קרום התא - המכונה גם קרום הפלזמה או הממברנה הציטופלזמית - הוא בין המבנים המרתקים והאלגנטיים ביותר בעולם הביולוגיה. התא נחשב ליחידה הבסיסית או "אבן הבניין" של כל היצורים החיים על פני כדור הארץ; בגוף שלך יש טריליונים מהם, ולתאים שונים באיברים וברקמות שונות יש מבנים שונים המתואמים בצורה מצוינת עם תפקודי הרקמות המורכבים מאלה תאים.
אמנם גרעיני התאים לעיתים קרובות מושכים את מירב תשומת הלב מכיוון שהם מכילים את החומר הגנטי הדרוש למעבר מידע לדורות הבאים של האורגניזם, קרום התא הוא שומר הסף המילולי והשומר של התא תוכן. אולם, רחוק ממיכל או מחסום בלבד, הקרום התפתח לשמירה על שיווי משקל תאי, או איזון פנימי, באמצעות הובלה יעילה ובלתי נלאית. מנגנונים שהופכים את הממברנה למעין פקיד מכס מיקרוסקופי, המאפשרים ומונעים כניסה ויציאה של יונים ומולקולות בהתאם לזמן אמת של התא צרכי.
ממברנות תאים על פני ספקטרום החיים
לכל האורגניזמים יש קרומי תאים כלשהם. זה כולל פרוקריוטים, שהם בעיקר חיידקים, והם האמינו כי הם מייצגים כמה מהמינים החיים העתיקים ביותר על פני כדור הארץ, כמו גם אוקריוטים, הכוללים בעלי חיים וצמחים. גם לחיידקים הפרוקריוטים וגם לצמחים האאוקריוטים יש דופן תא חיצוני לקרום התא להגנה נוספת; בצמחים יש קיר זה נקבוביות, והן אינן בררניות במיוחד מבחינת מה יכול לעבור ומה לא. בנוסף, באיקריוטים יש אברונים, כמו הגרעין והמיטוכונדריה, המוקפים על ידי ממברנות כמו זו המקיפה את התא בכללותו. לפרוקריוטים אין אפילו גרעינים; החומר הגנטי שלהם מתפזר, אם כי בחוזקה, לאורך הציטופלזמה.
עדויות מולקולריות ניכרות מצביעות על כך שתאים אוקריוטים הם צאצאים מתאים פרוקריוטים, ומאבדים את דופן התא בשלב כלשהו בהתפתחותם. למרות שהדבר גרם לתאים בודדים להיות פגיעים יותר לעלבונות, זה גם איפשר להם להיות מורכבים יותר ולהתרחב גיאומטרית בתהליך. למעשה, תאים אוקריוטיים יכולים להיות גדולים פי עשרה מתאים פרוקריוטים, ממצא שהופך את המדהים יותר מכך שתא בודד הוא מכלול של אורגניזם פרוקריוטי בהגדרתו. (חלק מהאוקריוטים הם גם תאיים.)
מבנה קרום התא
קרום התא מורכב ממבנה דו שכבתי (המכונה לפעמים "מודל הפסיפס הנוזלי") המורכב בעיקר מפוספוליפידים. אחת השכבות הללו פונה אל פנים התא, או הציטופלזמה, ואילו השנייה פונה אל הסביבה החיצונית. הצדדים הפונים כלפי חוץ ופנים כלפי פנים נחשבים "הידרופיליים", או נמשכים לסביבות מימיות; החלק הפנימי הוא "הידרופובי", או דוחה על ידי סביבות מימיות. בבידוד, קרומי התאים נוזלים בטמפרטורות הגוף, אך בטמפרטורות קרירות יותר הם מקבלים עקביות דמוית ג'ל.
השומנים בשכבה הדו-שכבתית מהווים כמחצית מהמסה הכוללת של קרום התא. הכולסטרול מהווה כחמישית מהליפידים בתאי בעלי חיים, אך לא בתאי הצמח, מכיוון שכולסטרול אינו נמצא בשום מקום בצמחים. את רוב יתרת הקרום מייצרים חלבונים עם מגוון פונקציות מגוון. מכיוון שרוב החלבונים הם מולקולות קוטביות, כמו הממברנה עצמה, הקצוות ההידרופיליים שלהם בולטים אל החלק החיצוני של התאים, וקצותיהם ההידרופוביים מצביעים על החלק הפנימי של השכבה הדו-שכבתית.
בחלק מהחלבונים הללו קשורות שרשראות פחמימות, מה שהופך אותם לגליקופרוטאינים. רבים מחלבוני הממברנה מעורבים בהובלה סלקטיבית של חומרים על פני שכבה דו-שכבתית יכול לעשות זאת על ידי יצירת תעלות חלבון על פני הממברנה או על ידי העברתם פיזית על פני הממברנה. חלבונים אחרים מתפקדים כקולטנים על משטחי התאים, ומספקים אתרי קשירה למולקולות הנושאות אותות כימיים; חלבונים אלה מעבירים מידע זה לחלקו הפנימי של התא. חלבוני ממברנה אחרים משמשים כאנזימים המזרזים תגובות בפרט לקרום הפלזמה עצמו.
פונקציות ממברנות תאים
ההיבט הקריטי של קרום התא אינו בכך שהוא "עמיד למים" או אטום לחומרים באופן כללי; אם זה היה, התא היה מת. המפתח להבנת התפקיד העיקרי של קרום התא הוא שהוא חדיר סלקטיבי. אנלוגיה: כמו שרוב העמים על פני כדור הארץ אינם אוסרים על אנשים לנסוע ברחבי הארץ הגבולות הבינלאומיים של האומה, מדינות ברחבי העולם לא נוהגות לתת לאף אחד ול כולם נכנסים. ממברנות תאים מנסות לעשות את מה שממשלות מדינות אלה עושות, בקנה מידה קטן בהרבה: לאפשר לגופים רצויים להיכנס לתא לאחר ש"בדקו "תוך חסימת כניסה לגופים העלולים להוכיח רעילות או הרסניות בפנימיות או בתא כ כֹּל.
בסך הכל, הממברנה פועלת כגבול פורמלי, ומחזיקה את חלקי התא השונים זהה באופן שגדר מסביב לחווה מחזיקה את בעלי החיים יחד גם תוך שהיא מאפשרת להם להסתובב ולהתערבב. אם היית צריך לנחש את סוגי המולקולות שמותרות להיכנס ולצאת בצורה הכי קלה, אתה יכול לומר "מקורות דלק" ו"פסולת מטבולית "בהתאמה, בהתחשב בכך שזה בעצם הגופים בכללותם לַעֲשׂוֹת. ואתה צודק. מולקולות קטנות מאוד, כגון חמצן גזי (O2), פחמן דו חמצני גזי (CO2) ומים (ח2O), יכול לעבור באופן חופשי על פני הממברנה, אך מעבר של מולקולות גדולות יותר, כגון חומצות אמינו וסוכרים, נשלט היטב.
ליפיד בילאייר
המולקולות המכונות כמעט באופן אוניברסלי "פוספוליפידים" המרכיבות את שכבת הקרום הדו-שכבתית נקראות בצורה נכונה יותר "גליצרופוספוליפידים." הם מורכבים ממולקולת גליצרול, שהיא אלכוהול בעל שלושה פחמן, המחובר לשתי חומצות שומן ארוכות בצד אחד ו קבוצת פוספט לעומת זאת. זה נותן למולקולה צורה גלילית ארוכה שמתאימה היטב למלאכה של להיות חלק מסדין רחב, וזה שכבה אחת של שכבת הדו-קרום הדומה לחתך.
חלק הפוספט של גליצרופוספוליפיד הוא הידרופילי. הסוג הספציפי של קבוצת פוספט משתנה ממולקולה למולקולה; למשל, זה יכול להיות פוספטידילכולין, הכולל רכיב המכיל חנקן. הוא הידרופילי מכיוון שיש לו חלוקה לא אחידה של המטען (כלומר, הוא קוטבי), ממש כמו מים, ולכן השניים "מסתדרים" ברבעים מיקרוסקופיים קרובים.
לחומצות השומן בחלק הפנימי של הקרום אין פיזור מטען לא אחיד בשום מקום במבנה שלהן, ולכן הן לא קוטביות ולכן הידרופוביות.
בגלל התכונות האלקטרוכימיות של פוספוליפידים, הסדר הדו-שכבתי הפוספוליפידי אינו דורש שום קלט של אנרגיה כדי ליצור או לתחזק. למעשה, פוספוליפידים המונחים במים נוטים להניח באופן ספונטני את התצורה הדו-שכבתית באותו אופן שבו נוזלים "מחפשים את הרמה שלהם".
הובלת קרום תאים
מכיוון שקרום התא הוא חדיר באופן סלקטיבי, עליו לספק אמצעי לקבל מגוון חומרים, חלקם גדולים וחלקם קטנים, מצד אחד למשנהו. חשוב על הדרכים בהן אתה יכול לחצות נהר או גוף מים. אתה יכול לקחת מעבורת; אתה יכול פשוט להיסחף על משב רוח קל, או שאתה עלול להיסחף בזרמי נהר או ים יציבים. ואתה עלול למצוא את עצמך רק חוצה את גוף המים מלכתחילה כי יש גבוה מדי ריכוז של אנשים בצד שלך וריכוז נמוך מדי מצד שני, מה שמציג צורך אפילו דברים החוצה.
לכל אחד מהתרחישים הללו יש קשר כלשהו לאחת מהדרכים שבהן מולקולות יכולות לעבור דרך קרום התא. דרכים אלה כוללות:
דיפוזיה פשוטה: בתהליך זה, מולקולות פשוט נסחפות דרך הממברנה הכפולה כדי לעבור לתא או לצאת ממנו. המפתח כאן הוא שמולקולות ברוב המצבים יעברו במורד שיפוע ריכוז, כלומר באופן טבעי הן נסחפות מאזורים עם ריכוז גבוה יותר לאזורים של ריכוז נמוך יותר. אם הייתם שופכים פחית צבע באמצע בריכת שחייה, התנועה החיצונית של מולקולות הצבע מייצגת סוג של דיפוזיה פשוטה. המולקולות שיכולות לחצות קרומי תאים בצורה זו, כפי שאתה יכול לחזות, הן מולקולות קטנות כגון O2 ו- CO2.
סְפִיגָה: ניתן לתאר אוסמוזה כ"לחץ יניקה "הגורם לתנועת מים כאשר תנועת החלקיקים המומסים במים היא בלתי אפשרית. זה קורה כאשר קרום מאפשר למים, אך לא לחלקיקים המומסים ("המומסים") המדוברים, לעבור דרכו. הכוח המניע הוא שוב שיפוע ריכוז, משום שהסביבה המקומית כולה "מחפשת" מצב שיווי משקל בו כמות המומס ליחידת מים זהה לכל אורכו. אם יש יותר חלקיקים מומסים בצד אחד של קרום חדיר-חדיר-חדיר-ממוס מאשר השני, מים יזרמו לאזור עם ריכוז מומס גבוה יותר. כלומר, אם חלקיקים לא יכולים לשנות את ריכוזם במים על ידי תנועה, אז המים עצמם יעברו כדי לבצע את אותה עבודה פחות או יותר.
דיפוזיה קלה: שוב, סוג זה של הובלת קרום רואה חלקיקים נעים מאזורים בעלי ריכוז גבוה יותר לאזורים בעלי ריכוז נמוך יותר. בניגוד למקרה עם דיפוזיה פשוטה, לעומת זאת, המולקולות עוברות לתא או החוצה דרךו תעלות חלבון מיוחדות, במקום פשוט להיסחף דרך הרווחים שבין גליצרופוספוליפיד מולקולות. אם צפית אי פעם במה שקורה כשמשהו נסחף במורד נהר מוצא את עצמו פתאום במעבר בין סלעים, אתה יודע שהאובייקט (אולי חבר על צינור פנימי!) מואץ במידה ניכרת תוך כדי זה מִסדְרוֹן; כך זה עם תעלות חלבון. זה נפוץ ביותר עם מולקולות קוטביות או עם טעינה חשמלית.
מעבר פעיל: סוגים של הובלת קרום שנדונו בעבר כולם כרוכים בתנועה במורד שיפוע ריכוז. לעיתים, בדיוק כמו שסירות חייבות לנוע במעלה הזרם והמכוניות צריכות לטפס על גבעות, החומרים נעים ביותר כנגד שיפוע ריכוז - מצב שלילי אנרגטית. כתוצאה מכך, התהליך צריך להיות מופעל על ידי מקור חיצוני, ובמקרה זה מקור זה הוא אדנוזין טריפוספט (ATP), המפיץ דלק נרחב לעסקאות ביולוגיות מיקרוסקופיות. בתהליך זה, אחת משלוש קבוצות הפוספט מוסרת מ- ATP ליצירת דיפוספט אדנוזין (ADP) ופוספט חופשי, ו האנרגיה המשוחררת על ידי הידרוליזה של הקשר פוספט – פוספט משמשת ל"שאיבת "מולקולות במעלה השיפוע ורוחב קְרוּם.
תחבורה פעילה עשויה להתרחש גם באופן עקיף או משני. לדוגמא, משאבת ממברנה עשויה להעביר נתרן על פני שיפוע הריכוז שלה מצד אחד של הממברנה לצד השני, מחוץ לתא. כאשר יון הנתרן מתפזר בכיוון השני, הוא עלול לשאת מולקולת גלוקוז כנגד זה שיפוע הריכוז של המולקולה עצמו (ריכוז הגלוקוז בדרך כלל גבוה יותר בפנים התאים מאשר ב בחוץ). מכיוון שתנועת הגלוקוז היא כנגד שיפוע הריכוז שלה, זהו הובלה פעילה, אך מכיוון שאף ATP אינו מעורב ישירות, זוהי דוגמה ל מִשׁנִי מעבר פעיל.