שלד התא

בביולוגיה של התא, שלד התא (בלועזית: ציטוסקלטון, Cytoskeleton) הוא מערכת של סיבים מאוגדים, חוטים דקים ושריגים חלבוניים החוצים את הציטופלזמה, בין גרעין התא לקרום התא. שלד התא מעניק לתא את צורתו ומשמש במספר תפקידים נוספים כמו תנועה, מעבר תוך-תאי וחלוקת התא. המבנה קיים בכל התאים האיקריוטיים, ומחקרים מצביעים על קיומו גם בפרוקריוטים מסוימים. השלד כולל שלושה מרכיבים מרכזיים: מיקרוטובולים, קורי ביניים (intermediate filament) ומיקרופילמנטים (אקטין). בנוסף, קיימים חלבוני עזר המסייעים למרכיבים אלה בתפקודם. כל אחד משלושת המרכיבים המרכזיים בשלד התא בנוי מתת-יחידות, פרוטופילמנטים, שכל אחת מהן מורכבת מאבני בניין חלבוניות. לשלד התא מספר תפקידים: הוא מסייע בהענקת צורה לתא ושמירה עליה, הוא יוצר ארגון פנימי בין אברוני התא השונים והוא מעניק יכולת תנועה לתא כולו ולאברונים בודדים. המיקרוטובול (Microtubule), או צינורון, הוא המרכיב המבני העיקרי של שלד התא. זהו גליל חלבוני חלול וקוטבי, שקוטרו החיצוני 25 ננומטר והפנימי 15 ננומטר, אשר מורכב מתת-יחידות רבות של החלבון טובולין. המיקרוטובולים משמשים את התא לקביעת צורתו ואחראים לחלק מתנועות התא. בנוסף המיקרוטובולים יוצרים את כישור החלוקה בחלוקת התא, אשר אחראי לסידור הכרומוזומים משני עברי התא טרם חלוקתו, ונשיאת הכרומוזומים אל תאי-הבת. אבן הבניין של המיקרוטובול היא דימר המורכב משתי יחידות של החלבון טובולין. כל אחת מהיחידות משתייכת לסוג שונה של טובולין, האחת אלפא-טובולין והשנייה בטא-טובולין. בעת בניית הפרוטופילמנט כל אלפא טובולין מתקשר עם בטא טובולין של דימר אחר ליצירת שרשרת. יחידת הבטא-טובולין מכילה GTP או GDP, ובהתאם לתכולתה הסיב נבנה או מתפרק. כאשר הפרוטופילמנטים מגיעים לאורך מסוים, הם מתחילים ליצור גליל חלול המורכב מ-13 פרוטופילמנטים. תהליך היצירה של המיקרוטובולים מתחיל במרכז הארגון המיקרוטובולי (צנטרוזום) על גבי קומפלקס טבעתי הבנוי משלוש עשרה יחידות של גמא-טובולין (γ-TuRC). זה מוגדר כקצה המינוס של המיקרוטובול, הנקרא גם הצד הבזלי, וממנו מתחילה היצירה של המיקרוטובולים לכיוון הקצה הנגדי, המוגדר כקצה הפלוס ונקרא גם הצד האפיקלי. כשהתא אינו מתחלק מסתיימים המיקרוטובולים בקרום התא, אך בעת החלוקה מתחברים המיקרוטובולים אל הכרומוזומים ומושכים אותם לשני תאי הבת. יחידות הטובולין המרכיבות את המיקרוטובולים מכילות GTP, מולקולה עתירת אנרגיה שבמצב לא מזורחן נקראת GDP. על מנת שהדימרים יתקשרו ויבנו את הסיב השלם, צריכים הבטא-טובולינים להכיל GTP (במצב מזורחן). לאחר פרק זמן מסוים על גבי הסיב, עוברת מולקולת ה-GTP שבבטא-טובולין הידרוליזה למולקולת GDP באופן ספונטני, כלומר נושרת ממנה זרחה, דבר שגורם להתרופפות הקשר בין הדימרים ובסופו של דבר להינתקות הדימר מהסיב. בציטופלזמה מזורחן ה-GDP שוב ל-GTP והדימר יכול להיקשר בשנית לסיב ולבנותו. מה שבכל זאת מחזיק את הסיב יציב הוא הדימרים החדשים שמצטרפים, המכילים GTP כאמור, ויוצרים כיפוי (capping), מעין מכסה מקבע ששומר על יציבות המולקולה. קצב בניית המיקרוטובולים תלוי בריכוז אבני הבניין החופשיות בסביבתו. ככל שהריכוז גבוה יותר, כך קצב הבנייה מהיר יותר והסיב מתארך, וככל שהוא נמוך יותר, כך קצב הפירוק גובר על קצב הבנייה והסיב מתקצר. בטווח מסוים של ריכוזים קצב הבנייה שווה לקצב הפירוק ונוצר שיווי משקל דינמי, כך שאורך הסיב לא משתנה באופן כללי. המיקרוטובולים משמשים גם לתנועת ריסונים ושוטונים וכן לשינוע של אברונים וגופיפים בתא. פעולות אלה מתבצעות באמצעות חלבוני עזר ודורשות אנרגיה. לצורך בניית המיקרוטובולים ופירוקם קיימים בתא חלבוני עזר מבניים, לדוגמה, חלבון טאו, שמטרתו לייצב את המיקרוטובולים וחלבון MAP2 שקושר את המיקרוטובולים אחד לשני. בנוסף, ישנם חלבוני עזר מבניים המווסתים את קצב הבנייה והפירוק של המיקרוטובולים. החלבון סטתמין מוריד את ריכוז הדימרים החופשיים באמצעות קשירתם, ובכך מאיץ את תהליך הפירוק. חלבון נוסף שמאיץ את תהליך הפירוק הוא קטסטרופין שמפרק את הכיפוי. מנגד קיימת משפחה של חלבונים, MAP, המייצבת סיבים המכילים GDP, גם כשהכיפוי נעלם. ישנם גם חלבוני עזר מוטוריים, בעלי יכולת תנועה על גבי המיקרוטובולים, המביאים לידי ביטוי את תכונותיהם כמסילות שעל גביהן ניתן לשנע אברונים וגופיפים בתא. משפחה אחת של חלבונים מוטוריים נקראת קינזינים, והיא מסיעה גופיפים מקצה המינוס לקצה הפלוס, ואילו האחרת נקראת דינאינים, והיא מסיעה גופיפים בכיוון ההפוך. שינוע זה דורש אנרגיה המתקבלת מפירוק מולקולת ATP המתבצע אף הוא על ידי חלבונים אלה. קורי הביניים (Intermediate filaments) הם המרכיבים היציבים ביותר של השלד תאי. מערכת זו מצויה בציטופלזמה או בגרעין ובשל יציבותה משמשת לשמירת החוזק המכני של התא. אבן הבניין של קורים אלה היא חלבון מונומרי בעל מבנה סליל אלפא, כאשר זהות החלבון משתנה בין סוגי הקורים השונים. בעת יצירת הפרוטופילמנט של הקורים, שני מונומרים מתחברים זה לזה בצורה מקבילה, כאשר הקצה האמיני של המונומר האחד מתחבר לקצה האמיני של המונומר האחר, וכך גם בקצוות הקרבוקסיליים. השניים מתפתלים אחד סביב השני ויוצרים דימר, אך בשל קוטביותו, הדימר אינו יציב כימית. כתוצאה מכך, כל דימר מתחבר לדימר נוסף בצורה לא מקבילה, כלומר קצה אמיני לקצה קרבוקסילי, והשניים מתפתלים ליצירת טטרמר. הטטרמרים מתארגנים בשרשרת ונקשרים אחד לשני, קצה אמיני עם קצה קרבוקסילי, ויוצרים את הפרוטופילמנט. בקור השלם ישנן שמונה שרשראות של פרוטופילמנטים אשר יוצרות צורה גלילית אטומה. משפחת קורי הביניים היא המשפחה ההטרוגנית ביותר מבין קורי השלד התאי, ופיזורם תלוי ברקמה שבה הם נמצאים. עם ארבעת הסוגים העיקריים של קורי השלד נמנים: קורים גרעיניים – קורים המרפדים את הדופן הפנימית של קרום הגרעין ומעניקים לו יציבות. הם בנויים מלמינים. בעת חלוקת התא מתפרקים קורים אלה כחלק מפירוקו של קרום הגרעין, והם נבנים מחדש לאחר קבלת שני תאי בת. קורים דמויי וימנטין (אנ')– קורים הנמצאים בתאים שמוצאם האמבריולוגי הוא מזנכימלי. קורים אלה בנויים מווימנטין והם פחות גמישים. קורים אפיתליאליים – קורים הבנויים מקרטין ומצויים בתאי אפיתל, וכן בציפורניים ובשיער. הקרטינים יכולים להיות חומציים או בסיסיים, דבר המגדיל את מגוון הקורים בסוג זה. בתמס בועתי של העור ישנה מוטציה בגנים המקודדים לקרטינים מסוימים, וכתוצאה מכך נשברים חלבוני הקרטין בחלל בין האפידרמיס לדרמיס, דבר המוביל לכניסת מים לחלל זה וליצירת שלפוחיות בתגובה ללחץ יחסית מתון. קורים אקסונליים – קורים הנמצאים בתאי עצב ומהווים מעין פיגום התומך באקסונים, שאורכם יכול להגיע למטרים בודדים. קורים אלה בנויים מנוירופילמנטים. ערך מורחב – מיקרופילמנט המיקרופילמנטים (Microfilament – קורים זעירים), או קורי האקטין, הם המרכיבים הדקים ביותר של שלד התא. אלה קורים חלבוניים המורכבים מתת יחידות של החלבון אקטין. קוטרם נע בין 5 ל-7 ננומטר בלבד והם מתרכזים בעיקר בצדו הפנימי של קרום התא. בנייתם דומה לבנייתו של המיקרוטובול. הם מתמחים בעיקר בתנועה התאית אך גם מסייעים בשמירת צורתו של התא. אבן הבניין של המיקרופילמנטים היא האקטין. בדומה למיקרוטובולים, אבני הבניין יכולות להתקשר אחת לשנייה אך ורק אם קשורה אליהן מולקולת ATP. על גבי הקור מולקולה זו עוברת הידרוליזה, אשר גורמת להתרופפות הקשר בין אבני הבניין ולפרימת הקור. גם כאן מוגדר קצה פלוס וקצה מינוס. הזיקה בקצה הפלוס להיקשרות של מולקולות אקטין נוספות היא יותר גבוהה, ולכן באזור זה תתרחש יותר בנייה מאשר פירוק בהשוואה לקצה המינוס. יכולת התנועה של תאים, למשל תאי דם לבנים, באה לידי ביטוי בפירוק מיקרופילמנטים באזור אחד בתא ובנייתם מחדש באזור אחר תוך יצירת שלוחה ציטופלזמתית כעין רגל לכיוון התקדמותו. תנועה כזו נגרמת בעקבות מולקולות כמוטקטיות. הפירוק של המיקרופילמנטים נועד הן לספק אבני בניין למיקרופילמנטים חדשים בשלוחה הציטופלזמטית והן להקל את התנועה באזור שבו פורקו המיקרופילמנטים, שכן אזור זה הופך לנוזלי עם התפרקותם של המיקרופילמנטים הקשיחים. חלבון ה-ARP הוא חלבון אשר משמש תבנית ותשתית לבניית ענפי מיקרופילמנט חדשים. החלבון מזרז את היצירה של המיקרופילמנטים, לעיתים בניגוד לריכוז נמוך של מולקולות האקטין בסביבה. חלבון אחר, המזרז את קצב הפירוק של האקטין, הוא קופילין. הקופילין גורם להקטנת המרחק בין נקודות הסיבוב של סליל האקטין, ומכיוון שקורי האקטין שבירים בקלות, הוא בכך שובר אותם. תימוזין הוא חלבון נוסף המונע יצירה של אקטין בכך שהוא מעכב את שחלוף מולקולות ה-ADP במולקולות ATP ומפחית את כמות חלבוני האקטין הזמינים לבניית הקור. הדבר מאפשר בשלב מאוחר יותר ליצור בנייה מידית ומואצת של חלבוני אקטין באמצעות החלבון פרופילין, שנקשר לאקטין במקום התימוזין ומסייע בקשירתו לקור. פילמין הוא חלבון עזר דימרי שיוצר זווית בין קורי האקטין ומביא לבניית רשת תלת-ממדית של מיקרופילמנטים. הדבר מקנה לתא את המבנה הג'לטיני שלו. חלבוני עזר נוספים הם פימברין ואלפא-אקטינין שיוצרים מערכים מקבילים לאקטין. הפימברין יוצר מערך מאוד צפוף שנמצא בשלוחה הציטופלזמתית, והאלפא-אקטינין יוצר מבנה תחוח שמתכווץ, למשל בשריר חלק או אפיתל. מיוזין הוא סוג חלבון עזר מוטורי הדומה לחלבוני העזר המוטוריים של המיקרוטובולים. הוא נע מקצה המינוס לקצה הפלוס ומסייע להתכווצות שרירים. המיוזין גם מסייע בתהליך הציטוקינזה שמתרחש לאחר שלב המיטוזה על ידי יצירת טבעת ההולכת ומתכווצת ככל שתהליך חלוקת התא מתקרב לסיומו. שלד התא, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) ארז גרטי, המיקרוטובולים – עמודי התווך של התא, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 6 ביוני 2010 ציטוסקלטון, דף שער בספרייה הלאומית Mayer F, Cytoskeletal elements in bacteria Mycoplasma pneumoniae, Thermoanaerobacterium sp., and Escherichia coli as revealed by electron microscopy, J Mol Microbiol Biotechnol, volume 11, issue 3-5, 228-43, 2006 צִנּוֹרוֹן במילון ביולוגיה כללית (תשס"ט), 2009, באתר האקדמיה ללשון העברית