:: wikimiki.org ::

אנזים

אנזים

אנזים הוא חלבון המשמש כזרז בתהליכים כימיים ביצורים חיים. אלפי אנזימים מצויים בכל תא של כל יצור חי. לא ניתן לדמיין את החיים ללא האנזימים. לכל אנזים יש את תנאי הפעילות המתאימים לו (כמו: טמפ' , PH וכו'), והם אלו שמשפיעים על קצב פעילותו. בתנאים קיצוניים האנזים עובר דנטורציה, ומאבד את תכונותיו. אנזים המופרש אך עדיין אינו במצב פעיל קרוי זימוגן. שני אנזימים השונים במקצת האחד מהשני אך המזרזים את אותה התגובה הכימית נקראים איזוזימים.

סובסטרט

סובסטרט הוא החומר עליו פועל האנזים. בביוכימיה הוא מסומן כ-S. הזיהוי של אנזים וסובסטרט נעשה ע"י התאמה במבנה המרחבי בין חלק מיוחד במולקולת האנזים לבין הסובסטרט. חלק מיוחד זה נקרא האתר הפעיל. ההתאמה מבוססת על הצורה המרחבית של חלקי מולקולות ועל תכונות כימיות שלהן. לאחר זיהוי הסובסטרט, גורם האתר הפעיל לשינויים בקשרים הכימיים במולקולות הסובסטרט. השינויים מסתיימים ביצירת קשר חדש בין שתי מולקולות. לפעמים מתבטא השינוי רק בתזוזה של אטומים מסויימים בתוך המולקולה, היוצרת שינוי בתכונות המולקולה. מולקולת נוסחת מיכאליס מנטן:

E + S = ES = E + P

(E אנזים, S סובסטרט, P תוצר) האנזים והסובסטרט יוצרים תצמיד (ES) שמביא לקבלתו של התוצר (P). קבלתו של התוצר כרוכה ביצירת התצמיד.

שמות אנזימים

שמותיהם של האנזימים החשובים ביותר מעידים במקרים רבים על פעולתם: DNA-פולימראז ו-RNA-פולימראז (מסנתזים חומצות גרעין), 'ליפאז' (מפרק ליפידים), אצטילאז (מחבר קבוצת אצטיל (CH₃COO) לסובסטרט), עמילאז (מפרק עמילן), ליגאז (מאחה גדילי DNA; מאנגלית: Ligate, לאחות), דהידרוגנאז (נוטל מולקולת מים מהסובסטרט), אוקסידאז (מחמצן את הסובסטרט), רדוקטאז (מחזר את הסובסטרט). אנזים הנוטל קבוצת זרחה ממולקולה עתירת אנרגיה (בדרך-כלל ATP) ומעבירה לסובסטרט נקרא קינאז. הוספת קבוצת זרחה הינה מהפעולות הבסיסיות ביותר המתרחשות ביצורים חיים, והיא קשורה להפקת אנרגיה בתא (ראו: נשימה תאית וזרחון חמצוני). כ-2% מכלל הגנים ביצורים אוקריוטיים מקודדים לקינאזים; בגנום של האדם קיימים 500 גנים המקודדים לקינאזים. אנזים המצרף קבוצת זרחה (שמקורה לאו דווקא ב-ATP) לסובסטרט נקרא פוספורילאז. אנזים המנתק קבוצת זרחה מהסובסטרט נקרא פוספטאז. אדם

אנזימים מורכבים

אנזימים רבים מורכבים ממספר יחידות חלבון המחוברות יחדיו. אנזים כזה, על כל יחידותיו, קרוי הולואנזים (Holoenzyme). חלק מההולואנזימים מורכבים מחלק חלבוני גדול, אשר נטול פעילות אנזימטית, ומקבוצה קטנה, בה נמצא האתר הפעיל. החלק הגדול קרוי אפואנזים (Apoenzyme), ואילו החלק הקטן קרוי קופקטור (Cofactor). הקופקטור יכול להיות אנאורגני (בדרך-כלל אטומי מתכת, כגון ברזל או נחושת) או אורגני; במקרה האחרון נקרא הקופקטור קואנזים (Coenzyme). ויטמינים רבים משמשים כקואנזימים, אך גם חומרים אחרים - כגון קבוצת ה"הם" (Heme), המכילה אטום ברזל והנמצאת בהמוגלובין (אשר אינו אנזים) - יכולים לשמש בתפקיד זה.

אנזימים חשובים

אנזים הידוע עקב מספר האנשים הרב החסרים אותו הוא לקטאז, המופרש על-ידי בלוטות במעי הדק בתגובה לשתיית חלב שמכיל את סוכר החלב - הלקטוז. בין האנזימים יהיו גם כאלה המסייעים לתפקודי הגוף בדרכים אחרות, כגון ליזוזים, אנזים המצוי בנוזלי גוף שונים, ועשוי להיות חלק ממערכת החיסון בזכות תכונתו לעכל דפנות של תאי חיידקים. האנזים קטלאז מצוי כמעט בכל תאי הגוף ואיבריו, ובכמות גדולה נמצא בכבד, בכליות ובדם. הקטלאז נמצא גם במיקרואורגניזמים רבים וברקמות של צמחים. תפקידו למנוע הצטברות של חומרים רעילים ומזיקים, וזאת ע"י פירוקם. ידוע כי הקטלאז מסוגל לפרק מי חמצן, שהם תרכובת המזיקה לאורגניזם, למים ולחמצן.

קישורים חיצוניים

- [http://bioinformatics.weizmann.ac.il/cards מכון ויצמן למדע - GeneCards] - מרכז מידע בסדר גודל עולמי לנושאי גנים, חלבונים ומחלות אנזימטיות. קטגוריה:ביוכימיה
- ja:酵素 ko:효소 ms:Enzim simple:Enzyme

חלבון

חלבונים הם קבוצה של תרכובות אורגניות. החלבונים הם החשובים ביותר מכל החומרים המרכיבים את היצורים החיים; הם נמצאים בתאיו של כל יצור חי, ללא יוצא מן הכלל, ובתא עצמו נמצאים החלבונים כמעט בכל מבנה ואברון שהוא. מכלול תכונותיו של האורגניזם (הפנוטיפ) - כגון צבע עיניים, פעילות מערכת החיסון, רגישות לחומרים מסוימים - הינו תוצאה ישירה של פעילות חלבונים. בלועזית נקרא החלבון פרוטאין, הנובע מהמילה היוונית פרוטו ("ראשוני"); בימים עברו, לפני גילוי ה-DNA, נחשב בטעות החלבון כחומר התורשתי העובר מההורים לצאצאיהם, וממנו מתפתחים התאים וכל חלקי הגוף. חלבון הוא מולקולה אורגנית בעלת משקל מולקולרי גבוה. יחידת המבנה הבסיסית שלו היא חומצת אמינו. חלבון סטנדרטי בנוי ממאות עד עשרות אלפי חומצות אמינו. לחלבונים מבנה תלת-מימדי מורכב ביותר המכתיב את תפקידם ופעילותם בגוף החי.

סוגי חלבונים

רוב החלבונים משתייכים לאחת משתי קבוצות עיקריות:
- מבניים: אלו הם החלבונים שמרכיבים את התא, אברוניו, וחלק ממבני הגוף, לדוגמא:
- העור מורכב ברובו (כ-75%) מהחלבון קולגן.
- הפרווה והשיער מורכבים ברובם מקרטין, חלבון טבעיים המופיעים אצל יונקים.
- משי (אשר מייצרות תולעי המשי) וקורי עכביש שניהם חלבונים טהורים.
- תפקודיים: אלו הם החלבונים שממלאים את כל התפקידים בגוף, ומתחלקים לתתי-קבוצות:
- מגנים: חלבונים אלו מהווים את הנוגדנים של מערכת החיסון.
- שליחים: משמשים להעברת אותות מתא לתא; הורמונים (כגון אינסולין), מוליכים עצביים (נוירוטרנסמיטרים, כגון אצטילכולין) וציטוקינים הינם חלבונים שליחים.
- מכווצים: בעלי יכולת לייצר תנועה. חלבונים אלו, כגון מיוזין ואקטין, מצויים בשרירים.
- אנזימים: משמשים כזרזים של תגובות כימיות בגוף.

מבנה החלבון

תגובות כימיות תגובות כימיות תגובות כימיות תפקוד החלבון תלוי בצורה חזקה במבנה שלו, ומבנה זה מתקבל על ידי המערך המדויק של חומצות האמינו המרכיבות אותו. כל חלבון מתקפל במרחב לצורה תלת-מימדית, כתוצאה מקשרים כימיים בין חומצות האמינו השונות. למבנה החלבון ארבע רמות:
- מבנה ראשוני: זהו מבנה קווי פשוט, הבנוי אך ורק מהקשר הפפטידי בין חומצות האמינו. לכל חלבון יש מבנה ראשוני.
- מבנה שניוני: במבנה מיוחד זה נוצרים קשרי מימן בין חומצות אמינו מסוימות (רק חלק מחומצות האמינו מאפשרות מבנה שניוני) הגורמים לשינוי מרחבי המקפל את החלבון לאחת משתי צורות עיקריות: סליל α (אלפא) או משטח β (ביתא).
- סליל α: צורה זו נוצרת כאשר חומצות אמינו יוצרות קשרי מימן עם חומצות אמינו במרחק 3.4 שיירים מהן. קשרים אלו מקפלים את החלבון ב-100 מעלות לכיוון שמאל (ראו איזומר אופטי) וכך נוצר מבנה ספירלי דחוס שבתוכו אין כמעט חלל פנוי. קבוצות ה-R של החומצות פונות כלפי חוץ בסליל α. בממוצע כשליש מכל חומצות האמינו בחלבונים נמצאות בסלילי α.
- משטח β: צורה זו נוצרת כאשר שתי שכבות או יותר של חומצות אמינו נצמדות אחת לשניה על-ידי קשרי מימן, ויוצרות מבנה משטחי רך. למבנה זה שני מערכים: מקבילי (פרללי) ואנטי-מקבילי (אנטי-פרללי): במבנה מקבילי כיוון שכבת חומצות אמינו זהה לכיוון השכבה שמתחתיה - קצה אמיני מתחת לאמיני וקצה קרבוקסילי מתחת לקרבוקסילי. במבנה אנטי-מקבילי כיוון שכבת חומצות האמינו הפוך לכיוון השכבה שמתחתיה - קצה אמיני מתחת לקצה קרבוקסילי וקצה קרבוקסילי מתחת לאמיני. במבנה האנטי-מקבילי קשרי המימן קצרים יותר ולכן זהו מבנה חזק יותר בהשוואה למקבילי. בממוצע כרבע מכל חומצות האמינו בחלבונים נמצאות במשטחי β. קיימים מספר מבנים שניוניים אחרים, אך אלו פחות נפוצים. רק לחלק מהחלבונים יש מבנה שניוני.
- מבנה שלישוני: זהו המבנה התלת מימדי הכולל שמקנה לחלבון את היכולת לבצע תפקיד ספציפי בתא. הפרעה או פגם ביצירת מבנה זה תפגום בהכרח בפעולת החלבון. פגיעה בפעילות חלבון על-ידי חשיפתו לגורם ממיס (דטרגנט) נקראת דנטורציה. המבנה השלישוני נוצר ממספר סוגים של קשרים כימיים:
- קשרי גופרית: קשרים קוולנטים הנוצרים רק בנוכחות חומצת האמינו ציסטאין, המכילה אטום גופרית בקצה קבוצת ה-R. קשרי S-S (מהמילה Sulphide, "גופרי") מכונים קשרים דיסולפידיים.
- קשרי מימן: קשרי מימן בין קבוצות ה-R של חומצות האמינו.
- קשרים יוניים: אלו הם קשרים בין יונים בעלי מטענים הפוכים זה מזה; מכונים גם גשרי מלח.
- אפקט הידרופובי: חומצות אמינו שלהן קבוצת R הידרופובית (נדחית ממים) עשויות להיצמד יחדיו מתוך דחייה מהמים. זה אינו קשר כימי אלא דחייה משותפת מאותו גורם.
- מבנה רבעוני: זהו מבנה מורכב שקיים רק בחלק מהחלבונים. ייחודו בכך שהוא מורכב למעשה מתתי-יחידות, שכל יחידה היא חלבון בפני עצמו. מבנה רבעוני מכיל לפחות 4 תתי-יחידות, ואין גבול עליון למספר תתי-היחידות. לחלבון במבנה זה יש משקל מולקולרי מאד גבוה. הקשרים הכימיים היוצרים את המבנה השלישוני עושים זאת גם במבנה הרבעוני. המוגלובין הינו חלבון מוכר הבנוי במבנה רבעוני ולו 4 תתי-יחידות. חלבונים במבנה הרבעוני מסתדרים במרחב בשתי צורות עיקריות:
- כדוריים: צורתם מעוגלת והם מסיסים לרוב בתמיסות מימיות. הם בדרך כלל חלבונים תפקודיים - אנזימים, חלבוני הובלה ועוד. חלבונים אלו מורכבים ממספר מבנים שונים, משטחי β וסלילי α.
- סיביים: משמשים בעיקר כחלבוני מבנה בתאים, ובניגוד לכדוריים אינם מסיסים במים. רובם בעלי מבנה יחיד. שערה לדוגמא בנויה מחלבון סיבי, שמורכב מיחידות של חומצת האמינו ציסטאין.

יצירת חלבונים

החלבונים נבנים בתוך התאים על-ידי הריבוזומים. בתהליך היצירה של חלבונים, הקרוי תרגום, מתורגם המידע התורשתי המקודד ב-mRNA, שהוא בעצמו משועתק מה-DNA. הגנים המרכיבים את ה-DNA, הינם, לפיכך "תוכניות בנייה" לחלבונים. ה-DNA מקודד ליצירת חלבונים באמצעות הקוד הגנטי, כך שכל שלושה נוקלאוטידים (אבני הבניין של ה-DNA), מקודדים לחומצה אמינית אחת (שלושה נוקלאוטידים המקודדים לחומצת אמינו מכונים יחדיו בשם קודון). שרשרת קצרה של חומצות אמינו מכונה פפטיד; שרשרת ארוכה מכונה פוליפפטיד. לאחר שמיוצר הפוליפפטיד בריבוזום, הוא מתקפל למבנה תלת-מימדי מורכב ב-רטיקולום האנדופלסמי. תהליך היצירה של חלבון מתחיל בגרעין התא. בתחילה מופרדים שני גדילי הסליל הכפול של ה-DNA בעזרת אנזים, עליו אחד הגדילים נבנה mRNA. לאחר שהלה נוצר במלואו הוא נפלט לציטופלסמה ומוצמד לאחד מהריבוזומים בתא בעזרת rRNA. הריבוזום מתחיל לקרוא את הקוד הגנטי שמכיל ה-mRNA. כאשר הריבוזום מזהה את סוג החומצה האמינית הנחוצה לפי הקוד הגנטי, הוא מושך אליו tRNA הנושא חומצה אמינית מתאימה, ומוסיף אותה לשרשרת חומצות האמינות שכבר נוצרה. כאשר יווצר הקשר הבא בשרשרת החומצות האמיניות ישוחרר ה-tRNA לציטופלסמה בכדי להצמד לחומצה אמינית חדשה המתאימה לו. כך נבנית השרשרת עד שהחלבון מושלם. לאורך יצירת שרשרת חומצות האמינו משוחררים חלקים מושלמים מהשרשרת לציטופלסמה עד שכל החלבון המושלם משוחרר (לעת עתה במבנה ראשוני בלבד). בקצותיו של ה-RNA השליח נמצאים קטעים שאינם מקודדים חומצות אמינו; צפקידם הוא לסמן את תחילתו וסופו של החלבון. החלבון הבשל מסגל לעצמו את המבנה הסופי. לעיתים הבשלת החלבון כוללת גם קטיעה של מקטעים מסויימים שלו, הוספה של קבוצות כימיות כסוכרים, זרחה, קבוצות גופרית ושומנים. כמו כן, לעיתים החלבון חובר לחלבונים אחרים, רצועות RNA או ליונים ליצירת קומפלקס חלבוני פעיל. בעשורים האחרונים חלה התקדמות כבירה בהבנת המבנה המרחבי של חלבונים על-ידי שיטות של גיבוש חלבונים והדמיית תהודה מגנטית במסגרת תחום מחקר הקרוי ביולוגיה מבנית. המדע העוסק בחקר החלבונים, בפעילותם ובקשרי הגומלין ביניהם הינו הביוכימיה.

זיהוי חלבונים

ביוכימיה אינדיקטור לזיהוי חלבון הוא ביורט. אם מערבבים חומר המכיל חלבון עם ביורט משתנה צבעו לסגול. אמצעי להפרדת חלבונים הוא מכשיר ה-FPLC שלתוכו מזרימים קבוצות חלבונים, המופרדות לאחר-מכן על-פי מטען חשמלי או גודל.

רפואה

רוב רובן של כ-4,000 המחלות התורשתיות הגנטיות הידועות לנו קשורות לתפקוד לקוי או להעדר של חלבון מסוים בגוף. חשיבותם העצומה של החלבונים לחיים מודגשת באופן מצער באמצעות הנזק הרב העלול להיגרם לגוף עקב חוסר תפקודו של חלבון בודד; הדבר מראה כי למרות שבגוף פועלים עשרות אלפי חלבונים שונים, לכל אחד מהם תפקיד ספציפי ביותר והחלבונים האחרים אינם מסוגלים בדרך-כלל לחפות על חוסר תפקודו של חלבון מסוים. במחלות גנטיות קיים פגם - מוטציה - ברצף הנוקלאוטידים שב-DNA. הפגם עשוי לגרום:
- לייצור חומצת אמינו שגויה,
- להשמטת חומצת אמינו מהשרשרת החלבונית,
- להפסקת קידוד הגן במקום בו התרחשה המוטציה, ועקב כך לייצור חלבון חלקי, קצר מהרגיל. עובדה זו מראה שבנוסף לחשיבותו של כל חלבון לתפקוד הגוף, קיימת גם חשיבות עליונה לכל חומצת אמינו בודדת בשרשרת המרכיבה את החלבון. החלפה או העדר של חומצה בודדת, אפילו בחלבונים המורכבים ממיליון חומצות אמינו בסך-הכל, יכולה לשבש לחלוטין את תפקוד החלבון. כפי שהוסבר לעיל, הקיפול השלישוני של החלבונים, אשר מכתיב ברובו את תפקוד החלבון, תלוי בקשרים כימיים בין החומצות השונות; כשאחת החומצות המשתתפות בקשרים אלו לא קיימת, המבנה התלת-מימדי של החלבון נפגם, ועמו התפקוד. בין המחלות התורשתיות הנגרמות עקב חלבונים פגומים ניתן למנות את אנמיה חרמשית, סיסטיק פיברוזיס, עיוורון צבעים, לבקנות, פנילקטונוריה ועוד. בעשורים האחרונים התגלו חלבונים פגומים המסוגלים לגרום לחלבונים אחרים להפוך לפגומים. חלבונים אלו, הקרויים פריונים, גורמים לכמה מחלות מוח קשות, שסופן תמיד מוות.

חלבון והשפה העברית

המושג חלבון בשפה העברית משמש גם לציון החלק השקוף-לבן בביצה (להבדיל מהחלק הצהוב ממנו מתפתח האפרוח, הלא הוא החלמון). דבר זה גורם לעתים לבלבול.

קישורים חיצוניים

- [http://www.cryst.bbk.ac.uk/PPS2/projects/day/TDayDiss/ מקור יציבות החלבונים] - קשרים כימיים ומבנים של חלבונים, באתר אניברסיטת ברקבק (באנגלית)
- [http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/565proteins.html חלבונים] - באתר "ספר הכימיה הוירטואלי" של מכללת אלמהרסט (באנגלית) קטגוריה:ביוכימיה
- ja:蛋白質 ko:단백질 simple:Protein th:โปรตีน zh-min-nan:Nn̄g-pe̍h-chit

תגובה כימית

תגובה כימית (או ריאקציה כימית) היא תהליך שבו משתנה מבנה המולקולות המרכיבות את החומר. שינוי במבנה המרחבי בלבד, כמו בהרתחת מים לאדים, איננו נחשב לתגובה כימית. בתגובה כימית מולקולות עשויות להתחבר וליצור תרכובת של מולקולות גדולות יותר, להתפרק וליצור מולקולות קטנות יותר או ליצור סידור מחדש של האטומים בתוך המולקולה. תגובה כימית כרוכה, בדרך כלל, ביצירה או בשבירה של קשר כימי. לרישום הפעילות המתרחשת בעת תגובה כימית משמש הכתיב הכימי.

תרמודינמיקה

האטומים בתגובות הכימיות אינם משנים את מקומם ואת קשריהם באופן שרירותי, אלא לפי חוקים פיזיקליים נוקשים. ה"שאיפה" היא תמיד ליצירת קשרים כימיים יציבים, בעלי אנרגיה נמוכה. אם שני חומרים נמצאים האחד בנוכחות השני, וקיימת אפשרות לשילוב חדש בין האטומים המרכיבים אותם, שילוב אשר יביא ליצירת קשרים יציבים יותר, הרי שהדבר יתרחש ותגובה כימית תצא לפועל בין שני החומרים. תגובה כימית יכולות להיות תגובה אקסותרמית, שבה נפלטת אנרגיה (בדרך-כלל אנרגיית חום), כלומר: אנרגיית התוצרים קטנה מזו של המגיבים; אותגובה אנדותרמית - תגובה הצורכת אנרגיה מהסביבה (ובה אנרגיית התוצרים גדולה מזו של המגיבים). לשם התנעתה של תגובה כימית נדרשת השקעה של אנרגיה ראשונית, אנרגיית ההפעלה. חומרים מסוימים מסוגלים להאיץ באופן ניכר את מהירותן של תגובות כימיות. חומרים אלו, הנקראים זרזים, עושים זאת באמצעות הפחתת אנרגיית ההפעלה של התגובה.

סוגי תגובות

- תגובה דחיסה או קונדנסציה: תגובה בין שני חומרים, כשבמהלכה נפלטת מולקולה קטנה, בדרך-כלל של מים או אמוניה.
- תגובת התמרה: תגובה בה אטום או קבוצת אטומים מחליפים אטום או קבוצת אטומים במולקולה מסוימת.
- תגובת החסרה או אלימינציה: תגובה בה אטום או קבוצת אטומים נפלטים ממולקולה.
- תגובת הוספה: תגובה בה אטום או קבוצת אטומים מתווספים למולקולה, מבלי שהמולקולה תאבד אף אטום.
- תגובת סתירה: תגובה בין בסיס וחומצה ליצירת מלח. רוב תגובות הסתירה הינן תגובות דחיסה, שכן מולקולת מים נפלטת מהבסיס והחומצה. תגובות רבות מתארות תהליך ספציפי יותר ונושאות שם תואם. לדוגמא:
- איסטור או אסטריפיקציה: תגובת דחיסה בין כוהל וחומצה קרבוקסילית ליצירת אסטר ומים.
- אלקילציה: תגובה בה שייר פחמימני (קבוצת אלקיל) מתווספת לתרכובת אורגנית כלשהיא.
- הלוגנציה: תגובה בה אטום הלוגן מתווסף לתרכובת אורגנית.
- הידרוליזה: תגובה בה מולקולת מים מגיבה עם מולקולה גדולה, וגורמת תוך כדי כך לפירוק המולקולה הגדולה. גם מולקולת המים מתפרקת: אטום מימן אחד מתווסף לאחת המולקולות הקטנות שנוצרו, וקבוצת הידרוקסיל (אטום חמצן הקשור לאטום מימן) מתווספת למולקולה השניה. לתגובות רבות המתארות תהליך ספציפי נקראות על-שמות אנשים שונים, בדרך-כלל הכימאים שגילו או פיתחו את התגובה. לדוגמא:
- תגובת קוֹלבּה: תגובה בין פנול ופחמן דו-חמצני ליצירת חומצה סליצילית, החומר ממנו מופק האספירין; נקראת על-שם כימאי גרמני.
- חיזור וולף-קישנר: תגובה בין הידרזון ובסיס כלשהוא ליצירת פחמימן ומולקולת חנקן; נקראת על-שם כימאים גרמני ורוסי, בהתאמה. קטגוריה:כימיה ja:化学反応 ko:화학 반응

יצור

יצור שנקרא בלעז אורגניזם הוא כל דבר חי המשתייך לעולם הטבע ומסוגל להתקיים ולהתרבות בכוחות עצמו ולבצע חילוף חומרים. בהגדרה אחרת, כל מי שיש בו תא אחד לכל הפחות. בעלי חיים, צמח, פטריה, וחיידק, מיקרואורגניזם הם יצורים. נגיף אינו יצור, משום שאין בכוחו להתרבות בכוחות עצמו אלא זקוק לעזרת אחרים וגם אין הוא תא. ייצורים חיים גדלים, מתפתחים, נושמים ומקיימים תקשורת בינם לבין סביבת החיים שלהם. קטגוריה:ביולוגיה ja:生物 ko:생물 th:สิ่งมีชีวิต zh-min-nan:Seng-bu̍t

חיים

ms:Benda hidup simple:Life zh-cn:生命 החיים מוגדרים כמכלול התופעות הקורות לאורגניזם מרגע לידתו, ועד מותו. קיום החיים הוא מופלא, בלתי מוסבר ומשמש כנושא למחקר בתחומים רבים:
- אנשי הדת טוענים שהחיים ניתנים על ידי האל כשהם מתחילים ונלקחים מרצונו כשהם מסתיימים.
- הפילוסופיה חוקרת את משמעות החיים ומחפשת את הדרך הנכונה ביותר לחיות.
- התרבות יוצקת תכנים שונים לחיים.
- הביולוגיה חוקרת את תהליכי יצירת החיים. על פי הידוע עד כה, ישנם חיים רק על פני כדור הארץ שהוא כוכב הלכת בו אנו חיים, אך, במקביל לכך, נעשים מאמצים כבירים לאיתור חיים מחוץ לכדור הארץ.

מאפייני החיים

לאורגניזמים חיים יש כמה מאפיינים משותפים:
- רביה ותורשה.
- חילוף חומרים.
- גדילה והתפתחות.
- רגישות ותגובה לגירויים.
- אבני בניין של החיים הם התאים - יחידת החיים הבסיסית. CATEGORY:ביולוגיה CATEGORY:רוחניות ואמונה CATEGORY:פילוסופיה

זימוגן

זימוגן (zymogen) הוא אנזים בצורתו הבלתי פעילה. בעבר נקרא גם פרואנזים. כדי לזרז תהליכים ביולוגיים, משתמשים אורגניזמים באנזימים, אותם הם מפרישים מרקמות שונות. פעולות אלה, כשאינן במקומן, עלולות לפגוע ולהזיק. לכן, כדי למנוע פעילות בלתי רצויה של האנזימים נגד הרקמה ממנה הופרשו, (כמו למשל פעילות של אנזימי עיכול, העלולים לעכל את הרקמה ממנה באו), מופרשים אנזימים אלה בצורתם הבלתי פעילה. צורה בלתי פעילה זו הופכת לאנזים הפעיל רק לאחר הפרשתה. ברמה המולקולרית, כרוכה בדרך כלל הפיכתו של זימוגן לאנזים פעיל בהוספת מספר חומצות אמינו לזימוגן, או, לעתים קרובות יותר, קטיעה של חומצות אמינו ממנו. פעולה זו מוסיפה או גורעת אינטראקציות בין כלל חומצות האמינו המרכיבות את הזימוגן, ובכך משנה את המבנה המרחבי שלו, המשפיע ישירות על יכולתו לזרז תגובות כימיות. לעתים מזורזת הפעלת הזימוגן על-ידי אנזימים אחרים. לעתים מתרחשת קטיעה של חומצות אמינו רק ברמות pH מסוימות, אשר משנות את המטען החשמלי של חומצות האמינו בזימוגן וגורמות לחלק מהן להתנתק. לעתים קרובות נקראים הזימוגנים על שם האנזימים המקבילים, בתוספת "-נוגן". דוגמאות לזימוגנים:
- בקיבה הופך הזימוגן פפסינוגן לאנזים פפסין, המסייע בעיכול חלבונים. הפעלת הפפסינוגן מתרחשת רק בסביבה החומצית מאוד שבקיבה.
- בתריסריון הופך הזימוגן טריפסינוגן, המיוצר בלבלב, לאנזים טריפסין. הפעלת הטריפסינוגן מתרחשבת בעזרת אנזים המופרש בתריסריון - אנטרופפטידאז. קטגוריה:אנזימים

איזוזים

איזוזימים הם אנזימים השונים במקצת האחד מהשני, אך המזרזים את אותה התגובה הכימית. המונח הוטבע לראשונה בשנת 1957. קטגוריה:אנזימים

מולקולה

מולקולה (או פרודה): מספר אטומים המחוברים ביניהם בקשר כימי. המולקולה היא החלק הקטן ביותר של תרכובת כימית ששומר על תכונותיה. מולקולה עשויה להיות מורכבת מאטומים זהים כמו מולקולת חמצן, O₂, שמורכבת משני אטומי חמצן, או מאטומים שונים כמו מולקולת מים H₂O. היא יכולה להיות מורכבת משני אטומים כמו מולקולת החמצן, מעשרות אטומים כמו מולקולת סוכר, או ממיליוני אטומים כמו מולקולת DNA. המולקולה יכולה להיות מתוארת ע"י הנוסחה האמפירית שלה שמתארת כמה אטומים מכל סוג יש בה. כך הנוסחה האנליטית של מים היא כאמור H₂O. אולם עבור מולקולות מסובכות הנוסחה האמפירית אינה מספיקה בשביל לתאר באופן ייחודי את המולקולה. כך אותה נוסחה אמפירית C₂H₆O יכולה לתאר שני חומרים בעלי תכונות שונות לחלוטין כמו אתנול שנוסחתו הכימית היא CH₃CH₂OH, ואתר דו-מתילי CH₃OCH₃.

מולקולה חד אטומית

מולקולה חד-אטומית היא מולקולה בה נמצא אטום יחיד. האטום המרכיב את המולקולה הוא בד"כ גז אציל. הסיבה לכך שגזים אצילים יוצרים מולקולה חד אטומית היא בכך שהשאיפה הטבעית של האטומים למילוי רמת האנרגיה האחרונה, הקרויה גם "רמת הערכיות", לא קיימת אצלם מכיוון שרמת הערכיות שלהם כבר מלאה, והם לא פעילים מבחינה כימית. למולקולה החד-אטומית ישנה חשיבות גדולה בחקירת קשרים כימיים ובגילוי קשר ואן דר וואלס.

ראו גם

- מיון החלקיקים קטגוריה:כימיה קטגוריה:חלקיקים מרוכבים als:Molekül ja:分子 ko:분자 simple:Molecule th:โมเลกุล

חומצת גרעין

חומצות גרעין הן חומצות המרכיבות את החומר התורשתי של כל יצור חי בטבע - מן הקטן ביותר ועד לגדול ביותר. חומצות אלה מתחלקות ל-2 סוגים עיקריים: RNA ו- DNA. שתי חומצות אלה הן מרכז המידע והבקרה על כל המתרחש בתוך התא.

חומצות ריבונוקלאיות - RNA

- אדנין (A)
- גואנין (G)
- ציטוזין (C)
- אורציל (U) חומצות אלה קשורות בפולימרים ארוכים, אשר בדרך-כלל (לא בכל היצורים) מופיעים בזוגות, כך ש-A יימצא תמיד מול U, ו-C תמיד מול G. החומצה RNA מתווכת בין המידע שבDNA לבין התהליכים המתבצעים בציטופלסמה, וממלאת תפקיד מרכזי בבניית החלבונים. הRNA נוצר עפ"י תבנית הDNA בתהליך השעתוק.

חומצות דיאוקסיריבונוקלאיות - DNA

חומצה דיאוקסיריבונוקלאית מתקבלת מ-RNA על-ידי הסרת חמצן ממולקולת החומצה. חומצות ה-DNA הן:
- דיאוקסיאדנין (A)
- דיאוקסיגואנין (G)
- דיאוקסיציטוזין (C)
- דיאוקסיתימין (T) גם כאן, הכלל לגבי פולימרים מהסעיף הקודם תקף, אלא שכאן ה-A יבוא תמיד מול T. חומצת ה-DNA מכילה את כל המידע הדרוש לייצור כל האינזימים בתא. כל תהליך המתרחש בתא תלוי בפעילות האינזימים, ולכן חומצה זו האחראית לקיומן של כל פעולות החיים בתא. בתאים אמיתיים הDNA נמצא בתוך גרעין התא, ואילו פרוקריוטים הוא נמצא בציטופלסמה, בצמידות לקרום התא. קטגוריה:גנטיקה ja:核酸

עמילן

עמילן (starch) הוא פולימר, רב-סוכר המורכב מיחידות חוזרות של גלוקוז. עמילן ובמיוחד עמילן תירס משמשים בבישול להעלאת סמיכות רטבים. בתעשייה עמילן משמש, בין השאר, לייצור דבקים,נייר וטקסטיל.

מבנה כימי

העמילן הוא תערבות של שתי פחמימות רב-סוכריות, הנקראות עמילוז ועמילופקטין, הבנויות מיחידות גלוקוז בקשרים גליקוזידיים 1,4-אלפא (קשר בין הפחמנים המסומנים 1,4, כאשר כל גלוקוז הוא איזומר אלפא). בניגור לתאית, המבנה של עמילופקטין אינו שרשרשת ארוכה. עמילופקטין מכיל נקודות פיצול שבהן שתי מולקולות גלוקוז מחוברות בקשר 1,6 אלפא. היחס הכמותי בין עמילוז לעמילופקטין משתנה בין מינים שונים, אך מספר מולקלות העמילוז הוא לרוב גדול הרבה יותר, שכן מולקולת אלה קטנות יותר. האנזים עמילאז מפרק את העמילן למולקולות גלוקוז.
התפקיד הביוכימי של העמילן בתאים הוא לשמש לאגירת אנרגיה, בדומה לגליקוגן בתאים אנימליים. בצמחים העמילן מיוצר בעמילופלסטים, אורגנלות מיוחדות בתא שזו התמחותן.

עמילן בטבע

עמילן מצוי בפירות, זרעים ובפקעות של צמחים. 4 המקורות העיקריים בהפקה תעשייתית של עמילן הם תירס,תפוחי אדמה, חיטה ואורז.

עימלון בגדים

כאשר עמילן מהצומח מעורבב עם מים ומורתח מתקבל עמילן כביסה, שניתן להשתמש בו בעימלון בגדים. במאה ה-19 ובתחילת המאה ה-20 היה אופנתי לחזק צווארונים ושרוולים של חולצות גברים ובתחתוניות של נשים. האפקט מתקבל לאחר הוספת עמילן לבד וגיהוץ. מעבר לאפקט האסתטי, תוספת העמילן לבד גורמת לכך שבוץ וזיעה לא נספגים בבד, אלא דובקים בעמילן דווקא, וכך גם נשטפים בקלות יחד איתן. לאחר הכביסה, ניתן כמובן לעמלן את הבגד מחדש.

בדיקות לגילוי עמילן

כאשר מוסיפים תמיסה המכילה יוד וזרחן לדגימה המכילה עמילן (במיוחד עמילז) הופכת צבעה לכחול כהה. אם הדגימה נטולת עמילן, צבע התמיסה נשאר צהוב-כתום.

קישורים חיצוניים

- [http://www.lsbu.ac.uk/water/hysta.html הסבר מפורט על המבנה הכימי ]
- [http://oregonstate.edu/instruct/nfm236/starch/index.cfm שיעור וירטואלי על העמילן] קטגוריה:סוכרים קטגוריה:מזון ja:デンプン ms:Kanji

חמצון חיזור

חימצון חיזור הוא אחת התגובות הנפוצות והבסיסיות בכימיה. למעשה מדובר בשתי תגובות, המתרחשות בו זמנית. חומר אחד מחוזר והשני מחומצן. בלועזית מכונה החיזור רֵדוּקְציה והחמצון - אוֹקְסידָציה. במהלך תגובה זו עוברים אלקטרונים מהמחזר למחמצן. כתוצאה מכך משתנה מספר החימצון של החומר. מספר החימצון של יסודות במצבם הטבעי הוא תמיד 0. לפי ההגדרה מחזר הוא חומר שמוסר אלקטרונים ומחמצן - מקבל אלקטרונים. חומר שמקבל אלקטרון עובר חיזור ומי שמוסר אלקטרון עובר חימצון, כלומר המחמצן עובר חיזור והמחזר עובר חימצון.

מחמצנים ומחזרים

חומרים שיכולים לחמצן חומרים אחרים נקראים מחמצנים. המחמצן יכול לקחת את האלקטרון של המחזר וכתוצאה מכך ליינן אותו. תגובה זו יכולה להיות הרסנית לתרכובות רבות, כיוון שהיסוד, שהיה קשור לפני כן ליסוד אחר, ניתק מהתרכובת, כי הוא מוסר את האלקטרונים שלו למחמצן במקום למסרם לשותפו לקשר. גם חומר מחזר יכול לפגוע בתרכובות, זאת באמצעות מסירת אלקטרון לאחד מיסודות התרכובת ובכך הוצאתו מהשיתוף בקשר. המחמצנים הם בדרך כלל חומרים בעלי מספר חמצון גבוה. לדוגמא:

MnO_4^-

CrO_3

OsO_4

או יסודות אלקטרו שליליים, שיכולים לקבל אלקטרון אחד או שניים. המחזרים הם לעתים קרובות מתכות, כגון היסודות האלקליים, אבץ (Zn), אלומיניום (Al) ועוד. מחזרים אחרים יכולים לחזר באמצעות מסירת פרוטון (אטום מימן ללא האלקטרון שלו), לדוגמא: NaBH₄, LiAlH₄. במחזרים אלו משתמשים באופן נרחב בכימיה אורגנית, בעיקר בחיזור כוהלים.

דוגמאות לתגובת חימצון חיזור

בתגובת חימצון חיזור נהוג להפריד את התגובה לשתי "חצי תגובות", כאשר בכל חצי תגובה מתקבלים או נמסרים אלקטרונים, בהתאם לסוג החומר.
תגובה בין מימן ופלואור: :H₂ + F₂ → 2HF אפשר לנסח אותה באופן הבא: :תגובת חימצון :H₂ → 2H⁺ + 2e :ותגובת חיזור :F₂ + 2e^- → 2F תגובת חימצון נפוצה היא שריפת או פירוק הסוכרים בגוף. בביולוגיה, אנזימים רבים מזרזים תהליכים בכך שהם מחזרים או מחמצנים חומרים אחרים. אנזימים מחזרים נקראים רֵדוּקְטָזות (דיהידרוֹפוֹלָט רֵדוּקטָז, למשל, המשתתף בפירוקו של ויטמין B בגוף), ואנזימים מחמצנים נקראים אוֹקְסידָזות (ציטוכרום C אוֹקסידָז, למשל, המשתתף בתהליך הנשימה התאית).

ראו גם

- אלקטרוכימיה קטגוריה:כימיה

זרחה

בכימיה, זרחה (בלועזית: פוספט, Phosphate) הוא יון המכיל אטום זרחן אחד וארבעה אטומי חמצן:

\ \mathbf

. מטענו של היון הוא 3-. זרחה הוא גם שמן של התרכובות המכילות יון זה. זהו בדרך-כלל הפירוש של המושג זרחה בשימוש יומיומי. בדרך-כלל מתייחס המושג למלחים של חומצה זרחתית, הנוצרים כשחומצה זו מגיבה עם בסיס או עם מתכת.

בביולוגיה

ליוני זרחה תפקיד בעל חשיבות עליונה בביולוגיה: ראשית, הם משמשים מרכיב בנוקלאוטידים, אליהם משתייכים ה-ATP, מטבע האנרגיה בכל המערכות הביולוגיות, וחומצות הגרעין, ה-DNA וה-RNA, המהוות את החומר התורשתי. שנית, הם משמשים מרכיב בפוספוליפידים, ליפידים אליהם קשורה קבוצת זרחה; אלו מהווים את המרכיב העיקרי בממברנת התא. הנוקלאוטידים והפוספוליפידים הם מהחשובים שבחומרים המרכיבים את התא; הם נמצאים בתאיהם של כל היצורים החיים, ללא יוצא מן הכלל. קבוצת הזרחה נקראת לעתים בביוכימיה פוספוריל (Phosphoryl). אנזים הנוטל קבוצת זרחה ממולקולה עתירת אנרגיה (בדרך-כלל ATP) ומעבירה למולקולה אחרת נקרא קינאז. הוספת קבוצת זרחה לחומרים שונים הינה מהפעולות הבסיסיות ביותר המתרחשות ביצורים חיים, והיא קשורה להפקת אנרגיה בתא (ראו: נשימה תאית ו-זרחון חמצוני). כ-2% מכלל הגנים ביצורים אוקריוטיים מקודדים לקינאזים; בגנום של האדם קיימים 500 גנים המקודדים לקינאזים. אנזים המצרף קבוצת זרחה (שמקורה לאו דווקא ב-ATP) למולקולה כלשהיא נקרא פוספורילאז. אנזים הנוטל קבוצת זרחה ממולקולה כלשהיא נקרא פוספטאז. בבעלי חיים משמשים יוני זרחה בתפקידים נוספים: שני מלחי זרחה, נתרן דו-מימן זרחתי (NaH₂PO₄) ודו-נתרן מימן זרחתי (Na₂HPO₄) משמשים כבּוּפֶרים (Buffer); הם תורמים לשמירה על רמת חומציות (pH) קבועה בגוף. לעניין זה חשיבות רבה, שכן האנזימים הרבים האחראיים לרוב התהליכים הביולוגיים בגוף מסוגלים לפעול רק ברמות pH מסוימות מאוד; בנוסף, יתר חומציות או בסיסיות מפריע לפעילותם החשמלית של הנוירונים (תאי העצב). חומציות רבה בדם נקראת אסידוזה או אסידמיה; באדם, כשרמת ה-pH נופלת מ-7, מערכת העצבים מדוכאת לגמרי ונגרם מוות מהיר. בסיסיות רבה בדם נקראת אלקלוזה או אלקלמיה; כשרמת ה-pH עולה על 7.8, מערכת העצבים מגורה יתר על המידה; האדם חווה התכווצויות ועווית בלתי-נשלטות, ולרוב מת כתוצאה מהפסקת הנשימה. יש לציין שמערכת הבופר של יוני הזרחה היא מערכת משנית בגוף; מערכת הבופר הראשית היא זו של יוני הפחמה. בנוסף, ליוני זרחה תפקידים חשובים בהתכווצות השרירים ובבניית העצמות, המורכבות ממלחי סידן של חומצה זרחתית.

בשירות האדם

לזרחות (כאן הן ידועות יותר כפוספטים) תפקידים חשובים בתעשייה הכימית, בחקלאות ובתעשיית המזון. הפוספטים משמשים לדישון האדמה וכחומרים משמרים בתעשיית המזון. הזרחות מוספות למזון, שם הן מגיבות עם מתכות המצויות שם בכמות זעירה ביותר, ובכך קושרות אותן בחוזקה ומונעות את פירוק המזון. הזרחות משמשות גם לקשירת המים למזון בכדי שלא יתפרק ויתקלקל קודם זמנו, ומסייעות להאריך את חיי המדף של מיני מזונות מעובדים, ובעיקר כאלה שהוספו להם מים, כגון מוצרי בשר מעובד (להם מוסיפים מים בכדי לרככם לכאורה, אף למעשה בכדי להוסיף למשקלם). זרחות מצויות גם בסלטים תעשייתיים שונים, המעובדים בין היתר גם כן עם מים. נגד הזרחות במזון נטען כי הן גורמות למחלות שונות - אוסטיאופורוזיס (בריחת סידן) וסרטן, בין השאר. נושא זה עדיין שנוי במחלוקת. מלחי הזרחה מיוצרים לעתים בתעשייה הכימית, אך בעיקר נכרים מהאדמה. בישראל קיימים מרבצי זרחה רבים, במיוחד באיזור ים המלח, והמדינה מייצאת כמויות זרחה רבות לעולם. במדינת נאורו הקטנה שבאוקיינוס השקט קיימים כמה ממרבצי הזרחה הגדולים בעולם; רוב כלכלתה של מדינה זו נשענת על כריית הזרחה. קטגוריה:חומרים כימיים קטגוריה:ביוכימיה

ATP

ATP (אדנוזין טריפוספט) הוא תרכובת אורגנית בעלת חשיבות עליונה בכל היצורים החיים. ATP משמש כ"מטבע אנרגיה" בכל התאים החיים. כפי שמעיד שמו, מכיל ה-ATP שלוש קבוצות זרחה. כשאחת מהן משתחררת מהמולקולה, כרוך הדבר בשחרור של אנרגיה רבה. אנרגיה זו מנוצלת על ידי התא לקיום תגובות כימיות אשר דורשות השקעת אנרגיה. תגובות אלו לא מסוגלות להתרחש ללא האנרגיה שמקורה בפירוק מולקולות ה-ATP. כשקבוצת זרחה משתחררת מהמולקולה, מתקבלת אנרגיה בכמות של 30.6 קילוג'אול למול. ATP קיים בכל התאים מאז ראשית החיים על-פני כדור הארץ. בלעדיו החיים לא יכולים להתקיים. כראיה לכך, רעלים מסוימים גורמים להפסקת יצור ה-ATP בתא; דבר זה גורם למותו המהיר של התא. ATP הוא נוקלאוטיד. הוא בנוי מהבסיס החנקני אדנין, המחובר לפחמן 1' של הסוכר ריבוז, וכן שלוש קבוצות זרחה המחוברות לפחמן 5' של סוכר זה. ATP נוצר בתאים בשורה של תהליכים; הידוע שבהם, בו משתמשים כל היצורים האווירניים ובכלל האדם, הוא הנשימה התאית. בתהליך זה מתפרקות מולקולות של גלוקוז, אותן היצור צרך ("אכל") קודם לכן. האנרגיה המשתחררת עם פירוק הגלוקוז מנוצלת, לאחר סדרה מורכבת של תגובות, לייצור ATP.

תפקידים נוספים בתא

בנוסף לתפקיד ה-ATP כמקור אנרגיה זמין, הוא משמש גם כאחת מאבני הבניין לחומצות הגרעין, DNA ו-RNA. ATP משמש גם כתשתית לאיתות תוך-תאי ולקליטת הורמונים מחוץ לתא. הורמון שמגיע לקרום תא ונקשר לקולטן (רצפטור) מתאים יגרום להפעלת אנזים הפועל על אנרגיית ה-ATP והופך אותו ל-cAMP. מולקולה זו מפעילה בתוך התא את התגובה שההורמון אמור לגרום. קטגוריה:מטבוליזם קטגוריה:ביוכימיה קטגוריה:תא ja:アデノシン三リン酸 ko:아데노신삼인산

אנרגיה

אנרגיה היא גודל פיזיקלי סקלרי, המשמש בכל ענפי הפיזיקה. אנרגיה היא גודל שיכולה להצבר על ידי גוף או מערכת. מנקודת מבט פיזיקלית, כל מערכת מכילה כמות מסויימת של גודל סקלרי המכונה אנרגיה. גודל זה לובש צורות שונות המתוארות בדרכים שונות, בהתאם לסוג האנרגיה המתואר. אחת הפונקציות המתוארות על ידי אנרגיה היא היכולת לבצע עבודה. כמות העבודה שמערכת מסוגלת לבצע אינה עולה על כמות האנרגיה שהמערכת מכילה, בהתאם לעקרון שימור האנרגיה. האנרגיה מצוייה במספר צורות בסיסיות, על פי כוחות היסוד של הטבע:
- אנרגיה קינטית - אנרגיה המצויה במערכת עקב תנועה של המערכת (פנימית או תנועת מעתק). את האנרגיה הקינטית (

E_k

) של מערכת בעלת מסה

m

הנעה במהירות

v

ניתן לתאר באמצעות הנוסחה

E_k=\frac

. כאשר אנרגיית התנועה משוייכת לתנועה אקראית פנימית של המערכת, היא מכונה לעתים "אנרגיית חום".
- אנרגיה פוטנציאלית - אנרגיה המשוייכת למערכת המצויה במצב שאינו יציב - במצב שבו סכום הכוחות הפועל עליה אינו אפס. עבור כוחות שונים, ניתן לייחס אנרגיות פוטנציאליות שונות כמו לדוגמה "אנרגיית גובה" עבור גוף במצב מעורער בשדה כבידה, "אנרגיה קפיצית" עבור קפיץ מתוח וכו'.
- אנרגיה תרמית - הינה למעשה האנרגיה הקינטית של המולקולות בחומר.
- אנרגיה כימית - בתהליך של שינוי הקשר הכימי בין האטומים והמולקולות משתחררת או נאגרת אנרגיה מהסביבה.
- אנרגיה חשמלית - נובעת מתנועת אלקטרונים בחומר.
- אנרגיה אלקטרומגנטית - אנרגיה האצורה בחלקיקים בעלי מטען חשמלי והגורמת למשיכתם או דחייתם.
- אנרגיה גרעינית - אנרגיה האצורה בגרעיני האטומים, על פי העיקרון של הכוח הגרעיני החזק, שגורם למרכיבי הגרעין להיות קשורים.
- מסה - על פי תורת היחסות, האנרגיה והמסה שקולים. מסתו של גוף תלויה באנרגיה שלו. שינויים באנרגיה הפנימית של חלקיק ייתבטאו כהפרש במסתו. תופעה זו משמעותית רק בתהליכים גרעיניים, בהם ניתן לחזות את האנרגיה שתשתחרר ע"י השוואת מאסות הגרעינים המשתתפים בתהליך, ולפי נוסחתו המפורסמת של איינשטיין,

mc^2=E

. באנרגיה שולטים חוקי התרמודינמיקה:
- החוק הראשון של התרמודינמיקה, הלא הוא עקרון שימור האנרגיה, קובע כי במערכת סגורה, רמת האנרגיה הכללית נשמרת.
- החוק השני של התרמודינמיקה טוען כי רמת האנטרופיה במערכת סגורה אינה יכולה לקטון. פרושו המעשי של החוק הוא שלא ניתן לנצל את כל האנרגיה הזמינה - לא ניתן לחמם עצם חם על חשבון החום האגור בעצמים קרים יותר, ללא השקעת אנרגיה. לחוקים אלו השלכות מרחיקות לכת בדבר זמינות האנרגיה לצרכים מעשיים, ובמהלך ההיסטוריה, אנשים שונים ניסו לבנות מכונות נצח - מכונות המפיקות אנרגיה רבה יותר מזו שהושקעה בהפעלתם. קיומן של מכונות אלו עומד בניגוד לעקרונות פיזיקליים בסיסיים, ולכן ניסיון זה מעולם לא צלח. במערכת היחידות SI, יחידת המידה של אנרגיה היא ג'אול (J), כאשר ג'אול אחד היא האנרגיה הקינטית של מערכת שמסתה קילוגרם אחד והיא נעה במהירות של מטר אחד בשניה. בנוסף, בתיאור תהליכים כימיים נהוג להשתמש ביחידות של אלקטרון וולט (eV). אלקטרון וולט היא האנרגיה הקינטית שמקבל אלקטרון כאשר הוא מואץ בהפרש מתחים של וולט אחד.

1eV \approx 1.6\times10^J

. בתיאור תהליכים גרעיניים יחידה שימושית היא מגה אלקטרון וולט.

MeV = 10^6eV

יחידות מידה נוספות לאנרגיה הן: קלוריה וארג.

ראו גם

- אנרגיה חלופית
- אנרגיית הרוח
- אנרגיה סולארית
- אנרגיית הצ'י בתחומי הרפואה המשלימה.

קישורים חיצוניים

- רמי אריאלי, [http://stwww.weizmann.ac.il/energy/Default.htm אנרגיה בהיבט רב תחומי], אתר מכון וייצמן
- יורם אורעד, [http://www.amalnet.k12.il/meida/energy בעין האנרגיה]
- קטגוריה:פיזיקה ja:エネルギー ko:에너지 ms:Tenaga simple:Energy th:พลังงาน

נשימה תאית

]] נשימה תאית היא תהליך המשמש להפקת אנרגיה ביצורים חיים. בתהליך הנשימה התאית מפורקות תרכובות אורגניות, אותן האורגניזם צרך ("אכל") קודם לכן. האנרגיה המשתחררת עם פירוק התרכובות משמשת ליצור הנוקלאוטיד ATP - "מטבע האנרגיה" של כל היצורים החיים. נשימה תאית אינה קשורה בהכרח לצריכת חמצן; זוהי טעות נפוצה. חיידקים רבים, למשל, מקיימים תהליכים של נשימה אל-אווירנית. מקור הטעות הוא כדלהלן: בבסיסם של כל תהליכי הנשימה עומדות תגובות חמצון-חיזור; אלו הן תגובות שבמהלכן אטומים מוסרים אלקטרונים לאטומים אחרים. בעבר היה פירוש המילה חמצון "התרכבות עם חמצן", אך בכימיה מודרנית שונתה משמעות המושג ל"קליטת אלקטרונים"; מכאן שבעבר קושרה הנשימה עם התרכבות עם חמצן, אך כיום ידוע שחמצן הוא אינו קולט האלקטרונים היחידי במערכות ביולוגיות.

שלושת שלבי הנשימה התאית

- גליקוליזה: קיים בכל היצורים החיים; אינו דורש חמצן.
- מעגל קרבס: קיים בכל היצורים החיים; אינו דורש חמצן.
- זרחון חמצוני: קיים רק ביצורים אווירניים (אארוביים) ומתרחש רק בנוכחות חמצן. ביצורים פרוקריוטיים (חיידקים) מתרחשת הנשימה התאית בציטופלזמה; הזרחון החמצוני מתרחש על-גבי ממברנת התא. ביצורים איקריוטיים מתרחשת הגליקוליזה בציטופלזמה, מעגל קרבס על-גבי הממברנה החיצונית של של המיטוכונדריה, והזרחון החמצוני על-גבי הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה. לא בכדִי מכוּנוֹת המיטוכונדריה "תחנות הכוח של התא"; בהן מתרחשים השלבים המכריעים ביותר בנשימה התאית. קטגוריה:מטבוליזם קטגוריה:תא

זרחון חמצוני

בביולוגיה, זרחון חמצוני הוא השלב האחרון בתהליך הנשימה התאית, תהליך המשמש להפקת אנרגיה ביצורים חיים. הזרחון החמצני, המתרחש תמיד לאחר הגליקוליזה ומעגל קרבס, הוא השלב המכריע, החשוב והיעיל ביותר בנשימה התאית. בהשוואה לשני השלבים הקודמים, בהם מתקבלות מולקולות ATP בודדות, מיוצרות בתהליך הזרחון החמצוני למעלה מ-30 מולקולות ATP על כל מולקולת גלוקוז שנצרכה. להספק עצום זה חשיבות אבולוציונית עליונה: מאז שפיתחו היצורים הארובּיים הראשונים על-פני כדור הארץ את מנגנון הזרחון החמצוני, ועמו בעצם את תהליך הנשימה האווירנית, הפכו היצורים שבאו אחריהם במרוצת הדורות לגדולים יותר ומורכבים יותר. המגוון המרשים הקיים כיום בעולם החי נוצר בעיקר בזכות אותן 30 מולקולות ATP המיוצרות בזרחון החמצוני, אנרגיה שבלעדיה יכולתם של היצורים לגדול ולהתפתח מוגבלת ביותר. כראיה לכך, היצורים היחידים כיום שאינם משתמשים בזרחון חמצוני לשם הפקת אנרגיה הם מיקרואורגניזמים - רובם חיידקים ומיעוטם פרוטיסטים ופטריות (אולם מיקרואורגניזמים רבים דווקא כן מבצעים זרחון חמצוני ונשימה אווירנית. ראו פרטים נוספים בערך אנארובי).

התהליך

תהליך הזרחון החמצוני נראה פשוט על פניו: אלקטרונים הנפלטים ממעגל קרבס, השלב הקודם לזרחון החמצוני, נקלטים על-ידי אטומי חמצן. מקורו של החמצן הוא האוויר שהיצור נושם. כשאטום חמצן קולט אלקטרון, הוא פולט אנרגיה; זו משמשת לייצור מולקולות ATP. למעשה מדובר בשרשרת ארוכה של תגובות; זאת חיונית כיוון שהאנרגיה הנפלטת עם חיזור החמצן גבוהה מדי. אם היה מדובר בתהליך בן שלב אחד, היתה רוב האנרגיה מתפזרת בסביבה כחום, ומתבזבזת. במקום זאת, האלקטרונים מועברים אל אטום החמצן דרך מולקולות הנקראות נשאי אלקטרונים. תהליך הזרחון החמצוני מתרחש בתא תמיד על-גבי ממברנה: ביצורים אוקריוטיים מתרחש התהליך בממברנה הפנימית של המיטוכונדריה; ביצורים פרוקריוטיים (חיידקים) מתרחש התהליך על-גבי ממברנת התא עצמו. יצור מולקולת ATP, המהווה את מטרת התהליך, מתרחש כשקבוצת זרחה (פוספט) מתווספת ל-ADP (ראו ערך נוקלאוטיד). ADP, אדנוזין דיפוספט, מכיל שתי קבוצות זרחה; כשנוספת לו קבוצת זרחה שלישית, הוא הופך ל-ATP. תהליך זה, כאמור, צורך אנרגיה, וזאת מתקבלת כתוצאה ממעבר האלקטרונים לאטומי החמצן. הוספת קבוצת הזרחה ל-ADP במקביל להעברת אלקטרונים לאטומי חמצן מקנה לתהליך את שמו: זרחון חמצוני (בלועזית נקרא הזרחון פוֹספוֹרילציה). כיצד מתווספת קבוצת הזרחה ל-ADP? לכך אחראי האנזים סינתטאז ה-ATP, המקובע בתוך ממברנת התא או המיטוכונדריה. האנזים מאפשר מעבר פרוטונים בין שני עברי הממברנה; כשפרוטונים עוברים דרך האנזים בכיוון מפל הריכוזים שלהם, נוצרת אנרגיה חשמלית, אותה מסוגל האנזים לנצל לשם צירוף קבוצות זרחה למולקולות ATP. מניין מגיעים הפרוטונים העוברים דרך סינתטאז ה-ATP? הללו נתרמים על-ידי חלק מנשאי האלקטרונים שהוזכרו לעיל. גם הפרוטונים נקלטים על-ידי החמצן, ביחד עם האלקטרונים, לקבלת מים; מולקולות מים מורכבת, למעשה, מאטום חמצן, שני פרוטונים ושני אלקטרונים (פרוטון ואלקטרון מהווים יחדיו אטום מימן). קטגוריה:מטבוליזם

גן (ביולוגיה)

גֵן (Gene) הינו יחידה של חומצת גרעין (בדרך-כלל DNA) בעלת תפקיד מוגדר. הגנים הינם יחידות התורשה של הייצורים החיים. הגנים מכילים את "הוראות הייצור" לעשרות אלפי חלבוני התא, ובכך אחראיים לקביעת רובן המוחלט של תכונות הייצור (האורגניזם).

מבוא

התפקיד השכיח ביותר של גנים הוא קידוד לחלבונים או לחלקי חלבונים (פפטידים), זאת באמצעות הקוד הגנטי הטמון בנוקלאוטידים המרכיבים את הגנים. גנים רבים אינם מקודדים לחלבונים, אלא מהווים מנגנון בקרה לקידוד חלבונים על ידי גנים אחרים. אופן התבטאות הגנים ותוצריהם הם אלו הקובעים את מכלול התכונות של כל הייצורים החיים. הגנים מועברים בתורשה מייצור לצאצאיו. הגנים הם יחידות התורשה, והם המקור לדימיון הרב בין יצורים וצאצאיהם. קיימות דוגמאות אינטואיטיביות רבות לגנים: ניקח, למשל, את צבע העיניים באדם. בקביעת תכונה זו משתתפים ארבעה גנים. כל אחד מהגנים מורכב מ-DNA בעל כמה אלפי נוקלאוטידים, אשר משועתקים ומתורגמים לחלבון צבע (צבענים, פיגמנטים). צבענים אלו מצטברים בעיניים ומקנים להן את צבען. שניים מהגנים של צבע העיניים מקודדים לצבענים כחולים, ושניים - לצבענים חומים (נגזרות של מלנין). לצד דוגמה פשוטה זו, קיימים מקרים רבים של גנים בעלי התבטאות משולבת, התבטאות שאינה ברורה או התבטאות שאינה חלבונית:
- גנים רבים אינם מקודדים חלבון שלם; קיימות קבוצות של גנים, כשכל אחד מהגנים בהן מקודד חלק מהחלבון. לאחר תום התרגום מתאחים החלקים השונים והופכים לחלבון השלם.
- גנים רבים אינם מקודדים לתכונות כה ברורות ונחרצות כמו צבע העיניים. אלפי חלבונים משתתפים בתהליכים תוך-תאיים סבוכים, וכל אחד מהחלבונים הללו מקוּדד בגן כלשהו. קיימים חלבונים רבים שתפקידם עדיין אינו מובן.
- גנים רבים אינם מקודדים לחלבונים, אלא משתתפים בבקרה. גנים אלו מעודדים קידוד מוגבר של גנים אחרים, מדכאים קידוד, מאפשרים קידוד רק בתנאים מסוימים (בנוכחות חומר מסוים בתא, למשל) ועוד. בדוגמה של צבע העיניים מדובר על ארבעה גנים הפועלים יחדיו להקניית הצבע הסופי. תכונות מסוימות נקבעות על ידי עשרות גנים יחדיו; תכונות אחרות נקבעות על ידי גן בודד.

מושגים בסיסיים

תאיים
- אלל (Allele). גנים רבים מופיעים בשתי צורות אלטרנטיביות לפחות, כשכל אחת מהן מביאה להתבטאות שונה במקצת של התכונה. כל אחת מצורותיו של גן ספציפי נקראת אלל. לדוגמה, הגן המקודד לצבע זרעי צמח האפונה יכול לקודד לצבע ירוק (זהו אלל אחד) או לצבע צהוב (אלל שני). הניסויים הראשונים שהביאו לגילוי כללי התורשה בוצעו בצמח האפונה על ידי גרגור מנדל.
- לוֹקוּס (Locus). הגנים הינם יחידות DNA, ולפיכך הם מסודרים בכרומוזומים. המיקום הספציפי של גן מסוים על-גבי הכרומוזום נקרא לוֹקוּס. קיימות שיטות שונות לחישוב והגדרת לוקוסים. לעניין זה חשיבות רבה בחיזוי מוטציות, למשל. מוטציה עלולה להיווצר במקרה ונוצר שבר בכרומוזום, דבר המפריד בין שני גנים האמורים להישאר יחדיו. ככל ששני גנים שוכנים רחוק יותר האחד מהשני, כך גדל הסיכוי שהם ייפרדו כתוצאה ממוטציה כזו (כיוון שיש יותר מרחב לשבר אפשרי ביניהם).
- דומיננטי (Dominant) ורצסיבי (Recessive, בעברית: נסגני). קיים מגוון של יחסי גומלין בין האללים השונים של גן מסוים. היחס השכיח ביותר הוא דומיננטיוּת ורצסיביוּת. במצב זה מסוכך האלל האחד - הדומיננטי - על התבטאותו של השני - הרצסיבי. לדוגמה: האלל המקודד לזרע אפונה ירוק דומיננטי על-פני האלל המקודד לזרע אפונה צהוב. לאחר זיווג (הכלאה) בין צמח אפונה שזרעיו ירוקים ובין צמח אפונה שזרעיו צהובים, ובמידה והצמח הצאצא יירש מאחד מהוריו אלל ירוק ומההורה השני אלל צהוב - הרי שזרעיו של הצאצא יהיו ירוקים, שכן האלל הירוק הדומיננטי מבטל את השפעתו של האלל הצהוב הרצסיבי.
- דומיננטיוּת חלקית. צורה נוספת של יחסי גומלין בין אללים הוא "שיתוף פעולה" ביניהם, כך שהתכונה הסופית מהווה שילוב של התכונות להן מקודדים שני האללים. דוגמה מעולם הבוטניקה: אלל המקודד לפרחים אדומים, והאלל המקביל לו, המקודד לפרחים לבנים. אם שוררת דומיננטיות חלקית בין שני האללים, הרי שהפרחים שיתקבלו מהכלאת שני האללים יהיו בצבע ורוד - שילוב של אדום ולבן.
- גֵנוֹטִיפּ (Genotype) ופֵנוֹטִיפּ (Phenotype). הראשון מציין את ההרכב הגנטי של יצור מסוים, והשני - את התבטאותן של תכונות הייצור. לדוגמה, "אדם בעל עיניים כחולות"; זהו תיאור של פנוטיפ. הגנוטיפ של אותו אדם (בהקשר לצבע עיניו) הוא מכלול הגנים המשתתפים בקביעת צבע העיניים. הפנוטיפ אינו נקבע על-ידי הגנים באופן בלעדי; גורמים סביבתיים, כגון טמפרטורה, לחות וחשיפה לחומרים מסוימים עלולה, כידוע, להשפיע רבות על תכונות הייצור. לפיכך, ידיעת הגנוטיפ אינה מהווה מתכון בלעדי לחיזוי הפנוטיפ.
- גנום (Genome). הגנום הוא מכלול החומר התורשתי הנמצא בתאיו של יצור מסוים. פענוח הגנום של יצור מסוים פירושו מיפוי ותיעוד כל אחד מהגנים הנמצאים בתאיו והגדרת החלבונים להם מקודדים גנים אלו.

גן או לא?

למרות שהגנים הינם "גולת הכותרת" של הגנום (מכלול החומר התורשתי), הרי שגנים המקודדים לחלבונים מהווים מיעוט זעום מכלל הגנום: כ-1.5% מהגנום מורכב מגנים המקודדים לחלבונים, וכ-98.5% מהגנום מורכב מרצפים אחרים שאינם מקודדים לחלבונים:
- גנים המקודדים ל-