Prof. Dr. Şefik DURSUN

Transkript

1 98 ĐÇĐNDEKĐLER Bölüm 1. Membranların Yapısı Bölüm 2. Membranda Transport Olayları Bölüm 3. Hücrelerarası Đletişim Bölüm 4. Membran Potansiyeli Nörobiyofizik Đyon Kanalları Voltaj Klamp (kenetleme) Yöntemi Kaynaklar HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ Prof. Dr.

2 Membranların Organizasyonu BÖLÜM 1 HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ 1. MEMBRANLARIN YAPISI Prof. Dr. Hücre membranı tüm prokaryotik ve ökaryotik hücrelerin sitoplazmasını çeviren lipid/protein ve karbonhidrat içeren bir bariyerdir. Mitokondri, kloroplast, endoplazmik retikulum, golgi cisimciği, lizozom ve hücre çekirdeği gibi hücre organelleri de aynı şekilde çevrelerinden bir membranla ayrılır. Membranların yapısal özellikleri birbirlerine benzerler. Ancak fonksiyonlarına bağlı olarak bir takım farklılıklar görülebilir. Biyolojik membranlar hakkındaki bilgilerimizde elektron mikroskobisi tekniklerinin gelişmesiyle büyük ölçüde ilerleme kaydedilmiştir. Kalınlıkları hücreden hücreye değişirse de ortalama A o arasında kabul edilmektedir (1 A o = 10-8 cm). Membran, yapısı gereği aynı zamanda elektriksel izolatördür. Hücre membranı, hücrenin dış ortam özelliklerinden etkilenmemesini, iç ortamın sabit kalmasını sağlar. Seçici (selektif) geçirgen (permeabl) özelliğe sahiptir. Hücre membranının esas fonksiyonu hücre bütünlüğünü korumaktır. Hücre için gerekli olan maddelerin hücre içersine alınması ve metabolik olaylar sonucunda meydana gelen atıkların da hücre dışına atılması hücre membranının yardımıyla gerçekleşir. Hücrenin içi ve dışı arasında bir potansiyel oluşumu ve biyoelektrik olaylar gene plazma membranlarının diğer bir fonksiyonudur. Hücre ya da plazma membranları lipid ve protein moleküllerinden oluşan unit sistemlerdir. Tüm hücresel membranlar, doku kesitlerinin elektron mikrografisinde, hidrate olmuş lipoprotein yapısında ve üç tabakalı biçimde gözükür. Üç tabakalı görünümün detaylarında ve kimyasal bileşimlerinde değişiklik olabilir. Fakat moleküler organizasyonlarında temel benzerlikler vardır. Membranların belirtilen organizasyonunun korunması için gerekli su miktarı da % 30 dolayındadır. Genellikle proteinler membran ağırlığının % 25 ile % 75 ini meydana getirir. Lipidler ise yukarıdaki orana göre % 75 ile % 25 arasında değişmektedirler. Ağırlığın yaklaşık % 10 u karbonhidratlardan oluşmaktadır. Bu oranlar değişik doku hücrelerine göre farklılık gösterirler (Tablo 1). Tablo 1: Bazı hücre membranlarının protein ve lipid oranları Eritrosit Karaciğer Kalp Komponent Miyelin Plazma Plazma Mitokondrisi membranı membranı Protein Total lipidler Fosfolipidler Glikolipidler 22 eser 0 eser Kolesterol Diğer lipidler * Değerler ağırlığın yüzdesi olarak verilmiştir. Bütün hücre membranlarında dominant moleküller proteinler ve lipidlerdir. Bu moleküllerin hücre membranında dağılımları ile ilgili olarak birçok model geliştirilmiştir.50 yılı aşkın bir süredir ileri sürülen plazma membranındaki protein ve lipid moleküllerinin mümkün olan birkaç şeklinden etkin olanı, çift tabaka modelidir. Çift tabaka modeli 1925 yılında Gorter ve Grendel tarafından önerilmiştir (Şekil 1).

3 HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ Şekil 1: Çift tabaka modeli (Gorter ve Grendel,1925) Bu araştırıcılar eritrositlerden elde edilen monomoleküler lipid tabakalar tarafından meydana getirilen yüzeyi, hücrelerin total yüzey değerleri ile karşılaştırmışlar. Elde edilen lipid alanı değerini intakt hücrenin alan değerine oranladıklarında sonucun yaklaşık 2 olduğunu saptamışlar. Bu nedenle hücrenin iki molekül inceliğinde bir lipid tabaka ile çevrili olduğunu ileri sürmüşlerdir. Bu modelin en önemli özelliği hidrofilik lipid gruplarının çift tabaka yüzeyine ve hidrofobik grupların da membranın iç kısmına yönelmiş olduğuydu.bu bulguların bir kısmı yeni çalışmalarla değişmiştir. Şekil 2: Dainel ve Davson a göre membran modeli (1935) Sonraki modeller de proteinleri gözönünde bulundurarak gene lipid tabakayı esas aldılar. Genellikle tartışılan ilk model Dainel ve Davson ın modelidir (1935).Lipid-su ara yüzeyinde yüzey gerilimi ölçümleri yapılmış. Bulunan bu değerlerin ( N.cm -1 ), canlı hücrelerdekine göre oldukça büyük olduğu saptanmıştır. Daniel bu sonucu lipid tabakalara protein absorpsiyonunun izah edebileceğini ileri sürmüştür (Şekil 2). Şekil 3: Sıvı - Mozaik Membran modeli (Nichelson ve Singer, 1971) Bunlardan sonra 1971 yılında Nichelson ve Singer tarafından ileri sürülen SIVI-MOZAĐK membran modelidir (Şekil 3). Bu modele göre de proteinler membranın ana yapısını oluşturan ve akışkanlık özelliği gösteren lipid moleküller arasında yer yer dağılmış durumdadır Membran Lipidleri Membran lipidleri amfipatik moleküllerdir. Lipid moleküllerinin bir baş bir de kuyruk bölgesi vardır. Büyük hidrokarbon bölgesi hidrofobik, baş grup ise hidrofiliktir. Baş bölgeleri molekülün türüne göre fosfat, karbonhidrat veya hidroksil grubları taşır. Çeşitli iyonlarla şarj edilebilirler. Kuyruk bölgesi doymuş ya da doymamış yağ asiti zincirlerinden oluşur.

4 HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ membran yapısına zarar vermezler. Daha polar fosfolipidler sadece solvent sistemlerle çıkarılabilir. Şekil 4: Misel oluşumu Doymuş yağ asidi miktarı membranın akışkanlığını etkiler. Doymuş yağ asidi miktarı fazla olursa akışkanlık azalır. Aksine doymamış yağ asitlerinin fazla olması da akışkanlığı arttırır. Termodinamik kurallara uygun olarak bu moleküller, amfipatik özelliğinden dolayı sulu ortamda misel oluştururlar (Şekil 4).Membrandaki bazı lipid moleküller, lipid içeren sulu dispersiyona maruz bırakılırsa yer değiştirebilir veya yerlerinden çıkarılabilir. Şekil 6: Lipid miktarları değişik dokularda farklılık gösterir Hayvan hücre membranlarında esas lipidler fosfolipidlerdir. Bazı hücre membranlarında önemli oranda kolesterol miktarı bulunabilir. Yüksek organizmaların hücre membranlarında yüksek bir lipid molekülüdür. Kolesterol molekülleri yağ asidi zincirlerine paralel olarak yerleşmişlerdir (Şekil 5). Bu moleküller steroid yapıların ana maddesini oluştururlar. Hücre membranından plazmaya geçme özelliğine sahiptirler. Bazı membranlar (örneğin miyelin) özellikle hücre yüzey membranları önemli oranda nötral lipidler de içerir (Tablo 1). Bunlar başlıca kolesterol ve glikolipidlerdir. Şekil 5: Membranda kolesterol moleküllerinin yerleşimi Bazı lipidler özellikle kolesterol ve az polar fosfolipidler eter ve aseton gibi çözücülerle membrandan uzaklaştırılabilir. Bu çözücüler düşük temperatürde Golgi ve lizozom membranları da oldukça yüksek kolesterol içerir. Bu durum ekzositoz ve endositoz sırasında plazma membranı ile aralarındaki özel ilişkiyi yansıtır. Sitoplazmik organellerin membranları sifingomiyelin miktarları açısından yüzey membranlarına benzerler. Bu özellik mitokondri membranlarında yoktur. Çekirdek ve endoplazmik retikulum membranında ise sifingomiyelin miktarı düşüktür. Hayvan hücre membranındaki fosfolipidler

5 HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ gliserol ve sfingosin türevleridir. Lipid miktarları değişik dokularda farklılık göstermektedir. Bu yüzden membranın iç ve dış yüzeyleri arasında bir asimetri mevcuttur (Şekil 6) Membran Proteinleri Birçok hücre membranı lipidlere göre daha çok protein içerir. Fakat sinir lifinde kılıf proteinleri, total kurutulmuş kütlenin % 20'si dolayındadır. Belki de bu durum sinir lifinin oldukça düşük metabolik aktivitesini yansıtan bir özelliğidir. Hücrenin fonksiyonuna bağlı olarak bu özellik değişebilir. Membranda oldukça çok sayıda protein çeşidi mevcuttur. Bunlar enzim görevi yapar. Hormon veya nörotransmitter reseptörü olabilirler. Aynı zamanda antijen özelliği de gösterebilirler. Membran proteinlerinin en önemli molekül şekli glikoproteinlerdir. Karbonhidratlarla kovalent bağlarla bağlanırlar. Membranın dış yüzeyinde bulunurlar. Böylece membrana asimetrik bir karakter kazandırırlar. Sıvı-mozaik membran modelinde görüldüğü gibi membranlar iki tür protein içerir. Bunlardan biri periferik (ekstrinsik) diğeri ise integral (intrinsik) proteinler adını alır. Bazı proteinler membranın yapısına gevşek olarak girmiş olabilirler. Böyle proteinler basit bir manipulasyonla membran yüzeyinden ayrılabilirler. Örneğin ph veya iyonik kuvvet etkisiyle bu proteinler membran yüzeyinden kolayca koparılabilir. Bu tür proteinler, periferik (ekstrinsik) proteinler olarak isimlendirilmişlerdir. Lipid tabaka içerisine gömülmezler. Membranı boydan boya geçemezler. Ekstrinsik proteinlerin lipid zincirlerle hidrofobik bağlantıları veya lipid başları ile elektrostatik bağları olabilir. Her iki bağlantının bulunduğu durumlar da olabilir. Ayrıca membranın her iki yüzeyinde bulunabilirler. Genellikle seyreltik deterjan çözeltileriyle hatta tuz çözeltileriyle bile membranın yüzeyinden uzaklaştırılabilir. Bu proteinler enzim ve reseptör görevi yapabildiği gibi yapısal proteinler olarak da fonksiyon görebilirler. Eritrosit membranının iç yüzeyinde integral proteinlere bağlı olarak bulunan aktin ve spektrin molekülleri böyledir. Bunlar Ca ++ aktivasyonu ile kasılabilirler. Böylece eritrositlerin kolay şekil değiştirmelerini sağlarlar (Şekil 7). Şekil 7: Eritrosit membranında aktin ve spektrin ADP nin fosforilasyonu ile ilgili olan mitokondriyel ATP az kompleksi büyük bir periferik (ekstrinsik) proteinden oluşur. Membranın yapısını organik çözücüler, deterjanlar veya bozucu enzimler yardımıyla parçalayarak yerinden ancak çıkarılabilen proteinler membran yapısına kuvvetle bağlıdırlar. Bunlar integral (intrinsik) proteinlerdir. Membranı boydan boya kateden bir görünüme sahiptirler ve lipidler gibi amfipatik moleküllerdir (Şekil 8). Santral, hidrofobik iç kısım yağ asidi zincirleri ile, hidrofilik uç kısmı ise ekstra veya intrasellüler ortam ile etkileşirler. Ekstrasellüler taraftaki kısmı genellikle karbonhidrat zincirleri içerir. Santral kısmı non-polar özelliğe sahiptir. Membranın iç kısmına yerleşmiş olarak bulunurlar. Suyla temasta olan diğer kısımların polar özelliği vardır. Membran proteinleri genellikle globüler karakterdedirler. Đyonların ve suda çözünen uygun maddelerin geçişi için hidrofilik kanalların oluşumu bu proteinlerin fonksiyonudur.yapılan çalışmalar ile membranın her iki yarısında moleküler komponentlerin, özellikle integral (intirinsik) proteinlerin de asimetrik dağılım gösterdikleri saptanmıştır. Proteinlerin asimetrik dağılımları onların aktiviteleriyle ilgilidir. Mesela immunolojik-aktif glikoproteinler hücre membranının dış yüzeyinde bulunurlar. Plazma membranının dış yüzeyi ile temasta olan diğer özel proteinler (veya glukoproteinler) hormon reseptörlerini, enzimleri ve transport sistem komponentlerini kapsar. Hormon reseptörü membranın dış yüzeyinde, adenil

6 HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ siklaz ise iç yüzeyinde bulunmaktadır. Ayrıca bir membran fonksiyonu ile sadece bir protein ilgili olabilir. O zaman membranın bir yanından diğerine uzanır. Örneğin Na + /K + - ATP az ve sarkoplazmik retikulumun Ca ++ -transport proteinleri böyledir. Đntegral (intirinsik) proteinlerin bir kısmı, oksidasyon reaksiyonuna eşlik eder ve elektron transport serisinin enzimleridir. Birçok membran relatif olarak rastgele dağılmış proteinleri içerir. ekseni etrafında serbestçe dönme hareketi yapabilirler. Birkaç hücre tipinin yüzey membranlarının düzlemi içindeki glikoproteinlerin enerjiye bağlı ya da bağlı olmıyan birikmeleri buna örnektir. Bununla beraber membran düzlemi boyunca lateral hareketler de yapabilirler. Nöromüsküler iletinin oluşmasında asetilkolin için reseptör moleküllerinin birikmesi lateral hareketin bir örneğini oluşturur. Protein moleküllerinin kendi ekseni etrafında dönme ve membran düzlemi içinde lateral diffüzyon hızları ortamın viskozitesi ile ilişkilidir. Membran lipid komponentleri de membran düzlemi içersinde serbestçe hareket edebilirler. Bu tür harekete gene lateral hareket adı verilir. Aynı zamanda hidrokarbon zincirleri bükülme ve titreşim hareketleri de yapabilirler. Lipidler membranın bir yüzünden diğerine hareket etme yeteneklerine de sahiptir (Şekil 9). Bu harekete flip-flop hareket adı verilir. Böyle bir hareket için oldukça fazla enerjiye ihtiyaç vardır. Lipidlerin lateral hareketi flip-flop harekete göre hızlıdır. Lipidlerin lateral hareketi proteinlerin lateral hareketinden daha hızlıdır. Şekil 8: Proteinler amfipatik moleküllerdir Ancak belli bir yerde membranlar çok spesifik davranış gösterirler. Orada proteinlerin konsantrasyonu yüksek olabilir. Sarkoplazmik retikulumda Ca ++ - transport proteini böyledir. Protein kümelerinde de proteinler spesifik hale gelmiş olabilir. Mesela mitokondriyal iç membranda elektron transport proteinleri bu türdendir Membranın Akışkanlık Özelliği Membranlar sıvı yapıya sahiptirler. Çünkü yapısında bulunan maddeler membran içersinde serbestçe hareket edebilirler. Doymuş yağ asidi miktarının fazla olmasının akışkanlığı azalttığından daha önce söz edilmişti. Aynı zamanda kolesterol miktarı da membran akışkanlığını etkileyen bir diğer parametredir. Kolesterol miktarının fazla olması akışkanlığı azaltır. Sarkoplazmik retikulum ve fotoreseptör membranlarındaki proteinler membran düzlemine dik olan kendi Şekil 9: Flip-flop ve bükülme hareketleri Bir fosfolipid molekülü için diffüzyon sabiti D=10-8 cm 2 /s dir. Buna göre iki boyutlu diffüzyonda (t) saniyede katedilen S(cm) mesafesinin, S= (4Dt) ½

7 HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ formülü kullanılarak; 1 saniyede yaklaşık cm olduğu görülür. Yani bir lipid molekülü bir bakterinin bir ucundan diğer ucuna 1 saniyede gidebilir. Gözlenen diffüzyon katsayısının büyüklüğü, membran viskozitesinin suyunkinin 100 misli olduğunu belirtir Geçirgenlik Özelliklerine Göre Membranların Sınıflandırılması a) Geçirgen olmıyan (impermeabl) membranlar: Döllenmiş alabalık yumurtası geçirgen değildir. Radyoaktif suyu dahi geçirmez.böyle bir membrandan ancak gazlar geçebilir. b) Yarı geçirgen (semipermeabl) membranlar: Suyun hücre içersine girmesine izin verirler. Proteinlerin ve iyonların geçmesine izin vermezler. Bu tür membranların biyolojik önemi yoktur. c) Seçici geçirgen (selektifpermeabl) membranlar: Su ve bazı iyonların geçişine müsaade ederler. Fakat bazı iyonların ve proteinlerin geçişine izin vermezler. Birçok biyolojik hücre membranı bu sınıfa girer. d) Ultrafiltre veya Dializan membranlar: Bu tür membranlar su ve bütün iyonları geçirir. Proteinleri geçirmez. Hidrostatik basınç farkına göre membranın diğer tarafına su ve iyonlar geçer. Dolaşım sisteminin kılcal damarları, bazı proteinleri geçirseler de buna güzel bir örnektir. Hidrostatik basıncı kalbin pompalama gücü ile kasların sıkıştırma etkisi meydana getirir. e) Basit Filtre Tipi membranlar: Su, protein ve iyonların geçmesine izin verirler, ancak alyuvar ve trombosit gibi kanın şekilli elementlerini geçirmezler. Membranların yapay olanları tam anlamıyla biyolojik membranların özelliğini göstermeseler de, benzer özelliklere sahip olabilirler. Yapay membranlara örnek olarak şunları verebiliriz: Filtre kağıdı, basit filtre tipi membranlar; selofon ya da kollodyum dializan membranlar gibi davranırlar.bakır ferrosiyanür yarı geçirgen (semipermeabl) membran özelliğine sahiptir.membranların geçirgenliği değiştirilebilir. Geçirgenlik hızları bir saniyeden daha az olan membranlar vardır. Bunlar uyarılabilen membranlardır. Sinir ve kas hücrelerinin membranları böyledir. Elektriksel, kimyasal ve mekaniksel uyaranlarla uyarılabilirler. Çok kısa sürede de eski hallerine dönerler. Geçirgenliği birkaç dakikadan daha az zamanda fizyolojik olarak çok önemli bir değişme göstermiyen sabit denilebilecek membranlar da vardır; bağırsak epitelyal membranları gibi.

8 HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ Bu gözlemler; BÖLÜM 2 1. MEMBRANDA TRANSPORT OLAYLARI Maddelerin plazma membranından transportu canlı bir hücrede meydana gelen önemli bir olaydır. Hücreler kendileri için enerji sağlıyan metabolitleri ve besin moleküllerini almak ve istenmiyen maddeleri de atmak zorundadır. Komşu dokular veya organların yaşamı için önemli olabilen aktif maddelerin sekresyonu, yüksek organizma hücrelerinin sahip olduğu ek bir fonksiyondur. Gliserol veya glikoz gibi küçük moleküllerin veya K + ve Cl - gibi iyonların plazma membranını geçebilme yolları üç şekilde sınıflanabilir; Diffüzyon, Kolaylaştırılmış Diffüzyon ve Aktif Transport (Şekil 10) Diffüzyon Brown hareketleri sonucu yüksek konsantrasyonlu bir bölgeden düşük konsantrasyonlu bölgeye moleküllerin (veya iyonların) membranı geçerek transportudur. Net hareket düşük konsantrasyon yönündedir. Yüksek konsantrasyonlu bölgedeki moleküllerin düşük konsantrasyonlu bölgeye doğru hareket etme ihtimali, düşük konsantrasyonlu bölgedeki moleküllerin yüksek konsantrasyonlu bölgeye hareket etme ihtimalinden daha büyüktür. Bu nedenle zaman içersinde konsantrasyon farkı yönünde moleküllerin hareketi olacaktır. Bu hareket her iki bölgedeki moleküllerin sayıları eşit oluncaya kadar devam eder ve sonuçta her iki bölgedeki madde konsantrasyonu eşit olur. Bu hareketin hızı tamamen konsantrasyon farkıyla orantılıdır.hidrofobik maddeler lipid membranları hidrofilik maddelere göre daha kolay geçerler. Hidrofobik ortamda yüksek erime özelliğine sahip olan bu moleküller (örn. gliserol) plazma membranını suda eriyen maddelere göre daha kolay geçerler. Bu kuralın istisnası su dur. Su son derece polar olduğundan gliserol için söylenenden daha düşük bir diffüzyon hızına sahip olmalıdır. Aslında suyun diffüzyon hızı lipid yapay membranda gliserolun 7 katı kadardır. Tabii hücre membranında ise suyun diffüzyon hızı gliserolun 100 katıdır. 1) Proteinlerin membranda lipid davranışını değiştirdiğini 2) Suyun zaman zaman bir lifofilik maddeymiş gibi davranabileceğini gösterir. a) Nötral Diffüzyon: Yüksüz moleküllerin yüksek konsantrasyondan düşük konsantrasyona membranı geçerek gerçekleştirdiği olaydır diye tanımlanabilir. Fick Kanunu tarafından tanımlanan diffüzyon hızı; J = - D. dc/dx dir. Görüldüğü gibi membranı kateden akış hızı, konsantrasyon gradyanı ile orantılıdır. D, diffüzyon sabiti olarak bilinir ve birimi cm 2 /s dir. Nötral diffüzyon hızı, moleküldeki hidrofilik karekterin artmasıyla azalır. b) Đyonik Diffüzyon: Yüklü iyonların plazma membranını geçme olayıdır. Pasif bir olaydır. Nötral diffüzyonda olduğu gibi membranın iki tarafında konsantrasyon farkının varlığında gerçekleşir. Bu nedenle dengedeki pozitif ve negatif yüklerin total sayısı, elektriksel nötraliteyi korumak için membranın iki tarafında eşit olmalıdır. Fick kanununa ilave bir faktör katılmalıdır. Bir hücremiz olduğunu ve bunun biraz polianyonik (negatif yüklü) proteinleri içerdiğini kabul edelim ve hücreyi KCl çözeltisi içine koyalım. Đyonlar konsantrasyon gradyanına göre hücre içine diffüze olacaklardır. Fakat proteinler diffüze olamadığından ve negatif olarak yüklü bulunduğundan Cl - e göre daha çok K + akışı olacaktır. Bu nedenle eşit olmayan iyon dağılımı olacak ve elektrokimyasal gradyan ortaya çıkacaktır. Modifiye edilmiş Fick eşitliği membran boyunca var olan bu elektriksel gradyanın ölçülmesini de kapsar. Bu eşitlik Nernst-Planck denklemidir. J = D. dc/dx + A. dy/dx Nernst-Planck denklemi

9 HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ a) Diffüzyon gradyanı, membranın iki tarafındaki konsantrasyon, elektriksel ya da basınç farkını ifade eder. Diffüzyon gradyanının artması diffüzyon hızını arttırır. b) Molekül veya iyonların büyüklüğü diffüzyon hızını ters yönde etkiler. Büyük molekül ve iyonların hızı sabit bir temperatürde, küçük moleküllere oranla daha az olacaktır. c) Diffüzyon alanının ve ortam sıcaklığının artmış olması diffüzyon hızını da arttırır. d) Membrandan geçen bir molekül veya iyon için diffüzyon hızını membran kalınlığı da etkiler. Membran kalınlığı ya da diffüzyon uzaklığı, diffüzyon hızıyla ters orantılıdır. Sonuç olarak söylediklerimizi şöyle formüle etmek mümkündür; Diffüzyon hızı α Diffüzyon gradyanı x Diffüzyon alanı x Sıcaklık / Mol. veya iyonun kütlesi x mesafe Kolaylaştırılmış Diffüzyon Bir molekülün yüksek konsantrasyonda bulunan bölgeden düşük konsantrasyon tarafına, plazma membranında bulunan protein taşıyıcı ile taşınması olayına verilen isimdir. Bu olay pasif bir olaydır. Ve konsantrasyon gradyanı yönünde yapılmıştır. Üç özelliğe sahiptir: 1) Bir partiküler molekül için spesifiktir. 2) Basit diffüzyondan daha hızlıdır. 3) Satüre olabilir. Şekil 10: Maddelerin plazma membranından transport şekilleri A partiküler iyon için bir sabittir, dy / dx ise membranın iki tarafı arasında mevcut olan yük farkı gradyanıdır. Genel olarak diffüzyon hızına etkili olan faktörleri şöyle özetleyebiliriz: Glikoz, laktoz, amino asid, nukleotidler ve gliserol v.s. gibi benzer moleküllerin herbiri için spesifik, özel taşıyıcılar vardır. Glikoz taşıyıcısı D-glikozu taşıyacaktır, fakat L-glikozu taşımaz. Taşınacak molekül bağlandığı zaman taşıyıcı molekül yapısal bir değişiklik geçirmek üzere etkilenir. Böylece küçük molekülü membranın öbür tarafına geçirir (Şekil 10). Plazma membranını geçerken hareket hızı, basit diffüzyondan daha hızlıdır. Belki de bu hücre içinde kullanılan, normal olarak

10 HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ membrandan çok düşük hızda diffüze olan hidrofilik moleküllerin transportu için gelişmiş bir mekanizmadır. Herhangi bir hücrede bir molekül veya iyon için sınırlı sayıda taşıyıcı vardır. Bütün taşıyıcılar bağlandığı zaman, transport hızı maksimum olur. Bu yüzden olay satüre olabilir özelliğe sahiptir. Transport kinetiği bir basit enzim için tanımlanan proseslere benzer. Bir tarafta konsantrasyon büyük olduğu zaman daha çok taşıyıcı bağlanacak ve diğer tarafa net hareket meydana gelecek. Konsantrasyon farkı sıfır olduğunda ise taşıyıcılar hala faaliyet gösteriyor olsalar da sonuçta içeriye ve dışarıya aynı hızda madde taşıyan moleküllerdir. Bu yüzden net diffüzyon gözlenmez. Đnsülin ve epidermik büyüme faktörü gibi hormonlar normal olarak gözlenen diffüzyon hızından daha fazlasının olmasını sağlarlar. Örneğin glikozun hücre içersine girişini insülin hormonu hızlandırır. tetiklenen mekanizma tarafından taşınır. Şimdi topluca aktif transport mekanizmalarını gözden geçirelim Primer Aktif Transport A) Aktif Na + /K + transportu Tüm vertebralıların hücrelerinde Na + u hücre dışına ve K + u da hücre içine pompalayan bir primer aktif transport sistemi vardır. Bu transport için gerekli enerji ATP nin ayrışmasıyla elde edilir (Şekil 11). Başlangıçtaki gözlemler canlı hücrelerin intrasellüler ve ekstrasellüler hacimleri arasında iyon dağılımının elektrokimyasal denge durumunda olmadı Aktif Transport Enerji harcanarak elektrokimyasal potansiyel farkına ya da konsantrasyon farkına karşı yapılan transport şeklidir. Transport termodinamik olarak uygun olmayan yönde olduğu için, olayın yönlendirilmesinde hücresel enerji kullanılır. Genellikle aktif mekanizmalarda ATP (Adenozin trifosfat) den enerji sağlanır. Ortamın oksijeni de enerji sağlanmasında çok önemlidir. Oksijen azlığı transpot işlemini yavaşlatır. Çünkü ATP oluşumu aerobik koşullarda yüksektir. 1 mol glikozun metabolizması esnasında normal oksijenasyon ile 38 mol ATP meydana gelirken, anaerobik şartlarda ise sadece 2 mol ATP meydana gelir. Đşte ATP nin yetersizliği aktif transport için gerekli enerjinin yetersizliğine neden olduğu için transport olayları yavaşlar. Aktif transportu sağlıyan enerji osmol başına kalori olarak şu şekilde ifade edilir; Enerji (osmol başına kalori) = 1400 log C 1 /C 2 Görüldüğü gibi harcanan enerji maddenin bir tarafta konsantre edilişiyle ilgilidir. Membranların yapılarına göre iki tip aktif transport şekli vardır. Biri primer aktif transport, diğeri ise sekonder aktif transporttur. Primer aktif transport olayında taşıyıcı mekanizma taşınacak madde tarafından aktive edilir ve böylece bu madde taşınmış olur. Ancak sekonder aktif transport olayında taşıyıcı mekanizmayı taşınacak asıl madde tetiklemez. Tetikleme olayı bir başka madde (örneğin Na + ) ile yapılır. Diğer taşınacak asıl madde de bu tetiklemeden sonra Şekil 11: Aktif Sodyum Pompasının sukün potansiyeline katkısı ğıydı. Aslında hücre membranı Na +, K + ve Ca ++ a geçirgendir. Ayrıca Na + ve Ca ++ akımları elektrokimyasal potansiyel farklarından dolayı devamlı olarak hücre içine doğrudur. K + ise hücre dışına yönlenir. Metabolizma bozulmadığı sürece konsantrasyon farkları değişmez.

11 HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ Metabolizma soğuk ya da zehir ile bloke edilirse Na +, Ca ++, Cl - ve su hücre içine taşınır, K + dışarıya hareket eder ve böylece hücre membranının iki tarafı arasındaki potansiyel farkı sıfır olur. Bu yüzden hücreler statik bir duruma girerler. Normal olarak hücrede metabolik reaktanlardan O 2, glikoz ve CO 2 dışında membranı geçebilen tüm maddelerin net akışı sıfırdır. Fakat membranı geçebilen bazı kompanentler için hücre ve hücreler arasında sıfır olmıyan bir elektrokimyasal potansiyel farkı korunur. Bu sonuç bir veya daha fazla kompanentin aktif transportu nedeniyledir. Belirtilen iyonlar Na + ve K + dur. Yapılan araştırmalar göstermiştir ki; 1) Hücreler Na + iyonunu hücre içinden dışarıya, K + iyonunu da hücre dışından hücre içine aktif olarak taşırlar. Bu iki iyonun transportu birbirlerine son derece bağlıdır. Eğer hücre dışında potasyum yok ise aktif sodyum akışı inhibe olur. Aynı şekilde hücre içinde sodyum bulunmuyorsa aktif potasyum akışı da durur. Eritrosit membranları için 3 Na + iyonu 2 K + iyonu ile yer değiştirir. Bu Na + /K + pompasının aynı zamanda bir potansiyel farkı oluşturulmasına katkıda bulunduğunu gösterir. Yani Na + -K + pompası kısmen elektrojenik pompadır. Transport mekanizması Na + için son derece selektif (seçici) dir. 2) Transport için gerekli enerji ATP nin hidrolitik ayrışmasından kazanılır. Bu reaksiyonda,adenosin trifosfat (ATP) adenosin difosfat (ADP) ve inorganik fosfata ayrışır ; Na + /K + aktif transportu aynı zamanda ATP sentezini de birlikte oluşturur. Bu yüzden oubain ATP sentezini durdurabilir. Enzim iki konformasyonal durumda var olabilir.sodyum bağlama yerleri membranın stoplazmik tarafında bulunur. Sodyum iyonları bağlanır bağlanmaz enzim Mg ++ un varlığında fosforilize olur (Şekil12). Fosforilasyon ile enzim şekil değiştirir. Bu Na + iyonlarının intrasellüler ortamdan ekstrasellüler ortama taşınmasına neden olur. Bu durumda bağlanma yerleri Na + için seçiciliklerini kaybederler. Na + serbest kalır. Böylece Na + iyonları diğer tarafa taşınmış olurlar. Ekstrasellüler tarafta K + iyonları bağlanır. Bağlanması ile defosforilizasyon meydana gelir ve enzim ilk durumuna döner. Bu şekil değişikliği bağlı potasyum iyonlarının yer değiştirmesini sağlar. Enzim bu durumda Na + u tercih edeceği için K + u bırakır. Şekil 12: Aktif sodyum-potasyum pompasının fonksiyonel diyagramı ATP + H 2 O - ADP + H 3 PO 4 ATP mitokondride üretilir. 3) Aktif Na + /K + transportu çok spesifik olarak Oubain gibi dijital glikozidler tarafından inhibe edilirler. Oubain sadece hücrenin dış tarafında bulunursa etkili olur. Bağlantı yerlerinde K + ile rekabet eder. Oubainin bağlanması hızlıdır ve reversibldir. Fakat kompleksin dissosiyasyon hızı canlıdan canlıya, organdan organa değişir. 4) Transport özelliklerinin hepsi bir büyük moleküle yüklenebilir. Transport sistemi ATP-az gibi hareket eder. Yani Na + /K + pompası ATP yi ayrıştıran enzim gibidir. Bu aktivite Na +, K + ve Mg ++ konsantrasyonları tarafından düzenlenir. Oubain aynı zamanda bu enzimin aktivitesini de bloke eder. Transport enzimi iki konformasyonal durumda da olabilir. E, membranın iç tarafta bağlama durumundaki formu, E ise dış taraftaki bağlama durumudur. (E ) den (E ) ye konformasyonal değişiklik, Na + ve Mg ++ un varlığında ATP den enzime yüksek enerjili fosfat molekülünün transferi ile oluşur (3. Faz). Bu değişiklik Na + un içten dışa aktüel transportunu sağlıyacaktır. Đkinci konformasyonal değişiklik (E ) den (E ) ye (5. Faz) K + un bağlanmasıyla tetiklenir. 4. Faz oubain ile, 3. Faz ise oligomisin ile inhibe edilebilir. Bütün reaksiyonlar reversibldir.na + /K + ATP-az ile Na + /K + transport sistemi aynı anlama gelen tanımlardır. Bu mekanizmanın çalışması için enerji, dolayısıyla oksijen de gereklidir. 1 mol O 2, 20 mol Na + un taşınması için kullanılır.

12 HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ B) Diğer Aktif Transport Sistemleri 1) ATP-az lar Na + /K + transport sistemi dışında en önemli transport sistemi kas liflerinin sarkoplazmik retikulumundaki Ca ++ - transport sistemidir. Bu sistem kasın relaksasyon zamanında etkili olur ve Ca ++ u hücre içindeki küçük vesiküler boşluklara kaldırır. Bunu hücre stoplazmasıyla vesikül içi arasındaki büyük kalsiyum konsantrasyonu farkına rağmen yapabilir (Ca ++ plz = 10-7 mol/l,ca ++ ves = mol/l).transport ATP nin parçalanmasından açığa çıkan metabolik enerji ile gerçekleşir. Bir ATP molekülünün hidrolizi ile 2 mol Ca ++ vesiküle alınır. Bu olayda da gene Mg ++ un varlığına ihtiyaç vardır. Enzim fonksiyonları Ca ++ ve Mg ++ tarafından stimüle edilir. Ca ++ / Mg ++ ATP-az, Na + /K + ATP-az gibi sadece lipidlerin varlığında fonksiyon görür. Hücre membranlarından özellikle eritrositlerden izole edilmiştir. Ca ++ / Mg ++ ATP-az a ek olarak mide, böbrek ve glandların hücre membranlarında ATP -az lar da vardır. Bu ATP- az lar HCO - 3 veya K + tarafından aktive olurlar ve bu organlarda H + iyonlarının primer aktif transportuna eşlik edebilirler. Şekil 13: Mitokondrilerde aktif H + transportu 2) Fosfotransferaz sistem: Bakteriyel membranlardan glikoz transportu fosfotransferaz sistem ile gerçekleşir. Glikoz transport sırasında mebranda fosforilize edilir. Bu nedenle hücre içinde glikoz -fosfat bileşiği olarak gözlenir.transport için enerji ATP nin parçalanması ile kazanılmaz, fosfoenolpiruvattan sağlanır.fosfoenolpiruvatın yüksek enerjili fosfat grubları, iki veya üç enzim üzerinden geçtikten sonra, glikoz üzerine direkt olarak transfer edilir. 3) Aktif H + transportu (Redox sistem): Mitokondriler hücre solunumunun gerçekleştiği yerlerdir. Redoks reaksiyonları mitokondirinin içinden dışına aktif H + transportunu sağlar. Bu transport mitokondri membranının iki tarafı arasında bir elektrokimyasal potansiyel farkının oluşmasıyla sonuçlanır. Bu potansiyel proton geri akışı olarak ATP sentezini yönetir. a) Mitokondri içindeki H + iyonlarının dışa transportuyla dış fazın başlangıçtaki asitlik özelliği değişir. Membranın lipid fazı Triton.100 gibi deterjanlarla parçalanırsa asitlikte değişiklik olmaz. b) H + iyonlarının transport hızı direkt olarak oksijen kullanımıyla orantılıdır. Bir oksijen atomu için 6 H + iyonu transfer edilir. ATP - az inhibitörler bunu etkilemezler. Fakat solunum zincirini etkileyen zehirler değiştirebilir (Şekil 13). c) H + iyonlarının dışa taşınması bir membran potansiyeli meydana getirir (dış pozitif, iç negatif). Membran potansiyelini ölçmek için mitokondiriler çok küçüktür Sekonder Aktif Transport Böbreklerde ve sindirim kanalında glikoz aktif rezorpsiyonu sekonder aktif transporta örnektir. Hücrenin diğer yüzeyinde aktif Na + /K + pompası vardır. Bu mekanizma Na + iyonlarını hücrenin iç kısmından dış kısmına taşır. Bu yüzeyde

13 HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ ise glikoz için pasif bir transport mekanizması vardır. Na + -glikoz Co-transport mekanizması lümene ait hücre membranlarında bulunmuştur (Şekil 14). Sodyum pompası kısmen elektrojeniktir. Oubain tarafından inhibe edilebilen Na + /K + değiştirme pompasını ATP kontrol eder. Kontraluminal hücre membranınında eritrositlerde tanımlanana benzer şekilde glikoz transport mekanizması, floretin tarafından inhibe edilebilir. Luminal hücre membranlarının Na + -glikoz Co-transport mekanizması florizin tarafından inhibe edilir. Floretin burada etkili olmaz. Bu üç mekanizma intrasellüler sodyum konsantrasyonunu mmol/l ve her iki tarafta ekstrasellüler konsantrasyonu ise 144 mmol/l olarak tutar. Böylece 80mV luk (sitoplazma negatif) luminal ve kontraluminal hücre membranlarının arasında membran potansiyeli meydana gelir. fazla oluncaya kadar artar. Bu durumda glikoz molekülleri pasif mekanizma ile kana geçebilir.glikozun lümenden kan tarafına taşınması devamlıdır. Hücrenin her iki tarafındaki sıvı hacimleri içersinde mutlak olarak aynı bileşim olsa bile bu proses sürer.sodyum transportu azalırsa, mesela oubain ile, o zaman glikoz transportu da azalırr. Glikoz konsantrasyonu azalırsa, sodyumun aktif transportu da azalır.sekonder aktif transport esas olarak tüm epitelyal dokularda bulunur. Böbrekte sekonder aktif transport mekanizması bikarbonat, protonların sekresyonu ile beraber glikoz,amino asit, monokarboksil ve dikarboksil asitler, safra asiti, fosfat, sülfat ve kalsiyum iyonlarının rezorpsiyonundan sorumludur. Durum sindirim kanalındakine benzerdir. Sekonder aktif transporta başka bir örnek izotonik su rezorpsiyonu fenomenidir. Su transprotunda taşıyıcı tip mekanizma yoktur.grupii epitel hücreleri, osmotik gradyan olmasa bile suyun transportunu sağlayabilir. Örneğin böbreklerin proksimal tubulüs hücrelerinde durum şöyledir ;Grup II epitelyum her iki tarafı aynı NaCl-ringer çözeltili banyo içine konursa ve metabolizma korunursa, NaCl ve su lümenden kan tarafına geçer ve taşınan sıvı aynı osmotik basınca sahiptir (Đzotonik su rezorpsiyonu) Vesikül OluşumuylaTransport Proteinlerin ve büyük moleküllü maddelerin transportu için özel transport mekanizmaları vardır. Taşınacak olan madde membranın bir parçası ile paketlenir. Optik mikroskop veya elektron mikroskopla görülebilir. Bu vesiküller hücre içersine alınırsa endositoz veya önceden oluşmuş ve hücre duvarına temas ile içindekileri hücre dışına boşaltırsa ekzositoz adı verilir. Bu şekilde proteinler veya daha büyük partiküller, hücre parçaları veya bakteriler sindirim için hücre içersine alınır. Bunun yanında hücrede üretilen hormon ve enzimler de dıştaki ortama serbest bırakılırlar. Şekil 14: Organik moleküllerin Na + ile birlikte taşınması, Co-transport mekanizması Sodyum iyonları, yeterli glikoz molekülleri varsa elektrokimyasal potansiyel gradyanı boyunca böbrek veya sindirim sistemi lümeninden hücreye girer. Bir glikoz molekülü bir veya iki sodyum iyonuna bağlanır. Böylece intrasellüler glikoz konsantrasyonu, kan tarafındaki diğer ortamdakinden daha Endositozun ilk adımında makromoleküllerin membran yüzeyindeki spesifik bağlanma yerlerine bağlandığı gözlenir. Bağlanma olayı canlı membran materyelinde lokal formasyonunu tetikler. Kesin olarak istirahat durumundaki lipid komposizyonu ve protein dağılımı farklılaşır. Yeni teşekkül eden hücre membranının iki lipid tabakasında yüzey gerilimin değişmesinden dolayı membranın invaginasyonu görülür (Şekil 15). Bu vesiküller hücre duvarından ayrıldıktan sonra lizozomlar tarafından sindirilir.

14 HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ Şekil 15: Hücre membranında pinositotik vakuol (vesikül) oluşumu ile maddelerin hücre içine alınması, pinositoz Endositoz, pinositoz ve fagositoz olayları olarak ifade edilen iki şekil gösterir. Pinositoz su fazındaki protein ve diğer makromoleküllerin hücre içersine alınmasında gerekli mekanizmadır. Normal olarak sadece ökaryotik hücrelerde gözlenmiştir. Fagositoz pinositoza benzer. Ancak bu mekanizma büyük makromolekül kompleksleri, bakteri, viral partiküller vs. yi büyük vesiküller veya vakuollerin içinde hücre içersine alınmasında önemli bir mekanizmadır. Bu olay genellikle çok hücrelilerde, yüksek canlılarda makrofajlar gibi fagositik hücreler tarafından kullanılır. Fagositik hücreler içeriye alınmış zararlı materyeli organizmaya zarar vermesinden önce parçalar. Ekzositosiz ile ilgili çalışmalar sinirlerde ve sinir sonlanma yerlerinde yapılmıştır. Buralarda asetilkolin sekrete edilir. Ayrıca sindirim enzim ve hormonlarını sekrete eden bezler üzerinde de çalışılmıştır. Her iki olayda da sekrete edilen bu maddeler hücrelerin endoplazmik retikulumunda üretilir ve küçük vesiküllerde depo edilir.bir lipid membranla tamamen çevrilmiştir.hücreler elektriksel veya kimyasal olarak uyarılırsa vesiküller hücre duvarına belirtilen şekilde temas ederler. Ve içerdikleri bu maddeleri dışarıya boşaltırlar (Şekil 16). Şekil 16: Ekzositoz ile mukus salınımı (A) ve Ca ++ iyonlarının ekzositoz olaylarındaki rolü (B) Bu olay intrasellüler Ca ++ konsantrasyonunun artmasıyla başlayabilir. Đçeriklerini boşaltmalarını takiben, ya tamamen hücre membranıyla birleşirler ya da kendi kendilerine ayrılıp hücre içersine küçük vakuoller olarak geri dönerler.

15 HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ Membrandan Su Transportu, Osmosis ve Osmotik Basınç Farklı sıvı kompartımanları arasında suyun hareketi iki kuvvet tarafından belirlenir. Bunlardan biri osmotik basınç, diğeri ise hidrostatik basınçtır. Eğer iki çözelti suya geçirgen bir membranla ayrılacak olursa, sıvı kompartımanlarından birine mekaniksel bir basınç uygulayarak su itildiği zaman, membrandan geçerek diğer kompartımana girer. Vücutta vasküler yatakta çok yüksek hidrostatik basınç vardır. Kalbin kontraksiyonu ile sağlanan bu basınç, kapiller yatakta plazma suyunun interstisyel (hücreler arası) boşluğa geçmesine sebep olur. Fakat plazma hacmi, plazma proteinleri tarafından oluşturulan osmotik basıncın dengeleyici zıt etkisi ile korunur. Osmosis ve osmotik basınç kavramları basit bir deneyle (Şekil 17) kolayca anlaşılabilir. Şekil 17 : Osmotik basıncın oluşumu, basit bir osmometre Farzedelim ki bir kap içersindeki distile su, suya geçirgen ama su içersindeki çözülmüş maddelere geçirgen olmayan bir membranla iki kompartımana ayrılsın. Kompartımanlardan birine glikoz çözeltisi ilave edilsin. Random hareketi yapan su molekülleri iyon ve moleküllerin diffüzyonuna benzer şekilde membranı geçebilirler. Suya glikoz çözeltisi ilave edildiğinde, su moleküllerinin random hareketi (veya aktivitesi) azalır. Bu durumda su, yüksek aktiviteli bölgeden düşük aktiviteli bölgeye hareket edecek, glikoz içeren kompartımana akacaktır. Suyun bu hareketine osmosis adı verilir. Suyun glikoz kompartımanındaki aktivitesi her zaman azdır. Bununla beraber kompartımanın hacmi değişmiyorsa, hacimdeki artış hidrostatik basınçta artmaya neden olacaktır. Kap içersindeki hidrostatik basınç borudaki su seviyesinin yükselmesiyle saptanabilir.hidrostatik basınç belli bir değerden sonra su moleküllerinin geçişine izin vermeyecektir. Suyun osmotik hareketine engel olan hidrostatik basınç, çözeltinin osmotik basıncı olarak ifade edilir. Bir çözeltinin osmotik basıncı çözeltinin birim hacmindeki partikül sayısı ile orantılıdır. Partiküllerin tipi ile, valansıyla ve ağırlığıyla ilgili değildir. Osmotik basınç birimi osmol dür. Bir osmol, iyonize olmayan bir maddenin bir gram moleküler ağırlığı (1 mol) nın basıncıdır diye tarif edilir. 1 mol partikül ihtiva eder. Rölatif olarak dilue olan vücut sıvılarında, osmotik basınç kg başına miliosmol (m.osmol/kg) cinsinden ifade edilir; m.osmol/kg = n x mmol/l ya da = n x mg/dl.10 / mol.ağırlığı şeklinde ifade edilebilir. n, molekül başına dissosiye olabilir partikül sayısıdır. Na +, Cl -, Ca ++ ve glikoz için n=1 olduğunda 1mmol/L lik konsantrasyon 1 m.osmol/kg lık osmotik basınç meydana getirecek demektir. Ancak bir bileşik iki veya daha fazla partiküle ayrılırsa osmotik basınç 1 m.osmol/kg dan daha fazla olacaktır. Mesela vücut sıvılarında mevcut konsantrasyonlar da NaCl ün yaklaşık %75 i Na + ve Cl - e dissosiye olur. Bu yüzden her 1 mmol/l NaCl için Na + ve Cl - ün miktarları 0.75 mmol/l dir. O,25 mmol/l sı ise NaCl şeklinde dissosiye olmadan kalır. Bu durumda osmotik basınç, 1,75 m.osmol/kg kadardır (Tablo 2). Şekil 18: Temperatürü ölçmek için kullanılan Termokulp.B sürekli olarak bilinen temperatürde (Örn.buz içersinde ) tutulur.

16 HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ Tablo 2: Osmotik basınç birimi ile farklı birimlerin ilişkisi atom veya molekül ağırlığı Madde mg mmol meq m.osmol Na Cl NaCl Glikoz Partiküllerin sayısına ek olarak, osmotik basınç çözeltinin temperatürü ile de orantılıdır. Bu ilişki Van t Hoff kanunu ile açıklanabilir (gazlar için kullanılan genel gaz kanununa benzer şekilde); Osmotik basınç = n CRT dir. C, çözücünün birim hacmindeki mol olarak total çözelti konsantrasyonudur. n, her bir molekülün dissosiye olabilir partikül sayısıdır. R bir gaz sabitidir. T ise mutlak temperatürü gösterir. Vücut sıcaklığında (273+37=310 o K) çözeltinin 1 kg sudaki 1 m.osmol ünün atmosfer cinsinden osmotik basıncı (n=1 olan bir maddenin 1 mmol ünün basıncı) ; Osmotik basınç = x x 310 = Atm (m.osmol/kg ) Deniz seviyesinde 1 Atmosfer 760 mmhg olduğundan yukarıda ifade edilen 1 osmol osmotik basınç, = 19.3 mmhg olacaktır. Osmotik basıncı şöyle de ifade edebiliriz ; Osmotik basınç = a (n CRT). a, membranın maddeye karşı permeabilite katsayısıdır. Eğer bir membran su içersinde çözülmüş maddeye geçirgen değilse örneğin yukarıdaki deneyde glikoz için olduğu gibi; a = 1 olacaktır. Laboratuvarda, bir çözeltinin osmotik basıncı osmotik konsantrasyonu olarak ölçülmez. Çözeltinin diğer bir özelliğine göre, mesela suyun donma noktasını düşürebilme yeteneğine göre ölçülür. Elektrolit olmadığı zaman su O o C da donar. Herhangi bir maddenin 1 osmol ü (n=1 olan 1 mol lük madde) 1 kg suya ilave edildiğinde, suyun donma noktası 1.86 o C düşecektir. Örneğin, plazmanın donma noktası normal olarak o C dolayındadır. Bu donma noktası değişimi osmol/kg (0.521/1.86) veya 280 m.osmol/kg lık bir osmolariteyi gösterir. 280 m.osmol/kg plazma osmolalitesi 5404 mmhg (280 x 19.3) lık bir potansiyel osmotik basınç demektir. Bununla birlikte plazmadaki iyon veya moleküllerin büyük bir kısmı etkisizdir. Na + iyonları interstisyel sıvıdan plazmayı ayıran kapiller duvarı geçebilir. Aslında net etkili plazma osmolalitesi,vasküler boşluğu sınırlayan plazma proteinlerinden dolayı,1.3 mosmol/kg'dır (25mmHg lık osmotik basınç meydana getirir). Su içersinde osmotik basıncı oluşturan elektrolitler suyun donma noktasını düşürdüğü gibi kaynama noktasının da artmasına neden olur. Donma noktasındaki değişikliğe göre osmotik basınç tayinine kriyoskopi yöntemi denir. Osmotik basınç = ncrt formülünde n=1 (yani dissosiye olmayan elektrolit) ve C, 1 mol/kg ise O o C da (osmotik basınç); = 1. 0, = 22,4 Atm. dir. Yani O o C da 1 osmol lük basınç 22,4 Atm. kadardır. Đdeal elektrolitin 22.4 Atm lik osmotik basıncı olduğunda( yani n=1 ve 1 mol/kg.) yukarıda ifade edildiği gibi suyun donma noktasını 1.86 o C kadar düşürür. Buna göre donma noktasında x gibi bir değişiklik meydana getiren elektrolitin osmotik basıncı da; Osmotik basınç = 22.4 / x = x Atm. olacaktır. Bu amaç için kriyoskopi aleti (Şekil 18) nin sadece o elektrolitin suyun donma noktasını ne kadar azalttığını saptaması yeterlidir Osmolalite ve Osmolarite Osmolalite bir kg. su içindeki osmol sayısını gösterir. Toplam hacim relatif olarak küçük elektrolit maddenin hacmi ile birlikte bir litre su olacaktır. Osmolarite ise bir litre çözeltideki osmol sayısını belirtir. Bu durumda suyun hacmi bir litreden az olacaktır. Elektrolit hacmine eşit miktar kadar bir litreden az olacaktır. Bu nedenle osmolalite bir kg suya düşen miliosmol olarak ölçülür (mosmol/kg) osmalarite ise mosmol/l'dir. Pratikte bu fark ihmal edilebilir. Çünkü vücut sıvılarındaki elektrolit konsantrasyonu çok düşüktür.

17 HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ Đzotonik ve Đsoosmotik Çözeltiler Eritrosit hücreleri distile su içersine yerleştirildiği zaman, su eritrositlerin içine doğru hareket edecektir. Sonuçta hücre şişecek ve hemoliz olacaktır. Tersine o hücrenin aynı effektif osmolalitesine eşit (280 mosmol/kg) bir çözelti kullanılırsa, osmotik gradyan meydana gelmeyecek ve hücrede herhangi bir değişiklik olmayacaktır (Şekil 19). Hücre hacminde değişiklik meydana getirmeyen böyle bir sıvıya izotonik çözelti denilir. Hücrenin şişmesine sebep olan sıvı ise hipotoniktir. Aksine hücrenin büzüşmesine neden olan çözelti de hipertonik çözelti adını alacaktır. Mesela %5 dekstroz (100 ml. su da 5 gr. dekstroz) isotonik çözeltidir. Hücreyle aynı osmolariteye sahiptir, hücreyle isoosmotiktir mg/dl. 10 / 180 = 278 mosmol / kg Benzer olarak % 0.45 NaCl hipotonik, % 0.9 NaCl izotonik ve % 3 NaCl de hipertoniktir. % 0,9 NaCl çözeltisi 154 meq/l konsantrasyonda Na + içerir Kolloid Osmotik Basınç (Onkotik Basınç) Biyolojik membranların kolloidleri geçirmemesinden doğan basınca kolloid osmotik basınç ya da onkotik basınç adı verilir. Kolloid osmotik basıncı hesap etmek için Van t Hoff formülü kullanılabilir. Bu şekilde yapılan hesap elektrik yüküne sahip olmıyan kolloidler için doğrudur. Eğer çözeltideki tanecikler elektrik yüküne sahip iseler, elektrostatik dengeyi sağlamak için kolloidlere tutunan iyonların gözönüne alınması zorunludur. Bu olay osmolalitenin artmasına neden olur. Bu şekilde bulunan osmotik basınç, sadece kolloidleri gözönüne alarak hesap ettiğimiz basınçtan daha yüksek bulunur. Örneğin ortalama 28 mmhg kolloid osmotik (onkotik) basıncı gösteren normal insan plazmasında ancak 19 mmhg sı proteinlere, geri kalan 9 mmhg sı da proteinler tarafından tutulan iyonlara aittir. Şekil 19: Alyuvarların farklı çözeltilerdeki hacimsel değişimleri. A, Đzotonik; B, Hipoosmotik; C, Hiperosmotik çözeltiler.

18 HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ BÖLÜM 3 BĐYOFĐZĐK 1. HÜCRELERARASI ĐLETĐŞĐM Organizmada bilgi ya bir aksiyon potansiyeli ya da hücrenin kimyasal çevresindeki değişiklikler ile iletilebilir. Bu değişiklikler iyonlar ve metabolitler (örneğin glikoz gibi normal çevresel bileşimler) veya hormonlar ve nörotransmiterler gibi spesifik molekülleri gerektirir. Aksiyon potansiyeli, bir hücrenin sınırları içersinde basit bir informasyon ileti birimidir. Bazı olaylarda aksiyon potansiyelleri direkt olarak hücreden hücreye iletilir. Bu ileti omurgasızların kalp kasında olduğu gibi komşu hücreler arasında bulunan trilamellar birimler üzerinden gerçekleşir (Şekil 20 A). Sinir terminalleri ve diğer hücreler arasındaki esas kontaktlar sinapslardır. Sinaptik kontaktlarda ileti kimyasaldır. Sinir uçları karekteristik nörotransmiterler salgılar. Bu nörotransmiterler asetilkolin, katekolamin veya birkaç amino asitten biri olabilir. Nörotransmiterler hedef hücre membranını etkilerler. Daha sonra da inaktif olurlar. Örneğin asetilkolin, asetilkolinesteraz vasıtasıyla hidrolize edilir. Nörodrenalin ise sinir uçlarından yeniden hücre içersine alınırlar. Nörotransmisyonun detayları özellikle motor nöronlarla kas hücreleri arasındaki nöromüsküler birleşme yerlerinde incelenmiştir.asetilkolin presinaptik sinir terminallerinde, küçük vesiküllerde depo edilir. Ekzositoz olayı ile sinaptik araya boşaltılır. Bu olay aksiyon potansiyelinin sinir terminaline varmasıyla tetiklenir (Şekil 20 B). Hücrenin çevresindeki kimyasal değişiklikler ve hücreler arasındaki bilgi transferi, nörotransmisyondaki gibi lokal bir etkiyle sınırlı değildir. Birkaç önemli kimyasal haberci (hormonlar) anatomik olarak uzak endokrin bezlerinden salgılanır ve özel hedef hücreleri etkilemek için dolaşım sisteminde bulunur. Hücre yüzeyleri reseptör sistemleri içerir. Bu sistemler ekstrasellüler değişiklikleri tespit edebilirler ve hücre yüzeyi geçirgenliklerinde değişikliklere yol açabilirler Hücre Đçi Haberci Sistemleri Hücre içi haberleşmede birbiriyle etkileşim halinde üç esas sistem vardır. Bunlar; a- Siklik adenosin monofosfat (camp) sistemi, b-siklik guanizin monofosfat (camp) sistemi, c- Kalsiyum haberci sistemi Siklik Adenosin Monofosfat (camp) Sistemi Bu haberci sistemleri uyarı ile hücrenin vereceği cevap arasında bağlantı kurucu olarak görev yaparlar. Hücre fonksiyonları ayarlanırken bu sistemler birlikte devreye girerler.hücreyi dıştan etkileyerek hücre içinde camp sentezini arttıran maddelere (örneğin, hormonlara, nörotransmitter maddelere) birinci haberci, camp ye de ikinci haberci denir. Hücrede camp düzeyi, birbirine zıt iki enzim aktivitesinin dengesini yansıtır. Bunlar adenil siklaz ve fosfodiesteraz enzimleridir. Adenil siklaz ATP den camp şekillenmesini katalize eder; fosfodiesteraz ise camp yi 5 -AMP ye hidrolize eder ve böylece camp etkisini ortadan kaldırır; Şekil 20: Hücreler arasında aksiyon potansiyelinin iletimi

19 HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ Adenil Siklaz ATP camp + Ppi Mg++ fosfodiesteraz camp AMP Mg++ olayın gerçekleşmesi için ortamda Mg ++ iyonlarının bulunması gerekir. camp düzenleyici bir maddedir. Birçok hücresel olayların hızını kontrol etmektedir. Hücrenin içinde olan değişiklikler camp miktarını etkilemez. Sadece dış ortamdaki değişiklikler camp düzeyini hücre fonksiyonlarını bu duruma uyduracak biçimde etkilemektedir. Hücrenin gerek sinirsel gerekse hormonal yolla uyarılması ile hücrede meydana gelen değişiklikler camp, cgmp, kalsiyum iyonları ve hücredeki özel bazı proteinleri fosforile eden proteinkinaz enzimlerindeki değişikliklerdir. camp nin ATP den sentezini sağlıyan enzim adenil siklaz, hücrenin plazma membranına bağlanmıştır. Fosfodiesteraz ise sitoplazmada bulunur (Şekil 21). camp nin iş gördüğü bütün dokularda camp ile aktive edilen proteinkinazlar mevcuttur. Proteinkinazlar hücredeki birçok proteini fosforile eder ve aktif hale geçirir. Hemen bütün eksitasyon-reaksiyon sistemlerinde hücrenin uyarılması ile camp nin ve hücre içine alınan kalsiyum miktarının artması birlikte ortaya çıkar. camp nin intrasellüler kalsiyum depolarından kalsiyumun sitoplazmaya geçmesini sağladığına dair deliller de vardır. Hormonların hücreyi aktivite etmesiyle hücre yüzeyinde, sitoplazmada, nükleer membranda bulunan özel reseptörler hormonlarla reaksiyon verir. Bunun sonucu olarak hücre membranının kalsiyum geçirgenliği ve adenil siklaz aktivitesi artmaktadır. Böylece de camp miktarı artar. Bu olay hücre organellerindeki kalsiyumun sitoplazmaya geçmesini sağlar ve hücre içi kalsiyum konsantrasyonunu arttırır. Olaylara bakılırsa camp ve Ca ++ un hücre için ikinci haberci oldukları söylenebilir. Adenil siklaz aktive olduğunda proteinleri fosforile eder. Şekil 21: camp oluşumunun mekanizması ve hücre aktivitelerinin özeti. Proteinler fosforile olduğu zaman Ca ++ a karşı duyarlı hale gelirler. Hücrede camp düzeyinin artması mutlaka hücre fonksiyonlarını stimüle etmez. Örneğin kalsiyuma ihtiyaç gösteren bir grup reaksiyonları camp önlemektedir. Çeşitli dokularda farklı etki görülmesi bu dokudaki reseptör proteinlerin farklı olmasıyla izah edilir. Bunun yanısıra camp nin tüm etkilerinin her doku için özel proteinkinazlar aracılığıyla olduğu düşüncesi ağırlık kazanmıştır.

20 HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ serbest olarak bulunur. cgmp, camp nin aksine cevaplar meydana getirir. Mesela kalp kasında epinefrin camp yapımını stimüle eder. Diğer taraftan asetilkolin de cgmp yapımını stimüle eder. Asetilkolin ve katekolaminler kalp atışının hızı ve gücü üzerinde zıt etkilere sahiptirler. Asetilkolin belirtilen parametreleri azaltır, katekolaminler ise yükseltir. Bu camp ve cgmp nin intrasellüler ortamda zıt etkiye sahip olduklarını gösterir. Kalp kası, beyin, düz kas ve lemfositlerin β-adrenerjik reseptörlerinin aktivasyonu, aynı anda camp seviyesinde bir yükselme ile cgmp seviyesinde bir düşmeyi meydana getirir. cgmp nin yapımı özellikle Ca ++ a hassastır. cgmp (guanozin monofosfat) bulunduğu her sistemde, hormon etkisini sağlamak için vasıtadır. Ekstrasellüler sıvıdan Ca ++ uzaklaştırılırsa hormonun etkisi ortadan kalkar. Yani Ca ++ un yokluğunda guanilat siklaz enzimi inaktiftir. Serbest Ca ++ un artmasıyla daha aktif olur. Aksine adenil siklazın izole edilmiş örnekleri, düşük konsantrasyonlardaki Ca ++ tarafından stimüle edilir. Fakat sıfır Ca ++ da olduğu gibi yüksek konsantrasyondaki Ca ++ da da inhibe edilir.yani bu enzim için optimum Ca ++ konsantrasyonu, guanilat siklaz için gerekenden daha azdır. Bu iki enzimin Ca ++ a karşı hassasiyeti farklıdır. camp ve cgmp nin rölatif konsantrasyonları prensip olarak intrasellüler serbest Ca ++ konsantrasyonu tarafından etkilenebilir. Ayrıca cgmp sentezi için daha fazla kalsiyum gerekliliği, bazı sistemlerde Ca ++ un cgmp yapımını uyarmak için ikinci haberci gibi rol oynadığını öne sürer. O zaman cgmp üçüncü haberci gibi rol oynar. Şekil 22: Epinefrinin değişik dokularda α ve β reseptörlerinin etkisi Đkinci Haberci Olarak cgmp Ayrıca hücrede son yıllarda yeni bir ikinci haberciden söz edilmektedir. Polifosfoinozitidler çeşitli hormonların, nörotransmiterlerin, büyüme faktörlerinin ve onkogen mahsüllerinin hücreyi etkilemelerinde esas rolü oynamaktadır. Polifosfoinozitid sistemi, hücreyi uyaran ajanlar ile aktive edildiğinde iki ayrı hücre içi haberci sistemi meydana getirir. Birisi inotizoltrifosfat diğeri de diasilgliserol dür. Her ikisi de birbirinden bağımsız olarak etki yaparlar. Diasilgliserol proteinkinaz-c yi aktive eder. Bu ise hücre çoğalmasını hızlandıran proteinleri fosforile ederek hücreyi çoğalmaya zorlar. Đnotizoltrifosfat da hücre içi Ca ++ konsantrasyonunu arttırır. Đkinci haberci olarak Ca ++ ve camp nin çalışması diğer regüle edici nükleotik monofosfat, cgmp (siklik GMP) nin varlığında komplike hale gelir. Bu nükleotidin hücredeki konsantrasyonu camp den daha azdır ve GTP (guanizin trifosfat) dan guanilat siklaz enzimi yardımıyla oluşur. Bu enzim sitoplazmada