מנגנוני מעבר דרך ממברנות ביולוגיות

מנגנוני מעבר דרך ממברנות ביולוגיות הם תהליכים מבוקרים של מעברי חומרים דו-כיווניים דרך קרום התא. קרום התא מסדיר את הובלת חומרים הנכנסים ויוצאים מהתא. המנגנונים מאפשרים את קיום התאים ושומרים על ההומיאוסטאזיס. מנגנונים אלה נחקרים ביולוגיה של התא המתייחסת לאוסף של מנגנונים המווסתים את מעבר החומרים המומסים, כגון יונים ומולקולות קטנות דרך ממברנות ביולוגיות. הממברנות הביולוגיות הן דו-שכבתיות שומניות ומכילות חלבונים. ויסות המעבר דרך הממברנה נובע מהתכונה הבררנית שלה. הבררנות של הממברנות הביולוגיות מאפשר להן להפריד בין חומרים בעלי אופי כימי טיפוסי. התנועות של רוב המומסים דרך הממברנה מתווכות על ידי חלבוני הובלה של הממברנה המתמחים בדרגות שונות בהובלה של מולקולות ייחודיות. קיימת קבוצה של חלבוני הובלה ייחודיים לכל סוג תא ולכל שלב פיזיולוגי. ביטוי דיפרנציאלי זה מווסת באמצעות שעתוק דיפרנציאלי של הגנים המקודדים לחלבונים אלה באמצעות מנגנונים גנטיים-מולקולריים, אך גם ברמת הביולוגיה של התא: ניתן להפעיל את ייצורם של חלבונים אלה על ידי תקשורת תאית, ברמה הביוכימית, או על ידי מיקומם בבועיות ציטופלזמיות. קיימים מספר מנגנוני הובלה סבילים ופעילים בתא החי.

מבנה הממברנה הביולוגית

הממברנה הביולוגית, בעלת מבנה אמפיפילי, דו-שכבתי, המכילה שכבה הידרופובית פנימית ושכבה הידרופילית חיצונית. מבנה זה מאפשר הובלה על ידי דיפוזיה פשוטה, המורכבת ממעבר של חומרים דרך הממברנה ללא הוצאת אנרגיה מטבולית וללא סיוע של חלבוני הובלה. אם לחומר המועבר יש מטען חשמלי נטו, הוא ינוע לא רק בתגובה למפלי הריכוז, אלא גם למפלים אלקטרוכימיים עקב הפוטנציאל של הממברנה.

חדירות יחסית של דו-שכבה פוספוליפידית לחומרים שונים

סוג החומר המומס	דוגמאות של חומרים מומסים	הִתְנַהֲגוּת המעבר בממברנה
גזים	CO2, N2, O2	חָדִיר
מולקולות קוטביות קטנות לא טעונות	אוריאה, מים, אתנול	חדיר, לגמרי או חלקי
מולקולות קוטביות גדולות לא טעונות	גלוקוז, פרוקטוז	לא חדיר
יונים	K+1, Na+1,Cl-1, HCO-13	לא חדיר
מולקולות קוטביות טעונות	ATP, חומצות אמינו, גלוקוז-6-פוספט	לא חדיר

מנגנונים סבילים

סכמה של דיפוזה פשוטה דרך ממברנה. המולקולות זזות מריכוז גבוה של מומס אל ריכוז נמוך עד שוויון הריכוזים.

מנגנוני העברה סבילים הם מנגנונים המשמשים תאים לשמירה על מפל ריכוזים שווה, בעזרתם מתרחש מעבר של חומרים דרך ממברנה מאזור עם ריכוז גבוה לאזור עם ריכוז נמוך. מעבר חומרים בדרך זו מכונה לרוב תהליך ספונטני, שאינו צורך אנרגיה.

מבחינה תרמודינמית זרימת חומרים מתא אחד למשנהו יכולה להתרחש בכיוון של ריכוז או שיפוע אלקטרוכימי או נגדו. אם חילופי החומרים מתרחשים בכיוון מפל הריכוזים, כלומר בכיוון של ירידה בפוטנציאל, אין דרישה אנרגטית מחוץ למערכת לעומת זאת, אם הנדידה היא נגד הריכוז, תידרש הזנת אנרגיה מטבולית.

דיפוזיה פסיבית היא תופעה ספונטנית המגבירה את האנטרופיה של מערכת ומקטינה את האנרגיה החופשית. תהליך ההובלה מושפע ממאפייני החומר העובר דרך הממברנה ומאופי השכבה הדו-שכבתית. מהירות הדיפוזיה של קרום פוספוליפיד טהור תהיה תלויה בגורמים הבאים:

• מפל הריכוז
• הידרופוביות
• גוֹדֶל החלקיקים המומסים
• מטען המולקולה
• חום

דיפוזיה פשוטה

דיפוזיה פשוטה (פעפוע), היא תנועה ספונטנית ואקראית של חלקיקים בודדים של גז או מומס בצורת מולקולה או יון בסביבה נוזלית או גזית, כתוצאה מהאנרגיה הקינטית שלהם. ההתנגשות האקראית בין החלקיקים מביאה להחלפת אנרגיה ביניהם ולשינוי בכיוון תנועתם. התנועה מכוונת בהתאם למפל הריכוזים של החומר, כאשר המערכת תמיד שואפת להגדלת האנטרופיה שלה, ע"פ החוק השני של התרמודינמיקה. לכן, בדיפוזיה פשוטה חומרים עוברים במפל ריכוזים ממצב של אנטרופיה נמוכה עד למצב של השוואת ריכוזים בעלת אנטרופיה גבוהה.

אוסמוזה

תהליך האוסמוזה הוא תהליך דומה מאוד לתהליך הדיפוזיה. התהליך מתרחש כאשר קיים הבדל ריכוזים התוך תאי בהשוואה לריכוז החוץ - תאי. באם החלקיקים המומסים גדולים מכדי לעבור דרך ממברנת התא. המים יוצאים מהתא או נכנסים אליו בתהליך אוסמוזה במטרה להביא למפל ריכוזים שווה בין התא לסביבתו. תהליך האוסמוזה הוא תהליך ספונטני שאינו צורך אנרגיה.

תהליך של אוסמוזה דרך ממברנה בררנית שאינה מעבירה את מולקולת הסוכר. הוספה של גלוקוזה (המומס) לתא השמאלי גורמת לנדידת הממס (המים) מן התא הימני לתא השמאלי. נוצר לחץ אוסמותי הנמדד על ידי הפרשי הגובהׂ בין שני התאים/

דוגמה למנגנון פיזיקלי קלאסי להפרדה שאינו מצריך תוספת אנרגיה חיצונית היא תהליך הדיאליזה. במערכת זו, ממברנה חדירה למחצה מפרידה בין שתי תמיסות בריכוזים שונים של אותו מומס. אם הממברנה מאפשרת מעבר של מים שהם הממס, אך לא של החומר המומס, המים יעברו לתוך התא עם ריכוז המומסים הגבוה יותר על מנת ליצור שיווי משקל. בתהליך זה המים עוברים מריכוז ממס גבוה לריכוז ממס נמוך, ולכן אין צורך באנרגיה ממקור חיצוני.

מנגנונים פעילים

סכמה של דיפוזיה מסתייעת על ידי נשאי חלבונים בממברנה ביולוגית

דיפוזיה מסתייעת

דיפוזיה מסתייעת היא תהליך אקטיבי של מעבר חומרים דרך ממברנה ושינוי מפל הריכוזים בסיוע חלבונים מסוג נשאים או תעלות הנמצאים בממברנת התא.

מכיוון שמעט מולקולות מסוגלות לעבור דרך קרום שומני, רוב תהליכי ההובלה של התאים תלויים בחלבוני הובלה. לחלבונים טרנסממברניים אלה יש מספר רב של סלילי אלפא שקועים במטריצת השומנים. בחיידקים חלבונים אלו נמצאים בצורת בטא למינה.

(beta sheet) מבנה זה כולל כנראה צינורות חלבון הידרופיליים הגורמים להפרת התווך הידרופובי מאוד של השומנים. חלבונים אלה יכולים להיות מעורבים בהובלה במספר דרכים: הם פועלים כמשאבות המונעות על ידי על ידי אנרגיה מטבולית שמקורה מ-ATP, או כערוצי דיפוזיה קלים.

גילוי קיומו של חלבון טרנספורטר מסוג זה נעשה באמצעות מחקר הקינטיקה של הובלת מולקולות המובלות דרך ממברנות. עבור מומסים אחדים נמצא שמהירות ההובלה הגיעה לרמת ריכוז מסוים שמעליו לא הייתה עלייה משמעותית בקצב החדירה, דבר המעיד על תגובה מסוג עקומת לוג. תופעה זו הצביעה על כך שההובלה מתווכת על ידי יצירת קומפלקס מצע-טרנספורטר, בדומה לקומפלקס אנזים-סובסטרט הנוצר בקינטיקה של האנזים. לכן, לכל חלבון הובלה יש קבוע הזיקה שלו לחומר המומס השווה לריכוז המומס כאשר מהירות ההובלה היא מחצית מערכו המקסימלי. קבוע זה שווה ערך לקבוע אנזים-סובסטראט המכונה קבוע מיכאליס-מנטן המנגנונים הפעילים מצטיינים בבררנות הגבוהה שלהם ובקלות העיכוב הפרמקולוגי הסלקטיבי שלהם.

חלבוני טרנספורטר פעילים-משניים

תעלות

תעלה היא פתח חלבוני בקרום התא היוצר מעבר בין פנים התא לחוץ התא. התעלה לרוב צרה ואינה מאפשרת מעבר של מולקולות גדולות. התעלה מתפקדת בהתאם למפל הריכוזים: חומרים עוברים משני צדדי התעלה מריכוז גבוה אל ריכוז נמוך. התעלות ברובן הידרופיליות. בחלקן הפנימי והידרופוביות בחלקן החיצוני, וכך הן מאפשרות מעבר חומרים הידרופיליים קטנים (המתקשים לעבור דרך הממברנה ההידרופובית). כמו כן, התעלות עוברות שינויי קונפורמציה לעיתים רחוקות יחסית, במהלכן הן נפתחות או נסגרות בהתאם לחומרים שיש להעביר. זאת בניגוד לנשאים Carriers, העוברים שינוי מבני כאשר מולקולה מתקשרת איתם. קיימות גם תעלות יונים ותעלות של מולקולות קטנות חסרות מטען הנקראות תעלות מים Aquaporins, שהן בעצם פתחים צרים, הידרופילים. תעלות המים מתפקדות בהתאם לקשרי חלבון-ליגנד:ומחייבות זיהוי מוצלח בהתאמה מרחבית על מנת לא לאבד את הבררנות שלהן. כל תעלת מים מתמחה בהעברת חומר אחד האופייני לה: תעלות גליצרול (גליצרופורינים), תעלות פחמן דו-חמצני ועוד.

קובץ:Water channel.PNG

תעלת מים

נשאים

נשאים (Carriers) הם חלבוני ממברנה המאפשרים למולקולות גדולות לעבור דרך ממברנת התא, על פי מפל הריכוזים שלהם בתוך ומחוץ לתא. הנשאים נפתחים ונסגרים לסירוגין עם כל מעבר של מולקולה, בניגוד לתעלות, על פי המנגנון הבא:

• הנשא מזהה את המולקולה המתאימה באחד מצידי הממברנה וקושר אותה
• בעקבות ההתקשרות הנשא עובר שינוי קונפורמציה (שינוי מבנה), נסגר בצד הממברנה הזה ונפתח בכיוון השני. לצדה של הממברנה.
• כאשר הנשא נפתח, המולקולה משתחררת ואז הנשא עובר שינוי מבנה נוסף בו הוא חוזר למבנהו המקורי.

תהליך זה של העברת מולקולות אינו צורך אנרגיה.

קובץ:Carrier protein - cell biology.PNG

נשא שמשנה את המבנה המרחבי שלו בתגובה עם הסובסטראט

הובלה פעילה

מבנה אלפא-ביטא של חלבון המשמש להעברת מולקולות דרך ממברנת התא

הובלה פעילה (Active Transport) היא דרך מעבר של חומרים דרך קרום התא, הפעם בניגוד למפל הריכוזים. זהו תהליך שצורך אנרגיה.

ישנן שתי שיטות עיקריות בהובלה אקטיבית, הובלה על ידי משאבות והובלה על ידי קו-טרנספורטרים.

משאבות

משאבות הן חלבונים טראנס-ממברנליים המשתמשים באנרגיה שמקורה במטבוליזם של התא (ATP) במטרה לשאוב חומר אל התא או לפלוט חומר מן התא בניגוד למפל הריכוזים שלו. המשאבות הנפוצות ביותר בתאים אאוקריוטים הן משאבות נתרן-אשלגן הצורכות כשליש מאנרגיית הגוף, ומשאבת פרוטונים המעבירה פרוטונים בצורה אקטיבית דרך הממברנה כנגד מפל הריכוזים שלהם. לעיתים משאבות משתמשות באנרגיית אור.

סכמה של חלבון קו-טרנספורטר הפועל כדו-כיווני

קו-טרנספורטרים

קו-טרנספורטר המשתתף בהעברה אקטיבית שניונית הוא חלבון שמעביר חומרים דרך קרום התא אשר אינו משתמש באנרגיה המופקת מהמטבוליזם כתוצאה מיצירת ATP, אלא מניצול האנרגיה שהשתחררה כתוצאה ממפל הריכוזים שהמשאבות ייצרו.

חלבוני קו-טרנספורטר פעילים-משניים מניעים שתי מולקולות בו-זמנית: האחת כנגד שיפוע הריכוז והשנייה עם שיפוע הריכוז. הם מובחנים לפי הכיווניות של שתי המולקולות. חלבונים אלה מכונים קו-טרנספורטרים.

יוניפורט (Uniport)

העברה עם מפל הריכוזים, דיפוזיה מסתייעת באמצעות נשא. מעבר ספונטני פסיבי.

סימפורט (Symport)

צימוד תהליך הדיפוזיה בהתאם למפל הריכוזים של חומר אחד עם תהליך העברת חומר אחר כנגד מפל הריכוזים. מעין "תפיסת טרמפ". בהעברת סימפורט שתי המולקולות עוברות באותו זמן ובכיוונים זהים. העברת שני חומרים בו זמנית לאותו הכיוון דרך קרום התא כמין נשא שהוא חלבון בעל שתי אזורי התקשרות אחד האתר הפעיל שהתקשרות אליו דורשת אנרגיה והשני אתר קרוב לאתר שדרש אנרגיה (האתר הפעיל) וחומר נוסף שכביכול היה צריך לדרוש אנרגיה עשה זאת ללא שום אנרגיה.

משאבת נתרן - אשלגן

אנטיפורט (Antiport)

תהליך של העברת שתי מולקולות בו זמנית בכיוונים מנוגדים. בעת הוצאת מולקולה אחת מהתא מתרחשת הכנסת מולקולה אחרת. זהו צימוד תהליך הכנסת חומר אחד לתא בהתאם למפל הריכוזים עם תהליך הוצאת חומר אחר מהתא כנגד מפל הריכוזים, ולהפך.

קובץ:Cell biology active transport.PNG

קו-טרנספורטרים מסוגי יוניפורט, אנטיפורט וסימיפורט

אנדוציטוזה ואקסוציטוזה

סכמה של סוגי אנדוציטוזה

אנדוציטוזה היא הובלה של חומרים דרך קרום התא על ידי בועיות , המתרחשת כאשר מולקולה גדולה צריכה להיכנס אל התא. בתהליך זה נוצרות בועיות בעלות קרום הבנוי משכבה כפולה של פוספוליפידים. מבנה קרום הבועיות דומה למבנה ממברנת התא. הן מתחברות אל קרום התא ונפתחות בצידן השני הפונה אל החלל החיצוני. על ידי מנגנון האנדוציטוזיס מולקולות גדולות נבלעות על ידי תאים. פליטת מולקולות גדולות מן התא לחלל החיצוני קרויה אקסוציטוזה.

בררנות הממברנה

בררנות אלקטרוליטית

המאפיין העיקרי של הובלה דרך ממברנה ביולוגית הוא הבררות שלו המשמשת כמחסום כנגד חומרים מסוימים. הפיזיולוגיה הבסיסית של התופעה נחקרה בהרחבה. חקירת הבררנות של הממברנה נחלקת לאלו הקשורות לאלקטרוליטים ומולקולות שאינן אלקטרוליטים. לתעלות היוניות קוטר פנימי המאפשר מעבר של יונים קטנים. מכיוון שגודל היון קשור למבנה הכימי שלו, ההנחה הייתה שתעלה שקוטר הנקבוביות שלה די גדול כדי לאפשר מעבר של יון בעל גודל מסוים, מאפשרת העברה של יונים נוספים קטנים יותר. בניגוד להשערה זו, הדבר אינו קורה ברוב המקרים. ישנם שני מאפיינים לצד הגודל המולקולרי החשובים בקביעת הסלקטיביות של נקבוביות הממברנה: מידת ההתנתקות של היון מן המים בסביבתו, תהליך הקרוי דהידרציה , והאינטראקציה בין היון לבין המטענים הפנימיים של הנקבוביות. כדי שיון יעבור דרך נקבובית עליו להתנתק ממולקולות המים העוטפות אותו בקשר מימני, בשכבות למינריות רציפות. הנטייה להפרדות ממים, קשורה לגודל היון: יונים גדולים יותר מתנתקים ביתר קלות בהשוואה ליונים קטנים, כך שנקבובית עם מרכזי קוטב חלשים תאפשר עדיפות מעבר של יונים גדולים יותר היונים הקטנים. כאשר פנים התעלה מורכב מקבוצות קוטביות של שרשראות צדדיות של חומצות אמינו. תעלה המורכבת ממולקולות של היסטידין וארגינין, בעלות קבוצות טעונות חיובית, תדחה באופן סלקטיבי יונים בעלי קוטביות זהה, אך תקל על מעבר של יונים בעלי מטען שלילי. במקרה זה, היונים הקטנים ביותר יוכלו לקיים אינטראקציה הדוקה יותר בשל הסידור המרחבי של המולקולה שמגביר מאוד את אינטראקציות המטענים ולכן מקצין את ההשפעה.

בררנות לא-אלקטרוליטית

חומרים שאינם אלקטרוליטים הם בדרך כלל הידרופוביים וליפופילים, עוברים בדרך כלל דרך הממברנה על ידי התמוססותם בשכבת השומנים הדו-שכבתית הבונה את הממברנה. זוהי דיפוזיה פסיבית. הלא-אלקטרוליטים שההובלה שלהם דרך הממברנה מתווכת על ידי חלבון הובלה, יכולתם להתפזר תלויה, בדרך כלל, במקדם החלוקה K. Partition coefficient. לא-אלקטרוליטים הטעונים חלקית, שהם פחות או יותר קוטביים, כמו אתנול, מתנול או אוריאה, מסוגלים לעבור דרך הממברנה דרך תעלות מימיות המצויות בממברנה. אין מנגנון ויסות יעיל המגביל את ההובלה הזו, ולכן קיימת פגיעות פנימית של התאים לחדירת מולקולות אלו, הגורמות לדנטורציה של חלבוני התא.

התפתחות החלבונים להובלה בממברנה

ישנם מספר מסדי נתונים המנסים לבנות עצים פילוגנטיים המפרטים את היצירה של חלבוני טרנספורטר. משאב אחד כזה הוא מסד נתונים Transporter Classification database

קישורים חיצוניים

• הובלה ביולוגית, דף שער בספרייה הלאומית