אנרגטיקה תאית

רעיון מרכזי 2 — אנרגטיקה: מערכות ביולוגיות משתמשות באנרגיה ובבלוקי בנייה מולקולריים לצמיחה, רבייה ותחזוקה של בית-חום דינמי.

מטרות למידה 3.1.A: הסבר כיצד אנזימים משפיעים על קצב התגובות הביולוגיות.

• 3.1.A.1 המבנה והפונקציה של אנזימים תורמים לוויסות תהליכים ביולוגיים. אנזימים הם חלבונים המשמשים כגורמי זרז ביולוגיים המקלים על תגובות כימיות בתאים על ידי הורדת אנרגיית ההפעלה.
• 3.1.A.2 כדי שתתרחש תגובה כימית הממונת על ידי אנזים, צורתו ומטענו של החומר הנמצא במערכת התגובה (הסברט) חייבים להיות תואמים לאתר הפעיל של האנזים. דבר זה מודגם על ידי מודל הקומפלקס אנזים-סברט.

רעיון מרכזי 2 — אנרגטיקה: מערכות ביולוגיות משתמשות באנרגיה ובבלוקי בנייה מולקולריים לצמיחה, רבייה ותחזוקה של בית-חום דינמי.

מטרות למידה 3.2.A: הסבר כיצד שינויים במבנה של אנזים עשויים להשפיע על פועלו.

• 3.2.A.1 שינוי במבנה המולקולרי של רכיב כלשהו במערכת אנזימטית עשוי ל_category_שינוי בפועלו או ביעילותו.
  • i. דינצראציה (שחיקה מבנית) של חלבונים, כגון אנזימים, מתרחשת כאשר המבנה החלבוני נפגע כתוצאה משוני בטמפרטורה, pH או בסביבה הכימית, מה שמבטל את היכולת לקטליז תגובות.
  • ii. טמפרטורות ו-pH סביבתיים מחוץ לטווח האופטימלי עבור אנזים נתון יגרמו לשינויים במבנה שלו (על ידי שבירת קשרי מימן), ובכך ישנו את היעילות שבה הוא מקטליז תגובות.
• 3.2.A.2 במקרים מסוימים, דינצראציה של אנזים היא הפיכה, המאפשרת לאנזים לשקם את פעילותו.

מטרות למידה 3.2.B: הסבר כיצד הסביבה התאית משפיעה על פעילות אנזימים.

• 3.2.B.1 הריכוזים היחסיים של הסברטים והמוצרים קובעים עד כמה יעילה תהליכת האנזימה תהיה.

רעיון מרכזי 2 — אנרגטיקה: מערכות ביולוגיות משתמשות באנרגיה ובבלוקי בנייה מולקולריים לצמיחה, רבייה ותחזוקה של בית-חום דינמי.

מטרות למידה 3.3.A: תאר את תפקיד האנרגיה באורגניזמים חיים.

• 3.3.A.1 לכל מערכת חיה נדרש הזרעת אנרגיה.
• 3.3.A.2 החיים דורשים מערכת מאורגנת מאוד ואינם מפרים את החוק הראשון והשני של התרמודינמיקה.
  • i. הזרעת האנרגיה חייבת לעלות על איבוד האנרגיה כדי לשמור על האורגניזציה ולהפעיל תהליכים תאיים.
  • ii. תהליכים תאיים המשתחררת בהם אנרגיה עשויים להתקפל עם תהליכים תאיים הדורשים אנרגיה.
  • iii. אובדן משמעותי של אורגניזציה או של זרימת אנרגיה מוביל למוות.
  • הערה לגבי גבולות: תלמידים יצטרכו להבין את מושג האנרגיה, אך המשוואה לאנרגיה חופשית של ג'יבס אינה בתחום הלימודים לבחינת AP.
• 3.3.A.3 מסלולים הקשורים לאנרגיה במערכות ביולוגיות הם רציף כדי לאפשר העברה יותר מבוקרת של אנרגיה. מוצר של תגובה במסלול מטבולי הוא בדרך כלל המגיב בשלב הבא במסלול.

מטרות למידה 3.3.B: הסבר כיצד תהליכים ותכונות משותפים, שמורים ובסיסיים תומכים בהשערה על אב קדמון משותף לכל האורגניזמים.

• 3.3.B.1 מסלולי מתابוליזם מרכזיים (כגון גליקוליזה, פוספורילציה חמצונית) שימרו את עצמם בכל התחומים המוכרים כיום (ארכאה, חיידקים ואוקריוטה).

רעיון מרכזי 2 — אנרגטיקה: מערכות ביולוגיות משתמשות באנרגיה ובבלוקי בנייה מולקולריים לצמיחה, רבייה ותחזוקה של בית-חום דינמי.

מטרות למידה 3.4.A: תאר את תהליכי הפוטוסינתזה והמאפיינים המבניים של הכלורופלסט המאפשרים לאורגניזמים לתפוס ולאחסן אנרגיה.

• 3.4.A.1 פוטוסינתזה היא סדרת תגובות המשמשות פחמן דו-חמצני $(\mathrm{CO_2})$, מים $(\mathrm{H_2O})$ ואנרגיית אור ליצירת פחמימות וחמצן $(\mathrm{O_2})$.
  • i. אורגניזמים פוטוסינתטיים תופסים אנרגיה מהשמש ומייצרים סוכרים שניתן להשתמש בהם בתהליכים ביולוגיים או לאחסנם.
  • ii. הפוטוסינתזה התפתחה לראשונה באורגניזמים פרוקריוטיים.
  • iii. עדויות מדעיות תומכות בטענה שהפוטוסינתזה הפרוקריוטית (של ציאנובקטריות) הייתה אחראית ליצירת האטמוספרה החמצנית.
  • iv. מסלולי הפוטוסינתזה הפרוקריוטיים היו הבסיס לפוטוסינתזה באוקריוטים.
  • הצהרת חריגה: שינון הצעדים במחזור קלווין, מבנה המולקולות ושמות האנזימים המעורבים, למעט ATP synthase, אינם בתחום הלימודים לבחינת AP.
• 3.4.A.2 סטרומה ותילקואידים נמצאים בתוך הכלורופלסט.
  • i. הסטרומה היא הנוזל בתוך הממברנה הפנימית של הכלורופלסט מחוץ לתילקואיד. תגובות קיבוע הפחמן (מחזור קלווין) של הפוטוסינתזה מתרחשות בסטרומה.
  • ii. ממברנות התילקואיד מכילות פיגמנטים כלורופיל מאורגנים בשני פוטוסיस्टמות, כמו גם חלבונות העברת אלקטרונים.
  • iii. תילקואידים מאורגנים בערמות הנקראות גרנה. תגובות האור של הפוטוסינתזה מתרחשות בגרנה.
• 3.4.A.3 תגובות האור של הפוטוסינתזה באוקריוטים כוללות סדרת מסלולי תגובה מכוונים שתופסים את האנרגיה הקיימת באור כדי לייצר ATP ו-NADPH, המפעילים את ייצור החומרים האורגניים במחזור קלווין. זאת מספקת אנרגיה לתהליכים מתבולתיים.

מטרות למידה 3.4.B: הסבר כיצד תאים תופסים אנרגיה מאור ומעבירים אותה לחומרים ביולוגיים לאחסון ולשימוש.

• 3.4.B.1 תגובות שרשרת העברת האלקטרונים (ETC) מתרחשות בکلורופלסטים, במיטוכונדריה ובממברנות הפלזמה של פרוקריוטים. בפוטוסינתזה, אלקטרונים שעוברים דרך ממברנת התילקואיד נתפסים ומועברים בסופו של דבר ל-$\mathrm{NADP^+}$ ומפחיתים אותו ל-NADPH בפוטוסיסטמה I.
  • הצהרת חריגה: השמות המלאים של נושאי האלקטרונים הספציפיים בשרשרת העברת האלקטרונים אינם בתחום הלימודים לבחינת AP.
  • הצהרת חריגה: צעדים ספציפיים, שמות אנזימים ואמצעי מסלולים לתהליכים אלו אינם בתחום הלימודים ובחינת AP.
• 3.4.B.2 במהלך הפוטוסינתזה, הכלורופילים סופגים אנרגיה מאור, ומרמים אלקטרונים לרמת אנרגיה גבוהה יותר בפוטוסיסטמות I ו-II. המים מתפרקים, ומספקים אלקטרונים להחלפת אלו שאבדו מפוטוסיסטמה II.
• 3.4.B.3 פוטוסיסטמות I ו-II משובצים בממברנות התילקואיד של הכלורופלסטים ומחוברות על ידי העברת אלקטרונים דרך ETC.
• 3.4.B.4 כאשר אלקטרונים מועברים בין מולקולות בסדרת תגובות חמצון/חיסוך במהלך מעברן דרך ETC, מתקיים גרדינט אלקטרוכימי של פרוטונים (יוני מימן) על פני ממברנת התילקואיד. הממברנה מפרידה בין אזור בעל ריכוז נמוך של פרוטונים מחוץ לממברנת התילקואיד לבין אזור בעל ריכוז גבוה של פרוטונים בתוך ממברנת התילקואיד.
• 3.4.B.5 יצירת הגרדינט הפרוטוני קשורה לסנתזת ATP מאדנוסין דיפוספט ופוספט אי-אורגני באמצעות ATP סינתאז. זרימת פרוטונים חוזרת דרך ATP סינתאז הקשורה לממברנה באמצעות כימיוסמוזה מדריכה את יצירת ה-ATP מאדנוסין דיפוספט ופוספט אי-אורגני; תהליך זה נקרא פוטופוספורילציה.
• 3.4.B.6 האנרגיה הנכבדת בתגובות האור ומועברת ל-ATP ול-NADPH מניעה את ייצור הפחמימות מפחמן דו-חמצני במחזור קלווין. תהליך זה מתרחש בסטרומה של הכלורופלט.

רעיון מרכזי 2 — אנרגטיקה: מערכות ביולוגיות משתמשות באנרגיה ובבלוקי בנייה מולקולריים לצמיחה, רבייה ותחזוקה של בית-חום דינמי.

מטרות לימוד 3.5.A: לתאר את התהליכים והמאפיינים המבניים של המיטוכונדריה המאפשרים לאורגניזמים להשתמש באנרגיה האגורה בביומולקולות ביולוגיות.

• 3.5.A.1 נשימה תאית משתמשת באנרגיה מביומולקולות ביולוגיות כדי לסנתז ATP. נשימה ותסיסה מאפיין כל צורות החיים.
• 3.5.A.2 נשימה תאית אווירית באוקאריטים כוללת סדרת תגובות אנזימטיות מכווננות המושכות אנרגיה מביומולקולות ביולוגיות.
• 3.5.A.3 ה-ETC מעביר אלקטרונים בסדרת תגובות חמצון-חיסוך שמקימות גרדינט אלקטרוכימי על פני ממברנות.
  • i. בנשימה תאית, אלקטרונים המסופקים על ידי NADH ו$\mathrm{FADH_2}$ עוברים למקבלים שונים של אלקטרונים כשהם נעים לעבר המקבל האלקטרונים הסופי, חמצן. פרוקאריוטים אוויריים משתמשים בחמצן כמקבל אלקטרונים סופי, בעוד שפרוקאריוטים אנאירוביים משתמשים במולקולות אחרות.
  • ii. העברת האלקטרונים, דרך ה-ETC, מלווה ביצירת גרדינט פרוטונים על פני הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה, כאשר הממברנה(ות) מפרידה בין אזור בעל ריכוז גבוה של פרוטונים מחוץ לממברנה לבין אזור בעל ריכוז נמוך של פרוטונים בתוך הממברנה. קיפולי הממברנה הפנימית מגדילים את השטח, מה שמאפשר סינתזה של יותר ATP. בפרוקאריוטים, מעבר האלקטרונים מלווה בתנועת פרוטונים על פני הממברנה הפלזמטית.
  • iii. זרימת פרוטונים חוזרת דרך ATP סינתאז הקשורה לממברנה באמצעות כימיוסמוזה מדריכה את יצירת ה-ATP מאדנוסין דיפוספט ופוספט אי-אורגני. תהליך זה נקרא פוספורילציה אוקסידטיבית בנשימה תאית אווירית.
  • iv. בנשימה תאית אווירית, ניתוק הפוספורילציה האוקסידטיבית מהעברת האלקטרונים מייצר חום. חום זה יכול לשמש אורגניזמים אנדותרמיים לוויסות טמפרטורת הגוף.
  • הצהרת חריגה: השמות המלאים של נושאי האלקטרונים הספציפיים בשרשרת העברת האלקטרונים אינם בתחום הלימודים לבחינת AP.
  • הצהרת חריגה: צעדים ספציפיים, שמות אנזימים ואמצעי מסלולים לתהליכים אלו אינם בתחום הלימודים ובחינת AP.

מטרות לימוד 3.5.B: להסביר כיצד תאים מקבלים אנרגיה מביומולקולות ביולוגיות כדי לספק אנרגיה לפונקציות תאיות.

• 3.5.B.1 גליקוליזה היא מסלול ביוכימי המשחרר את האנרגיה המוגדרת בגלוקוז ליצירת ATP (מאדנוסין דיפוספט ופוספט אי-אורגני), NADH (מ$\mathrm{NAD^+}$), ופירוביט.
• 3.5.B.2 פירוביט מועבר מהציטופלזמה למיטוכונדריה שם מתרחשת חמצון. תהליך זה משחרר אלקטרונים במהלך מחזור קרbs (חומצה ציטרית), ומפחית $\mathrm{NAD^+}$ ל-NADH ו-FAD ל$\mathrm{FADH_2}$, ומשחרר $\mathrm{CO_2}$.
• 3.5.B.3 מחזור קרbs מתרחש במטריקס המיטוכונדריה. במהלך מחזור קרbs, פחמן דו-חמצני משוחרר מתוצאי הביניים האורגניים, ATP מסונתז מאדנוסין דיפוספט ופוספט אי-אורגני, ואלקטרונים מועברים על ידי הקואנזימים $\mathrm{NAD^+}$ ו-FAD.
• 3.5.B.4 אלקטרונים שהופקו בתגובות הגליקוליזה ומחזור קרbs מועברים על ידי NADH ו$\mathrm{FADH_2}$ ל-ETC בממברנה הפנימית של המיטוכונדריה.
• 3.5.B.5 כאשר אלקטרונים מועברים בין מולקולות בסדרת תגובות במהלך מעברן דרך ה-ETC, מתקיים גרדינט אלקטרוכימי של פרוטונים (יוני מימן) על פני הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה. ה-pH בתוך מטריקס המיטוכונדריה גבוה יותר מאשר במרחב האינטרממרי.
• 3.5.B.6 תסיסה מאפשרת לגליקוליזה להמשיך בהיעדר חמצן ומייצרת מולקולות אורגניות כמו אלכוהול וחומצה לקטית.
  • הצהרת בלילה: שינון של שלבים בגליקוליזה ובמחזור קרbs, ושל מבני המולקולות ושמות האנזימים המעורבים, אינם בתחום העניין של קורס זה ובמבחן AP.