שאלון: Quiz

במה השאלה עוסקת: אוסמוזה, אוסמולריות, אוסמולליות ולחץ אוסמוטי

תשובה א. כדי לענות על שאלה זו נתחיל בלהכיר מונח בסיסי יותר והוא אוסמול (osmol). אוסמול הוא יחידת מידה למספר המומסים בתמיסה. כך למשל, אם יש מול אחד של מלח (NaCl), יש שני אוסמול חלקיקים כיון שכל מולקולה של NaCl מתפרקת ל-Na ו-Cl בתמיסה מימית. אוסמולליות היא מדד לריכוז המומסים בתמיסה, כלומר מספר המומסים (אוסמול) בק”ג אחד של ממס. אוסמולריות היא מספר המומסים (אוסמול) בליטר אחד של ממס. אוסמולליות היא מדד יותר מדויק כיון שנפח משתנה בהתאם לטמפרטורה בעוד מסה אינה משתנה. למשל בטמפרטורה גבוהה, אוסמולריות התמיסה עלולה לרדת (מכיוון שנפח התמיסה גדל) אך האוסמולליות תישאר אותו דבר (מכיוון שמסת התמיסה לא השתנה) .

אוסמוזה היא מעבר מים ממקום בו הלחץ האוסמוטי נמוך למקום בו הלחץ האוסמוטי גבוה. חשוב להבדיל בין לחץ אוסמוטי ובין אוסמולריות ואוסמולליות. תחילה כיון שהם מודדים דברים שונים, לחץ אוסמוטי מודד את מידת הלחץ שמופעל על הממברנה על ידי המומסים הבלתי חדירים. אוסמולריות ואוסמולליות הם מדדים לריכוז המומסים בתמיסה. סיבה נוספת להבחנה בין המונחים היא שלחץ אוסמוטי נוצר על ידי מומסים שאינם חודרים את הממברנה (מומסים אפקטיביים), בעוד אוסמולריות ואוסמולליות מודדים את כלל המומסים, ללא הבחנה אם הם חודרים או שאינם חודירם את ממברנת התא.

שלילת מסיחים:

ב. אוסמולריות אומדת את ריכוז החלקיקים ב-1 ליטר של ממס.

ג. אוסמולליות אומדת את ריכוז החלקיקים ב-1 ק”ג של ממס.

ד. כאמור קיים הבדל בין שני המונחים כפי המתואר בתשובה לסעיף א’.

במה השאלה עוסקת: תגובות מסוג RVI ו-RVD

תשובה א. טוניות היא מדד השוואתי לריכוז מומסים אפקטיביים בשתי תמיסות שונות. מומסים אפקטיביים הם מומסים שיוצרים לחץ אוסמוטי כיון שאינם חוצים את הממברנה. כאשר מדברים על טוניות קיימים שלושה יחסים בין שתי תמיסות: איזוטוני, היפרטוני והיפוטוני. תמיסות איזוטוניות הן תמיסות עם אותה כמות מומסים אפקטיביים, תמיסה היפרטונית היא תמיסה עם יותר מומסים אפקטיביים ביחס לתמיסה אחרת ותמיסה היפוטונית היא תמיסה עם פחות מומסים אפקטיביים ביחס לתמיסה אחרת. כאשר מכניסים תא לתמיסה היפוטונית (כלומר תמיסה בעלת פחות מומסים אפקטיביים), מים נכנסים באופן כמעט מידי לתוך התא כדי להגיע למצב שתוך התא וחוץ התא הם איזוטונים אחד לשני. בכדי למנוע התנפחות נוספת של התא בעקבות כניסת מים, קיים מנגנון המכונה RVD (regulatory volume decrease). במנגנון זה מוצאים מומסים אפקטיביים מהתא ובכך מופחת הלחץ האוסמוטי בתוך התא ונפח התא חוזר לנפח נורמלי. לאחר הוצאת המומסים מהתא, שתי התמיסות (חוץ ופנים התא) הן איזוטוניות, כאשר האוסמולליות שלהן נמוכה מהערכים הסטנדרטים של התא. ישנם טרנפורטרים רבים שמוערבים בתגובה זו וכמו כן מולקולות רבות הכוללות יונים ומולקולות אורגניות שונות. דוגמה ליונים שיוצאים מהתא כחלק מתגובת RVD היא יציאה של אשלגן וכלור (KCl), בין אם זה באמצעות סימפורטר או באמצעות תעלות ספציפיות לכל יון. 

שלילת מסיחים:

ב. בתגובת RVD התא מוציא מומסים ומים ובכך מפחית את גודלו וכל זאת כיון שהוא נחשף לתמיסה היפוטונית. בתמיסה היפוטונית יש ריכוז מומסים אפקטיביים נמוך באשר בתא, ומים נכנסים כדי להשוות ריכוזים. התא רוצה למנוע התנפחות נוספת והמנגנון לעשות זאת הוא באמצעות הוצאת מומסים. במידה והתא יכניס מומסים התוצאה תהיה הפוכה כיון שמים יוסיפו להיכנס לתא ונפחו יגדל. תהליך זה של גדילת התא מכונה RVI (regulatory volume increase) והוא מתרחש באופן טבעי בתגובה לחשיפת התא לתמיסה היפרטונית. במקרה של חשיפת התא לתמיסה היפרטונית, בתמיסה החיצונית של התא יש יותר מומסים אפקטיביים ומים נעים החוצה מהתא כדי ליצור מצב בו התמיסות איזוטוניות. ביציאת מים יש סכנה של איבוד נפח ולכן התא מכניס מומסים כגון נתרן וכלור (NaCl). הכנסת המומסים מעלה את הלחץ האוסמוטי בתא כיון שהמומסים גוררים אחריהם מולקולות מים. חשוב לציין שהכנסה זו של מומסים מעלה את אוסמולליות התא לערך גבוה מהערך הסדנרטי של התא. כלומר, אמנם חוץ ופנים התא איזוטוניים, אך לשניהם ערכים אוסמולליים גבוהים מהנורמה וזאת בעקבות חשיפת התא לתמיסה היפרטונית.

ג. ב-RVD יש תנועה של נוזלים החוצה מן התא אך הנוזלים נעים בעקבות המומסים. הרעיון המרכזי בתגובה זו הוא מעבר מהיר של מומסים אפקטיביים החוצה מהתא או הכנסתם לתוך התא. ניתן להניח שבמידה ונוזלים היו הרכיב המרכזי בתגובה, היינו מצפים למנגנון אחר כמו למשל רגולציה על תעלות מים. 

ד. ב-RVI יש תנועה של נוזלים פנימה אל התא אך הנוזלים נעים בעקבות המומסים. הרעיון המרכזי בתגובה זו הוא מעבר מהיר של מומסים אפקטיביים החוצה מהתא או הכנסתם לתוך התא. ניתן להניח שבמידה ונוזלים היו הרכיב המרכזי בתגובה, היינו מצפים למנגנון אחר כמו למשל רגולציה על תעלות מים. 

תשובה ב. טרנספורטרים ניתנים לשתי סוגי חלוקות (כמעט) בלתי תלויות: חלוקה ראשונה בהתאם לדרישות האנרגטיות (פסיבי, אקטיבי שניוני ואקטיבי ראשוני) וחלוקה שניה בהתאם למנגנון הפעולה (תעלות – חור סלקטיבי בממברנה, נשאים – אנזימים ומשאבות – אנזימים עם פעילות ATPase). בפתרון זה נדון בעיקר בסוג החלוקה הראשון, כלומר בחלוקה על פי דרישות אנרגטיות. תחילה נבדיל בין טרנספורט פסיבי לטרנספורט אקטיבי: טרנספורט פסיבי הוא מעבר של חומר עם המפל האלקטרוכימי שלו, ללא השקעת אנרגיה. טרנספורט פסיבי שמתרחש דרך טרנספורטר מכונה גםfacilitated diffusion  (מונח זה מתייחס למעבר פאסיבי דרך כל טרנספורטר, בין אם נשא ובין אם תעלה). טרנספורט אקטיבי דורש השקעת אנרגיה ומחולק לשניים: טרנספורט אקטיבי ראשוני (primary active transport) וטרנספורט אקטיבי שניוני (secondary active transport). טרנספורט אקטיבי ראשוני הוא שימוש בהידרוליזת ATP לצורך העברת חומר מסוים לצד השני של הממברנה כנגד המפל האלקטרוכימי שלו (הטרנספורטרים שמבצעים זאת מכונים גם משאבות). טרנספורט אקטיבי שניוני הוא מעבר שיש בו שימוש במפל ריכוזים של חומר אחר (אשר הושג באמצעות הידרוליזת ATP), לצורך העברת חומר מסוים לצידה השני של הממברנה כנגד המפל האלקטרוכימי שלו. 

כעת, מתוך שלושת מנגנוני הפעולה (תעלות, נשאים ומשאבות) נתמקד בנשאים ונעבור על עוד כמה מושגים בסיסיים הנוגעים אליהם. ישנם שלושה מנגנוני העברה של נשאים:  יוניפורטר (Uniporter), סימפורטר (co-transporter/symporter) ואנטיפורטר (antiporter). במנגנון מסוג יוניפורטר, נשאים מעבירים מולקולה אחת מצד אחד של הממברנה לצידה השני. נשא מסוג זה תמיד מעביר מולקולות עם המפל האלקטרוכימי שלהן. חשוב להדגיש שהעברה באמצעות יוניפורטר היא אינה העברה אקטיבית ראשונית כיון שיוניפורטר מעביר לפי המפל האלקטרוכימי של המולקולה, כלומר באופן פסיבי. במנגנון סימפורטר נשאים מעבירים בו זמנית מספר מולקולות לאותו הכיוון. נשא מסוג זה תמיד מעביר לפחות מולקולה אחת בניגוד למפל האלקטרוכימי שלה “על חשבון” מולקולה אחרת שנעה עם מפל הריכוזים שלה. במנגנון אנטיפורטר נשאים מעבירים בו זמנים מספר מולקולות אך לכיוונים הפוכים. כמו סימפורטר, נשא מסוג זה תמיד מעביר מולקולה אחת בניגוד למפל האלקטרוכימי שלה. 

בשאלה מוצג מצב בו טריפטופן (Tryptophan) וגליצין (Glycine) מועברים דרך דופן התא באותו כיוון. כיון שמדובר בשתי מולקולות שמועברות באותו הכיוון, ניתן להסיק שמדובר בסימפורטר ולא באנטיפורטר או ביוניפורטר. כעת בהסתמך על הידע שלנו אודות העברה אקטיבית שניונית, אנחנו יכולים להסיק שהסיבה שהתא מכניס את שתי המולקולות באותו טרנספורטר, היא שימוש במפל האנרגטי של אחת מן המולקולות בכדי להכניס את המולקולה הנוספת כנגד המפל האלקטרוכימי שלה. סוג כזה של העברה מכונה העברה אקטיבית שניונית.

שלילת מסיחים:

א. הטרנספורטר הוא אכן מסוג סימפורטר אך ההעברה היא העברה אקטיבית שניונית. העברה אקטיבית ראשונית דורשת שימוש ישיר על ידי הטרנספורטר ב-ATP לצורך המעבר. במידה וזה היה המקרה, אין סיבה ששני החומרים יועברו יחדיו דרך אותו טרנספורטר. העובדה שמדובר בשני חומרים שמועברים יחדיו אמורה לרמוז כי מדובר בסימפורטר ובהעברה אקטיבית שניונית. 

ג. הטרנספורטר הוא אכן מסוג סימפורטר אך בניגוד לכתוב במסיח יש שימוש באנרגיה בעת ההעברה. כאמור, העובדה שמדובר בשני חומרים שמועברים יחדיו אמורה לרמוז כי מדובר בסימפורטר ובהעברה אקטיבית שניונית. דוגמה להעברה אקטיבית שניונית ע”י סימפורטר היא באמצעות הנשא SGLT1 שמעביר נתרן וגלוקוז מהמעי הדק והכליה, פנימה אל תאי האפיתל. במקרה זה, הסימפורטר משתמש בכוח המניע של נתרן לתוך התא, כדי להכניס גלוקוז כנגד מפל הריכוזים שלו. הריכוז הנמוך של נתרן בתוך התא נשמר על ידי משאבת נתרן-אשלגן, שבעזרת ATP מוציאה נתרן מהתא ומכניסה אשלגן, כנגד מפל הריכוזים של שניהם.

ד. אמנם ההעברה היא אקטיבית שניונית אך הטרנספורטר הוא סימפורטר ולא אנטיפורטר וזאת כיון שהוא מעביר את שתי המולקולות באותו הכיוון, דרך דופן התא, ולא בכיוונים מנוגדים.

במה השאלה עוסקת: טרנספורט אפיתליאלי

תשובה א. תאי האפיתל חוצצים בין הסביבה החיצונית לסביבה הפנימית של הגוף. דוגמאות לכך הן תאי אפיתל העור שחוצצים בין הבגדים שאנו לובשים לבפנוכו, תאי אפיתל המעי שחוצצים בין האוכל שאנו אוכלים למחזור הדם וכמובן שיש דוגמאות נוספות. הצד שמופנה לסביבה הפנימית, כלומר לתוך הגוף, הוא הצד הבזאלי ואילו הצד שמופנה לסביבה החיצונית, כמו האויר והמעי, הוא הצד האפיקלי. תפקיד נוסף שיש לתאי האפיתל הוא להוות מחסום בררני שמכניס חומרים שצריך לספוג בחזרה לגוף ולא מכניס חומרים שיש להוציא מהגוף. לדוגמה, נתרן כמעט אינו מופרש בשתן ורובו נספג בחזרה על ידי תאי האפיתל שבכליות. האופן שבו הוא נספג חזרה הוא באמצעות תעלות נתרן שמכניסות נתרן עם המפל האלקטרוכימי שלו. מבחינת הפרשי ריכוזים, כיון שבתוך התא ריכוז הנתרן נשמר נמוך, יש לנתרן כוח מניע להיכנס לתא. מבחינה חשמלית, תוך התא יותר שלילי ביחס לחוץ התא והסיבה לכך הן תעלות הדלף לאלשגן שמוציאות אשלגן באופן קבוע מן התא (מהממברנה הבאזולטרלית) ובכך משפיעות על מתח הממברנה. כלומר, המפל האלקטרוכימי של נתרן הוא פנימה לתוך התא ולכן לא נדרשת השקעת אנרגיה כדי להכניסו ומספיק לבטא תעלות בצד האפיקלי בכדי שנתרן יכנס לתא. כדי לשמור על ריכוזי יונים קבועים, התא מבטא משאבות נתרן אשלגן והוא עושה זאת בצד הבאזולטרלי. הסיבה לכך היא שהתא לא מעוניין להפריש נתרן החוצה מהגוף ואף להפך, הוא מעוניין לספוג נתרן שהופרש. ביטוי משאבות נתרן-אשלגן בצד הבאזולטרלי מאפשר מעבר של נתרן מהסביבה החוץ תאית, דרך הממברנה האפיקלית עד הממברנה הבאזולטרלית שם משאבות נתרן-אשלגן מוציאות אותו מהתא ומחזירות אותו לגוף. סוג כזה של מעבר, שחוצה את הממברנה האפיקלית ואת הממברנה הבאזולטרלית, מכונה מעבר טרנסצלולארי (trnascellular). ישנו סוג מעבר נוסף דרך תאי אפיתל המכונה פאראצלולאר (paracellular). במעבר מסוג זה חומרים אינם עוברים דרך ממברנות התא, אלא דרך חלבונים שנמצאים במרווחים שבתאי האפיתל ומכונים tight junctions. חשוב לסייג את הנאמר בכך שמשאבות נתרן אשלגן ממוקמות בצד הבאזולטרלית, כיון שעקרון זה נכון לכל תאי האפיתל בגוף מלבד התאים ב-choroid plexus. ה-choroid plexus  זה מבנה השייך לחדרי המוח והוא אחראי על יצירה והפרשה של ה-cerebrospinal fluid  (CSF). בתאי אפיתל אלו, משאבת הנתרן-אשלגן נמצאת בצד האפיקלי. 

שלילת מסיחים:

ב. התא מעוניין לספוג נתרן מהצד האפיקלי ועל כן זה יחשב בזבזני מצדו לבטא משאבות נתרן-אשלגן בצד זה. כמו כן, ביטוי המשאבות בצד הבאזולטרלי מאפשר לספוג את הנתרן בחזרה לגוף.

ג. התא מעוניין לספוג נתרן מהצד האפיקלי ועל כן זה יחשב בזבזני מצדו לבטא משאבות נתרן-אשלגן בצד זה. כמו כן, ביטוי המשאבות בצד הבאזולטרלי מאפשר לספוג את הנתרן בחזרה לגוף.

ד. כפי שכתוב בתשובה לסעיף א’, משאבות נתרן-אשלגן קיימות רק בצד הבאזולטרלי.

במה השאלה עוסקת: טוניות ומדורי המים בגוף

תשובה א. מדורי המים בגוף מחולקים לשניים, תוך התא וחוץ התא ויחד הם מהווים כ-60% ממשקל הגוף. המדור החוץ תאי מחולק גם הוא לשני תת מדורים, הפלסמה (plasma) והנוזל הבין רקמתי (interstitial fluid). תתי המדורים במדור החוץ תאי מופרדים על ידי קירות מערכת הדם שחדירות ליונים ומולקולות קטנות ואינן חדירות לחלבונים. כעת, כדי לענות על השאלה נזכר במשמעות המושג טוניות. טוניות היא מדד לריכוז מומסים אפקטיביים בתמיסה, כלומר מומסים שאינם חוצים את הממברנה. זהו מונח השוואתי בין שתי תמיסות שונות. תמיסות איזוטוניות הן תמיסות עם אותה כמות מומסים אפקטיביים, תמיסה היפרטונית היא תמיסה עם יותר מומסים אפקטיביים ביחס לתמיסה אחרת ותמיסה היפוטונית היא תמיסה עם פחות מומסים אפקטיביים ביחס לתמיסה אחרת. מונח נוסף שחשוב להבינו בהקשר לשאלה הוא אוסמולליות. אומולליות היא מדד לריכוז המומסים בתמיסה, כלומר מספר המומסים (אוסמול) בק”ג אחד של ממס.

בשאלה הוכנסה לפלסמה תמיסה היפרטונית, כלומר תמיסה שמכילה יותר מומסים אפקטיביים ביחס לערכים נורמליים בתא. כיון שהפלסמה והנוזל הבין רקמתי מופרדים ע”י קרום חדיר, ניתן לייחס לכל הנוזל החוץ תאי אוסמולליות זהה כמו לפלסמה, כלומר גבוהה יותר מפנים התא. בשלב הבא, כיון שחוץ התא היפרטוני ביחס לתוך התא מים ינועו מתוך התא החוצה בכדי להגיע לשיווי משקל. תנועה זו של המים תוריד את ערכי האוסמולליות במדור החוץ תאי ותעלה את ערכי האוסמולליות במדור התוך תאי. חשוב לציין שהתנועה מתבצעת ע”י מים ולא ע”י המומס כיון שמדובר במומסים אפקטיביים שלא יכולים לחצות את הממברנה. כמו כן מעבר המים מתוך התא החוצה, יגרום לתא לאבד מנפחו. לפיכך יציאת המים מובילה לשתי תוצאות: הקטנת נפח הפלסמה והגדל האוסמולליות.

שלילת מסיחים:

ב. בשאלה מוצג מצב בו לפלסמה מוזרקת תמיסה היפרטונית, קרי בעלת ריכוז מומסים אפקטיביים גבוה יותר ביחס לתוך התא. מצב כזה מחייב את התא להוציא מים והוצאה זו תגרום להקטנת נפחו. בכדי שנפח המדור התוך תאי יגדל, יש להכניס לפזמה תמיסה היפוטונית, קרי תמיסה בעלת ריכוז מומסים אפקטיביים נמוך ביחס לתוך התא. במצב זה מים יכנסו לתוך התא וזאת בכדי להפוך את התמיסות לתמיסות איזוטוניות.

ג. האוסמולליות התוך תאית תקטן במידה ותוכנס תמיסה היפוטונית לפלסמה, כלומר תמיסה בעלת ריכוז נמוך יותר של מומסים אפקטיביים. במצב זה, מים יכנסו לתא בכדי להפוך את התמיסות לאיזוטוניות. הכניסה של המים לתוך התא תגרום לתוך התא להקטין את האוסמולליות שלו, אולם זה לא המצב המתואר בשאלה.

ד. כפי מתואר בתשובה לסעיף א’, האוסמולליות תגדל וזאת באמצעות הוצאה של מים מהתא. יחד עם זאת, הוצאת המים מהתא תגרום לתא לאבד מנפחו, כלומר ההפך ממה שכתוב במסיח זה.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 12-16 (אוסמוזה); 19-22 (מדורי המים בגוף).

במה השאלה עוסקת: טוניות ומדורי המים בגוף

תשובה ג. מים מזוקקים הם מים ללא מומסים כלל ולכן ערך האוסמולליות שלהם הוא אפס. תמיסה של מים מזוקקים היא היפוטונית לפלסמה. טוניות היא מדד לריכוז מומסים אפקטיביים בתמיסה, כלומר מומסים שאינם חוצים את הממברנה. זהו מונח השוואתי בין שתי תמיסות שונות. תמיסות איזוטוניות הן תמיסות עם אותה כמות מומסים אפקטיביים, תמיסה היפרטונית היא תמיסה עם יותר מומסים אפקטיביים ביחס לתמיסה אחרת ותמיסה היפוטונית היא תמיסה עם פחות מומסים אפקטיביים ביחס לתמיסה אחרת. הכנסה של תמיסה היפוטונית תוריד את ערך האוסמולליות בפלסמה (plasma) ובכל המדור החוץ תאי. לצורך תזכורת המדור החוץ תאי מחולק לשני מדורים, הפלסמה והנוזל הבין רקמתי (interstitial fluid). תתי מדורים אלו מופרדים על ידי קירות מערכת הדם שחדירות ליונים ומולקולות קטנות ואינן חדירות לחלבונים. כלומר, ההשפעה על המדור החוץ תאי היא הורדת האוסמולליות ונוסף לכך הגדלת הנפח. הנפח החוץ תאי יגדל כיון שהוספנו תמיסה ודבר זה לבדו גורר עלייה בנפח. 

כעת ננסה להבין את ההשפעה על המדור התוך תאי. המדור התוך תאי מופרד על ידי ממברנה בררנית, אולם מים עוברים בממברנה זו באמצעות תעלות המכונות אקוופורינים (aquaporins). מיד לאחר הוספת התמיסה האוסמולליות בחוץ התא קטנה והתמיסה החוץ תאית נהייתה היפוטונית ביחס לתמיסה התוך תאית. לפיכך, הכוח המניע של המים הוא להיכנס לתא וזאת כדי להפוך את התמיסות לאיזוטוניות. כניסה של מים לתוך התא מעלה את כמות הממס (מים) בתוך התא בעוד כמות המומס נשארת זהה. מים נכנסים לתא עד שחוץ התא ופנים התא מגיעים לשיווי משקל חדש בו שני המדורים הם איזוטונים אחד לשני. כפי שקרה לחוץ התא, הכניסה של מים לתוך התא גרמה לנפח התוך תאי לגדול ולאוסמולליות התוך תאית לקטון.

שלילת מסיחים:

א. מסיח זה נכון בחלקו, אמנם הנפח החוץ תאי יגדל עקב הוספת התמיסה, האוסמולליות דווקא תקטן. הסיבה לכך היא שהוספנו תמיסה היפוטונית כלומר בעלת מספר מומסים קטן יותר (ובשאלה זו ללא מומסים כלל). פעולה זו מגדילה את כמות הממס ולא משנה את כמות המומס. אוסמולליות היא מספר מומסים, אוסמול, לקילו ממס. כיון שהגדלנו את כמות הממס, מספר המומסים לקילו ממס ירד. כמו כן הנפח התוך תאי יגדל ולא יקטן עקב כניסה של מים לתא כפי שמתואר בתשובה לסעיף ג’.

ב. כיון שהאוסמולליות בחוץ התא קטנה בעקבות הוספת התמיסה, מים יכנסו לתוך התא כדי להשוות את ערכי האוסמולליות בין המדורים. הדבר יוביל לכך שנפח התא יגדל והאוסמולליות בו תרד וזאת בניגוד למתואר במסיח זה.

ד. מסיח זה מתאר נכונה שהאוסמולליות בחוץ ובתוך תאית תקטן, אולם נפחם של מדורים אלו יגדל. נפחם יגדל בעקבות הוספת התמיסה לחוץ התא וכן כניסה של מים לתוך התא. 

במה השאלה עוסקת: טרנספורטרים – תעלות ונשאים

תשובה ב. קצב הטרנספורט דרך תעלה הוא מהיר יותר כיון שתעלה לא נדרשת לבצע שינוי קונפורמציה, בעוד שנשא, לאחר קישור הסובסטרט, חייב לשנות קונפורמציה ולשחרר את החומר בצדה השני של הממברנה. תעלה היא למעשה חור סלקטיבי בממברנה ולכן חומרים עוברים דרכה באופן מהיר יותר. הבדל נוסף בין שני הטרנספורטרים הוא האופן שבו כל אחד מגיב לריכוזי סובסטרט עולים. עבור חומר שעובר בדיפוזיה דרך תעלות, קצב הדיפוזיה יגדל באופן ליניארי כתלות בריכוזי סובסטרט עולים. לעומת זאת, דיפוזיה דרך נשא מתנהגת באופן דומה לקינטיקת מיכאליס מנטן. במודל מיכאליס מנטן, בריכוזי סובסטרט גבוהים האנזים (או הנשא) מגיע לרוויה כאשר הוספה של סובסטרט נוסף לא תגדיל את המהירות. למעשה המהירות בנקודה זו היא המהירות המקסימלית.

שלילת מסיחים:

א. חוק פיק מודד דיפוזיה פשוטה ולא דיפוזיה דרך תעלות או נשאים. דיפוזיה פשוטה היא דיפוזיה שלא נעזרת באף חלבון לצורך המעבר ומתרחשת עם מפל הריכוזים. ניתן לחשב קצב מעבר דרך תעלה אבל הדבר נובע מהתכונות של התעלה, מטען חשמלי וכדומה, חישובים שאינם רלוונטים עבורכם. כן חשוב להבין שעבור חומר שחודר את הממברנה בקלות בדיפוזיה פשוטה, קצב הדיפוזיה יתנהג באופן דומה לדיפוזיה דרך תעלות. ככלל, קצב הדיפוזיה יגדל באופן ליניארי כתלות בריכוזי סובסטרט עולים. יחד עם זאת יש הבדלים בין דיפוזיה פשוטה ודיפוזיה דרך תעלה כמו למשל שתעלה יכולה להיסגר, וכן כפי שציינתי תכונות נוספות שיש לתעלות.

ג. ישנם מצבים בהם חומרים נעים כנגד מפל הריכוזים שלהם כמו למשל במקרה של יונים שהן מולקולות טעונות. עבור יונים ישנם שני כוחות שקובעים את כוון תנועתם, הכוח החשמלי והפרשי הריכוזים. כאשר הכוח החשמלי למשל גדול יותר מהכוח הנובע ממפל הריכוזים, היון ינוע כנגד מפל הריכוזים שלו עד אשר שני הכוחות יתאזנו. פוטנציאל אלקטרוכימי הוא ערך שמשלב את שני הכוחות הללו וניתן להסתכל עליו ככמות האנרגיה הפוטנציאלית שתשתחרר בעת העברת המולקולה בין צדדי הממברנה (מחושב ב-Juole). ניתן לחשב פוטנציאל אלטקרוכימי של חומר באמצעות הנוסחה הבאה: μx= RTlnXiXo+ZxFVm, כאשר R הוא קבוע הגזים, T טמפרטורה, Xi ריכוז בתוך התא, Xo ריכוז מחוץ לתא, Zx ערכיות היון,F  קבוע פאראדיי ו- Vm מתח הממברנה. כאשר שני הכוחות משתווים היון מגיע לשיווי המשקל שלו והפוטנציאל האלקטרוכימי משתווה ל-0.

ד. ישנם נשאים שמעבירים חומרים עם מפל הריכוזים וכנגד מפל הריכוזים. נשאים שמעבירים חומר כנגד מפל הריכוזים צורכים לשם כך אנרגיה וטרנספורט מסוג זה מכונה טרנספורט אקטיבי. נשאים שדורשים אנרגיה לצורך ההעברה והאנרגיה שלהם אינה מגיעה מ-ATP, פועלים במנגנון המכונה טרנספורט אקטיבי שניוני. בטרנספורט אקטיבי שניוני יש שימוש במפל ריכוזים של חומר X (אשר הושג באמצעות הידרוליזת ATP), לצורך העברת חומר Y לצידה השני של הממברנה כנגד המפל האלקטרוכימי שלו. מנגנון העברה זה יכול להיות סימפורטר (co-transporter/symporter) או אנטיפורטר (antiporter). תעלות בהכרח מעבירות חומרים באופן פסיבי, כלומר עם המפל האלקטרוכימי של המולקולה ולכן לא צורכות אנרגיה לשם כך.

ה. תעלות ונשאים הם טרנספורטרים בררניים ולכן אינם יכולים להעביר דרכם מספר סוגים של יונים. בתעלות למשל יש סלקציה לפי גודל היון וצפיפות המטען החשמלי שלו ולכן הן סלקטיביות ליון מסוים. חשוב לסייג אמירה זו בכך שישנן תעלות שפחות בררניות ויכולות להעביר יונים בעלי מכנה משותף כמו למשל יונים חיוביים- נתרן ואשלגן.

במה השאלה עוסקת: העברה טרנסצלולארית ופאראצלולארית

תשובה א. בתאי אפיתל יש טרנספורטרים שונים בכל צד וטרנספורטרים אלו קובעים את הפרשי המתח בין הממברנה האפיקלית והבאזולטרלית. הסיבה לכך היא שהם מכניסים או חוסמים את כניסתם של יונים מסוימים שהם היוצרים של מטען חשמלי בממברנה. בשאלה מוצג מצב סטנדרטי בתא אפיתל בו בצד האפיקלי יש תעלות נתרן ובצד הבאזולטרלי יש משאבות נתרן-אשלגן ותעלות אשלגן. תעלות נתרן בצד האפיקלי מלמדות על כך שקיים גרדיאנט של נתרן לתוך התא. הגרדיאנט הוא לתוך התא כיון שריכוז הנתרן בתא נשמר נמוך מאוד. תאי אפיתל שמבטאים תעלות נתרן בצד האפיקלי קיימים למשל בכליה ובמעי ומטרתם לספוג מחדש נתרן בכדי שלא יופרש. לאחד כניסתו של נתרן לתא, משאבת נתרן אשלגן מוציאה אותו לצד הבאזולטרלי בעזרת אנרגיה מ-ATP. סוג כזה של מעבר, שחוצה את הממברנה האפיקלית ואת הממברנה הבאזולטרלית, מכונה מעבר טרנסצלולארי (trnascellular).

כאשר נתרן עובר לצד הבאזולטרלי נוצר הפרש מתחים בין הממברנות והסיבה לכך היא שמטען חיובי עזב את הממברנה האפיקלית ועבר לממברנה הבאזולטרלית. כלומר, הממברנה האפיקלית היא כעת שלילית יותר ביחס לממברנה הבאזולטרלית. חשוב לציין שהפרש מתחים נמדד בדרך כלל בין שני צדי הממברנה, אולם במקרה זה בו מודדים שתי ממברנות, משווים בין חוץ התא של כל ממברנה. הפרש המתחים גורם לכלור לעבור גם הוא את שתי הממברנות וזאת כדי לאזן את הפרש המטענים שנוצר. האופן שבו כלור עובר הוא פאראצלולארי (paracellular). במעבר מסוג זה חומרים אינם עוברים דרך ממברנות התא, אלא דרך חלבונים שנמצאים במרווחים שבתאי האפיתל ומכונים tight junctions. מעבר פאראצלולארי הוא תמיד מעבר פסיבי, כלומר עם המפל האלקטרוכימי של החומר.

שלילת מסיחים:

ב. בשאלה, כלור עובר בעקבות נתרן והסיבה לכך היא שנתרן גורם להפרש מטענים משני צדי הממברנה. הפרש המטענים יוצר עבור כלור כוח מניע חשמלי שמושך אותו לעבור באופן פאראצלולארי. 

ג. הממברנה האפיקלית שלילית יותר מהממברנה הבאזולטרלית וזאת עקב מעבר נתרן לצדו השני של תא האפיתל. כאשר מטען חיובי עוזב את הממברנה האפיקלית הוא למעשה הופך אותה לשלילית יותר וכמו כן כאשר הוא עובר לממברנה הבאזולטרלית הוא הופך אותה לחיובית יותר.

ד. רקמת אפיתל מפרישה היא רקמה שמוציאה חומר מהתא דרך הממברנה האפיקלית. לדוגמה, במקרה של מערכת הכלייה, הNaCl- שיצא מהתא יופרש בשתן. תהליך זה הוא אינו מה שמוצג בשאלה כיון שבשאלה מוצג תרחיש בו יש כניסה של נתרן לתוך התא (מהצד האפיקלי). תהליך זה מכונה ספיגה כיון שהוא מונע הפרשה של נתרן ומחזיר אותו לתוך הגוף. דוגמה למכניזם בו מתרחשת הפרשה היא העברה של כלור מהצד הבאזולטרלי אל עבר הצד האפיקלי באופן טרנסצלולארי. לאחר המעבר נתרן עוקב אחרי כלור, אך הפעם הוא זה שעובר באופן פאראצלולארי ו-NaCl מופרש מהגוף. 

תשובה ג. אוסמול (osmol) היא יחידת מידה למספר המומסים בתמיסה. כך למשל, אם יש מול אחד של מלח (NaCl), יש שני אוסמול חלקיקים כיון שכל מולקולה של NaCl מתפרקת ל-Na ו-Cl. אוסמולליות היא מדד לריכוז המומסים בתמיסה, כלומר מספר המומסים (אוסמול) בק”ג אחד של ממס. לצורך התזכורת, אוסמולריות היא מספר המומסים (אוסמול) בליטר אחד של ממס. אוסמולליות היא מדד יותר מדויק כיון שנפח משתנה בהתאם לטמפרטורה בעוד מסה אינה משתנה. בהמשך הפתרון נתמקד רק באוסמולליות כיון שעליה נשאלתם. במידה ומולקולה אינה מתפרקת בתמיסה לשתי מולקולות (או יותר), מידת האוסמולליות שלה פרופורציונאלית לריכוזה בק”ג אחד של ממס. כאשר מולקולה מתפרקת באופן חלקי ניתן לכפול את מידת הפירוק שלה (במקרה שלנו 1.5) בריכוז שלה, כדי לקבל את מידת האוסמולליות. בשאלה זו החישוב נעשה כך:

כלומר, מידת האוסמולליות של התמיסה בשאלה זו היא 225mOsmol/Kg. חשוב לציין בהקשר לשאלה זו שאוסמולריות ואוסמולליות מתייחסות לכלל המומסים בתמיסה, בעוד שכאשר אנו מדברים על לחץ אוסמוטי, אנו מתייחסים למומסים שאינם חדירים את הממברנה. מומסים כאלו אפקטיביים ביצירת לחץ אוסמוטי ולכן שמם הוא מומסים אפקטיביים. 

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 12-16 (אוסמוזה).

במה השאלה עוסקת: שיווי משקל גיבס דונן

תשובה ד. במערכת גיבס דונן שמתוארת בשאלה ישנם שני מיכלים: מיכל A המכיל חלבונים שאינם חודרים את הממברנה, נתרן וכלור, ומיכל B המכיל נתרן וכלור. נתון לנו שהמערכת נמצאת בשיווי ולכן חשוב לציין שבמקרה זה קיים הפרש אוסמולריות בין התאים, אך לא קיים הפרש מטענים וזאת כיון שכל תא הוא אלקטרוניטרלי (כלומר מכיל את אותה כמות של מטענים חיוביים ושליליים). כלומר, כל תא בנפרד מאוזן מבחינת המטענים, אולם כן יש הבדלי ריכוזים של היונים שבמערכת בין התאים. על פי עקרון האלקטרוניטרליות ניתן להסיק שריכוזו של נתרן במיכל B הוא 10mM. כשמערכת גיבס דונן נמצאת בשיווי משקל, מכפלת שני היונים במיכל A שווה למכפלת שני היונים במיכל B. כלומר ניתן לנסח את המשוואה באופן הבא:

ומכאן ניתן להסיק כי ריכוז כלור הוא כ- 2mM בתא A. כעת נרצה להבין את הדינמיקה בין היונים במערכת שלב אחר שלב. תחילה כלור, שנמצא במכיל B ולא נמצא במיכל A, רוצה לעבור למיכלA  בגלל הבדלי ריכוזים. נתרן, בעקבות ההפרש החשמלי שנוצר לאחר מעבר כלור, נע גם הוא ממיכל B למיכל A. אולם, על נתרן פועלים שני כוחות, האחד חשמלי שמושך אותו להיכנס למיכל A והשני נובע מהנתרן שכבר נמצא במיכל A לפני המעבר ומקשה על נתרן נוסף להיכנס. בסופו של דבר המערכת מגיעה לשיווי משקל וריכוז זהה של נתרן וכלור עוברים ממיכל B למיכל A. 

שלילת מסיחים: 

א. מסיח זה מבלבל כיון שהוא מציג מצב בו ריכוז כלור שווה בשני התאים שזה לכאורה מצב בו כלור נמצא בשיווי משקל. אולם, חשוב להבין את מה שמתואר בפתרון לסעיף ד’, לפיו נתרן שבמיכל A מתנגד לכניסה של נתרן ממיכל B. נתרן חייב לעבור עם כלור ממיכל B למיכל A בגלל עקרון האלקטרוניטרליות. לפיכך, במצב שיווי משקל ריכוז כלור לא יהיה זהה בין שני המיכלים ומיכל B יכיל ריכוז גבוה יותר של כלור.

ב. במערכת גיבס דונן אנו מתחילים עם אניון (למשל כלור) וקטיון (למשל נתרן) בתא מסוים ובתא האחר ישנה מולקולה טעונה שלילית שאינה חודרת את הממברנה (למשל חלבונים) וקטיון זהה לזה שבתא האחר. כלור עובר לעבר התא בו נמצאים החלבונים, ונתרן יחד איתו, עד להגעה לשיווי משקל. בגלל שילוב הכוחות שפועלים על נתרן, כפי שמתואר בסעיף ד, היינו מצפים למצוא ריכוז נמוך יותר של כלור במיכל A, לעומת מיכל B, ולא ריכוז גבוה של 20mM. כמו כן, במידה ובמיכל A היה ריכוז כלור של 20mM לא היה מדובר בשיווי משקל כיון שאין כוח שיתנגד מכלור ונתרן לעבור מתא A לתא B. 

ג. אוסמול (Osmol) הוא מדד למספר המומסים בתמיסה ולא לריכוז המולקולה. כך למשל, אם יש מול אחד של מלח (NaCl), יש שני אוסמול חלקיקים כיון שכל מולקולה של NaCl מתפרקת ל-Na ו-Cl. בשאלה נשאלתם על ריכוז כלומר אנחנו מחפשים ערכים של מולר. על אף שבשאלה המולקולה אינה מתפרקת לחלקיקים נוספים, לא ניתן להשתמש באוסמול במקום במולר. להלן רענון היחידות השונות: במולר הכוונה היא מספר מולים לליטר (mol/L), אוסמול (Osmol) היא מספר החלקיקים אליה המולקולה מתפרקת ואוסמולריות היא מספר אוסמול לליטר Osmol/L.

ה. במערכת גיבס דונן אנו מתחילים עם אניון (למשל כלור) וקטיון (למשל נתרן) בתא מסוים ובתא האחר ישנה מולקולה טעונה שלילית שאינה חודרת את הממברנה (למשל חלבונים) וקטיון זהה לזה שבתא האחר. כלור עובר לעבר התא בו נמצאים החלבונים, ונתרן יחד איתו, עד להגעה לשיווי משקל. בגלל שילוב הכוחות שפועלים על נתרן, כפי שמתואר בסעיף ד, היינו מצפים למצוא ריכוז נמוך יותר של כלור במיכל A, לעומת מיכל B, ולא ריכוז גבוה של 50mM. כמו כן, במידה ובמיכל A היה ריכוז כלור של 50mM לא היה מדובר בשיווי משקל כיון שאין כוח שיתנגד מכלור ונתרן לעבור מתא A לתא B. 

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 10-12 (דיפוזיה).

מומלץ לקרוא על מערכת גיבס דונן בספר הקורס שנמצא באתר ולקריאה נוספת ניתן לקרוא מהמקורות המצוינים שנמצאים בספריה של אוניברסיטת תל אביב. Bern & Levy אינם המקור המועדף בנושא זה.

Aidley, David J. The Physiology of Excitable Cells. Cambridge University Press, 1998. pp. 26-28

Sperelakis, Nicholas. Cell Physiology Sourcebook: A Molecular Approach. Gulf Professional Publishing, 2001. pp. 243-246.