21.3: כימיה של התא

התא מורכב כימית ממים, מולקולות אורגניות ויונים אנאורגניים.

מים

הקוטביות של מולקולת המים וקשירת המימן הנובעת ממנה הופכת את המים לחומר ייחודי בעל תכונות מיוחדות הקשורות באופן הדוק לתהליכי החיים. החיים התפתחו במקור בסביבה מימית, ורוב הכימיה התאית ומטבוליזם של האורגניזם מתרחשים בתוך התוכן המימי של הציטופלזמה של התא. תכונות מיוחדות של מים הן קיבולת החום הגבוהה וחום האידוי, יכולתם להמיס מולקולות קוטביות, תכונות הלכידות והדביקות שלהם ופירוקם ליונים המוביל לבסיס ה-pH. הבנת מאפיינים אלו של מים עוזרת להבהיר את חשיבותם בשמירה על החיים.

אחת התכונות החשובות של המים היא היותם מולקולה קוטבית: המימן והחמצן בתוך מולקולות המים (H₂O) יוצרים קשרים קוולנטיים קוטביים. בעוד שאין מטען נטו למולקולת מים, הקוטביות של המים יוצרת מטען מעט חיובי על מימן ומטען מעט שלילי על חמצן, מה שתורם לתכונות המשיכה של המים. מים מייצרים מטענים מכיוון שחמצן הוא אלקטרושלילי יותר ממימן, מה שהופך את הסבירות לכך שאלקטרון משותף יהיה ליד גרעין החמצן מאשר גרעין המימן, ובכך יוצר את המטען השלילי החלקי ליד החמצן.

כתוצאה מקוטביות המים, כל מולקולת מים מושכת מולקולות מים אחרות בגלל המטענים ההפוכים בין מולקולות המים, ויוצרות קשרי מימן. מים גם מושכים או נמשכים למולקולות ויונים קוטביים אחרים. חומר קוטבי שמקיים אינטראקציה קלה עם מים או מתמוסס במים הוא הידרופילי. לעומת זאת, מולקולות לא קוטביות כגון שמנים ושומנים אינן מקיימות אינטראקציה טובה עם מים. תרכובות לא קוטביות אלו הינן הידרופוביות.

מולקולות אורגניות

חלבונים, פחמימות, חומצות גרעין ושומנים הם ארבעת המחלקות העיקריות של מקרומולקולות ביולוגיות - מולקולות גדולות הנחוצות לחיים הבנויות ממולקולות אורגניות קטנות יותר. מקרומולקולות מורכבות מיחידות בודדות שמדענים מכנים מונומרים המחוברים בקשרים קוולנטיים ליצירת פולימרים גדולים יותר. הפולימר הוא יותר מסך חלקיו: הוא מקבל מאפיינים חדשים ומוביל ללחץ אוסמוטי נמוך בהרבה מזה שנוצר על ידי מרכיביו. זהו יתרון חשוב בשמירה על תנאים אוסמוטיים תאיים. מונומר מצטרף עם מונומר אחר עם שחרור מולקולת מים, מה שמוביל ליצירת קשר קוולנטי. מדענים קוראים לזה תגובות התייבשות או עיבוי. כאשר פולימרים מתפרקים ליחידות קטנות יותר (מונומרים), הם משתמשים במולקולת מים עבור כל קשר שנשבר על ידי תגובות אלה. תגובות כאלה הן תגובות הידרוליזה. תגובות התייבשות והידרוליזה דומות עבור כל המקרומולקולות, אך כל תגובה מונומר ופולימר היא ספציפית למעמד שלה. תגובות התייבשות דורשות בדרך כלל השקעת אנרגיה ליצירת קשרים חדשים, בעוד שתגובות הידרוליזה בדרך כלל משחררות אנרגיה על ידי שבירת קשרים.

פחמימותפחמימות הן קבוצה של מקרומולקולות המהוות מקור אנרגיה חיוני לתא ומספקות תמיכה מבנית לתאי הצמח, לפטריות ולכל פרוקי הרגליים הכוללים לובסטרים, סרטנים, שרימפס, חרקים ועכבישים. ניתן לסווג פחמימות לחד-סוכרים, דו-סוכרים ופולי-סוכרים. אחסון גלוקוז, בצורה של פולימרים כמו עמילן או גליקוגן, הופך אותו מעט פחות נגיש למטבוליזם; עם זאת, הדבר מונע ממנו לדלוף החוצה מהתא או ליצור לחץ אוסמוטי גבוה שעלול לגרום לתא לספוג עודף מים.

חלבוניםחלבונים הם סוג של מקרומולקולות המבצעות מגוון רחב של פונקציות עבור התא. הם עוזרים בחילוף החומרים על ידי פעולתם כאנזימים, נשאים או הורמונים ומספקים תמיכה מבנית. אבני הבניין של חלבונים הן חומצות אמינו.

ליפידים ליפידים הם מחלקה של מקרומולקולות שאינן קוטביות והידרופוביות בטבען. הסוגים העיקריים כוללים שומנים ושמנים, שעווה, פוספוליפידים וסטרואידים. שומנים הם צורה מאוחסנת של אנרגיה ומוכרים גם כטריאצילגליצרולים או טריגליצרידים. כולסטרול הוא סוג של סטרואידים ומהווה מרכיב חשוב בממברנת הפלזמה, שם הוא עוזר לשמור על אופי הנוזל של הממברנה.

חומצות גרעיןחומצות גרעין הן מולקולות המורכבות מנוקלאוטידים המכוונים את הפעילויות התאיות כגון חלוקת תאים וסינתזת חלבון. ישנם שני סוגים של חומצות גרעין: DNA ו-RNA. ה-DNA נושא את השרטוט הגנטי של התא ומעביר אותו מההורים לצאצאים. RNA מעורב בסינתזת חלבון ובוויסות שלו.

יונים אנאורגניים

יונים אנאורגניים מהווים פחות מ-1% ממסת התא אך הם קריטיים לתפקוד התא. אלו המצויים בתא כוללים נתרן, אשלגן, מגנזיום, סידן, פוספט וכלוריד.

טקסט זה מותאם מOpenstax, Biology 2e, Unit 1: The Chemistry of Life.