ההרכב הכימי של התא

כל היצורים החיים בנויים מאותן קבוצות של תרכובות כימיות. התגובות בין מולקולות אלה מאפשרות גדילה, הפקת אנרגיה והעברת מידע תורשתי. הכרת החומרים המרכיבים את התא היא הבסיס להבנת תהליכי החיים.

יסודות כימיים בתא

התא בנוי מיסודות כימיים הנמצאים בטבע, אך שכיחותם אינה זהה לזו שבקרום כדור הארץ. היסודות הנפוצים ביותר בתאים הם פחמן, מימן, חמצן וחנקן, ולצדם זרחן, גופרית ויסודות נוספים בכמויות קטנות. הפחמן חשוב במיוחד משום שהוא יכול ליצור ארבעה קשרים כימיים ולבנות שלדים ארוכים ומסועפים. תכונה זו מאפשרת את קיומן של מולקולות אורגניות גדולות ומגוונות. יסודות מסוימים נדרשים בכמויות זעירות אך חיוניים לתפקוד תקין; לדוגמה, ברזל נחוץ לבניית המוגלובין, החלבון המוביל חמצן בדם.

חומרים אי־אורגניים וחומרים אורגניים

נהוג לחלק את החומרים המרכיבים את התא לשתי קבוצות עיקריות: חומרים אי־אורגניים וחומרים אורגניים. חומרים אי־אורגניים הם חומרים פשוטים יחסית, שאינם נוצרים רק בגופם של יצורים חיים, כגון מים, מלחים ופחמן דו־חמצני. חומרים אורגניים הם תרכובות פחמן מורכבות, לרוב עתירות אנרגיה, המיוצרות בטבע בעיקר על ידי יצורים חיים.

רוב החומרים האורגניים בנויים מיחידות מבנה קטנות המחוברות זו לזו לשרשראות ארוכות. יחידות אלה מכונות מונומרים, והשרשראות הארוכות מכונות פולימרים. לדוגמה, חד־סוכרים הם מונומרים של פחמימות, וחומצות אמינו הן מונומרים של חלבונים. חיבור בין מונומרים נעשה לרוב בתגובת דחיסה, שבה משתחררת מולקולת מים, ופירוק פולימרים נעשה לרוב בתגובת הידרוליזה, שבה מתווספת מולקולת מים.

המים בתא

המים הם המרכיב הנפוץ ביותר בתא, וכ־70% עד 90% ממשקלו. מולקולת המים היא קוטבית, ולכן מים ממיסים היטב חומרים טעונים או קוטביים. המים משמשים ממיס שבו מתרחשות רוב התגובות הכימיות, ומאפשרים הובלת חומרים בתוך התא ובין תאים. למים יש קיבולת חום גבוהה, ולכן הם מסייעים בשמירה על טמפרטורה יציבה בתא. יציבות זו היא חלק מהיכולת של היצור החי לשמור על סביבה פנימית קבועה, המכונה הומיאוסטזיס.

מלחים ויונים בתא

חומרים אי־אורגניים נוספים בתא הם מלחים ויונים. יונים כגון נתרן, אשלגן, סידן, כלור וזרחן חיוניים להעברת אותות, לפעילות עצבים ולכיווץ שרירים, ולשמירה על מאזן המים. ריכוז היונים חייב להישמר בטווח צר, ושינוי קיצוני בו עלול לפגוע בתפקוד חלבונים ובתגובות כימיות.

ארבע הקבוצות של החומרים האורגניים

החומרים האורגניים בתא מתחלקים לארבע משפחות עיקריות: פחמימות, ליפידים, חלבונים וחומצות גרעין. לכל משפחה יש תפקידים ייחודיים, אך כולן מבוססות על שלד פחמני ומשתתפות בתהליכי החיים.

פחמימות משמשות מקור אנרגיה זמין וחומרי מבנה. היחידה הבסיסית שלהן היא חד־סוכר, כגון גלוקוז. גלוקוז הוא המקור העיקרי להפקת אנרגיה בנשימה תאית. כאשר חד־סוכרים מתחברים זה לזה נוצרים רב־סוכרים. עמילן הוא רב־סוכר המשמש חומר תשמורת בצמחים, גליקוגן הוא רב־סוכר המשמש חומר תשמורת בבעלי חיים, בעיקר בכבד ובשרירים, ותאית היא רב־סוכר הבונה את דופן תא הצמח ומעניקה לו קשיחות.

ליפידים הם חומרים שאינם מתמוססים במים. הם משמשים מאגר אנרגיה ארוך טווח, חומרי בידוד ומרכיב מרכזי בקרומים. פוספוליפידים הם הליפידים העיקריים הבונים את קרום התא. הם מסתדרים במבנה של דו־שכבה, שבו הראשים הפוספטיים פונים אל המים והזנבות השומניים פונים זה אל זה. מבנה זה יוצר מחסום בררני בין פנים התא לסביבתו. כולסטרול הוא ליפיד נוסף המשתלב בקרום התא ומסייע בשמירה על יציבותו ועל נוזלותו.

חלבונים הם המולקולות המגוונות ביותר בתא. הם בנויים משרשראות של חומצות אמינו, וקיימים 20 סוגים עיקריים של חומצות אמינו בתאים. סדר חומצות האמינו בשרשרת קובע את מבנה החלבון ואת תפקודו. חלבונים משמשים לבניית מבנים, להובלת חומרים, להגנה, לבקרה ולקליטת אותות. קבוצה חשובה במיוחד היא אנזימים: חלבונים המשמשים זרזים ביולוגיים ומאיצים תגובות כימיות בתא מבלי להתכלות בתהליך. לכל אנזים יש צורה מרחבית המאפשרת לו להיקשר למולקולות מתאימות ולזרז תגובה מסוימת.

חומצות גרעין הן מולקולות ענק המאחסנות ומעבירות את המידע התורשתי. יחידת המבנה שלהן היא נוקלאוטיד, המורכב מסוכר, קבוצת זרחה ובסיס חנקני. ה־DNA מכיל את ההוראות לבניית חלבונים, וה־RNA משתתף בתרגום המידע הזה לחלבונים. ב־DNA הבסיסים החנקניים הם A, T, G, C, ואילו ב־RNA מופיע U במקום T. נוקלאוטידים בודדים יכולים לשמש גם כנשאי אנרגיה; הדוגמה הבולטת היא ATP, מולקולה האוגרת אנרגיה בקשרים הכימיים שלה ומשחררת אותה בעת הצורך בתהליכים תאיים.

אנרגיה האגורה בחומרים אורגניים

הקשרים הכימיים בחומרים אורגניים אוגרים אנרגיה. בתהליכי פירוק מבוקרים, כגון נשימה תאית, משתחררת אנרגיה זו ומשמשת לבניית מולקולות, להובלה פעילה, לתנועה ולשמירה על הומיאוסטזיס. פחמימות ושומנים משמשים בעיקר כמקורות אנרגיה, ואילו חלבונים משמשים לאנרגיה בעיקר כאשר אין די פחמימות ושומנים זמינים. חלק מהאנרגיה משתחרר כחום, המסייע בשמירה על חום הגוף ביצורים בעלי חילוף חומרים גבוה.

התאמה בין מבנה לתפקוד

תפקודם של חומרים אורגניים תלוי במבנה המרחבי שלהם. בחלבונים, לדוגמה, הצורה התלת־ממדית מאפשרת להם להיקשר למולקולות מסוימות בלבד. שינוי קיצוני במבנה זה, הנקרא דנטורציה, עלול לגרום לאובדן התפקוד. דנטורציה יכולה להיגרם מחימום, משינוי בחומציות או מחשיפה לחומרים כימיים. פגיעה במבנה עלולה להיגרם גם משינוי ברצף חומצות האמינו, כלומר ממוטציה. גם במולקולות אחרות יש קשר בין מבנה לתפקוד: מבנה הדו־שכבה של הפוספוליפידים מאפשר בררנות של קרום התא, ומבנה הרב־סוכרים מתאים לאגירת אנרגיה או לחיזוק מבני.

מחזורי החומרים בטבע: פחמן וחנקן

החומרים האורגניים אינם נוצרים מאין. היסודות המרכיבים אותם עוברים במחזורים בטבע בין הסביבה האי־אורגנית לבין היצורים החיים.

במחזור הפחמן, פחמן דו־חמצני מהאטמוספרה נקלט על ידי צמחים ויצרנים אחרים בתהליך הפוטוסינתזה והופך לגלוקוז. הפחמן עובר לבעלי חיים באמצעות אכילה, וחוזר לאטמוספרה כפחמן דו־חמצני בתהליך הנשימה התאית של יצורים חיים או בפעילותם של מפרקים, כגון חיידקים ופטריות, המפרקים חומר אורגני מת.

במחזור החנקן, חנקן הוא מרכיב חיוני בחלבונים ובחומצות גרעין. אף שרוב האטמוספרה מכילה גז חנקן, רוב היצורים אינם יכולים לנצל אותו ישירות. חיידקי קיבוע חנקן בקרקע הופכים את החנקן הגזי לתרכובות שצמחים יכולים לספוג. הצמחים בונים מהן חומצות אמינו, ואלה עוברות לבעלי חיים. מפרקים מחזירים חנקן לקרקע, וחיידקים מסוימים מחזירים אותו לאטמוספרה כגז. המחזורים מדגימים שהחומר בטבע אינו אובד, אלא משנה צורה ועובר בין יצורים לסביבה.