac {x}{y}}{\frac {dy}{dx}}}$

في علم الأحياء النظمي ، يشار إلى هذه الاستجابات باسم المرونة .

أظهر ألتزيلر وآخرون (2017) أن هذه المقاييس فائقة الحساسية يمكن ربطها بالمعادلة التالية: ^{[ 5 ]}

${\displaystyle n_{H}=2{\frac {\int _{\ce {\log(EC10)}}^{\ce {\log(EC90)}}R_{f}(I)d(\log I)}{\ce {\log(EC90)-\log(EC10)}}}=2\langle R_{f}\rangle _{\ce {EC10,EC90}}}$

أين${\displaystyle \langle X\rangle _{a,b}}$يشير إلى متوسط ​​قيمة المتغير x على المدى [a,b].

لنفترض وجود وحدتين فائقتي الحساسية متصلتين ببعضهما، مع إهمال تأثيرات عزل المكونات الجزيئية بين الطبقات. في هذه الحالة، ينتج تعبير منحنى استجابة النظام للجرعة، F ، من التركيب الرياضي للدوال.${\displaystyle f_{i}}$والتي تصف علاقة الإدخال/الإخراج للوحدات المعزولة${\displaystyle i=1,2}$:

${\displaystyle F(I_{1})=f_{2}{\big (}f_{1}(I_{1}){\big )}}$

أظهر براون وآخرون (1997) ^{[ 6 ] [ 5 ]} أن الحساسية المفرطة المحلية للطبقات المختلفة تتحد بشكل مضاعف:

${\displaystyle R(x)=R_{2}(f_{1}(x)).R_{1}(x)}$.

وفي سياق هذه النتيجة، أظهر فيريل وآخرون (1997) ^{[ 7 ]} ، بالنسبة للوحدات النمطية من نوع هيل، أن الحساسية الفائقة العالمية المتتالية يجب أن تكون أقل من أو تساوي ناتج تقديرات الحساسية الفائقة العالمية لكل طبقة من طبقات المتتالية، ^{[ 5 ].}

${\displaystyle n\leq n_{1}.n_{2}}$،

أين${\displaystyle n_{1}}$و${\displaystyle n_{2}}$يمثلان معامل هيل للوحدات 1 و 2 على التوالي.

أظهر ألتزيلر وآخرون (2017) ^{[ 5 ]} أنه يمكن حساب الحساسية الفائقة العالمية للتسلسل تحليليًا:

$//$

أين${\displaystyle X10_{i}}$و${\displaystyle X90_{i}}$حدد نطاق عمل مدخلات هيل للنظام المركب، أي قيم الإدخال للطبقة i بحيث تكون الطبقة الأخيرة (المقابلة لـ${\displaystyle i=2}$في هذه الحالة، وصل النظام إلى 10% و90% من مستوى إنتاجه الأقصى. وبناءً على هذه المعادلة، يمكن كتابة معامل هيل n للنظام كحاصل ضرب عاملين.${\displaystyle \nu _{1}}$ و${\displaystyle \nu _{2}}$والتي تميز متوسط ​​الحساسيات المحلية على منطقة الإدخال ذات الصلة لكل طبقة:${\displaystyle [X10_{i},X90_{i}]}$، مع${\displaystyle i=1,2}$في هذه الحالة.

أما بالنسبة للحالة الأكثر عمومية لسلسلة من N وحدة، فيمكن التعبير عن معامل هيل على النحو التالي:

${\displaystyle n=\nu _{N}\,\nu _{N-1}...\nu _{1}}$،