קל לדמיין את התא כשקית אחת של נוזל שבה שוחים כל האנזימים יחד. אבל ברגע זה ממש, בתוך תא כבד יחיד, אנזימים אחדים מפרקים חלבונים בחומציות של pH‏ 5, אנזימים אחרים מייצרים רעל מחמצן, וקבוצה שלישית עובדת בסביבה בסיסית יותר מהציטוזול — ואף אחת מהן אינה פוגשת את השנייה.

הממברנה כמחסום בררני

מִדּוּר (compartmentalization) הוא הפרדת האנזימים והתגובות לתאים פנימיים נפרדים, שכל אחד מהם עטוף בממברנה. כל אַבְרוֹן (organelle) כזה מחזיק הרכב אנזימים משלו, ריכוזי יונים משלו וחומציות משלו, וזאת משום שהממברנה היא מחסום בררני: מולקולות קוטביות וטעונות אינן חוצות אותה מעצמן.

הליזוזום: הפרדה בממברנה והפרדה ב־pH

הלִיזוֹזוֹם (lysosome) מכיל יותר מ־50 סוגים של הִידְרוֹלָאזוֹת חוּמְצִיּוֹת (acid hydrolases) — אנזימים המפרקים חלבונים, שומנים, סוכרים וחומצות גרעין. בממברנה שלו נעוצה מַשְׁאֵבַת פְּרוֹטוֹנִים (proton pump) המפרקת ATP ושואבת פרוטונים פנימה כנגד מפל הריכוזים, וכך ה־pH בתוכו מוחזק סביב 5 בעוד הציטוזול נמצא סביב 7.2 — ריכוז פרוטונים גבוה פי מאה ויותר. ה־pH האופטימלי של ההידרולאזות האלה הוא כ־5, כפי שלמדתם. בחומציות הזאת שרשראות הצד באתר הפעיל נושאות בדיוק את המטענים המחזיקים את צורתו וקושרים את הסובסטרט; ב־pH‏ 7.2 קבוצות חומציות מאבדות פרוטון, פיזור המטענים משתנה, צורת האתר הפעיל נפגמת והפעילות קורסת. התוצאה היא הגנה כפולה: הממברנה חוצצת בין האנזימים לציטוזול, ואפילו אם היא נקרעת, האנזימים שנשפכים מוצאים את עצמם ב־pH שבו הם כמעט חסרי פעילות.

המיטוכונדריון: מדור שיוצר מפל ריכוזים

המִיטוֹכוֹנְדְרְיוֹן (mitochondrion) מדגים מידור עדין אף יותר, כי שתי ממברנותיו יוצרות שני מדורים נפרדים. אנזימי מעגל קרבס מומסים במַטְרִיקְס (matrix), ואילו חלבוני שרשרת הנשימה נעוצים בממברנה הפנימית. ה־pH במטריקס הוא כ־7.8, ובמרחב שבין שתי הממברנות כ־6.9 — הפרש של כיחידת pH אחת, כלומר ריכוז פרוטונים גבוה פי כעשרה בחוץ. השרשרת הסיבתית ברורה: אלקטרונים נעים בשרשרת הנשימה ← פרוטונים נשאבים מהמטריקס החוצה ← נוצר מפל ריכוזים בין שני המדורים ← הפרוטונים זורמים חזרה דרך אנזים ה־ATP סינתאז ← נוצר ATP. שימו לב: מפל ריכוזים אינו יכול להתקיים בתמיסה רציפה אחת, כי הדיפוזיה מבטלת אותו תוך רגעים. בלי הממברנה האטומה אין הפרש, ובלי הפרש אין ייצור ATP. כאן המידור אינו רק מפריד בין תגובות — הוא מה שמאפשר לתגובה להתקיים בכלל.

הפרוקסיזום: הרעל והמפרק שלו באותו כלוב

הפֶּרוֹקְסִיזוֹם (peroxisome) ממחיש היבט שלישי: אנזימי אוקסידאז שבתוכו מעבירים מימנים ממצעים שונים אל חמצן, והתוצר הוא מי חמצן — מולקולה מחמצנת חזקה הפוגעת בחלבונים, בשומני הממברנה וב־DNA. באותו אברון עצמו יושב האנזים קָטָלָאזָה (catalase), שמפרק אותו: מי חמצן ← מים וחמצן. מכיוון שהייצור והפירוק כלואים יחד באותו מדור, ריכוז מי החמצן בציטוזול נשאר נמוך. הנפח הקטן תורם גם לקצב: פרוקסיזום בקוטר של כחצי מיקרומטר, בתוך תא בקוטר 20 מיקרומטר, קטן ממנו בנפחו פי ‎40³‎, כלומר פי כ־64,000. אותו מספר מולקולות אנזים בנפח כזה מגיע לריכוז גבוה בעשרות אלפי מונים, ותדירות ההתנגשויות עם הסובסטרט עולה בהתאם.

מהטבלה עולה הנימוק החזק ביותר: לתמיסה אחת יכול להיות ערך pH אחד בלבד. שתי קבוצות אנזימים שה־pH האופטימלי שלהן 5 ו־7.8 אינן יכולות לפעול שתיהן בקצב מרבי באותו נוזל — זו מניעה פיזיקלית. רק ההפרדה המרחבית מאפשרת לשתיהן לפעול בו־זמנית בתא אחד.

מה תפקיד המיטוכונדריון בתא?