הרצאה 3 — שלד התא, הממברנה ומעבר חומרים

הקלטה של ארבע שעות ושלושת רבעי, מתוכן כשלוש וחצי שעות של הרצאה. שלד התא, המשתית החוץ-תאית, מבנה הממברנה וחלבוניה, קשרים בין תאים, ודרכים שבהן חומרים עוברים דרך הממברנה.

מערכת הבחינות

• ההזמנה למערכת הבחינה נשלחה במייל. מי שלא קיבלה, שתחפש בספאם, ואם גם שם אין, שתפנה למרצה
• שאלות התרגול מהמודל יעלו גם למערכת הבחינה, כדי שהבוקר של הבחינה לא יהיה הפעם הראשונה עם המסך והטיימר

טיפ לבחינה, מההרצאה: בשאלה אמריקאית מסמנים את התשובה הנכונה ביותר מבין ארבע האפשרויות. לפעמים שתיים נראות נכונות, ולפעמים מה שאתן יודעות בראש לא מופיע. בוחרים מהאפשרויות שיש.

שלד התא

שלד התא (cytoskeleton) הוא רשת של סיבים חלבוניים בציטופלזמה. הוא לא אברון, כי הוא לא מוקף ממברנה.

ארבעה תפקידים: 1. תמיכה מבנית, ושמירה על צורת התא 2. סידור פנימי: הוא במגע עם האברונים ושומר על מקומם 3. תנועה בתוך התא: מסילות שעליהן נעים חומרים ואברונים 4. תנועה של התא עצמו

כמו השלד שלנו: הוא גם שומר על הצורה, וגם נותן נקודת עיגון שבלעדיה אי אפשר לזוז.

סיבי הביניים רק הוזכרו בהרצאה.

איפה זה תופס אתכם. "שלד" לא אומר "סטטי". הסיבים נבנים ומתפרקים כל הזמן, גם בתא שנראה כאילו לא קורה בו כלום. לסיבים יש כיווניות: קצה פלוס וקצה מינוס, כמו כביש חד-סטרי.

מיקרופילמנטים (סיבי אקטין)

• פולימר של החלבון אקטין. כל מונומר הוא חלבון של כמה מאות חומצות אמינו, וכולם אותו חלבון
• מתארכים בקצה הפלוס ומתקצרים בקצה המינוס. כמו חשבון בנק: אם מצטרפות יותר יחידות מאשר נושרות, הסיב מתארך. אחרת הוא מתפרק
• בהיקף התא, מתחת לממברנה. הם שומרים על הצורה, ומאפשרים לתא לשלוח שלוחות ולזוז. כשאמבה עוטפת סנדלית, סיבי האקטין באזור השלוחה מתארגנים מחדש כל הזמן
• בתאי שריר סיבי אקטין, יחד עם סיבי מיוזין, הם מה שמאפשר לשריר להתכווץ. את זה תלמדו בהמשך התואר

מיקרוטובולים

• צינור חלול. היחידה החוזרת היא דימר של אלפא ובטא טובולין, שנבנה בסליל
• גם ההתארכות וגם ההתקצרות הן בקצה הפלוס. קצה המינוס נשאר במרכז ההתארגנות, שממנו הסיבים יוצאים. מרכזים כאלה נמצאים הרבה פעמים ליד הגרעין וליד הגולג'י. על הצנטרוזום יורחב כשילמדו על חלוקת התא
• מארגנים את האברונים. בצילום שבו צבעו את ה-ER ואת המיקרוטובולים באותו תא, ה-ER יושב בדיוק לאורך המיקרוטובולים. כך גם הגולג'י

חלבוני תנועה

חלבוני תנועה (motor proteins) "צועדים" על המיקרוטובולים ונושאים מטען: בועיות, אברונים, קומפלקסים של חלבונים.

את השמות לא צריך לזכור. את הכיוונים כן כדאי להבין.

• כל צעד הוא שינוי מבנה (קונפורמציה) בחלבון: "רגל" אחת משתחררת ונקשרת מחדש קדימה. כל צעד דורש אנרגיה, מ-ATP
• הכיוון קבוע כי הסיב אינו סימטרי: אלפא ובטא טובולין דומים, אבל לא זהים, ותמיד מסודרים באותו כיוון
• למה זה חשוב: חלבונים נבנים ליד הגרעין. בתא עצב שמגיע מחוט השדרה עד כף הרגל, באורך של כמטר, אין דרך אחרת להביא אותם לקצה. בצילום שהוצג, בועית התקדמה כשני מיקרון בשתי שניות וחצי
• כך מגיעה בועית מהגולג'י אל הממברנה (הרצאה 2): קינזין לוקח אותה מהמרכז החוצה

ריסונים ושוטונים

שלוחות שבולטות מהתא, עטופות בממברנה שלו, ובתוכן מיקרוטובולים בסידור קבוע (בחתך: תשעה זוגות בהיקף ועוד שניים במרכז).

בדרכי הנשימה: התאים שמצפים את קנה הנשימה והסימפונות מכוסים במאות ריסונים כל אחד. מעליהם שכבה דקה של ריר. אבק, פיח וחיידקים נתפסים בריר, והריסונים, שנעים תמיד באותו כיוון, מעלים אותו החוצה. כך הלכלוך לא מגיע לעומק הריאות.

גם לפרוקריוטים יש חלבונים סיביים פשוטים יותר שמחזיקים את צורת התא.

שתי שאלות שעלו בסוף החלק

• בועית מביאה חלבון חדש לממברנת התא. מאיזה אברון היא יצאה? מהגולג'י. ואיזה חלק של שלד התא הכי חשוב לדרך שלה? המיקרוטובולים
• תא שולח שלוחה לכיוון אות כימי. מה משתנה מהר בקצה השלוחה? סיבי האקטין. זה ההבדל בין תנועה בתוך התא (מיקרוטובולים) לתנועה של התא (אקטין)

המשתית החוץ-תאית

גם מחוץ לתא יש רשת סיבים: המשתית החוץ-תאית (extracellular matrix, ECM). היא בנויה מחלבונים, כמו קולגן, ומחלבונים שהודבקו עליהם הרבה סוכרים (בגולג'י, הרצאה 2). התאים הם שמפרישים אותה.

תפקידים: - תמיכה מבנית, והדבקה של תאים זה לזה ברקמה - התכונות הפיזיקליות של הרקמה: כמה התאים צפופים ומהודקים - הגנה וסינון: כמו מסננת. לא כל חומר עובר - הכוונת תנועת תאים, בהתפתחות עוברית ובריפוי רקמה - העברת אותות בין תאים

דוגמאות מההרצאה: - בעצם המשתית משמעותית במיוחד: הסידן מתגבש עליה - צלקת היא כמות גדולה של משתית חוץ-תאית שהופרשה כדי לסגור פצע

הקשר עובר בשני הכיוונים. התאים מפרישים את המשתית, והמשתית משפיעה על התנהגות התאים. חלבוני ממברנה מסוג אינטגרין קושרים את המשתית מבחוץ ואת סיבי האקטין מבפנים, וכך מעגנים את התא משני הצדדים.

מהמעבדה: תאים בתרבית מפרישים משתית ונדבקים לצלחת. כדי לנתק אותם בלי להרוס, מוסיפים אנזים שמפרק חלבונים (טריפסין). הוא שובר קשרים פפטידיים בכל חלבון, בלי הבחנה. לכן אסור לשכוח אותו: אחרי המשתית הוא יתחיל לפרק את חלבוני הממברנה, והתאים ימותו. אפשר להשתמש באנזים ספציפי יותר, כמו קולגנאז, שמפרק רק קולגן.

הממברנה: מבנה ותפקידים

ממברנת התא היא שכבה כפולה של פוספוליפידים (הרצאה 1), ובה מעוגנים חלבונים.

תפקידים: - חוצצת בין פנים התא לסביבה - מאפשרת הומאוסטזיס: סביבה פנימית יציבה בתוך סביבה חיצונית שמשתנה - מעבר בררני של חומרים, פנימה והחוצה. בלי מעבר בכלל, התא לא היה יכול לשמור על יציבות - תקשורת עם הסביבה ועם תאים סמוכים - נקודת עיגון של מבנים וחלבונים - גמישה ודינמית: מאפשרת גדילה, תנועה וחלוקה

דקה מאוד: עוביה כ-7 ננומטר, אורך של שתי מולקולות פוספוליפיד. אפשר לחשוב עליה כמעט כמו על משטח דו-ממדי, בעל מרקם כמעט של שמן. לכן היא יכולה להתאחות עם בועיות ולהיפרד מהן בלי ליצור חור. תא עם חור בממברנה הוא תא מת.

גם הממברנות בתוך התא, של האברונים, הן בררניות. לכן התוכן של ליזוזום, למשל, שונה כל כך מהציטוזול.

הממברנה אינה סימטרית, והיא נוזלית

• שני העלים שונים: בהרכב השומנים וגם בחלבונים. החלבונים שפונים החוצה אינם אלה שפונים פנימה
• נוזליות: הפוספוליפידים זזים ומחליפים מקומות כל הזמן, בתוך אותו עלה. "יותר כמו גלים עדינים על המים מאשר חיילים בשורה"
• מעבר מעלה לעלה כמעט לא קורה. כדי לעבור, הראש הטעון היה צריך לחצות את הליבה ההידרופובית של הממברנה, וזה לא משתלם אנרגטית
• חומצות השומן אינן זהות. לרוב יש בהן 16 פחמנים (חומצה פלמיטית), או 18 פחמנים עם קשר כפול אחד (חומצה אולאית). תמיד שתי שרשראות וראש טעון

חלבוני ממברנה

מה הם עושים

לפי המיקום בממברנה

איפה זה תופס אתכם. - כל טרנס-ממברנלי הוא אינטגרלי, אבל לא כל אינטגרלי הוא טרנס-ממברנלי. - מוטציה שמכניסה חומצה אמינית טעונה לאזור שבתוך הממברנה תשבש את הקיפול. זה אותו עיקרון כמו בהרצאה 1. - חלבון עם אזורים הידרופוביים גדולים הוא כנראה חלבון ממברנה.

ניסוי הספוגים: הזיהוי ספציפי

ספוגים הם רב-תאיים פשוטים מאוד. אפשר להפריד את התאים שלהם בעדינות, והם מוצאים זה את זה ונצמדים שוב לספוג מתפקד. אם מערבבים תאים משני מינים קרובים של ספוג, נוצרים צברים רק של תאים מאותו מין. החלבונים של כל מין מזהים רק את החלבונים של אותו מין. זו הספציפיות של האינטראקציה בין החלבונים.

קשרים בין תאים

הקשר ההדוק עושה שני דברים: 1. חוסם מעבר בין התאים. במעי, שום דבר לא זולג מחלל המעי אל הדם בלי בקרה 2. מחלק את הממברנה לאזורים. כיוון שהממברנה לא זורמת דרכו, לצד של התא שפונה לחלל המעי יש חלבונים אחרים מאשר לצד שפונה לכלי הדם: צד אחד קולט, הצד השני מפריש

המוח: בין התאים של דפנות הנימים במוח יש קשרים הדוקים במיוחד. לכן חומרים מהדם עוברים לרקמת המוח בקושי, וזו אחת הסיבות שלתרופות קשה להגיע למוח.

איפה זה תופס אתכם. גם תעלה בממברנה וגם קשר מרווח הם חלבונים טרנס-ממברנליים שיוצרים מעבר. אבל תעלה מחברת את התא לסביבה שלו, וקשר מרווח מחבר בין שני תאים, ובונים אותו חלבונים של שני התאים יחד.

מה עובר דרך הממברנה

באמצע הממברנה יש ליבה הידרופובית. מה שעובר דרכה בלי עזרה צריך להיות מסוגל לחצות אותה.

לכן הממברנה חדירה למחצה. לכל מה שלא עובר לבד, כמו גלוקוז, חומצות אמינו ויונים, צריך דרך אחרת.

• חמצן שמשתחרר מההמוגלובין ליד התא נכנס פשוט דרך הממברנה, ו-CO2 יוצא באותה דרך
• הורמונים סטרואידים נכנסים לתא ישירות. לכן הקולטנים שלהם נמצאים בציטופלזמה, ולא על הממברנה. בדם, שהוא תווך מימי, הם נעים קשורים לחלבונים
• מים עוברים בפועל בעיקר דרך תעלות. הן כל כך נפוצות שמתייחסים לזה כמעט כמו למעבר חופשי

העברה סבילה ופעילה

מפל ריכוזים הוא כמו מפל מים: המים זורמים מלמעלה למטה לבד, ומשתחררת אנרגיה. כדי להעלות אותם צריך להשקיע אנרגיה.

דיפוזיה

• מולקולות נעות באופן אקראי, ובסך הכל זה מביא לתנועה נטו מריכוז גבוה לריכוז נמוך, עד שוויון ריכוזים
• בשוויון ריכוזים המולקולות ממשיכות לזוז, אבל אין יותר מעבר נטו
• דוגמת הבושם: בקבוק שנפתח בקצה הכיתה. אחרי מספיק זמן הריח בכל החדר. אף מולקולה לא "החליטה" לאן ללכת
• דרך ממברנה: רק אם הממברנה חדירה לחומר. אם לא, הוא לא יעבור, גם כשמפל הריכוזים ענק

אוסמוזה

אוסמוזה היא דיפוזיה של מים. גם מים עוברים מריכוז גבוה שלהם לריכוז נמוך שלהם.

הכלל: כשיש הרבה מומס, יש מעט מים, ולהפך.

איפה זה תופס אתכם. המים עוברים עד שוויון ריכוזים, לא עד שוויון כמויות. כמות המומס בכל צד לא משתנה, כי הוא לא יכול לעבור. משתנה רק כמה מים יש סביבו.

תאים לא אמורים להגיע למצבים האלה. הם צריכים להשקיע עבודה כדי לשמור על הריכוזים ועל הנפח שלהם.

דיפוזיה מסתייעת

חומר שלא עובר לבד, עובר במורד מפל הריכוזים שלו דרך חלבון בממברנה. אלה תמיד חלבונים טרנס-ממברנליים.

המבנה של תעלה: החומצות האמינו שפונות לשומני הממברנה הידרופוביות, ואלה שמרפדות את המעבר במרכז הידרופיליות, כי היונים עוברים שם.

תעלה לא תמיד פתוחה. שינוי מבנה בחלבון פותח וסוגר אותה. מה גורם לזה: - מולקולה שנקשרת לתעלה, למשל הורמון או מוליך עצבי. היא לא עוברת דרכה - שינוי מתח חשמלי בממברנה: למשל תעלות סידן תלויות מתח בתאי עצב ושריר - מתיחה מכנית של הממברנה: בתאי השערה באוזן, תנודות הקול מטות את התאים, התעלות נפתחות, והאות עובר לתא העצב

לכן חלבון שנמצא בממברנה עוד לא אומר שיש מעבר. רק כשהוא פתוח.

נשאי גלוקוז, וסוכרת

• גלוקוז נכנס לתאים דרך נשאים. בתאים שונים יש נשאים שונים
• בכבד יש נשא אחד (GLUT2). בתאי שריר ושומן, אינסולין גורם לתא להוציא לממברנה נשא אחר (GLUT4). כך אינסולין מוריד את הסוכר בדם (הרצאה 1)
• בכליה גלוקוז מסתנן לשתן הראשוני באותו ריכוז כמו בדם, ונשאים לאורך הצינוריות מחזירים אותו לדם
• בסוכרת הריכוז גבוה כל כך שהנשאים בכליה מגיעים לרוויה, וגלוקוז נשאר בשתן. אחת התרופות לסוכרת, לא הראשונה שנותנים, חוסמת את הנשאים האלה, כדי שעוד גלוקוז ייצא בשתן

סיסטיק פיברוזיס

• מוטציה בגן של תעלה ליוני כלור (CFTR). אצל אנשים שונים יש מוטציות שונות, אבל תמיד באותה תעלה
• התעלה לא מתקפלת נכון, ומעבירה הרבה פחות יוני כלור
• בדרכי הנשימה: פחות מים מגיעים לשכבת הריר, הריר סמיך, והריסונים לא מצליחים לפנות אותו. זה מקום נוח לזיהומים
• יש היום תרופה לחלק מהמוטציות. כדי למצוא אותה בדקו יותר מ-200,000 מולקולות. היא עוזרת לתעלה להיפתח ומשפרת את המעבר

מה זה מחבר: מבנה ראשוני וקיפול (הרצאה 1), תעלות, אוסמוזה, וריסונים.

העברה פעילה

נגד מפל הריכוזים, ולכן דורשת אנרגיה. החלבונים נקראים משאבות.

לפי הכיוון

המונחים האלה מתארים רק את הכיוון, לא איזה חומר עובר נגד המפל שלו. "יוניפורטר" יש שמשתמשים בו גם לנשא סביל.

לפי מקור האנרגיה

משאבת נתרן-אשלגן

• אנטיפורטר, העברה פעילה ראשונית
• מוציאה נתרן מהתא ומכניסה אשלגן, שניהם נגד מפל הריכוזים שלהם, בעזרת פירוק ATP
• ריכוזי היונים בתא נשמרים בקפידה:
• אשלגן: בפנים יותר מבחוץ.
• נתרן: בחוץ יותר מבפנים.
• סידן: בחוץ יותר מבפנים.
• בתא עצב או שריר: כשמגיע אות חשמלי, תעלות נתרן ואשלגן נפתחות, ונתרן זורם פנימה ואשלגן החוצה, במורד המפלים. זה סביל. אחר כך המשאבות מחזירות את הריכוזים, כדי שהתא יוכל להגיב לאות הבא. גם אחרי שאשלגן יצא, בתוך התא עדיין יש ממנו יותר מבחוץ, ולכן להחזיר אותו פנימה זה עדיין נגד המפל

העברה פעילה שניונית

• משאבת הנתרן-אשלגן בונה מפל נתרן: הרבה בחוץ, מעט בפנים
• משאבות אחרות מנצלות את המפל הזה. נתרן נכנס במורד המפל שלו, והאנרגיה הזו מכניסה איתו חומר אחר במעלה המפל שלו, למשל גלוקוז או יונים אחרים
• כמו טורבינה במפל מים: האנרגיה כבר שם, וצריך רק לרתום אותה
• האנרגיה הושקעה קודם, בבניית המפל. לכן זה "שניוני"
• זה יכול להיות סימפורטר או אנטיפורטר
• בלי ATP, בסוף גם זה נעצר: המשאבה הראשונית מפסיקה לעבוד, המפל נעלם, ואין מה לנצל

אנדוציטוזה ואקסוציטוזה

מאקרומולקולות, כמו חלבונים, רב-סוכרים וחומצות גרעין, גדולות מכדי לעבור דרך חלבוני הממברנה. הן נכנסות ויוצאות בבועיות (הרצאה 2). הרבה פעמים האנדוציטוזה מתחילה בכך שמשהו נקשר לקולטן על הממברנה.

בסינפסה

1. בקצה של תא העצב מחכות בועיות מלאות במוליך עצבי
2. מגיע אות חשמלי, והבועיות מתאחות עם הממברנה: אקסוציטוזה. המוליך העצבי נשפך למרווח שבין שני התאים
3. בתא הבא הוא נקשר לקולטנים. הרבה פעמים הקולטנים הם תעלות, והקישור פותח אותן
4. יונים זורמים פנימה, ובתא הבא מתחיל אות חשמלי חדש

כל המונחים מההרצאות עד עכשיו נכנסים כאן בבת אחת: בועיות, תעלות, קולטנים, שינוי מבנה ומפלי ריכוזים.

מה לא נלמד בהרצאה הזו

• סיבי ביניים רק הוזכרו
• הצנטרוזום והקשר שלו לחלוקת התא: בהרצאה הבאה
• הוואקואולה בתאי צמח, ויונופורים (שקף 59): לא נלמדו

בדיקה עצמית

1. מה ההבדל בין התפקיד של סיבי אקטין לתפקיד של מיקרוטובולים?
2. למה קינזין נע תמיד באותו כיוון?
3. תאי דם אדומים הוכנסו למים מזוקקים. מה יקרה להם, ולמה?
4. גלוקוז נכנס לתא דרך נשא, במורד מפל הריכוזים שלו. האם זו העברה פעילה?
5. מה ההבדל בין העברה פעילה ראשונית לשניונית? תנו דוגמה לכל אחת.
6. למה לתרופות קשה להגיע לרקמת המוח?

תשובות.

1: אקטין, בעיקר בהיקף התא, שומר על הצורה ומאפשר לתא לזוז ולשלוח שלוחות. מיקרוטובולים, בכל התא, נותנים שלד קשיח, מארגנים את האברונים, ומשמשים מסילות לחלבוני תנועה. ומהם בנויים ריסונים ושוטונים.

2: כי למיקרוטובול יש כיווניות: אלפא ובטא טובולין מסודרים תמיד באותו כיוון. המבנה של קינזין מאפשר לו לצעוד רק ממינוס לפלוס.

3: הם יתנפחו ועלולים להתפוצץ. מים מזוקקים הם תמיסה היפוטונית: ריכוז המומסים בהם נמוך מבתא, כלומר ריכוז המים גבוה. המים נכנסים בדרך אוסמוזה.

4: לא. במורד מפל הריכוזים זו העברה סבילה: דיפוזיה מסתייעת. החלבון רק מאפשר לגלוקוז לעבור. העברה פעילה היא רק נגד המפל.

5: ראשונית: פירוק ATP ישירות, כמו במשאבת נתרן-אשלגן. שניונית: ניצול מפל ריכוזים של חומר אחר, כמו הכנסת גלוקוז ביחד עם נתרן שנכנס במורד המפל שלו.

6: בין התאים של דפנות הנימים במוח יש קשרים הדוקים במיוחד. חומרים לא עוברים ביניהם, ולכן חומרים מהדם, כולל תרופות, מגיעים למוח בקושי.