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:
- גבול חיצוני בררני - המאפשר כניסה של חומרי מזון והוצאה של חומרי פסולת
- אוסף של קטליזטים (אנזימים) - המבצעים את הריאקציות החיוניות לחיים בתנאי הסביבה התאית
- 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
שלוש הקבוצות הגדולות של החיים
עץ החיים מסווג את כל היצורים החיים לשלוש קבוצות גדולות:
- בקטריה (חיידקים)
- ארכיאה (Archaea) - פעם קראו להם ארכיאובקטריה
- 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
- 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
- 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
- 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.
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)
- 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:
- 483 מקודדים לחלבונים
- 43 מקודדים ל-RNA
- 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.
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.
דור פסקל