כל הסיכומים להורדה ולהדפסה

שיעור 1 - מושגי יסוד

מבוא והיכרות עם הקורס

הקורס “ביולוגיה של התא” הוא הקורס הביולוגי הראשון והיחיד לסטודנטים לרפואה בשנה הראשונה. המרצה פתח את השיעור בהסבר: “ברוכים הבאים לקורס ביולוגיה של התא, בעצם קורס ביולוגי ראשון שלכם ויחיד”. הוא ציין שישנם הבדלים משמעותיים בין הסטודנטים - חלקם למדו ביולוגיה בתיכון וחלקם לא, ולכן הקורס מתחיל מרמה בסיסית מאוד של מושגי יסוד.

מידע אדמיניסטרטיבי מפורט

הקורס מחולק בין שלושה מרצים:

1. פרופ׳ אמנון הראל (המרצה הנוכחי)
2. ד״ר שי בל
3. פרופ׳ מיכאל בלנק

המרצה הסביר: “אנחנו מחלקים את הסמסטר בין שלושה מרצים… לימדנו את הקורס הזה בשנה שעברה אבל זה די חדש לנו.”

• נוכחות: המרצה ציין שיש בדיקת נוכחות ברבע השעה הראשונה של כל שיעור.
• תקשורת: “המיילים שלנו נמצאים בסילבוס ובאתר הפקולטה… אפשר לפנות אלינו, כמו שכתבתי במבוא באתר. אנחנו נהיה בקשר עם נציגי מחזור, אז שאלות כלליות עדיף שתפנו דרך נציגי מחזור.”
• הקלטות: “יש הקלטת זום שמתרחשת כרגע.”
• תגבורים: “עשינו שנה שעברה, אם יצטרכו השנה - נעשה.”
• בחינות:
  • בוחן אמצע יתקיים מיד אחרי פסח, “זה ממש היום הראשון שחוזרים ללימודים… החומר הוא על שלושת השבועות הראשונים בלבד.”
  • מטרת הבוחן: “הבוחן הזה הוא בשבילכם ברצינות, הוא כדי להכניס אתכם לעניינים.”
  • אופי הבחינות: “כל המבחנים שלכם עד השלב הקליני, עד המבחנים הארציים, כולם יהיו ככה [מסוג רב-ברירתי].”
  • ציון מגן: “ציון מגן זה אומר שזה לא יכול לקלקל לכם. אתם יכולים גם להתעלם מהבוחן הזה לחלוטין, אבל אני מאוד לא ממליץ.”

ספר הקורס

המרצה הדגיש את חשיבות ספר הקורס:

“הספר של הקורס הוא לא רק של הקורס הזה, הוא גם של קורס ביולוגיה מולקולרית… יש עותקים בספרייה גם ממהדורה שש וגם ממהדורה שבע, אבל הכי חשוב זה שיש גרסת פי-די-אף. העטיפה הירוקה זה מה שיש בספרייה, העטיפה הסגולה זה פי-די-אף שמסתובב ברשת.”

לגבי השימוש בספר: “אסור לנו להפיץ לכם את הגרסה הכי מתקדמת, אבל מבחינת הוצאת הספרים הם היו רוצים שכולכם תרוצו ותקנו ספר כזה ושיהיה לכם בבית… אני כשהייתי סטודנט בשנה א’ בביולוגיה קניתי את המהדורה העתיקה של זה. זה כיף לדפדף בזה.”

המרצה הבהיר: “מה שיש בבחינה לא יהיה דברים שמופיעים רק בספר ולא הזכרנו… אני מאוד ממליץ לעיין גם בספר.”

מבנה השיעורים והסילבוס

המרצה הסביר את מבנה הקורס: “סידרתי את הפאור-פוינטס לפי הרצאות – לקצ’ר 1, לקצ’ר 2. לא יודע אם זה בדיוק תואם לשיעורים… אבל אני כן מצפה שתעברו קצת על הסיכום לפני שאתם באים לשיעור הבא.”

הוא המשיך: “אנחנו בעצם עוסקים פה, זה אומנם קורס בביולוגיה של התא, אבל במידה רבה זה קורס מבוא לביולוגיה. יש לכם חמישה קורסים שהם המשך ישיר של זה בשנה הבאה.”

לגבי רמת הקורס: “שנה שעברה הכימיה האורגנית באה לפני זה ונתנה איזשהו בסיס, כבר אין לנו את זה, אז אנחנו לכן מתחילים ממש ממושגי יסוד.”

מושגי יסוד בביולוגיה התאית

ציטוט פותח וחשיבות התא

המרצה פתח עם ציטוט של א.בי. ווילסון:

“המפתח לכל בעיה ביולוגית בסופו של דבר צריך לחפש אותו ברמת התא הבודד.”

הוא הסביר שזהו “מוטו מתאים לספר שלנו.”

המרצה ציין: “יש פה תמונה מהספר… נראה לי שאפילו ראיתי שמישהו לימד אתכם בסמסטר קודם ושם שיר של עמיחי.” הוא התייחס לתמונה היסטורית של חלוקת תאים משנת 1900, שבה אפשר לראות “חלוקת תאים… כרומוזומים… גרעין התא… ואת מה שאני עובד עליו במחקר שלי…”

יסודות הכימיה של DNA ו-RNA

מבנה מפורט של נוקלאוטיד

המרצה החל להסביר את המבנה הכימי של נוקלאוטידים: “בתמונה הזאת שבהתחלה אני לא מבינה מה קורה פה… זה נראה כמו קוביות לגו.” הוא הסביר שזוהי הצגה פשטנית והתקדם להסבר מפורט יותר.

המרצה הסביר בפירוט את המבנה הכימי של נוקלאוטיד:

“קודם כל הערת ביניים, בסוף פרק שתיים בספר תראו איך זה בנוי… בעצם מה ששמתי פה כמה עקרונות… שמתי למעלה את המסגרת הזאת, את הסכמה הפשטנית.”

נוקלאוטיד מורכב משלושה מרכיבים עיקריים:

1. פוספט:
   • “יש כאן מטענים שליליים… יכול להיות אחד, שניים או שלושה פוספטים.”
   \[\begin{array}{c} \textcolor{orange}{\ce{O}} \\ || \\ \textcolor{orange}{\ce{O^--P}}\ce{-O} \\ | \\ \textcolor{orange}{\ce{O-}} \end{array}\]
2. סוכר:
   • “הסוכר הזה מורכב מחמישה פחמנים, הנה הם מסומנים פה באדום. זה הפחמן החמישי אליו כבר מחובר הפוספט, שימו לב שזה בעצם צורה מעגלית… יש פה חמצן שסוגר בין הפחמן הזה לזה.”
   \[\begin{array}{ccccc} & 5'\textcolor{aqua}{\ce{C}} & & & \\ & | & \textcolor{aqua}{\ce{O}} & & \\ & | / & & \backslash & \\ & 4'\textcolor{aqua}{\ce{C}} & & 1'\textcolor{aqua}{\ce{C}} & \\ & \backslash & & / &\\ & 3'\textcolor{aqua}{\ce{C}} & - & 2'\textcolor{aqua}{\ce{C}} & \\ & | & & | & \\ & \ce{OH} & & \ce{OH} & \\ \end{array}\]
3. בסיס חנקני:
   • “בכולם יש טבעות כאלה עם קשרים כפולים ועם מולקולות חנקן, זה סופר חשוב כי כל הביולוגיה נמצאת בקשרים הכימיים שהבסיסים החנקניים האלה הם מסוגלים ליצור.”
   \[\begin{array}{cccc} & \textcolor{green}{\ce{NH2}} & & \\ & | & & \\ / & & \text{\\\\}\textcolor{green}{\ce{N}} & \\ || & & | & \\ \backslash & & / \backslash\backslash & \\ & \textcolor{green}{\ce{N}} & & \textcolor{green}{\ce{O}} \\ \end{array}\]

המרצה הראה מאמר חדשותי: “לקחתי משהו מהעיתונות ממש מלפני חודשיים… יצאה חזרה איזה גששית… מהחלל היא חזרה ב-2020… לקחה דגימה מאסטרואיד… שמדהים וזה באמת עשה הכותרות בכל העולם שהדגימה הכילה כל מיני מולקולות שהן בעצם הבסיס ליצירה של המולקולות האורגניות שכל החיים עליה אדמות… משתמשים באותו מנגנון.”

בסיסים חנקניים

המרצה הסביר: “חמישה בסיסים חנקניים שהם אבני הבניין של DNA ו-RNA… בדנ”א יש את התימין (T)… בRNA יש את האורציל (U)… שהוא מחליף את התימין.”

חמשת הבסיסים החנקניים הם:

1. אדנין (A) - פורין
   CopyRun

   N—C—N
   ‖   ‖
   C   C—N
   |   |
   N═C—N
   

2. גואנין (G) - פורין
   CopyRun

   O
   ‖
   C—N
   ‖   \
   N—C   N
   |   ‖
   C═N—C
   |
   NH₂
   

3. ציטוזין (C) - פירימידין
   CopyRun

   NH₂
   |
   N═C
   |   \
   O═C   N
       |
       H
   

4. תימין (T) - פירימידין (ב-DNA)
   CopyRun

   CH₃
   |
   C═C
   |   \
   O═C   N
     \   |
      N—H
      |
      O
   

5. אורציל (U) - פירימידין (ב-RNA)
   CopyRun

   H
   |
   C═C
   |   \
   O═C   N
     \   |
      N—H
      |
      O
   

המרצה הדגיש: “לגבי השמות, לא צריך לזכור בעל פה את השמות, תכף יהיה לנו שקף לנומנקלטורה—טבלה עם השמות. צריך להבין את העיקרון… אם תהיה שאלה שמתייחסת לזה, אתם מקבלים את המידע אליכם.”

נומנקלטורה של נוקלאוטידים

המרצה הציג טבלת נומנקלטורה ואמר: “הנה טבלה של ממש, ככה זה מופיע בפאנלים האלה… הדבר הכי חשוב זה ככה: כאשר מחובר בסיס חנקני לסוכר בלבד, קוראים לזה נוקלאוזיד. לא צריך לזכור אוקיי? כאשר יש לנו את כל שלושת המרכיבים… בסיס, סוכר ופוספט… קוראים לזה נוקלאוטיד.”

הוא הוסיף: “תעשו פה מדגם, תתפסו חוקרים ביולוגיים בפקולטה או סטודנטים לדוקטורט בפקולטה, ותשאלו אותם מה ההבדל בין גואנין לגואנוזין, הם לא יזכרו. אוקיי? אבל את העיקרון הם יודעים.”

הבדלים בין DNA ל-RNA

המרצה הסביר את שני ההבדלים העיקריים:

1. בסוכר:
   • “בעמדה הזאתי… זה עמדה שתיים… ב-RNA למעלה, DNA למטה… יש לנו פה שני סוכרים, הם נקראים פנטוזות כי יש להם חמישה פחמנים… וההבדל הוא בעמדה הזאת אז זה ב-RNA וזה ב-DNA לכן DNA נקרא דיאוקסיריבוז, זה הסוכר… ו-R בא מריבונוקלאיק אסיד ו-D בא מדיאוקסיריבונוקלאיק אסיד.”
2. בבסיסים החנקניים:
   • “בבסיסים כמו שאמרנו קודם A G C ו-T זה ב-DNA ב-RNA זה A G C ו-U.”

פולימריזציה של נוקלאוטידים

יצירת שרשראות פולינוקלאוטידים

המרצה הסביר את תהליך חיבור הנוקלאוטידים: “עיקרון מאוד בסיסי בביולוגיה… לא היו חיים עליי אדמות אם לא היה מתפתח, וזה לקח הרבה זמן עד שזה התפתח, מנגנון שיודע לחבר נוקלאוטידים אחד לשני, אחד אחרי השני…”

הוא הראה את התהליך הכימי: “מה שקרה פה… נוצר קשר בין הנוקלאוטיד שהיה חופשי שמה למעלה, בין עמדה שלוש שלו, ה-OH הזה. מזכיר לכם, התקפה נוקלאופילית, כבר למדתם?… התקפה נוקלאופילית זה היה משהו שייצא לכם מכל החורים, אבל תראו, זו גם התשובה לרוב השאלות בתחום.”

“נוצר פה קשר פוספודיאסטרי… לא צריך לזכור בעל פה את השם, אבל אתם תיתקלו בלי סוף, אתם תיתקלו בלי סוף בקשרים פוספודיאסטרים, וזה מה שבונה את השרשרת.”

התגובה הכימית נראית כך:

5'                      5'
|                       |
-O-P=O                  -O-P=O
   |                       |
   O                       O
   |                       |
   CH₂                     CH₂
   |                       |
   O   בסיס₁               O   בסיס₁
  / \                     / \
 |   |                   |   |
 |   |                   |   |
 O   O       +           O   O
     |                       |
     CH₂                     CH₂
     |                       |
     O   בסיס₂               O   בסיס₂
    / \                     / \
   |   |     →             |   |
   |   |                   |   |
   O   O                   O   O
       |                       |
       H                       P=O
                               |
                               O
                               |
                               CH₂
                               |
                               O   בסיס₃
                              / \
                             |   |
                             |   |
                             O   O
                                 |
                                 H
                                 |
                                3'

כיווניות השרשרת

המרצה הדגיש את חשיבות הכיווניות: “עכשיו, מה קיבלנו? שרשרת של שני נוקלאוטידים… והנה קצה חמש חופשי, חמש פריים, פייב פריים, או חמש טאג, והנה קצה שלוש טאג חופשי. זו כל התורה.”

“אפילו אם נעצור עכשיו, ותברחו, למדתם עיקרון מאוד מאוד חשוב בביולוגיה… החיבור של נוקלאוטידים… הם תמיד מתחברים חמש לשלוש.”

לגבי אורך השרשראות: “מה האורך של השרשרות האלה? אצלכם בגוף? דנ”א, מולקולת דנ”א… ארוך מאוד, מאוד מאוד מאוד… מיליונים, עשרות מיליונים, מאות מיליונים… מה שמגביל את זה זה אורך של כרומוזום, כי בכרומוזום יש מולקולה אחת של דנ”א… ב-RNA מגיעים לאלפים, עשרות אלפים, במקרים מסוימים גם מאות אלפים, ב-DNA אנחנו מגיעים למיליוני נוקלאוטידים.”

מבנה ה-DNA הדו-גדילי

הסליל הכפול (Double Helix)

המרצה הסביר: “האם צריך להאמין בזה באמונה עיוורת? זה תמיד תמיד נכון?… בביולוגיה כמעט לכל דבר אפשר למצוא יוצא מהכלל.”

לגבי מבנה ה-DNA: “שני הגדילים מגיבים ביניהם ונשמרים באותו מרחק אחד מהשני על ידי הרבה מאוד קשרי מימן שהם חלשים יותר… ומה שכתוב פה, החיבור פה בין הבסיס החנקני, יהיה מה שיהיה, החיבור לסוכר הוא תמיד על פחמן מספר אחד.”

המרצה הדגיש את העיקרון המכונן: “סוד היכולת להעברת מידע גנטי… גדיל אחד של DNA מכתיב את הרצף בגדיל השני… האפשרות להעביר את המידע הזה בנויה על זה שגדיל אחד משלים את הגדיל השני.”

“מבחינת המספרים, תמיד מספר הנוקלאוטיד עם A בכל גדיל יהיה שווה ל-T… בגלל ש-G תמיד מזווג עם C ו-A עם T, אז אפשר להגיע למשוואה G=C A=T.”

במונחים מתמטיים:

• $A = T$
• $G = C$
• $A + G = T + C$
• $\frac{A + T}{G + C}$ = יחס ייחודי לכל מין

שכפול ה-DNA (רפליקציה)

המרצה הסביר את תהליך השכפול: “כל התאים החיים מהפשוטים ועד התאים שלכם משכפלים את המידע הגנטי שלהם… במישהו שנקרא ‘templated polymerization’, תבנית… שכפול לפי תבנית קיימת.”

“יש לי פה שני גדילים של דנ”א אדומים… ברגע שהפרדתי אותם, כל גדיל אדום יכול לשמש כתבנית לבנייה… של גדיל חדש.”

המרצה הסביר את הרפליקציה הסמי-קונסרבטיבית: “קוראים לזה רפליקציה סמי-קונסרבטיבית… חצי שמרנית, שומרת על גדיל אחד בדיוק כמו שהוא ומשלימה את החסר.”

“דנ”א שלוקחים אותו במבחנה, אפשר להמיס אותו בלי לפגוע בכלל בקשרים הקובלנטיים, שני הגדילים נפרדים אחד מהשני על ידי חימום… קרוב להרתחה, הגדילים נפרדים, אם ניתן לזה להתקרר, הם ימצאו חזרה אחד את השני.”

DNA מקורי:
5'-ATGCTAGCTAGCT-3'
3'-TACGATCGATCGA-5'

לאחר הפרדה:
5'-ATGCTAGCTAGCT-3'
                    +
3'-TACGATCGATCGA-5'

לאחר רפליקציה:
5'-ATGCTAGCTAGCT-3'    (גדיל מקורי)
3'-TACGATCGATCGA-5'    (גדיל חדש שסונתז)

5'-ATGCTAGCTAGCT-3'    (גדיל חדש שסונתז)
3'-TACGATCGATCGA-5'    (גדיל מקורי)

מזלג רפליקציה

“יש לנו משהו שנקרא מזלג רפליקציה… המרצה הראשית בגנטיקה הזדעזעה שהמחזור לפניכם לא שמע על מזלג רפליקציה.”

המרצה הסביר את תהליך השכפול בתאים: “משהו דואג להפריד… זה אנזים… אנזים שיכול לפתוח הליקס… יש גדיל אחד שהפולימרז, שזה האנזים שמפלמר, שמכניס נוקלאוטיד, יכול לרוץ בלי הפסקה, על הגדיל השני כל פעם צריך, הוא כל פעם נחשף רק כאשר מזלג הרפליקציה נפתח.”

“כל התהליך הזה קורה כל הזמן בגוף שלכם, תאים מתחלקים, לפני שהם מתחלקים הם מוכרחים להכפיל את המידע הגנטי שלהם ולדאוג ששני טעי הבת יקבלו בדיוק אותו מידע.”

5' --------------------------> 3'
   |  |  |  |  |  |  |  |  |
   A--T  G--C  C--G  T--A  G--C
   |  |  |  |  |  |  |  |  |
3' <-------------------------- 5'
                ↓
                ↓ (הליקאז פותח את הסליל הכפול)
                ↓
5' -----------------> 3'
   |  |  |  |  |  |
   A--T  G--C  C--G
   |     |     |
   |     |     |
3' <----------------- 5'

                ↓
                ↓ (DNA פולימראז מוסיף נוקלאוטידים)
                ↓

5' -----------------> 3'
   |  |  |  |  |  |
   A--T  G--C  C--G
   |  |  |  |  |  |
   T  A  C  G  G  C
   |  |  |  |  |  |
3' <----------------- 5'

הדוגמה המרכזית של הביולוגיה

המרצה הציג את הדוגמה המרכזית: “הדוגמה המרכזית של הביולוגיה… מושג יסודי המתאר את זרימת המידע הגנטי בתאים חיים… פה מתחיל ונגמר הכל… the take off and landing of everything. הכל בביולוגיה מתחיל ונגמר מהדוגמה המרכזית, מהכיוון זרימה הזה, מ-DNA ל-RNA לחלבונים.”

שלושת השלבים של הדוגמה המרכזית

1. DNA → DNA (רפליקציה):
   • “DNA replication זה בעצם רפלקציה, שכפול של הדנ”א, העניין הזה של ההפרדה והבנייה של גדיל נוסף, זה משהו שתאים חיים מוכרחים את כולם.”
2. DNA → RNA (טרנסקריפציה):
   • “תהליך שנקרא ‘Transcription’, בעברית צריכה טרנסקריפציה. השם של האקדמיה ללשון זה נדמה לי ‘תיעתוק’, בתף. אבל רוב הישראלים אומרים שיעתוק, העיקר שתדעו שזו טרנסקריפציה… יש אנזים שקורא פה את הדנ”א הדו גדלי, הוא יודע איזה גדיל, באיזה גדיל להשתמש כתבנית.”
3. RNA → Protein (טרנסלציה):
   • “המידע מהRNA עובר לחלבון בתהליך שנקרא translation, תרגום. מה זה חלבון? שוב, פולימר… שרשרת ארוכה מאוד עם כיווניות.”

                שכפול (רפליקציה)
                  ↗        ↘
                DNA -------→ DNA
                 |
                 | שעתוק (טרנסקריפציה)
                 ↓
                RNA
                 |
                 | תרגום (טרנסלציה)
                 ↓
              חלבון

יוצאים מן הכלל לדוגמה המרכזית

המרצה הזכיר יוצא מן הכלל: “במערכת יש יוצאים מהכלל… HIV-1… יש לו כל מיני מעטפות, ובפנים יש לו כספת פנימית שנקראת קפסיד. בתוך הקפסיד הזה, הגנום של הווירוס הוא בצורה של RNA… בתוך זה, בפנים יש גם עותקים של אנזים מיוחד מקודד על ידי הווירוס. האנזים הזה, זה האנזים שהולך הפוך לדוגמא. הוא נקרא reverse transcriptase… והוא, מה-RNA הזה, הולך ל-DNA, זאת אומרת, הוא הולך נגד הזרם.”

“האם הווירוס הוא בכלל יצור חי? שאלה הזאת נדחה לקורס במיקרוביולוגיה… כי אם זה סוג של תפיל, האם זה תפיל מולקולרי, וירוסים מנצלים את המערכת של התא שאליו הם פולשים.”

זרימה רגילה:      DNA → RNA → חלבון

יוצא מן הכלל (HIV):   RNA → DNA → RNA → חלבון
                        ↑
                    רברס טרנסקריפטאז

היסטוריה של גילוי התא

בסיום ההרצאה, המרצה חזר לנושא היסטורי: “מי הראשון שגילה את זה? רוברט הוק, אנגליה, אלף שש מאות ומשהו… אפשר לקרוא את הספר שלו, אפשר למצוא את הספר שלו בתור PDF באינטרנט, אנגלית עתיקה כזאת, מדהים.”

“המיקרוסקופ הזה, אתם רואים פה, מנורה ואיזה מכל מים כזה שמגדיל, כדי שיראו פה את הדגימה, הגדלה המקסימלית שהוא הצליח להגיע אליה אז… פי חמישים, והוא הראשון שזיהה תאים.”

“תראו את הציטוט שלו… הוא קיבל מינוי ממלך אנגליה, זה היה הפעם ראשונה שהספר הזה שהוא פרסם… הפך להיות רב מכר… כל החברה הגבוהה נהרה, האצילים נהרו אליו לראות במיקרוסקופ, קרציות, כל מיני דברים שהוא הצליח להגדיל, אבל הוא גם זיהה את אלה, אז אלה התאים הראשונים ומפה הגיע השם.”

המרצה סיים את ההרצאה באומרו שהשיעור הבא יתחיל ביום רביעי בשעה 12:15.

שיעור 2 - עץ החיים והמבנה הבסיסי של התא

מבוא: יסודות ביולוגיה של התא

בקורס זה אנו עוסקים בהגדרות יסוד ובהכנסת הסטודנטים לעניינים הבסיסיים של התא. החומר של שלושת השבועות הראשונים הוא החומר לבוחן האמצע שיהיה אחרי פסח. באוניברסיטה מצפים מהסטודנטים לעבור על החומר אחרי ההרצאות, לעבור על סיכומים, להסתכל, לבדוק ולוודא הבנה. המרצה ממליץ לצפות בסרטון על DNA שהועלה לאתר הקורס, כיוון שהוא חוזר על דברים שהוזכרו בכיתה ומופיעים במצגת.

תגלית התא והתיאוריה התאית

רוברט הוק באמצע המאה ה-17 גילה תאים במיקרוסקופ די פרימיטיבי. הוא הכין חתכים דקים מאוד מקליפה של עץ וראה מבנים שהזכירו לו את המגורים של נזירים (חדרונים קטנים). לכן הוא קרא לזה “סל” (Cell). מה שהוא גילה היה למעשה את היחידה הבסיסית ביותר של החיים.

“התא הוא היחידה הבסיסית ביותר של החיים”

לקח עוד כמעט 200 שנה עד שהגדירו את התיאוריה התאית כהגדרה כללית. החוקרים בחצי הראשון של המאה ה-19 הסתכלו בעיקר על בעלי חיים וצמחים גדולים שהם ראו סביבם, ופחות שמו לב למיקרוביולוגיה, אך הבינו שזה משהו כללי - רקמות מורכבות מסוגי תאים מסוימים, ויחד הן מרכיבות גוף או אורגניזם שלם.

מודל בסיסי של התא

התא מוגדר כיחידת חיים שמחייבת:

1. גבול חיצוני בררני - המאפשר כניסה של חומרי מזון והוצאה של חומרי פסולת
2. אוסף של קטליזטים (אנזימים) - המבצעים את הריאקציות החיוניות לחיים בתנאי הסביבה התאית
3. מנגנון לשימור המידע - כדי שכאשר התא יתחלק לשני תאי בת, לשניהם יהיה כל המידע הדרוש להמשיך הלאה

הקטליסטים (אנזימים) הם לרוב חלבונים המזרזים ומייעלים את התהליכים הביוכימיים של החיים. הגדרה של אנזים או קטליסט היא שהוא מבצע את הריאקציה והוא בעצמו לא משתנה בה. אנזימים מאפשרים ביצוע ריאקציות בטמפרטורת הגוף שללא נוכחותם היו דורשות טמפרטורות גבוהות במעבדה.

הדוגמה המרכזית של הביולוגיה

הדוגמה המרכזית של הביולוגיה מתארת את הזרימה של המידע הגנטי:

DNA → DNA (שכפול/רפליקציה)
DNA → RNA (תעתוק/טרנסקריפציה)
RNA → Protein (תרגום/טרנסלציה)

כל היצורים החיים על פני האדמה, מהווירוסים והחיידקים ועד ליצורים המורכבים ביותר כמו צמחים ובעלי חיים, משתמשים בדיוק באותו קוד ובדיוק באותו עיקרון כדי לשמר את המידע הזה מדור לדור.

לולאות פידבק במערכת הביולוגית

בתוך התא קיימות לולאות פידבק המבטיחות את המשך החיים:

• רצפים ב-DNA מאפשרים מחומר מוצא אחר (חומצות אמינו) לסנתז חלבונים
• DNA ל-DNA זה רפליקציה - משמר את המידע
• DNA ל-RNA - ה-RNA הוא המתווך (בעיקר mRNA)
• RNA משמש לסינתזה של חלבונים
• החלבונים ברובם הגדול הם אותם קטליסטים (אנזימים)

המרצה הזכיר שכדי לשכפל DNA יש לפתוח את מבנה הסליל הכפול, וזה קיים בכל היצורים - בחיידקים, בארכיאה ובאאוקריוטים.

המשורר יהודה עמיחי, שהיה מורה לספרות ולחינוך גופני בגימנסיה רחביה, כתב:

“כשאדם מת אומרים עליו נאסף אל אבותיו. כל זמן שהוא חי, אבותיו נאספים בו, כל תא ותא בגופו ובנפשו הוא נציג של אחת מרבבות אבותיו מתחילת כל הדורות.”

למרות שלא היה ביולוג, עמיחי הבין את העיקרון של המשכיות המידע הגנטי מדור לדור.

עץ החיים והמגוון הביולוגי

העץ בגרסה לא מועדפת:

שלוש הקבוצות הגדולות של החיים

עץ החיים מסווג את כל היצורים החיים לשלוש קבוצות גדולות:

1. בקטריה (חיידקים)
2. ארכיאה (Archaea) - פעם קראו להם ארכיאובקטריה
3. אאוקריוטה (Eukarya) - יצורים בעלי גרעין אמיתי

השערה מקובלת היא שלפני בין 3.5 ל-3.8 מיליארד שנה היה אב קדמון משותף לכל החיים שנקרא LUCA (Last Universal Common Ancestor).

המרצה ציין שיש גרסאות שונות לעץ החיים, וחלק מהענפים מבוססים על קריאת רצפים בלבד. זאת אומרת שחלק גדול מהמיקרואורגניזמים המופיעים בעץ לא ניתנים לגידול במעבדה, והמידע הקיים עליהם מגיע מריצוף DNA מהסביבה.

מתוך הקבוצה האאוקריוטית התפתחו היצורים הרב-תאיים כולל צמחים, פטריות ובעלי חיים. רוב היצורים האאוקריוטיים הם עדיין חד-תאיים, וחלק קטן יחסית התפתח להיות רב-תאי.

המרצה הדגיש כי רובם הגדול של האורגניזמים בסביבתנו (במספר, במינים השונים ובמסה) הם חד-תאיים. אנחנו נוטים לשכוח את החד-תאיים שגדלים אצלנו, אך המסה שלהם בעצם רצינית מאוד.

דוגמאות ליצורים חד-תאיים מכל קבוצה

1. בקטריה: אשריכיה קולי (E. coli)
   • גודל: כ-2-2.5 מיקרון (מיקרון = אלפית מילימטר)
   • מסודרים כמוטות (בצילים)
   • נחקרו במשך שנים רבות
   • חוקרים צרפתים בשנות ה-60 טענו שכל מה שאנחנו צריכים לדעת לרפואה וביולוגיה ניתן ללמוד מאי-קולי
2. ארכיאה: מתאנוקוקוס יאנשי (Methanococcus jannaschii)
   • נשלף מקרקעית הים במפרץ מקסיקו בעומק של כ-2.5 קילומטר
   • אוהב לחיות בטמפרטורה של 85 מעלות
   • טרמופילי - אוהב חום
   • מסוגל לנשום בסביבה חסרת חמצן (אנאירובי)
   • הראשון מקבוצת הארכיאה שרוצף הגנום שלו
   • הסקאלה במיקרוסקופ: חצי מיקרון
   • התגלה גם אסגרד (Asgard) - קבוצת ארכיאה שהתגלתה ע”י מדענים סקנדינבים בעומק של 2.5 קילומטר
3. אאוקריוטה: שמר האפייה (Saccharomyces cerevisiae)
   • גדול יותר מהחיידקים והארכיאה (כ-10 מיקרון)
   • משמש בתעשיית הבירה, היין והאפייה אלפי שנים
   • חד-תא אאוקריוטי עם גרעין
   • מסוגל להתרבות ברבייה מינית ואל-מינית
   • בחתך רואים את הגרעין ומדורים פנימיים נוספים

דוגמאות נוספות לגודל תאים

• ביצית של צפרדע - כ-2 מילימטר (ניתן לראותה בעין בלתי מזוינת), עדיין תא אחד
• תאים עם תפקידים מיוחדים - תאי דם אדומים בוגרים בגוף האדם איבדו את הגרעין שלהם במהלך ההבשלה (יוצאים מהכלל) כדי לפנות מקום לנשיאת חמצן

השוואת רצפים וחשיבותה בביולוגיה מודרנית

השוואת רצפים היא חלק חשוב מאוד בביולוגיה המודרנית. היא חשובה גם לרופאי העתיד, שאולי לא יצטרכו להשוות רצפים בעצמם, אך יצטרכו לדעת לדבר עם ביואינפורמטיקאים או ביולוגים.

טכניקות מודרניות כוללות Next Generation Sequencing, ריצוף עמוק (Deep Sequencing), ו”שעון מוטציות” - ככל שעובר יותר זמן יש יותר שינויים ב-DNA, וזה העיקרון שלפיו משווים גנומים.

ההפתעה הגדולה שהתגלתה בשנות ה-80 הייתה שבעצם הארכיאה קרובים יותר לאאוקריוטים מאשר לבקטריה, וזה שינה את התפיסה על התפתחות החיים.

במהלך השוואת רצפים בין חיידקים, ארכיאה ואדם, ניתן לראות שלמרות מאות מיליוני שנים של אבולוציה יש אזורים מסוימים בגנום שבהם כמעט אין שינויים. אלה הם שרידים ברורים לאב הקדמון המשותף.

(סוף מצגת 1)

(תחילת מצגת 2)

נדבר על:

• Definitions: cell; organism, gene
• Cell boundaries
• Intracellular components (organelles, cytoskeleton)
• Cellular structure determines function

גנים וגנומים

הגדרת גן

גן הוא מקטע או סגמנט של DNA שמקודד:

• בדרך כלל לחלבון אחד (אך לפעמים לכמה וריאנטים של אותו חלבון)
• או לסוג אחד של RNA קטליטי, רגולטורי או מבני

רוב הגנים מקודדים לחלבונים, אך יש גם גנים המקודדים לסוגים שונים של RNA שלא עוברים תרגום לחלבון, כגון:

• tRNA (transfer RNA)
• rRNA (ribosomal RNA)
• וסוגים אחרים של RNA פונקציונליים

גנום ומורכבותו

הגנום מכיל גנים ומכיל המון אינפורמציה שסובבת את הגנים ולפעמים אפילו מצויה בתוכם:

• הוראות הפעלה ליצירה של חלבונים
• הוראות הפעלה ליצירה של סוגים שונים של RNA
• רצפי בקרה רבים המסדירים את פעילות הגנים

בשנת 2000 הייתה מסיבת עיתונאים גדולה עם נשיא ארה”ב ופרנסיס קולינס, והודיעו על הטיוטה הראשונה של הגנום האנושי עם הבטחות גדולות לריפוי כל המחלות. 25 שנה אחרי, למדנו המון אך גם מבינים שיש המון שעדיין לא מבינים. אפילו עם כל המידע הגנטי, עדיין לא בטוחים בדיוק איך לקרוא את כולו.

דוגמה למיקופלזמה ג’ניטליום (Mycoplasma genitalium)

דוגמה ליצור שחי עם 500 גנים בלבד. אין לו דופן תא (בניגוד לאיקולי).

• פתוגן של אנשים שיכול לחיות כפרזיט ביונקים בעלי דם חם
• אין לו דופן תא בניגוד לחיידקים כמו אי-קולי
• כל הגנום שלו הוא 580,070 זוגות בסיסים (מולקולה אחת של DNA דו-גדילי עגולית)
• מכיל 525 גנים:
  • 482 מקודדים לחלבונים
  • 43 מקודדים ל-RNA (פחות מ-10%)
• לפי הספר, זה לא יותר ממה שהיה צריך כדי לשמר את כל הטקסט של פרק אחד בספר

גבול התא וממברנות

חשיבות הגבול התאי

גבול התא חייב להיות בררני ולאפשר הכנסה והוצאה מכוונת של חומרים. כל התאים מוקפים בממברנה חיצונית (קרום חיצוני) הנקראת פלזמה ממברנה.

בתאים אאוקריוטיים יש גם ממברנות פנימיות רבות, כולל ממברנת הגרעין. כל הפעילות של תאים אאוקריוטיים מבוססת על החלוקה למדורים, והפעילות מתחלקת בין מדורים שונים בתא.

במיקופלזמה, שמרים ותאי בעלי חיים - לכולם יש ממברנה. במקרה של השמר יש מסביבו גם דופן, וזה נכון גם באי-קולי ובצמחים.

המרצה הציג דוגמאות לתאים - כמו ביצים.

מבנה הממברנה

ממברנות תאים בנויות בעיקר מפוספוליפידים. לפוספוליפיד יש:

• ראש הידרופילי (אוהב מים)
• שני זנבות או שרשראות הידרופוביות (דוחה מים)

כאשר פוספוליפידים נמצאים בסביבה מימית, הם מתארגנים בשכבה כפולה (בילאייר) שבה:

• הראשים ההידרופיליים פונים לכיוון המים (בפנים ובחוץ)
• הזנבות ההידרופוביים פונים זה לזה באמצע

מבנה זה יוצר וזיקולות (שלפוחיות) שלוכדות בתוכן חלל מימי. לוזיקולות כאלה יש חשיבות רבה במדע המודרני וברפואה:

• חיסוני mRNA לקורונה כללו “ננו-חלקיקים” שהם וזיקולות מתוחכמות להובלת ה-RNA
• קשור גם לכל הסיפור של שומנים בגוף, כמו סטטינים, בדיקות קולסטרול, טריגליצרידים, LDL ו-HDL

תפקוד הממברנה

הממברנה היא “חצי-חדירה” (סמי-פרמאבילית):

• יש חומרים שיכולים לעבור דרכה ישירות
• חומרים רבים אחרים דורשים חלבוני הובלה מיוחדים

חלבונים בממברנה יכולים לשמש כ:

• טרנספורטרים - להעברת חומרים כמו גלוקוז, יונים, וחומצות אמינו
• קולטנים - לתקשורת בין תאים בגוף רב-תאי

תאים חיים משקיעים אנרגיה לעתים קרובות כדי:

• להעביר חומרים דרך הממברנה בניגוד למפל הריכוזים
• לאגור חומצות אמינו בניגוד למפל הריכוזים
• לסלק פסולת החוצה מהתא

סיכום וארגון הקורס

הקורס מתמקד ביסודות הביולוגיה התאית, מתחיל בהיסטוריה של תגלית התא ועובר למבנה ותפקוד בסיסי של תאים, כולל מושגי יסוד כמו DNA, RNA, חלבונים, המגוון הביולוגי ומבנה הממברנה.

בהמשך הקורס ידונו בנושאים כמו:

• מבנה הממברנה הביולוגית (בהרצאות של ד״ר שי)
• טרנספורט דרך ממברנות
• מנגנונים של טרנספורט
• מבנה התא האאוקריוטי ומדוריו
• עברונים תוך-תאיים (אורגנלות)
• השלד התוך-תאי (ציטוסקלטון)
• מושגי יסוד גנטיים

המרצה יפרסם תרגילי רשות לקראת בוחן האמצע כדי לסייע בהבנת החומר. התרגילים לא להגשה אלא לתרגול עצמי. בנוסף, יפורסמו דוגמאות לבוחן האמצע.

המרצה מעודד את הסטודנטים לשלוח אליו שאלות במייל, והוא יענה ואף יפרסם תשובות באתר. הוא מדגיש את חשיבות החזרה על החומר ומציין שאין צורך לשנן שמות חוקרים או מספרים, אלא להבין את העקרונות.

שיעור 3 - תאים חיים, אורגנלות, ATP, ציטוסקלטון ודינמיקה תאית

הודעות אדמיניסטרטיביות

שבוע שעבר הייתה בעיה עם העלאת ההקלטה לענן - לקח כמעט יממה עד שההקלטה עלתה. אני משתדל להעלות את ההקלטות כמה שיותר מהר. אם יש בעיות או דברים שאתם מתקשים בהם במיוחד, תפנו אליי דרך יובל והנציגים.

פרסמתי תרגיל/שאלות חזרה (רשות). יש כאלה שכבר הסתכלו בו, אני אפרסם גם פתרון לפני סוף השבוע. תחזירו פידבק אם זה עוזר לכם למקד את הלמידה. למי שעוד לא ניסה - אני ממליץ לגשת, לפתוח את זה, להסתכל על השאלות, ואם לא יודעים לפתור - לפתוח את המצגות. גם אם כבר פורסם פתרון, לא לרוץ ישר אליו. זה העיקרון בקורס הזה - אין תרגילי חובה ואין מתרגל או עוזרי הוראה, אבל אם זה עוזר, יכול להיות שגם בשבוע הבא נעשה דבר כזה.

מבחינת החומר, אני ממשיך כמו שתוכנן. אתם תדעו מה רלוונטי לבוחן האמצע אחרי הפסח והכל לפי התוכנית.

מאפיינים כלליים של היצורים החיים

זה נושא שכבר הזכרנו מוקדם יותר במצגת הקודמת. זה נושא מרכזי בפרק הראשון - המאפיינים הכלליים של כל היצורים החיים.

1. מבנה תאי וממברנות

כל היצורים החיים, החל מחיידקים דרך ארכאה (שתי הקבוצות האלה הם מיקרואורגניזמים חד-תאיים שבהם התא האחד הוא גם כל האורגניזם), ועד ליצורים איוקריוטיים (אאוקריוטיים) - כולם מורכבים מתאים.

כל תא חי מוקף בממברנה (קרום בררני). הממברנה מאפשרת כניסה של חומרי מזון והוצאה של פסולת.

כשמדברים על יצור רב-תאי, יש סוגים שונים של תאים ורקמות שמתקשרות ביניהם.

כשמדברים על אאוקריוטים, מתחילים מאותן קבוצות של מיקרואורגניזמים חד-תאיים, אבל אחר כך מגיעים לצמחים ובעלי חיים שהם רב-תאיים.

2. שכפול המידע הגנטי

דוגמה לזיווג בסיסים ($\text{A} \leftrightarrow \text{T}$, $\text{G} \leftrightarrow \text{C}$)

כל התאים החיים משתמשים בעיקרון של שכפול המידע הגנטי שלהם והעברה שלו מתא לתא ומדור לדור.

דיברנו על עניין ה-DNA הדו-גדילי ועל הסינתזה של פולימר לפי תבנית קיימת (templated polymerization). עיקרון עבודה זה מבוסס על הפרדת שני גדילים ועל כל גדיל מסנתזים גדיל משלים. העיקרון הוא זיווג בסיסים - A תמיד מזווג עם T, ו-G עם C.

זהו תהליך מאוד מורכב ומבוקר, ויש מערכת שלמה של קטליזטורים (אנזימים) שתפקידה לבצע את הסינתזה לפי התבנית בצורה מדויקת.

3. אנרגיה בתאים

כל התאים החיים דורשים אנרגיה חופשית. בכל היצורים החיים, האנרגיה הזאת מגיעה בעצם מקשרים כימיים במולקולות מזון.

אבל יש גם כאלה שמייצרים - שמשתמשים באנרגיה של השמש, כמו צמחים, עצים ומיקרואורגניזמים שעושים פוטוסינתזה. יש גם “יצרנים ראשונים” שמכניסים את האנרגיה למערכת, וזה לא רק פוטוסינתטיים. יש גם נישות מסוימות שבהן אפשר לנצל אנרגיה תרמית או כימית.

ATP - מטבע האנרגיה

השחקן המרכזי בהעברת אנרגיה בתא הוא מולקולת ה-ATP. זהו נוקלאוטיד המורכב מ:

• בסיס חנקני (אדנין)
• סוכר ריבוז
• שלושה פוספטים מחוברים לפחמן בעמדה חמש

הקשרים בין הפוספטים (זרחנים) בעמדות 1-2 ו-2-3 הם קשרים עתירי אנרגיה (phosphoanhydride). כל העולם החי משתמש בעיקרון זה של העברת אנרגיה ממקום למקום, ממולקולה למולקולה, בתוך התא. ATP הוא “מטבע עובר לסוחר” במערכות ביולוגיות, אך הוא לא המטבע האנרגטי היחיד.

התא כמפעל

כל התאים החיים הם למעשה סוג של מפעל עם פעילות אנזימטית-ביולוגית. מעתה נתמקד יותר בתאים איוקריוטיים, ובפרט בתאים של בעלי חיים ובני אדם.

למה התא האיוקריוטי דומה למפעל?

• תאים איוקריוטיים מתאפיינים בחלוקה למדורים
• מדור אחד שכמעט תמיד קיים הוא הגרעין, שבתוכו הגנום
• יש “חדר בקרה” עם כל המידע (מעין מרכז נתונים/בסיס נתונים)
• יש מדור שאחראי על ייצור אנרגיה או קבלת אנרגיה מקשרים כימיים במולקולות מזון
• יש מדורים ספציפיים נוספים לפעולות שונות
• יש מערכות אריזה ושינוע
• כניסה ויציאה מהתא מבוקרים

מבנה התא האיוקריוטי

מבנה התא האיוקריוטי - מקלוד

תא איוקריוטי הוא תא בעל גרעין אמיתי - “כספת פנימית” שבתוכה שמור הגנום. אך זה לא בידוד מוחלט - חייב להיות מעבר מידע פנימה והחוצה.

מאפיינים עיקריים של תאים איוקריוטיים

1. גרעין תא - מוקף בשתי ממברנות. בתוכו יש מדור פנימי שלא מופרד בממברנה - הגרעינון (nucleolus).

   

2. אורגנלות - מדורים תוך-תאיים המוקפים בממברנה:
   • מיטוכונדריה
   • רשת אנדופלסמטית
   • מערכת גולג’י
   • ליזוזומים
   • ועוד

   הערה: יש מדורים שאינם מופרדים בממברנה, כמו הגרעינון (nucleolus), שהוא מוגדר כאורגנלה למרות שאין לו ממברנה.

3. ציטוסקלטון - רשת של סיבים חלבוניים שנותנים לתא את צורתו ותומכים בתנועה:
   • מיקרוטובולים (microtubules) - הסיבים הירוקים והגדולים יותר
   • אקטין (actin) - הסיבים האדומים והדקים ביותר
   • סיבי ביניים (intermediate filaments) - הסיבים הכחולים

   

הסיבים האלה הם חלבונים עם נטייה להתפלמר (ליצור שרשרות ארוכות). הם דינמיים - מתארכים ומתקצרים. תא איוקריוטי לא יכול להתקיים בלי ציטוסקלטון ובלי הדינמיות הזאת של התארכות והתקצרות.

דינמיות בתא

הוצג סרטון על אמבה.

התא הוא לא רק מבנה סטטי אלא מערכת דינמית ביותר:

• האורגנלות נעות בתוך התא לאורך מסלולים שנבנים על ידי הציטוסקלטון
• תאים שזזים מראים דינמיות רבה
• הסביבה בתוך התא אינה רק מימית אלא צמיגה וצפופה

תמונות לא ברורות

הוצגו תמונות של מיטוכונדריה (מיטוכונדריון אחד, מיטוכונדריה רבים).

משהו על מבוך.

בצד הריבוזום - המכונה הביולוגית שמסנתזת חלבונים.

תשובות לשאלות - מה ההבדל בין ציטוסול לציטופלזמה?

ציטופלזמה וציטוסול

• ציטופלזמה - כל מה שנמצא בתוך התא ולא בגרעין
• ציטוסול - החלק הנוזלי של הציטופלזמה (החומר בין האורגנלות ומערכת השלד התוך-תאי)
• חשוב מאוד להבין: הציטוסול אינו “נוזל מימי דליל” אלא סביבה צמיגה וצפופה מאוד, “כמו דבש”
• הצפיפות הגבוהה הזו משפיעה על כל התהליכים המתרחשים בתא

מפה לא ברורה

זה מפגש ראשון שבו יש פירוט של המדורים העיקריים. המטרה היא בעיקר להציג.

…

ER

גולג׳י אפרטוס - אחראי על modification and packaging

תאים אפיתליאליים ופאגוציטוזה - דוגמאות לקשר בין מבנה ותפקוד

מהשיעור הקודם למדנו על מרכיבים בסיסיים של התא האיוקריוטי. כעת נסתכל על שתי דוגמאות ספציפיות המראות כיצד שינויים במרכיבים הבסיסיים האלה מאפשרים לתאים לבצע פעילויות ייחודיות. הדוגמאות הן:

1. תאים אפיתליאליים עם ציטוסקלטון שעבר ארגון לצורה פולרית
2. פאגוציטוזה - תהליך שבו תא “טורף” בולע תא “נטרף” (למשל חיידק)

דוגמה 1: תאים אפיתליאליים עם פולריות

תאים אפיתליאליים מהווים שכבה חיצונית מגינה בגוף. הם נמצאים בעור (אפידרמיס), במעי, בריאות, ובמקומות רבים אחרים בגוף. מה שמאפיין תאים אלה הוא הפולריות שלהם - יש להם צד אפיקלי וצד בזאלי.

מבנה התאים האפיתליאליים

• צד אפיקלי - פונה לסביבה החיצונית או לחלל האיבר (כמו חלל המעי)
  • מאופיין בפיתולים דמויי שערות שנקראים מיקרווילי (microvilli)
  • הפיתולים מגדילים את שטח הפנים לספיגה

  • מכיל סיבי אקטין (הסיבים האדומים) מאורגנים באלומות שמאפשרות את יצירת המיקרווילי

    

• צד בזאלי - הצד הפונה לפנים הגוף
  • מחובר למטריקס החוץ-תאי (חומר בין התאים)
  • “בזאלי” = בסיסי, כמו קומת קרקע או מסד
• חיבורים בין התאים - התאים האפיתליאליים צמודים זה לזה בנקודות חיבור מיוחדות:
  • יוצרים שכבת הגנה הרמטית שלא מאפשרת מעבר חופשי מהחלל החיצוני לתוך הגוף

  • מחוזקים על ידי סיבי הציטוסקלטון (במיוחד הסיבים הכחולים - סיבי הביניים) שעוברים מחיבור לחיבור

    

תפקיד הציטוסקלטון בתאים אפיתליאליים

• אקטין (סיבים אדומים) - מאורגן באלומות בצד האפיקלי, מאפשר את יצירת המיקרווילי והגדלת שטח הפנים לספיגה

• מיקרוטובולים (סיבים ירוקים) - משמשים כ”אוטוסטרדה” להעברת חומרים מהצד האפיקלי לצד הבזאלי
  • מאפשרים קליטה מבוקרת של חומרי מזון מהמעי והעברתם פנימה לשכבות הפנימיות של הגוף
• סיבי ביניים (סיבים כחולים) - מחברים בין נקודות הצמדה של התאים ומייצבים את המבנה

מטריקס חוץ-תאי

• בצד הבזאלי של התאים האפיתליאליים נמצא המטריקס החוץ-תאי
• זהו מבנה של סיבים חלבוניים חוץ-תאיים שמייצרים את ה”קומת מסד” שעליה בנוי האפיתל
• בתאים אחרים (כמו פיברובלסטים בעור) הסיבים החוץ-תאיים מפוזרים בסביבה, אך באפיתל הם מאורגנים רק בצד הבזאלי

דוגמה 2: פאגוציטוזה

פאגוציטוזה היא תהליך שבו תא “אוכל” גוף זר (מיוונית: “פאגו” = לאכול).

התמונה במצגת היא תצלום נדיר ממיקרוסקופ אלקטרונים, המראה שני אירועים שהתרחשו בו-זמנית:

1. נויטרופיל (תא דם לבן מהמערכת החיסונית) בתהליך בליעה של חיידק
2. החיידק נמצא בתהליך חלוקה לשני תאי בת

תהליך הפאגוציטוזה

1. זיהוי ורדיפה - הנויטרופיל מזהה את החיידק באמצעות רצפטורים על הממברנה החיצונית ומסוגל לרדוף אחריו (תוך שימוש בציטוסקלטון לתנועה)

   

2. היצמדות - כאשר הנויטרופיל פוגש את הטרף:
   • הוא נצמד אליו בצורה הדוקה
   • הממברנה של התא הטורף יוצרת מגע ישיר עם הממברנה/דופן של החיידק

   

3. בליעה - התא מקיף את החיידק באמצעות שלוחות של הממברנה החיצונית:
   • פולימריזציה של אקטין דוחפת את הממברנה קדימה ויוצרת “רגליים מלאכותיות” (פסאודופודיות)
   • התא מקיף את החיידק ויוצר מעין “מפרץ” סביבו
4. עיכול - לאחר שהחיידק נבלע:
   • הוא נכנס לתוך התא בתוך שלפוחית ממברנלית
   • ליזוזומים (אורגנלות המכילות אנזימים מפרקים) מתמזגים עם השלפוחית
   • החיידק מתעכל ומתפרק לחלוטין

הקשר בין מבנה לתפקוד בפאגוציטוזה

• ציטוסקלטון - מאפשר תנועה מכוונת ורדיפה אחרי הטרף
• רצפטורים על פני הממברנה - מזהים את החיידק הזר
• גמישות הממברנה - מאפשרת הקפה והצמדות לממברנה של הנטרף
• אורגנלות תוך-תאיות (ליזוזומים) - מבצעות את עיכול החיידק

סיכום ביניים - הקשר בין מבנה לתפקוד בתאים

הדוגמאות שראינו ממחישות עיקרון חשוב: אותם מרכיבים בסיסיים מתארגנים בצורה שונה בהתאם לפונקציה הייחודית של התא.

בתאים האפיתליאליים:

• הציטוסקלטון מאורגן בצורה פולרית (אפיקלי-בזאלי)
• האקטין יוצר מיקרווילי בצד האפיקלי להגדלת שטח הפנים
• המיקרוטובולים יוצרים “אוטוסטרדות” להעברת חומרים
• סיבי הביניים מייצבים את המבנה

בתאים פאגוציטיים:

• שימוש בציטוסקלטון לתנועה ורדיפה
• גמישות הממברנה להקפת הטרף
• תיאום בין שינויים בממברנה ותנועת הציטוסקלטון
• שימוש באורגנלות לעיכול הטרף

אנרגיה בתהליכים תאיים

(בתשובה לשאלה של עידן)

חשוב לציין שכל התהליכים הדינמיים האלה דורשים אנרגיה רבה:

• רוב האנרגיה בתאים חיים מושקעת בשני תהליכים עיקריים:
  1. תנועתיות והעברת חומרים ממקום למקום (כולל פולימריזציה של הציטוסקלטון)
  2. קליטה והוצאה של חומרים כנגד מפל הריכוזים (להתגבר על האנטרופיה)
• שימוש באנרגיה (ATP) מאפשר לשמור על הסדר הפנימי בתאים בניגוד לנטייה האנטרופית של מערכות ביולוגיות

מיטוכונדריה - “תחנת הכוח” של התא

היסטוריה וגילוי

• מיטוכונדריה (ביחיד: מיטוכונדריון) זוהו לראשונה כבר בשנת 1850, עוד לפני המצאת המיקרוסקופ האלקטרוני
• בשנת 1957 הוגדרו כ-“powerhouse of the cell” (תחנת הכוח של התא)
• במהלך השנים פענחו חוקרים את המבנה והתפקוד המדויק שלהן

תפוצה בעולם החי

• מיטוכונדריה נמצאות כמעט בכל התאים האיוקריוטיים ללא יוצא מן הכלל
• אפילו תאי זרע, שאיבדו את רוב האורגנלות שלהם, שמרו על המיטוכונדריה כי הם זקוקים לאנרגיה לצורך תנועה
• המיטוכונדריה הן האורגנלות האחראיות על ייצור אנרגיה בתא (כפי שהוצג בהסבר על “המפעל” התאי)

מבנה המיטוכונדריה

מערכת ממברנות ייחודית

• שתי ממברנות נפרדות:
  • ממברנה חיצונית - עוטפת את כל האורגנלה
  • ממברנה פנימית - יוצרת פיתולים רבים הנקראים “קריסטי” (Cristae בלטינית)

• הפיתולים של הממברנה הפנימית מגדילים משמעותית את שטח הפנים, מה שמאפשר יותר פעילות מטבולית

• בחתכים במיקרוסקופ אלקטרוני ניתן לראות בבירור את שתי הממברנות ואת הפיתולים של הממברנה הפנימית

• המרחב בין שתי הממברנות מופרד מהציטוזול (הנוזל התוך-תאי), מה שיוצר סביבה מבוקרת ומוגנת לתהליכים המטבוליים

תפקוד המיטוכונדריה

נשימה תאית

• המיטוכונדריה מקיימות נשימה אירובית - תהליך הפקת אנרגיה בסביבה עשירה בחמצן
• חשוב להבחין: כשמדברים על נשימה אירובית או אנאירובית, מדובר בתהליכים המתרחשים בתוך התאים
• השאלה המכרעת היא האם יש מספיק חמצן זמין במיקרו-סביבה התאית

הפקת אנרגיה

• המיטוכונדריה רותמות אנרגיה מקשרים כימיים במולקולות מזון
• האנרגיה הכימית הזו משמשת לייצור ATP (מטבע האנרגיה של התא)
• רוב הריאקציות הביוכימיות המעורבות בתהליך זה מתרחשות בממברנה הפנימית ובפיתולים שלה
• תהליכים אלה יילמדו לעומק בקורסי ביוכימיה

הדינמיות של מיטוכונדריה

תנועה ושינוי צורה

• בניגוד למה שנראה בתמונות סטטיות, מיטוכונדריה בתאים חיים הן אורגנלות דינמיות מאוד
• הן מסוגלות להתחלק ולהתמזג באופן קבוע
• בזכות טכניקות מיקרוסקופיה מתקדמות (כמו מיקרוסקופיה פלואורסנטית) ניתן לצפות בתהליכים אלה בתאים חיים

ניידות בתא

• מיטוכונדריה יכולות לנוע בתוך התא לאזורים שבהם יש צורך באנרגיה
• דוגמה טובה היא תאי עצב (נוירונים) - המיטוכונדריה נעות לאורך האקסון (הסיב העצבי) כדי לספק אנרגיה גם בקצוות המרוחקים של התא
• התנועה מתאפשרת לאורך “האוטוסטרדות” של התא - מערכת המיקרוטובולים (חלק מהציטוסקלטון)
• כך התא יכול לשנע את מקורות האנרגיה שלו למקומות בהם הם נדרשים ביותר

מקור המיטוכונדריה

תיאוריית האנדוסימביוזה

• אחת השאלות המרתקות היא: מאיפה הגיעו המיטוכונדריה?
• המיטוכונדריה נראות כמעט כמו חיידקים בתוך התא
• הן מכילות גנום משלהן ו-DNA משלהן
• למרות זאת, הן אינן עצמאיות ואינן מתפקדות באופן עצמאי מהתא המארח

המשך בשיעור הבא: תיאוריית האנדוסימביוזה.

שיעור 4 - מיטוכונדריה והתיאוריה האנדוסימביוטית, תחילת כימיה

הודעות מנהליות

• בוטל שיעור אחד בגלל חירום, אך אנחנו בקצב שאפשר להסתדר איתו
• לכולם יהיה ברור איזה חומר משלושת השבועות הראשונים רלוונטי לבוחן האמצע (שמתקיים בעשירי באפריל)
• פורסם פתרון לתרגיל הכיתה, וייתכן שיהיה עוד תרגיל בשבוע הבא

מיטוכונדריה - המשך מהשיעור הקודם

מבנה המיטוכונדריה

• שתי ממברנות: ממברנה חיצונית חלקה וממברנה פנימית עם פיתולים רבים
• הפיתולים מגדילים את שטח הפנים של הממברנה הפנימית
• האתר של ייצור אנרגיה בתוך תאים

מקור האנרגיה

• ביצורים חד-תאיים (מיקרואורגניזמים), מקור האנרגיה הוא המיטוכונדריה
• גם בגוף שלנו, שהוא רב-תאי עם רקמות שונות, המיטוכונדריה היא מקור האנרגיה בתוך התא

דינמיות המיטוכונדריה

• כפי שראינו בסרטון “מיטוכונדריאל דיינמיקס”, המיטוכונדריה כל הזמן מתפצלות, מתחברות וזזות
• מתקבל רושם כאילו זה יצור חי קטן שחי בתוך התא הגדול יותר

התיאוריה האנדוסימביוטית

מהי התיאוריה?

• התיאוריה עוסקת בשאלה מאיפה הגיעו המיטוכונדריה
• זו תיאוריה מדעית מבוססת שהתפתחה במשך עשרות שנים
• “אנדוסימביוזה” או “סימביוג’נסיס” = יצירה על ידי סימביוזה

מהי סימביוזה?

• יחסי גומלין בין יצורים שונים
• המערכת של אחד תורמת למערכת של השני ולהפך
• שני הצדדים מרוויחים (בניגוד לטפילות, שבה צד אחד מרוויח וצד אחד מפסיד)

המודל המוצע

• לפני כ-2 מיליארד שנה, בעולם שבו התקיימו רק פרוקריוטים (בקטריה וארכיאה)
• האטמוספרה הייתה ענייה מאוד בחמצן, אך החלה להתעשר בחמצן
• תא ארכיאה (ארכיאון) וחיידק (בקטריה) חיו יחד בסימביוזה ובסופו של דבר התמזגו לייצור אחד
• החיידק היה כנראה חיידק שידע להסתדר עם חמצן (יכול לבצע נשימה אירובית)
• ארכיאון לא יכל להשתמש בחמצן (אנאירובי), ולכן היחסים היו מועילים לשניהם

עדויות התומכות בתיאוריה

1. דמיון בגודל - מיטוכונדריה דומות לחיידקים בגודלן
2. דמיון באופן התרבות - מיטוכונדריה מתחלקות בצורה דומה לחיידקים
3. קיום גנום עצמאי - למיטוכונדריה יש גנום משלהן
4. מאפייני הגנום - הגנום המיטוכונדריאלי:
   • קטן
   • מעגלי
   • דומה לכרומוזום של חיידק
   • רצפי DNA דומים יותר לגנומים חיידקיים
5. ריבוזומים ותרגום חלבונים - בתוך המיטוכונדריה מתרחש תרגום חלבונים בעזרת ריבוזומים ייחודיים

אסגארד ארכיאה - תגלית חדשה התומכת בתיאוריה

מהם אסגארד ארכיאה?

• תאים מקבוצת הארכיאה שהתגלו לאחרונה (לא הופיעו במהדורות קודמות של הספר)
• השם “אסגארד” מקורו במיתולוגיה הנורדית
• היה קשה מאוד לבודד ולגדל אותם בתרבית

הממצאים

• מדענים יפנים עבדו במשך 12 שנה לבידוד וגידול האורגניזם
• הדגימות נאספו מקרקעית האוקיינוס בעומק של 2.5 ק”מ
• בתנאים האופטימליים שנמצאו, התא מתחלק פעם ב-20 יום (לעומת חיידק רגיל שמתחלק כל 20 דקות)
• התא חי בסביבה כמעט נטולת חמצן

המבנה והקשר לתיאוריה האנדוסימביוטית

• לתא יש שלוחות דומות למה שמתואר במודל התיאורטי
• התא חי בסימביוזה עם שני סימביונטים חיצוניים (אקטוסימביונטים): חיידק וארכיאון
• אי אפשר לגדל את היצור ללא הסימביונטים שצמודים אליו
• הגנום שלו דומה יותר לאאוקריוטים מאשר לארכיאה פשוטים או חיידקים
• הממצא מציע שאסגארד ארכיאה יכולים להיות קרובים לאב הקדמון של האאוקריוטים

המכניזם האפשרי לאנדוסימביוזה

שלבים אפשריים

1. ectosymbiont (סימביונט חיצוני) - החיידק חי צמוד לתא הארכיאה מבחוץ
2. entangle (הסתבכות) - החיידק מסתבך בשלוחות של תא הארכיאה
3. engulf (בליעה) - תא הארכיאה בולע את החיידק, יוצר מעין “מפרץ”
4. endogenize (הפנמה) - החיידק נשאר בתוך מעטפת בתא המארח
5. מיזוג - התמזגות לייצור אחד

הקשר לפאגוציטוזה

• התהליך מזכיר את הפאגוציטוזה שנצפתה בשיעור הקודם
• בפאגוציטוזה, תא ממערכת החיסון בולע חיידק פולש זר ואז מעכל אותו
• במקרה של אנדוסימביוזה, החיידק לא עבר עיכול אלא נשאר חי בתוך התא המארח

שאלות ואתגרים לתיאוריה

• התיאוריה עדיין משתנה ומתפתחת
• יש שאלות פתוחות לגבי המכניזם המדויק והזמן שבו התרחש האירוע
• במשך מיליארדי שנים חלו שינויים רבים, כולל העברת גנים מהמיטוכונדריה לגרעין
• תיאום בין הגנום המיטוכונדריאלי לגנום הגרעיני הוא אתגר מורכב

דוגמה לפאגוציטוזה בטבע: דידיניום

• דידיניום הוא יצור אאוקריוטי חד-תאי ענק (כ-100 מיקרון בגודלו)
• שוחה בשלוליות במהירות באמצעות סיליה (ריסים) שזזים כמו שוטונים
• יכולות מיוחדות של דידיניום:
  • מסוגל לזהות סימנים כימיים בסביבה ולרדוף אחרי הטרף
  • יכול לשחרר “חיצי הרדמה” שמשתקים את הטרף
  • מבצע פאגוציטוזה - נצמד לטרף, יוצר מעין “מפרץ” (engulfment) עם הממברנה
  • הטרף הנבלע מתחבר לליזוזומים/פרוקסיזומים ומעוכל לחלוטין

הקשר לתיאוריה האנדוסימביוטית

• התהליך מדגים כיצד תא אחד יכול לבלוע תא אחר
• בניגוד לפאגוציטוזה רגילה, באנדוסימביוזה התא הנבלע לא עוכל אלא נשאר חי בתוך התא המארח
• יצירת הקונטקסט להבנת כיצד אירוע אנדוסימביוטי יכול היה להתרחש

אירועי אנדוסימביוזה נוספים

• לא רק המיטוכונדריה נוצרו מאירוע אנדוסימביוטי
• כלורופלסטים - אורגנלות בתאי צמחים:
  • נוצרו כנראה מחיידק שיכול לבצע פוטוסינתזה
  • היתרון: ניצול אור השמש להפיכתו לאנרגיה כימית ויצירת מזון
  • צמחים מודרניים מלאים בכלורופלסטים שהם כנראה תוצר של אירוע אנדוסימביוטי נוסף
  • בטבע, יצרנים ראשוניים (אורגניזמים שמבצעים פוטוסינתזה) מהווים בסיס לשרשרת המזון
• תאים איוקריוטיים שמבצעים פוטוסינתזה נושאים עדות לשני אירועי אנדוסימביוזה:
  1. בליעת חיידק שהפך למיטוכונדריה
  2. בליעת חיידק פוטוסינתטי שהפך לכלורופלסט

התיאוריה האנדוסימביוטית ועץ החיים

• עץ החיים מראה את ההתפתחות של כל האורגניזמים מאב קדמון משותף

• LUCA (Last Universal Common Ancestor) - האב הקדמון המשותף האחרון של כל החיים

• LECA (Last Eukaryotic Common Ancestor) - האב הקדמון המשותף האחרון של כל האיוקריוטים:
  • התפתח מתא ארכיאה שעבר אירוע אנדוסימביוטי
  • הנקודה שאחריה התפצלו הענפים לצמחים, פטריות ובעלי חיים
• התיאוריה גורסת שכנראה היה אירוע אנדוסימביוטי בודד (או מספר אירועים קרובים מאוד בזמן) שהביא ליצירת המיטוכונדריה:
  • הוכחה: המיטוכונדריה בכל היצורים האיוקריוטיים (צמחים, בעלי חיים ופטריות) דומות מאוד זו לזו
  • האירוע התרחש לפני כ-1.5-2 מיליארד שנה

הגנום ההיברידי של תאים איוקריוטיים

• תאים איוקריוטיים מאופיינים בגנום היברידי - תוצאה של האירוע האנדוסימביוטי:
  • גנום גדול בגרעין התא
  • גנום קטן במיטוכונדריה (בעל מאפיינים פרוקריוטיים)
• לגנים ממקור פרוקריוטי יש “חותמת”/מאפיינים ניתנים לזיהוי:
  • הגנום המיטוכונדריאלי דומה יותר לגנום של חיידקים מודרניים
• רוב הגנים המיטוכונדריאליים המקוריים לא אבדו אלא נדדו לגרעין התא:
  • תהליך שיילמד בהרחבה בקורסי ביולוגיה מולקולרית וגנטיקה
  • מנגנוני בקרה מורכבים מוודאים שהחלבונים המיוצרים מגנים אלו בציטופלזמה יגיעו בחזרה למיטוכונדריה
• גם במיטוכונדריה יש ריבוזומים ומתרחש תרגום של חלבונים
  • תופעה דומה קיימת גם בכלורופלסטים

סיכום ומעבר לנושא הבא

• הביולוגיה המודרנית אינה יכולה להתקיים ללא הבנת ה-DNA (“הדוגמה המרכזית של הביולוגיה”)
• הנושא הבא: הכימיה של החיים, קטליזה ושימוש באנרגיה (כולל ATP)
• קיימת חפיפה עם קורס הכימיה האורגנית, אך הסדר אינו בהכרח מתואם
• הנושאים הבאים הם עקרונות בסיסיים בביוכימיה ובאנרגטיקה של התא

הערות אדמיניסטרטיביות

• זהו חומר לבוחן האמצע
• ההרצאות והמצגות זמינות באתר הקורס (כולל בפורמט PDF)
• חשוב להתחיל להסתכל על החומר בספר, גם למי שקשה עם האנגלית

ביולוגיה של התא - כימיה של החיים

פתיחה ומבט כללי

בהרצאה זו (מצגת שלוש) אנו עוסקים בכימיה של החיים - הכימיה המתרחשת בתוך תאים, כולל יצורים חד-תאיים. נעסוק בנושאים הבאים:

• מקור האנרגיה בתאים
• קטליזה (זירוז תהליכים כימיים)
• מקרומולקולות ביולוגיות

אמנם קיימת חפיפה עם קורס הכימיה האורגנית, אך הסדר אינו בהכרח מתואם. אנו נבחן את העקרונות הכלליים בלבד, ללא כניסה לעומק של כל הריאקציות הביוכימיות.

הבסיס הכימי של החיים

הספר מדגיש שאין שום דבר בתאים חיים שמפר את חוקי הפיזיקה והכימיה. בעבר היו אמונות כמו “פריפורמציוניזם” (שבתא הזרע או הביצית יש כבר “אדם קטן” שפשוט גדל), אך המדע המודרן הראה שהכל ניתן להסבר באמצעות תהליכים כימיים.

עקרונות מרכזיים

1. סביבה מימית - כל הריאקציות הכימיות בתאים מתרחשות בסביבה מימית
2. תרכובות מבוססות פחמן - רוב החומרים בתאים הם תרכובות אורגניות
3. מקרומולקולות - רוב אטומי הפחמן בביוספרה נמצאים במקרומולקולות ביולוגיות

היסודות הכימיים בתאים

יסודות מרכזיים

בטבלה המחזורית ניתן לראות היסודות החשובים לחיים:

• ארבעת היסודות העיקריים (99% מהאטומים בתאים):
  • פחמן (C)
  • חמצן (O)
  • מימן (H)
  • חנקן (N)
• יסודות חשובים נוספים:
  • נתרן (Na), מגנזיום (Mg), אשלגן (K), סידן (Ca), זרחן (P)
  • יסודות קורט (trace elements) נמצאים בכמויות זעירות
• מים מהווים כ-70% מכל יצור חי

תכונות המים

• למולקולת המים יש דיפול חזק
• נוצרים קשרי מימן בין מולקולות מים
• בטמפרטורת הגוף כ-15% ממולקולות המים עדיין קשורות ל-3-4 מולקולות מים אחרות
• תכונות המים קריטיות לתהליכים ביוכימיים

מולקולות אורגניות ומקרומולקולות

ארבע משפחות של מולקולות אורגניות בסיסיות

1. סוכרים (כמו גלוקוז) - מבנה טבעתי עם שישה פחמנים
2. חומצות אמיניות - עם מטענים נוגדים (בסיסי וחומצי)
3. חומצות שומן - שרשרות ארוכות של פחמנים
4. נוקלאוטידים - כמו ATP עם שלושה פוספטים

אלו הן המולקולות הקטנות (מונומרים) שמתחברות בשרשרות “ראש לזנב” ליצירת מקרומולקולות (פולימרים):

• סוכרים ← רב-סוכרים
• חומצות שומן ← ליפידים (כולל פוספוליפידים בממברנות)
• חומצות אמיניות ← חלבונים (שרשרות פוליפפטידיות)
• נוקלאוטידים ← DNA ו-RNA

הרכב התא

בתא חיידק טיפוסי:

• 70% מים
• 30% חומרים אחרים, מתוכם:
  • איונים ומולקולות קטנות (מיעוט)
  • מקרומולקולות: חלבונים (15%), DNA, RNA, פוספוליפידים, רב-סוכרים

ההרכב דומה מאוד בין תאי חיידקים לתאים איוקריוטיים, למרות הבדלי הגודל העצומים ביניהם (הבדל של כ-3 סדרי גודל בנפח).

ריאקציות ביוכימיות בסיסיות

שני סוגים עיקריים של ריאקציות

1. קונדנסציה (דחיסה) - חיבור של שתי מולקולות:
   • כאשר שתי מולקולות מתחברות, משתחררת מולקולת מים
   • דורשת השקעת אנרגיה (לא מועדפת אנרגטית)
   • משמשת לבניית פולימרים
2. הידרוליזה - פירוק באמצעות מים:
   • מולקולת מים נכנסת ומבקעת קשר כימי
   • ריאקציה ספונטנית (לא דורשת אנרגיה)
   • מתרחשת באופן טבעי במבחנה בתנאים מתאימים

מטבוליזם

• אנבוליזם - תהליכי בנייה הדורשים אנרגיה (כמו סינתזה של DNA)
• קטבוליזם - תהליכי פירוק המשחררים אנרגיה (כמו פירוק גליקוגן לגלוקוז)

בתשובה לשאלה של בן בן: תאים חיים משקיעים אנרגיה רבה כדי לשמור על הסדר ולהתנגד לאנטרופיה (נטייה טבעית לאי-סדר). במצב של שיווי משקל, הנטייה היא לפירוק, ולכן יצורים חיים חייבים להשקיע אנרגיה כדי לבנות ולשמר מבנים.

מבנה ותפקוד של מקרומולקולות

קיפול חלבונים ו-RNA

• כדי לתפקד כאנזימים, חלבונים ו-RNA אינם יכולים להישאר כשרשרת פשוטה
• הם מתקפלים למבנה תלת-ממדי מורכב (קונפורמציה)
• המבנה התלת-ממדי מאפשר להם לבצע את תפקידם
• חלבונים ו-RNA יכולים לאבד את צורתם הטבעית בתנאים מסוימים (דנטורציה)
• דוגמה: חלבון ביצה עובר דנטורציה כשמחממים אותו (הופך מנוזלי למוצק)

קשר בין מבנה לתפקוד

מקרומולקולות ביולוגיות מתפקדות הודות למבנה המיוחד שלהן, כאשר:

• רוב האנזימים בעולם החי הם חלבונים
• גם RNA מסוים יכול לתפקד כאנזים
• הפונקציה של האנזימים תלויה בקיפול הנכון שלהם

ביולוגיה של התא - קיפול חלבונים, מבנה מרחבי ואנרגיה תאית

מבנה מרחבי של מקרומולקולות ביולוגיות

קיפול חלבונים ו-RNA

כאשר נוצרת שרשרת פולימרית (בין אם חלבון או RNA), היא מגיעה ללא מבנה מרחבי מוגדר. כדי לקבל את הפונקציה הביולוגית הנדרשת, השרשרת חייבת להתקפל למבנה תלת-ממדי (קונפורמציה) ספציפי:

• אם חלבונים או RNA לא “מטופלים יפה”, הם יאבדו את המבנה המרחבי שלהם ויאבדו את הפונקציה שלהם
• השרשרת בנויה ממונומרים המחוברים בקשרים קובלנטיים חזקים
• המבנה התלת-ממדי נשמר באמצעות קשרים לא-קובלנטיים חלשים יותר
• למרות שהקשרים הלא-קובלנטיים חלשים יחסית, הצטברות של הרבה קשרים כאלה מבטיחה את הקיפול התלת-ממדי

חשוב: בלי הקשרים הלא-קובלנטיים לא היו חיים. הם מבטיחים את הקיפול לצורה תלת-ממדית פעילה.

דנטורציה (איבוד המבנה)

כאשר קשרים לא-קובלנטיים נשברים (לדוגמה בעקבות חימום או שינוי pH):

• השרשרת הופכת גמישה יותר, חופשית יותר ופתוחה
• המבנה התלת-ממדי מתפרק
• המולקולה מאבדת את הפונקציה שלה

דוגמאות לחשיבות הקשרים הלא-קובלנטיים

1. בחלבונים: קיפול לצורה פעילה
2. ב-DNA: זיווג בסיסים (A-T, G-C)
3. בהיברידים של DNA ו-RNA: גם כן באמצעות זיווג בסיסים

גמישות מבנית ופונקציונלית

בעוד שרוב החלבונים מתקפלים לצורה אחת יציבה, יש מקרים שבהם:

• חלבון מסוים יכול לתפקד בשתי צורות שונות (קונפורמציות שונות)
• בתנאי סביבה מסוימים הוא יקבל קונפורמציה אחת ויבצע פונקציה א’
• בתנאים אחרים הוא יקבל קונפורמציה אחרת ויבצע פונקציה ב’

זהו יתרון אבולוציוני שמאפשר להתאים את הפעילות לתנאי הסביבה.

הרכבה היררכית של מבנים ביולוגיים מורכבים

הריבוזום כדוגמה למכונה ביולוגית מורכבת

הריבוזום הוא מבנה מורכב:

• מורכב מתת-יחידה גדולה וקטנה
• בנוי מכמעט 90 מקרומולקולות שונות
• כולל 4 מולקולות RNA (בריבוזום איוקריוטי)
• כולל כ-85 חלבונים שונים, כל אחד באותק אחד

היררכיה של בנייה

בניית מבנים ביולוגיים מורכבים מתקדמת בשלבים היררכיים:

1. מולקולות קטנות (נוקלאוטידים ב-RNA, חומצות אמינו בחלבונים)
2. מקרומולקולות (RNA, חלבונים) - כל אחת מתקפלת למבנה תלת-ממדי משלה
3. קומפלקסים - המקרומולקולות מתחברות יחד ליצירת מבנה גדול ומורכב (כמו הריבוזום)

הערה: הריבוזום עצמו מיוצר על-ידי ריבוזום שהיה קיים קודם, באמצעות המידע ב-mRNA (הדוגמה המרכזית של הביולוגיה).

אנרגיה בתאים חיים

ארגון לעומת אנטרופיה

• הטבע נוטה להגביר אי-סדר (אנטרופיה) - תהליך ספונטני
• ארגון (הקטנת אנטרופיה) דורש השקעת אנרגיה
• תאים חיים הם מערכות מאורגנות ביותר, ולכן חייבים להשקיע אנרגיה רבה לשמירה על הארגון

אנלוגיה: חדר מסודר ייהפך בצורה ספונטנית לחדר מבולגן (הגברת אנטרופיה). כדי לסדר את החדר (להוריד אנטרופיה) יש צורך בהשקעת אנרגיה. חלק מהאנרגיה המושקעת מתפזרת כחום.

אנרגיה וארגון תאי

כל הארגון התאי דורש השקעה מתמדת של אנרגיה:

• המדורים התוך-תאיים
• הציטוסקלטון
• התנועה התאית
• היצירה של מקרומולקולות חדשות והפנייתן למדורים השונים

סיכום והמשך הקורס

• בהמשך הקורס נתמקד באופן שבו המדורים השונים של התא האיוקריוטי מתפקדים
• על בסיס זה נדון בריאקציות הביוכימיות המתרחשות בהם
• בוחן האמצע יכלול את החומר משלושת השבועות הראשונים
• בשבוע הבא תפורסם דוגמת מבחן משנה שעברה ורשימת נושאים

שיעור 5 - מטבוליזם, אנרגיה ומבוא לחלבונים (המשך מצגת 3)

מחזור הפחמן והמערכת האקולוגית

המרצה מסכם שבחומר הקודם “סגרנו פה את העניין של האנטרופיה, אנטלפיה, תאים חיים משקיעים הרבה מאוד אנרגיה בשמירה על מצב מאורגן”. הוא מזכיר שדיברו “הרבה על הארגון הפנימי בתאים איוקריוטיים”. זהו הנושא הכללי, אך כעת במצגת ההרצאה השלישית הם עוסקים “בכימיה או בריאקציות של החיים ברמה מאוד פשטנית”.

2.1 הגדרת הביוספירה

המרצה מקדיש “שקף אחד בלבד” למערכת האקולוגית או לביוספירה, ומציין בהומור שזה “לא היה מוצא חן בעיני מחבקי העצים מהקמפוס של תל חי”. הוא מסביר את מקור המילה: “ביו זה חי זה החלק הביוטיק כל היצורים החיים על פני כדור הארץ אבל גם החלק האביוטיק”.

2.2 היקף הביוספירה

הביוספירה מתייחסת ל”קליפה החיצונית של כדור הארץ, על השכבה החיצונית שבה יש תאים”. זה כולל את האטמוספירה עד לגובה מסוים ומעמקי הים. המרצה מזכיר גם את השיחה הקודמת על “יצורים שהגיעו ממעמקי הים מאזורים בלי חמצן”.

3. מחזור הפחמן בטבע

3.1 עקרונות כלליים

המרצה מחבר את הדיון למחזור הפחמן בטבע, ומזכיר “עקרונות הכלליים שהוזכרו… שהחיים מתבססים על מולקולות עשירות במולקולות פחמניות, עשירות בפחמן - בלי זה אין חיים”.

3.2 פחמן במערכת הביוטית

רוב הפחמן במערכת הביוטית (של היצורים החיים) נמצא במקרומולקולות. המרצה מבהיר: “אני מדבר על החלק הביוטי, נכון שיש הרבה יותר פחמן בחוץ, בCO₂, בחלק האביוטי”.

3.3 כניסה ויציאה של פחמן מהמערכת

המרצה מצביע על תרשים ומדגיש: “יש לנו פה הזכירו של חץ ירוק, יש בעצם רק אחד שהוא מראה כניסה של פחמן לייצורים החיים… רק במקום אחד”. לעומת זאת, “החיצים האדומים מדברים על שחרור של CO₂ חזרה לאטמוספירה”.

3.4 יציבות כימית של פחמן וחמצן

המרצה מסביר: “כיוון שהאטמוספירה שלנו היא עשירה בחמצן, המצב היציב יותר המועדף של פחמן הוא יחד עם חמצן - CO₂, ושל מימן הוא H₂O, מים”.

4. פוטוסינתזה כשער כניסה עיקרי לפחמן

4.1 מקור הפחמן במערכת החיה

המרצה מתחיל מ”הפינה העליונה, מהחץ הירוק הזה - פוטוסינתזה. זאת הדרך העיקרית לכניסה, אבל לא היחידה, לכניסה של פחמן למערכת הביוטית”.

4.2 יצורים פוטוסינתטיים

בתרשים מוזכרים “צמחים, עצים”, אך המרצה מדגיש: “לא פחות חשוב - חיידקים”. הוא מזהיר: “כשמדברים על פוטוסינתזה אנחנו תמיד חושבים על אלה, על היערות, על הג’ונגלים, על הירוק, אבל אל תשכחו את כל אותם מיקרואורגניזמים בעיקר בימים”.

4.3 תפקיד הפוטוסינתזה

המרצה מסביר את התפקיד הכפול של פוטוסינתזה: “השיטה לרתום את האנרגיה של אור השמש, להכניס אנרגיה למערכת ולהכניס פחמן למערכת”. הוא מזכיר שוב את חשיבות “אותם מיקרואורגניזמים שבשכבה העליונה של הימים והאוקיינוסים שעושים פוטוסינתזה ומכניסים אנרגיה - הם יצרנים ראשוניים בדיוק כמו הצמחים”.

5. שחרור פחמן דרך נשימה

5.1 פליטת פחמן דו-חמצני

ה”חיצים אדומים יוצאים גם מפה וגם מפה”, כלומר, “שחרור של CO₂ חזרה לאטמוספירה נעשה על ידי כל היצורים כאשר הם נושמים אירובית”.

5.2 נשימה אירובית

המרצה מבטיח: “נדבר עוד הרבה על נשימה אירובית”. זהו תהליך של “מיצוי של האנרגיה מתוך מולקולות מזון”, תהליך ש”מזכיר את הסכמות שראינו קודם… על ידי חמצון הדרגתי ועל זה נדבר הרבה מאוד בהרצאה היום”.

6. שרשרת המזון וזרימת הפחמן

6.1 דוגמה פשוטה לשרשרת מזון

המרצה מציג תרשים פשוט מהאינטרנט: “יצרן ראשוני (צמח), אוכל אותו חגב, ואוכל אותו עכבר, והטורף העל שהם בחרו פה זה נץ”.

6.2 אזכור תרבותי

המרצה מזכיר את “מלך האריות” ש”בטח חלק פה גדלו על הסרטונים האלה כמו הילדים שלי”. כמו כן, הוא מזכיר “הומאז’ לדודו גבע” שנפטר, ומתייחס באופן הומוריסטי לבלבול בהגיית המילה “חומוס” באנגלית.

7. מפרקים במחזור הפחמן

7.1 החוליה החסרה

המרצה שואל: “חסר לכם משהו במחזור הזה?” והתשובה היא: “Decomposers” (מפרקים).

7.2 תפקיד המפרקים

המפרקים פועלים “כאשר יצורים חיים מפסיקים, זאת אומרת בעצם כבר לא מצליחים להחזיק את הסדר והארגון שראינו בשקופית הקודמת, הם מתים, ובעצם מישהו צריך לפרק את כל המקרומולקולות, לארגן את כל… את הפגרים”. המרצה מדגיש: “מישהו צריך לפרק אותם… כדי שהמחזור הזה יעבוד”.

7.3 מיקום המפרקים

המפרקים פועלים בעיקר “בשכבה העליונה של הקרקע ושמה זה כל החבר’ה האלה, הדיקומפוזרים”, אך המרצה מציין “לא רק שם כמובן”.

8. התערבות אנושית במחזור הפחמן

8.1 השפעת האדם

המרצה מציין נקודה חשובה: “לעניין האקולוגיה והחימום, כל הדברים החשובים האלה לירוקים… אנחנו קצת שוכחים מהם… אבל יש התערבות אנושית”.

8.2 שריפת דלקים מאובנים

“הרבה מהשחרור [של CO₂] נעשה גם ובאמת במאות האחרונות אנחנו מאוד מאוד משפיעים על המערכת האקולוגית על ידי השריפה של דלקים מאובנים. גם זה משחרר CO₂ למערכת”.

9. מיקוד הקורס

9.1 התמקדות בביוכימיה של החיים

המרצה מסכם שכאשר ידברו “על הביוכימיה של החיים אנחנו נדבר על מה שקורה בחלק הזה” - כלומר, בתהליכים הביוכימיים בתוך המערכת הביוטית.

מאנזימים דרך ביואנרגטיקה ועד חלבונים

1. מבוא לאנזימים

אנזימים הוזכרו כבר מהפרק הראשון של הספר. הספר באנגלית, וזה אתגר, אבל אין צורך לקרוא את כל הפרק - מספיק להסתכל בתמונות העיקריות, לקרוא את ההסבר מתחת לתמונה ואת החלק בטקסט שמפנה אליה. המרצה מדגיש שזה חלק מהלימוד באוניברסיטה, שונה מצורת הלימוד בתיכון: “לשנן לשנן לזכור, יום לפני הבחינה, יום אחרי שכחנו הכל”.

בקורס הנוכחי, אנזימים נלמדים “על קצה המזלג”, אך הסטודנטים יקבלו עוד “מנה גדושה של אנזימים וריאקציות אנזימטיות וחישובי אנרגיה וקצב ריאקציה” בקורס ביוכימיה בשנה הבאה.

2. הגדרה ומבנה של אנזימים

2.1 מהות האנזימים

ברוב המכריע של המקרים, אנזימים הם חלבונים. אולם, ישנם גם מולקולות RNA שפועלות כאנזימים, הנקראות “ריבוזים” (Ribozymes). ההגדרה מאנציקלופדיה בריטניקה (ולא מוויקיפדיה) מתייחסת לאנזימים כ”סבסטנס” - חומר ביולוגי - חלבון או RNA או שילוב שלהם - שעובד כקטליזטור.

2.2 התפתחות אבולוציונית של אנזימים

המחשבה המקובלת היום היא שהמרק הקדמון שממנו התחילו להתפתח דברים התחיל עם דומיננטיות של RNA, ועם הזמן התפקיד עבר יותר לחלבונים. עם זאת, המרצה מציין שזה עדיין לא מסביר “איך משלולית רדודה עם כל מיני מולקולות אורגניות קטנות מתפתחים חיים - חתיכת שאלה מורכבת”.

2.3 תפקוד האנזימים כקטליזטורים

אנזימים עובדים כקטליזטורים - “אוסף של קטליזטורים בתאים” בכל יצור חי, מהחיידק הכי פשוט עם 500 גנים ועד לאדם. האנזים מבקר את קצב הריאקציה הכימית בלי שהוא עצמו משתנה בתהליך - נקודה שהמרצה מדגיש כ”מאוד חשובה”.

3. אתר פעיל וסובסטרט

3.1 מבנה האתר הפעיל

לאנזים יש אתר פעיל (Active site) שמתאים לסובסטרט (חומר המוצא). האנזים מוצג באופן סכמטי בצבע ירוק, והסובסטרט (האדום) נקשר אליו בהתאמה.

3.2 מהירות ריאקציות אנזימטיות

תהליך הקשירה וההמרה הוא מהיר באופן שקשה לדמיין: “סופר מהיר”. בהקשר זה, המרצה מציין שיש אנזימים שפועלים בקצב של מאות אלפי ריאקציות בשנייה. הריאקציות מתרחשות בסביבה הצפופה של התא, מוקפות במולקולות רבות.

3.3 תהליך הריאקציה האנזימטית

המרצה מתאר את התהליך בשלבים: נוצר קומפלקס אנזים-סובסטרט, האנזים (קטליזטור) מעביר את הסובסטרט למצב שהפך לתוצר (פרודקט). הסובסטרט משנה צורה גיאומטרית. התוצר משתחרר, והאנזים חוזר למצבו המקורי. המרצה מדגיש שללא האנזים, בטמפרטורות כמו 37 מעלות (טמפרטורת הגידול של אי-קולי במעבדה), הריאקציות לא היו מתרחשות בקצב סביר.

4. מסלולים מטבוליים

4.1 עיקרון המסלולים המטבוליים

מסלולים מטבוליים הם רצפים של ריאקציות המזורזות על ידי אנזימים עוקבים. התוצר של ריאקציה אחת משמש כסובסטרט לריאקציה הבאה. המסלולים מתרחשים במקומות שונים בתא: בציטוזול (הסביבה המימית בתוך התא), במיטוכונדריה, בגרעין, בגולג’י, ובכל האברונים השונים.

4.2 אנבוליזם וקטבוליזם

המסלולים המטבוליים כוללים שני סוגי תהליכים עיקריים:

• אנבוליזם: בנייה של מולקולות מורכבות ממולקולות פשוטות יותר (דורש אנרגיה)
• קטבוליזם: פירוק של מולקולות מורכבות למולקולות פשוטות יותר (משחרר אנרגיה)

המרצה מדגיש שהחיים מתבססים על מטבוליזם של “שתי כפות מאזניים - פירוק ויצירה”.

5. אנרגיית שפעול ופעילות אנזימטית

5.1 הורדת אנרגיית שפעול

אנזימים מורידים את אנרגיית השפעול (אנרגיה הדרושה להתחלת ריאקציה). המרצה מדגים זאת באמצעות אנלוגיה של כדור שצריך לעבור על פני גבעה: אותה ריאקציה כימית יכולה ללכת בדרכים שונות, לכל אחת מהן יש סף אנרגטי אחר. ללא אנזים, צריך לחמם את המערכת (למשל ל-70 מעלות) כדי שהריאקציה תתרחש, אך האנזים מוריד את הסף האנרגטי הדרוש לריאקציה ספציפית.

6. מולקולות נושאות אנרגיה (Activated Carrier Molecules)

6.1 עיקרון פעולת המתווכים האנרגטיים

המרצה מציג את המולקולות הנושאות אנרגיה כמתווכים בין תהליכי פירוק (קטבוליזם) לתהליכי בנייה (אנבוליזם). אלו הן מולקולות שיכולות לעבור בין שני מצבים: טעונות באנרגיה ולאחר שחרור האנרגיה.

6.2 ATP כנושא אנרגיה מרכזי

ATP (אדנוזין טרי-פוספט) הוא הדוגמה המוכרת ביותר. המבנה שלו כולל אדנוזין (בסיס חנקני + ריבוז) ושלוש קבוצות פוספט. הקשרים בין קבוצות הפוספט, במיוחד בין הפוספט השני לשלישי, הם “עתירי אנרגיה”.

6.3 יתרונות מולקולות קטנות כנושאות אנרגיה

בסביבה הצפופה של התא, מולקולות גדולות וקטנות מתנגשות כל הזמן. היתרון של מולקולה קטנה כמו ATP הוא יכולתה לעבור בדיפוזיה בקלות יחסית. המרצה מציין שאנזים, למרות שהוא זז ומשנה קונפורמציה, “כמעט אפשר להתייחס אליו כאילו הוא יושב במקום והוא חוטף הפגזה של מולקולות קטנות”.

בספר יש חישובים המראים כמה זמן לוקח למולקולה קטנה כמו ATP לעבור מרחק של 10 מיקרון (גודל אופייני של תא איוקריוטי) בסביבה צפופה. מולקולות גדולות יותר מתנגשות זו בזו ומתקשות להגיע לכל פינה בתא.

6.4 מגוון מולקולות נושאות אנרגיה

מלבד ATP, קיימות מולקולות נוספות המשמשות כנושאות אנרגיה:

• GTP (גואנוזין טרי-פוספט) - מבנה דומה ל-ATP
• NADH/NADPH
• נושאי אנרגיה אחרים שהוזכרו ברשימה

המרצה מציין שיש “המון המון שימוש חוזר בעיקרון הזה של מתווכים קטנים”.

7. מקורות אנרגיה במערכות ביולוגיות

7.1 מקורות אנרגיה חיצוניים

יצרנים ראשוניים רותמים את אור השמש, שזאת האנרגיה שנכנסת למערכת. אבל, מציין המרצה, יש גם מקורות אחרים. דוגמה מפתיעה היא “מתנוקוקוס” (ארכיאה) שחיה בקרקעית האוקיינוס בתנאים של חוסר חמצן. צוללת רובוטית גילתה אותם ליד “ונטות” - מקומות באים יוצא חום ואנרגיה כימית. אורגניזמים אלה מנצלים אנרגיה מקרקעית האוקיינוס, מייצרים מתן, ובכך מכניסים גם אנרגיה וגם פחמן למערכת החיה.

7.2 טרמודינמיקה בתהליכים ביולוגיים

המרצה מדגיש שעקרונות הטרמודינמיקה נשמרים: “האנרגיה לא משתנה, לא מתבזבזת, רק משנה צורה”.

8. מחזור ATP-ADP

8.1 מבנה מפורט של ATP

ATP מורכב מאדנוזין (אדנין + ריבוז) ושלושה פוספטים. מבנה זה מוצג בתמונה 33 בפרק. המרצה מסביר שלא צריך לקרוא את כל הספר; מספיק לחפש את התמונה, לקרוא את התיאור (Figure legend) ואת הטקסט שמפנה אליה.

8.2 מחזור האנרגיה באמצעות ATP/ADP

ATP הוא הנפוץ ביותר מבין נושאי האנרגיה. המעבר מ-ATP ל-ADP משחרר אנרגיה שיכולה לשמש לריאקציות אחרות. הפוספט השלישי משתחרר, מקבלים ADP + Pi, והאנרגיה משמשת לריאקציה שאינה מועדפת אנרגטית.

המרצה מדגיש שצריך את שתי הצורות - ATP ו-ADP - כדי לקיים את המחזור (“סייקלינג”). ה-ATP, עם שלושה פוספטים, הוא הצורה הטעונה באנרגיה. הוא שומר על האנרגיה בקשרים עתירי האנרגיה “עד לשבריר השנייה שבו אני משתמש באנרגיה הזאת כדי לדחוף ריאקציה שהיא לא מועדפת אנרגטית”.

8.3 נגזרות נוספות של נוקלאוטידים

מלבד המעבר הנפוץ ATP-ADP, יש גם מעבר ל-AMP (אדנוזין מונופוספט) שיכול לשמש כאבן בנייה או ליצור Cyclic AMP (AMP ציקלי), שהפוספט שלו נסגר בצורה מעגלית. ל-Cyclic AMP יש “תפקיד כמתווך בתאים”.

9. אתר ייצור ה-ATP

9.1 מיטוכונדריה ותפקידה

ATP נוצר במיטוכונדריה, שהיא אתר ייצור האנרגיה העיקרי בתא האיוקריוטי. במיטוכונדריה יש מכונה ביולוגית המכונה “הפטרייה” (ATP סינתאז או ATP synthase) שמסתובבת “כמו גלגל של תחנת מים”. האנזים הזה שקוע בין שתי הממברנות של המיטוכונדריה.

9.2 מקור המיטוכונדריה והתנועה שלה

המיטוכונדריה “הגיעו מאיזה אירוע של סימביוזה עתיקה לפני יותר ממיליארד שנה”. העובדה שהמיטוכונדריה “זזות לכל מקום ומגיעות לכל פינה” היא חשובה, במיוחד בתאים עם שלוחות ארוכות, כמו תאי עצב. בדוגמה קונקרטית, המרצה מציין “תחשבו על תא עצב… כל הרגל”, שצריך לספק אנרגיה לכל החלקים, כולל לסינפסות.

10. צימוד ריאקציות (Coupled Reactions)

10.1 עיקרון הצימוד

צימוד ריאקציות הוא עיקרון מרכזי בביוכימיה. המרצה מציג אנלוגיה (שאינה ריאקציה ביוכימית): סלעים נופלים מצוק ומתרסקים, וכל האנרגיה שלהם מתבזבזת כחום. כאשר מציבים גלגל במסלול הסלעים, חלק מהאנרגיה נרתמת להרים דליי מים, פעולה שדורשת השקעת אנרגיה.

10.2 הקשר לחיי יומיום

המרצה משווה את המעבר בין ATP ל-ADP כאנלוגי למעבר מ”סחר חליפין” ל”כלכלת כסף” בחברה האנושית: “תחשבו על בני אדם כשהם עברו מהשלב של סחר חליפין, אני נותן לך פרה, אתה נותן לי… למצב של כסף”.

11. נומנקלטורה של נוקלאוטידים וסטריאוכימיה

11.1 מורכבות שמות הנוקלאוטידים

המרצה מודה שהשמות (נומנקלטורה) של הנוקלאוטידים “נורא מבלבלת” ו”יש פה אנשים שזה מאיים עליהם כי הם אף פעם לא נתקלו” בהם. הוא מבהיר שאין צורך לזכור את כל השמות והנוסחאות הכימיות – “יש שאלה על המולקולה הזאת, השם יופיע בשאלה, אולי אפילו תמונה של המולקולה”.

11.2 מרכיבי הנוקלאוטידים

נוקלאוטידים בנויים מבסיס חנקני, סוכר (ריבוז או דאוקסיריבוז) וקבוצות פוספט. ההבדל בין נוקלאוזיד לנוקלאוטיד הוא שנוקלאוזיד הוא רק “הריבוז עם הבסיס החנקני”, בעוד שנוקלאוטיד כולל גם פוספטים.

11.3 הבדלים בין DNA ו-RNA

ב-DNA ו-RNA יש שני הבדלים מרכזיים:

1. בסוכר: דאוקסיריבוז ב-DNA לעומת ריבוז ב-RNA
2. בבסיס החנקני: תימין (T) ב-DNA לעומת אוראציל (U) ב-RNA

11.4 סטריאוכימיה של מולקולות ביולוגיות

המרצה מזכיר את הנושא של אננטיומרים (מולקולות תמונת ראי) בכימיה אורגנית. בטבע יש בדרך כלל אוסף סלקטיבי - רק אחד מהאננטיומרים, בעוד שבמעבדה אפשר לסנתז את שניהם. למשל, כשמשתמשים ב-ATP במעבדה, “כתוב שמה שזה D או L ATP… רק אחד מהם יעיל בעצם במערכת שלנו, במערכת החיה”.

12. תגובות דחיסה (Condensation Reactions)

12.1 עיקרון תגובות הדחיסה

תגובות דחיסה (Condensation reactions) הן מרכזיות בביוכימיה. המרצה מדגיש כי “המון המון ריאקציות מתרחשות בצורה הזאת”. בתגובה כזו, שתי מולקולות מתחברות תוך שחרור מולקולת מים.

12.2 השלבים בתגובת דחיסה מזורזת על ידי ATP

המרצה מתאר את השלבים בתגובת דחיסה בפירוט:

1. יש מצב ביניים (Activated Intermediate) שמתהווה כאשר קבוצת פוספט מ-ATP עוברת לאחת המולקולות
2. מולקולה שנייה מגיעה ומתרחשת תגובת דחיסה
3. נוצר קשר חדש בין שתי המולקולות ומשתחררים מים

12.3 דוגמה ספציפית: סינתזת גלוטמין

המרצה מציג דוגמה מפורטת להמחשת העיקרון: סינתזת גלוטמין מחומצה גלוטמית ואמוניה באמצעות האנזים גלוטמין סינתאז. התהליך כולל:

1. השימוש באנרגיה מ-ATP ליצירת מצב ביניים של חומצה גלוטמית עם פוספט
2. התגובה של אמוניה (NH₃) עם מצב הביניים
3. יצירת גלוטמין והשתחררות ADP ופוספט

המרצה מציין ששני השלבים האלו “לגמרי לגמרי מצומדים, הם מאוד מהירות, הן מתרחשות באתר הפעיל של אנזים”.

13. תגובות דחיסה בסינתזת מקרומולקולות עיקריות

13.1 שלוש קבוצות עיקריות של מקרומולקולות

המרצה מציג שלוש קבוצות חשובות של ריאקציות דחיסה בסינתזת מקרומולקולות:

1. פוליסכרידים (רב-סוכרים) - יחידות סוכר (לרוב גלוקוז) מתחברות אחת לשנייה, כמו בגליקוגן
2. פוליפפטידים (חלבונים) - חומצות אמינו מתחברות דרך קשר פפטידי
3. חומצות גרעין (DNA/RNA) - נוקלאוטידים מתחברים בקשר פוספודיאסטרי

13.2 כיווניות בבניית מקרומולקולות

כל אחת מהמקרומולקולות הללו נבנית בכיווניות מוגדרת:

• בחלבונים - מהקצה האמיני לקצה הקרבוקסילי
• בחומצות גרעין - מכיוון 5’ לכיוון 3’

המרצה מדגיש: “בכל המקרים האלה, פולימרים ארוכים, יחידות, מונומרים שמחוברים אחד לשני, זה תמיד באותו קשר… תמיד עם הכיווניות”.

13.3 יצירת DNA/RNA

בהקשר של סינתזת חומצות גרעין, המרצה מסביר שהנוקלאוטידים מגיעים בצורה של שלושה פוספטים (כמו GTP) והם כבר “טעונים באנרגיה” שהאנזים צריך לחיבור. “מאיפה הגיעה האנרגיה לטעון אותו? קודם טענו אותו”. זהו “הסייקל הזה שאנחנו משתמשים באנרגיה ומעבירים אותה כאילו מיד ליד”.

13.4 שחרור מולקולות מים

בכל תגובות הדחיסה האלה, משתחררת מולקולת מים: “בכולם יש מולקולת מים שמשתחררת”. המרצה מזכיר ששוחחו על כך כבר ביום שני, כשדיברו לראשונה על “ריאקציות דחיסה מול ריאקציות הידרוליזה”.

14. מסלולים מטבוליים: גליקוליזה ומעגל החומצה הציטרית

14.1 גליקוליזה (Glycolysis)

הגליקוליזה היא מסלול מטבולי של 10 שלבים לפירוק גלוקוז. המרצה מציין שהסטודנטים יצטרכו לשנן אותה: “כל הסטודנטים לרפואה בכל הדורות משננים אותה”. הגליקוליזה מתרחשת בציטוזול ומהווה את החלק הראשון בתהליך הפקת האנרגיה מסוכרים.

14.2 מעגל החומצה הציטרית (מעגל קרבס)

מעגל החומצה הציטרית מתרחש במיטוכונדריה בתאים איוקריוטיים. המרצה מציין שזה התהליך המרכזי בכל היצורים החיים שמתרחש “בסביבה עשירה בחמצן… לחמצון של סוכרים”.

14.3 השוואה לשריפה ישירה

המרצה משווה את התהליך המטבולי המבוקר לשריפה ישירה: “אם הייתי שורף את הסוכר, כל האנרגיה הייתה משתחררת כמו הסלעים ההם”. היתרון בתהליך המטבולי המבוקר הוא ש”אנזים אחד מעביר לאנזים השני, אני מצליח להוציא את האנרגיה בדרך”.

14.4 מסלולים אנאירוביים

המרצה מזכיר גם את הנשימה האנאירובית שמתרחשת בהיעדר חמצן. דוגמה לכך היא אתלט שרץ ובשריריו “נוצר מצב של חוסר חמצן… נוצרת חומצת חלב, חומצה לקטית”. כמו כן, ישנם אורגניזמים כמו ה”מתנוקוקוס”, ארכיאון שחי במעמקים, ש”בכלל מותאם לסביבה אחרת” - סביבה אנאירובית.

14.5 המורכבות של רשת המסלולים המטבוליים

המרצה מציג את המורכבות של הרשת המטבולית: “זה ניסיון להראות את כל הפאסווי… מעל אלפיים” ריאקציות אנזימטיות. המטבוליזם אינו רק מקור אנרגיה, אלא גם מספק “אבני בניין, מולקולות קטנות, שמשמשות לתהליכי אנבוליזם, כלומר בנייה של מקרומולקולות”.

15. חלבונים: מבנה ותפקוד

15.1 מרכזיות החלבונים בחיים

המרצה מדגיש את המרכזיות של חלבונים: “כל עולם החי שאנחנו מכירים היום… מבוסס על חלבונים”. הוא מוסיף ש”כל מה שתראו, כל מה שתעסקו בו מבוסס על המבנה המרחבי של חלבונים ועל הקשר בין מבנה חלבון לתפקוד של חלבון”.

15.2 אחוז החלבונים בגוף

כ-70% מהגוף הוא מים, אך מתוך החומר היבש, 15% הם חלבונים. המרצה מדגיש את חשיבותם במשפט קצר וחד: “בלי חלבונים אין חיים”.

16. הקשר הפפטידי

16.1 מבנה ויצירת הקשר הפפטידי

הקשר הפפטידי הוא הקשר שמחבר בין חומצות אמינו בחלבון. זוהי דוגמה לריאקציית דחיסה. המרצה מציין שזהו “חיבור של חומצה אמינית חדשה לסוף השרשרת של חלבון”.

16.2 כיווניות בחלבונים

כפי שב-DNA וב-RNA יש כיווניות קבועה (5’ ל-3’), כך גם בחלבונים: “תמיד מקצה אמיני לקצה קרבוקסילי”. המרצה מציין את הקצה הקרבוקסילי בתמונה ואת הקשר הפפטידי, שלפעמים נקרא גם “קשר אמידי”.

16.3 זיהוי הקשר הפפטידי

הקשר הפפטידי ניתן לזיהוי על פי “הפחמן הזה עם הקשר כפול לחמצן” והאמין (NH).

17. תפקידים מגוונים של חלבונים

17.1 רשימת תפקידי חלבונים

המרצה מציג רשימה ארוכה של תפקודי חלבונים, ביניהם:

• אנזימים - מזרזים ריאקציות ביוכימיות
• חלבוני מבנה - מעניקים תמיכה מכנית
• משאבות ותעלות - מאפשרים מעבר חומרים דרך ממברנות
• ועוד תפקידים רבים

17.2 חשיבות בלימודים קליניים

המרצה מציין שהחלבונים ילוו את הסטודנטים לאורך “כל הלימודים הפרקליניים” שלהם וגם בהתמחויות. כשרופא שולח בדיקת דם ביוכימית, לעתים קרובות זו “בדיקה של אנזימים”.

17.3 דימוי של תא וחלבונים

המרצה מציג תמונה של תא עם סימון של אברונים שונים: גרעין, מיטוכונדריה, גולג’י, רשתית אנדופלסמטית (ER). הוא מציין שהתמונה לקוחה מחברה ביוטכנולוגית המוכרת “פרובים, סמנים… שיאפשרו [למדענים] לעקוב אחרי חלבונים ספציפיים”.

שיעור 6 - מבנה ותפקוד של חלבונים

שיעור 7 - חלבונים מבנה ותפקוד

שיעור 8 - ממברנות וליפיד ביילר

מבוא לקורס

הקורס יכלול מספר הרצאות, עם הפוגות לשמירה על סדר נושאים קוהרנטי. כל מרצה מתמקד בתחום התמחותו.

הערה חשובה: לאורך ההרצאות, ייתכנו חזרות על נושאים שכבר נלמדו או שיילמדו בהמשך. החזרתיות מכוונת ומטרתה לחזק מושגים ולהציגם מכמה זוויות. הקורס מתמקד בעקרונות ובדוגמאות מרכזיות, מבלי להיכנס לעומק רב מדי בכל נושא.

מהו יצור חי?

[בשקופית מוצגים ארבעה פריטים ונשאלת השאלה מה יוצא דופן]

מה יוצא דופן בשקופית?

האבן היא היוצאת דופן כי היא אינה חיה.

הפעולה הזו, של זיהוי חיים, היא מורכבת. ביולוגים ופילוסופים יכולים לעסוק במשך שנים בשאלה: איך מגדירים מהו יצור חי ומה אינו חי? אין הגדרה מדויקת, כי לכל הגדרה יש יוצאים מן הכלל.

מהי ההגדרה של יצור חי?

“משהו שמתרבה” – זו תשובה נפוצה, אך יש יצורים חיים שאינם מתרבים. פרד, למשל, אינו יכול להתרבות, וברור שהוא חי. גם בני אדם לאחר גיל הפוריות הם עדיין יצורים חיים.

לכל הגדרה שתוצע – בין אם זו העברת מידע, מטבוליזם, או כל דבר אחר – תמיד ניתן למצוא יוצא מן הכלל שמראה שההגדרה אינה מספקת.

הבעיה בזיהוי חיים מחוץ לכדור הארץ היא הציפייה למצוא חיים כפי שהם מוכרים לנו. ייתכן שצורות חיים אחרות פועלות בצורה שונה לחלוטין. תיאוריה הנקראת “Assembly Theory” גורסת כי מה שמגדיר חיים הוא מורכבות – כאשר עוברים מספר מסוים של תגובות, ההסבר הסביר ביותר הוא קיום חיים, ולא תהליך אקראי.

חשיבות הממברנות

למרות הקושי להגדיר חיים באופן מדויק, יש דבר אחד משותף לכל היצורים החיים: כל אורגניזם וכל יצור חי, התאים שלו מוקפים בממברנה. מאפיין זה נפוץ ושמור בכל ממלכת החיים. הממברנות נראות דומות ופועלות בצורה דומה בכל היצורים החיים, מה שמרמז על התפתחות החיים מאב קדמון משותף.

מדוע ממברנות חיוניות לחיים?

התפקיד החשוב ביותר של הממברנה הוא הפרדה בין חוץ לפנים.

לא ניתן ליצור חיים ללא הפרדה זו. אם ניקח בריכה ענקית ונשפוך לתוכה DNA, DNA פולימראז וכל מה שדרוש לתא כדי לפעול – לא יקרה דבר, כי הבריכה גדולה מדי והחומרים לא ייפגשו זה את זה.

ההפרדה הזאת חיונית גם בתוך התאים. לדוגמה:

• ה-DNA נמצא בתוך הגרעין, מוקף בממברנה.
• מערכת החיסון מזהה DNA חופשי כסימן לפולש (כמו וירוס), ולכן חשוב שה-DNA יהיה מוקף ומוגן.
• המיטוכונדריה פועלת על מפל ריכוזים שנשמר הודות לממברנה.
• סינפסות עצביות משחררות וזיקולות (בועיות מוקפות ממברנה) עם נוירוטרנסמיטורים.

כל אלה מדגישים את חשיבות הממברנות לקיום החיים.

ליפיד ביילר (lipid bilayer) - המבנה הבסיסי של ממברנות

כעת נדון במאפייני הממברנות ולאחר מכן בחלבונים המשולבים בהן.

מבנה הליפיד ביילר

למרות שיש סוגים שונים של ממברנות עם תפקידים שונים, כולן נראות דומות למדי. המבנה הבסיסי הוא ליפיד ביילר (שכבה כפולה של ליפידים).

מה הרעיון כאן? רוב הגוף נמצא בסביבה מימית. הליפיד ביילר מורכב משתי שכבות:

1. החלק החיצוני - פונה אל הסביבה המימית, הן מחוץ לתא והן בתוכו.
2. החלק הפנימי - מורכב מהשומנים עצמם.

השומנים הם הידרופוביים (דוחים מים) ולכן אינם רוצים להיות בסביבה מימית. הם מעדיפים להיות בסביבה של שומנים אחרים. מבנה זה מסתדר בצורה ספונטנית: השומנים מתחברים זה לזה, והקבוצות הפולריות פונות לסביבה המימית.

כך זה נראה במיקרוסקופ אלקטרונים – ניתן לראות שתי שכבות כהות (אלקטרון-דנס) שהן שתי השכבות של הממברנה.

בגלל שהחלק הפנימי הוא שומני ודוחה מים, הממברנה אינה מאפשרת מעבר חופשי של מים ומולקולות מסיסות במים. זה מאפשר לממברנה לבצע את תפקידה העיקרי – הפרדה בין חוץ לפנים.

חלבוני ממברנה

הממברנות בתאים אינן מורכבות רק משומנים, אלא גם מחלבונים רבים שתקועים בתוכן. לחלבונים האלה יש מגוון גדול של תפקידים, והם חיוניים לתפקוד התא. התא זקוק לחלבוני הממברנה כדי לתקשר עם תאים אחרים, לשמור על מיקומו, ולבצע פעולות רבות אחרות.

פוספוליפידים - אבני הבניין של הממברנה

הליפיד ביילר מורכב בעיקר ממולקולות הנקראות פוספוליפידים. הן נקראות כך כי:

• יש להן אזור של קבוצת פוספט (בצבע צהוב בשקופית)
• יש להן אזור של ליפיד (שומן)

מהו בדיוק הליפיד? זוהי שרשרת של פחמימנים שהיא מאוד הידרופובית (דוחה מים). לעומת זאת, הראש של קבוצת הפוספט הוא פולרי, מרגיש בנוח בסביבה מימית, ואינו רוצה להיצמד לאזורים הידרופוביים.

פוספוליפידים - ראש פולרי (הידרופילי) וזנבות הידרופוביים

סוגי שרשראות שומן

הזנבות של הפוספוליפידים יכולים להיות משני סוגים עיקריים:

1. שרשרת רוויה - אין בה קשרים כפולים והיא ישרה לחלוטין (שומן רווי במזון)
2. שרשרת בלתי רוויה - יש בה קשרים כפולים והיא מעוקלת

ההבדל חשוב מאוד: כאשר השרשראות ישרות (רוויות), הן יכולות להיות מסודרות בצורה צפופה. זה יוצר ממברנה צמיגית, קשיחה ופחות גמישה.

לעומת זאת, כאשר השרשראות מעוקלות (בלתי רוויות), הן אינן יכולות להיות צפופות כל כך, מה שהופך את הממברנה לגמישה ולפלואידית יותר.

יש לכך השלכות בריאותיות: צריכה של הרבה שומן רווי גורמת לכך שהתאים מכניסים לממברנה שומנים רוויים, ועל כן מאבדים מהגמישות שלהם. זה יכול לגרום לבעיות במעבר דם בעורקים, התקפי לב, שבץ ובעיות דומות.

כולסטרול בממברנה

בין הפוספוליפידים משתלבות גם מולקולות שומניות אחרות. הדוגמה הקלאסית היא כולסטרול.

הכולסטרול מורכב מחלק הידרופילי קטן וחלק שומני גדול. כאשר הכולסטרול נתקע בין הפוספוליפידים, הוא מוסיף להם חוזק. מדוע? כי השרשראות השומניות באופן טבעי נמצאות בתנועה מתמדת, והכולסטרול – שהוא קשיח יחסית – מונע מהן לזוז.

זו סיבה נוספת לכך שצריכת כולסטרול מופרזת או רמות גבוהות של כולסטרול בגוף עלולות להיות מסוכנות: הממברנות מאבדות מהפלואידיות שלהן, מה שמקשה על כדוריות הדם לעבור בנימי הדם הקטנים.

הכולסטרול מייצב את הממברנה

כולסטרול “טוב” וכולסטרול “רע”

חשוב להבין: ההבחנה בין כולסטרול “טוב” (HDL) וכולסטרול “רע” (LDL) נוגעת לאופן שבו הכולסטרול מועבר בזרם הדם, לא לכולסטרול עצמו.

הכולסטרול אף פעם לא מסתובב לבד בדם, אלא תמיד עם חלבונים. החלבונים הללו יכולים להופיע בצפיפות גבוהה (HDL) או בצפיפות נמוכה (LDL). ההבחנה בין טוב לרע מגיעה מקורלציה – אנשים בריאים בדרך כלל היו עם HDL גבוה, ואנשים חולים עם LDL גבוה.

HDL (High-Density Lipoprotein)

LDL (Low-Density Lipoprotein)

מערכת הכולסטרול בגוף מורכבת ומתוחכמת. היא התגלתה על ידי מייקל בראון וג’וזף גולדשטיין בשנות ה-70 (זכו על כך בפרס נובל). הגוף מייצר כולסטרול וגם צורך אותו מהמזון. לפי כמות הכולסטרול בדם, התאים יודעים כמה כולסטרול לייצר או לפרק. כשיש יותר מדי כולסטרול, התא מאחסן אותו בבועיות שומן (ליפיד דרופלטס).

התארגנות עצמית של ממברנות

תכונה מדהימה של ממברנות, שמובילה חוקרים לחשוב שאולי חיים התחילו מממברנות ולא מ-DNA או RNA, היא שממברנות יכולות להיווצר באופן ספונטני.

כאשר יש מולקולה פולרית כמו אצטון, החמצן שבה מרגיש בנוח עם החמצן והמימנים של המים, ולכן אצטון מתערבב היטב במים. לעומת זאת, מולקולה הידרופובית כמו מתיל-פרופן לא תיצור אינטראקציה עם מים.

כלומר, כשיש מולקולות הידרופוביות בתוך מים, הן ינסו להתרחק ככל האפשר מהמים ולהתקרב זו לזו. זה קורה ללא השקעת אנרגיה – תהליך ספונטני.

בטבע, אורגניזמים תמיד שואפים להיות יעילים מבחינה אנרגטית. היעילות במערכת של ממברנות היא שלא צריך להשקיע אנרגיה כדי שהממברנות ייסגרו – הן פשוט מסתדרות מעצמן.

ניתן לראות זאת גם במערכות מלאכותיות כמו מיצלות (להלן), שבהן יש פוספוליפיד עם זנב אחד במקום שניים. כשמכניסים הרבה מולקולות כאלה למים, הן מסתדרות בצורת כדור שהצד הפנימי שלו הידרופובי והצד החיצוני פולרי. התהליך קורה מעצמו.

תכונה זו חשובה גם לתעשיית התרופות, שבה משתמשים בעקרון זה ליצירת מערכות להובלת תרופות.

מערכות שומניות מלאכותיות ושימושיהן

ליפוזומים ויישומים רפואיים

בתעשיית התרופות קיים אתגר משמעותי: לא ניתן לתת לבני אדם חומר שאינו מסיס במים. אם תרופה אינה מסיסה במים, יש שתי אפשרויות:

1. להמיס אותה בשמן (פתרון בעייתי).
2. למצוא דרך אחרת להעביר את התרופה.

אחד הפתרונות המוצלחים הוא שימוש במיצלות (micelles) – מבנים כדוריים המורכבים מפוספוליפידים עם זנב אחד. כאשר מכניסים תרופה הידרופובית למיצלה, היא נכנסת לחלק השומני הפנימי וכך ניתן להעביר אותה בגוף.

המיצלות נוצרות בתהליך של “מניפולציה” – לוקחים מולקולות פוספוליפידיות עם זנב אחד, ובתהליכים של חימום, קירור וניעור, המולקולות מוצאות זו את זו ומסתדרות באופן ספונטני למבנה כדורי.

לעומת זאת, כאשר משתמשים בפוספוליפידים עם שני זנבות, נוצר הליפיד ביילר (שכבה כפולה של שומנים) כמו שיש בממברנת התאים שלנו.

ליפוזומים

ליפוזום הוא מבנה מלאכותי לחלוטין המשמש בתעשיית התרופות. בניגוד למיצלה, שבה המרכז הוא הידרופובי (שומני), בליפוזום המרכז מכיל מים. הליפוזום מורכב משכבה כפולה של פוספוליפידים (ליפיד ביילר), בדומה לממברנה תאית, אך ללא חלבונים.

הליפוזומים שימושיים במיוחד כאשר רוצים להכניס לגוף חומרים הידרופיליים (מסיסים במים) שלא רוצים שיתפרקו בדרך. לדוגמה, בחיסון הקורונה, ה-mRNA מוכנס לתוך ליפוזומים כדי למנוע את פירוקו על ידי אנזימי RNase הנמצאים בזרם הדם. הליפוזומים מגנים על ה-mRNA עד שהם מתמזגים עם ממברנת התא ומשחררים את תוכנם לתוך התא.

הליפוזומים שימשו גם למחקר בסיסי על ממברנות. בניגוד לתאים חיים, שהם מורכבים ודורשים תנאים מיוחדים, ליפוזומים הם מערכת פשוטה ומלאכותית שקל לחקור.

מאפיינים פיזיקליים של ממברנות

פלואידיות של ממברנות

ממברנות מתנהגות כמו נוזל צמיג (fluid-like). זה נראה בניסוי עם “פינצטת לייזר” (Laser tweezers) – שיטה שזכתה בפרס נובל, המאפשרת לתפוס חלקיקים בסקאלה ננומטרית באמצעות קרן לייזר.

כאשר תופסים חלק מממברנה עם פינצטת לייזר ומושכים אותה, הממברנה נמתחת ואינה נשברת. זה מעיד על תכונות נוזליות של הממברנה – המולקולות בממברנה יכולות לנוע זו ביחס לזו. אם הממברנה הייתה מוצק, היא הייתה נשברת כשמושכים אותה.

הפלואידיות של הממברנה חשובה להבנת התנהגות החלבונים והמולקולות שנמצאות בה - הם אינם קבועים במקום, אלא יכולים לנוע בתוכה.

תנועת פוספוליפידים בממברנה

הדמיות מחשב מראות שפוספוליפידים בממברנה נמצאים בתנועה מתמדת. הם יכולים:

1. לנוע אופקית בתוך אותו מישור של הממברנה.
2. להסתובב במקומם.
3. לעבור בין המישור החיצוני והפנימי של הממברנה (אם כי זה נדיר).

בנוסף, הממברנה אינה מישורית לגמרי – יש בה בליטות וכיפופים, והיא דינמית ונמצאת בתנועה מתמדת.

למה תאים לא מתמזגים באופן ספונטני?

אם פוספוליפידים נמשכים זה לזה, והממברנות נוטות להיסגר באופן ספונטני, מדוע תאים אינם מתמזגים ספונטנית זה עם זה?

הסיבה: כאשר תא מייצר פוספוליפידים, החלק הפולרי שלהם מיד נעטף במולקולות מים. כדי להזיז את מולקולות המים האלה, נדרשת השקעת אנרגיה. לכן, אם נביא שתי ממברנות קרובות זו לזו, לא יקרה דבר – שכבת המים תמיד מפרידה בין הראשים הפולאריים.

מיזוג ממברנות בתאים דורש תהליך אקטיבי, עם חלבונים מיוחדים והשקעת אנרגיה. טוב שכך, כי מיזוג ספונטני של ממברנות היה קטסטרופלי לחיים.

התאמת הממברנה לתפקיד ולסביבה

גודל התא וקביעתו

אחת השאלות המעניינות בביולוגיה היא: איך תא “יודע” באיזה גודל עליו להיות?

אין תשובה חד-משמעית לשאלה זו. הגודל הוא תוצאה של שילוב גורמים:

1. יציבות אנרגטית
2. הפעולה שהתא צריך לבצע
3. סביבת התא

לדוגמה, בגוף האדם, התא הגדול ביותר הוא הביצית והקטן ביותר הוא תא דם אדום – שניהם תאים בודדים, אך בגדלים שונים מאוד. הגודל נקבע על ידי שיווי משקל בין המגבלות הפיזיקליות, הסביבה, והתפקיד שהתא צריך למלא.

התאמת הממברנה לטמפרטורה

יונקים משקיעים אנרגיה רבה כדי לשמור על טמפרטורה יציבה (כ-37 מעלות צלזיוס). לעומת זאת, צמחים, חיידקים ופטריות חשופים לשינויי טמפרטורה קיצוניים – מקפיאה בלילה ועד 40 מעלות ביום.

יצורים אלה צריכים להתאים את הרכב השומנים בממברנה שלהם בהתאם לסביבה:

• ארכאונים שחיים בתנאים קיצוניים (כמו בגייזרים של ילוסטון) בעלי שרשראות שומן ארוכות ורוויות, המעניקות לממברנה חוזק ועמידות לטמפרטורות גבוהות.
• יצורים שחיים מתחת לקרח באנטארקטיקה בעלי יותר חומצות שומן בלתי רוויות, המונעות מהממברנה לקפוא.

זאת דוגמה יפה להתאמה אבולוציונית של מבנה מולקולרי לסביבה.

הדמיית מחשב של ממברנות

הדמיות מחשב של ממברנות הן משימה מורכבת מאוד מבחינה חישובית. המערכת כוללת מספר עצום של מולקולות, וכל מולקולה יכולה להתנהג במספר דרכים. יצירת מודל מדויק דורשת כוח מחשוב אדיר.

ההדמיות מראות כי:

• חומצות שומן יכולות לנוע בחופשיות יחסית.
• מולקולות מים בדרך כלל אינן חודרות דרך הממברנה, אך לפי ההדמיה, מולקולה בודדת עשויה לעבור מדי פעם – אך הקצב איטי מאוד.
• ממברנות המכילות כולסטרול הן יציבות יותר, כיוון שמולקולות הכולסטרול מגבילות את תנועת השרשראות השומניות.

חשוב להבין שהסימולציות האלה מדמות רק כמה ננו-שניות של פעילות בזמן אמיתי. הדמיית שנייה אחת של פעילות ממברנה דורשת כוח מחשוב עצום!

הרכב הממברנה בסוגי תאים שונים

הטבלה שהוצגה מראה את הרכב הליפידים בממברנות של תאים שונים בגוף ומשווה אותם לחיידק האי-קולי (E. coli).

תאים שונים משלבים שומנים שונים בממברנה בהתאם לתפקידם ולסביבתם:

• תא פלזמה בכבד
• תא דם אדום
• מיאלין (העוטף נוירונים)
• מיטוכונדריה
• הרשתית האנדופלסמטית (ER)
• חיידק אי-קולי (E. coli)

נקודה מעניינת: באי-קולי אין כולסטרול כלל! זה אומר שהחיידק צריך למצוא דרכים אחרות להתמודד עם הצורך לייצב את הממברנה ולבודד אותה ממים.

מחקר על ספציפיות של חלבונים אנטי-מיקרוביאליים

דוגמה למחקר שבוצע על חלבונים אנטי-מיקרוביאליים שהגוף מייצר כדי להרוג חיידקים. השאלה הייתה: איך החלבונים האלה יודעים לפגוע דווקא בחיידקים ולא בתאי הגוף?

בניסוי ייצרו ליפוזומים מלאכותיים עם הרכבי שומנים שונים:

• ליפוזומים עם מטען חיובי (דומים לממברנות חיידקים)
• ליפוזומים עם מטען שלילי (דומים לממברנות של תאי הגוף)

בתוך הליפוזומים הוכנס חומר פלואורסצנטי שניתן למדידה. כאשר הוסיפו את החלבון האנטי-מיקרוביאלי (REG3α), רק הליפוזומים עם המטען החיובי נפגעו ושחררו את החומר הפלואורסצנטי. זה מסביר את הספציפיות של החלבון – הוא מזהה ממברנות עם מטען חיובי (כמו של חיידקים) ולא פוגע בממברנות עם מטען שלילי (כמו של תאי האדם).

סידור עצמי של פוספוליפידים

למרות שנאמר שפוספוליפידים אינם קשורים זה לזה ויכולים לנוע בחופשיות, יש תופעה מעניינת שמראה שהם יכולים ליצור סדר מסוים.

בניסוי לקחו שלושה סוגים שונים של פוספוליפידים וצבעו רק סוג אחד בצבע אדום. כאשר יצרו ליפוזום מסוג אחד בלבד, הצביעה האדומה הייתה אחידה בכל מקום.

אם פוספוליפידים נעים באופן רנדומלי לחלוטין, כשמוסיפים עוד שני סוגים לא צבועים, היינו מצפים לראות את אותו פיזור, רק בעוצמת צבע נמוכה יותר. אך במקום זאת, הליפידים הסתדרו במעין נקודות מרוכזות.

זה מעיד שפוספוליפידים יכולים ליצור סידור עצמי בצורה מסוימת. עדיין אין הסבר מלא לתופעה זו.

אחסון שומנים בתאים - אגלי שומן (Lipid Droplets)

תאים משתמשים בשומן למספר מטרות:

1. כמקור אנרגיה
2. ליצירת ממברנות
3. כמולקולות להעברת אותות

כאשר יש בתאים יותר מדי שומן ואין להם מה לעשות איתו, הם אינם יכולים להשאיר אותו חופשי בציטופלזמה – הוא ייצור בעיות בגלל ההידרופוביות שלו. הפתרון: התא מכניס את השומן לתוך מבנים מיוחדים הנקראים “אגלי שומן” (Lipid Droplets).

אגלי שומן דומים למיצלות – יש להם שכבה חיצונית של פוספוליפידים עם זנבות הפונים פנימה, והחלק הפנימי מלא בשומן. זו דרך יעילה לאחסן שומן בתא.

הכבד, שמקבל את כל השומן מהמזון דרך וריד השער (Portal Vein), הוא האיבר העיקרי שמאחסן שומן. כאשר צופים בכבד במיקרוסקופ, אפשר לראות נקודות של שומן בתאים.

אסימטריה של ממברנות

עד כה דובר על ליפיד ביילר (שכבה כפולה של שומנים) מבלי להדגיש מספיק את ההבדלים בין החלק החיצוני לחלק הפנימי של הממברנה.

למעשה, שני צדי הממברנה אינם זהים – יש להם תכונות שונות. הסיבה לכך ברורה: הם חשופים לסביבות שונות לחלוטין.

• בתוך התא (הציטוזול): תנאים קבועים יחסית של pH וריכוז חומרים.
• מחוץ לתא (הנוזל הבין-תאי): סביבה שיכולה להשתנות מאוד ממקום למקום בגוף (מוח, לב, שריר וכו’).

התא מתמודד עם השוני בין הסביבות באמצעות מודיפיקציות שונות של הפוספוליפידים בכל צד של הממברנה.

גליקוליפידים ותפקידם במערכת החיסון

מבנה ותפקיד הגליקוליפידים

דוגמה קלאסית לשימוש בגליקוליפידים (ליפידים עם סוכרים) היא במערכת החיסון. כאמור, יש פוספוליפידים שיש להם סוכרים במקום קבוצות מסוימות.

מדוע הסוכרים האלה חשובים? המערכת החיסונית יודעת לזהות את הסוכרים האלה, והם משמשים כ”תעודת זהות” עבור המקרופאגים. הסוכרים מסמנים למקרופאגים “אל תאכל אותי” – כלומר, הם מסמנים את התאים כתאים של הגוף עצמו ולא כפולשים.

מנגנון “פליפ-פלופ” במוות תאי מתוכנן

כאשר תא עובר מוות תאי מתוכנן (אפופטוזיס) כי הוא מבין שעליו להתאבד כדי להציל את האורגניזם כולו, הממברנה מבצעת תהליך נקרא “פליפ-פלופ”: החלק החיצוני שלה הופך להיות פנימי, והחלק הפנימי הופך להיות חיצוני. כתוצאה מכך, הסוכרים נעלמים מהצד החיצוני של התא.

כאשר מקרופאג רואה ממברנה ללא סוכרים, הוא מיד מזהה זאת כסימן שעליו לבלוע את התא הזה ולפרק אותו. זוהי התנהגות אלטרואיסטית של התא – הוא מתאבד כדי להגן על האורגניזם כולו.

הגנה מפני וירוסים

נניח שתא נדבק בווירוס. וירוס מחוץ לתא לא יכול לעשות דבר; הוא אינו מתרבה או מבצע מטבוליזם לבד, וזו אחת הסיבות שווירוסים אינם נחשבים ליצורים חיים. הסכנה מתחילה כשהווירוס חודר לתא ומשתמש במערכות התא כדי לשכפל את עצמו.

כאשר וירוס נכנס לתא, קיימות מערכות שמזהות DNA ו-RNA זר בציטופלזמה. זיהוי כזה מפעיל שרשרת העברת אותות שגורמת לתא לבצע “פליפ-פלופ” בממברנה, להתאבד, ולאפשר למקרופאג לבלוע אותו ולחסל את הווירוס.

גם אם לפעמים נדבקים בווירוסים ונעשים חולים, זה לא אומר שהמערכת לא עובדת. למעשה, התחושות של מחלה (חום, עייפות וכו’) מעידות על כך שהמערכת החיסונית כן עובדת. העובדה שרוב האנשים מחלימים מהדבקות ויראליות מעידה על כך שהמערכת פועלת היטב.

יש לציין שאין הרבה תרופות נגד וירוסים, ואלה שיש (כמו תרופות ל-HIV) לא הורגות וירוסים אלא רק מעכבות את התרבותם. בדרך כלל ההחלמה מתרחשת הודות למערכת החיסון.

סוכרים על פני הממברנה

מיקום הגליקוליפידים

גליקוליפידים נמצאים רק בחלק החיצוני של הממברנה. זוהי תכונה נפוצה בכל היצורים האאוקריוטיים, אך אינה קיימת בחיידקים.

ישנם סוגים שונים של גליקוליפידים. לחלקם יש ראש מורכב עם הרבה סוכרים, ולאחרים יש רק סוכר אחד. הסוכרים יכולים להיות מסוגים שונים, כמו גלקטוז או חומצה סיאלית. תחום שלם בביולוגיה, הנקרא “גליקומיקס”, עוסק בחקר הסוכרים שנמצאים על תאים. תחום הגליקומיקס נמצא יחסית בחיתוליו, אך הבנה טובה יותר של הסוכרים הללו עשויה לשפוך אור על מחלות רבות.

מדוע הגליקוליפידים נמצאים רק בצד החיצוני?

הגליקוזילציה (הוספת סוכרים) נעשית רק בחלק הפנימי של הגולג’י, אברון שבו מתבצעות מודיפיקציות לחלבונים ולשומנים לפני שהם נשלחים מחוץ לתא. בגלל האופן שבו בועיות מהגולג’י מתמזגות עם ממברנת התא, הסוכרים תמיד מופנים כלפי חוץ. אין אפשרות שהם יופנו כלפי פנים.

דוגמה מהמעי

דוגמה מעניינת היא ממברנת תאי האפיתל במעי. תאי האפיתל של המעי מכוסים במיקרו-וילי, מבנים דמויי אצבע המגדילים את שטח הפנים כדי לספוג יותר נוטריינטים מהמזון.

על גבי הממברנה של תאי האפיתל יש סוכרים רבים (נראים בצבע מגורען בתמונות מיקרוסקופיות). הסוכרים האלה חשובים מאוד כי במעי יש טריליוני חיידקים, וירוסים ופטריות, ובכל זאת רוב האנשים אינם סובלים מדלקות כרוניות במעי. הסוכרים על הממברנה של תאי האפיתל יוצרים מעין מחסום, שמונע מחיידקים להגיע קרוב מספיק לממברנה כדי לפרוץ אותה.

חלבוני ממברנה - מבוא

תפקיד החלבונים בממברנה

הממברנה עצמה היא בעיקר חיץ, מחסום בין פנים התא לסביבתו החיצונית. היא אינה מבצעת פעולות אנזימטיות או קטליטיות בעצמה. כדי לבצע פעולות אקטיביות, התא זקוק לחלבונים שמשולבים בממברנה.

ישנן סיבות רבות מדוע התא זקוק לחלבוני ממברנה:

• כדי שהתאים יישארו במקומם הנכון ולא ינדדו באופן אקראי (חלבוני עיגון)
• כדי לחוש ולהגיב לשינויים בסביבה (רצפטורים)
• כדי להעביר חומרים דרך הממברנה (תעלות וטרנספורטרים)

מבנה חלבוני ממברנה

חלבונים טרנס-ממברנליים הם חלבונים שחודרים דרך הממברנה מצד אחד לצד השני. לכל החלבונים הטרנס-ממברנליים יש אזור שנקרא “דומיין טרנס-ממברנלי” שנמצא בתוך הממברנה (״תחום טרנס-ממברנלי״).

כפי שלמדנו, יש חומצות אמינו הידרופיליות וחומצות אמינו הידרופוביות. כאשר חלבון צריך להיות טרנס-ממברנלי, האזורים שיוצרים מבנים הידרופוביים יהיו תקועים בין הליפידים בממברנה, ואילו האזורים שיוצרים מבנים הידרופיליים יהיו בצד התוך-תאי או החוץ-תאי.

חלבוני ממברנה יכולים להיות בצורת אלפא-הליקס או בטא-ברל (״חבית״ בטא - β barrel). הצורה תלויה בתפקוד החלבון. כאשר יש מספר אזורים הידרופוביים והידרופיליים לסירוגין, זה בדרך כלל מצביע על חלבון שיוצר תעלה דרך הממברנה.

ישנם גם חלבונים שאינם חלבוני טרנס-ממברנליים, אך הם עדיין נחשבים לחלבוני ממברנה כי הם מקושרים אליה. למשל, חלבונים שמקושרים לממברנה על ידי סוכרים, או חלבונים שמקושרים לחלבונים אחרים שנמצאים בממברנה.

סוגים שונים של חלבוני ממברנה

ישנם חלבונים שעוברים את הממברנה פעם אחת, ויש כאלה שעוברים אותה מספר פעמים. מדען יכול לנבא מהרצף של החלבון האם הוא טרנס-ממברנלי וכמה פעמים הוא יעבור את הממברנה.

הניבוי נעשה באמצעות “אינדקס הידרופובי” – סולם שמודד את מידת ההידרופוביות של חומצות האמינו. כל מה שנמצא מעל הערך 0 הוא הידרופובי (צריך אנרגיה כדי להיות במים), וכל מה שנמצא מתחת ל-0 הוא הידרופילי.

כך, למשל, חלבונים עם אזור הידרופובי אחד יעברו את הממברנה פעם אחת, ואילו חלבונים עם מספר אזורים הידרופוביים יעברו את הממברנה מספר פעמים.

תעלות מים (אקוואפורינים)

למרות שהממברנה הידרופובית, מים בכל זאת עוברים דרכה. איך זה קורה?

התשובה היא תעלות חלבון מיוחדות שנקראות אקוואפורינים. בתעלות אלה יש חומצות אמינו פולריות שנמצאות במקום מסוים בתעלה.

כאשר מסתכלים על חתך של אקוואפורין, רואים שלושה סלילים (אלפא-הליקסים) ובכל סליל יש כמה שיירים (צדדים של חומצות אמינו) שכולם פונים לאותו כיוון. כאשר החלבון מתקפל בתוך הממברנה, האזורים ההידרופוביים נמצאים בחוץ (באינטראקציה עם הליפידים), והשיירים ההידרופיליים נמצאים בפנים, בתוך התעלה. כך נוצר מסלול בטוח למעבר מים.

רודופסין - חלבון ממברנה שמגיב לאור

רודופסין הוא חלבון שנמצא בחיידקים ומגיב לאור. הוא עובר את הממברנה מספר פעמים, ובמרכזו יש שייר שנקרא רטינל.

כאשר פוטון של אור פוגע ברטינל, אחת מחומצות האמינו של הרטינל עוברת שינוי מבני, וכתוצאה מכך משתנה צורת המולקולה כולה. השינוי של הרטינל גורם לשינויים קונפורמציוניים בצורת החלבון.

בשינוי צורה זה, החלבון משחרר פרוטון (יון מימן) לצד אחד של הממברנה ואז יכול לקלוט פרוטון אחר מהצד השני.

רודופסין משמש גם בטכניקה מחקרית שנקראת אופטוגנטיקה. בשיטה זו, מייצרים למשל עכבר טרנסגני שנוירונים מסוימים שלו מבטאים את הרודופסין. כאשר מאירים על האזור הזה באור באורך גל מסוים, התעלה נפתחת והנוירון יורה. כך אפשר לבדוק האם הנוירונים האלה אחראים על התנהגות מסוימת, כמו רצון לאכול, התמכרות או דיכאון.

איך חלבוני ממברנה מגיעים לממברנה?

חלבונים ממברנליים לא נוצרים בציטופלזמה ואז מגיעים לממברנה. הם עוברים סינתזה ישירות בממברנה של הרשתית האנדופלסמטית (ER), ומשם הם עוברים על גבי וזיקולות דרך הגולג’י ומגיעים לממברנת התא כשהם כבר תקועים בתוך הממברנה של הבועית.

גליקוזילציה של חלבונים וסוגי דם

סוכרים על חלבונים וזיהוי עצמי

כפי שנאמר שעל פוספוליפידים יכולים להיות סוכרים, גם על חלבונים יכולים להיות סוכרים. כאשר סוכרים אלה פונים החוצה, הם עוזרים לגוף לזהות האם מדובר בתא שלו או לא.

דוגמה קלאסית לכך היא סוגי הדם במערכת ABO. מה זה בעצם ABO? אלו סוכרים שונים שנמצאים על גבי חלבונים בממברנת תאי הדם האדומים, ומאפשרים למערכת החיסונית לזהות האם התא הזה הוא של הגוף או לא.

מערכת הדם ABO היא דוגמה טובה לכך שהסוכרים עוזרים להבחין בין תאים של הגוף לתאים זרים. הבעיה היא שזה מקשה כאשר רוצים לעשות תרומת דם, כי אם נקבל דם מסוג שונה משלנו, המערכת החיסונית תזהה אותו כזר ותתקוף אותו.

ניידות חלבונים בממברנה

ניסויי פיוז’ן (מיזוג תאים)

כפי שנאמר, הפוספוליפידים יכולים לנוע בצורה יחסית חופשית בממברנה, אך לפעמים הם גם יוצרים צברים (אגרגטים). באופן דומה, גם חלבוני ממברנה יכולים לנוע בצורה חופשית בממברנה – אם כי לא כולם.

כדי להוכיח זאת, נערך ניסוי שבו לקחו תא אנושי ותא עכבר וביצעו מיזוג (פיוז’ן) ביניהם. את חלבוני הממברנה של התא האנושי צבעו באדום, ואת אלו של העכבר בירוק.

מיד לאחר המיזוג, ניתן היה לראות בבירור את החלק של התא שהגיע מהאדם ואת החלק שהגיע מהעכבר, כל אחד בצבע אחר. אך לאחר כמה שניות, הצבע האדום והירוק התפשטו בכל היקף התא הממוזג. זה מעיד על כך שהחלבונים יכולים לנוע בצורה חופשית בממברנה, ולאחר המיזוג הם התפזרו בכל שטח הממברנה.

ניסויי FRAP

טכניקה נוספת להדגמת ניידות חלבונים בממברנה היא FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching).

בשיטה זו מייצרים חלבונים ממברנליים שמחוברים למולקולה פלואורסצנטית (מפיקה אור). באמצעות קרן לייזר מדויקת, מבצעים “הלבנה” (photobleaching) – שריפה של היכולת של החלבונים באזור מסוים לפלוט אור.

אם החלבונים יכולים לנוע בחופשיות בממברנה, יתרחש תהליך של “התאוששות” (recovery) – חלבונים פלואורסצנטיים מאזורים אחרים בממברנה ינועו לאזור ה”הלבנה” וימלאו את ה”חור” שנוצר.

בסרטון שהוצג, ניתן לראות תא לפני ההלבנה, אחרי ההלבנה (כשנוצר אזור חשוך), ואז אחרי כמה שניות רואים שחלבונים מאזורים אחרים הגיעו וסגרו את החור.

חשוב להבהיר: הלייזר לא פגע בכל החלבונים בממברנה, רק באלו שבאזור ממוקד. החלבונים שעברו הלבנה עדיין מתפקדים, הם רק איבדו את היכולת לפלוט אור. מה שרואים בהתאוששות הוא חלבונים אחרים, שלא עברו הלבנה, שהגיעו לאזור בגלל תנועה חופשית (דיפוזיה).

מדידת קצב ההתאוששות מאפשרת לחוקרים לחשב את מקדם הדיפוזיה של החלבון, כלומר כמה מהר הוא יכול לנוע בממברנה.

שיעור 9 - טרנספורטרים ותעלות בממברנה

מבוא: חשיבות הממברנה והצורך במעבר סלקטיבי

בשיעור הקודם דיברנו על ממברנות ועל התפקיד החיוני שלהן ביצירת הפרדה בין פנים התא לסביבתו החיצונית. הממברנות עושות עבודה מעולה בכך שהן לא מאפשרות לחומרים לעבור דרכן באופן חופשי. היכולת הזאת להפריד בין פנים לחוץ - בין אם בתאים, באברונים או בכל מבנה ביולוגי אחר - היא חיונית לתפקוד נכון של האורגניזם.

עם זאת, תאים חייבים גם להכניס ולהוציא חומרים ולתקשר עם הסביבה שלהם. מכאן שנדרש מנגנון שיאפשר מעבר מבוקר של חומרים דרך הממברנה. המנגנונים האלה חייבים לפעול תחת בקרה קפדנית - אי אפשר לאפשר לתא להכניס ולהוציא כל מה שהוא “רוצה”.

הדרך העיקרית שבה תאים מעבירים מולקולות קטנות דרך הממברנה היא באמצעות טרנספורטרים ותעלות, שהם נושא השיעור היום. הנושא הזה יחסית אינטואיטיבי, והמנגנונים האלה פועלים פחות או יותר כפי שהיינו מצפים שיפעלו.

חשיבות טרנספורטרים ותעלות בתאים

עד כמה טרנספורטרים ותעלות חשובים לתאים? התשובה משתנה מאורגניזם לאורגניזם, אך בדרך כלל כ-15% עד 30% מהגנום מקודד לטרנספורטרים ולתעלות. כלומר, כמעט שליש מהגנום שלנו מוקדש אך ורק להכנסה ולהוצאה של חומרים מהתא ולשליטה על מעבר של מולקולות בין פנים התא לסביבתו החיצונית. זה מעיד על החשיבות העצומה של תהליכים אלה.

יש תאים שרוב האנרגיה שלהם מושקעת בתהליכי העברת חומרים, למשל:

• נוירונים משקיעים את רוב האנרגיה שלהם בהכנסה ובהוצאה של יונים, שכן עיקרון הפעולה שלהם מבוסס על העברת מטען חשמלי (יונים שנכנסים ושיוצאים מהתא).
• תאי כליה וכבד שתפקידם לסנן את מה שאנחנו אוכלים ושותים, עוסקים רוב הזמן בהכנסה ובהוצאה של חומרים.

ריכוזי יונים בפנים התא ומחוצה לו

נתון מדהים הוא שריכוזי היונים בפנים התא ומחוצה לו נשמרים ברמות דומות כמעט בכל היונקים. למרות שכל יונק חי בסביבה שונה והגוף שלו מתפקד בצורה שונה, התאים עדיין שומרים על ריכוזי יונים כמעט קבועים, מה שמרמז על כך שזוהי הסביבה האופטימלית שהאבולוציה פיתחה לתפקוד תאי.

להלן ריכוזי היונים העיקריים בפנים התא ומחוצה לו:

משמעות ההפרשים הגדולים בריכוזים היא שככל שהפרש הריכוזים גדול יותר, כך החומר יעבור מהר יותר כשיתאפשר לו לעבור. לדוגמה, סידן משמש כאחת המולקולות החשובות ביותר להעברת אותות במערכת העצבים בדיוק בשל פער הריכוזים העצום (פי 10,000) בין חוץ התא לפנים התא. כשתעלת סידן נפתחת, היונים זורמים במהירות רבה, מה שחיוני לפעולות מהירות של מערכת העצבים.

התא משקיע אנרגיה רבה כדי לשמר את הפרשי הריכוזים האלה.

חדירות הממברנה לחומרים שונים

הממברנה כמעט בלתי חדירה להרבה חומרים, אך יש חומרים שכן יכולים לעבור דרכה באופן חופשי או מוגבל:

1. מולקולות לא פולריות: גזים (חמצן, פחמן דו-חמצני, חנקן) והורמונים סטרואידים יכולים לעבור בחופשיות דרך הממברנה. לכן, התא אינו זקוק למנגנון מיוחד כדי להכניס חמצן או להוציא $\ce{CO2}$.

2. מולקולות כמו מים וגליצרול: יכולות לעבור דרך הממברנה, אך זה ייקח זמן רב. מולקולות מים יכולות טכנית לעבור דרך הממברנה השומנית, אך התהליך איטי מדי לצרכי התא.

3. סוכרים ויונים: כמעט שלא יעברו את הממברנה ללא מנגנוני העברה ייעודיים. ליונים, ללא עזרה של טרנספורטרים או תעלות, ייקח זמן בלתי סביר לעבור את הממברנה.

הסיבה הכימית לכך היא שהממברנה עשויה מליפידים (שומנים) עם ראש פוספט וזנב ליפידי. מולקולות פולריות כמו מים או יונים טעונים לא יעברו בקלות דרך השכבה השומנית של הממברנה. לעומת זאת, גזים כמו חמצן ו-$\ce{CO2}$ הם אטומים קטנים ולא פולריים, ולכן יכולים לעבור בקלות.

סוגי חלבונים להעברת חומרים דרך הממברנה

יש שני סוגים עיקריים של חלבונים שמשמשים להעברת חומרים דרך הממברנה:

טרנספורטרים

טרנספורטר הוא חלבון עם אתר קישור (binding site) ספציפי לחומר שהוא מעביר (solute). כשהחומר נקשר לטרנספורטר, החלבון עובר שינוי קונפורמציה (שינוי מבני), ממצב שבו הוא פתוח לצד אחד של הממברנה, למצב שבו הוא פתוח לצד השני, וכך משחרר את החומר בצד השני.

טרנספורטרים דומים לאנזימים בכך שיש להם סובסטרט ספציפי שהם קושרים, אך בניגוד לאנזימים, הם לא משנים את החומר עצמו - הם רק מעבירים אותו מצד אחד של הממברנה לצד השני.

תהליך ההעברה נעשה בשלושה שלבים:

1. קישור המולקולה לטרנספורטר
2. שינוי קונפורמציה של הטרנספורטר (בשלב הזה המולקולה אינה חשופה לאף צד של הממברנה)
3. שינוי קונפורמציה נוסף המשחרר את המולקולה בצד השני

תעלות

בניגוד לטרנספורטרים, תעלות (channel proteins) לא קושרות ישירות את החומר שהן מעבירות. הן פשוט נפתחות ונסגרות, ומאפשרות מעבר של חומרים ספציפיים דרכן. התעלות ספציפיות מאוד לסוג החומר שהן מעבירות.

בגלל שתעלות לא צריכות לקשור את החומר ולעבור שינויי קונפורמציה מורכבים, הן פועלות הרבה יותר מהר מטרנספורטרים.

העברה פסיבית לעומת העברה אקטיבית

יש מספר דרכים להעברת חומרים דרך הממברנה:

דיפוזיה פשוטה

החומרים היחידים שעוברים בדרך זו הם גזים כמו חמצן ו-$\ce{CO2}$.

העברה פסיבית דרך תעלה

חומר יעבור דרך תעלה רק אם הוא נע בכיוון מפל הריכוזים (מריכוז גבוה לריכוז נמוך). ברגע שהתעלה נפתחת, החומר יעבור באופן טבעי לצד השני.

העברה פסיבית דרך טרנספורטר

בדומה לתעלות, טרנספורטרים יכולים להעביר חומרים לפי מפל הריכוזים ללא השקעת אנרגיה.

העברה אקטיבית

כאשר יש צורך להעביר חומר נגד מפל הריכוזים (כלומר, מריכוז נמוך לריכוז גבוה), נדרשת השקעת אנרגיה. זו העברה אקטיבית.

הבדל חשוב:

• טרנספורטרים - יכולים לפעול הן בהעברה פסיבית והן בהעברה אקטיבית (עם השקעת אנרגיה).
• תעלות - פועלות רק בהעברה פסיבית, כלומר רק עם מפל הריכוזים.

קצב העברת חומרים

קיימים הבדלים משמעותיים בקצב העברת החומרים בין טרנספורטרים לתעלות:

• טרנספורטרים: מגיעים בשלב מסוים לקצב מקסימלי שאינם יכולים לעבור. ההגבלה הזו נובעת מהזמן הדרוש לקישור המולקולה, שינוי הקונפורמציה ושחרור המולקולה.

• תעלות: אינן מוגבלות באותו אופן. ככל שמפל הריכוזים גדול יותר, כך קצב מעבר החומר דרך התעלה יהיה מהיר יותר. אין להן “רוויה” כמו לטרנספורטרים.

הדבר בא לידי ביטוי במתמטיקה:

• בטרנספורטרים: $\text{Rate} = \frac{V_{\max} \cdot [\text{S}]}{K_m + [\text{S}]}$
• בתעלות: הקצב גדל באופן ליניארי עם מפל הריכוזים

סוגי טרנספורטרים

מנגנוני העברה אקטיבית

כאשר יש צורך להעביר חומר נגד מפל הריכוזים, יש שלושה מקורות עיקריים לאנרגיה הדרושה:

טרנספורטר מצומד (Coupled Transporter)

בשיטה זו, משתמשים במפל הריכוזים של חומר אחד כדי להעביר חומר אחר נגד מפל הריכוזים שלו. הטרנספורטר מכיל שני אתרי קישור - אחד לכל חומר. כאשר החומר הראשון נע לפי מפל הריכוזים שלו, האנרגיה המשתחררת מנוצלת להעברת החומר השני נגד מפל הריכוזים שלו.

שימוש ב-ATP

ATP משמש כספק אנרגיה לרוב הפעולות המכניות בתא. בטרנספורטרים תלויי-ATP, קשירת ATP לחלבון גורמת לשינוי קונפורמציה שמספק את האנרגיה הדרושה להעברת החומר נגד מפל הריכוזים.

שימוש באור

שימוש באור נפוץ ברצפטורים בעין ובצמחים. פוטון שפוגע בחלבון גורם לשינוי קונפורמציה ומספק אנרגיה.

סוגי טרנספורטרים לפי מספר החומרים המועברים

יוניפורט (Uniport)

טרנספורטר יוניפורט מעביר מולקולה אחת בלבד. זה יכול להיות בהעברה פסיבית (עם מפל הריכוזים) או בהעברה אקטיבית (נגד מפל הריכוזים, עם השקעת אנרגיה).

סימפורט (Symport)

טרנספורטר סימפורט מעביר שני חומרים שונים באותו כיוון. לדוגמה, אם מולקולה אחת (כחולה) רוצה להיכנס לתא בגלל מפל הריכוזים שלה, והמולקולה השנייה (אדומה) צריכה להיכנס נגד מפל הריכוזים שלה, הסימפורטר מנצל את האנרגיה ממפל הריכוזים של המולקולה הכחולה כדי להכניס גם את המולקולה האדומה.

אנטיפורט (Antiport)

טרנספורטר אנטיפורט מעביר שני חומרים בכיוונים מנוגדים. מפל הריכוזים של חומר אחד משמש להעברת החומר השני בכיוון ההפוך.

בניגוד לסימפורט, באנטיפורט אנחנו מעבירים מולקולות בכיוונים מנוגדים. המולקולה הכחולה מוצאת מהתא לסביבה החיצונית, והמולקולה האדומה נכנסת לתא. גם כאן מנצלים את מפל הריכוזים של אחת המולקולות (הכחולה) שרוצה לצאת מהתא (בגלל שהריכוז שלה נמוך יותר בחוץ) כדי לספק את האנרגיה להכנסת המולקולה השנייה (האדומה) שלא רוצה להיכנס (כי הריכוז שלה גבוה יותר בצד החיצוני).

שתי המולקולות נקשרות לטרנספורטר בצדדים מנוגדים, ובשינוי הקונפורמציה אחת יוצאת והשנייה נכנסת. יש גם מנגנונים בהם קודם נקשרת מולקולה אחת, ורק כאשר נקשרת המולקולה השנייה מתרחש שינוי הקונפורמציה.

נקודה חשובה: ההבדל בין סימפורט לאנטיפורט הוא שבסימפורט שתי המולקולות נכנסות מאותו צד של הממברנה, ובאנטיפורט המולקולות נכנסות מכיוונים מנוגדים.

דוגמה מרכזית: טרנספורטרים של גלוקוז בתאי אפיתל

בתאי אפיתל במעי יש הרבה טרנספורטרים שמבוססים על ניצול מפל הריכוזים של נתרן כדי להכניס גלוקוז לתוך התאים. הגוף עובד קשה כדי לשמור על ריכוז נתרן נמוך בתוך התאים (וגבוה מחוץ לתאים), כך שנתרן תמיד “רוצה” להיכנס לתא.

מאידך, ריכוז הגלוקוז גבוה יותר בתוך תאי האפיתל מאשר בחלל המעי (אלא אם כן אכלתם כמות גדולה של סוכרים). לכן, גלוקוז לא ייכנס באופן ספונטני לתאים - זה נגד מפל הריכוזים.

הפתרון: סימפורטר של נתרן-גלוקוז. טרנספורטר זה מנצל את הרצון של הנתרן להיכנס לתא כדי “לגרור” איתו גם את הגלוקוז פנימה. ברגע שנתרן נקשר לטרנספורטר וגלוקוז מצטרף אליו, הכוח שמניע את הנתרן פנימה פותח את הטרנספורטר ומאפשר לגלוקוז להיכנס לתא כנגד מפל הריכוזים שלו.

הערה חשובה: ברגע שהגלוקוז נכנס לתא, עלינו להבטיח שמפל הריכוזים של הנתרן יישמר. לכן, הנתרן שנכנס חייב להיות מוצא החוצה בשלב מסוים, דבר הדורש השקעת אנרגיה.

מנגנון מלא להעברת גלוקוז במעי

נסתכל על התמונה המלאה של העברת גלוקוז במעי:

1. כניסת גלוקוז לתא האפיתל - הצד האפיקלי (הפונה לחלל המעי):
   • בחלק העליון של התא (צד הלומן - חלל המעי) יש גלוקוז שאנחנו רוצים להכניס לתא.
   • הגלוקוז נכנס דרך סימפורטר נתרן-גלוקוז, המנצל את מפל הריכוזים של הנתרן

   (טרנספורטר סימפורטר - להבנתי (דור) SGLT1).

2. יציאת גלוקוז לזרם הדם - הצד הבזאלי (הפונה לזרם הדם):
   • בצד השני של התא (הצד הבזאלי הפונה לזרם הדם), ריכוז הגלוקוז בתא גבוה יותר מאשר בדם.
   • הגלוקוז יוצא באופן פסיבי דרך יוניפורטר (טרנספורטר פשוט), ללא צורך בהשקעת אנרגיה.
     • יוניפורט GLUT2
3. שמירה על מפל הריכוזים של נתרן:
   • כדי שהמערכת תמשיך לעבוד, יש צורך להוציא את הנתרן שנכנס לתא.
   • זה נעשה על ידי משאבת נתרן-אשלגן (Na⁺/K⁺ ATPase), שמוציאה נתרן ומכניסה אשלגן תוך השקעת אנרגיה (ATP).

הערה על מיקום הטרנספורטרים: חשוב לציין שהטרנספורטרים ממוקמים בצורה מאורגנת בממברנת התא. הסימפורטר נמצא בצד האפיקלי (הפונה לחלל המעי), והיוניפורטר נמצא בצד הבזאלי (הפונה לזרם הדם).

מה שמונע מהטרנספורטרים לנוע מצד לצד הם חלבונים הנקראים “Tight Junctions”, היוצרים מחסום בין שני צדדי הממברנה ומחברים תאי אפיתל סמוכים.

tight junctions מונעים מעבר של חלבונים טרנס-ממבראנליים מהצד הבזאלי לצד האפיקלי באותו תא

טרנספורטרים תלויי ATP (העברה אקטיבית)

עד כה דיברנו בעיקר על טרנספורטרים הפועלים עם מפל הריכוזים או מנצלים מפל ריכוזים של חומר אחד להעברת חומר אחר. כעת נדון בטרנספורטרים שמשתמשים ישירות באנרגיה מ-ATP להעברת חומרים נגד מפל הריכוזים.

יש שלושה סוגים עיקריים של טרנספורטרים תלויי ATP:

משאבות מסוג P (P-type ATPases)

• תפקידן העיקרי הוא להעביר יונים.
• פועלות באופן פשוט יחסית:
  • יון נקשר בצד אחד
  • יש השקעה של ATP
  • הטרנספורטר משנה קונפורמציה
  • והיון משתחרר בצד השני
• דוגמה מרכזית: משאבת הנתרן-אשלגן (Na⁺/K⁺ ATPase) - להלן.

טרנספורטרים מסוג ABC (ATP Binding Cassette)

• ABC הם ראשי תיבות של ATP Binding Cassette.
• שונים מבחינה מבנית ממשאבות מסוג P.
• מעבירים בעיקר מולקולות קטנות כמו סוכרים או חלבונים קטנים, בניגוד למשאבות מסוג P שמעבירות בעיקר יונים.
• התגלו לראשונה בחיידקים והם בעלי חשיבות רבה בעמידות לאנטיביוטיקה, כיוון שהם יכולים להוציא אנטיביוטיקה מתוך החיידק החוצה, גם נגד מפל הריכוזים.
• חשוב לציין שטרנספורטרים מסוג ABC התפתחו הרבה לפני שבני אדם החלו להשתמש באנטיביוטיקה, כחלק מהמאבק האבולוציוני בין חיידקים לפטריות.

משאבות מסוג V ו-F (V-type and F-type ATPases)

• משאבות מסוג V (V-type): מוציאות פרוטונים (יוני מימן, $\ce{H^+}$) מהתא החוצה נגד מפל הריכוזים, תוך שימוש באנרגיה מ-ATP.
• משאבות מסוג F (F-type) או ATP סינתאז: פועלות בכיוון ההפוך - הן מנצלות את מפל הריכוזים של הפרוטונים (שרוצים להיכנס לתא) כדי לייצר ATP. זוהי למעשה טורבינה מולקולרית שמייצרת אנרגיה כאשר פרוטונים זורמים דרכה. זהו הבסיס לייצור אנרגיה בכל האורגניזמים החיים, במיוחד במיטוכונדריה ובכלורופלסטים.

הבהרה: משאבות V-type דורשות ATP כי הן פועלות נגד מפל הריכוזים, בעוד ש-F-type ATP סינתאז פועל עם מפל הריכוזים ולכן דווקא מייצר ATP.

משאבת הנתרן-אשלגן (Na⁺/K⁺ ATPase)

משאבת הנתרן-אשלגן היא אחד הטרנספורטרים החשובים ביותר בתאים. זוהי משאבה מסוג P שמשתמשת ב-ATP כדי להוציא נתרן ולהכניס אשלגן כנגד מפל הריכוזים של שניהם.

למרות שנתרן ואשלגן הם שניהם יונים חיוביים עם מטען זהה, המערכת הביולוגית מפרידה ביניהם. לכאורה מדובר בהשקעת אנרגיה מיותרת, אך כנראה שבפועל זה “פטנט” אבולוציוני מוצלח מאוד, שכן כל היצורים החיים משתמשים במנגנון משאבת הנתרן-אשלגן. כשליש מהאנרגיה המושקעת בתאים של בעלי חיים מוקדשת רק למשאבת נתרן-אשלגן.

המשאבה נחשבת יעילה משום שהיא משתמשת במולקולת ATP אחת בלבד כדי להוציא שלושה יוני נתרן מהתא ולהכניס שני יוני אשלגן פנימה.

תעלות ממברנליות

בניגוד לטרנספורטרים, תעלות הן פשוט “חורים” בממברנה שיכולים להיפתח ולהיסגר. בדומה לכיור בבית, כשהפקק פתוח המים זורמים מלמעלה למטה בהתאם לכוח הכבידה. אין לכיור שליטה על כיוון הזרימה - זה נקבע על ידי כוחות חיצוניים.

באותו אופן, תעלות לא שולטות בכיוון מעבר החומרים דרכן - מפל הריכוזים הוא שקובע את כיוון המעבר. אולם, תעלות יכולות להיפתח ולהיסגר במהירות רבה מאוד, וזו תכונה חשובה במיוחד.

יתרונות התעלות

• מהירות: תעלות פועלות מהר הרבה יותר מטרנספורטרים, מה שהופך אותן למתאימות במיוחד להעברת אותות מהירים, כמו במערכת העצבים.
• יעילות בהעברת יונים: תעלות מאפשרות העברה מהירה של יונים, חיוניות במיוחד לתהליכים כמו העברת אותות עצביים ותגובות מהירות אחרות.

אולם, בניגוד לטרנספורטרים, תעלות יכולות לפעול רק עם מפל הריכוזים ולא נגדו, כיוון שהן אינן משתמשות באנרגיה.

תעלות יוניות וסלקטיביות מולקולרית: פלאי האבולוציה ברמה המולקולרית

בחלק זה של ההרצאה, נעמיק בנושא של תעלות ממברנליות, במיוחד בדגש על המנגנונים המופלאים שמאפשרים סלקטיביות מדויקת ברמה המולקולרית. כפי שנראה, האבולוציה פיתחה מבנים מורכבים אך מדויקים להפליא, שפועלים על בסיס הבדלים זעירים בין מולקולות ויונים.

תעלות לעומת טרנספורטרים: מהירות מול יכולת בקרה

יש הבדל דרמטי במהירות הפעולה בין שני סוגי חלבוני המעבר שלמדנו עליהם:

תעלות הן פי 10,000 מהירות יותר מטרנספורטרים. הבדל עצום זה מסביר מדוע תעלות הן החלבונים המועדפים בתהליכים הדורשים תגובה מהירה במיוחד, כמו העברת אותות עצביים.

אולם, למהירות זו יש מחיר: בניגוד לטרנספורטרים, לא ניתן לחבר תעלות למקור אנרגיה. כתוצאה מכך, הן אינן יכולות להעביר חומרים נגד מפל הריכוזים. האפשרות היחידה לבקרה היא קביעת הזמנים בהם התעלה נפתחת או נסגרת.

אקווה-פורינים: תעלות המים המופלאות

אחת הדוגמאות המרתקות ביותר לתעלות היא האקווה-פורין (מלשון “אקווה” - מים, “פור” - חור או מעבר). תעלות אלו נמצאות במקומות רבים בגוף שנדרשת בהם העברה מהירה של מים, כמו בתהליך הזעה.

סלקטיביות מדהימה למולקולות מים בלבד

האקווה-פורינים מציגים רמת סלקטיביות מרשימה במיוחד - הם מעבירים מולקולות מים בלבד, למרות שנוזלי הגוף מכילים יונים רבים שבדרך כלל מוקפים במולקולות מים. כיצד הם מצליחים להפריד בין המים לבין היונים הקשורים אליהם?

המבנה המיוחד של האקווה-פורין כולל:

1. מבנה סימטרי עם פתחים משני צדדיו
2. קבוצות קרבוניל (C=O) בצדדי התעלה, היוצרות קשרים חולפים עם אטומי המימן של מולקולת המים
3. חומצות אמינו מסוג אספרגין במרכז התעלה, עם קבוצות שיוצרות קשרים עם אטום החמצן של מולקולת המים

כאשר מולקולת מים עוברת דרך התעלה, מתרחש תהליך מדויק:

• תחילה, אטומי המימן של המים נקשרים לקבוצות הקרבוניל
• במרכז התעלה, אטום החמצן של המים נקשר לקבוצות האמינו של האספרגין
• בהמשך המסלול, נוצרים שוב קשרים עם המימן

רק מולקולת מים יכולה לבצע את השינויים האלה בקשרים - להיקשר פעם דרך המימן ופעם דרך החמצן. אף יון אחר אינו מסוגל לכך, ולכן אינו יכול לעבור דרך התעלה.

עקרונות בסיסיים של תעלות ממברנליות

כל תעלה ממברנלית בנויה משני מרכיבים עיקריים:

1. פילטר סלקטיבי (Selectivity Filter) - האזור הצר ביותר בתעלה הקובע אילו מולקולות או יונים יכולים לעבור דרכה

2. שער (Gate) - המנגנון המאפשר פתיחה וסגירה של התעלה, ובכך שליטה על מעבר החומרים

מכיוון שמפל הריכוזים הוא שקובע את כיוון המעבר, הדרך היחידה שבה התא יכול לשלוט בתהליך היא באמצעות פתיחה וסגירה של השער.

שלושה סוגים עיקריים של תעלות בעלות שער

התאים פיתחו מגוון מנגנונים לפתיחה וסגירה של תעלות:

תעלות מבוקרות מתח (Voltage-Gated Channels)

תעלות מבוקרות מתח נפתחות ונסגרות בתגובה לשינויים במתח החשמלי על פני ממברנת התא. הן מהוות את הבסיס לפעילות החשמלית של נוירונים ותאי שריר.

תעלות מבוקרות ליגנד (Ligand-Gated Channels)

תעלות מבוקרות ליגנד נפתחות כאשר מולקולה ספציפית (ליגנד) נקשרת אליהן. במערכת העצבים, נוירוטרנסמיטורים כמו GABA, דופמין וסרוטונין משמשים כליגנדים כאלה.

תעלות מבוקרות ליגנד הן לרוב תעלות סידן, והסיבה לכך אינה מקרית - מפל הריכוזים של סידן הוא הגדול ביותר מבין כל היונים (פי 10,000!), מה שמבטיח תגובה מהירה במיוחד כשהתעלה נפתחת.

רוב הסמים המשפיעים על מערכת העצבים פועלים כליגנדים המתחרים בנוירוטרנסמיטורים הטבעיים על הקישור לתעלות אלו.

תעלות מבוקרות מכנית (Mechanically-Gated Channels)

תעלות מבוקרות מכנית מגיבות ללחץ פיזי על ממברנת התא. תעלות מסוג פיאזו (Piezo) הן דוגמה לכך, והן מאפשרות לנו לחוש מגע, לחץ וכאב.

תעלת האשלגן: פלא של דיוק מולקולרי

תעלת האשלגן מהווה אחת הדוגמאות המרשימות ביותר לדיוק המופלא בביולוגיה מולקולרית. היא מצליחה להבחין בין יוני אשלגן ($\ce{K^+}$) ליוני נתרן ($\ce{Na^+}$), למרות הדמיון הרב ביניהם:

• לשניהם מטען חיובי זהה (+1)
• ההבדל בגודל ביניהם הוא רק 40 פיקומטר (0.04 ננומטר)!

זהו הבדל זעיר להפליא, ובכל זאת התעלה מצליחה להבחין ביניהם בדייקנות מושלמת.

מנגנון הסלקטיביות המדויק

הפילטר הסלקטיבי של תעלת האשלגן כולל ארבע קבוצות קרבוניל המסודרות במעגל. כאשר יון מגיע לתעלה, עליו לוותר על מעטה המים שבדרך כלל מקיף אותו.

• יון האשלגן, בזכות גודלו המדויק, יכול ליצור ארבעה קשרים חולפים עם קבוצות הקרבוניל
• קשרים אלו מספקים לו יתרון אנרגטי מספיק כדי לשחרר את מולקולות המים ולעבור דרך התעלה

לעומת זאת:

• יון הנתרן, בהיותו קטן יותר, יכול ליצור רק שני קשרים עם קבוצות הקרבוניל
• שני קשרים אלו אינם מספיקים כדי להעניק לו יתרון אנרגטי על פני הקשרים שלו עם המים
• לכן, הנתרן “מעדיף” להישאר מוקף במים ואינו עובר דרך התעלה

המורכבות המופלאה של תהליכי החיים

הדוגמאות שראינו מבהירות את המורכבות המופלאה של תהליכי החיים ברמה המולקולרית. הבדל מזערי של 40 פיקומטר - מרחק שאיננו יכולים אפילו לדמיין - הוא ההבדל בין תפקוד תקין של הגוף לבין כשל מערכתי.

חשוב לציין שכל התעלות והטרנספורטרים שלמדנו עליהם הם חלבונים מסוג “מולטי-פאס” - כלומר, הם חוצים את ממברנת התא מספר פעמים. תכונה זו הכרחית ליצירת מבנים פונקציונליים שיכולים לשמש כתעלות או כטרנספורטרים.

האבולוציה, לאורך מיליארדי שנים, יצרה מערכות מדויקות להפליא שפועלות על בסיס הבדלים מולקולריים זעירים - דוגמה יפדה לדיוק ולמורכבות של עולם החי.

שיעור 10 - מבנה ותפקוד הגרעין

פתיחה: למה זה חשוב לרופאים?

הקורסים בשנים א’ ו-ב’ הם קורסי הליבה שקובעים את עתידכם כרופאים. הבנת התהליכים הבסיסיים של התא חיונית להבנת הפיזיולוגיה והפתופיזיולוגיה האנושית. במהלך השיעור נראה דוגמאות קליניות המדגימות כיצד הבנת תהליכים תאיים בסיסיים מאפשרת אבחון מדויק יותר, טיפולים טובים יותר, ואף מניעת מחלות.

הגוף האנושי במספרים: הפתעה ראשונה

כמה תאים יש בגופנו?

• גברים (70 ק”ג): 37 טריליון תאים
• נשים: 28 טריליון תאים
• ילדים: 14 טריליון תאים

אבל הנה ההפתעה: אנחנו לא לבד! בגופנו חיים גם כ-38 טריליון מיקרואורגניזמים, בעיקר חיידקים המרכיבים את המיקרוביום. חיידקים אלה עוזרים לנו לחיות ולהיות בריאים - מפרקים מזון, מייצרים ויטמינים, ומגנים מפני פתוגנים.

ההפתעה השנייה: 80% מהתאים שלנו חסרי גרעין

מתוך 37 טריליון תאים, כ-29 טריליון הם אריתרוציטים (כדוריות דם אדומות) ומבשריהם - תאים חסרי גרעין. נותרים “רק” 7 טריליון תאים עם גרעין המרכיבים את כל המערכות והרקמות.

מה מבדיל תאים אוקריוטיים מפרוקריוטיים?

התאים שלנו הם אוקריוטיים, בעוד החיידקים הם פרוקריוטיים. ההבדלים המרכזיים:

הגרעין: האברון (אורגנלה) הגדול ביותר

הגרעין הוא מרכז הבקרה של התא - ה”דיסק הקשיח” שלו. קוטרו 20-5 מיקרומטר, והוא תופס חלק משמעותי מנפח התא. בגרעין שמור כל המידע הגנטי הדרוש לתא כדי:

• לגדול ולהתחלק
• להגיב לגירויים מהסביבה
• לבצע את תפקידיו הספציפיים
• לתקן נזקים

וריאציות במספר הגרעינים: התאמה לתפקוד

תאים ללא גרעין - אֵרִיתְרוֹצִיטים (Erythrocytes)

אֵרִיתְרוֹצִיטים הם תאי דם אדומים.

במהלך ההתמיינות מאריתרובלסט לאריתרוציט בוגר, מתרחש תהליך מרתק: הגרעין מפורק ומסולק באמצעות אוטופגיה. למה? כדי לפנות מקום מקסימלי למולקולות המוגלובין. זאת דוגמה יפה להתאמה אבולוציונית - ויתור על יכולת חלוקה וסינתזת חלבונים לטובת יעילות מקסימלית בנשיאת חמצן.

תאים רב-גרעיניים: כשצריך כוח ייצור

תאים טרופובלסטים (תאי שליה): בעלי 6-4 גרעינים או יותר. למה? התפתחות העובר דורשת אספקה מסיבית של חמצן, נוטריינטים וגורמי גדילה. ריבוי הגרעינים מאפשר סינתזת חלבונים בקצב גבוה במיוחד.

תאים אוסטאוקלסטים: תאים המפרקים עצם פגומה. כדי לבצע רזורבציה של עצם, הם צריכים לייצר כמויות עצומות של אנזימים. ריבוי הגרעינים (אנאפלואידיה) מגדיל את “כוח הייצור” של התא.

תאי שריר: עובדים תחת עומס מכני כבד ודורשים תחזוקה מתמדת של החלבונים המכווצים. ריבוי הגרעינים מאפשר לעמוד בדרישות אלה.

תאי קרדיומיוציטים: 2-1 גרעינים. תאים שעברו התמיינות סופית (terminally differentiated) אך עדיין צריכים יכולת סינתזה גבוהה.

תופעה מעניינת: ריבוי הגרעינים (אנאפלואידיה) מקטין את הסיכוי שהתא יהפוך לסרטני - כמות ה-DNA הגדולה מקשה על התא להפוך לאינווזיבי.

צורת הגרעין כסמן דיאגנוסטי

פתולוגים משתמשים בצורת הגרעין כאחד הסמנים הדיאגנוסטיים החשובים ביותר כבר למעלה ממאה שנה. גרעין עגול וסדיר מעיד על תא בריא, בעוד עיוותים בצורה (nuclear dysmorphism) מעידים על פתולוגיה.

מבנה הגרעין: ארכיטקטורה מורכבת

מעטפת הגרעין - לא סתם קליפה

מעטפת הגרעין בנויה משתי ממברנות ליפידיות:

הממברנה החיצונית:

• רציפה עם ה-ER המחוספס
• מכוסה בריבוזומים
• מאפשרת מעבר ישיר של חלבונים מה-ER לגרעין

הממברנה הפנימית:

• מכילה חלבונים ייחודיים
• מעגנת את הלמינה הגרעינית
• קובעת את מיקום הכרומטין

המרווח הבין-ממברני:

• רוחב 50-30 ננומטר
• רציף עם חלל ה-ER
• מאפשר תנועת חלבונים

נקבוביות גרעיניות - שערי הגרעין

קומפלקסים ענקיים של 250-150 חלבונים (נוקלאופורינים) היוצרים תעלות סלקטיביות. כמו “שומר במועדון” - מכניסים רק את מי שצריך:

• יונים וחומרי תזונה - עוברים בדיפוזיה
• מקרומולקולות - רק עם “כרטיס כניסה” (סיגנל גרעיני)

הלמינה הגרעינית - השלד הפנימי

רשת חלבונים הצמודה לממברנה הפנימית, בעובי של כ-3.5 ננומטר בלבד אך חזקה להפליא. מורכבת משני סוגי למינים:

למין A/C:

• מקודד מגן יחיד (LMNA) על כרומוזום 1
• קושר ישירות לכרומטין ב-LADs
• מוטציות גורמות לפנוטיפים חמורים

למין B1/B2:

• מקודדים משני גנים על כרומוזומים שונים
• יוצרים את הרשת המבנית
• יתירות גנטית מספקת הגנה חלקית

תפקידי הלמינה:

1. מבנית: קובעת צורת הגרעין ויציבותו המכנית
2. ארגונית: מעגנת כרומטין במיקומים ספציפיים
3. רגולטורית: משפיעה על ביטוי גנים
4. תפקודית: חיונית לשכפול DNA ולתיקון נזקים

מערכת LINC - הגשר בין גרעין לציטופלסמה

קומפלקס LINC (Linker of Nucleoskeleton and Cytoskeleton) מחבר את הלמינה הגרעינית לשלד התא:

• חלבוני SUN: בממברנה הפנימית, קושרים למינים
• חלבוני נספרין: בממברנה החיצונית, קושרים מיקרוטובולים ואקטין

מערכת ה-LINC מאפשרת מכנוטרנסדוקציה - העברת כוחות מכניים מהסביבה לגרעין. לחיצה על הרקמה מועברת דרך שלד התא ללמינה, משנה את ארגון הכרומטין ומשפיעה על ביטוי של גנים (למשל, סינתזת מיוזין בתגובה לעומס מכני).

כשהגרעין כושל: למינופתיות

פרוגריה - טרגדיה של הזדקנות מואצת

מוטציה נקודתית בגן LMNA גורמת ל-Hutchinson-Gilford Progeria Syndrome. המוטציה יוצרת חלבון פגום (פרוגרין) שאינו יכול ליצור פולימריזציה תקינה. התוצאה:

ברמה התאית:

• עיוות דרמטי בצורת הגרעין (“ציפור” במקום כדור)
• פגיעה בארגון הכרומטין
• הפרעה בתיקון DNA
• פגיעה בחלוקת תאים

תא תקין	תא פרוגריה

ברמה הקלינית:

• הזדקנות מואצת מגיל צעיר (השראה לסרט “בנג’מין באטן”)
• מיופתיה - חולשת שרירי שלד
• ליפודיסטרופיה - אובדן רקמת שומן
• בעיות קרדיווסקולריות חמורות
• התקרחות ושינויי עור
• תוחלת חיים: 21-14 שנים

המחלה נדירה (1:1,000,000) אך תרמה רבות להבנת תהליכי הזדקנות נורמליים.

מוטציות בלמין B - ספקטרום שונה

בניגוד ללמין A, בלמין B קיימת יתירות גנטית (שני גנים). לכן הפנוטיפ פחות חמור אך מגוון:

• אפילפסיה ואטקסיה
• מיקרוצפליה
• נטייה לאלצהיימר
• ליפודיסטרופיה
• סרטן

ההבדל נובע מכך שלמין B אינו קושר ישירות כרומטין, והיתירות הגנטית מאפשרת פיצוי חלקי.

ארגון הכרומטין: לא סתם ספגטי

הגדרות בסיסיות שחשוב להבין

• DNA: המולקולה הדו-גדילית עצמה, רצף הנוקלאוטידים
• כרומטין: DNA + חלבונים (היסטונים ולא-היסטונים). זו צורת הארגון הפונקציונלית
• כרומוזום: יחידת כרומטין שלמה המכילה מולקולת DNA אחת ארוכה

חשוב: DNA לעולם אינו “עירום” בתא - הוא תמיד קשור לחלבונים!

שני מצבי הכרומטין

יוכרומטין (Euchromatin)

• כרומטין פתוח, נגיש
• מכיל גנים פעילים (“housekeeping genes”)
• ממוקם במרכז הגרעין
• מאפשר שעתוק, שכפול ותיקון

הטרוכרומטין (Heterochromatin)

• כרומטין דחוס, לא נגיש
• מכיל גנים מושתקים
• ממוקם בפריפריה, צמוד ללמינה
• מוגן מפעילות לא רצויה

המיקום הפריפרי אינו מקרי - הקישור ללמין A מייצב את הדחיסות. שינוי במבנה הלמינה (כמו בפרוגריה) משבש ארגון זה.

טריטוריות כרומוזומליות - לא ספגטי

בניגוד למה שחשבו בעבר, הכרומוזומים אינם מפוזרים אקראית “כמו ספגטי במרק”. לכל כרומוזום יש טריטוריה מוגדרת בגרעין התלת-ממדי.

ארגון זה:

• ספציפי לסוג התא
• משתנה בהתאם למצב הפיזיולוגי
• חיוני לתפקוד תקין
• משובש במחלות

כשלמין A פגום, הכרומוזומים “לא במקום הנכון” - פוגע בשעתוק, שכפול ותיקון.

הגנום האנושי: עוד הפתעות

המספרים הבסיסיים

• תאים דיפלואידים: 46 כרומוזומים (22 זוגות אוטוזומים + זוג כרומוזומי מין)
• תאים הפלואידים (זרע וביצית): 23 כרומוזומים
• גודל הגנום: ~3 מיליארד זוגות בסיסים (הפלואידי), 6 מיליארד (דיפלואידי)

ההפתעה הגדולה של פרויקט הגנום האנושי (2003)

רק 2.5-1.5% מהגנום מקודד לחלבונים! כ-21,000 גנים בלבד - דומה למספר הגנים בתולעת C. elegans או בזבוב הפירות!

אז איך אנחנו כל כך מורכבים? התשובה טמונה ב:

• ויסות גנים מתוחכם
• שחבור אלטרנטיבי
• מודיפיקציות פוסט-תרגומיות
• אינטראקציות מורכבות בין חלבונים

הגן הגדול ביותר - דיסטרופין

2.5 מיליון זוגות בסיסים! ממוקם על כרומוזום X, מקודד לחלבון המחבר את שלד התא לממברנה בתאי שריר.

מוטציות גורמות ל:

• Duchenne Muscular Dystrophy: מחלה קשה, בעיקר בבנים
• Becker Muscular Dystrophy: צורה קלה יותר

למה בעיקר בבנים? כי יש להם רק עותק אחד של כרומוזום X. לבנות יש שניים - אם אחד פגום, השני מפצה.

DNA תחת מתקפה מתמדת

בכל 45 דקות של שיעור מתרחשים כ-2,500 אירועי נזק ל-DNA בכל תא! מכפילים ב-37 טריליון תאים - המספרים מדהימים.

מקורות הנזק:

• ROS ממטבוליזם רגיל (Reactive Oxygen Species)
• קרינה
• חומרים רעילים (פורמלדהיד, בנזופירן)
• טעויות בשכפול

למזלנו, במהלך האבולוציה פיתחנו מנגנוני תיקון יעילים. אבל - הם עובדים ביעילות מרבית רק כשהכרומטין מאורגן נכון! זאת סיבה נוספת להרסניות של מוטציות בלמינים.

DNA מיטוכונדריאלי - הגנום השני

בנוסף לגנום הגרעיני, יש לנו DNA גם במיטוכונדריה - Mitochondrial DNA (mtDNA):

• מעגלי (כמו בחיידקים - עדות למקור האנדוסימביוטי)
• ללא היסטונים
• מקודד לאנזימים של מחזור קרבס ושרשרת הנשימה
• עובר בירושה אימהית

סיכום: הגרעין כאורגניזם חי

הגרעין אינו מחסן פסיבי של DNA. זהו אברון דינמי המשלב:

• הגנה: מעטפת כפולה, למינה חזקה, ארגון מרחבי מדויק
• תקשורת: נקבוביות סלקטיביות, מערכת LINC, מכנוטרנסדוקציה
• ויסות: ארגון כרומטין דינמי, טריטוריות כרומוזומליות, LADs
• תגובתיות: שינוי ארגון בתגובה לגירויים, ביטוי גנים ממוקד
• תחזוקה: תיקון מתמיד של נזקים, שמירה על יציבות גנטית

הבנת המבנה והתפקוד של הגרעין היא הבסיס להבנת מחלות רבות ולפיתוח טיפולים. מלמינופתיות נדירות ועד סרטן שכיח, מהזדקנות נורמלית ועד מחלות ניווניות - הכל מתחיל בגרעין.

זכרו: בביולוגיה ובמיוחד בביולוגיה של התא, יש הרבה מאוד “אבל”. זו המורכבות שהופכת את התחום למרתק, ואת הרפואה למקצוע מאתגר שדורש הבנה עמוקה של התהליכים הבסיסיים.

שיעור 11 - מבנה ותפקוד הגרעין (חלק 2)

פרק 4: ארכיטקטורה מולקולרית של הגרעין - מבנה הכרומטין ומנגנוני הוויסות האפיגנטי

הקדמה: הגרעין כמרכז בקרה מולקולרי

גרעין התא מייצג את המבנה המורכב ביותר בתא האוקריוטי, המשמש כמרכז הבקרה לכל התהליכים התאיים. מעטפת הגרעין הדו-שכבתית יוצרת תא נפרד המכיל את כל המידע הגנטי הנדרש לתפקוד התא, רבייתו והעברת המידע הגנטי לדורות הבאים. המבנה הייחודי של מעטפת הגרעין, הכוללת קשר רציף בין הממברנה החיצונית לרשת האנדופלזמטית הגסה (rER), מאפשר העברה יעילה של תוצרי שעתוק מהגרעין לאתרי סינתזת החלבונים.

הלמינה הגרעינית: המסגרת המבנית של הגרעין

הממברנה הפנימית של המעטפת הגרעינית קשורה באופן הדוק לרשת חלבונים ייחודית הנקראת הלמינה הגרעינית (Nuclear Lamina). הלמינה הגרעינית מורכבת בעיקר משני חלבונים פיברילריים עיקריים: למין A ולמין B.

למין A ולמין B שייכים למשפחת חלבונים בשם פילמנט ביניים (Intermediate filaments - ״סיבי ביניים״ או ״קורי ביניים״) והם מבצעים מספר תפקידים קריטיים:

תפקידים מבניים:

• שמירה על צורת הגרעין ועל החוזק המכני שלו
• עיגון נקודות חיבור לכרומטין
• ארגון מרחבי של הכרומוזומים בתוך הגרעין

תפקידים רגולטוריים:

• השתתפות בארגון הטרוכרומטין באזור הפריפריה הגרעינית
• וויסות תהליכי חלוקת התא
• השפעה על ביטוי גנים דרך אינטראקציות עם חלבוני שעתוק

המשמעות הרפואית של חלבוני הלמינה

בולטת במספר מחלות קשות הנובעות ממוטציות בגנים המקודדים לחלבונים אלו:

• פרוגריה (תסמונת ההזדקנות המואצת) - מוטציות בגן LMNA גורמות להצטברות חלבון למין A פגום, המוביל לאי-יציבות גרעינית ולהזדקנות מואצת
• מחלות לב תורשתיות - חלק מהקרדיומיופתיות הדילטטיביות נגרמות על ידי מוטציות בלמין A/C
• מחלות נוירודגנרטיביות - קשר בין מוטציות בלמינים לבין צורות מסוימות של מחלת אלצהיימר

ארכיטקטורה של הגנום האנושי: מעבר לפרדיגמה המקודדת

התפלגות התוכן הגנומי

הגנום האנושי, המכיל כ-3.2 מיליארד זוגות נוקלאוטידים הפרוסים על פני 46 כרומוזומים, מציג תמונה מפתיעה של ארגון המידע הגנטי. ניתוח מפורט מגלה כי רק 2.5% מהגנום מקודד לחלבונים, בעוד ש-97.5% הנותרים מורכבים מרכיבים אחרים בעלי משמעות ביולוגית רבה.

החלוקה המפורטת של הגנום האנושי:

1. רצפים מקודדים (2.5%)
   • אקסונים המתורגמים לחלבונים
   • כוללים כ-25,000-20,000 גנים
2. אינטרונים (Intron) ואזורים רגולטוריים (47.5%)
   • רצפי DNA הנמצאים בין אקסונים
   • אלמנטים רגולטוריים (enhancers, silencers, promoters)
   • רצפים המקודדים ל-microRNAs ו-long non-coding RNAs
3. אלמנטים חוזרים (50%)
   • הקטגוריה הגדולה ביותר בגנום
   • מתחלקת למספר תת-קטגוריות משמעותיות

אלמנטים חוזרים: המרכיב הדומיננטי בגנום

״רצפים חוזרים (הידועים גם כאלמנטים חוזרים, יחידות חוזרות או חזרות) הם תבניות קצרות או ארוכות של חומצות גרעין (DNA או RNA) המופיעות במספר עותקים ברחבי הגנום. באורגניזמים רבים, חלק ניכר מה-DNA חוזר על עצמו, כאשר למעלה משני שלישים מהרצף מורכב מאלמנטים חוזרניים בבני אדם.[1] חלק מהרצפים החוזרים הללו נחוצים לשמירה על מבני גנום חשובים כגון טלומרים.

רצפים חוזרים מסווגים לסיווגים שונים לפי תכונות כגון מבנה, אורך, מיקום, מוצא ואופן ההכפלה.״ ויקיפדיה

האלמנטים החוזרים מהווים את הרכיב הגדול ביותר בגנום האנושי ומתחלקים לקטגוריות עיקריות:

אלמנטים חוזרים רטרו-ויראליים (Retroviral Elements)

אלמנטים רטרו-ויראליים נובעים מחדירה של ווירוסים רטרו-ויראליים לגנום האנושי במהלך האבולוציה. התהליך כולל:

1. זיהום ראשוני - וירוס רטרו-ויראלי נכנס לתא
2. טרנסקריפציה הפוכה - RNA ויראלי מומר ל-DNA באמצעות האנזים Reverse Transcriptase
3. אינטגרציה - DNA ויראלי נכנס לגנום המארח
4. קיבוע אבולוציוני - אם האינטגרציה מתרחשת בתאי הזרע, הרצף מועבר לצאצאים

התהליך ממשיך להתרחש גם בימינו כאשר אנו נדבקים בווירוסים רטרו-ויראליים:

• HIV/AIDS - משאיר “טביעת אצבע” בגנום התאים הנגועים
• HTLV (Human T-Lymphotropic Virus)
• וירוסי קורונה מסוימים - יכולים להשאיר חתימה גנומית

אלמנטים חוזרים מסוג LINE ו-SINE

LINE (Long Interspersed Nuclear Elements)

• מהווים כ-20% מהגנום
• אורכם נע בין מאות לאלפי נוקלאוטידים
• מקודדים לחלבונים הדרושים לשכפולם העצמי
• הפעילים ביותר הם מסדרת LINE-1 (L1)

SINE (Short Interspersed Nuclear Elements)

• מהווים כ-13% מהגנום
• קצרים יותר מ-LINE (בדרך כלל מתחת ל-500 נוקלאוטידים)
• הנפוצים ביותר הם אלמנטי Alu (כמיליון עותקים בגנום)
• תלויים ב-LINE עבור מנגון השכפול שלהם

Interspersed - “משובץ” או “מפוזר לסירוגין”. כלומר, SINE ו-LINE “משובצים” באקראי בין גנים אחרים או בתוך אזורים לא מקודדים.

הדינמיקה האבולוציונית של אלמנטים חוזרים

אלמנטים חוזרים יכולים לעבור “אבולוציה פנימית” בתוך הגנום באמצעות תהליך רב-שלבי:

1. שעתוק - יצירת mRNA מהאלמנט החוזר
2. טרנסקריפציה הפוכה - המרת mRNA בחזרה ל-DNA באמצעות Reverse Transcriptase
3. אינטגרציה - הכנסת רצף ה-DNA החדש למיקום אחר בגנום
4. הרחבת המשפחה - יצירת עותקים רבים של האלמנט

וויסות ביטוי אלמנטים חוזרים

בתאים בריאים, הביטוי של אלמנטים חוזרים נשמר ברמה נמוכה מאוד באמצעות מספר מנגנונים:

• ארגון בהטרוכרומטין - רוב האלמנטים החוזרים נמצאים באזורי כרומטין דחוסים
• מתילציה של DNA - מעכבת שעתוק של רצפים חוזרים
• מודיפיקציות מעכבות של היסטונים - יוצרות סביבה כרומטינית שלא מתאימה לשעתוק

השלכות פתולוגיות של אי-וויסות

כאשר מערכות הוויסות נכשלות, כמו במחלות הבאות, אלמנטים חוזרים עלולים להתבטא בצורה לא מבוקרת:

• סרטן - אי-יציבות גנומית גורמת לביטוי אלמנטים חוזרים
• פרוגריה - הזדקנות מואצת קשורה לשבירה של ארגון הכרומטין
• מחלות אוטואימוניות - ביטוי אלמנטים חוזרים עלול לעורר תגובה חיסונית

מבנה ודינמיקה של הכרומטין

האתגר הפיזיקלי של אריזת DNA

הגנום האנושי מכיל בכל תא סומטי (תא בגוף שאינו תא מין - כלומר לא תא זרע או ביצית), 46 כרומוזומים (23 זוגות), ואם נפרוש את כל מולקולות ה-DNA במשטח ליניארי, נקבל אורך כולל של כ-שני מטר. התא צריך לארוז כמות עצומה זו של מידע גנטי בתוך גרעין שקוטרו נע בין 20-5 מיקרומטר בלבד - יחס דחיסה של יותר ממיליון לאחד.

למה DNA לא יכול להתקיים לבד?

מולקולת DNA גולמית בתוך התא הייתה:

• נפגעת מיד על ידי מנגנוני ההגנה התאיים שמזהים DNA חופשי כאיום
• חשופה לנזק מרדיקלים חופשיים ומחמצנים סלולריים
• לא זמינה בצורה מבוקרת לתהליכי שעתוק ושכפול
• עלולה ליצור קשרים לא רצויים עם מולקולות אחרות

לכן, כל ה-DNA בתא האוקריוטי קיים בצורה של כרומטין - קומפלקס דינמי של DNA וחלבונים המספק הגנה, ארגון וויסות.

הנוקלאוזום: היחידה הבסיסית של הכרומטין

הרכב מולקולרי של הנוקלאוזום

הנוקלאוזום מהווה את אבן הבניין הבסיסית של הכרומטין.

הנוקלאוזום מורכב ממרכיבים מדויקים:

רכיב ה-DNA

• 147 זוגות נוקלאוטידים בדיוק
• DNA דו-גדילי נכרך סביב ליבת ההיסטון פעם אחת ושלושה רבעים
• כל “לפיפה” של ה-DNA סביב ההיסטון כוללת כ-10.4 זוגות נוקלאוטידים

ליבת ההיסטון (Histone Octamer)

שמונה חלבוני היסטון המורכבים מארבעה זוגות:

• שני עותקים של H2A
• שני עותקים של H2B
• שני עותקים של H3
• שני עותקים של H4

חלבונים אלו מאורגנים כדימרים יציבים:

• דימר H2A-H2B (מתקשר כיחידה)
• דימר H3-H4 (מתקשר כיחידה)
• שני דימרים H3-H4 יוצרים טטרמר מרכזי
• שני דימרי H2A-H2B נקשרים לטטרמר המרכזי

מאפיינים מולקולריים של אינטראקציות DNA-היסטון

טבע הקשרים

הקישור בין DNA לחלבוני ההיסטון הוא לא קוולנטי. הוא מבוסס על מספר סוגי אינטראקציות:

1. קשרי מימן - בין זוגות הבסיסים לחומצות האמינו בחלבוני ההיסטון
2. אינטראקציות אלקטרוסטטיות - בין הזרחתנים הטעונים שלילית ב-DNA לחומצות ליזין וארגינין הטעונות חיוביתיות בהיסטונים
3. כוחות ואן דר ואלס - אינטראקציות חלשות המתרחשות במרחקים קצרים

מיקום הקישור - התעלה הקטנה

הקשר בין DNA לחלבוני ההיסטון מתרחש בעיקר דרך ה-Minor Groove (תעלה קטנה או אולי חריץ קטן) של מולקולת ה-DNA. באזור זה ניתן לגשת לזוגות הבסיסים מבלי לפתוח את הסליל הכפול, מה שמאפשר זיהוי ספציפי של רצפים.

ספציפיות רצף

יש עדיפות ברורה לרצפי נוקלאוטידים מסוימים:

• AA (אדנין-אדנין)
• TT (תימין-תימין)
• TA (תימין-אדנין)

הרצפים האלו יוצרים בתעלה הקטנה מבנה תלת-ממדי שמתאים במיוחד לקישור חלבוני היסטון. זה מסביר מדוע:

• אלמנטים חוזרים, העשירים ברצפים אלו, נקשרים בחוזקה לנוקלאוזומים
• אזורים אלו נמצאים לרוב בהטרוכרומטין דחוס
• השחרור של אזורים אלו מנוקלאוזומים דורש השקעת אנרגיה רבה

רמות הארגון הכרומטיני

הכרומטין מאורגן בהיררכיה של רמות דחיסה, החל מהמבנה הבסיסי ועד לכרומוזום המיטוטי הדחוס לחלוטין.

רמה ראשונה: “חרוזים על חוט” (11 ננומטר)

המבנה הבסיסי, הנקרא “Beads on a String”, מורכב מ:

• נוקלאוזומים (ה”חרוזים”) בקוטר של כ-11 ננומטר
• רצפי DNA מקשרים (Linker DNA) באורך של 80-20 נוקלאוטידים
• מבנה זה נראה במיקרוסקופ אלקטרונים כשרשרת חרוזים

רמה שנייה: סיבי 30 ננומטר

במצבים מסוימים, הנוקלאוזומים יכולים להידחס ליצירת מבנה עבה יותר:

• קוטר של כ-30 ננומטר
• דורש נוכחות יונים (במיוחד $\ce{Mg^{2+}}$) כדי לשמור על יציבות
• תלוי במודיפיקציות של זנבות ההיסטון
• מציג רמת דחיסה של כ-6 פעמים ביחס לרמה הבסיסית

רמה שלישית: כרומטין בינוני (300 ננומטר)

רמת דחיסה ביניים הכוללת:

• לולאות כרומטין המעוגנות לחלבוני scaffold
• דחיסה של כ-50-40 פעמים
• נמצאת באזורים מסוימים גם באינטרפאזה

רמה רביעית: הכרומוזום המיטוטי (1400 ננומטר)

הרמה הדחוסה ביותר, המתרחשת רק במיטוזה (חלוקת התא):

• קוטר של כ-1.4 מיקרומטר
• דחיסה של כ-10,000 פעמים ביחס ל-DNA גולמי
• מאפשרת ראייה במיקרוסקופ אור רגיל
• חיונית לחלוקה תקינה של הכרומוזומים

מנגנוני הוויסות הכרומטיני

הכרומטין (ה-DNA והחלבונים הקשורים אליו) הוא מבנה דינמי המשתנה כל הזמן בהתאם לצרכי התא. קיימים ארבעה מנגנונים עיקריים המאפשרים שליטה מדויקת במבנה הכרומטין:

מודיפיקציות של זנבות ההיסטון

מבנה זנבות ההיסטון

זנבות חלבוני ההיסטון הן הקצוות ה-N-טרמינליים הבולטים מחוץ לליבת הנוקלאוזום. זנבות אלו:

• עשירים בחומצות אמינו בסיסיות (ליזין וארגינין)
• גמישים ונגישים לאנזימי מודיפיקציה
• לא מובנים (unstructured) במצבם הטבעי
• מהווים פלטפורמה לקישור חלבונים רגולטוריים

סוגי המודיפיקציות העיקריות

מתילציה (Methylation):

• מתרחשת בעיקר על ליזין וארגינין
• יכולה לכלול 1, 2 או 3 קבוצות מתיל (mono-, di-, tri-methylation)
• דוגמאות לסגירת כרומטין:
  • H3K9me3 (tri-methylation של ליזין 9 בהיסטון H3)
  • H3K27me3 (tri-methylation של ליזין 27 בהיסטון H3)
• דוגמאות לפתיחת כרומטין:
  • H3K4me3 (tri-methylation של ליזין 4 בהיסטון H3)
  • H3K36me3 (tri-methylation של ליזין 36 בהיסטון H3)

אצטילציה (Acetylation):

• מתרחשת כמעט תמיד על ליזין
• בדרך כלל מקושרת לפתיחת כרומטין ולביטוי גנים
• מנטרלת את המטען החיובי של הליזין, מחלישה את הקישור ל-DNA
• דוגמאות:
  • H3K27ac (acetylation של ליזין 27 בהיסטון H3)
  • H4K16ac (acetylation של ליזין 16 בהיסטון H4)

אוביקוויטינציה (Ubiquitination):

• הוספת חלבון אוביקוויטין קטן (76 חומצות אמינו)
• יכולה לסמן חלבונים לפירוק או לשינוי תפקוד
• H2AK119ub1 - סימון לחלבונים מדכאי שעתוק

פוספורילציה (Phosphorylation):

• מתרחשת בעיקר על סרין ותראונין
• חשובה במיוחד במהלך חלוקת התא
• H3S10ph - מסמן התחלת קונדנסציה כרומטינית במיטוזה

הקונטקסט קובע את המשמעות

עקרון מהותי בביולוגיה האפיגנטית הוא שמשמעות המודיפיקציה תלויה בהקשר:

• אותה מודיפיקציה יכולה לגרום לפתיחה או לסגירה בהתאם למיקום הגנומי
• שילוב מודיפיקציות יוצר “קוד היסטון” מורכב
• חלבונים “קוראים” מזהים מודיפיקציות ומפעילים תגובות תאיות

החלקת נוקלאוזומים (Nucleosome Remodeling)

משפחת חלבוני SWI/SNF

מחליקי הנוקלאוזומים הם קומפלקסים חלבוניים גדולים השייכים למשפחת SWI/SNF (Switch/Sucrose Non-Fermentable). משפחה זו כוללת מספר תת-משפחות:

מנגנון הפעולה של SWI/SNF

1. זיהוי המטרה - הקומפלקס נקשר לרצפי DNA ספציפיים או לכרומטין המכיל מודיפיקציות מסוימות
2. הידרוליזת ATP - השימוש באנרגיה מ-ATP מאפשר שינוי קונפורמציה של הקומפלקס
3. העברת כוח מכני - הקומפלקס “מסובב” את ה-DNA יחסית לליבת ההיסטון
4. הזזה הדרגתית - כל מולקולת ATP מאפשרת החלקה של נוקלאוטיד אחד

צריכת האנרגיה:

• נוקלאוזום מלא מכיל 147 זוגות נוקלאוטידים
• שחרור מלא דורש 147 מולקולות ATP
• זהו תהליך יקר מאוד מבחינה אנרגטית, המתרחש רק כאשר יש צורך דחוף בנגישות ל-DNA

תת-משפחות עיקריות:

• SWI/SNF - מתמחה בפתיחת כרומטין לשעתוק
• ISWI - מתמחה בארגון מחדש של מבנה הכרומטין
• CHD - משתתף גם בפתיחה וגם בדחיסה של כרומטין

השמטה והחלפה של נוקלאוזומים

מנגנון השמטת נוקלאוזומים:

תהליך זה כולל הסרה זמנית או קבועה של חלבוני ההיסטון מה-DNA, ויכול להתרחש בשני מצבים:

השמטה חלקית - הסרת דימרים:

• הסרת דימר H2A/H2B תוך השארת הטטרמר H3/H4
• מאפשרת נגישות חלקית ל-DNA
• תהליך יחסית מהיר וקל להחזרה

השמטה מלאה - הסרת כל הליבה:

• הסרת כל שמונה חלבוני ההיסטון
• שחרור מלא של 147 זוגות הנוקלאוטידים
• נדרשת לתהליכים הדורשים נגישות מלאה כמו שכפול DNA

מנגנון החלפת וריאנטים:

במקום השמטה מלאה, לעיתים מתרחשת החלפה של חלבוני היסטון בוריאנטים בעלי תכונות שונות:

וריאנטים של H2A:

• H2A.Z - מקל על שעתוק ופתיחת כרומטין
• H2A.X - חיוני לתיקון נזקי DNA, במיוחד שברים כפולים
• macroH2A - מעורב בהשתקת כרומוזום X

וריאנטים של H3:

• H3.3 - מופק בכל שלבי מחזור התא, לא רק ב-S phase
• CENP-A - מחליף את H3 באזור הצנטרומר

מתי מתרחשת החלפה:

• במהלך שעתוק פעיל - החלפה ב-H2A.Z ו-H3.3
• לאחר נזק ל-DNA - החלפה ב-H2A.X
• במהלך התמיינות - החלפות ספציפיות לרקמה

חלבון הלינקר היסטון H1

מבנה ותפקוד של היסטון H1

היסטון H1 הוא חלבון נוסף שלא נמצא בליבת הנוקלאוזום אלא נקשר בין נוקלאוזומים. מאפייניו:

מיקום הקישור של H1

• נקשר ל-Linker DNA (ה-DNA המקשר בין נוקלאוזומים)
• יוצר אינטראקציות עם זנבות ההיסטון שעברו מודיפיקציות מתאימות
• “מהדק” את הנוקלאוזומים זה לזה

השפעת H1 על מבנה הכרומטין

• נוכחות H1 - יוצרת מבנה דחוס ויציב של הטרוכרומטין
• העדר H1 - מאפשרת מבנה פתוח יותר של אוכרומטין
• רמות משתנות - כמות H1 קובעת את רמת הדחיסה

וריאנטים של H1

קיימים מספר וריאנטים של H1 עם ביטוי ספציפי לרקמה ולשלב התפתחותי:

• H1.0 - נמצא ברוב הרקמות הבוגרות
• H1.1-H1.5 - ביטוי ספציפי לסוג תא
• H1t - ספציפי לתאי יצירת הזרע
• H1oo - ביצית וטמיחה ראשונית

סיווג והתפלגות מצבי הכרומטין

אוכרומטין לעומת הטרוכרומטין

הכרומטין בגרעין התא מתחלק לשני מצבים עיקריים המבוססים על רמת הדחיסה והפעילות הטרנסקריפציונית:

אוכרומטין (Euchromatin) - כרומטין פעיל:

• מהווה כ-20% מכלל הכרומטין בתא ממוצע
• מאופיין במרחקים גדולים יחסית בין נוקלאוזומים
• נגיש לחלבוני שעתוק ורגולציה
• עשיר במודיפיקציות “פתוחות” כמו H3K4me3, H3K27ac
• נמצא בדרך כלל במרכז הגרעין
• מכיל גנים הנמצאים בביטוי פעיל או פוטנציאלי

הטרוכרומטין (Heterochromatin) - כרומטין דחוס:

• מהווה כ-80% מכלל הכרומטין
• מאופיין בנוקלאוזומים דחוסים עם מרחקים קטנים
• לא נגיש לחלבוני שעתוק ברוב המקרים
• עשיר במודיפיקציות “סוגרות” כמו H3K9me3, H3K27me3
• נמצא בעיקר בפריפריה הגרעינית, סמוך למעטפת הגרעין

תת-סוגי הטרוכרומטין

ההטרוכרומטין מתחלק לשני תת-סוגים עיקריים על בסיס יכולת הפתיחה:

הטרוכרומטין פקולטטיבי (Facultative Heterochromatin):

• המונח “פקולטטיבי” נגזר מ”פקולטה” = הזדמנות/אפשרות
• כרומטין שסגור זמנית אך יכול להיפתח בתגובה לאותות תאיים
• מאופיין בקודים אפיגנטיים הפיכים
• אינו מכיל היסטון H1 ברמות גבוהות
• דוגמאות:
  • גנים רגולטוריים התפתחותיים שפועלים בשלבים מסוימים
  • אזורים הנפתחים בתגובה לגירויים סביבתיים
  • חלק מכרומוזום X בנקבות (X-inactivation)

הטרוכרומטין קונסטיטוטיבי (Constitutive Heterochromatin):

• נשאר דחוס באופן קבוע ולא נפתח במצבים פיזיולוגיים רגילים
• מאופיין בנוכחות יציבה של היסטון H1
• עשיר במודיפיקציות יציבות כמו H3K9me3
• מיקומים עיקריים:
  • צנטרומרים - אזורי הקישור של הכרומטידים
  • טלומרים - קצוות הכרומוזומים
  • אזורי רצפים חוזרים - LINE, SINE, ואלמנטים רטרו-ויראליים

חשיבות ביולוגית של הטרוכרומטין קונסטיטוטיבי

שמירה על המצב הסגור של אזורים אלו חיונית מכמה סיבות:

1. מניעת אי-יציבות גנומית - אלמנטים חוזרים עלולים לגרום לרקומבינציה לא הומולוגית
2. הגנה מפני מוטגנזה - אזורים אלו עלולים להזיק לגנים חיוניים
3. שמירה על שלמות הכרומוזום - מניעת פיוז’ן של קצוות כרומוזומים

מנגנוני המעבר בין מצבי כרומטין

המעבר מהטרוכרומטין פקולטטיבי לאוכרומטין כולל מספר שלבים מתואמים:

1. שלב 1: איתות ראשוני

   • קישור חלבוני שעתוק לאלמנטים רגולטוריים
   • גיוס אנזימי מודיפיקציה (למשל demethylases)

2. שלב 2: שינוי קוד היסטון

   • הסרת מודיפיקציות “סוגרות” (H3K9me3, H3K27me3)
   • הוספת מודיפיקציות “פותחות” (H3K4me3, H3K27ac)

3. שלב 3: גיוס מחליקי כרומטין

   • פעילות קומפלקסי SWI/SNF
   • החלפת וריאנטי היסטון

4. שלב 4: ייצוב מצב פתוח

   • גיוס מכונת השעתוק
   • שמירה על מודיפיקציות פתוחות

מבנה הכרומוזום המיטוטי

הכרומוזום כמבנה ארעי

חשוב להדגיש שהכרומוזומים בצורתם המוכרת (צורת X) נראים רק במהלך המיטוזה, כאשר הכרומטין עובר דחיסה מקסימלית. במצב הרגיל של התא (אינטרפאזה), הכרומטין מפוזר בגרעין כאוכרומטין והטרוכרומטין.

מתי נראים כרומוזומים מובחנים:

• פרופאזה - התחלת הקונדנסציה
• מטאפאזה - דחיסה מקסימלית וסידור על הציר
• אנאפאזה - הפרדת כרומטידים אחות
• משך כולל: 3-2 שעות מתוך מחזור תא של 24-20 שעות

אנטומיה של הכרומוזום המיטוטי

הצנטרומר - מרכז הבקרה

הצנטרומר הוא האזור המחבר בין שני הכרומטידים האחות ומורכב מ:

• רצפי DNA חוזרים מיוחדים (alpha satellite DNA באדם)
• חלבונים ספציפיים לצנטרומר:
  • CENP-A (מחליף את היסטון H3)
  • CENP-B, CENP-C (חלבוני קישור)
  • חלבוני הקינטוכור
• מבנה הקינטוכור - הממשק לקישור הציר המיטוטי

זרועות הכרומוזום

על בסיס מיקום הצנטרומר, הכרומוזום מתחלק לזרועות:

• זרוע P (p-arm):
  • נגזרת מ-“petite” (קטן בצרפתית)
  • הזרוע הקצרה יותר
  • מכילה בדרך כלל פחות גנים
• זרוע Q (q-arm):
  • האות הבאה באלפבית אחרי P
  • הזרוע הארוכה יותר
  • מכילה בדרך כלל יותר גנים

הטלומרים - מגני הקצוות

בקצוות הכרומוזום נמצאים הטלומרים, המורכבים מ:

• רצפי DNA חוזרים (TTAGGG באדם)
• חלבוני הגנה (שלטרין - shelterin complex)
• תפקיד הגנתי - מניעת היתוך כרומוזומים והכרה כ-DNA שבור

סיווג כרומוזומים לפי מיקום הצנטרומר

כרומוזומים מטאצנטריים

• הצנטרומר במרכז או קרוב למרכז
• יחס בין זרועות קרוב ל-1:1
• דוגמאות: כרומוזומים 1, 3, 16, 19, 20

כרומוזומים תת-מטאצנטריים

• הצנטרומר מוזז מהמרכז
• יחס בין זרועות בין 1:1.5 ל-1:3
• דוגמאות: כרומוזומים 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 17, 18, X

כרומוזומים אקרוצנטריים

• הצנטרומר כמעט בקצה
• זרוע P קטנה מאוד או כמעט לא נראית
• דוגמאות: כרומוזומים 13, 14, 15, 21, 22, Y
• מכילים גנים ריבוזומליים בזרוע P הקטנה

גופיפי הגרעין ואברוני הפונקציה

The Nuclear Interior: The Nuclear Bodies

Nuclear bodies (NBs) are non-membrane bound structures in the nucleoplasm that fulfill the following requirements:

1. they are microscopically visible (at least during some periods of the cell cycle);
2. they concentrate specific nuclear factors, i.e., proteins and RNAs;
3. they constantly exchange their components with the surrounding nucleoplasm.

*The last condition discriminates NBs from protein aggregates that form in the nucleus during certain pathologies, e.g., amyloid plagues.

(from the professor’s slides)

קונדנסטים ביולוגיים - פרדיגמה חדשה

הגרעין מכיל מספר רב של מבנים הנקראים גופיפי גרעין (Nuclear Bodies), המייצגים צורה חדשה של ארגון תאי הנקראת קונדנסטים ביולוגיים. מבנים אלו מתאפיינים ב:

מאפיינים פיזיים:

• חסרי ממברנה - לא מוקפים בקרום ביולוגי
• צפופים מקומית - ריכוז גבוה של מולקולות ספציפיות
• כדוריים או אליפסואידיים בצורתם
• בגדלים משתנים - בין 5-0.1 מיקרומטר בקוטר

מאפיינים דינמיים:

• יצירה דינמית - יכולים להיווצר ולהתפרק בהתאם לצרכים
• נגישות גבוהה - מולקולות יכולות להיכנס ולצאת בחופשיות
• תלות בריכוז - נוצרים כאשר הריכוז של רכיבים חוצה סף מסוים
• תגובה לאותות - מגיבים לשינויים תאיים ופיזיולוגיים

הבדלה מאגרגטים פתולוגיים:

בניגוד לאגרגטים החלבוניים הפתולוגיים (כמו באלצהיימר או בפרקינסון):

• קונדנסטים ביולוגיים הפיכים ונגישים
• אגרגטים פתולוגיים בלתי הפיכים וצפופים

הנוקלאולוס - מרכז סינתזת הריבוזומים

הנוקלאולוס הוא הגוף הגרעיני הבולט והגדול ביותר, ומהווה דוגמה מושלמת לקונדנסט ביולוגי פונקציונלי.

מיקום ומבנה:

• נמצא בדרך כלל בקרבת מספר כרומוזומים (13, 14, 15, 21, 22)
• מורכב משלושה אזורים נפרדים:
  • FC (Fibrillar Center) - מכיל גנים ריבוזומליים
  • DFC (Dense Fibrillar Component) - עיבוד מוקדם של rRNA
  • GC (Granular Component) - הרכבת תת-יחידות ריבוזומליות

תהליכי הביוגנזה הריבוזומלית

1. שלב 1: שעתוק rRNA

   • שעתוק גנים ריבוזומליים על ידי RNA Polymerase I
   • יצירת תרא-RNA 45S (pre-rRNA)
   • מתרחש ב-FC ו-DFC

2. שלב 2: עיבוד rRNA

   • חיתוך והסרת רצפים פנימיים (ITS - Internal Transcribed Spacers)
   • מודיפיקציות כימיות (pseudouridylation, methylation)
   • מתרחש בעיקר ב-DFC

3. שלב 3: הרכבת תת-יחידות

   • צירוף חלבונים ריבוזומליים ל-rRNA מעובד
   • יצירת תת-יחידות 40S ו-60S
   • מתרחש ב-GC

4. שלב 4: ייצוא והשלמת ההרכבה

   • ייצוא תת-יחידות דרך נקבוביות הגרעין
   • מיקוד לרשת האנדופלזמטית הגסה
   • הרכבה סופית לריבוזומים פעילים

וויסות פעילות הנוקלאולוס

גודל ופעילות הנוקלאולוס משקפים את הצורך התאי בריבוזומים:

• תאים מתחלקים במהירות - נוקלאולוס גדול ופעיל
• תאים בדיפרנציאציה - נוקלאולוס קטן יותר
• תאים במנוחה - נוקלאולוס מזערי

גופיפי גרעין נוספים

Cajal Bodies:

• מתמחים בעיבוד snRNAs ו-snoRNAs
• חשובים לתפקוד הספלייסאוזום
• קשורים לגנים המקודדים להיסטונים

Nuclear Speckles:

• מכילים חלבוני ספלייסינג
• אתרי אחסון ועיבוד של מכונת הספלייסינג
• דינמיים במיוחד במהלך השעתוק

PML Bodies:

• מעורבים בתגובת לחץ תאי
• קשורים לתיקון DNA ולאפופטוזיס
• מטרה של חלבונים ויראליים מדכאים

Histone Locus Bodies:

• מתמחים בעיבוד mRNAs של היסטונים
• פעילים במיוחד בשלב S של מחזור התא
• חשובים לסינכרון סינתזת ההיסטונים עם שכפול DNA

אינטגרציה: מבנה-תפקוד ברמת הגרעין

הארגון המרחבי של הגרעין

הגרעין אינו מרחב אחיד אלא בעל ארגון מרחבי מדויק:

פריפריה גרעינית:

• עשירה בהטרוכרומטין קונסטיטוטיבי
• אזור של השתקת גנים
• קשורה לחלבוני הלמינה

אזורים פנימיים:

• עשירים באוכרומטין ובגופיפי גרעין פעילים
• אזורי שעתוק אקטיביים
• ריכוז מכונת השעתוק והעיבוד

התארגנות כרומוזומלית:

כל כרומוזום תופס “טריטוריה” מוגדרת בגרעין:

• כרומוזומים שונים ממוקמים באזורים נפרדים
• אינטראקציות בין-כרומוזומליות מוגבלות יחסית
• ארגון זה חשוב למניעת טרנסלוקציות

דינמיקה תאית ושינויי מבנה

במהלך מחזור התא:

שלב G1:

• כרומטין במצב בינוני של דחיסה
• פעילות שעתוק גבוהה
• גופיפי גרעין פעילים

שלב S:

• פתיחה מקומית לשכפול DNA
• פעילות נוקלאולוס גבוהה (סינתזת היסטונים)
• דינמיקה גבוהה של מחליקי כרומטין

שלב G2:

• הכנה לקונדנסציה
• הפחתה בפעילות שעתוק
• התחלת הרכבת מכונת הקונדנסציה

מיטוזה:

• קונדנסציה מקסימלית
• פירוק גופיפי הגרעין
• פירוק המעטפת הגרעינית

תיקון נזקי DNA והכרומטין

הכרומטין משחק תפקיד מכריע בתיקון נזקי DNA:

זיהוי הנזק:

• חלבונים מזהי נזק צריכים נגישות ל-DNA
• מחליקי כרומטין נגוסים לאתר הנזק
• מודיפיקציות מיוחדות (H2A.X phosphorylation)

תהליך התיקון:

1. פתיחה מקומית של הכרומטין
2. גיוס חלבוני תיקון לאתר הנזק
3. ביצוע התיקון המולקולרי
4. סגירה מחדש של הכרומטין

חשיבות הארגון

התזמון של פתיחה וסגירה חיוני:

• פתיחה ממושכת עלולה לגרום לאי-יציבות
• סגירה מהירה מדי עלולה למנוע תיקון מלא

השלכות רפואיות ותרפויטיות

מחלות הקשורות לחלבוני כרומטין

מוטציות בחלבוני היסטון:

• סרטנים המאופיינים בפעילות-יתר של H3K4me3 demethylase
• מחלות נוירודגנרטיביות הקשורות לחלבוני תגובת סטרס

מוטציות במחליקי כרומטין:

• תסמונות התפתחותיות חמורות
• סרטנים מאופיינים בקומפלקסי SWI/SNF פגועים
• מחלות אוטואימוניות

טיפולים אפיגנטיים

מעכבי מתילטרנספרזות:

• 5-azacytidine ו-decitabine
• פותחים כרומטין דחוס
• מאושרים לטיפול בסרטנים מסוימים

מעכבי היסטון דיאצטילזות (HDACi):

• Vorinostat, Romidepsin
• מגבירים אצטילציה ופותחים כרומטין
• יעילים בלימפומות מסוימות

מעכבי מתילטרנספרזות היסטון:

• EPZ-6438 (מעכב EZH2)
• מטפלים בסרטנים עם מוטציות במטילטרנספרזות H3K27me3

אסטרטגיות טיפול עתידיות

עריכה אפיגנטית ממוקדת:

• שימוש בטכנולוגיית CRISPR/dCas9
• הכנסת מודיפיקציות ספציפיות למיקומים מדויקים
• פוטנציאל לטיפול במחלות מונוגניות

תרפיה משולבת:

• שילוב מעכבי אפיגנטיקה עם כימותרפיה
• טיפולים ממוקדי אימונותרפיה
• התאמה אישית על בסיס פרופיל אפיגנטי

סיכום והשלכות

מבנה הגרעין והכרומטין מייצג אחד המערכות הביולוגיות המורכבות והמתוחכמות ביותר בטבע. הארגון ההיררכי של המידע הגנטי, החל מנוקלאוזומים בודדים ועד לארגון הכרומטין בחלל התלת-ממדי של הגרעין, מאפשר שליטה מדויקת בביטוי גנים ובתפקוד התא.

ההבנה העמוקה של מערכות אלו פותחת פתחים חדשים ברפואה המודרנית, במיוחד בתחום הטיפולים האפיגנטיים שמתמקדים בשינוי מצב הכרומטין במקום בשינוי רצף ה-DNA עצמו. בעוד שאנו רק בתחילת הדרך להבנה מלאה של המורכבות הזו, ברור שעקרונות הארגון הכרומטיני יהיו בבסיס הבנתנו את התפתחות המחלות ופיתוח טיפולים חדשים בעשורים הקרובים.

העובדה שבכל רגע נתון מתרחשים מיליארדי תהליכים של פתיחה וסגירה של כרומטין ברחבי הגוף האנושי, כאשר כל תא מתמודד עם מאות נזקי DNA בכל שעה, מדגישה את הרמה הבלתי נתפסת של הסינכרון והבקרה הקיימת במערכות הביולוגיות. הבנת מערכות אלו היא לא רק הישג מדעי מרשים אלא גם המפתח לפיתוח הדור הבא של הטיפולים הרפואיים.

שיעור 12 - הציטוסקלטון

שיעור 13 - הבשלה והכוונה של חלבונים

עיבוד והכוונה של חלבונים בתאים אוקריוטיים: מהסינתזה ליעד

פתיחה: האתגר הביולוגי של הארגון התאי

התא האוקריוטי מציב בפנינו אחד האתגרים המרתקים ביותר בביולוגיה: כיצד מערכת כה מורכבת, הכוללת עשרות אלפי חלבונים שונים, מצליחה לתפקד בצורה מסודרת ויעילה? התשובה טמונה בעיקרון המנחה של הקומפרטמנטליזציה (compartmentalization) - החלוקה של התא למדורים מתמחים, שבהם מתבצעים תהליכים ביוכימיים ספציפיים בסביבה מווסתת ומבוקרת.

אולם החלוקה למדורים יוצרת בעיה לוגיסטית עצומה: כמעט כל החלבונים בתא מסונתזים במקום אחד - על גבי ריבוזומים בציטוסול, אך הם נדרשים לתפקד במדורים שונים ומרוחקים. כיצד חלבון “יודע” שהוא צריך להגיע לגרעין ולא למיטוכונדריה? איך חלבון המיועד להפרשה מוצא את דרכו דרך המבוך המורכב של הרשת האנדופלזמית והגולג’י? ומה מונע מחלבונים להגיע למקומות הלא נכונים?

התשובה המרתקת היא שכל חלבון נושא עמו, מרגע היווצרותו, “כתובת מדויקת” המקודדת ברצף חומצות האמינו שלו. זהו רעיון מהפכני שפותח בשנות השבעים של המאה הקודמת, והוא עומד בבסיס הבנתנו המודרנית של ביולוגיה תאית.

פרק ראשון: תגליות פורצות דרך - מפלאדה לבלובל

המהפכה הטכנולוגית: מיקרוסקופיה אלקטרונית וטכניקות מעקב

ההתפתחות בהבנת מורכבותו של התא האוקריוטי החלה באמצע המאה העשרים, עם פיתוח שתי טכנולוגיות מהפכניות: המיקרוסקופיה האלקטרונית, שחשפה לראשונה את המבנה הפנימי המורכב של התא, והטכניקות הרדיואקטיביות שאפשרו מעקב אחר מולקולות בודדות בתא החי.

ג’ורג’ פלאדה, רופא רומני שהקדיש את חייו למחקר, היה הראשון להבין שהתמונות הסטטיות של המיקרוסקופ האלקטרוני מסתירות מציאות דינמית מורכבת. הוא פיתח את הגישה המהפכנית של שחזור תהליכים תאיים במבחנה, ובכך הניח את הבסיס לביולוגיה ניסויית מודרנית.

ניסוי הפולס-צ’ייס: חלון לעולם הדינמי של התא

הניסוי החשוב ביותר של פלאדה, הפולס-צ’ייס (pulse-chase), מהווה דוגמה קלאסית לאלגנטיות המחקר הביולוגי. העיקרון פשוט אך גאוני: תאים נחשפים לזמן קצר (פולס) לחומצות אמינו מסומנות רדיואקטיבית, כך שכל החלבונים שמסונתזים באותו פרק זמן מקבלים “תווית” רדיואקטיבית. לאחר מכן, חומצות האמינו הרדיואקטיביות מוחלפות בכמות עודפת של חומצות אמינו לא מסומנות (צ’ייס), כך שחלבונים חדשים שיסונתזו לא יהיו מסומנים.

הגאונות של השיטה טמונה ביכולת לעקוב אחרי המסלול של אותו חלבון בזמנים שונים. בתחילת הפולס, כל הסימון הרדיואקטיבי נמצא ברשת האנדופלזמית הגסה - שם מסונתזים חלבוני ההפרשה. עם הזמן, הסימון עובר למתקן הגולג’י, משם לשלפוחיות עיכוי (condensing vesicles), ולבסוף לזימוגן גרנולס - השלפוחיות שמכילות את האנזימים הלא פעילים המיועדים להפרשה.

התגלית החשובה הייתה שזהו מסלול כיווני וסדור: חלבונים לא נודדים באקראי בתא, אלא עוקבים אחר מסלול קבוע ומוגדר מראש. יתרה מכך, החלבונים נשמרים בצורה לא פעילה (כזימוגנים) לאורך כל המסלול, ומופעלים רק כשמגיעים ליעדם הסופי - עיקרון שחוזר על עצמו פעמים רבות בביולוגיה.

היפותזת הסיגנל של בלובל: מהיפותזה למהפכה

גינטר בלובל, רופא גרמני שהפך לחוקר ביולוגיה, לקח את התגליות של פלאדה צעד נוסף קדימה. בשנת 1971, הוא הציע היפותזה נועזת שהייתה אמורה לשנות לחלוטין את הבנתנו של עולם החלבונים: “היפותזת הסיגנל”. לפי היפותזת הסיגנל, חלבונים לא מגיעים ליעדים הרצויים במקרה, אלא נושאים עמם רצפי הכוונה מובנים.

העיקרון המהפכני שבלובל הציע היה שהמידע הדרוש להכוונת חלבון ליעדו מקודד בתוך רצף חומצות האמינו של החלבון עצמו. בפשטות מדהימה: החלבון נושא עמו את כתובתו.

המודל של בלובל תיאר תהליך דינמי: כאשר חלבון המיועד להפרשה מתחיל להיווצר על ריבוזום חופשי בציטוסול, רצף הסיגנל שלו - הנמצא ב-N-terminus - מזוהה על ידי “גורם קישור” עוד כשהחלבון נמצא בתהליך סינתזה. זיהוי זה גורם לצימוד הריבוזום לממברנה של הרשת האנדופלזמית, והחלבון הגדל נדחף דרך הממברנה אל תוך הלומן.

התובנה החדה של בלובל הייתה שרצף הסיגנל נחתך במהלך התהליך. חיתוך זה קריטי לשני מטרות: ראשית, הוא מעניק כיווניות לתהליך - ברגע שנחתך הסיגנל, החלבון לא יכול לחזור לציטוסול. שנית, הסרת הסיגנל מאפשרת לחלבון להשיג את הצורה הפעילה שלו.

פרק שני: האינסולין כדוגמה קלאסית

מסע האינסולין: מגן להורמון פעיל

האינסולין מהווה דוגמה מושלמת למורכבות תהליכי העיבוד והכוונה של חלבונים. ההורמון הפעיל הוא מולקולה קטנה יחסית, המורכבת משתי שרשראות פוליפפטידיות קצרות (A ו-B) המחוברות בגשרים דיסולפידיים. אולם המסע שלו מהגן להורמון הפעיל הוא מורכב ורב שלבי.

תהליך הסינתזה מתחיל בתאי בטא של האיים בלבלב, שם מסונתז תחילה פרפרו-אינסולין - מולקולה ארוכה יותר המכילה שלושה מקטעים עיקריים:

1. רצף הסיגנל (Signal peptide) - ב-N-terminus, המכוון את החלבון לרשת האנדופלזמית
2. שרשרת B - שתהפוך לאחד משני החלקים של האינסולין הבשל
3. C-peptide - מקטע מקשר
4. שרשרת A - החלק השני של האינסולין הבשל

כאשר תהליך התרגום מתחיל, רצף הסיגנל מופיע ראשון מהריבוזום ומזוהה מיד על ידי מערכת הזיהוי. הריבוזום מוצמד לרשת האנדופלזמית, והחלבון הגדל נדחף פנימה ללומן. שם, בסביבה החומצית של הרשת האנדופלזמית, נוצרים הגשרים הדיסולפידיים הקריטיים לפעילות הביולוגית.

הסביבה החומצית של לומן הרשת האנדופלזמית קריטית ליצירת הגשרים הדיסולפידיים. בציטוסול, הסביבה חזקה ומונעת יצירת גשרים כאלה, אך בתוך הרשת האנדופלזמית הסביבה מאפשרת ואף מעודדת תהליך זה. זאת דוגמה יפה לחשיבות הקומפרטמנטליזציה - אותו תהליך שיכול להזיק בסביבה אחת, חיוני בסביבה אחרת.

עיבוד רב שלבי: מהכוונה להפעלה

לאחר יצירת הגשרים הדיסולפידיים, הפרפרו-אינסולין עובר עיבוד נוסף. רצף הסיגנל נחתך על ידי אנזים ייעודי (signal peptidase), והמולקולה הופכת לפרו-אינסולין. המולקולה ממשיכה במסלול ההפרשה - עוברת למתקן הגולג’י, משם לשלפוחיות הפרשה. רק בשלב המאוחר, בתוך שלפוחיות ההפרשה, נחתך גם C-peptide, והאינסולין הופך לפעיל.

התזמון של החיתוכים אינו מקרי. האינסולין הפעיל הוא הורמון עוצמתי, שיכול לגרום לנזק רב אם ישוחרר בזמן הלא נכון או במקום הלא נכון. על ידי שמירה על המולקולה בצורה לא פעילה עד הרגע האחרון, התא מבטיח ששיחרור ההורמון יהיה מבוקר ומדויק.

פרק שלישי: המערכת הממברנלית כרשת תחבורה

הרשת האנדופלזמית: מפעל הייצור התאי

הרשת האנדופלזמית (Endoplasmic reticulum - ER) מהווה את המדור הגדול ביותר במערכת הממברנות הפנימיות של התא, ותפקידה הולך הרבה מעבר לסינתזת חלבונים. היא משמשת כמפעל ייצור מורכב שמייצר ומעבד מגוון עצום של מוצרים ביולוגיים: חלבונים, ליפידים, פוספוליפידים, סטרואידים ועוד.

אנדו-פלזמית = בתוך הפלזמה

הרשת האנדופלזמית מחולקת לשני אזורים עיקריים בעלי מאפיינים ותפקידים שונים:

• הרשת האנדופלזמית הגסה (Rough ER - rER): מאופיינת בריבוזומים הצמודים לצד הציטופלזמי של הממברנה. כאן מסונתזים חלבונים המיועדים להפרשה, לממברנות, או למדורים אורגנליים ספציפיים. הריבוזומים אינם צמודים באופן קבוע - הם נצמדים בתחילת סינתזת חלבון עם רצף סיגנל ומשתחררים בסיום התהליך.
• הרשת האנדופלזמית החלקה (Smooth ER - sER): נטולת ריבוזומים ומתמחה בסינתזה של ליפידים, פוספוליפידים וסטרואידים. באיברים מסוימים, כמו הכבד, היא מתמחה גם בניקוי רעלים וחילוף חומרים של תרופות.

הדינמיות המורכבת של המערכת

בניגוד לתמונה הסטטית הנוצרת מתצלומי מיקרוסקופ, הרשת האנדופלזמית היא מערכת דינמית ביותר. היא נמצאת במצב מתמיד של שינוי צורה, הארכה, התכווצות וחלוקה. תנועות אלו מתואמות על ידי חלבוני מנוע הפועלים על גבי מערכת הציטוסקלטון, בעיקר מיקרוטובולים.

הדינמיות הזאת לא אקראית, אלא מווסתת בקפידה על ידי הצרכים המשתנים של התא. כאשר התא זקוק לייצור מוגבר של חלבוני הפרשה - למשל, כתגובה לסיגנל הורמונלי - נפח הרשת האנדופלזמית הגסה יכול לגדול במהירות. לעומת זאת, כאשר נדרשת סינתזה מוגברת של ממברנות או ליפידים - למשל, לקראת חלוקת תא - הרשת האנדופלזמית החלקה מתרחבת.

מנגנון הזיהוי והצימוד

המנגנון שבאמצעותו ריבוזומים מזהים שהם צריכים להיצמד לרשת האנדופלזמית מורכב ומפותח. התהליך מתחיל כאשר רצף הסיגנל של החלבון הגדל מתחיל להופיע מהריבוזום. רצף הסיגנל מזוהה מיד על ידי חלקיק זיהוי הסיגנל (Signal Recognition Particle - SRP), קומפלקס המורכב מ-RNA ומחלבונים.

ה-SRP קושר את רצף הסיגנל ועוצר זמנית את תהליך התרגום. זהו מנגנון הגנה חשוב - הוא מונע מהחלבון להמשיך להיווצר בציטוסול ולהתקפל שם בצורה שעלולה להיות שגויה. במקום זאת, כל הקומפלקס (ריבוזום + mRNA + SRP + החלבון הגדל) נע אל הרשת האנדופלזמית.

ברשת האנדופלזמית ממתין רצפטור SRP (SRP receptor), חלבון אינטגרלי הממברנה שמזהה את ה-SRP ומאפשר לריבוזום להצמד לממברנה. במקביל, נפתחת תעלה מיוחדת בממברנה (Translocon) שמאפשרת לחלבון הגדל לעבור דרכה אל תוך לומן הרשת האנדופלזמית.

פרק רביעי: עיבוד ובקרת איכות ברשת האנדופלזמית

הסביבה הייחודית של הלומן

לומן הרשת האנדופלזמית מהווה סביבה ייחודית המותאמת במיוחד לעיבוד חלבונים. בניגוד לציטוסול, שבו שורר מצב מחזר, הלומן מתאפיין בסביבה חומצית. סביבה חומצית קריטית ליצירת גשרים דיסולפידיים - קשרים קוולנטיים בין קבוצות סולפיד של חומצות אמינו מסוג ציסטין.

הגשרים הדיסולפידיים ממלאים תפקיד מכריע ביציבות ובפונקציה של חלבונים רבים. הם מייצבים את המבנה התלת-ממדי של החלבון ומונעים ממנו להתפרק או לאבד את פעילותו. תהליך יצירתם צריך להיות מבוקר ומדויק - גשרים שנוצרים בין הציסטינים הלא נכונים יכולים לגרום לחלבון להתקפל באופן שגוי ולאבד את פעילותו.

מערכת השאפרונים והאנזימים המתקנים

בתוך לומן הרשת האנדופלזמית פועלת מערכת מתוחכמת של חלבוני עזר, הידועים בשם שאפרונים (Chaperones).

שאפרונים מסייעים לחלבונים חדשים להתקפל למבנה המרחבי התקין, מונעים הצטברות של קיפולים שגויים, ומזהים חלבונים שלא התקפלו כראוי.

השאפרון המרכזי ברשת האנדופלזמית הוא BiP (Binding Immunoglobulin Protein), המשתייך למשפחת חלבוני ה-Hsp70.

BiP נקשר לחלבונים שלא התקפלו כראוי, ומסייע להם להגיע למבנה הפעיל התקין. כאשר חלבון ממשיך להיכשל בתהליך הקיפול, BiP שומר על הקשר אליו ומונע את מעברו לשלב הבא במסלול ההפרשה.

בנוסף לשאפרונים, פועלים בלומן גם אנזימים המתמחים בבקרת איכות ועיבוד מבני של חלבונים:

• Protein Disulfide Isomerase (PDI) – אנזים המזרז את יצירת הגשרים הדיסולפידיים (S–S) בין שיירי ציסטאין, ומוודא שהם נוצרים בין זוגות תקינים. במקרים של קיפול שגוי, הוא מסוגל גם לשבור גשרים לא תקניים ולאפשר יצירתם מחדש.

  

• Peptidyl-prolyl Isomerase – אנזים שמזרז איזומריזציה בין קונפורמציות cis/trans של קשרי פפטיד סביב שיירי פרולין, תהליך קריטי לקיפול חלבונים מסוימים שבהם פרולין יוצר עיכוב מבני.

  

תגובה לחלבונים לא מקופלים (Unfolded Protein Response)

כאשר כמות החלבונים הלא מקופלים ברשת האנדופלזמית עולה מעל רמה מסוימת - למשל, בתנאי לחץ או מחלה - התא מפעיל מנגנון הגנה מתוחכם הנקרא תגובת הלחץ הלא מקופל (UPR).

מנגנון UPR כולל שלושה מסלולי סיגנל עיקריים שמטרתם להתמודד עם העומס:

1. הפחתת סינתזת חלבונים חדשים - כדי להפחית את העומס על המערכת
2. הגברת ייצור שאפרונים ואנזימי עיבוד - כדי לשפר את יכולת העיבוד
3. הפעלת מסלולי הרס חלבונים פגומים - כדי לפנות חלבונים שלא ניתן לתקן

אם המנגנונים הללו אינם מצליחים להתמודד עם הבעיה, התא עלול להיכנס לתוכנית מוות מתוכנת (אפופטוזיס) כדי למנוע נזק לרקמה שלמה.

פרק חמישי: מסלול ההפרשה - מהרשת האנדופלזמית לעולם החיצון

המעבר למתקן הגולג’י

חלבונים שהושלם עיבודם בהצלחה ברשת האנדופלזמית אינם נשארים שם. הם נארזים בשלפוחיות הובלה מיוחדות ונשלחים ליעד הבא במסלול - מתקן הגולג’י. תהליך זה מדויק ביותר ומבוסס על מיון וברירה קפדניים.

המנגנון פועל באמצעות זיהוי של “תוויות יצוא” על החלבונים. חלבונים שעברו קיפול נכון וכל התהליכים הנדרשים מקבלים תווית שמסמנת אותם כמוכנים ליצוא. התווית הזו מזוהה על ידי חלבונים מיוחדים שמארזים את החלבונים בשלפוחיות הובלה.

שלפוחיות ההובלה אינן סתם “מכולות” להעברת חומרים. הן מערכות הובלה מתוחכמות הכוללות:

• מנגנוני כיוון: חלבונים על פני השלפוחית שמזהים את היעד הנכון
• מנגנוני איחוי: מערכות שמבטיחות ששלפוחית תתמזג רק עם המדור הנכון
• מנגנוני בקרה: מערכות שמונעות איחוי שגוי או מוקדם מדי

מתקן הגולג’י: עיבוד מתקדם ומיון סופי

מתקן הגולג’י מהווה “תחנת העיבוד המתקדם” במסלול ההפרשה. בניגוד לרשת האנדופלזמית, שעוסקת בעיקר בקיפול בסיסי ויצירת גשרים דיסולפידיים, הגולג’י מתמחה בעיבודים כימיים מורכבים יותר.

המתקן מורכב ממספר תתי-מדורים הארגונים בסדר מדויק:

• ה-Cis Golgi: הצד המקבל, הקרוב לרשת האנדופלזמית
• ה-Medial Golgi: האזור האמצעי
• ה-Trans Golgi: הצד המשחרר, שממנו יוצאים החלבונים המעובדים

כל אזור מתמחה בסוגי עיבוד שונים:

גליקוזילציה: הוספת קבוצות סוכר לחלבונים. תהליך זה קריטי לפונקציה של חלבונים רבים ומשפיע על יציבותם, כיוונם ופעילותם הביולוגית.

פוספורילציה: הוספת קבוצות פוספט שיכולות לשנות את פעילות החלבון או לשמש כסיגנל להכוונה נוספת.

פרוטיאוליזה מוגבלת: חיתוך מדויק של חלבונים להפעלתם או לשינוי פונקציה.

הקבלה הסופית: מיון ליעדים שונים

אחד התפקידים החשובים ביותר של הגולג’י הוא המיון הסופי של חלבונים ליעדיהם השונים. מה-Trans Golgi יוצאים חלבונים לכמה יעדים אפשריים:

• הפרשה קונסטיטוטיבית: חלבונים שמופרשים באופן רציף ללא צורך בסיגנל חיצוני
• הפרשה מווסתת: חלבונים שנשמרים בשלפוחיות מיוחדות ומופרשים רק בתגובה לסיגנל ספציפי
• ליזוזומים: אנזימים פרוטאוליטיים המיועדים לפירוק חומרים
• ממברנת התא: חלבונים שיתמזגו עם הממברנה ויפעלו שם

תהליך המיון מבוסס על זיהוי מדויק של רצפי הכוונה ספציפיים לכל יעד. טעויות במיון יכולות להוביל למחלות חמורות, כפי שרואים במחלות ליזוזומליות, שבהן אנזימים נשלחים למקום הלא נכון.

פרק שישי: המערכת הגרעינית - שער המידע התאי

מבנה מעטפת הגרעין: מעבר בין עולמות

הגרעין מהווה את “מרכז הפיקוד” של התא האוקריוטי, המכיל את כל המידע הגנטי ומרבית המנגנונים להעתקתו ועיבודו. הפרדת הגרעין מהציטופלזמה מאפשרת שליטה דקיקה על תהליכי התעתקה, עיבוד RNA, וויסות ביטוי גנים. אולם הפרדה זו יוצרת אתגר לוגיסטי עצום: כיצד מולקולות נדרשות חודרות פנימה, וכיצד תוצרים מוכנים יוצאים החוצה?

מעטפת הגרעין שונה מיסודה ממדורים אורגנליים אחרים. היא מורכבת משתי ממברנות נפרדות:

• הממברנה החיצונית: המשך ישיר של הרשת האנדופלזמית, נושאת ריבוזומים ומחוברת ללומן הרשת האנדופלזמית
• הממברנה הפנימית: ממברנה ייחודית הצמודה לכרומטין ומעוגנת על ידי חלבוני למין

בין שתי הממברנות קיים לומן (perinuclear space) המהווה המשך של לומן הרשת האנדופלזמית. מבנה זה מאפשר תקשורת ישירה בין הגרעין למערכת הממברנות הפנימיות, אך שומר על הפרדה מוחלטת בין התוכן הגרעיני לציטופלזמה.

נקבוביות הגרעין: שערים מולקולריים מורכבים (Nuclear Pore Complexes - NPCs)

המעבר בין הגרעין לציטופלזמה מתבצע באמצעות מבנים מורכבים ומפותחים שנקראים נקבוביות גרעין (Nuclear Pore Complexes - NPCs). כל נקבובית היא מבנה ענק מבחינה מולקולרית, המורכב מכ-800-700 שרשראות פוליפפטידיות שונות, שמאורגנות בסימטריה של שמונה סביב תעלה מרכזית.

נקבוביות הגרעין כוללות מספר רכיבים מרכזיים:

• הגוף המרכזי: הממוקם בתוך הממברנות ויוצר את התעלה הבסיסית
• הסל הגרעיני (Nuclear Basket): מבנה דמוי סל הבולט אל תוך הגרעין
• הסיבים הציטופלזמיים: זרועות ארוכות הבולטות אל הציטופלזמה

למרות הרושם שהתעלה פתוחה, קיים בה מחסום בררני (permeability barrier) שמונע מעבר חופשי של מאקרומולקולות. מחסום זה מורכב מחלבונים המכילים רצפים חוזרים עשירים בפנילאלנין וגליצין (FG repeats), היוצרים מעין “רשת מולקולרית” שמאפשרת מעבר בררני.

מנגנוני הטרנספורט הגרעיני

הטרנספורט דרך נקבוביות הגרעין הוא תהליך פעיל הדורש אנרגיה וחלבוני עזר מיוחדים. המערכת מבוססת על עיקרון של רצפטורי הובלה מחזוריים (shuttling transport receptors), הידועים כאימפורטינים (לכניסה) ואקספורטינים (ליציאה).

רצפטורי ההובלה המרכזיים שונים בתכלית מרצפטורי ממברנה רגילים - הם לא עוגנים למקום אחד, אלא נעים הלוך ושוב בין הגרעין לציטופלזמה. המחזור הבסיסי כולל מספר שלבים:

1. זיהוי המטען: הרצפטור מזהה ונקשר למטען שלו (קארגו) בציטופלזמה
2. מעבר דרך הנקבובית: הקומפלקס עובר דרך המחסום הבררני
3. שחרור בגרעין: המטען משתחרר בתוך הגרעין
4. חזרה לציטופלזמה: הרצפטור חוזר לציטופלזמה למחזור חדש

הרצף NLS הקלאסי ומנגנון פעולתו

הכוונת חלבונים לגרעין מבוססת על זיהוי רצפי הכוונה גרעיניים (Nuclear Localization Signals - NLS). הרצף הקלאסי, שהתגלה לראשונה בחלבון הויראלי Large T Antigen של וירוס SV40, מהווה דוגמה מושלמת לעוצמה של רצפי הכוונה.

הרצף: ליזין-ליזין-ליזין-ארגינין-ליזין, המורכב מחמש חומצות אמינו בעלות מטען חיובי, מספיק להכוונת כל חלבון לגרעין. המחקר שהוביל לגילוי זה השתמש בהנדסה גנטית לשינוי חומצה אמינית אחת - החלפת ליזין אחד בתריאונין - מספיק כדי לבטל לחלוטין את יכולת ההכוונה לגרעין.

המנגנון פועל באמצעות אימפורטין-α ואימפורטין-β:

• אימפורטין-α: מזהה ונקשר ישירות לרצף ה-NLS על החלבון המיועד
• אימפורטין-β: נקשר לאימפורטין-α ומתווך את המעבר הפיזי דרך נקבובית הגרעין

לאחר הכניסה לגרעין, החלבון Ran-GTP גורם לפירוק הקומפלקס ולשחרור המטען, ואימפורטין-β חוזר לציטופלזמה.

Ran = Ras-related nuclear protein

מורכבות המערכת: מסלולים מרובים ווויסות דק

המערכת האמיתית הרבה יותר מורכבת מהתיאור הבסיסי. קיימים עשרות מסלולי כניסה ויציאה שונים, כל אחד מותאם לסוג מטען ספציפי:

• מסלולי כניסה שונים: לחלבונים שונים יש רצפי NLS שונים, המזוהים על ידי אימפורטינים ספציפיים
• מסלולי יציאה: חלבונים עם רצפי יצוא גרעיניים (Nuclear Export Signals - NES) מועברים החוצה בתיווך אקספורטינים
• מטענים מורכבים: תת-יחידות ריבוזום, קומפלקסי RNA-חלבון, ואף וירוסים שלמים עוברים במסלולים מיוחדים

המורכבות הזו מאפשרת לתא שליטה עדינה בהרכב הגרעיני. חלבונים עם גם רצף כניסה וגם רצף יציאה יכולים להיות מווסתים באמצעות הסתרה או חשיפה של אחד הרצפים, מה שמאפשר תגובה מהירה לשינויים בתנאי התא.

דוגמה קלאסית היא ויסות גורמי תעתוק בתגובה לסיגנלים הורמונליים. כאשר מגיע אינסולין לתא, הוא מפעיל רצף אירועים שמוביל לכניסה של גורמי תעתוק מסוימים לגרעין, שם הם מפעילים ביטוי של גנים מסוימים. כאשר הסיגנל נעלם, אותם גורמי תעתוק עלולים להיות מועברים חזרה לציטופלזמה או אף לעבור פירוק.

פרק שביעי: ויסות, בקרת איכות והשלכות פתולוגיות

מערכות בקרת איכות רב שלביות

המערכת המורכבת של הכוונת חלבונים חייבת לכלול מנגנוני בקרת איכות מתוחכמים. שגיאות בהכוונה יכולות להיות קטלניות - אנזים פרוטאוליטי שמגיע לגרעין במקום לליזוזום יכול להרוס את ה-DNA, וחלבון ממברנה שמגיע לציטוסול עלול ליצור צבירים רעילים.

בכל שלב במסלול קיימים מנגנוני בקרה:

• ברמת הסינתזה: מערכת SRP מוודאת שחלבונים עם רצף סיגנל יגיעו לרשת האנדופלזמית ולא יישארו בציטוסול
• ברמת הקיפול: שאפרונים ומערכת UPR מוודאים שרק חלבונים מקופלים נכון ימשיכו במסלול
• ברמת ההכוונה: רצפטורי הובלה בררניים מוודאים שחלבונים יגיעו רק ליעדים הנכונים
• ברמת היעד: מערכות זיהוי ביעד מוודאות שרק חלבונים מתאימים יישארו במדור

כאשר מנגנוני הבקרה מזהים שגיאה, נכנסות פעולה מערכות “חירום”:

• מערכת האוביקוויטין-פרוטאזום: מסמנת חלבונים פגומים להרס
• אוטופגיה: מפרקת מדורים שלמים שנפגעו
• אפופטוזיס: במקרים קיצוניים, התא נכנס למוות מתוכנת כדי להגן על הרקמה

השלכות רפואיות של הפרעות בהכוונה

הפרעות במערכת הכוונת החלבונים עומדות בבסיס מחלות רבות ומגוונות. כמה דוגמאות בולטות:

מוקופוליסכרידוזיס: מחלות הנגרמות מהפרעה בהכוונת אנזימים לליזוזומים. האנזימים נשלחים בטעות החוצה מהתא במקום לליזוזומים, מה שגורם להצטברות של חומרי פסולת ברקמות.

מחלות פרובות (Protein folding diseases): כמו אלצהיימר, פרקינסון והנטינגטון, הקשורות להפרעות בקיפול ובהכוונה של חלבונים במערכת העצבים.

מחלות כבד: חלק ממחלות הכבד קשורות להפרעות בסינתזה ובהפרשה של חלבוני פלזמה.

סוכרת: חלק מצורות הסוכרת נגרמות מהפרעות בעיבוד או בהפרשה של אינסולין.

הבנה מולקולרית לטיפולים חדשים

ההבנה המעמיקה של מנגנוני הכוונת החלבונים פותחת דרכים חדשות לטיפול:

• טיפולי החלפה אנזימטית: הזרקה של אנזימים מעובדים שיכולים להגיע ליעדים הנכונים בתאים חולים
• תרופות שאפרון: מולקולות קטנות שמסייעות לחלבונים מוטנטים להתקפל נכון
• טיפול גני: הכנסה של גנים תקינים שיפצו על הפרעות גנטיות במערכת ההכוונה

פרק שמיני: היבטים אבולוציוניים ואנרגטיים

המחיר האנרגטי של הקומפרטמנטליזציה

המערכת המורכבת של הכוונת חלבונים דורשת השקעה אנרגטית עצומה. השאלה הטבעית היא: מדוע התפתחה מערכת כה יקרה אנרגטית, כאשר תאים פרוקריוטיים מתפקדים ללא הפרדה מדורית מורכבת?

ההשקעה האנרגטית כוללת:

• סינתזה של חלבוני עזר: אלפי מולקולות שונות המשרתות את מערכת ההכוונה
• תחזוקת גרדיאנטים: שמירה על הבדלי הרכב בין מדורים
• תהליכי הובלה פעילים: מעבר של מולקולות נגד גרדיאנטי ריכוז
• מנגנוני בקרת איכות: מערכות מורכבות לזיהוי ותיקון שגיאות

היתרונות האבולוציוניים

למרות המחיר הגבוה, הקומפרטמנטליזציה מעניקה יתרונות אבולוציוניים משמעותיים:

• התמחות תפקודית: כל מדור יכול להתפתח להתמחות בתהליכים ספציפיים
• יעילות מטבולית: ריכוז אנזימים במקום הנכון מגביר יעילות
• גמישות ווויסות: אפשרות לווסת תהליכים בצורה עדינה ומורכבת
• הפרדת תהליכים מתנגדים: תהליכים שיכולים להפריע זה לזה מופרדים מרחבית

היתרונות הללו הכרחיים לפיתוח של יצורים רב-תאיים מורכבים, עם רקמות מתמחות ומערכות איברים מתוחכמות.

השוואה עם מערכות פרוקריוטיות

תאים פרוקריוטיים אמנם נטולי קומפרטמנטליזציה מורכבת, אך הם מכילים את האבני הבניין הבסיסיות של מערכת ההכוונה. רצפי סיגנל קיימים גם בחיידקים, בעיקר להכוונת חלבונים לממברנה או להפרשה החוצה. האבולוציה של מערכת מורכבת יותר איפשרה את הקפיצה לרמת מורכבות של תאים אוקריוטיים.

מסקנות: מערכת מורכבת עם עקרונות פשוטים

המערכת של עיבוד והכוונת חלבונים, למרות מורכבותה הרבה, מבוססת על עקרונות פשוטים ואלגנטיים:

1. מידע מקודד ברצף: כל חלבון נושא את המידע הדרוש להכוונתו ברצף חומצות האמינו שלו
2. זיהוי ספציפי: מערכות זיהוי מולקולריות מבטיחות שכל חלבון יגיע ליעדו הנכון
3. עיבוד הדרגתי: תהליכים מורכבים מתרחשים בשלבים, המאפשרים בקרה ותיקון
4. בקרת איכות רב שלבית: כל שלב כולל מנגנוני בקרה למניעת שגיאות
5. גמישות ווויסות: המערכת מאפשרת התאמה לשינויים בתנאי התא

ההבנה הזו חיונית לא רק להכרת הביולוגיה הבסיסית, אלא גם לפיתוח טיפולים רפואיים, כלי הנדסה גנטית, ויישומים ביוטכנולוגיים. המורכבות הזו מייצגת את היופי של המערכות הביולוגיות - פתרונות אלגנטיים לבעיות הנדסיות מורכבות, שמאפשרים חיים מורכבים ומגוונים על פני כדור הארץ.

בסופו של דבר, מערכת הכוונת החלבונים מדגימה כיצד מידע גנטי פשוט מתורגם לארגון מרחבי וזמני מורכב, המאפשר לתא לתפקד כיחידה מתוחכמת וחכמה. זהו אחד מביטויי הגאונות של האבולוציה הביולוגיה - יצירת מורכבות עצומה מרכיבים פשוטים, באמצעות עקרונות ברורים ומובנים.

שיעור 14 - מעבר מגרעין ל-ER

שיעור 15 - מסלול ההפרשה והובלת וזיקולות בתאים

מבוא למסלול ההפרשה (The Secretion Pathway)

ברוכים הבאים לסדרת שלושה שיעורים על הובלת וזיקולות בתוך התאים. הנושא נקרא The Secretion Pathway, או בעברית “מסלול ההפרשה” - למרות שכפי שציין המרצה, התרגום לעברית לא מעורר קונוטציות טובות ואולי צריך מיתוג מחדש.

חשוב להבין ש”מסלול ההפרשה” לא עוסק רק בהפרשה (secretion), אלא גם בהכנסת חומרים מבחוץ באמצעות אנדוציטוזה. זהו תהליך דו-כיווני החיוני לתפקוד התא.

מנגנון כללי של הובלת וזיקולות

התהליך הבסיסי של הובלת וזיקולות בתא מתחלק לארבעה שלבים עיקריים:

1. Budding (הנצה) - יצירת הוזיקולה מממברנה קיימת
2. Tethering (קישור) - זיהוי ראשוני של המטרה
3. Docking (עגינה) - התקרבות וחיבור מדויק
4. Fusion (איחוי) - התמזגות הממברנות

בשלב ההנצה (Budding) נוצרת הוזיקולה מממברנה קיימת, ובמהלך התהליך הזה הוזיקולות מכוסות בחלבוני מעטפת המספקים מבנה מכני ומאפשרים זיהוי ראשוני של סוג הוזיקולה.

עם זאת, חלבוני המעטפת לבדם אינם מספיקים. המרצה הדגיש שאנחנו צריכים סימונים יותר מדויקים כדי שכל וזיקולה תגיע בדיוק לאן שהיא צריכה להגיע.

חלבוני Rab - מערכת הכתובות התאית

מי שמאפשר את הסימון המדויק של יעדי הוזיקולות הם משפחה של חלבונים שנקראים חלבוני Rab. יש Rab מ-1 עד 9 וגם 11 שמשתמשים בהם, וכנראה יש עוד חלבוני Rab שעדיין לא זיהינו.

כל חלבון Rab מסמן וזיקולה לכיוון מסוים - למשל, Rab1 יסמן וזיקולות השולחות מה-ER לגולג’י, Rab2 יסמן וזיקולות שנמצאות באזור הציס-גולג’י, ו-Rab3 יסמן וזיקולות בסינפסות שמשחררות נוירוטרנסמיטורים.

המנגנון עובד כך: חלבוני Rab יודעים לזהות חלבוני קישור (Rab effectors) שייחודיים עבורם. אם מדובר בחלבון Rab2 שנמצא בציס-גולג’י, החלבון שאמור לקשור אותו נמצא רק בציס-גולג’י. כך אנחנו מבטיחים שהוזיקולה תגיע רק למקום אחד שהיא צריכה להגיע.

כשסטודנט שאל למה זה לא מספיק, המרצה הסביר שיש בעיה נוספת: ממברנות קרובות זו לזו אף פעם לא יעברו איחוי ספונטני בגלל שיש ביניהן מולקולות מים. צריך כוח מכני מספיק חזק בשביל לגרום לממברנות להתאחות.

חלבוני SNARE - המנוע המכני

כאן נכנסים לתמונה חלבוני SNARE. יש לנו V-SNARE (Vesicle SNARE - על הוזיקולה) ו-T-SNARE (Target SNARE - על אברון המטרה). ברגע שחלבוני Rab מקרבים את הוזיקולה למטרה ויש את הקישור (Tethering), חלבוני SNARE נכנסים לפעולה בשלב ה-דוקינג.

התהליך יפה: חלבוני SNARE מתחברים זה לזה ועוברים תהליך כמו של שזירה - כמו כשלוקחים הרבה סיבים ומפתלים אותם יחד, האורך שלהם מתקצר. הכוח המכני הזה מקרב את הממברנות זו לזו, דוחק החוצה את מולקולות המים, עד שיש את השלב האחרון - Fusion, האיחוי. אחרי האיחוי, באמצעות ATP, החלבונים משתחררים ומוכנים למחזור הבא.

כשסטודנט שאל מה ההבדל המהותי בין SNARE ל-Rab, המרצה הסביר: חלבוני Rab הם ספציפיים לכל וזיקולה ואברון מטרה אבל לא יכולים להפעיל כוח מכני. חלבוני SNARE הם כלליים (אותם SNARE על כל הוזיקולות) אבל יכולים להפעיל כוח מכני. צריך את שניהם - Rab לספציפיות, SNARE לביצוע.

הבדלים תפקודיים: Rab מול SNARE

המסלול מה-ER לגולג’י

עכשיו נתחיל לדבר בצורה יותר ספציפית על המסלול מה-ER לגולג’י. התהליך מתחיל באזורים ב-ER שנקראים Exit Sites (אתרי יציאה). למרות השם ביחיד, יש הרבה כאלה ב-ER והם נוצרים באופן רנדומלי.

ברגע שחלבונים טרנס-ממברנליים מסונתזים, הם מיד “נתקעים” בממברנה. הם לא יכולים להסתובב חופשי בציטוזול או בלומן של ה-ER כי יש להם אזורים הידרופוביים שיגרמו להם להתקפל על עצמם. לחלבונים האלה יש סיגנל שנקרא Exit Signal - רצף ספציפי של חומצות אמינו שמזוהה על ידי חלבוני COPII.

מה קורה עם חלבונים שהם לא ממברנליים אבל צריכים להיכנס למסלול ההפרשה? הם “תופסים טרמפ” עם החלבונים הממברנליים. גם להם יש Exit Signal משלהם, והם נקשרים לחלבונים הטרנס-ממברנליים שנקשרים ל-COPII.

בקרת איכות - תפקיד השפרונים

המסלול הזה לא מושלם, ולפעמים נדחפים לתוך הוזיקולה גם חלבונים שצריכים להישאר ב-ER. אבל יותר חשוב - מאוד חשוב שלא יגיעו חלבונים שלא יוכלו לבצע את תפקידם כמו שצריך - וזה קורה כשחלבונים לא מתקפלים כראוי.

שפרונים הם חלבונים שעוזרים לחלבונים להתקפל כראוי. כשחלבון לא מתקפל כמו שצריך, השפרונים נקשרים אליו ומונעים ממנו להיכנס לוזיקולות.

הדוגמה של CFTR וציסטיק פיברוזיס

המרצה הביא דוגמה קלאסית - חלבון CFTR שמוטציה בו גורמת לציסטיק פיברוזיס. זוהי תעלת יוני כלוריד שצריכה להעביר יונים כדי למשוך מים אל מחוץ לתאים. אם היא לא עובדת, מים לא יוצאים מהתאים והריר בריאות נהיה מאוד צמיגי.

מה שמעניין ופרדוקסלי: המוטציה לא מונעת מהחלבון לעבוד! אם ניקח את חלבון ה-CFTR ונצליח להביא אותו לממברנה, הוא יתפקד כתעלת כלוריד. אבל בגלל שהכיפול לא תקין, השפרונים לא משחררים אותו מה-ER. כפי שאמר המרצה: “הגוף מכשיל את עצמו”. אפילו אם החלבון יתפקד רק ב-30%, זה עדיף מאשר שלא יהיה בכלל.

תהליך ההובלה וההתקדמות

לאחר שהוזיקולות עוברות הנצה, חלבוני מנוע רצים על גבי המיקרוטובולים ולוקחים את הוזיקולות לכיוון חוץ התא. בשלב הזה הוזיקולות מורידות את חלבוני COPII, והן הופכות למה שנקרא VTC - Vesicular Tubular Clusters. השם מתאר את המראה שלהן במיקרוסקופ - הן נראות כמו צינורות (Tubular) שמורכבים מוזיקולות (Vesicular) שהתחברו יחד לצבר (Clusters).

המרצה ניגן סרטון פלואורסנטי שרואים בו את התהליך - איך החלבונים הממברנליים מתרכזים באתרי היציאה, איך הם נעים על המיקרוטובולים “כמו על כבישים”, ואיך ברגע שהוזיקולה מתאחה עם הממברנה, החלבונים מתפזרים בה.

מסלול החזרה - מערכת KDEL

לאורך כל התהליך הזה יש מסלול של החזרה, שמסומן על ידי חלבוני COPI (לא COPII!). במסלול החזרה אנחנו מחזירים את הרצפטורים שתפסו את המטען, מחזירים ממברנות (אחרת ה-ER יתכווץ), ומחזירים חלבונים שבטעות יצאו מה-ER.

החוכמה של המערכת נמצאת ברצף KDEL - ארבע חומצות אמינו (K-D-E-L) שמסמנות חלבונים השייכים ל-ER. רצף KDEL נקשר לרצפטור ספציפי, והרצפטור נקשר ל-COPI.

המנגנון החכם של pH

כשסטודנט שאל למה הקישור נעשה בגולג’י ולא ב-ER, המרצה הסביר: ה-pH ב-ER הוא קרוב ל-7 (ניטרלי), אבל ככל שמתקדמים בגולג’י לכיוון וזיקולות שיוצאות מהתא, ה-pH יורד (נהיה חומצי). ב-pH חומצי, רצף KDEL נקשר לרצפטור. ב-pH ניטרלי, החלבון משוחרר.

זה תהליך מתמשך של “ניקוי” - כל פעם מושכים אחורה חלבונים שבטעות ברחו, עד שמגיעים לטרנס-גולג’י שם אמור להיות מצב נקי. המרצה ציין שאם עושים מוטציה ב-KDEL, החלבון יצא מהתא במקום להישאר ב-ER - כך הוכיחו את החשיבות של הרצף.

מבנה הגולג’י - מגדל הפיטות

הגולג’י נראה כמו מגדל של פיטות - אם ניקח וזיקולה גדולה מאוד בצורת כדור ונלחץ אותה, נקבל משהו כמו פיטה עם חלל פנימי וממברנה מסביב. כשמערימים הרבה כאלה זו על זו, מקבלים את המבנה האופייני של הגולג’י. המבנים האלה נקראים ציסטרנות.

המיקרוטובולים מחזיקים את הציסטרנות במקום, כדי שכל ה”פיטות” האלה לא יתפזרו בחלל התא. יש לנו ציס-גולג’י (הצד הפנימי הקרוב ל-ER) וטרנס-גולג’י (הצד החיצוני הפונה לממברנת התא).

התעלומה: איך עוברים בין ציסטרנות?

המרצה הודה: “אולי זה יפתיע אתכם? אין לנו מושג”. יש שתי תיאוריות מתחרות:

תיאוריה ראשונה: בין ציסטרנה לציסטרנה יוצאות וזיקולות ומתחברות לציסטרנה הבאה.

תיאוריה שנייה: כל VTC שמגיע מה-ER הופך להיות הציס-גולג’י החדש (כמו כשבאים לרופא ושואלים “מי האחרון?” ואומרים לך “אתה”). מי שהיה ציס מתחיל לנוע, וככל שמתחברות עוד וזיקולות, הציסטרנות מתקדמות. הציסטרנה נשארת אותו דבר, החלבונים לא עוזבים אותה - היא עצמה מתקדמת עד שהופכת לטרנס-גולג’י ומתפרקת.

גליקוזילציה - אחד התפקידים המרכזיים של הגולג’י

בגולג’י מתרחש תהליך מאוד חשוב של גליקוזילציה - הוספה או הסרה של סוכרים מחלבונים. מה שמעניין הוא שבכל אזור בגולג’י יש תהליך אחר של גליקוזילציה, וזה סופר חשוב כי יש המון סוגים שונים של סוכרים שצריכים להיבנות בסדר מסוים.

כפי שהמרצה הסביר: “תחשבו על אותיות ומילים. אנחנו לא יכולים סתם לזרוק אותיות בסדר רנדומלי, אנחנו צריכים לשים אותן בסדר מסוים כדי שייצרו מילים שאנחנו יכולים להבין. הסוכרים זה בדיוק אותו דבר”.

סוגי גליקוזילציה

יש שני סוגים עיקריים:

• N-linked glycosylation: קישור דרך אטום חנקן
• O-linked glycosylation: קישור דרך אטום חמצן

כשסטודנט שאל איך קוראים לתהליך של עשרת סוכרים, המרצה ענה בכנות: “שאלה טובה, אני לא בטוח בטרמינולוגיה”.

תפקידי הסוכרים - דוגמת קבוצות הדם

הדוגמה הקלאסית היא קבוצות דם A, B ו-O. מה שאנחנו קוראים A ו-B זה פשוט עצי סוכרים ספציפיים על חלבונים ממברנליים. הגוף מזהה את הסוכרים האלה ויודע אם התא “שייך לי” או “הגיע מבחוץ ואני צריך להרוג אותו”. O הוא החוסר של A ו-B, לכן הוא תורם אוניברסלי - אין לו סוכרים שיגרמו לתגובה חיסונית. מצד שני, הוא לא יכול לקבל מאף אחד כי אם הגוף מזהה A או B, הוא תוקף.

תפקידים נוספים של הסוכרים: הם שומרים על החלבון מפני פרוטאזות (חלבונים שמפרקים חלבונים), משפיעים על המטען החשמלי, משפיעים על המבנה התלת-ממדי, ומגדילים משמעותית את נפח החלבון. המרצה ציין שנדיר מאוד למצוא חלבון במסלול ההפרשה שלא עובר גליקוזילציה.

ריר - דוגמה מרתקת לחשיבות הגליקוזילציה

המרצה שיתף: “אם עניין אתכם, ואני בטוח שלא, מה הדבר הספציפי שאני חוקר במעי - זה ריר. אני יודע שזה נשמע דוחה, אבל ריר זה דבר מדהים!”

הוא הסביר את ההבדל בין עור למעי: העור שלנו “חסר תועלת” מבחינה פונקציונלית - לא נושמים או סופגים נוטריאנטים דרכו. השכבה החיצונית מורכבת מתאים מתים, מה שמספק הגנה. במעי זה לא אפשרי - התאים חייבים להיות חיים כדי לספוג מזון, מים וחמצן.

אז מה מונע מחיידקים להיכנס לתאים? מה מונע מהתאים להתייבש? התשובה היא ריר. “איך אנחנו יודעים שריר זה פטנט מוצלח? כי כל אורגניזם בטבע שיש לו תאים חיים שפוגשים את העולם החיצוני מכוסה בריר - מקרפדות דרך אלמוגים ועד אלינו”.

המרצה הראה תמונות מהמעבדה שלו - הריר יוצר הפרדה בין תאי האפיתל לחיידקים. המנגנון פשוט: החלבון עצמו כמעט חסר משמעות, הוא רק מאפשר לסוכרים להיבנות עליו. כשהחלבון מופרש מהתא, המים נספגים לסוכרים ונוצרת שכבת ג’ל - “כמו ג’לו או פודינג”.

הקשר למיקרוביום ומחלות

המרצה הסביר שהגוף יכול לבחור את המיקרוביום שלו על ידי שינוי הסוכרים על הריר. חיידקים פתוגנים כמו סלמונלה, ליסטריה ושיגלה לא יודעים לאכול את הסוכרים שלנו, ולכן הם מתקשים להתחרות עם המיקרוביום הטבעי. קלוסטרידיום דיפיצילה, שגורם לזיהומים אגרסיביים בבתי חולים, גם לא יודע לאכול ריר - הטיפול היחיד שעובד נגדו הוא השתלת צואה.

כשסטודנטים שאלו על כיבים ומחלות מעי דלקתיות, המרצה הסביר על הליקובקטר פילורי (וסיפר על החוקר ששתה את החיידק וקיבל פרס נובל), ועל הקשר החזק בין סטרס למחלות כמו קוליטיס כיבית. הוא ציין שהמערכת העצבית הגדולה ביותר מחוץ למוח נמצאת במעי, והיא אוטונומית - יכולה לתפקד גם ללא חיבור למוח.

המרצה הזכיר את המחקר המרשים של אסיה רולס מהטכניון, שהראתה שאפשר לגרום לדלקת במעי על ידי גירוי אזור במוח. כששאלו על עמרי קורן, הוא ציין שקורן חוקר מיקרוביום בהקשר של היריון ובריאות האישה, וגילה שהמיקרוביום משתנה במהלך הטרימסטרים כדי להכין את האם ללידה.

סיכום

מסלול ההפרשה מהווה מערכת מורכבת ומתוחכמת המשלבת זיהוי ספציפי (חלבוני Rab), כוח מכני (חלבוני SNARE), בקרת איכות (שפרונים) ומערכת החזרה (KDEL). הגולג’י ממלא תפקיד מרכזי כתחנת מיון וכמקום שבו מתרחשת גליקוזילציה - תהליך קריטי המשפיע על כל היבט בתפקוד החלבונים, מזיהוי עצמי/זר ועד יצירת ריר המגן עלינו.

כפי שסיים המרצה: “יום שני זה יום ירושלים, וכידוע צפת מוקפת חומה, אז אין שיעור. נתראה ביום רביעי!”

שיעור 16 - אקסוציטוזה ומסלולי הפרשה תאיים

שיעור 17 - אנדוציטוזה - מנגנונים תאיים להכנסת חומרים

מבוא: התהליך ההפוך לאקסוציטוזה

אנדוציטוזה מהווה תהליך תאי יסודי המאפשר הכנסת חומרים מהסביבה החיצונית אל תוך התא. בניגוד לאקסוציטוזה, שבה חומרים מופרשים מהתא החוצה, אנדוציטוזה מאפשרת לתאים לקלוט מולקולות גדולות שאינן יכולות לחצות את הממברנה באמצעות טרנספורטרים או תעלות יוניות. כל תא פעיל מבצע אנדוציטוזה באופן מתמיד, כאשר התהליך חיוני לקליטת חלבונים, ליפידים, וחומרים מורכבים אחרים.

התהליך כרוך ביצירת שלפוחיות (וזיקולות) מהממברנה הפלסמטית, כאשר חלק מהממברנה מתקפל פנימה ונסגר ליצירת שלפוחית המכילה חומרים מהסביבה החיצונית. חשוב להבין כי תהליך זה גורע משטח הממברנה, ולכן מתקיים באופן מתמיד איזון עדין עם תהליכי אקסוציטוזה להחזרת ממברנה לפני השטח של התא.

סוגי אנדוציטוזה: פינוציטוזה ופגוציטוזה

שימו לב: בדרך כלל היה בצד שמאל את ה-ER או הגרעין בצד שמאל ואת הממברנה של התא בצד ימין. כאן הופכים את הכיוון - הפעם הממברנה בצד שמאל ושאר האברונים בצד ימין.

פינוציטוזה - “שתייה תאית”

פינוציטוזה (מהמילה הלטינית “pino” - לשתות) מייצגת את התהליך הנפוץ ביותר של אנדוציטוזה. בתהליך זה נוצרות שלפוחיות (בועיות) קטנות יחסית, בקוטר של כ-150-100 ננומטר, העטופות בחלבון קלתרין (clathrin).

התהליך מתרחש באופן קונסטיטוטיבי בכל התאים, כאשר קצב הפינוציטוזה משתנה בהתאם לסוג התא ולתפקידו הפיזיולוגי.

מאפיינים מרכזיים של פינוציטוזה:

• יצירת שלפוחיות קטנות עטופות קלתרין
• תהליך מתמשך וקבוע
• קליטת נוזלים וחומרים מומסים
• מנגנון סלקטיבי באמצעות רצפטורים

פגוציטוזה - “אכילה תאית”

פגוציטוזה (מהמילה הלטינית “phago” - לאכול) מאופיינת בקליטת חלקיקים גדולים במיוחד, כגון חיידקים, תאים מתים, או שברי תאים. בניגוד לפינוציטוזה, השלפוחיות הנוצרות בפגוציטוזה גדולות משמעותית (מעל מיקרומטר בקוטר) ואינן עטופות בקלתרין. תהליך זה מתרחש בעיקר בתאים פגוציטיים מקצועיים כגון מקרופאגים ונויטרופילים.

המנגנון המולקולרי של פינוציטוזה

תפקיד הקלתרין ביצירת שלפוחיות

קלתרין מהווה חלבון מפתח בתהליך יצירת השלפוחיות. מולקולות הקלתרין מתארגנות ליצירת מבנה כלוב תלת-ממדי סביב הממברנה המתקפלת, תוך סיוע בעיקול הממברנה וביצירת צורת הכדור של השלפוחית. לאחר היווצרות השלפוחית והיפרדותה מהממברנה, מעטפת הקלתרין מתפרקת במהירות, מה שמאפשר לשלפוחית להתמזג עם אברונים תוך-תאיים.

דינמיקה של ממברנות במקרופאגים

מקרופאגים מדגימים את העוצמה של תהליכי האנדוציטוזה: תאים אלה ממחזרים כ-25% משטח הממברנה שלהם מדי חצי שעה. משמעות הדבר היא שתוך מספר שעות, כל שטח הממברנה של המקרופאג עובר מחזור מלא של אנדוציטוזה ואקסוציטוזה. יכולת זו חיונית לתפקודם כתאים פגוציטיים המסלקים פתוגנים ופסולת תאית.

אנדוציטוזה מתווכת-רצפטור

עקרון הסלקטיביות

תאים אינם קולטים חומרים באופן אקראי מהסביבה. במקום זאת, קיים מנגנון מתוחכם של זיהוי וקליטה סלקטיבית באמצעות רצפטורים ספציפיים. רצפטורים אלה הם חלבונים טרנסממברנליים המסוגלים לזהות ולקשור ליגנדים ספציפיים בדיוק רב. כאשר רצפטור קושר את הליגנד שלו, נוצר אות להתחלת תהליך האנדוציטוזה באזור זה של הממברנה.

דוגמה קלאסית: קליטת LDL

מנגנון קליטת הליפופרוטאין בצפיפות נמוכה (LDL - Low Density Lipoprotein) מהווה דוגמה מצוינת לאנדוציטוזה מתווכת-רצפטור. LDL משמש כנשא עיקרי של כולסטרול בזרם הדם, כאשר הכולסטרול ארוז בתוך מיצלה חד-שכבתית ומוקף בחלבון ApoB (Apolipoprotein B).

התהליך מתרחש בשלבים הבאים (ראינו סרטון):

• קישור הרצפטור: רצפטורי LDL על פני התא מזהים וקושרים את חלקיקי ה-LDL באמצעות אינטראקציה ספציפית עם החלבון ApoB.

• יצירת שלפוחית עטופת קלתרין: לאחר הקישור, האזור הממברנלי המכיל את קומפלקס הרצפטור-LDL מתחיל להתקפל פנימה, תוך יצירת שלפוחית עטופת קלתרין.

• היפרדות מהממברנה: השלפוחית נסגרת ומשתחררת לציטופלסמה, כאשר ה-LDL נמצא כעת בתוך התא.

מסלול האנדוזומים והחשיבות של pH

האנדוזום המוקדם ותהליך ההבשלה

האנדוזום זה גופיף ביניים שעוזר לנו לעשות סדר: להחזיר חומרים שצריכים לחזור לגולג’י, להחזיר רצפטורים לממברנה, ולשלוח חומרים לליזוזום לפירוק.

לאחר היווצרות השלפוחית האנדוציטית והסרת מעטפת הקלתרין, השלפוחית מתמזגת עם האנדוזום המוקדם (early endosome). אברון זה משמש כתחנת מיון מרכזית, שבה מתקבלות החלטות לגבי גורל החומרים השונים שהוכנסו לתא.

האנדוזום המוקדם עובר תהליך הבשלה (maturation) הדרגתי, במהלכו הוא הופך לאנדוזום מאוחר (late endosome). תהליך זה כולל:

• ירידה הדרגתית ב-pH מ-6.5 ל-5.5
• החלפת חלבונים ממברנליים אופייניים
• שינויים במורפולוגיה הפנימית

מנגנון ה-pH וההיפרדות רצפטור-ליגנד

אחד המנגנונים החשובים ביותר במערכת האנדוזומלית הוא השימוש בשינויי pH להפרדת רצפטורים מהליגנדים שלהם. ירידת ה-pH באנדוזום גורמת לשינויים קונפורמציוניים ברצפטורים רבים, מה שמוביל לירידה בזיקה לליגנד ולשחרורו.

בדוגמת ה-LDL:

• ב-pH ניטרלי (7.4) - הרצפטור קושר LDL בחוזקה
• ב-pH חומצי (5.5-6.0) - הרצפטור משחרר את ה-LDL
• ה-LDL החופשי ממשיך לליזוזום לפירוק
• הרצפטור ממוחזר חזרה לממברנה דרך האנדוזום הממחזר

מחזור רצפטורים ויעילות תאית

מחזור הרצפטורים מהווה מנגנון חיוני לשמירה על יעילות התא. במקום לייצר רצפטורים חדשים לאחר כל מחזור אנדוציטוזה, התא ממחזר את הרצפטורים הקיימים. רצפטור LDL בודד יכול לבצע מאות מחזורי קליטה במהלך חייו, מה שמדגיש את היעילות של המערכת.

האנדוזום הממחזר (recycling endosome) משחק תפקיד מרכזי בתהליך זה, כאשר הוא מפריד בין חומרים המיועדים לפירוק בליזוזום לבין רצפטורים וחלבונים אחרים שצריכים לחזור לממברנה.

טרנסציטוזה: מעבר חומרים דרך התא

מנגנון ייחודי להעברת נוגדנים

טרנסציטוזה מייצגת תהליך ייחודי שבו חומרים נקלטים בצד אחד של התא ומופרשים בצד הנגדי, ללא פירוק בליזוזום. דוגמה קלאסית לתהליך זה היא העברת נוגדנים מחלב האם לתינוק דרך תאי האפיתל במעיים.

בתינוקות יונקים, המערכת החיסונית האדפטיבית טרם התפתחה במלואה. כפיצוי, נוגדנים מסוג IgG מועברים מהאם לתינוק דרך חלב האם. תהליך זה מתאפשר הודות לרצפטורים ספציפיים על תאי האפיתל במעי התינוק.

תפקיד ה-pH בטרנסציטוזה

המנגנון המולקולרי של טרנסציטוזה מדגים שימוש מתוחכם בשינויי pH:

בחלל המעי (צד אפיקלי): ה-pH חומצי (כ-6.0) בשל הפרשת חומצת הקיבה. בתנאים אלה, הנוגדנים נקשרים בחוזקה לרצפטורים שלהם. הקישור החזק בתנאי pH חומצי מנוגד למה שראינו במקרה של LDL, ומדגיש את המגוון של מנגנוני הרגולציה התאית.

במהלך הטרנספורט התוך-תאי: השלפוחית האנדוציטית שומרת על ה-pH החומצי לאורך כל מסלולה דרך התא. זה קריטי למניעת שחרור מוקדם של הנוגדנים.

בצד הבזולטרלי: כאשר השלפוחית מתמזגת עם הממברנה הבזולטרלית (הפונה לזרם הדם), היא נחשפת ל-pH הניטרלי של הנוזל הבין-תאי (pH 7.4). השינוי ב-pH גורם לשחרור הנוגדנים מהרצפטור, והם משתחררים לזרם הדם של התינוק.

מחזור הרצפטור: לאחר שחרור הנוגדן, הרצפטור חייב לחזור לצד האפיקלי להמשך תפקודו. תהליך זה מדגים את הקוטביות התפקודית של תאי אפיתל ואת החשיבות של מיון חלבונים לממברנות שונות.

ויסות דינמי של רצפטורים ממברנליים

עקרון הדסנסיטיזציה

תאים משתמשים באנדוציטוזה ככלי לוויסות רגישותם לגירויים חיצוניים. על ידי הכנסת רצפטורים מהממברנה לאנדוזומים, התא יכול להפחית את תגובתו לליגנד מסוים. תהליך זה, המכונה דסנסיטיזציה, חיוני למניעת גירוי-יתר של התא.

דוגמה: ויסות טרנספורטרים לגלוקוז

אחת הדוגמאות המרשימות ביותר לוויסות דינמי של רצפטורים היא השליטה על קליטת גלוקוז בתאי שריר ורקמת שומן:

במצב צום: רוב הטרנספורטרים לגלוקוז (GLUT4) מאוחסנים בשלפוחיות אנדוזומליות בתוך התא. רמת הגלוקוז בדם נשמרת על ידי הכבד, ותאי השריר והשומן קולטים מינימום גלוקוז.

לאחר ארוחה: עליית רמת הגלוקוז בדם גורמת להפרשת אינסולין מתאי בטא בלבלב. האינסולין נקשר לרצפטורים שלו על תאי המטרה ומפעיל מסלול איתות תוך-תאי.

תגובת התא: מסלול האיתות גורם לשלפוחיות המכילות GLUT4 לנוע לממברנה ולהתמזג איתה. תוך דקות, מספר הטרנספורטרים לגלוקוז על פני התא עולה פי 20-10, מה שמאפשר קליטה מהירה של גלוקוז מהדם.

חזרה למצב בסיסי: כאשר רמות האינסולין יורדות, הטרנספורטרים עוברים אנדוציטוזה חזרה לתוך התא, ומאוחסנים עד לארוחה הבאה.

מנגנון זה חיוני לשמירה על הומאוסטזיס של גלוקוז. פגיעה בו (כמו בסוכרת סוג 2) גורמת להיפרגליקמיה ולסיבוכים מטבוליים חמורים.

הליזוזום: מרכז הפירוק התאי

מאפיינים ביוכימיים

הליזוזום מכיל מעל 50 אנזימי הידרוליזה שונים, המסוגלים לפרק כמעט כל מקרומולקולה ביולוגית:

• נוקלאזות: מפרקות DNA ו-RNA
• פרוטאזות: מפרקות חלבונים לחומצות אמינו
• ליפאזות: מפרקות ליפידים
• גליקוזידאזות: מפרקות פחמימות

כל האנזימים הליזוזומליים פועלים באופן אופטימלי ב-pH חומצי (5.0-4.5). תכונה זו משמשת כמנגנון בטיחות - אם הליזוזום נפרץ והאנזימים משתחררים לציטופלסמה (pH 7.2), פעילותם מופחתת משמעותית.

מנגנון שמירת ה-pH החומצי

משאבת ה-ATPase V-type (משאבות פרוטונים ($\ce{H^+}$)) אחראית לשאיבת פרוטונים לתוך הליזוזום תוך ניצול אנרגיה מ-ATP. המשאבה יוצרת ריכוז פרוטונים גבוה פי 1000-100 מהציטופלסמה.

הגנה על האנזימים הליזוזומליים

אנזימי הליזוזום עצמם מוגנים מפירוק על ידי גליקוזילציה נרחבת. שרשראות הסוכר הארוכות יוצרות מעטפת מגן סביב האנזימים, המונעת מפרוטאזות אחרות לגשת לאתרי החיתוך. זהו פתרון אלגנטי לבעיה של “מי מפרק את המפרקים”.

אוטופגיה: מיחזור תוך-תאי

מנגנון האוטופגיה

אוטופגיה (מיוונית: “אכילה עצמית”) היא תהליך שבו התא מפרק ומחזר את מרכיביו הפנימיים. בניגוד לאנדוציטוזה, הקולטת חומרים חיצוניים, אוטופגיה מטפלת באברונים פגומים, צברי חלבונים, ומרכיבים תוך-תאיים אחרים.

יצירת האוטופגוזום

התהליך מתחיל ביצירת ממברנה כפולה ייחודית (double membrane) המקיפה את החומר המיועד לפירוק. מבנה זה, הנקרא אוטופגוזום, מכיל שתי ממברנות ביליפיד - סך הכל ארבע שכבות ליפידיות. המורפולוגיה הייחודית נובעת מתהליך היווצרות מיוחד שבו ממברנה שטוחה מתעקלת ונסגרת על עצמה.

חשיבות פיזיולוגית של אוטופגיה

אוטופגיה חיונית לתפקוד תקין של התא:

• מיחזור אברונים: מיטוכונדריה פגומות, פרוקסיזומים ישנים, וחלקי רשת אנדופלסמית יכולים להיות מפורקים ומרכיביהם ממוחזרים.

• סילוק צברי חלבונים: חלבונים שלא התקפלו כראוי או צברים גדולים של חלבונים אינם יכולים להיות מפורקים בפרוטאזום. אוטופגיה היא הדרך היחידה לסלק אותם.

• הישרדות בתנאי רעב: בהיעדר חומרי מזון, התא יכול לפרק חלבונים ואברונים לא חיוניים כדי לספק אבני בניין לסינתזה של חלבונים חיוניים.

אוטופגיה ומחלות נוירודגנרטיביות

הקשר בין פגמים באוטופגיה למחלות נוירודגנרטיביות נובע ממספר גורמים:

• נוירונים הם תאים פוסט-מיטוטיים: בניגוד לרוב תאי הגוף, נוירונים בוגרים אינם מתחלקים. הם חייבים לתפקד לאורך כל חיי האורגניזם ולכן תלויים במיוחד במנגנוני ניקוי יעילים.

• הצטברות צברי חלבונים: במחלות כמו אלצהיימר ופרקינסון, נוצרים צברי חלבונים (פלאקים של בטא-עמילואיד, גופיפי לואי) שרק אוטופגיה יכולה לסלק.

• נזק מצטבר: פגיעה חלקית באוטופגיה גורמת להצטברות איטית של נזקים. התסמינים הקליניים מופיעים רק לאחר שכ-50% מהנוירונים באזור מסוים מתו - עדות לכושר הפיצוי המרשים של המוח.

מחלות אוטופגיה ומעי

מחקרים עדכניים מצביעים על קשר בין פגמים באוטופגיה למחלות מעי דלקתיות. תאי פאנת (Paneth cells) במעי, האחראים להפרשת פפטידים אנטי-מיקרוביאליים, משתמשים באוטופגיה גם כמנגנון הפרשה חלופי כאשר מסלול הגולג’י נפגע על ידי פתוגנים. פגיעה ביכולת זו עלולה לתרום להתפתחות מחלות כמו קרוהן.

סיכום: רשת משולבת של מסלולי הובלה

מערכת האנדוציטוזה, הליזוזומים והאוטופגיה יוצרות רשת משולבת המאפשרת לתא לקלוט חומרים מהסביבה, למחזר מרכיבים פנימיים, ולשמור על הומאוסטזיס. ההבנה המעמיקה של מנגנונים אלה חיונית להבנת פתולוגיות רבות ולפיתוח טיפולים חדשניים למחלות ניווניות, מטבוליות ודלקתיות.

שיעור 18 - שעתוק ועיבוד RNA - מהגנום לחלבון

שיעור 19 - עיבוד RNA ותרגום חלבונים

שיעור 20 - חלבונים לאחר תרגום

פרולין + α-קטוגלוטרט + O₂ → הידרוקסיפרולין + סוקצינט + CO₂

שיעור 21 - ויסות מולקולרי וחלוקת תאים