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
- דמיון בגודל - מיטוכונדריה דומות לחיידקים בגודלן
- דמיון באופן התרבות - מיטוכונדריה מתחלקות בצורה דומה לחיידקים
- קיום גנום עצמאי - למיטוכונדריה יש גנום משלהן
- מאפייני הגנום - הגנום המיטוכונדריאלי:
- קטן
- מעגלי
- דומה לכרומוזום של חיידק
- רצפי DNA דומים יותר לגנומים חיידקיים
- 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
- ectosymbiont (סימביונט חיצוני) - החיידק חי צמוד לתא הארכיאה מבחוץ
- entangle (הסתבכות) - החיידק מסתבך בשלוחות של תא הארכיאה
- engulf (בליעה) - תא הארכיאה בולע את החיידק, יוצר מעין “מפרץ”
- endogenize (הפנמה) - החיידק נשאר בתוך מעטפת בתא המארח
- 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:
- בליעת חיידק שהפך למיטוכונדריה
- 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
- סביבה מימית - כל הריאקציות הכימיות בתאים מתרחשות בסביבה מימית
- תרכובות מבוססות פחמן - רוב החומרים בתאים הם תרכובות אורגניות
- 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
- סוכרים (כמו גלוקוז) - מבנה טבעתי עם שישה פחמנים
- חומצות אמיניות - עם מטענים נוגדים (בסיסי וחומצי)
- חומצות שומן - שרשרות ארוכות של פחמנים
- 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
- קונדנסציה (דחיסה) - חיבור של שתי מולקולות:
- כאשר שתי מולקולות מתחברות, משתחררת מולקולת מים
- דורשת השקעת אנרגיה (לא מועדפת אנרגטית)
- משמשת לבניית פולימרים
- 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
- בחלבונים: קיפול לצורה פעילה
- ב-DNA: זיווג בסיסים (A-T, G-C)
- 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:
- מולקולות קטנות (נוקלאוטידים ב-RNA, חומצות אמינו בחלבונים)
- מקרומולקולות (RNA, חלבונים) - כל אחת מתקפלת למבנה תלת-ממדי משלה
- 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
צפה בשיעור קודם
לשיעור הבא