מחקרים ניסיוניים מודרניים קבעו שהתא הוא היחידה המבנית והתפקודית המורכבת ביותר מבין כמעט כל האורגניזמים החיים, למעט וירוסים, שהם צורות חיים לא-תאיות. ציטולוגיה חוקרת את המבנה, כמו גם את הפעילות החיונית של התא: נשימה, תזונה, רבייה, גדילה. תהליכים אלה ייבחנו במאמר זה.
מבנה התא
באמצעות מיקרוסקופ אור ואלקטרונים, ביולוגים קבעו שתאי צמחים ובעלי חיים מכילים מנגנון פני השטח (קומפלקסים על-ממברניים ותת-ממברניים), ציטופלזמה ואברונים. בתאי בעלי חיים, נמצא גליקוקליקס מעל הממברנה, המכיל אנזימים ומספק תזונה לתא שמחוץ לציטופלזמה. בתאי צמחים, פרוקריוטים (חיידקים וציאנובקטריה), וכן בפטריות, נוצר דופן תא מעל הממברנה, המורכב מתאית, ליגנין או מוריין.
הגרעין הוא אברון חיוניאיקריוטים. הוא מכיל חומר תורשתי – DNA, שנראה כמו כרומוזומים. חיידקים וציאנובקטריה מכילים נוקלואיד הפועל כנשא של חומצה דאוקסיריבונוקלאית. כולם מבצעים פונקציות ספציפיות בהחלט הקובעות את התהליכים התאיים המטבוליים.
למה אנחנו מתכוונים בתזונה סלולרית
הביטויים החיוניים של תא אינם אלא העברת אנרגיה והפיכתה מצורה אחת לאחרת (לפי החוק הראשון של התרמודינמיקה). האנרגיה שנמצאת בחומרי הזנה במצב סמוי, כלומר, קשור, עוברת למולקולות ATP. לשאלה מהי תזונת תאים בביולוגיה, ישנה תשובה שלוקחת בחשבון את ההנחות הבאות:
- התא, בהיותו מערכת ביולוגית פתוחה, דורש אספקה מתמדת של אנרגיה מהסביבה החיצונית.
- חומרים אורגניים הדרושים לתזונה, התא יכול לקבל בשתי דרכים:
a) מהמדיום הבין-תאי, בצורה של תרכובות מוכנות;
b) סינתזה עצמאית של חלבונים, פחמימות ושומנים מפחמן דו חמצני, אמוניה וכו'.
לכן, כל האורגניזמים מחולקים להטרוטרופיים ואוטוטרופיים, שתכונותיהם המטבוליות נחקרות על ידי ביוכימיה.
מטבוליזם ואנרגיה
חומרים אורגניים הנכנסים לתא עוברים פיצול, וכתוצאה מכך משתחררת אנרגיה בצורה של מולקולות ATP או NADP-H2. כל מערך תגובות ההטמעה וההתפרקות הוא חילוף החומרים. להלן נשקול את שלבי חילוף החומרים באנרגיה המספקים תזונה לתאים הטרוטרופיים. ראשית חלבונים, פחמימות ושומניםמתפרקים למונומרים שלהם: חומצות אמינו, גלוקוז, גליצרול וחומצות שומן. לאחר מכן, במהלך עיכול נטול חמצן, הם עוברים פירוק נוסף (עיכול אנאירובי).
בדרך זו מוזנים טפילים תוך-תאיים: ריקטסיה, כלמידיה וחיידקים פתוגניים, כמו קלוסטרידיום. פטריות שמרים חד-תאיות מפרקות גלוקוז לאלכוהול אתילי, חיידקי חומצה לקטית לחומצה לקטית. לפיכך, גליקוליזה, אלכוהול, תסיסה בוטירית, חומצת חלב הם דוגמאות להזנת תאים עקב עיכול אנאירובי בהטרוטרופים.
אוטוטרופיה ותכונות של תהליכים מטבוליים
עבור אורגניזמים החיים על פני כדור הארץ, מקור האנרגיה העיקרי הוא השמש. הודות לו, הצרכים של תושבי הפלנטה שלנו נענים. חלקם מסנתזים חומרים מזינים עקב אנרגיית האור, הם נקראים פוטוטרופים. אחרים - בעזרת האנרגיה של תגובות חיזור, הם נקראים כימוטרופים. באצות חד-תאיות, התזונה של התא, שתמונתו מוצגת להלן, מתבצעת באופן פוטוסינתטי.
צמחים ירוקים מכילים כלורופיל, שהוא חלק מכלורופלסטים. הוא ממלא את התפקיד של אנטנה הלוכדת קוונטות אור. בשלבים הבהירים והכהים של הפוטוסינתזה מתרחשות תגובות אנזימטיות (מחזור קלווין), המביאות להיווצרות כל החומרים האורגניים המשמשים לתזונה מפחמן דו חמצני. לכן, התא, אשר ניזוןעקב השימוש באנרגיית אור, נקרא אוטוטרופי או פוטוטרופי.
אורגניזמים חד-תאיים, הנקראים כימוסינתטיים, משתמשים באנרגיה המשתחררת כתוצאה מתגובות כימיות ליצירת חומרים אורגניים, למשל, חיידקי ברזל מחמצנים תרכובות ברזליות לברזל ברזל, והאנרגיה המשתחררת עוברת לסינתזה של גלוקוז מולקולות.
לפיכך, אורגניזמים פוטו-סינתטיים לוכדים אנרגיית אור וממירים אותה לאנרגיה של קשרים קוולנטיים של חד-סוכרים ופולי-סוכרים. לאחר מכן, לאורך החוליות של שרשראות המזון, אנרגיה מועברת לתאים של אורגניזמים הטרוטרופיים. במילים אחרות, הודות לפוטוסינתזה, כל המרכיבים המבניים של הביוספרה קיימים. ניתן לומר שתא, שהתזונה שלו מתרחשת בצורה אוטוטרופית, "מזין" לא רק את עצמו, אלא גם את כל מה שחי על פני כדור הארץ.
איך אורגניזמים הטרוטרופיים אוכלים
תא שהתזונה שלו תלויה בצריכת חומרים אורגניים מהסביבה החיצונית נקרא הטרוטרופי. אורגניזמים כמו פטריות, בעלי חיים, בני אדם וחיידקים טפילים מפרקים פחמימות, חלבונים ושומנים באמצעות אנזימי עיכול.
אז המונומרים המתקבלים נספגים בתא ומשמשים אותו לבניית האברונים והחיים שלהם. חומרים מזינים מומסים נכנסים לתא על ידי פינוציטוזה, בעוד שחלקיקי מזון מוצקים נכנסים לתא על ידי פגוציטוזה. ניתן לחלק אורגניזמים הטרוטרופיים לספרוטרופים וטפילים.הראשונים (לדוגמה, חיידקי אדמה, פטריות, חרקים מסוימים) ניזונים מחומר אורגני מת, השניים (חיידקים פתוגניים, הלמינתים, פטריות טפיליות) ניזונים מתאי ורקמות של אורגניזמים חיים.
Mixotrophs, תפוצתם בטבע
סוג תזונה מעורב בטבע הוא נדיר למדי ומהווה סוג של הסתגלות (אידיואפטציה) לגורמים סביבתיים שונים. התנאי העיקרי למיקסוטרופיה הוא הימצאות בתא של שני האברונים המכילים כלורופיל לצורך פוטוסינתזה, ומערכת אנזימים המפרקת חומרי הזנה מוכנים המגיעים מהסביבה. לדוגמה, החיה החד-תאית Euglena green מכילה כרומטפורים עם כלורופיל בהיאלופלזמה.
כאשר המאגר שבו חיה יוגלנה מואר היטב, הוא ניזון כמו צמח, כלומר באופן אוטוטרופי, באמצעות פוטוסינתזה. כתוצאה מכך, גלוקוז מסונתז מפחמן דו חמצני, שבו התא משתמש כמזון. Euglena ניזונה בצורה הטרוטרופית בלילה, ומפרקת חומרים אורגניים בעזרת אנזימים הממוקמים ב-vacuoles של העיכול. לפיכך, מדענים רואים בתזונה המיקסוטרופית של התא הוכחה לאחדות המקור של צמחים ובעלי חיים.
צמיחת תאים והקשר שלה עם גרופיזם
עלייה באורך, במסה, בנפח הן של האורגניזם כולו והן של איבריו ורקמותיו הבודדים נקראת צמיחה. אי אפשר בלי אספקה מתמדת של חומרים מזינים לתאים, המשמשים כחומר בניין. כדי לקבל תשובה לשאלה איך תא גדל, שהתזונה שלומתרחשת באופן אוטוטרופי, יש צורך להבהיר האם מדובר באורגניזם עצמאי או שמא הוא חלק מפרט רב-תאי כיחידה מבנית. במקרה הראשון, הצמיחה תתבצע במהלך האינטרפאז של מחזור התא. תהליכי החלפת הפלסטיק מתרחשים בה באופן אינטנסיבי. התזונה של אורגניזמים הטרוטרופיים נמצאת בקורלציה עם נוכחות מזון המגיע מהסביבה החיצונית. הצמיחה של אורגניזם רב תאי מתרחשת עקב הפעלת ביוסינתזה ברקמות חינוכיות, כמו גם הדומיננטיות של תגובות אנבוליות על תהליכי קטבוליזם.
תפקיד החמצן בתזונה של תאים הטרוטרופיים
אורגניזמים אירוביים: כמה חיידקים, פטריות, בעלי חיים ובני אדם משתמשים בחמצן כדי לפרק לחלוטין חומרים מזינים כמו גלוקוז לפחמן דו חמצני ומים (מחזור קרבס). הוא מתרחש במטריקס של מיטוכונדריה המכילה את המערכת האנזימטית H + -ATP-ase, המסנתזת מולקולות ATP מ-ADP. באורגניזמים פרוקריוטיים כגון חיידקים אירוביים וציאנובקטריה, שלב פיזור החמצן מתרחש בממברנת הפלזמה של התאים.
תזונה ספציפית של גמטות
בביולוגיה מולקולרית ובציטולוגיה ניתן לתאר בקצרה את הזנת התא כתהליך של כניסת חומרים מזינים אליו, פיצול שלהם וסינתזה של חלק מסוים של אנרגיה בצורה של מולקולות ATP. הטרופיזם של גמטות: לביצים וזרעונים יש כמה תכונות הקשורות לספציפיות הגבוהה של הפונקציות שלהם. הדבר נכון במיוחד לגבי תא הנבט הנשי, שנאלץ לצבור אספקה גדולה של חומרים מזינים, בעיקר בצורתחלמון.
לאחר ההפריה, היא תשתמש בהם כדי לרסק וליצור עובר. זרעונים בתהליך הבשלה (spermatogenesis) מקבלים חומרים אורגניים מתאי Sertoli הממוקמים בצינוריות הזרע. לפיכך, לשני סוגי הגמטות יש רמה גבוהה של חילוף חומרים, מה שמתאפשר עקב טרופיזם תאי פעיל.
תפקידה של תזונה מינרלית
תהליכים מטבוליים בלתי אפשריים ללא זרימה של קטיונים ואניונים שהם חלק ממלחים מינרלים. לדוגמה, יוני מגנזיום נחוצים לפוטוסינתזה, יוני אשלגן וסידן נחוצים לפעולת מערכות האנזים המיטוכונדריות, ונוכחות יוני נתרן, כמו גם אניונים קרבונטים, נחוצה כדי לשמור על תכונות החיץ של ההיאלופלזמה. פתרונות של מלחים מינרליים נכנסים לתא על ידי פינוציטוזה או דיפוזיה דרך קרום התא. תזונה מינרלית טבועה גם בתאים אוטוטרופיים וגם בתאים ההטרוטרופיים.
לסיכום, אנחנו משוכנעים שחשיבותה של תזונת התא היא באמת גדולה, שכן תהליך זה מוביל להיווצרות חומרי בניין (פחמימות, חלבונים ושומנים) מפחמן דו חמצני באורגניזמים אוטוטרופיים. תאים הטרוטרופיים ניזונים מחומרים אורגניים הנוצרים כתוצאה מפעילות חיונית של אוטוטרופים. הם משתמשים באנרגיה המתקבלת לצורך רבייה, צמיחה, תנועה ותהליכי חיים אחרים.
