תוֹכֶן
קרום התא - המכונה גם קרום הפלזמה או הממברנה הציטופלסמית - הוא בין המבנים המרתקים והאלגנטיים ביותר בעולם הביולוגיה. התא נחשב ליחידה הבסיסית או "אבן הבניין" של כל היצורים החיים על כדור הארץ; בגוף שלך יש טריליונים כאלה, ולתאים שונים באיברים ורקמות שונים יש מבנים שונים שמתאמים בצורה מדויקת לתפקודים של הרקמות המורכבות מתאים אלה.
בעוד גרעיני התאים לעיתים קרובות מושכים את מירב תשומת הלב מכיוון שהם מכילים את החומר הגנטי הדרוש להעברת מידע לדורות הבאים של האורגניזם, קרום התא הוא שומר הסף המילולי והשומר על תוכן התאים. אולם הרחק ממכלול או מחסום בלבד, הקרום התפתח לשמירה על שיווי משקל תאי, או איזון פנימי, באמצעות מנגנוני תובלה יעילים ובלתי נלאים שהופכים את הממברנה למעין מכס מיקרוסקופי רשמי, המאפשר ומכחיש את כניסתם ויציאתם של יונים ו מולקולות בהתאם לתאים בזמן אמת.
ממברנות תאים ברחבי ספקטרום החיים
לכל האורגניזמים יש קרומי תאים מסוג כלשהו. זה כולל פרוקריוטות, שהן בעיקר חיידקים, וסברו כי הן מייצגות כמה מהמינים החיים העתיקים ביותר בכדור הארץ, כמו גם אאוקריוטות, הכוללות בעלי חיים וצמחים. גם לחיידקים הפרוקריוטים וגם לצמחים האוקריוטיים יש קיר תא חיצוני לקרום התא להגנה נוספת; בצמחים יש בקיר זה נקבוביות והם אינם סלקטיביים במיוחד מבחינת מה שיכול לעבור ומה לא יכול. בנוסף, אאוקריוטים מחזיקים באברונים, כמו הגרעין והמיטוכונדריה, הסוגרים על ידי ממברנות כמו זו המקיפה את התא בכללותו. לפרוקריוטות אין אפילו גרעינים; החומר הגנטי שלהם מפוזר, אם כי מעט בחוזקה, בכל הציטופלזמה.
עדויות מולקולריות ניכרות מראות כי תאים אוקריוטים הם צאצאים מתאים פרוקריוטים, ומאבדים את דופן התא בשלב מסוים בהתפתחותם. למרות שהדבר הפך את התאים הפרטניים ליותר פגיעים לעלבונות, זה גם איפשר להם להיות מורכבים יותר ולהתרחב בצורה גיאומטרית בתהליך. למעשה, התאים האוקריוטים יכולים להיות גדולים פי עשרה מהתאים הפרוקריוטים, ממצא שהופך למדהים יותר מהעובדה שתא בודד הוא מכלול האורגניזם הפרוקריוטי בהגדרה. (יש גם אאוקריוטים חד-תאיים.)
מבנה קרום התא
קרום התא מורכב ממבנה שכבה כפול (המכונה לעיתים "מודל הפסיפס הנוזלי") המורכב בעיקר מפוספוליפידים. אחת השכבות הללו פונה אל פנים התא, או ציטופלזמה, בעוד שהשנייה פונה לסביבה החיצונית. הצדדים כלפי חוץ ופנים כלפי פנים נחשבים "הידרופיליים", או נמשכים לסביבות מימיות; החלק הפנימי הוא "הידרופובי", או מונע על ידי סביבות מימיות. מבודד, קרומי התא נוזלים בטמפרטורות הגוף, אך בטמפרטורות קרירות יותר, הם מקבלים עקביות דמויית ג'ל.
השומנים בשכבה הדו צדדית מהווים כמחצית מהמסה הכוללת של קרום התא. כולסטרול מהווה כחמישית מהליפידים בתאי בעלי חיים, אך לא בתאי צמחים, מכיוון שכולסטרול לא נמצא בשום מקום בצמחים. רוב שארית הקרום אחראית על ידי חלבונים עם מגוון פונקציות מגוונות. מכיוון שרוב החלבונים הם מולקולות קוטביות, כמו הממברנה עצמה, הקצוות ההידרופיליים שלהם זורמים אל החיצוני של התא, והקצוות ההידרופוביים שלהם מצביעים על פנים הדו-שכבתי.
לחלק מחלבונים אלה יש שרשראות פחמימות המחוברות אליהם, מה שהופך אותם לגליקופרוטאינים. רבים מחלבוני הממברנה מעורבים בהובלה סלקטיבית של חומרים על פני דו שכבתי, דבר שהם יכולים לעשות על ידי יצירת תעלות חלבון על פני הממברנה או על ידי הסעתם פיזית על פני הממברנה. חלבונים אחרים מתפקדים כקולטנים על משטחי התא, ומספקים אתרי קשירה למולקולות הנושאות אותות כימיים; לאחר מכן, חלבונים אלה מעבירים מידע זה אל פנים התא. חלבוני ממברנה אחרים פועלים כאנזימים המזרזים תגובות ספציפיות לקרום הפלזמה עצמו.
פונקציות קרום התא
ההיבט הקריטי של קרום התא אינו בכך שהוא "אטום למים" או בלתי חדיר לחומרים באופן כללי; אם זה היה, התא היה מת. המפתח להבנת משימתם העיקרית של קרומי התא הוא שזהו חדירות באופן סלקטיבי. אנלוגיה: כמו שרוב המדינות על פני כדור הארץ לא אוסרות על אנשים לנסוע לחלוטין על פני הגבולות הבינלאומיים של המדינות, מדינות ברחבי העולם אינן נוהגות לאפשר לאף אחד וכולם להיכנס. ממברנות תאים מנסות לעשות את מה שממשלות מדינות אלה עושות, בהיקף הרבה יותר קטן: מאפשרות לגורמים רצויים להיכנס לתא לאחר ש"נבדקו "תוך חסימת כניסה לגורמים שעלולים להוכיח רעילים או הרסניים לפנים או לתא כ שלם.
בסך הכל, הממברנה פועלת כגבול פורמלי, כשהיא מחזיקה את חלקי התא השונים זהה לאופן שבו גדר סביב משק מחזיקה את בעלי החיים יחד, תוך שהיא מאפשרת להם לשוטט ולהתערבב. אם היית צריך לנחש את סוגי המולקולות שמותרות להיכנס ולצאת בצורה הפשוטה ביותר, היית יכול לומר "מקורות דלק" ו"פסולת מטבולית "בהתאמה, בהתחשב בעובדה שזה בעצם מה שהגופים בכללותם עושים. ואתה צודק. מולקולות קטנות מאוד, כמו חמצן גזי (O2), דו תחמוצת הפחמן הגזי (CO2), ומים (ח2O), יכול לעבור בחופשיות על פני הממברנה, אך מעבר של מולקולות גדולות יותר, כמו חומצות אמינו וסוכרים, נשלט היטב.
The Lipid Bilayer
המולקולות המכונות כמעט אוניברסלית "פוספוליפידים" המרכיבות את דו שכביות קרום התא נקראות יותר נכון "גליצרופוספוליפידים". הם מורכבים ממולקולת גליצרול, שהיא אלכוהול בעל שלוש פחמן, המחובר לשתי חומצות שומן ארוכות מצד אחד וקבוצת פוספטים מצד שני. זה נותן למולקולה צורה גלילית ארוכה שמתאימה היטב לתפקיד להיות חלק מגיליון רחב, וזה מה ששכבה יחידה של דו שכבתי הממברנה דומה על חתך רוחב.
החלק הפוספט של הגליצרופוספוליפיד הוא הידרופילי. הסוג הספציפי של קבוצת פוספטים משתנה ממולקולה למולקולה; למשל, זה יכול להיות פוספטידילכולין, הכולל רכיב המכיל חנקן. זה הידרופילי מכיוון שיש לו חלוקת מטען לא אחידה (כלומר קוטבית), ממש כמו מים, כך שהשניים "מסתדרים" ברבעים מיקרוסקופיים קרובים.
לחומצות השומן בחלק הפנימי של הממברנה אין חלוקת מטען אחידה בשום מקום במבנה שלהן, ולכן הן אינן קוטביות ומכאן הידרופוביות.
בגלל התכונות האלקטרוכימיות של פוספוליפידים, הסדר הדו-שכבתי הפוספוליפיד אינו דורש שום קלט של אנרגיה ליצירה או תחזוקה. למעשה, פוספוליפידים המונחים במים נוטים להניח באופן ספונטני את התצורה הדו-קרבית באותה צורה שבה נוזלים "מבקשים את הרמה שלהם".
הובלת קרום התא
מכיוון שקרום התא חדיר באופן סלקטיבי, עליו לספק אמצעי להשיג מגוון של חומרים, חלקם גדולים וחלקם קטנים, מצד אחד לצד השני. חשבו על הדרכים בהן תוכלו לחצות נהר או גוף מים. אתה יכול לקחת מעבורת; אתה יכול פשוט להיסחף על משב רוח קל או שתוביל אותך לזרמי נהר או אוקיינוס קבועים. ואתה עלול למצוא את עצמך רק חוצה את גוף המים מלכתחילה מכיוון שיש ריכוז גבוה מדי של אנשים לצידך וריכוז נמוך מדי מצד שני, מה שמציג צורך באיזון הדברים.
כל אחד מהתרחישים הללו קשור קשר מסוים לאחת מעוד דרכים בהן מולקולות יכולות לעבור דרך קרום התא. דרכים אלה כוללות:
דיפוזיה פשוטה: בתהליך זה, מולקולות פשוט נסחפות דרך הממברנה הכפולה כדי לעבור לתא או ממנו. המפתח כאן הוא שמולקולות ברוב הסיטואציות ינועו במורד ריכוז, כלומר הן באופן טבעי נסחפות מאזורים בעלי ריכוז גבוה יותר לאזורים עם ריכוז נמוך יותר. אם הייתם שופכים פחית צבע לאמצע בריכת שחייה, התנועה כלפי חוץ של מולקולות הצבע הייתה מייצגת סוג של דיפוזיה פשוטה. המולקולות שיכולות לחצות קרומי תאים בדרך זו, כפי שאתה עשוי לחזות, הן מולקולות קטנות כמו O2 ושות '2.
אוסמוזה: ניתן לתאר את האוסמוזה כ"לחץ יניקה "הגורם לתנועת מים כאשר תנועת חלקיקים המומסים במים אינה אפשרית. זה מתרחש כאשר ממברנה מאפשרת למים, אך לא החלקיקים המומסים ("המומסים") המדוברים, לעבור דרכם. הכוח המניע הוא שוב שיפוע ריכוז, מכיוון שהסביבה המקומית כולה "מבקשת" מצב שיווי משקל בו כמות המומסים ליחידת מים זהה בכל אורכה. אם יש יותר חלקיקי מומסים בצד אחד של קרום חדיר למים, בלתי חדיר למים מאשר זה האחר, מים יזרמו לאזור של ריכוז המומסים הגבוה יותר. כלומר, אם חלקיקים לא יכולים לשנות את ריכוזם במים על ידי תנועה, אז המים עצמם יעברו להשיג פחות או יותר את אותה עבודה.
דיפוזיה מקלה: שוב, סוג זה של הובלה ממברנה רואה חלקיקים עוברים מאזורים בעלי ריכוז גבוה יותר לאזורים בעלי ריכוז נמוך יותר. בניגוד למקרה עם דיפוזיה פשוטה, לעומת זאת, המולקולות עוברות לתא או מחוצה לו דרך תעלות חלבון ייעודיות, ולא פשוט נסחפות דרך המרווחים בין מולקולות גליצרופוספוליפיד. אם אי פעם ראיתם מה קורה כשמשהו שנסחף במורד נהר מוצא את עצמו פתאום במעבר בין סלעים, אתם יודעים שהאובייקט (אולי חבר בצינור פנימי!) מזרז משמעותית בזמן במעבר זה; כך זה עם תעלות חלבון. זה נפוץ בעיקר במולקולות קוטביות או בטעינה חשמלית.
מעבר פעיל: סוגי הובלות הממברנות שנדונו בעבר כוללות תנועה לאורך שיפוע ריכוז. אולם לעיתים, כשם שהסירות צריכות לנוע במעלה הזרם ומכוניות צריכות לטפס על גבעות, כך החומרים נעות לרוב כנגד מדרגת ריכוז - מצב שלילי באופן אנרגטי. כתוצאה מכך, התהליך צריך להיות מופעל על ידי מקור חיצוני, ובמקרה זה המקור הזה הוא אדנוזין טריפוספט (ATP), אותו דלק נרחב לעסקאות ביולוגיות מיקרוסקופיות. בתהליך זה, אחת משלוש קבוצות הפוספט מוסרת מ- ATP ליצירת דיפוספט אדנוזין (ADP) ופוספט חופשי, והאנרגיה המשוחררת על ידי הידרוליזה של הקשר פוספט-פוספט משמשת "לשאוב" מולקולות במעלה השיפוע ו מעבר לקרום.
הובלה פעילה עשויה להתרחש גם באופן עקיף או משני. לדוגמא, משאבת קרום עשויה להעביר נתרן על פני מעבר שיפוע הריכוז שלה מצד אחד של הממברנה לצד השני, מחוץ לתא. כאשר יון הנתרן מתפזר חזרה לכיוון השני, הוא עלול לשאת מולקולת גלוקוזה איתה כנגד אותו מולקולה מדרגת ריכוז משלה (ריכוז הגלוקוזה בדרך כלל גבוה יותר בפנים התאים מאשר מבחוץ). מכיוון שתנועת הגלוקוז מנוגדת לדרגת הריכוז שלה, מדובר בהובלה פעילה, אך מכיוון שאף ATP אינו מעורב ישירות, זו דוגמה ל משני מעבר פעיל.