ביולוגיה תאית ומולקולרית לרפואה

מה הקורס הזה הוא, וכיצד להשתמש בו

זהו הקורס הראשון ברפואה אוניברסיטאית: ביולוגיה של תאים ומולקולרית לרפואה. זוהי הבסיס הקליני עליו כל קורס מאוחר יותר נשען: ביוכימיה ממלאה את התא, פיזיולוגיה גורמת לו לפעול, פתולוגיה מסבירה מתי הוא נשבר. גבול היקף, מוצג פעם אחת: זהו קורס לימודי, לא תואר רפואי — אין כאן מטופלים, אין שיבוץ קליני; כל המקרה למטה הוא

בדיוני ואין כאן שום דבר שמרשה או מדריך לטיפול. דרגה — ללא מטופלים, ללא מקומות קליניים; כל המקרה למטה הוא ושפת האלקטרונים של יונים.

• יחידות 1.1–1.2 הן קו המידע: שכפול, ביטוי גנים, ושפת היונים החשמלית.
• יחידות 1.3–1.5 הן קו המידע: רפליקציה, ביטוי גנים, והתנהלותו.
• יחידות 1.6–1.7 הן קבלות החלטות: שילוח אותות בין תאים, וה בקרת חיים ומוות הפנימית של התא.

הרגל מרפואית: מנגנון לפני עובדה. כל מספר בקורס זה נחשב מחדש — פוטנציאל נרנס, יחס עיבוי, הסתברות למוטציה — וכל קשר קליני מתייחס למנגנון שהוא מלמד. מנגנון שהוא מלמד.

ארגון תאי ותאים

אורגנל הוא כלי תגובה עם pH מתאים, אנזימים מתאימים ו משטח מתאים. הרופא לומד את התא כמו שהמהנדס לומד תרשים מפעל — מה נמצא היכן, ולמה. הרעיון, עם תמונה. אורגנלים סודרים בדרגת גודל הנמתחת על

הרעיון, עם תמונה. תאים חיים בסולם גודל המתחבר בין three orders of magnitude: a ribosome is 25 nm, a mitochondrion 2 µm, the nucleus 6 µm, the whole cell 20 µm. Function follows size: anything the whole cell must do quickly needs a membrane surface to do it on.

Definitions with numbers. The nucleus stores 2.2 m of DNA (6.4 × 10⁹ bp × 0.34 nm/bp) inside a 6 µm envelope — a length about 4 × 10⁵ times the nucleus's width. The rough endoplasmic reticulum is ייצוא חלבונים המושרע ברוביסומים; גולגי מסננת ו- מכסה פחמימות; ליזוסומים שומרים על pH ≈ 4.8 לפירוק מטען; מיטוכונדריה מייצרות ATP. רוביסומים תרגמו mRNA (יחידת 1.4).

הגזירה. הובלה פנימה והוצאה קיימת ביחס לשטח הממברנה ($4\pi r^{2}$); ביקוש — סינתזת חלבון, מחזוריות ATP מתרחשת ביחס ל-נפח ($\tfrac{4}{3}\pi r^{3}$). היחס $SA/V = 3/r$: הכפלת הרדיוס גורמת לכל יחידת ציטופלזמה לקבל מחצית משירות הממברנה. שורה אחת זו היא הסיבה לכך שcells נשארות קטנות, למה ER מתקפל כל כך רבות לתוך הציטופלזמה, ולמה השטח הפנימי של העיכול מכיל וילוסים ולא שטח חלק. שטח הממברנה. שורה אחת זו היא הסיבה לכך שcells נשארות קטנות, למה ER מתקפל כל כך רבות לתוך הציטופלזמה, ולמה השטח הפנימי של העיכול מכיל וילוסים ולא שטח חלק. שטח הממברנה. שורה אחת זו היא הסיבה לכך שcells נשארות קטנות, למה ER מתקפל כל כך רבות לתוך הציטופלזמה, ולמה השטח הפנימי של העיכול מכיל וילוסים ולא שטח חלק. שטח הממברנה. שורה אחת זו היא הסיבה לכך שcells נשארות קטנות, למה ER מתקפל כל כך רבות לתוך הציטופלזמה, ולמה השטח הפנימי של העיכול מכיל וילוסים ולא שטח חלק.

דוגמה פותרת 1 — סולם הגודל, מאומת. כ hepatocyte בגודל 20 מיקרומטר: $SA/V = 3/10\ \mu m^{-1} = 0.3$. כ sphere בגודל 200 מיקרומטר (אוקיצ'יה): $0.03$ — עשר פעמים גרוע יותר ✓, ולכן תאים גדולים נדירים ו פי עשר גרוע יותר ✓, שזה הסיבה ש-cells גדולות הן נדירות ומקופלות ממברנה. בדיקת אימות לסולם: 20 מיקרומטר / 25 ננומטר = 800 — רוביסום קטן כלפי cell כמו cell כלפי עדשה ✓. הריבוזום קטן כנגד תא כמו שתיאור הוא כנגד כדור מרבל בגודל 1.6 ס"מ ✓.

דוגמה פותרת 2 — קישור קליני: הליזוסום שנוכח. A (דמיונית) חולה עם חולשת שרירים מתקדמת נתגלה כי חסר לה הידרולאז ליזוסומלי אחד. המנגנון, לא השם, הוא התשובה: ה- המצע לא ניתן לפירוק ב-pH 4.8, ולכן הוא מצטבר, ה לסוזום נפוח והתא מתעלם בשל חוסר יכולת למחזור. אחת אנזימה חסרה באחד המרוכבים = מחלת אחת לאגירה: האורגנל המפה היא מפת האבחון.

שגיאות נפוצות. טיפול ב"ציטופלזמה" כתיק ערבוב אחיד — המרוכבים שונים במצב pH, סידן ודחיפה/חמצון על פי תכנון. קריאה מספר אורגנלים כקבוע (תא כבד יש לו ~1000 מיטוכונדריות; תא לימפוציטה רדום, מעט). ושכחת שהממברנה היא המקום שבו התא פוגש את העולם.

סיכום. אורגנלים הם כלי תגובה בסולם בגודל 25 nm–20 µm; $SA/V = 3/r$ מגביל גודל תא ומסביר ממברנות מקופלות; 2.2 מטר של DNA עטוף בתוך גרעין בגודל 6 µm; כשל במרוכבים הוא מחלה.

ממברנות והובלה

למה זה חשוב. כל יעד תרופתי, כל דחייה עצבית ועבודה בכל כלית מצטמצמת לשאלה אחת: איך מולקולה חוצה שכבה ליפידיים? התשובה תמיד היא אחת מארבע הדלתות.

הרעיון, עם תמונה. השכבה הליפידית היא דף בעובי 8 nm הנאסף לעצמו ואטום ליונים. החצייה מתבצעת דרך: תפוצה פשוטה (קטן, ליפופילי), תפוצה מושגת דרך ערוצים או נשיאים (לפי הרקיע, ללא ATP), הובלה פעילה ראשונית (משאבות ATP, נגד גרדיאנט), והעברה פעילה משנייה (יון גרדיאנט מניע דבר כלשהו למעלה).

משוואת נרנס. עבור יון X בטמפרטורה של 37 מעלות צלזיוס, משוואת נרנס נותנת את המתח בו היון מפסיק להזיז:

ערכים טיפתיים של יונות חומרי — K⁺ (140 בתוך / 5 מחוץ): $E_{K} = 61.5\cdot \log_{10}(5/140) = -89.0$ mV ✓; Na⁺ (12/145): $+66.6$ mV; Cl⁻ (10/110, $z=-1$): $-64.0$ mV; Ca²⁺ (100 nM/1.2 mM, $z=2$): $+125.4$ mV.

הגזירה. בשיווי משקל הכוח החשמלי מאזן את הכימי: $zF E = RT\ln([out]/[in])$ — זה בדיוק קו נרנס. כאשר ישנם מספר יונים חדירים בו-זמנית, להחליף את היחס הבודד ב סכום משוקל לפירוביליות (גולדמן–הודג’קינ–קאץ'): עם $P_{K}:P_{Na}:P_{Cl} = 1:0.04:0.45$,

✓ הפוטנציאל השקט — כ-20 mV מעל $E_{K}$, כי Na⁺ דולף לתוך התא ו המשאבה Na⁺/K⁺-ATPase (3 Na⁺ החוצה, 2 K⁺ פנים, 1 ATP) שומרת על הגרדיינטים שהיא צריכה.

דוגמה מפורשת 1 — חישוב היפרקלקמיה. חולה (בדיוני) יש הכפלה של K⁺ בחוץ לתא מהערך 5 ל-10 mM. נרנס חדש: $E_{K}$ זז ב $61.5\log_{10}(10/5) = +18.5$ mV, מ-−89 ל-−71 mV ✓ — המשרעת הדפולריזציה $E_K$ מחליקה את המתח השקוע, ולכן רמות גבוהות של אשלגן הן חירום לבבי: המנגנון הוא לוגריתם אחד.

דוגמה מופעלת 2 — קשר קליני: דלת כלורית שבורה. הגרסה הנפוצה ביותר של פיברוזיס כיסטי מחקת פנילאלנין אחד (ΔF508) מתוך ערוץ Cl⁻ מתקפל באופן שגוי ואינו מגיע לעומת הממברנה. עקוב אחר המנגנון: Cl⁻ אינו יכול לצאת → פחות מלח מגיע לשטח האוויר של הנתיב, ולכן פחות מים עוקב אחריו באמצעות אוסמוזה → נוזל השטח dehydrates → mucus cannot clear. One תקלה בקיפול, דלת אחת, מחלה אחת — ומולקולות קטנות שמחזיקות את הקיפול פתוח הן ההצדקה לטיפול.

שגיאות נפוצות. שימוש במשוואת נרנסט בגרדיאנטים שאינם בשיווי משקל שיפועים (זהו ביטוי איזון; GHK היא הקירוב המציאותי היציב הערכה). שכחת $z$ במכנה (Ca²⁺ מחצית את השיפוע). מכינים את הערוצים "פעילים" — רק משאבות שורפות ATP.

סיכום. ארבעה שעורים חוצים את הבילייר; $E_X = (61.5/z)\log_{10} ([out]/[in])$ mV at 37 °C; GHK with $P_K{:}P_{Na}{:}P_{Cl} = 1{:}0.04{:}0.45$ gives −67 mV; 3 Na⁺ out / 2 K⁺ in per ATP keeps the הסוללה טעונה.

רפליקציה ותיקון DNA

למה זה חשוב. תא חייב להעתיק 6.4 מיליארד אותיות עם כמעט אין ומערכי התיקון מאחוריו — הם המקום שבו מתחילה מחלת גנטיקה, מוטגנזה והרוב באונקולוגיה. מוטגנזה ורוב האונקולוגיה מתחילים.

הרעיון, עם תמונה. מזלג הרפליקציה: היליקאזה פרוק את הקשרים, הפולימראזים מאריכים 5′→3′ בלבד, ולכן רצועה אחת מועתקת ברציפות (קדמית) והשנייה לאחור במקטעי אוקזאקי (אחורית), כל אחד מתחיל מחדש על ידי פרימר.

הגדרות עם מספרים. קצב: פולימראז חיידקי ~1000 נוקלאוטידים/שניה; אנושי ~50 נוקלאוטידים/שניה למזלג. דיוק: שגיאת פולימראז גולמי ~$10^{-5}$ לכל זוג בסיסים; תיקון חיסרון משפר ×100 → $10^{-7}$; תיקון אי-התאמה נוסף ×100 → $10^{-9}$ לכל זוג בסיסים ✓ — שלושה מערכות עמוקות, שגיאה במיליארד.

הגזירה (הטיעון הזמני). שלב S אנושי מעתיק $6.4\times 10^{9}$ bp ב8 שעה. מקור יחיד עם שני מזלגות ב50 bp/שניה יידרש לו $6.4\times10^{9}/100 = 6.4\times10^{7}$ שניות ≈ 2 שנים. הרפליקציה עובדת כי ~30 000 מקורות נפעלים באשכולות זמניים: $6.4\times10^{9} / (100 \times 3\times10^{4}) \approx 2100$ שניות ≈ 35 דקה של סינתזה טהורה ✓, עטופה בזמן כרומטין כדי למלא את שלב S.

דוגמה פתורה 1 — תקציב הדיוק. לאחר תיקון חיסרון ו תיקון אי-התאמה הקצב הנותר הוא ~$10^{-9}$/bp/חלוקה. עבור גנום דיפלואי בגודל 6.4 × 10⁹ bp: $6.4\times10^{9} \times 10^{-9} \approx 6$ מוטציות חדשות לכל תא בת ✓ — המספר עליו סומכים אונקולוגיה (יחידה 1.7) וגנטיקה שתי התחומים. דלגו תיקון אי-תאי והקצב עולה ×100: מאות מוטציות בחלוקה, שהיא מנגנונה של סרטן המערכת הגרונית שאינו פוליפוזיס.

דוגמה מפורשת 2 — קשר קליני: עור חשוף לשמש ללא תיקון. (חולה בדיוני) כוויות שמש חמורה עם בועות לאחר דקות מחוץ לבית, סרטנים עד גיל עשרים. מנגנון: אור אולטרה סגול מאחד תימינים סמוכים ליצירת דימרים; תיקון ירידת נאוקלאוטידים הוא המערכת שהופכת אותם לחוצה; ללא כל רדיאציה שמש היא מוטאגן ללא בוקר. הלקח מתפשט: כל מסלול תיקון אחראי על קטגוריית נזק class, and its absence names one syndrome.

טעויות נפוצות. קריאת פולימראזות כקריאת 3′→5′ — הן נעות 3′→5′ along the template while MAKING 5′→3′. Calling S phase "copying פעם אחת" ללא ארגומנט המקורות. ציטוט $10^{-9}$ כקצב פולימראז גולמי (זהו הקצב לאחר תיקון). קצב פולימראז (זהו הקצב לאחר התיקון).

סיכום. סמי-שמרתי, 5′→3′, להק קדמי אחד + להק אחורי אחד; סולם נאמנות $10^{-5} \to 10^{-7} \to 10^{-9}$; ~30 מקורות 000 הופכים ל-2 שנים ל-8 שעות; ~6 מוטציות נשארות על רגליהן לכל חלוקה; כל צעד תיקון תיקון אחראי על קטגוריית נזק אחת.

ביטוי גנים: תעתיק ותרגום

למה זה חשוב. הגן הוא מתכון, לא מכונה: בין DNA ל פרוטאין עומד לראנן פולימראז, עיבוד, ספלינג ורובוסום — ועל פי מה שנמצא, רוב המוטציות הגורמות למחלות אצל בני אדם מפריעות בשלבי הביניים הללו, ולא במתכון עצמו. שלב, ולא המתכון עצמו.

הרעיון, עם תמונה. הדוגמה המרכזית עם הסטיות האוקאריוטיות: DNA → pre-mRNA (תעתיק על ידי Pol II ב פניית דרך אוקאריוטיות: DNA → pre-mRNA mRNA (העתקה על ידי Pol II ב ~20 נאוטידים/שניה) → 5′ כובע + פוליא(A) + חיתוך (אינטרונים יוצאים, אקסונים נכנסים) → mRNA בוגר → ריבוזום (תרגום) → חלבון (~3 חומצות אמינו/שניה). גן אחד, אקסונים אלטרנטיביים, מספר חלבונים.

הגדרות עם מספרים. הקוד הגנטי: 64 קודונים = 61 משמעותי + 3 עצירה; 20 חומצות אמינו מ-4 בסיסים בשלושות ($4^{3} = 64$ ✓ – החישוב של הקוד). הדגנרציה ממוצעת ~3 קודונים לחומצה אמינו; AUG מתחיל (מתיונין), UAA/UAG/UGA עצורים.

עודף המשמש לדגנרציה — בעיקר במיקום השלישי, שהיא $4^{2} = 16 < 20$: מעט מדי. שלוש נותנות $4^{3} = 64 > 20$: מספיק, עם אינה בזבזנית; היא סבילות לפגיעות. הסבר מדוע החלפות בבסיס השלישי לעיתים קרובות שקטות. הרנדומיות בקוד אינה בזבוז; היא סבילות לפגיעות.

דוגמה מופרשת 1 — זמן סנתזת חלבון. פראפרוסין היא 110 חומצות אמינו: תרגום בקצב ~3 aa/s לוקח ~37 שניות; ה-mRNA שלו בגודל 0.5 kb נדרש ~25 שניות לתגנן בקצב 20 nt/s. המספרים קובעים ציפיות: ייצור מולקולה אחת של אינסולין מולקולה עולה בערך כדקה של מכונה, ולכן מערכות הפרשה בונאות ומאחסנות מראש (יחידת 1.6 אותות מגרה שחרור, לא סינתזה).

דוגמא מפורטת 2 — קשר קליני: הגזירה ששוברת. הפגם הוא בסיס אחד שיוצר אתר ספלינג חדש בתוך אינטרון β-globin. מנגנון: הספליקוזום פועל לפי רצפים קונסנס; אתר חדש מושך אותו, האקסון מוּחֲקָה או אינטרון נשמר, מספר הקריאה מתזז מעבר לתקנה מוקדמת. טלססמיה β ללא שינוי בחומצה אמינו אחת: השלב האמצעי של הדוגמה הוא המחלה. אתר חדש מושך אותו, וקטע מהאינטרון נשמר ב-mRNA, מספר הקריאה משתנה ואחרי כן מגיע עצירה מוקדמת. תלסמיה בלא שינוי חומצה אמינית יחיד: השלב האמצעי של הדוגמה הוא המחלה.

טעויות נפוצות. כינוי אינטרונים ל"ביגוד" (ויסותי ו- פקטור סמוך לגזירה, יחידה 1.5). בלבול בין רצועת התבנית לבין הרצף המקודד (ה-mRNA תואם את הרצועה המקודדת, T→U). הנחת גן אחד = חלבון אחד (גזירה אלטרנטיבית).

סיכום. פולימראז II ~20 נוקלאוטידים/שניה → עיבוד (כובע, זנב poly(A), גזירה) → ריבוזום ~3 חומצות אמינים/שניה; $4^{3} = 64$ קודונים מקודדים ל20 חומצות אמינים עם דיגנרציה בבסיס השלישי; מולקולה אחת של אינסולין ≈ דקה אחת; אתר גזירה מוטציות שוברות גנים מבלי לפגוע בקוד החלבון שלהם.

ויסות ביטוי גנים

למה זה חשוב. כל אחד מה-~20 000 הגנים שלך קיים כמעט בכל תא; מה שהופך נוירון לנוירון הוא אילו גנים פועלים, מתי ובאיזה עוצמה. ויסות הוא הגנום בפועל — והמיקום הנפוץ ביותר גם של אבולוציה וגם של מחלות.

הרעיון, עם תמונה. מצברי בקרה: גורמי תעתיק נקשרים למפרומטורים ול-מחזקים (שהיכולים לפעול מ- 100 ק"ב במרחק באמצעות התפתלות DNA); מצב כרומטין — סימני היסטונים ומתיילת CpG — קובעים גישה; אפידנטיקה היא החלק המורשת של גישה זו ללא שינוי ברצף.

הגדרות עם מספרים. רק ~1.5 % מהגנום מקודדים חלבון; רצפי הווסות דומים להם. 70–80 % מדינוקאוטידינות CpG בתא מובדל הם מתומילים — הבסיס הפעיל. ה- 2.2 מטר של DNA (יחידה 1.1) עוטף נאוזוסומים (~200 bps כל אחד, בערך 7-פעמים קצר יותר) מתקפל לתוך סיב ~30 ננומטר (בערך 40-פעמים); לולאות ועיבוד נוסף קיפול מביא כרומוזום מיטוטי קרוב לדרגה $10^{4}$.

המסקר (הקומבינטוריקה של הספציפיות). גורם תעתיך גורם מזהה ~6–8 בסיסים. מופעים אקראיים של 6-מרים נוצרים כל ~4096 זוגות בסיסים — כ-800 פעמים ב-000 לאורך כל רצועה בגנום haploid בגודל 3.2 ג'יגה-בסיס: תדירות גבוהה מדי לוויסוי נקי. ספציפיות נובעת משילובים: מספר גורמים הקושרים לאתרים סמוכים חוסמים פגיעות שגויות באופן מכפיל ($4^{-6}$ בחזקה של אתרי השיתוף) — אותה לוגיקה בדיוק הופכת סיסמאות לארוכות. מקדמי פעילות הם שערי לוגיקה שיתופיים, ולכן הויסות היא בצורת רשת.

דוגמה מודגמת 1 — עמידות לקטאליז. האנזים LCT יורד לאחר הנקה ברוב אוכלוסיית העולם; אירופאים צפוניים נושאים שינוי בסיס יחיד ~14 ק"ב מעל (UPSTREAM) — בתוך אינטרון של גן שכני, שהוא יוצר קישור למקדם פעילות חדש. מסלול המנגנון: בסיס ויסותי אחד → מקדם פעילות מחוזק → LCT נשאר דולק עד הבגרות → חלב עובר עיכול. מאפיין שאינו משנה חלבון כלל ועבר יבשה אחת: ויסות מתפתחת מהר ביותר.

דוגמה מודגמת 2 — קשר קליני: השתקה יצאה מכלל שליטה. זוג אחווים בדיוני (בדיוני), גנוטיפ זהה, חומרת שונה: אחד נושא מתילציה של קידום הגן המחלה, השני אינו. אות אותיות, גישה שונה — מאפיין אפיוגנטי עם דרגת חומרה. המסרונים** כמו cAMP) וגם RTK (מקבל מנגנון מסביר מדוע "גנים זהים" לעולם מבטיחים לא מחלה זהה, ומדוע בדיקות מתילציה ניצבות לצד רצף במעבדה הדיאגנוסטית.

טעויות נפוצות. השוואה בין אפיקגנטי לבין קבוע (סימנים מחלקים עם התא אך ניתן להפכו מחדש). טיפול באנחניזרים כ מפעילים-בשם-אחר (ללא תלות בכיוון ובמרחק מולאתר ההתחלה הקבוע). קריאת "גן דלק/כבוי" כבינארי — ביטוי היא מדורגת ומוזמנת רקמותית.

סיכום. ~20 000 גנים, ~1.5 % קודדים; אנחניזרים הם מתגים קומבינציונליים הפעולים על ידי לולאות; מתילציה (70–80 % של CpG) ותגי היסטון חוסמים גישה בירושתית; בסיס אחד קדמי יכול לשנות מחדש את הפינוטיפ.

אותות תאים

למה זה חשוב. תאים אינם עצמאיים: הורמונים, נירוטרנסמיטורים וגורמי גדילה הם הוראות המגיעות לממברנה. אות מוליך הוא האופן שבו הודעה בשטח הופכת לביוכימיה בתוך התא — וכמעט מחצית מהתרופות פועלות בשכבה זו.

הרעיון, עם תמונה. שתי קסקדות קלאסיות: GPCR G שניים** כמו cAMP) ו-RTK (מקלט messengers** like cAMP) and an RTK (receptor מפוספטל את עצמו; חלבונים אדפטוריים מעבירים את האות ל-RAS→MAPK הוראות גידול). שניהם מגדילים: אירוע אחד בשטח הופך לאלפי אירועים בתוך תאי.

Definitions with numbers. Resting cAMP ~$10^{-8}$ M; a maximal hormone pulse drives it to ~$10^{-6}$ M — a hundredfold switch in השליח השניוני ✓. פעילות ה-GTPase בתת-יחידה Gα היא מתג כיבוי מובנה (שניות). cyclase makes ~1000 cAMP/s: amplification ~$10^{4}$ from hormone to second messenger ✓. GTPase activity of the Gα subunit is the built-in שלב הוא נקודת בקרה: פוספודיאסטראזה מפרקת cAMP, GTPase מכבה את Gα, ופוספטאזים הסורפים פוספטים. ההגברה והאיפוס הם אותו מערכת הנראית משני זוויות.

The derivation (the amplification product). Signal output = $\prod$ (stage gains): hormone → receptor (1 : ~20 G-proteins) → cyclase (each ~1000 cAMP/s) → PKA (each phosphorylates many targets). The gains מכבה את ה-Gα, פוספטאזות מנתקות פוספטים. הגברה ו איפוס הם אותו מנגנון הנראה משתי זוויות. switches off Gα, phosphatases strip phosphates. Amplification and reset are the same machinery seen from two sides.

מולקולות ✓. שנייה אחת של 1 ציקלאזים פעילים בקצב $10$/ש תייצר $2\times10^{-12}$ L hepatocyte is $10^{-8}\ \mathrm{mol/L} \times 2\times10^{-12}\ \mathrm{L} \times N_A \approx 12\,000$ molecules ✓. One second of 10 activated cyclases at 1000/s would produce 10 000 cAMP — the entire resting pool is replaced in about a שני, ולכן אנזימים במצב כבוי חשובים בדיוק באותו מידה כמו אנזימים במצב פתוח.

דוגמה מופרשת 2 — קישור קליני: המתג שאינו יכול להיכבות. (תסריט בדיוני של התפרצות מחלה) אובדן נוזלים מוגבר בתוך שעות. מנגנון: רעל הכולרה מדבוק ADP-ריבוזיל למשנה Gαs, ומנטרל את ה-GTPase — השעון הכיבוי מושבת, אנזים האדניליל ציקלאז פועל ברציפות, cAMP נשאר ברמתו המקסימלית, ותא המעי מזרים Cl⁻ (דלת יחידת 1.2) ומים לתוך הליבה. הטיפול הוא החלפת נוזלים כשהחלבונים המודפסים על ידי הרעל מתפרקים: אי אפשר לחסום מתג שכבר ריתקו אותו במקום.

טעויות נפוצות. אמירה שההורמון "נכנס לתוך התא" (ליגנדים של קולטי GPCR אינם; הורמוני סטרואיד כן — מנגנון שונה לגמרי). לשכוח שמשדרים שנייה מתפרקים באופן מתמיד (PDE לעומת קפאין וכלי חיבור אחרים). לקרוא קסקדות קינאז כקוויות (משוב בכל מקום).

סיכום. GPCR → חלבון G → cAMP → PKA; RTK → RAS → MAPK; רמות השכבה מכפילות עד ~$10^{4}$; לכל שלב הפעלה יש אנזים כיבוי; כולרה היא ה-GTPase שנרתקה במצב פעיל.

ביוכימיה של מחזור התא, מוות תאי וסרטן

למה זה חשוב. חלוקה ומוות הם ההחלטות היקרות ביותר של התא, שנתונות על ידי בדיקות בקרה. סרטן אינו מחלה אחת אלא הכשל מצטבר של הבדיקות הללו — ובכל בדיקה יש מערכת מולקולרית שכבר פגשתם בעברה (תיקון, אותות, ויסות).

הרעיון, עם תמונה. מחזור התא: G1 (גדילה, ~11 שעות) → S (רפליקציה של DNA, ~8 שעות, יחידה 1.3) → G2 (~4 שעות) → M (מיטוזה, ~1 שעות), עם נקודות בקרה ב-G1/S (נקודת ההגבלה G2/M ובדיקת הרכבת המיטוטית. תאים יכולים לצאת ל-G0 שקט — או ל-אפופטוזיס, מוות תכנותי, המתבצע על ידי קספאזות.

הגדרות עם מספרים. תא אנושי קוסימטי: 24 שעות בסך הכל (11 + 8 + 4 + 1) ✓. p53 (שומר הגנום) מעצור את המחזור לאחר נזק ל-DNA לתיקון — או מכריע על אפופטוזיס לתא. הדרישה של סרטן: ~4–7 אירועים מנעילים קצב דרומינים, בנוסף אלמוניות רפליקטיבית (טלומראז) ובריחה מאפופטוזיס.

הגזירה (ספירת הכפילות). תא בודד הנכפל ללא הגבלה: לאחר $n$ חלוקות ישנם $2^{n}$ תאים. גוש סרטן בגודל 1 ס"מ³ שוקל כ-1 גרם ≈ $10^{9}$ תאים: $2^{30} = 1.07\times10^{9}$ ✓ — גוש סרטן נתגלה הוא כבר בן THIRTY דורות. המשמעות הקלינית היא אריתמטית: מרווחי בדיקות ו"מדוע זה הופיע כל כך מהר" (זה לא — הוא היה שקט למשך שנים) נובעים מהאקספוננציאליות הזו.

דוגמה פתורה 1 — גרלת האירועים הדומיננטיים. יחידה 1.3: ~6 מוטציות נשארות לכל חלוקה. רובן פוגעות במוסעות (מרחב קוד מרחב, יחידה 1.5); הסיכוי שכל מוטציה נתונה תנטרל ספציפי השער קטן — אך $10^{9}$ תאים × עשרות שנים מספקים הרבה ניסיונות, כל אחד מהם מעלה את הקצב עוד יותר. תדירות הסרטן העולה עם הגיל היא האריפמטיקה הזו: ~$10^{16}$ חלוקות בחיי היום, כל אחת מחזיקה כרטיס לוטו.

דוגמה פתורה 2 — קשר קליני: משפחה שנולדה שער אחד למטה. (מאובחר הויראגיה) סרקומה מוקדמת, סרטן שד ומוח בשלוש דורות — מוטציה באלל p53 נורשת אחת (תבנית לי-פראומני). מנגנון: כל תאי מתחילים בשער אחד נמוך; פגיעה סומטית אחת באלל השני מסיר את בדיקת הבקרה לחלוטין. זו לוגיקת ההכאה כפולה של גן מדכא גידולים, והיא מקשרת את הקורס יחד: תיקון (1.3), אותיות (1.6) וויסות (1.5) הם שהסרטן חייב לעבור.

טעויות נפוצות. התנהגות אפופטוזיס כמוות פסיבי (הוא פעיל, מוכנת מראש, תלוי ב-ATP — נקרוזיס הוא המבולגן). קריאת אונקוגנים ומדכני גושים כאחד (תפקוד רכוש מול תפקוד אבוד; פגיעה אחת מול שתיים). השוואה בין גידול מהיר למחזורי מהירים (בדרך כלל פחות תאים מתים, לא חלוקות מהירות יותר).

סיכום. מחזור h24, שלושה בדיקות נקודות, G0 ואפופטוזיס כיציאות; p53 הוא שער הנזק; $2^{30} \approx 10^{9}$ תאים = 1 ס"מ³ = שלושים הכפלות שקטות; 4–7 מנהלים ואי-מוות.