מחזור הפחמן והמערכת האקולוגית
בחומר הקודם נדון נושא האנטרופיה והאנטלפיה, והאופן שבו תאים חיים משקיעים אנרגיה רבה בשמירה על מצב מאורגן. כעת נעסוק בכימיה וריאקציות של החיים ברמה בסיסית.
2.1 הגדרת הביוספירה
הביוספירה מורכבת מהחלק הביוטי (כל היצורים החיים) וגם מהחלק האביוטי על פני כדור הארץ. המונח מתייחס לקליפה החיצונית של כדור הארץ, השכבה החיצונית שבה קיימים תאים חיים.
2.2 היקף הביוספירה
הביוספירה כוללת את האטמוספירה עד לגובה מסוים וגם את מעמקי הים. ישנם יצורים שמתקיימים במעמקי הים באזורים חסרי חמצן.
3. מחזור הפחמן בטבע
3.1 עקרונות כלליים
החיים מתבססים על מולקולות עשירות בפחמן - ללא פחמן אין חיים.
3.2 פחמן במערכת הביוטית
רוב הפחמן במערכת הביוטית (של היצורים החיים) נמצא במקרומולקולות. עם זאת, קיים הרבה יותר פחמן בחלק האביוטי, בצורת CO₂ באטמוספירה.
3.3 כניסה ויציאה של פחמן מהמערכת
בתרשים, החץ הירוק מראה את הכניסה של פחמן לייצורים החיים, ביטוי לתהליך שקורה במקום אחד בלבד. החיצים האדומים מייצגים את שחרור ה-CO₂ חזרה לאטמוספירה.
3.4 יציבות כימית של פחמן וחמצן
באטמוספירה העשירה בחמצן, המצב היציב והמועדף של פחמן הוא בתרכובת עם חמצן (CO₂), ושל מימן הוא מים (H₂O).
4. פוטוסינתזה כשער כניסה עיקרי לפחמן
4.1 מקור הפחמן במערכת החיה
פוטוסינתזה היא הדרך העיקרית, אך לא היחידה, להכנסת פחמן למערכת הביוטית.
4.2 יצורים פוטוסינתטיים
מלבד צמחים ועצים, גם חיידקים ומיקרואורגניזמים מבצעים פוטוסינתזה. חשוב לזכור את המיקרואורגניזמים בימים ובאוקיינוסים, שהם חלק משמעותי מהיצורים הפוטוסינתטיים.
4.3 תפקיד הפוטוסינתזה
פוטוסינתזה ממלאת תפקיד כפול: רתימת אנרגיית אור השמש והכנסת פחמן למערכת. המיקרואורגניזמים בשכבה העליונה של הימים והאוקיינוסים מבצעים פוטוסינתזה ומשמשים כיצרנים ראשוניים, בדומה לצמחים.
5. שחרור פחמן דרך נשימה
5.1 פליטת פחמן דו-חמצני
שחרור CO₂ חזרה לאטמוספירה נעשה על ידי כל היצורים החיים בתהליך הנשימה האירובית.
5.2 נשימה אירובית
נשימה אירובית היא תהליך מיצוי האנרגיה ממולקולות מזון באמצעות חמצון הדרגתי.
6. שרשרת המזון וזרימת הפחמן
6.1 דוגמה פשוטה לשרשרת מזון
שרשרת מזון פשוטה כוללת יצרן ראשוני (צמח), אוכל הראשוני (חגב), אוכל שניוני (עכבר) וטורף-על (נץ).
7. מפרקים במחזור הפחמן
7.1 החוליה החסרה
מפרקים (Decomposers) הם חוליה חיונית במחזור הפחמן.
7.2 תפקיד המפרקים
כשיצורים חיים מתים ואינם מצליחים יותר לשמור על הסדר והארגון שלהם, המפרקים אחראים לפירוק המקרומולקולות ו”ארגון” הפגרים. בכך הם מאפשרים למחזור הפחמן לפעול.
7.3 מיקום המפרקים
המפרקים פועלים בעיקר בשכבה העליונה של הקרקע, אך לא רק שם.
8. התערבות אנושית במחזור הפחמן
8.1 השפעת האדם
ההתערבות האנושית היא גורם משמעותי במחזור הפחמן.
8.2 שריפת דלקים מאובנים
במאות השנים האחרונות האנושות משפיעה מאוד על המערכת האקולוגית דרך שריפת דלקים מאובנים, תהליך המשחרר CO₂ לאטמוספירה.
9. מיקוד הקורס
9.1 התמקדות בביוכימיה של החיים
הקורס יתמקד בביוכימיה של החיים - בתהליכים הביוכימיים המתרחשים בתוך המערכת הביוטית.
מאנזימים דרך ביואנרגטיקה ועד חלבונים
1. מבוא לאנזימים
אנזימים הוזכרו כבר בפרק הראשון של הספר. אין צורך לקרוא את כל הפרק - מספיק להסתכל בתמונות העיקריות, לקרוא את ההסבר מתחת לתמונה ואת החלק בטקסט המפנה אליה. זוהי צורת הלימוד האוניברסיטאית, השונה מהלימוד בתיכון שמתבסס על שינון.
בקורס הנוכחי אנזימים נלמדים בסיסית, והרחבה משמעותית על אנזימים, ריאקציות אנזימטיות, חישובי אנרגיה וקצב ריאקציה תינתן בקורס ביוכימיה בשנה הבאה.
2. הגדרה ומבנה של אנזימים
2.1 מהות האנזימים
ברוב המכריע של המקרים, אנזימים הם חלבונים. עם זאת, ישנן גם מולקולות RNA הפועלות כאנזימים, הנקראות “ריבוזים” (Ribozymes). ההגדרה המדויקת מתייחסת לאנזימים כחומר ביולוגי - חלבון או RNA או שילוב שלהם - הפועל כקטליזטור.
2.2 התפתחות אבולוציונית של אנזימים
התיאוריה המקובלת היא שבמרק הקדמון, ממנו התפתחו החיים, הייתה דומיננטיות של RNA. עם הזמן, התפקיד הקטליטי עבר יותר לחלבונים. עם זאת, עדיין לא ברור לחלוטין כיצד התפתחו חיים משלולית רדודה עם מולקולות אורגניות קטנות.
2.3 תפקוד האנזימים כקטליזטורים
אנזימים פועלים כקטליזטורים - אוסף של מזרזים ביוכימיים בכל יצור חי, מהחיידק הפשוט ביותר עם 500 גנים ועד לאדם. האנזים מבקר את קצב הריאקציה הכימית מבלי שהוא עצמו משתנה בתהליך - נקודה קריטית להבנת פעולתם.
3. אתר פעיל וסובסטרט
3.1 מבנה האתר הפעיל
לאנזים יש אתר פעיל (Active site) המותאם לסובסטרט (חומר המוצא). באופן סכמטי, האנזים מיוצג בצבע ירוק והסובסטרט (האדום) נקשר אליו בהתאמה מדויקת.
3.2 מהירות ריאקציות אנזימטיות
תהליך הקשירה וההמרה הוא מהיר באופן יוצא דופן. ישנם אנזימים הפועלים בקצב של מאות אלפי ריאקציות בשנייה. הריאקציות מתרחשות בסביבה הצפופה של התא, מוקפות במולקולות רבות.
3.3 תהליך הריאקציה האנזימטית
תהליך הריאקציה האנזימטית כולל מספר שלבים:
- יצירת קומפלקס אנזים-סובסטרט
- העברת הסובסטרט למצב תוצר על ידי האנזים (קטליזטור)
- שינוי צורה גיאומטרית של הסובסטרט
- שחרור התוצר
- חזרת האנזים למצבו המקורי
ללא אנזימים, ריאקציות אלה לא היו מתרחשות בקצב מספק בטמפרטורות פיזיולוגיות כמו 37 מעלות.
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)
החיים מתבססים על מטבוליזם מאוזן של פירוק ויצירה, כמו שתי כפות מאזניים.
5. אנרגיית שפעול ופעילות אנזימטית
5.1 הורדת אנרגיית שפעול
אנזימים מורידים את אנרגיית השפעול - האנרגיה הדרושה להתחלת ריאקציה. ניתן להדגים זאת באמצעות אנלוגיה של כדור שצריך לעבור על פני גבעה: אותה ריאקציה כימית יכולה להתרחש בדרכים שונות, לכל אחת מהן יש סף אנרגטי אחר. ללא אנזים, יש צורך 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
מולקולות נושאות אנרגיה פועלות 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 המולקולה הנושאת אנרגיה הנפוצה 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 ללא הרף. היתרון של מולקולה קטנה כמו ATP הוא יכולתה לנוע בדיפוזיה בקלות יחסית. האנזים, למרות תנועתו ושינויי הקונפורמציה שלו, כמעט נייח בהשוואה ומותקף על ידי מולקולות קטנות.
ישנם חישובים המראים את הזמן הדרוש 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
קיים שימוש נרחב בעיקרון של מתווכים קטנים במערכות ביולוגיות.
7. מקורות אנרגיה במערכות ביולוגיות
7.1 מקורות אנרגיה חיצוניים
יצרנים ראשוניים רותמים את אור השמש כמקור אנרגיה עיקרי הנכנס למערכת. עם זאת, ישנם גם מקורות אחרים. דוגמה מעניינת היא “מתנוקוקוס” (ארכיאה) החיה בקרקעית האוקיינוס בתנאים חסרי חמצן. אורגניזמים אלה נמצאים ליד “ונטות” - פתחים בקרקעית האוקיינוס מהם יוצא חום ואנרגיה כימית. הם מנצלים אנרגיה מקרקעית האוקיינוס, מייצרים מתן, ובכך מכניסים אנרגיה ופחמן למערכת החיה.
7.2 טרמודינמיקה בתהליכים ביולוגיים
עקרונות הטרמודינמיקה נשמרים בכל תהליך ביולוגי: האנרגיה לא נוצרת ולא נעלמת, רק משנה צורה.
8. מחזור ATP-ADP
8.1 מבנה מפורט של ATP
ATP מורכב מאדנוזין (אדנין + ריבוז) ושלושה פוספטים. מבנה זה מוצג בפירוט בתמונה 33 בפרק הרלוונטי בספר.
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. כאשר הפוספט השלישי משתחרר, מתקבלים ADP ופוספט אנאורגני (Pi), והאנרגיה המשתחררת מנוצלת לריאקציות שאינן מועדפות אנרגטית.
המחזור דורש את שתי הצורות - ATP ו-ADP. ה-ATP, עם שלושה פוספטים, הוא הצורה הטעונה באנרגיה. הוא שומר על האנרגיה בקשרים עתירי האנרגיה עד לרגע שבו האנרגיה נדרשת לדחיפת ריאקציה שאינה מועדפת אנרגטית.
8.3 נגזרות נוספות של נוקלאוטידים
מלבד המעבר הנפוץ ATP-ADP, קיים גם מעבר ל-AMP (אדנוזין מונופוספט) שיכול לשמש כאבן בנייה או ליצור Cyclic AMP (AMP ציקלי), שבו הפוספט מתארגן בצורה מעגלית. ל-Cyclic AMP יש תפקיד חשוב כמתווך בתאים.
9. אתר ייצור ה-ATP
9.1 מיטוכונדריה ותפקידה
ATP נוצר במיטוכונדריה, אברון שמשמש כאתר ייצור האנרגיה העיקרי בתא האיוקריוטי. במיטוכונדריה פועלת מכונה ביולוגית המכונה “הפטרייה” (ATP סינתאז או ATP synthase) שמסתובבת באופן דומה לגלגל תחנת מים. אנזים זה ממוקם בין שתי הממברנות של המיטוכונדריה.
9.2 מקור המיטוכונדריה והתנועה שלה
המיטוכונדריה נוצרה מאירוע סימביוזה עתיק שהתרחש לפני יותר ממיליארד שנה. חשוב לציין שמיטוכונדריות נעות בתוך התא ומגיעות לכל פינה, עובדה קריטית במיוחד בתאים עם שלוחות ארוכות, כמו תאי עצב. לדוגמה, תא עצב שמגיע מחוט השדרה עד לכף הרגל צריך לספק אנרגיה לכל חלקיו, כולל לסינפסות.
10. צימוד ריאקציות (Coupled Reactions)
10.1 עיקרון הצימוד
צימוד ריאקציות הוא עיקרון מרכזי בביוכימיה. לשם המחשה, ניתן לחשוב על 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
המעבר בין ATP ל-ADP דומה למעבר מ”סחר חליפין” ל”כלכלת כסף” בחברה האנושית: במקום להחליף ישירות מוצרים או שירותים (פרה תמורת חפץ אחר), משתמשים באמצעי ביניים (כסף) שמקל על העברת הערך.
11. נומנקלטורה של נוקלאוטידים וסטריאוכימיה
11.1 מורכבות שמות הנוקלאוטידים
שמות (נומנקלטורה) הנוקלאוטידים עלולים להיות מבלבלים למי שלא נתקל בהם בעבר. אין צורך לזכור את כל השמות והנוסחאות הכימיות - בשאלות העוסקות במולקולות ספציפיות יופיע השם ולעתים גם תמונה של המולקולה.
11.2 מרכיבי הנוקלאוטידים
נוקלאוטידים בנויים מבסיס חנקני, סוכר (ריבוז או דאוקסיריבוז) וקבוצות פוספט. ההבדל בין נוקלאוזיד לנוקלאוטיד הוא שנוקלאוזיד מורכב רק מהריבוז והבסיס החנקני, בעוד שנוקלאוטיד כולל גם פוספטים.
11.3 הבדלים בין DNA ו-RNA
בין DNA ו-RNA קיימים שני הבדלים מרכזיים:
- בסוכר: דאוקסיריבוז ב-DNA לעומת ריבוז ב-RNA
- בבסיס החנקני: תימין (T) ב-DNA לעומת אוראציל (U) ב-RNA
11.4 סטריאוכימיה של מולקולות ביולוגיות
מולקולות ביולוגיות מאופיינות באננטיומרים (מולקולות תמונת ראי). בטבע יש בדרך כלל רק אננטיומר אחד, בעוד שבמעבדה אפשר לסנתז את שניהם. לדוגמה, כשמשתמשים ב-ATP במעבדה, רק אחד מהאיזומרים (D או L) יעיל במערכת ביולוגית.
12. תגובות דחיסה (Condensation Reactions)
12.1 עיקרון תגובות הדחיסה
תגובות דחיסה הן תהליכים מרכזיים בביוכימיה. בתגובה כזו, שתי מולקולות מתחברות תוך שחרור מולקולת מים.
12.2 השלבים בתגובת דחיסה מזורזת על ידי ATP
תגובת דחיסה כוללת מספר שלבים:
- יצירת מצב ביניים (Activated Intermediate) כאשר קבוצת פוספט מ-ATP עוברת לאחת המולקולות
- התקרבות המולקולה השנייה והתרחשות תגובת הדחיסה
- יצירת קשר חדש בין שתי המולקולות ושחרור מולקולת מים
12.3 דוגמה ספציפית: סינתזת גלוטמין
דוגמה מוחשית היא סינתזת גלוטמין מחומצה גלוטמית ואמוניה באמצעות האנזים גלוטמין סינתאז. התהליך כולל:
- שימוש באנרגיה מ-ATP ליצירת מצב ביניים של חומצה גלוטמית עם פוספט
- תגובה של אמוניה (NH₃) עם מצב הביניים
- יצירת גלוטמין ושחרור ADP ופוספט
שני השלבים מצומדים ומתרחשים במהירות רבה באתר הפעיל של האנזים.
13. תגובות דחיסה בסינתזת מקרומולקולות עיקריות
13.1 שלוש קבוצות עיקריות של מקרומולקולות
ישנן שלוש קבוצות חשובות של ריאקציות דחיסה בסינתזת מקרומולקולות:
- פוליסכרידים (רב-סוכרים) - יחידות סוכר (לרוב גלוקוז) מתחברות אחת לשנייה, כמו בגליקוגן
- פוליפפטידים (חלבונים) - חומצות אמינו מתחברות דרך קשר פפטידי
- חומצות גרעין (DNA/RNA) - נוקלאוטידים מתחברים בקשר פוספודיאסטרי
13.2 כיווניות בבניית מקרומולקולות
כל אחת מהמקרומולקולות נבנית בכיווניות מוגדרת:
- בחלבונים - מהקצה האמיני לקצה הקרבוקסילי
- בחומצות גרעין - מכיוון 5’ לכיוון 3’
בכל המקרים, הפולימרים הארוכים נבנים מחיבור מונומרים באותו סוג קשר ובאותה כיווניות.
13.3 יצירת DNA/RNA
בסינתזת חומצות גרעין, הנוקלאוטידים מגיעים בצורה של שלושה פוספטים (כמו GTP) והם כבר “טעונים באנרגיה” שהאנזים מנצל לחיבור. האנרגיה לטעינת הנוקלאוטידים הגיעה מתהליכים קודמים, ביטוי למחזור האנרגיה המתמיד בתא.
13.4 שחרור מולקולות מים
בכל תגובות הדחיסה משתחררת מולקולת מים. זוהי הפעולה ההפוכה לריאקציות הידרוליזה שבהן קשרים נשברים באמצעות מים.
14. מסלולים מטבוליים: גליקוליזה ומעגל החומצה הציטרית
14.1 גליקוליזה (Glycolysis)
הגליקוליזה היא מסלול מטבולי של 10 שלבים לפירוק גלוקוז. זהו נושא שסטודנטים לרפואה ולמדעי החיים לומדים בפירוט. 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. זהו התהליך המרכזי בכל היצורים החיים המתרחש בסביבה עשירה בחמצן לחמצון סוכרים.
14.3 השוואה לשריפה ישירה
התהליך המטבולי המבוקר שונה משריפה ישירה של סוכר שבה כל האנרגיה משתחררת בבת אחת. היתרון בתהליך המטבולי הוא שהאנרגיה נשחררת בשלבים, ותוצרי ביניים יכולים לשמש למטרות אחרות בתא.
14.4 מסלולים אנאירוביים
קיימים גם תהליכי נשימה אנאירובית המתרחשים בהיעדר חמצן. דוגמה לכך היא פעילות אתלטים בעצימות גבוהה שבה נוצר מצב של חוסר חמצן בשרירים, המוביל ליצירת חומצת חלב. כמו כן, ישנם אורגניזמים כמו “מתנוקוקוס” (ארכיאון) המותאמים לסביבה אנאירובית במעמקי האוקיינוס.
14.5 המורכבות של רשת המסלולים המטבוליים
רשת המסלולים המטבוליים כוללת מעל 2,000 ריאקציות אנזימטיות. המטבוליזם אינו רק מקור אנרגיה, אלא גם מספק אבני בניין (מולקולות קטנות) המשמשות לתהליכי אנבוליזם - בניית מקרומולקולות.
15. חלבונים: מבנה ותפקוד
15.1 מרכזיות החלבונים בחיים
חלבונים הם מרכיב יסוד בכל היצורים החיים. הבנת הקשר בין מבנה החלבון לתפקודו היא מפתח להבנת תהליכים ביולוגיים.
15.2 אחוז החלבונים בגוף
כ-70% מהגוף האנושי הוא מים, אך מתוך החומר היבש, 15% הם חלבונים. ללא חלבונים, החיים כפי שאנו מכירים אותם לא היו אפשריים.
16. הקשר הפפטידי
16.1 מבנה ויצירת הקשר הפפטידי
הקשר הפפטידי מחבר בין חומצות אמינו בחלבון. זוהי דוגמה נוספת לריאקציית דחיסה - חיבור חומצה אמינית חדשה לסוף שרשרת החלבון.
16.2 כיווניות בחלבונים
בדומה לכיווניות ב-DNA וב-RNA, גם בחלבונים יש כיווניות קבועה: תמיד מהקצה האמיני לקצה הקרבוקסילי. הקשר הפפטידי, הנקרא לעתים גם “קשר אמידי”, ניתן לזיהוי על ידי פחמן הקשור בקשר כפול לחמצן וקבוצת אמין (NH).
17. תפקידים מגוונים של חלבונים
17.1 רשימת תפקידי חלבונים
חלבונים ממלאים מגוון רחב של תפקידים:
- אנזימים - מזרזים ריאקציות ביוכימיות
- חלבוני מבנה - מעניקים תמיכה מכנית
- משאבות ותעלות - מאפשרים מעבר חומרים דרך ממברנות
- ועוד תפקידים רבים אחרים
17.2 חשיבות בלימודים קליניים
חלבונים הם נושא מרכזי בלימודים פרקליניים ובהתמחויות רפואיות. בדיקות דם ביוכימיות שרופאים מזמינים לעתים קרובות בודקות פעילות אנזימטית או נוכחות חלבונים מסוימים.
17.3 דימוי של תא וחלבונים
תא חי מכיל אברונים שונים כמו גרעין, מיטוכונדריה, גולג׳י ורשתית אנדופלסמטית (ER). חברות ביוטכנולוגיות מייצרות סמנים שמאפשרים למדענים לעקוב אחרי חלבונים ספציפיים בתוך התא החי, כלי חיוני למחקר ביולוגי מודרני.
דור פסקל