GAZİ ÜNİVERSİTESİ EĞİTİM FAKÜLTESİ FİZİK ÖĞRETMENLİĞİ

Transkript

1 GAZİ ÜNİVERSİTESİ EĞİTİM FAKÜLTESİ FİZİK ÖĞRETMENLİĞİ DUYGU HARİKA AYDIN DANIŞMAN Dr. MUSTAFA KARADAĞ

2 BİYOFİZİK AKTİF SODYUM POTASYUM POMPASI VE HÜCRE MEMBRANININ ELEKTRİKSEL EŞDEĞER DEVRESİ

3 İÇERİK Biyofiziğe Giriş Biyofiziğin Konusu Biyofiziğin Dalları Hücre,Hücre Zarı ve Hücre Zarının Özellikleri Hücre Membranından Geçiş Hücre Zarının Farklı Maddelere Olan Geçirgenliğinin Sınıflandırılması Pasif Taşınım,Aktif Taşınım Hücre İçi Ve Dışı Madde Profilleri Sodyum Potasyum Pompası Hücre Membranın Elektriksel Eşdeğer Devre Modeli

4 BİYOFİZİĞİN KONUSU Yüzyılımızda ortaya çıkmış bir bilim dalı olan biyofizik, canlı varlıkların incelenmesinde fiziğin uygulanması veya daha kısaca canlı organizmaların fiziği şeklinde tanımlanabilmektedir.tanıma göre,biyofiziğin konu maddesi biyolojinin konu maddesi ile aynıdır ve bu yanı ile fizikten çok biyolojiye yakındır.metadoloji bakımından ise,biyolojinin problemlerine fizik açısından yaklaşması,fiziğin deney yöntemlerini kullanması ve olayları fiziğin kavram,ilke ve yasaları ile açıklamaya çalışması nedenleri ile fiziğe daha yakındır. Canlı varlıkların yapı ve işlevleri,tek bir disiplinin içinden çıkamayacağı kadar karmaşıktır.bilimlerin özelleşme süreci içinde,bir biyoloji ve tıp disiplini olan fizyoloji canlılık işlevlerini açıklamada yalnız başına yetersiz kalınca,önce kimya disiplininden yardım gerekmiş ve biyokimya adlı melez bir disiplin doğmuştur.zamanla biyokimyanın da yetersiz kaldığı bazı biyolojik olayları açıklamak için bu kez fizikten yardım gerekmiş ve biyofizik adlı melez bir disiplin doğmuştur.böylece fizik-biyoloji-tıp etkileşimi kurulmuştur.biyofizikçiler,fiziksel yöntemleri kullanarak,biyomolekül incelemelerine başlamış,biyoelektrik ve elektrofizyoloji alanlarında fiziğin önemli katkıları artmaya başlamıştır. Biyofiziğin temel işlevleri; Biyolojiye ve tıbba fiziksel araç ve yöntem vermek, Elektrokardiyograf,mikroskop vb. fiziksel araçları kullanmak, Canlı organizmalarla ilgili problemleri fizik kavramları ile formüle etmek ve fiziğin yasaları ile çözmeye çalışmaktır. BİYOFİZİĞİN KAPSAMI VE DALLARI Biyofizik açısından canlı organizmalar açık,kendi kendini ayarlayan,üreten,gelişip büyüyen,heterojen yapıda ve çok aşamalı karmaşık sistemler olarak ele alınırlar.küçük moleküllerden iri biyopolimerlere (proteinler ve nükleik asitler)hücre organellerine,hücrelere,dokulara,organlara,organizmalar,toplumlara ve biyosfere kadar canlılığın her aşaması biyofiziğin de ilgi alanına girmektedir. Biyofizik,aralarında kesin sınırlar çizilemeyen üç ana dala ayrılabilir. Moleküler Biyofizik:Önemli işlevleri olan biyomoleküllerin ve özellikle biyopolimerlerin fizikokimyasal özellikleri ile ilgilenir. Hücre Biyofiziği:Hücre ve dokuların yapıları ve işlevleri ile ilgilenir.hücre biyofiziğinin ilgilendiği konular arasında,biyoenerjetik süreçler,biyolojik zarlar,sinirde iletim,mekanokimyasal süreçler,fotokimyasal olaylar vb.sayılabilir. Sistemler Biyofiziği:Fizyolojik sistemlerin işleyişini fiziksel ve matematiksel yöntem ve modellerle açıklamaya çalışır.

5 HÜCRE Canlının, tüm canlılık işlevlerini yürütebilen temel birimine hücre denir. Hücreyi meydana getiren başlıca beş esas madde;su,elektrolitler,proteinler,lipidler ve karbonhidradlardır.hücreyi meydana getiren bu maddelerin bütününe protoplazma denir. Bir hücrenin işlevleri organel adı verilen alt sistemler ( hücre çekirdeği,mitokondri,endoplazmik retikulum,golgi cisimciği,ribozomlar vb.)tarafından bir iş bölümü halinde yürütülür.organeller hücre içi sıvıdan zarlarla ayrılırlar.hücre de dış ortamdan hücre zarı ile ayrılır.protoplazmayı dıştan çevreleyen bu zar,canlı,esnek,seçici geçirgen özelliğine sahiptir. Hücrenin şekli.yaptığıişe ve bulunduğu yere göre değişir.çünkü yapısı ve fonksiyonu arasında sıkı bir ilişki vardır.mesela doku hücerleri,kübik,prizmatik,silindirik veya gerilmeler ve basınç altında yassı olabilirler. Hücrenin büyüklüğü:hücrenin büyüklüğü de çeşitlilik gösteririr.mesela sinir hücrelerinin bazıları aksonları ile beraber m boyunda olabilirler. Hücre büyüklüğü,vücut büyüklüğü ile ilişkili değildir.örneğin fil ve farenin böbrek ve karaciğer hücreleri aynı büyüklüktedir. Hücre sayısı:yetişkin bir insanda hücre sayısı vücut büyüklüğüne göre değişir.

6 HÜCER ZARI Hücre zarları temel yapı maddeleri lipid ve protein olan,süper moleküler yapıda,dinamik,organize sistemlerdir.lipid ve fosfolipid molekülleri bir iskelet üzerine yerleşmiş polar ve bu nedenle hidrofilik bir baş ile polar olmayan ve bu nedenle hidrofobik iki karbon kuyruğundan oluşur. Lipid ve fosfolipidler sulu bir ortam içinde bulunduklarında,hidrofobik kısımları su molekülleri tarafından dışlanır.bu nedenle lipid molekülleri ya misel adı verilen küresel biçimde yada çift tabaka (bilayer) biçimde kümelenirler. Hücre zarlarındaki lipid çift tabakası,suda çözünmüş iyon ve moleküllerin geçişine engel oluşturarak,hücre bütünlüğünün korunmasında önemli rol oynar.. Hücre Zarının Kantitatif Özellikleri Kalınlık = 6-10 nm Kapasitans = µf/cm2 Direnç = Ohm x cm2 Bozulma Potansiyeli = mv Su Geçirgenliği = ( ) x 10-6 m/s Yüzey Gerilimi = N/m Hücre zarlarının kalınlıkları 6-10 nm arasındadır.hücre zarı,kalınlığının çok küçük olması nedeniyle 1µF/cm 2 gibi çok büyük bir sığaya sahiptir.kapasitif davranış yanında iletkenlik özelliği de gösteren zarların sızıntı direnci ohm.cm 2 arasındadır.zarın iki tarafı arasında 60 mv luk potansiyel farkı olduğunda,zar içinde 10 7 V/m gibi oldukça şiddetli bir elektriksel alan kurulur.bu potansiyel fark 150 mv a çıkarılfığında dielektrik yapı bozulur ve zardan büyük bir akım geçer

7 HÜCRE ZARININ KONDANSATÖR ÖZELLİĞİ İki iletken plaka arasına yalıtkan bir maddenin yerleştirilmesi ile oluşturulan ve yük depolamaya yarayan sistemlere kondansatör denir. Bu tanımlamaya uygun olarak hücre zarı ve civarı da bir kondansatör özelliği göstermektedir.organizmadaki bütün hücrelerde hücre zarının içiyle dışı arasında bir elektriksel potansiyel farkı vardır.hücre içindeki ve dışındaki iyonların konsantrasyon farklılıklarından dolayı bu potansiyel fark -60 ile -90 mv arasındadır.eğer burada hücre zarı için bir kondasatör yaklaşımı yapacak olursak;kondansatörün yüklü plakaları yerine hücre içi ve dışı iyonları,iletkenleri ayıran yalıtkan yerine de hücre zarını düşünebiliriz.hatta hücre zarının kalınlığı ~100 A olduğundan düzlem kondasatör yaklaşımı yapmak da mümkündür. HÜCRE MEMBRANINDAN GEÇİŞ (TRANSPORT) Eğer iki ortamı birbirinden ayıran bir bariyer varsa, bir ortamdan diğerine madde akışı olabilmesi için, iki ortam arasında POTANSİYEL ENERJİ FARKI bulunmak zorundadır. Biyolojik ortamlar arasındaki olası potansiyel enerji farkı kaynakları: 1. Kimyasal Potansiyel Enerji = Konsantrasyon Farkı (Gradienti) 2. Hidrostatik Basınç Farkı 3. Elektriksel Potansiyel Enerji 4. Termal Enerji

8 Hücre Zarının Farklı Maddelere Olan Geçirgenliğinin Sınıflandırılması 1.Çok Kolay Geçenler : Su 2. Kolay Geçenler : a) Oksijen, Azot, Karbondioksit gibi gazlar b) Alkol, Eter, Kloroform gibi yağda çözünebilen maddeler 3. Zor Geçenler : Glukoz, Aminoasitler, Gliserol, Yağ Asitleri 4. Çok Zor Geçenler : a) İnorganik tuzlar b) Her türlü asidik ve alkali maddeler c) Sakkaroz, Maltoz, Laktoz gibi disakkaritler 5. Hiç Geçmeyenler : Proteinler, Polisakkaritler, Fosfolipidler HÜCRE ZARINDAN GEÇİŞ TÜRLERİ DİFÜZYON Molekül, iyon vb. her türlü taneciğin, yüksek konsantrasyon bölgesinden düşük konsantrasyon bölgelerine doğru (yokuş aşağı) veya iyonik bir maddenin elektriksel potansiyel fark doğrultusunda, bir bölgeden bir diğerine doğru akmasına difüzyon denir. Difüzyon Akısı (Difüzyon Debisi) Akımın meydana geldiği kesiti, birim zamanda geçen mol sayısına difüzyon akısı (difüzyon debisi) denir. Difüzyon Akı Yoğunluğu Akımın meydana geldiği kesitin birim yüzeyinden birim zamanda geçen mol sayısına Difüzyon Akı Yoğunluğu denir. Difüzyon Akı Yoğunluğu; 1. Konsantrasyon gradienti 2. Maddenin molekül ağırlığı 3. Difüzyonun gerçekleştiği zarın geçirgenliği ile doğru orantılıdır. Difüzyon mekanizması, hücre bazında gerçekleşen transport faaliyetleri için yeterince hızlı, ancak çok hücreli canlıların organizmasında gerçekleşen transport faaliyetleri için çok yavaştır.

9 PASİF TAŞINIM Basit Difüzyon (Osmos) Doğrudan Geçiş Su Oksijen Sodyum Azot Potasyum Karbondioksit Klor Eter Kalsiyum Kloroform Alkol Kolaylaştırılmış (Facilitated) Protein Difüzyon Kanallarından Geçiş Amino asitler Glukoz AKTİF TAŞINIM Birincil (Primer) Aktif Geçiş İkincil (Sekonder) Aktif Geçiş Sodyumla Ortaklaşa Sodyuma Karşıt Sodyum Glukoz Kalsiyum Potasyum Aminoasitler Potasyum Kalsiyum PASİF TAŞINIM Yokuş aşağı olan, enerji harcanmayan, konsantrasyon gradienti yönünde gerçekleşen taşınma şeklidir. Basit Difüzyon Doğrudan Geçiş : Hiçbir kanal ve taşıyıcı olmaksızın, maddelerin direkt olarak bilayer fosfolipid tabaka üzerinden geçmesidir. (Su, oksijen, azot, karbondioksit, eter, kloroform) Protein Kanallarından Geçiş: Maddelerin kanallar aracılığı ile geçişidir. (Sodyum, potasyum, klor, kalsiyum) Kolaylaştırılmış (Fascilated) Difüzyon Maddelerin, taşıyıcılar (carrier) vasıtası ile yokuş aşağı taşınmasıdır. (Aminoasitler, glukoz) AKTİF TAŞINIM Yokuş yukarı olan, enerji harcanan, konsantrasyon gradientinin tersi yönde gerçekleşen taşınma şeklidir. Birincil (Primer) Aktif Taşınım : Bizzat bu amaca yönelik olarak enerji (ATP) harcanması ile gerçekleştirilen yokuş yukarı taşımadır. (Sodyum, potasyum, kalsiyum)

10 İkincil (Sekonder) Aktif Taşınım : Özellikle böbrek tubuluslarında, sodyumun yokuş aşağı olarak, hücre dışından hücre içine taşınması sırasında ortaya çıkan enerjiden yararlanılarak, bir başka maddenin yokuş yukarı taşınması olayıdır. Sodyumla Ortaklaşa : Bir maddenin, yokuş aşağı taşınan sodyumla aynı yönde (dışarıdan içeriye doğru) ancak yokuş yukarı tarzda taşınmasıdır. (Glukoz, amino asitler) Sodyumla Karşıt : Bir maddenin, yokuş aşağı taşınan sodyumla zıt yönde (içeriden dışarıya doğru) ancak yokuş yukarı tarzda taşınmasıdır. (Kalsiyum, potasyum) HÜCRE İÇİ ve DIŞI MADDE PROFİLLERİ İyon Cinsi Konsantrasyon (µmol/cm³) Hücre Dışı Hücre İçi Sodyum Katyonlar Potasyum Hidrojen 3.8 x x 10-5 Diğer 5 0 Klor Anyonlar Bikarbonat Diğer Potansiyel 0-70 mv Vücuttaki kimyasal maddeler elektrikle yüklüdür ve elektrikle yüklü maddelere iyon denir.tüm vücut hücrelerinde hücre içi ve hücre dışı arasında iyonik farklılık bulunmaktadır.bu farklı dağılım hücre içi ve dışı arasında potansiyel bir farklılık oluşturur.bu potansiyel farkın oluşmasında rol alan başlıca iyonlar;sodyum,potasyum ve klor iyonları ile protein anyonlarıdır.tablodan da görüldüğü gibi sodyum ve klor iyonları hücre dışında,potasyum iyonları ise hücre içinde fazla bulunmaktadır.iyonlar yüklü olduklarından dolayı zarı kolayca geçemezler.iyonların zardan geçişi kendine özgü kanallardan olur.hücre zarları pratik olarak hücre içindeki proteinlere ve hücre içi anyonların büyük kısmını yapan diğer organik anyonlara geçirgen değildir.zarı geçemeyen bu protein anyonlarından dolayı hüre içi eksi yüklüdür.

11 Hücre içinin dışına göre negatif olduğu ve dinlenti hali dediğimiz bu durumda,iyonların hücre içine giriş çıkışları dengededir. AKTİF SODYUM-POTASYUM POMPASI Vücutta iyonları taşımak için enerji gerektiren protein pompaları kullanılır.en iyi bilinen pompalama sistemlerinden birisi sodyum-potasyum pompasıdır.hücre zarında kanal oluşturan protein,hücrenin toplam enerji üretiminin üçte birini yakıt olarak kullanır.bu protein gece gündüz hiç durmaksızın hücre dışına sodyum iyonlarını pompalarken,bunların yerine potasyum iyonlarını içeri çeker. Hücre zarının sodyuma olan geçirgenliği potasyuma olan geçirgenliğinden 20 kat daha azdır. Her pompalama işlemi sırasında hücrenin dışına 3 sodyum gönderilir ve iki potasyum alınır. Şimdi sodyum potasyum pompasını seçtiğimiz hücre modeli üzerinde anlatalım. Hücre içi ve dışında iyonların dinlenti halinde belirli konsantrasyonlarda olduğunu,bu konsatrasyon farklılıklarından dolayı hücre içinin negatif potansiyelde olduğunu söylemiştik.peki bu potansiyel farklılığı sağlayan iyonlarımız nelerdi?sodyum,potasyum ve klor iyonları ile protein anyonları. Yine hatırlayacak olursak hücre içi ve dışı madde profillerini incelerken sodyum konsantrasyonunun hücre dışında,potasyum konsantrasyonunun hücre içinde ve klor konsantrasyonunun da sodyum gibi yine hücre dışında fazla olduğunu görmüştük.bir de bizim hücre dışına çıkamayan ve A simgesiyle gösterdiğimiz protein anyonlarımız vardı.sonuç olarak tüm bu farklı dağılımların hücre içinin dışına göre negatif olmasına neden olduğunu biliyoruz.bu durum da hücre modelimiz üzerinde gösteriliyor.

12 Na Na K K A _ Cl Cl Hücrede pasif taşınımı tetikleyen iki durum mevcuttur; 1.si iyonların konsantrasyon farklarından dolayı gerçekleşecek olan geçişler, 2.si ise hücrenin negatif potansiyelde olması nedeniyle iyonları elektriksel olarak çekme yada itmesinden dolayı gerçekleşecek olan geçişlerdir. Şimdi 1. durumu,yani konsantrasyon farklılıklarını değerlendirecek olursak eğer,hücre dışında konsantrasyon miktarı fazla olan sodyum iyonun hücre içine girme eğiliminde bulunacaktır.potasyum iyonu hücre içinde fazla olduğu için hücre dışına çıkmak,klor iyonu da hücre içine girmek isteyecektir. Eğer 2. durumu değerlendirirsek ;hücre içinin dışına göre negatif olmasından ötürü sodyum iyonuna ait elektriksel gradient kimyasal gradientle aynı yöndedir.potasyum iyonları için elektriksel gradient pozitif yüklü olduğundan içeri doğru iken,klor iyonları için bu durumun tam tersi söz konusudur. Buna göre tüm bu etkilerden dolayı önce sodyum kanalları açılır ve sodyum hücre içine hücum eder.sodyum pozitif yüklü olduğu için hücre içine girince hücre içi pozitif olur.potasyum kanalları daha geç açılır ve açılınca hücre içinde potasyum daha fazla olduğu için çok miktarda potasyum hücre dışına çıkar.yani hücre pozitif yük kaybeder.

13 Na Na Na Na Na K K K K A Cl _ Cl Klor iyonlarının hücreye giriş ve çıkışları birbirlerini dengelediklerinden şuan için önemli değildirler.potasyum kanalları açıldığı zaman sodyum kanalları açılmış olur.sonuçta iyon konsantrasyonları normale döner ve istirahat zar potansiyeli de başlangıçtaki değeri ne de ulaşmıştır.fakat arada bir fark vardır.hücre içindeki Potasyumun yerini sodyum almıştır.hücre dışına çıkan potasyumun içeri,içeri giren sodyumun dışarı atılması ve böylece iyonların yer değiştirmesi Na-K pompası ile olmaktadır.enerji kullanılan bu pompa 3 sodyum iyonunu hücre dışına atarken 2 potasyum iyonunu da hücre içine alır.ve sonuçta yine istirahat halindeki potansiyele geri dönülmüş olunur.

14 K K Na Na Na Na K Na K A Cl Cl _ -70 mv _

15 HÜCRE ZARININ ELEKTRİKSEL EŞDEĞER DEVRE MODELİ Şimdi buraya kadar Na-K pompasının çalışma prensibini inceledik.sıra geldi fiziğin bize sunduğu imkanları kullanarak bu sistemin elektriksel eşdeğerdevre modelini çizmeye. Öncelikle hücre içini ve dışını birbirinden ayıralım.üst yeşil çizginin üst kısmı hücre dışını, Alt yeşil çizginin alt kısmı hücre içini ve bu iki çizgi arasında kalan alan da hücre zarını temsil etsin. DIŞ (Ekstrasellüler) Ortam İÇ (İntrasellüler) Ortam Konunun en başında hücre içindeki ve dışındaki iyonları konsantrasyon farklılıklarından dolayı,hücre içinin dışına göre negatif potansiyelde olduğunu öğrendik.o halde dinlenim halindeki bir hücre zarının tümü için elektriksel eşdeğer devre modelini çizmeye sabit olan bu zar potansiyelimizi yazmakla başlayalım.

16 DIŞ (Ekstrasellüler) Ortam İÇ (İntrasellüler) Ortam Bundan sonra sırasıyla her bir cins iyonu inceleyelim. Hücre içine girme eğiliminde olan sodyum iyonuna karşı zar bir direnç gösterir.sodyum iyonu ise kendi denge potansiyeline eşit bir elektromotor kuvvet etkisinde zardan içeri ye doğru geçişe zorlanmakta ve tüm bu pasif kuvvetlerden dolayı da hücre içine doğru bir I Na akımı gözlenmektedir. DIŞ (Ekstrasellüler) Ortam R Na _ ENa I Na İÇ (İntrasellüler) Ortam Yine aynı şekilde zar klor iyonuna da bir direnç uygular.yalnız klor iyonu için farklı bir durum söz konusudur.eğer hatırlarsak istirahat halini anlatırken klor iyonları için elektriksel gradientinin klor eksi yüklü olduğundan dışarı doğru,kimyasal gardientinin ise hücre içine doğru olduğunu söylemiştik.işte bu yüzden dinlenim durumunda klor iyonları dengede oldukları için bu koldaki akım sıfır oluyor.

17 DIŞ (Ekstrasellüler) Ortam R Na R Cl - _ ENa I Na _ E Cl - I Cl - İÇ (İntrasellüler) Ortam Ve sırada potasyum iyonu var.diğer iki iyonda olduğu gibi zarın potasyum iyonuna karşı da gösterdiği bir direnç vardır.hücre içine sodyum iyonunun girmesinden ötürü hücre içi negatifliğini kaybetmiş,pozitiflik kazanmıştır.böylece potasyum iyonuna ait olan elektriksel gradientin yönü değişmiş kimyasal gradientle aynı yönelmiştir.bu etkiden dolayı hücre dışına bir potasyum akımı gerçekleşmektedir. DIŞ (Ekstrasellüler) Ortam R Na R Cl - R K _ ENa I Na _ E Cl - _ E K ICl - IK İÇ (İntrasellüler) Ortam Devre şuanki haliyle yalnızca pasif özellikleri dikkate alınarak basitleştirilmiş dinlenim durumundaki bir hücrenin eşdeğer devresidir.şimdi pompanın etkisini de modelde gösterecek olursak eğer,pasif etkiyle içeri giren sodyum iyonunu karşlamak için pompa zıt yönde ve eşit I Na * ve yine aynı şekilde dışarı çıkan potasyum iyonunu karşılamak için zıt yönde ve eşit bir I K * akımı oluşturur.anlaşılacağı gibi bu devrede pompa bir akım kaynağı olarak düşünülmüştür.

18 Son olarak dinlenim halinde zar sığasında depolanmış yükün de sabit olduğunu gösterirsek dinlenim halindeki bir hücre zarının tümü için elektriksel eşdeğer devre modelimizi tamamlamış oluruz. DIŞ (Ekstrasellüler) Ortam R Na R Cl - R K _ ENa _ E Cl - _ E K I Na I K C m I Na ICl - IK İÇ (İntrasellüler) Ortam