ביולוגיה/מעבר החומרים בתא
כל תא חי תחום בקרום (ממברנה) דק ועדין. הקרום מפריד בין פנים התא לבין סביבתו החיצונית, אולם הוא אינו רק מעטפה: הקרום מקיים קשר דו-סטרי בין התא לסביבה. קשר זה כולל מעבר חומרים אל התא וממנו, ותגובות של התא לשינויים בסביבה החיצונית.
פוספוליפידים הם מולקולות ליפידיות הדומות למולקולות טריגליצריד, אך בהן קשורות לגליצרול רק שתי מולקולות של חומצות שומן, ובמקום חומצת השומן השלישית קשורה לגליצרול קבוצת זרחה. אל קבוצת הזרחה קשורה קבוצה כימית נוספת. מולקולות שונות של פוספוליפידים נבדלות זו מזו בקבוצה הכימית הנוספת הקשורה לזרחה, ובחומצות השומן הקשורות לגליצרול. בדרך-כלל, אחת מחומצות השומן בפוספוליפיד היא רוויה, ואחת כלתי רוויה. המולקולה מסודרת במרחב כך שקבוצת הזרחה, יחד עם הקבוצה הכימית שאליה היא קשורה, פונות לכיוון אחד, ומהוות את "ראש" הפוספוליפיד, ואילו חומצות השומן פונות אל הכיוון הנגדי ומהוות את "זנב" המולקולה
לשני חלקי מולקולת הפוספוליפיד מסיסות שונה במים: ה"ראש" הידרופילי", כלומר מסיס במים, ואילו ה"זנב" הידרופובי, דהיינו אינו מסיס במים.
המבנה הבסיסי של קרום התא הוא שתי שכבות חד-מולקולריות של פוספוליפידים. מולקולות הפוספוליפידים מסודרות בשתי השכבות "זנב אל זנב", כך שהזנבות (שהם בלתי מסיסים במים) מרכיבים את פנים הקרום, ואילו הראשים (המסיסים במים) פונים אל סביבה מימית: או כלפי חוץ התא, אל הסביבה המימית החוץ-תאית, או כלפי פנים התא, אל הציטופלסמה. כלומר: שתי השכבות יוצרות מעין כריך (סנדוויץ'), שחלקו הפנימי בלתי מסיס במים, ואילו חלקיו החיצוניים מסיסים במים. מכאן, ששתי השכבות הליפידיות של הקרום מפרידות כין שתי סביבות מימיות, זו שמחוץ לתא וזו שבתוך התא.
מולקולות החלבונים שבקרום נמצאות במבנה הדו-שככתי בכמה צורות: משובצות כין מולקולות הפוספוליפידים, קשורות אל הליפידים וקשורות אל חלבונים אחרים כקרום (בצד הפונה אל חוץ התא או בצד הפונה אל פנים התא). כמו-כן, קשורות מולקולות סוכר אל חלק גדול ממולקולות הליפידים והחלבונים בצד הקרום הפונה אל הסביבה החיצונית.
אחת מהתכונות של קרום פוספוליפידי הנמצא בסביבה מימית היא שמירה על רציפות: קרום שנקרע - מתאחה מיד. פיסות קרום קטנות יחסית מתאחות תוך התארגנות לכדורים-שלפוחיות, בדומה להתאחות בועות סבון.
לקרומים של תאים שונים כאותו יצור, וכן לקרומים של אברונים שונים בתוך התא, יש הרכב ייחודי: הייחודיות מתבטאת בסוגי הפוספוליפידים, בסוגי החלבונים והסוכרים ובכמותם. אולם על-אף השוני - כל הקרומים הביולוגיים הם בעלי אותו מבנה בסיסי.
דיפוזיה ואוסמוזה
ריכוז: מספר חלקיקי המומס יחסית לכלל החלקיקים בתמיסה. כאשר תמיסה מרוכזת זה אומר שיש הרבה מאוד חלקיקי מומס בכל יחידת נפח ובתמיסה מהולה יש פחות חלקיקי מומס באותה יחידת נפח. בתמיסה מרוכזת יש יחסית פחות חלקיקי ממיס מאשר בתמיסה מהולה.
מפל ריכוזים – מצב שבו חומר מצוי מרוכז יותר במקום אחד בהשוואה למקום אחר.
דיפוזיה: תנועת חומרים במורד מפל הריכוזים. הדיפוזיה מתקיימת מכוח התנועה המתמדת והאקראית (לכל הכיוונים) של החלקיקים במרחב. לכן, כאשר חומר מצוי מרוכז יותר בצד אחד מאשר בצד שני, יש יותר סיכוי שחלקיקים ינועו לכיוון הצד הפחות מרוכז מאשר להפך. תנועת החלקיקים אינה נפסקת לעולם, גם לא לאחר השגת שיווי המשקל! במצב של שווי משקל, החלקיקים מחליפים מקומות.
מהם הגורמים הקובעים את קצב הדיפוזיה?
1. שטח המגע – ככל ששטח המגע יהיה גדול יותר הדיפוזיה תהיה מהירה יותר. כי יותר חלקיקים יכולים להתפזר לסביבה בו זמנית.
2. מרחק שהחלקיקים עוברים-הדיפוזיה תהיה מהירה יותר ככל שהמרחק קצר יותר.
3. גודל החלקיקים- הדיפוזיה תהיה מהירה יותר ככל שגודל החלקיקים קטן יותר. חלקיקים קטנים נעים מהר יותר מחלקיקים גדולים.
4. מפל ריכוזים – קיים יחס ישר בין גודל מפל הריכוזים למהירות הדיפוזיה: ככל שמפל הריכוזים (ההבדל בין ריכוז גבוה לנמוך) גדול יותר, כך הדיפוזיה מהירה יותר.
5. טמפרטורה – קיים יחס ישר בין הטמפרטורה למהירות הדיפוזיה. ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, מהירות התנועה של החלקיקים גבוהה יותר והם מתפזרים מהר יותר.
שלושה גורמים נוספים משפיעים על קצב הדיפוזיה דרך קרום התא:
6. מידת המסיסות של החומר בשומן. ככל שחומר מסיס יותר, הוא "מפלס" דרכו מהר יותר בין מולקולות הפוספוליפידים.
7. מידת חדירות הקרום לגבי החומר המסוים. ככל שיש יותר נשאים או תעלות לחומר, כך הוא יעבור מהר יותר.
8. שטח הפנים של הקרום. ככל ששטח הפנים של הקרום גדול יותר, כך יותר מולקולות עשויות לעבור דרכו (בשני הכיוונים) בו זמנית.
תהליך האוסמוזה הוא מקרה פרטי של דיפוזיה, שבו נעות מולקולות מים בין שתי תמיסות דרך קרום בעל חדירות בררנית. תנועת המים "נטו" היא מתמיסה בה ריכוזם גבוה לתמיסה בה ריכוזם נמוך. בררנות הקרום, במקרה זה, מתבטאת בכך שמולקולות המים יכולות לעבור דרכו, אך לא המומסים.
כאשר דנים בריכוזי תמיסות ניתן להתייחס לריכוזו של המים (הממס), אולם בדרך-כלל ההתייחסות היא לריכוז המומסים שבתמיסות. לפיכך ניתן לתאר את תנועת המים, כיוונה ומהירותה, כנקבעת על-פי ריכוזם של המומסים במים, שהקרום אינו מאפשר את מעברם. שלושה מונחים משמשים לתיאור היחס בין ריכוז מומסים של שתי תמיסות:
· תמיסה איזוטונית - היא תמיסה שריכוז המומסים בה שווה לריכוזם בתמיסה האחרת.
· תמיסה היפרטונית - היא תמיסה שריכוז המומסים בה גבוה יחסית לריכוזם בתמיסה האחרת.
· תמיסה היפוטונית - היא תמיסה שריכוז המומסים בה נמוך יחסית לריכוזם בתמיסה האחרת.
בתהליכי הדיפוזיה והאוסמוזה חומר עובר ממקום שבו ריכוזו גבוה אל מקום שבו ריכוזו נמוך. דהיינו, תנועתו היא במורד מפל הריכוזים. העברת חומרים במורד מפל הריכוזים נקראת העברה סבילה, ולקיומה לא דרושה השקעת אנרגיה. אולם אחד המאפיינים העיקריים של תא חי הוא הומאוסטזיס: שמירה על סביבה פנימית ייחודית השונה מהסביבה החיצונית.
קיום סביבה פנימית ייחודית מותנה במעבר חומרים פנימה והחוצה גם בניגוד למפל הריכוזים (כלומר: במעלה מפל הריכוזים). תא קולט חומר מן הסביבה אף-על-פי שריכוזו של אותו חומר בתא גבוה מזה שבסביבתו, וכן להפך: לעתים מופרשים חומרים מן התא החוצה, אף-על-פי שריכוזם מחוץ לתא גבוה מזה שבתוך התא. העברה כזו, הנעשית בניגוד למפל הריכוזים , נקראת העברה פעילה , ולקיומה מושקעת אנרגיה. לפיכך רק כאשר מתקיימים בתא תהליכים המספקים אנרגיה, יכולים להתקיים בו תהליכי העברה פעילה. באמצעות הקרומים, שהם בעלי חדירות בררנית, נעשה ויסות של ו תנועת חומרים אל התא ואל האביונים, ומתוכם החוצה.
כיצד מתפקדים הקרומים כגבול בררני? מעבר חומר בהעברה סבילה בתווך כלשהו תלוי כמידת ההתמוססות של החומר בתווך זה; מסיסותו של חומר בתווך מסוים תלויה בהרכבו הכימי. כאמור, בתוך התא ומחוצה לו מצויה סביבה מימית, ואילו הקרום הוא בעיקרו תווך ליפידי. החלק הליפידי (ההידרופובי) של הקרום מאפשר למולקולות קטנות ובלתי טעונות, המסיסות בליפידים, לעבור בדיפוזיה מצדו האחד של הקרום אל צדו האחר. כך, כלומר בהעברה סבילה, עוברים חומרים כמו חמצן ופחמן דו-חמצני. אולם, חומרים רבים אינם עוברים דרך הפוספוליפידים שבקרום, אך עוברים בדרכים אחרות, הן בהעברה סבילה והן בהעברה פעילה. מעברם של יונים ושל מולקולות קוטביות שונות נעשה באמצעות חלבונים ייחודיים המשובצים בקרום ועוברים לרוחבו. חלבונים אלה נחלקים לשתי קבוצות:
תעלות ונשאים הם חלבונים המעבירים חומרים ספציפיים שלא יכולים לעבור דרך שכבות הפוספוליפידים או שמעברם דרכן איטי. המעבר בסיוע תעלות ונשאים הוא מעבר בכיוון מפל הריכוזים, מעבר סביל שאינו דורש השקעת אנרגיה מהתא.
תעלות הם מבנים חלבוניים היוצרים מעין צינור חלבוני בתווך הפוספוליפידי, מצד אחד של הקרום אל צדו האחר. התעלה יוצרת רצף הידרופילי בין הסביבה החוץ-תאית לסביבה התוך-תאית, ומאפשרת מעבר של חומרים המסיסים במים ללא מגע עם הסביבה הפוספוליפידית השוממת
הנשאים גם הם חלבונים הקשורים בהעברת חומרים. שלא כמו התעלות, כל נשא נקשר למולקולה או ליון מסוימים (יש גס נשאים לשני יונים). עם התקשרות הנשא אל המולקולה המתאימה חלים שינויים במבנהו המרחבי, והודות לשינויים אלה המולקולה עוברת לעברו האחר של הקרום. לאחר השתחררות המולקולה מן הנשא, הנשא חוזר לצורתו המקורית והוא חופשי להתקשר למולקולה נוספת, ו"להעביר" גם אותה דרך הקרום.
משאבות מעבירות חומרים ספציפיים כנגד מפל הריכוזים תוך ניצול אנרגיה. הן מרכזות חומרים מסוימים בתוך התא או מסלקות חומרים מהתא אל הסביבה החיצונית.
מולקולות גדולות, כמו רבות ממולקולות החלבונים, אינן יכולות לעכור דרך קרום התא בדרכים שהכרנו עד עכשיו. אף-על-פי-כן יש חלבונים גדולים, וכן חלקיקים או טיפות נוזל, החודרים בשלמותם לתוך תאים. מעבר זה נעשה בתהליך הנקרא אנדוציטוזה. בתהליך זה נוצרת על-פני התא גומה, ההולכת ומעמיקה לתוך התא, וכולאת בתוכה נוזל וחלקיקים מהסביבה החיצונית של התא. שולי הגומה נסגרים לשלפוחית וניתקים מקרום התא. התוצאה היא שהשלפוחית שבתוך התא מכילה בתוכה נוזל וחומרים שקודם לכן היו מחוצה לו. פעילות דומה יכולה להתרחש גם בכיוון ההפוך ולהביא להוצאת חומרים אל מחוץ לתא, ואז היא נקראת אקסוציטוזה.
תגובת התא לסביבתו אינה מותנית תמיד בחדירתם של חומרים לתוכו: יש חומרים שתאים מגיבים להם גם אם לא חדרו לתוך התא. די שחומר כזה יבוא במגע עם קרום התא כדי שבתוך התא יתחוללו שינויים. הבסיס להתנהגות זו הוא חלבונים הנמצאים בקרומי התאים, המתקשרים התקשרות ייחודית למרכיבים בסביבה החוץ-תאית. חלבונים אלה נקראים קולטנים. קולטנים בקרומים הס מאפיין חשוב של תאים. כך לדוגמה יש תאים שיש בקרומיהם קולטנים להורמונים שונים. הקשירה לקולטן, המבוססת על התאמה מבנית בין מולקולת הקולטן לבין מולקולת החומר הנקשר, גורמת לשינוי מרחבי בקולטן, שכתוצאה ממנו מתעוררת תגובה בתוך התא.