יחידת החיים הבסיסית, חומר תורשתי, חלוקת תאים ותורשה
התא הוא יחידת החיים הבסיסית, וכל היצורים החיים בנויים מתאים. קיימים תאים פרוקריוטים (ללא גרעין) ותאים אאוקריוטים (עם גרעין ואברונים). נגיפים הם טפילים מוחלטים: הם זקוקים לתא מארח כדי להתרבות, בניגוד לחיידקים שיכולים להתקיים באופן עצמאי.
בתא אאוקריוטי יש אברונים בעלי תפקידים מוגדרים: הגרעין מכיל את החומר התורשתי ומנהל תהליכים רבים, מיטוכונדריה קשורות להפקת אנרגיה, וריבוזומים משתתפים בבניית חלבונים. קרום התא מפריד בין פנים התא לסביבה ומווסת מעבר חומרים. גודל התא מושפע מיחס שטח פנים לנפח: ככל שהתא גדול יותר, היחס קטן וקשה יותר להחליף חומרים במהירות.
רוב החומר בתא בנוי מהיסודות C, H, O, N, P, S. מולקולות מרכזיות הן פחמימות, ליפידים, חלבונים וחומצות גרעין. לתא יש גם חומרי תשמורת: גליקוגן ועמילן משמשים לאגירת סוכרים, ושומנים משמשים מאגר אנרגיה נוסף.
מים חיוניים לתהליכים בתא, ומינרלים נדרשים לתפקוד תקין. קרום התא בנוי מפוספוליפידים ומשובצים בו חלבונים ותעלות שמאפשרים מעבר מבוקר. מעבר חומרים יכול להתרחש בדיפוזיה, באוסמוזה או בהעברה פעילה שדורשת אנרגיה.
חומרים גדולים יכולים להיכנס בתהליך אנדוציטוזה ולצאת באקסוציטוזה. בתוך התא יש מידור: אברונים מוקפים קרומים יוצרים סביבות שונות לתהליכים שונים. כך התא יכול לבצע כמה פעולות במקביל בלי שהן יפריעו זו לזו.
בפוטוסינתזה אנרגיית אור מומרת לאנרגיה כימית האגורה בחומרים אורגניים. בנשימה תאית התא מפיק אנרגיה מחומרים אורגניים; התהליך כולל גליקוליזה ובהמשך נשימה אירובית כאשר יש חמצן. מולקולת ATP משמשת “מטבע אנרגיה” שמקשר בין תהליכי פירוק ובנייה.
כאשר אין חמצן, תאים יכולים להפיק אנרגיה בתהליכי תסיסה לקטית או תסיסה כוהלית. תהליכים אלה מפיקים פחות אנרגיה מנשימה אירובית, אך מאפשרים המשך פעילות בתנאים מוגבלים. סוג התסיסה תלוי בסוג התא ובמסלול הביוכימי הזמין לו.
אנזים הוא חלבון שמזרז תגובות כימיות. לכל אנזים יש אתר פעיל והוא פועל בספציפיות לחומרי המוצא שלו. פעילות אנזימים מושפעת מגורמים שונים, ולכן שינוי תנאים יכול להאיץ או להאט תהליכים בתא.
DNA בנוי כסליל כפול של נוקלאוטידים הכוללים בסיסים חנקניים. ה-DNA הוא ייחודי לכל פרט, יציב יחסית, אך יכול לעבור מוטציות. ה-DNA מאורגן בכרומוזומים הבנויים מכרומטידות המחוברות בצנטרומר.
במחזור התא מתרחש שיכפול DNA לפני חלוקה. במיטוזה נוצרים שני תאי בת זהים, תהליך חשוב לגדילה ולשמירה על רקמות. במיוזה מתרחשת חלוקת הפחתה ליצירת גמטות, ושגיאות בהיפרדות כרומוזומים עלולות לגרום למצבים כמו תסמונת דאון.
ביטוי גנים מתרחש במסלול DNA → RNA → חלבון. בתעתוק נוצר RNA על פי תבנית ה-DNA, ובתרגום נבנה חלבון לפי רצף ה-RNA באמצעות קודונים. קיימת בקרה על ביטוי גנים בעזרת אותות תוך-תאיים וחוץ-תאיים, והתמיינות נוצרת כאשר גנים מסוימים מופעלים ואחרים מושתקים; תאי גזע קשורים ליכולת זו.
מוטציה היא שינוי ברצף הבסיסים ב-DNA. מוטציות נקודתיות יכולות להיות החסרה, הוספה או החלפה של בסיס. לא כל שינוי ב-DNA יתבטא בחלבון, ולכן לא כל מוטציה תגרום לשינוי נראה לעין.
בתורשה מנדלית של תכונה אחת עוסקים באללים דומיננטיים ורצסיביים, ובקשר בין גנוטיפ (הרכב אללים) לפנוטיפ (התכונה הנראית). באמצעות הכלאות מבוקרות מתקבלים יחסים מספריים אופייניים. קיימים גם גנים מרובי אללים וקודומיננטיות, וכן הורשה בתאחיזה לזוויג כמו המופיליה ועיוורון צבעים; קבוצות דם הן דוגמה לתורשה מורכבת יותר.
הנדסה גנטית מבוססת על שינוי מכוון של מידע תורשתי ויש לה יישומים שונים. שיבוט ותחום תאי הגזע פותחים אפשרויות מחקר ורפואה, אך מעלים גם דילמות ערכיות הקשורות לשימוש בטכנולוגיות אלה. לכן חשוב להבין גם את העקרונות המדעיים וגם את ההשלכות החברתיות.