Biyolojik zarların genel yapısı sıvı mozaik modelle açıklanır.

Transkript

1 6 Hücre zarları

2 6 Hücre zarları 6.1 Biyolojik zarın yapısı nasıldır? 6.2 Hücre zarı, hücre tutunması ve tanımasında nasıl bir rol oynar? 6.3 Zardan madde geçişlerinde pasif taşıma 6.4 Zardan madde geçişlerinde aktif taşıma 6.5 Büyük moleküller hücreden nasıl geçiş yapar?

3 6 Hücre zarları Hücre zarı, sitoplazmaya neyin girip çıkacağını kontrol eder. Bazı hücre zarları suyun serbest geçişine izin veren aquaporin denilen gözeneklere sahiptir. Açılış sorusu: Suyun temizliği dünya çapında bir problemdir. Aquaporin zar kanalları suyu arıtmak için kullanılabilir mi?

4 6.1 Biyolojik zarların yapısı Biyolojik zarların genel yapısı sıvı mozaik modelle açıklanır. Fosfolipidler çift katmanlı tabaka oluşturur; bu tabakalar üzerinde çeşitli proteinler yüzen bir göle benzetilebilir.

5 Figure 6.1 Sıvı mozaik model Hücre dışı Çift katmanlı fosfolipid Hücre içi

6 6.1 Biyolojik zarların yapısı Fosfolipidlerin polar hidrofilik kafa grupları ve hidrofobik yağ asiti kuyruk grupları bulunur. Sulu bir ortamda fosfolipidler çift katman oluşturur.

7 Figure 3.22 fosfolipidler Fosfatidil kolin kolin Fosfat Hidrofilik kafa grubu Artı yük Eksi yük gliserol Ester bağı Hidrokarbon zincirleri Hidrofobik kuyruk

8 Figure 6.2 Çift fosfolipid katman Sulu ortam Sulu ortam

9 6.1 Biyolojik zarların yapısı Laboratuvarda yapay çift katmanlı zarlar oluşturulabilmektedir. Lipidler bu çift katmanlı yapıyı kendiliğinden oluşturur. Bu durum fagositoz sırasında veya keseciklerin oluşumunda zarların birleşmesini kolaylaştırır.

10 6.1 Biyolojik zarların yapısı Zarların içeriğindeki lipid çeşitleri değişkendir. Fosfolipidler, yağ asiti zincirlerinin uzunluğu, doymuşluk oranı veya fosfat grupları açısından değişkenlik gösterir.

11 6.1 Biyolojik zarların yapısı Hayvan hücre zarları %25 e kadar kolesterol içerebilir. Zar bütünlüğü için çok önemlidir.

12 6.1 Biyolojik zarların yapısı Yağ asiti zincirleri zarın iç kısmını sıvı benzeri bir yapıda tutar. Bu da moleküllerin yatay olarak hareket edebilmelerini sağlar. Akışkanlık, sıcaklığa ve lipid çeşitlerine bağlı olarak değişir.

13 6.1 Biyolojik zarların yapısı Kolesterol ve uzun, doymuş yağ asitleri daha sıkı organize olurlar ve daha akışkan bir zar oluştururlar. Sıcaklık azaldıkça moleküllerin hareketi ve hücresel aktiviteler yavaşlar. Bazı organizmalar soğuk ortamlarda hücre zarlarının lipid içeriğini değiştirerek uyum sağlarlar.

14 6.1 Biyolojik zarların yapısı Zarlar ayrıca protein de içerir. Sayısı zarın görevine göre değişir. Yüzey proteinlerinin hidrofobik grupları yoktur ve zar içine giremezler. İç proteinlerin hem hidrofobik hem de hidrofilik bölgeleri vardır. Bazıları zarı içten dışa geçerek yerleşmiştir. Bazıları sadece içine gömülüdür.

15 Figure 6.3 İç zar proteinleri Hücre dışı (sulu ortam) Hidrofobik iç bölge Hücre içi (sulu ortam)

16 6.1 Biyolojik zarların yapısı Zar içi proteinler fosfolipid zarların bir yüzeyinden diğer yüzeyine uzanır. 1 veya daha fasla zar içi bölümleri bulunabilir. Hücre içinde veya dışında kalan bölümlerinin ayrı görevleri bulunur. Yüzey proteinleri sadece bir tarafta yerleşiktir.

17 6.1 Biyolojik zarların yapısı Bazı zar proteinleri zarda serbestçe dolaşabilir, bazıları ise belirli bir bölgede sabittir. İki ayrı hücre laboratuvar ortamında birleştirildiği zaman bazı proteinler dağılarak eşit bir yerleşim gösterir. Akışkan mozaik modelini destekleyen en önemli deney

18 Figure 6.5 Zar proteinlerinin difüzyonu Zar proteinleri Fare hücresi İnsan hücresi

19 6.1 Biyolojik zarların yapısı Zarlar dinamiktir: Sürekli olarak yenisi oluşur, değişir, birleşir, yıkılır.

20 6.1 Biyolojik zarların yapısı Zarların dış yüzeylerinde diğer hücreler ve moleküller için tanınmayı sağlayan karbonhidratlar bulunur. Glikolipidler karbonhidrat + lipid Glikoproteinler karbonhidrat + protein

21 6.2 Hücre tutunması ve tanınmasında hücre zarının rolü Çok hücreli organizmalarda hücreler belirli gruplara ayrılarak dokuları oluştururlar. Bu gruplaşmalarda işleyen iki önemli mekanizma: Hücre tanıma ve hücre tutunması Basit çok hücreliler olan süngerler iyi bir model hücreler kolaylıkla birbirinden ayrılır ve tekrar biraraya gelirler.

22 Figure 6.6 Hücre tanıma ve tutunma

23 6.2 Hücre tutunması ve tanınmasında hücre zarının rolü Tutunma tanımada görevli moleküller glikoproteinlerdir. Tutunma genelde homotipiktir: İki hücrenin de bağlanma molekülü aynıdır. Bazı tutunmalar heterotipiktir: İki hücrenin tutunma molekülleri farklıdır.

24 6.2 Hücre tutunması ve tanınmasında hücre zarının rolü Hücre bağlantıları hücreleri bir arada tutan özelleşmiş yapılardır: Sıkı bağlantılar (Tight junctions) Desmozomlar Yarıklı bağlantılar (Gap junctions)

25 Figure 6.7 Bağlantılar hayvan hücrelerini bir arada tutar -1 Sıkı bağlantılar maddelerin belirli yönde hareketini sağlar. Hücre zarı Hücreler arası boşluk Sıkı bağlantılar Bağlantı proteinleri Hücreler arası boşluk Desmozom Sıkı bağlantılar: komşu hücre zarlarını yapıştırır gibi bağlar ve aradan madde geçişine izin vermez. Yarıklı bağlantılar

26 Figure 6.7 Bağlantılar hayvan hücrelerini bir arada tutar -2 Desmosomes are like spot welds. Hücre zarları Hücreler arası boşluk Sitoplazma plağı Bağlantı proteinleri İç iskelet lifleri Desmozomlar: komşu hücreleri sıkı bir şekilde bağlar fakat etraflarında madde hareketine izin verir.

27 Figure 6.7 Bağlantılar hayvan hücrelerini bir arada tutar -3 Yarıklı bağlantılar: iletişimi sağlar Hücre zarları Hücreler arası boşluk Hidrofilik kanal Moleküller hücreden hücreye geçer Konneksinler (kanal proteinleri) Yarıklı bağlantılar: Komşu hücrelerin iletişimini sağlar

28 6.2 Hücre tutunması ve tanınmasında hücre zarının rolü Hücre zarları ayrıca hücre dışı matrikse de tutunur. Zar içi protein olan integrin hücrenin dışındaki matrikse ve hücre içindeki iskelet liflerine bağlanır. Bağlanma kovalent değildir ve değişebilir.

29 6.2 Hücre tutunması ve tanınmasında hücre zarının rolü Hücreler bir doku içerisinde integrinin matrikse bağlanıp tekrar tutnmasıyla hareket edebilirler. Bu, embryo gelişiminde ve kanser hücrelerinin yayılmasında hücre hareketini sağlar.

30 Figure 6.8 İntegrinler ve hücre dışı matriks Hücre içi Hücre dışı Aktin Hücre zarı Geri dönüşüm Hareket yönü İntegrin Hücre dışı matriks Hücre dışı matriks İntegrin Yeni tutunma bölgesi Hücre dışı

31 6.3 Pasif taşıma Zarların seçici geçirgenliği vardır zardan bazı maddeler geçebilir fakat diğerleri geçemez. Pasif taşıma dışarıdan enerji gerekmez (difüzyon). Aktif taşıma enerji gerekir.

32 6.3 Pasif taşıma Pasif taşıma konsantrasyon farklarından yararlanır: zarın iki tarafındaki konsantrasyonun farkı. Bir çözeltideki maddeler eşit dağılım gösterene kadar hareket ederler. Dengeye geldiklerinde maddeler harekete devam eder fakat dağılımda net bir değişim olmaz.

33 In-Text Art, Ch. 6, p. 113

34 6.3 Pasif taşıma Difüzyon: Dengeye ulaşmak üzere rastgele hareket etme süreci. Denge sağlanana kadar net hareket belirli bir yöndedir. Difüzyon, yüksek konsantrasyondan düşük konsantrasyona doğru olan net harekettir.

35 6.3 Pasif taşıma Difüzyon hızı: Molekül veya iyonların büyüklüğüne Çözeltinin sıcaklığına Konsantrasyon farkına bağlıdır

36 6.3 Pasif taşıma Difüzyon kısa mesafelerde iyi işler (Ör: hücre içinde). Zar özellikleri maddelerin difüzyonunu etkiler. Bir zar içinden kolaylıkla geçebilen maddelere karşı geçirgendir.

37 6.3 Pasif taşıma Basit difüzyon: Küçük moleküller lipid zardan doğrudan geçerler. Su ve yağda çözünen moleküller zardan difüzyonla geçerler. Elektriksel olarak yüklü ve polar moleküller kolaylıkla geçemezler.

38 6.3 Pasif taşıma Ozmoz: suyun difüzyonu. Zarın iki tarafındaki su moleküllerinin konsantrasyonuna bağlıdır. Hipertonik: çözünen madde konsantrasyonu yüksek İzotonik: çözünen madde konsantrasyonu eşit Hipotonik: çözünen madde konsantrasyonu düşük

39 Figure 6.9 Ozmoz hücrelerin şekillerini değiştirebilir Hayvan hücresi (kırmızı kan hücresi) Hücre dışında hipertonik (dışarda daha yoğun çözünen madde) Hücre içi Hücre dışı Bitki hücresi (yaprak epitel hücresi)

40 Figure 6.9 Ozmoz hücrelerin şekillerini değiştirebilir Hayvan hücresi (kırmızı kan hücresi) İzotonik (eşit çözünen madde) Hücre içi Hücre dışı Bitki hücresi (yaprak epitel hücresi)

41 Figure 6.9 Ozmoz hücrelerin şekillerini değiştirebilir Hayvan hücresi (kırmızı kan hücresi) Hücre dışında hipotonik (dışarda daha seyreltik çözünen madde) Hücre içi Hücre dışı Bitki hücresi (yaprak epitel hücresi)

42

43 6.3 Pasif taşıma İki çözelti suyun geçişine izin veren fakat çözünen maddelere izin vermeyen bir zar ile ayrılırsa: Su, yüksek su konsantrasyon olan taraftan (düşük çözünen konsantrasyonu) düşük su konsantrasyonu olan tarafa (yüksek çözünen konsantrasyonu) doğru hareket eder.

44 6.3 Pasif taşıma Su, hipotonik çözeltiden hipertonik çözeltiye doğru zardan difüzyona (net hareket) uğrar. Hayvan hücreleri hipotonik bir çözeltiye koyulduğunda patlayabilir. Sert hücre duvarına sahip olan bitki hücrelerinde ise iç basınç giderek artar ve daha fazla su girişine izin vermez turgor basıncı.

45 6.3 Pasif taşıma Kolaylaştırılmış difüzyon: polar moleküller: Kanal proteinleri Zarda bir kanal oluşturan iç zar proteinleri. Taşıyıcı proteinler Bazı maddelere bağlanan ve zardan difüzyonlarını hızlandıran zar proteinleri.

46 6.3 Pasif taşıma İyon kanalları: Hidrofilik geçitleri olan kanal proteinleri Çoğunluğu kapılıdır iyon geçişine kapalı veya açık olabilirler. Bir kimyasal sinyal (ligand) veya elektrik yük farkı (voltaj) ile protein uyarıldığında kapı açılır.

47 Figure 6.10 Bir uyarı ile kapılı protein kanalları açılır Hücre dışı Bağlanma bölgesi Uyarı molekülü (ligand) Zarın hidrofobik iç bölgesi Hücre içi Kanal proteini Kapalı kanal Hidrofilik geçit

48 6.3 Pasif taşıma Potasyum kanalı K + geçişine izin verir fakat Na + geçmek için çok büyüktür.

49 6.3 Pasif taşıma Su, özel su kanalları aracılığıyla zarlardan geçebilir: aquaporinler. Bu proteinlerin işlevi aquaporin proteininin bir kurbağa yumurtasına enjeksiyonuyla anlaşıldı.

50 Figure 6.11 Aquaporinler zarın suya karşı geçirgenliğini artırır Hipotez: Aquaporin zarın suya geçirgenliğini artırır. Yöntem Aquaporin kanalı Aquaporin mrna Bulgular Hipotonik çözeltide 3.5 dakika Sonuç: Aquaporin suyun hücre zarından difüzyon hızını artırır

51 6.3.2 Kolaylaştırılmış difüzyon Taşıyıcı proteinler glukoz gibi polar molekülleri zardan her iki yönde de taşırlar. Glukoz proteine bağlanarak şeklinin değişmesine neden olur ve böylece diğer tarafa geçer.

52 Figure 6.12 Taşıyıcı proteinler difüzyonu kolaylaştırır Hücre dışı Yüksek glukoz konsantrasyonu Glukoz Hücre içi Glıkoz taşıyıcı protein Düşük glukoz konsantrasyonu

53 6.3.2 Kolaylaştırılmış difüzyon Taşıyıcı proteinlerle sağlanan taşımada, difüzyon hızı hücre zarında bulunan taşıyıcı proteinlerin sayısıyla sınırlıdır. Tüm taşıyıcılar dolu olduğunda sistem doymuş demektir. Çok fazla enerji ihtiyacı olan hücrelerde (ör: kas hücreleri) glukoz taşıyıcı sayısı çok fazla olur.

54 6.4 Aktif taşıma Aktif taşıma: Maddeleri konsantrasyon veya elektrik farkının ters yönünde taşınmasıdır. Enerji gerektirir. Enerji kaynağı genellikle adenozin trifosfattır (ATP)

55 Table 6.1 Zardan madde geçiş mekanizmaları Basit difüzyon Kolaylaştırılmış difüzyon Aktif taşıma (bir kanal veya taşıyıcı) Enerji gereksinimi Hayır Hayır Evet İşleyen kuvvet Konsantrasyon farkı Konsantrasyon farkı ATP hidrolizi (konsantrasyon tersine) Zar proteini Hayır Evet Evet gereksinimi? Seçicilik Hayır Evet Evet

56 6.4 Aktif taşıma Aktif taşıma belirli bir yönde gerçekleşir. Üç çeşit protein bulunur: Üniporter Bir maddeyi tek bir yönde taşır Simporter İki maddeyi tek bir yönde taşır Antiporter İki maddeyi zıt yönlerde taşır

57 Figure 6.13 Aktif taşımanın 3 proteini Hücre dışı Taşınan maddeler Hücre içi

58 6.4 Aktif taşıma Birincil aktif taşıma: ATP nin doğrudan hidrolizini kullanır. İkincil aktif taşıma: Enerji, birincil aktif taşıma tarafından sağlanan iyon konsantrasyon farkından gelir.

59 6.4 Aktif taşıma Sodyum potasyum (Na + K + ) pompası birincil aktif taşıma kullanır. Tüm hayvan hücrelerinde bulunur. Bir iç zar glikoprotienidir (antiporter).

60 Figure 6.14 Birincil aktif taşıma: Sodyum Potasyum Pompası Hücre dışı Yüksek Na+, düşük K+ konsantrasyonu Sodyum-potasyum pompası Hücre içi Yüksek K+, düşük Na+ konsantrasyonu

61 6.4 Aktif taşıma İkincil aktif taşımada, konsantrasyon farkı oluşan iyonların bu fark yönünde taşınmasıyla tekrar enerji elde edilir. Amino asitler ve şekerlerin alımında rol oynar. Simporter ve antiporterları kullanır.

62 Figure 6.15 İkincil aktif taşıma Hücre dışı Yüksek Na+, düşük K+ konsantrasyonu Düşük glukoz konsantrasyo nu Yüksek glukoz konsantrasyonu Hücre içi Yüksek K+, düşük Na+ konsantrasyonu

63 6.5 Büyük moleküllerin hücre zarından geçişi Makromoleküller (proteinler, polisakkaritler, nukleik asitler) zardan geçmek için çok büyüktürler. İçeri alımları veya hücre dışına salgılanmaları zar kesecikleri aracılığıyla olur.

64 6.5 Büyük moleküllerin hücre zarından geçişi Endositoz: molekülleri veya başka hücreleri ökaryot hücrelerin içine almaya yarayan olaylardır. Hücre zarı alınacak maddenin etrafında içeriye doğru katlanır ve bir kesecik oluşturur.

65 Figure 6.16 Endositoz ve eksositoz Endositoz Hücre dışı Hücre içi Endositoz kesesi Eksosiztoz Salgı keseciği

66 6.5 Büyük moleküllerin hücre zarından geçişi Fagositoz: Moleküller veya bütün hücreler yutulur. Bazı protistler bu şekilde beslenir. Bazı beyaz kan hücreleri bu yolla yabancı maddeleri içine alır. Bir besin kofulu veya fagozom oluşur ve sonra lizozom ile birleşir.

67 6.5 Büyük moleküllerin hücre zarından geçişi Pinositoz: Küçük çözünmüş maddeleri veya sıvıları kesecikler yoluyla hücre içine alma yöntemi. Oluşan kesecikler fagositoza göre çok daha küçüktür. Pinositoz damar endotel hücrelerinde sürekli gerçekleşir.

68 6.5 Büyük moleküllerin hücre zarından geçişi Eksositoz: hücre içindeki maddelerin hücre dışına çıkarılması. Sindirilemeyen maddeler hücre dışına atılır Nörotransmitter ve sindirim enzimleri gibi diğer maddeler hücre dışına verilir.

69 Table 6.2

70 6 Açılış sorusuna cevap Hayvan ve bitkilerde aquaporinler benzer yapıdadır. İçme suyunu arıtmak için aquaporinler yapay zarlara verilmektedir sadece suyun geçişine izin verir, diğer maddeler geçemez.