שיעור 3

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.