ממברנה ביולוגית

ממברנה ביולוגית היא קרום העוטף מבנה ביולוגי, כמו התא ומבנים תוך תאיים, ומשמש כמחסום בין המבנה הביולוגי לסביבתו. רובן המוחלט של הממברנות הביולוגיות עשויות על שלד של דו-שכבה ליפידית המכיל בתוכו חלבונים הנקראים חלבוני ממברנה. ממברנות שאינן מבוססות על דו-שכבה ליפידית נמצאות בחלק מהחיידקים הקדומים, בהם יש שכבה יחידה של ליפידים בעלי שני "ראשים", אחד בכל קצה של "זנב". ממברנה ביולוגית אינה סימטרית, הן בהרכב השומנים והן בהרכב החלבונים, והיא בעלת מטען חשמלי. הממברנה הידועה ביותר היא קרום התא. המחקר בתחום הממברנות הביולוגיות התחיל ב-1665 על ידי רוברט הוק, אשר חתך חתיכות שעם דקות וראה כי הן עשויות מחללים המוקפים דפנות – כלומר, קיימת שכבה מפרידה בין חלל לחלל. המבנה הנצפה היה בצורת כוורת דבש, כאשר הקירות היו דפנות התא. ב-1877 וילהלם פפר קבע שהממברנה היא חדירה למחצה, דקה, ומשמשת כמחסום לתא מהסביבה החיצונית. העובדה שלתא קיימת ממברנה חצי חדירה הייתה מבוססת היטב כבר במאה ה-19. ב-1925 גורטר וגרנדל ערכו מחקר שמסקנתו הייתה שהממברנה עשויה מדו שכבה ליפידית. ב-1935 דאבנסון ודניאלי העלו את מודל הסנדוויץ', לפיו שתי שכבות של חלבונים כדוריים מגדירות את הדו שכבה הליפידית ומשני צדדים. ב-1957 ג'י דויד רוברטסון הציע את מודל "יחידת הממברנה" שהראה מבנה ממברנה המורכב משלוש שכבות דקות. מודל דבסון דנאלי ומודל רוברטסון שיערו כי הממברנה סטטית, דבר שהופרך לבסוף על ידי מודל הפסיפס הנוזלי. ב-1972 סינגר וניקולסון הציעו את המודל המרכזי בו משתמשים היום, "מודל הפסיפס הנוזלי", לפיו חלבונים כדוריים צפים בתווך של הדו שכבה הליפידית, המודל מתחשב בטבעה הגמיש של הממברנה. בהרחבה למודל זה הוצע מודל הרפסודה הליפידית על ידי קאי סימונס ב-1997. לפי מודל זה צבירי ליפידים מהווים חלק מהממברנה הביולוגית. צבירי הליפידים יוצרים מיקרו-תחומים, עליהם הליפידים הנפוצים ביותר- כולסטרול וספינגוליפידים, אליהם מחוברים חלבונים. הכוח העיקרי אשר מייצב את הממברנה מיוחס לתופעה הנקראת "האפקט ההידרופובי". הממברנה נמצאת בסביבה מימית כאשר מולקולות המים קוטביות והידרופיליות. לעומת המים, המולקולות המרכיבות את הממברנה הן אמפיפיליות (המולקולה מורכבת מ"ראש" הידרופילי ו"זנב" הידרופובי). האזור ההידרופילי הוא קוטבי ויוצר קשרים עם מולקולות המים. "הזנב" ההידרופובי, לעומת זאת, דוחה את מולקולות המים עקב חוסר העדפה אנרגטית ליצירת קשרים עימן. עקב זאת, הזנבות ההידרופוביים נדחים ממולקולות המים המקיפות את הממברנה, ולכן נמצאים בקרבה לזנב של ליפיד אחר, כך שנוצרת ממברנה המורכבת משתי שכבות של מולקולות אמפיפיליות המסודרות: ראש-זנב-זנב-ראש – דו שכבה ליפידית. הממברנה עשויה משלד ליפידי (לרוב דו-שכבה ליפידית), חלבונים, ופחמימות באחוז נמוך. החלבונים מעניקים לממברנה את רוב תפקודיה הייחודיים, והפחמימות לרוב קשורות לחלבונים או לליפידים. היחס בין המרכיבים בממברנות שונות ישתנה כתלות באורגניזם. ליפידים הם חלקם הארי של ממברנות תאיות. הליפיד היא יחידה המסיסה בשמן. לליפידים תפקיד מרכזי בתפקודם התקין של חלבונים על ידי שימור סביבה כימית ופיזית מתאימה תוך בידוד סביבת התא מהסביבה החיצונית. בכדי לשמור על הסביבה, הליפידים בממברנה הם אמפיפילים: בעלי צד הידרופובי וצד הידרופילי. הליפידים ממלאים עוד שלל תפקידים, כמו: תקשורת תאית (Singaling), סינתזות ביולוגיות, עיגון חלבונים, ורגולציית אנזימים. ישנם 3 קבוצות מרכזיות של ליפידים: פוספוליפידים, גליקוליפידים, וסטרול, כאשר רוב הממברנות הביולוגיות עשיות מפוספוליפידים. קיימות ממברנות ביולוגיות שאינן מורכבות מדו-שכבה ליפידית, אלא בעלות מבנה אחר. כזו היא הממברנה של חלק מהחיידקים הקדומים, המורכבת משכבה יחידה של ליפידים להם שני "ראשים" הידרופיליים המחוברים על ידי שרשרת הידרופובית, כך שההפרדה נוצרת על ידי שכבת ליפידים בודדה. חלבוני הממברנה הם מרכיבים פונקציונליים המעורבים בתהליכים כמו העברת מולקולות, הולכת אנרגיה, קבלה והעברה של סימנים, זיהוי ואינטראקציות בין תאים, קטליזת אנזימים ושמירה על חוזק וצורת הממברנה. החלבונים עשויים להיות משובצים בממברנה כך שהם עוברים מצידה האחד לצידה האחר, ואז הם מכונים "חלבונים טרנס-ממברנליים" או "חלבונים חוצי ממברנה". הם גם עשויים להיות שקועים חלקית בממברנה, או להימצא מחוץ לממברנה תוך שהם קשורים לחלבון תוך-ממברני. מיקומו של החלבון תלוי בתכונותיו – כדי להיות שקוע בממברנה על חלקים מהחלבון להיות הידרופוביים, כך שיוכלו להתמוסס בתווך השומני. חלבונים יכולים להיות קבועים בממברנה או חלבונים ארעיים פחמימות מהוות 2–10 אחוזים מהממברנה, הן קשורות באופן קוולנטי לליפידים ו\או לחלבונים. לרוב הפחמימות הן מקבוצת האוליגוסוכרידים או גליקאנים. המבנים שנוצרים עם הפחמימות נמצאים בצד החיצוני של הממברנה ומשמשים כאתרי קישור. תכונה חשובה של הממברנה היא האסימטריות: שני צדייה של הממברנה נבדלים במספר הליפידים והחלבונים, בסוגיהם ובסידור שלהם. האסימטריות נוצרת עקב התפקידים השונים אשר על חלקי הממברנה השונים למלא. תפקודה הראשון של ממברנה ביולוגית הוא הפרדה בין שני תחומים שונים, הגדרתם ושמירתם נפרדים. כך לדוגמה, ממברנה המצויה סביב אברון בתא, מגדירה את האברון כתחום הנפרד משאר התא, מה שמאפשר לאברון את תפקודו הייחודי, שלא מתרחש באזורים אחרים בתא. ממברנת התא מגדירה את התא כתחום הנפרד ומבודד מסביבתו, בו מתרחשים תפקודים שלא מתרחשים בסביבה החוץ-תאית. תפקוד זה של הממברנה נובע מתכונותיה כקרום בררני (אנ'), אשר מעבר חומרים דרכו איננו חופשי אלא נקבע על פי תכונות החומר והממברנה. קיימים מספר מנגנוני העברה דרך ממברנה ביולוגית: חומרים הידרופוביים מסיסים היטב בליפיד הדו-שכבתי (הממברנה) וחוצים אותו בקלות, בעוד חומרים הידרופיליים ומולקולות גדולות מתקשים לחצותו ישירות. דרך זו של מעבר קרויה דיפוזיה. חומרים שאינם חודרים את הממברנה בדיפוזיה פשוטה, אך יש צורך להעבירם בין צידי הממברנה מסתייעים בחלבוני העברה – חלבונים חוצי ממברנה המגשרים בדרכים שונות בין צידי הממברנה. חלבוני ההעברה ייחודיים לחומר אותו הם מעבירים, כך שבררנות הממברנה נשמרת. הממברנה הביולוגית היא בעלת תכונות נוזליות. עובדה זו מאפשרת את גמישותה של הממברנה, כך שהיא יכולה להתרחב לצורך גדילת התא או האברון. בנוסף, תכונה זו מאפשרת את התאחות הממברנה במהירות במקרה של פגיעה ברציפותה. התאחות זו יעילה בשל יציבותו האנרגטית של מבנה הממברנה, ואי-יציבותו של המבנה הפגום. תאים מגיבים לשינויים בסביבה החיצונית על פי קולטני שטח על הממברנה. קשירה של חומר מסוים לקולטנים הללו מתחילה תהליך העברת איתות לתוך התא. איתות זה גורם להתרחשות של תהליכים שונים בתא. דוגמה לתהליך איתות וקליטה הוא תשדיר מתאי עצב, כאשר משתנה ריכוז היונים על הממברנה, משתנה מתח התא. עקב שינוי במתח התא משתנה חדירות הממברנה ליונים מסוימים. שינויים אלו גוררים שרשרת של אירועים שמאפשרים העברת מסר לתא הסינופסה המחובר. בין תהליכי האותות הנוספים המתרחשים על ממברנות נמצאים גם תהליכים הורמונליים ואנטיגנים. מדובר בתהליכי המרת אנרגיה שמתרחשים במעבר אלקטרונים המתרחשים ברובם על הממברנות. צמחים משתמשים בתהליך הפוטוסינתזה ליצור אנרגיה מאור השמש, תהליך המצריך אינטראקציה של אור עם התא. אי לכך התפתחו ממברנות ייחודיות לצמחים המאפשרות קיום אינטראקציות אלו, ושלביו הראשונים של תהליך הפוטוסינתזה מתרחשים על פני הממברנה. זרחון חמצוני הוא שלב בנשימה התאית, בו נוצר ATP עקב מעבר אלקטרונים לחמצן מולקולרי. באורגניזמים אווירנים, תהליך זה מתרחש במיטוכונדריה, אולם מכיוון שלאורגניזמים פרוקריוטים אין אברונים, תגובה זו מתרחשת בממברנה. פרט לממברנת התא, ישנן ממברנות תוך תאיות המפרידות בין אברונים שונים בתא. האברונים המוקפים בממברנות המופרדות אחת מהשניה הם: מיטוכונדריה, פרוקסיזום ובצמחים; כלורופלסט. כל שאר הממברנות התוך תאיות מקושרות אחת לשנייה בציטופלסמה ויוצרות מערכת אנדוממברנלית. לכל ממברנה במערכת יש את המאפיינים הייחודיים לה וניתן להפרידה מהממברנות האחרות. למרות זאת הממברנות קשורות מבחינה כימית, מבנית ותפקודית תחת אותה מערכת. הממברנות הכלולות במערכת האנדוממבנלית הן: מעטפת גרעין התא, מערכת גולג'י, הרשתית האנדופלסמתית, ליזוזום, בועיות, חלולית (אם ישנה), וקרום התא. וסיקולות/ליפוזומים: בועיות בגדלים שונים המוקפות ממברנה דו שכבה ליפידית. BLM (Blac Lipid Membrane): ממברנה דו שכבה ליפידית מישורית, המפרידה בין שתי תמיסות מימיות. SLB (Supported Lipid Bilayers): ממברנה דו שכבה ליפידית מישורית היושבת על חומר מוצק הנותן יציבות לממברנה, רק צד אחד של הממברנה בא במגע עם התמיסה. DIB (Droplet Interface Bilayers): טיפות מימיות זעירות המוקפות בשכבה ליפידית יחידה הנמצאות בתמיסה שומנית (זנבות הליפידים פונים כלפי חוץ) ובנקודות המגע ביניהן יוצרות דו שכבה ליפידית. קרום דק המחקה ממברנה ביולוגית ויכול להיות מורכב מחומרים אורגניים, כמו פולימרים או אנאורגניים. בתעשייה נפוץ השימוש בממברנות פולימריות. ממברנות ביולוגיות מהוות אלמנט יסודי בקיום החיים, וכל נזק שנעשה להן יכול להוביל לתוצאות רציניות, או אף קטלניות. מחלות כמו ניוון שרירים על שם דושן, סיסטיק פיברוזיס ומחלת דמיאלינציה כולן מושפעות מהממברנה. דוגמאות נפוצות הן אלצהיימר והזדקנות. ישנן השערות רבות בניסיון להסביר את מקורה של מחלת אלצהיימר. אחת ההשערות היא שהמחלה נגרמת מהפרעת שני צעדים לממברנה - הצעד הראשון כולל גידול בזרימת יוני סידן (Ca2+) לתוך הציטופלזמה דרך מעברים בממברנה, והצעד השני הוא היווצרות סיב העמילואיד והתארכות הממברנה. שני התהליכים הללו יחדיו מובילים להפחתה של ליפידים מהממברנה, מה שגורר הפרעה בממברנה. בתהליך ההזדקנות, הליפידים של ממברנת המיטוכונדריה הפנימית עוברים חמצון, מה שמשפיע על הליפיד קארדיוליפין אשר מגלם חלק במעבר האלקטרונים וחמצון זרחני שמבוצעים בחלבוני המיטוכונדריה. הירידה בליפיד קארדיוליפין פוגעת בנוזליות הממברנה. ליפוזום מורכב ממברנה ביולוגית, דו שכבה ליפידית. הליפוזום משמש כיום ברפואה להעברת תרופות ליעדן בגוף. ישנן שלוש חומצות שומן עיקריות המשפיעות על בריאות האדם: חומצת שומן ציס, חומצת שומן טרנס וחומצה דוקוסהֶקְסנואית. חומצת שומן ציס היא טבעית והיא המרכיב העיקרי בממברנה, אך החלפתה בחומצת שומן טרנס- שבדרך כלל מצויה בממברנה בכמויות נמוכות- יכולה לפגוע במבנה ובתכונות הממברנה. כמו כן, חומצת שומן טרנס יכולה להחליף את החומצה הדוקוסהֶקְסנואית בממברנת המוח ולפגוע בתפקודו. חומצה דוקוסהֶקְסנואית, ידועה בשמה "אומגה 3" ונחשבת כמועילה לבריאות האדם. יש מחקרים הטוענים כי יש לה תרומה כנגד מחלות לב, סרטן, בעיות במערכת החיסון ועוד. מדיה וקבצים בנושא ממברנה ביולוגית בוויקישיתוף מאמר של ארג גרטי בנושא ממברנות ודופן התא - סרטון הסבר באנגלית עם כתוביות בעברית Learn Biology: Cells—The Plasma Membrane - סרטון הסבר קצר על ממברנות של תאים (באנגלית) ממברנה ביולוגית, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) Rashmi Wardhan, Padmshree Mudgal, Textbook of Membrane Biology, 2017, עמ' 2, 90, 7, 9-10, 149-151, 293-395, 263-264, 234 doi: 10.1007/978-981-10-7101-0 William Stillwell, An Introduction to Biological Membranes: Composition, Structure and Function, London: Academic Press Is An Imprint Of Elsevier, 2016, עמ' 6-11, 17-32, 44-47, 89-109, 101-118, 500-517, 521-535 ביולוגיה, האחידות והמגוון של החיים כרך א' ס סטאר ור' טגארט 1998 הוצאת האוניברסיטה הפתוחה פרק 5 עמ' 101 D D Lasic, The mechanism of vesicle formation, Biochemical Journal 256, 1988-11-15, עמ' 1–11 doi: 10.1042/bj2560001 H. Ti Tien, A. Louise Diana, Bimolecular lipid membranes: A review and a summary of some recent studies, Chemistry and Physics of Lipids 2, 1968-02, עמ' 55–101 doi: 10.1016/0009-3084(68)90035-2 Joanna Andrecka, Katelyn M. Spillane, Jaime Ortega-Arroyo, Philipp Kukura, Direct Observation and Control of Supported Lipid Bilayer Formation with Interferometric Scattering Microscopy, ACS Nano 7, 2013-11-27, עמ' 10662–10670 doi: 10.1021/nn403367c Hagan Bayley, Brid Cronin, Andrew Heron, Matthew A. Holden, William L. Hwang, Ruhma Syeda, James Thompson, Mark Wallace, Droplet interface bilayers, Molecular BioSystems 4, 2008, עמ' 1191 doi: 10.1039/b808893d Membrane Formation and Modification, Washington, DC: American Chemical Society, 1999-07-23, ACS Symposium Series, עמ' 1-22, ISBN 978-0-8412-3604-2