ÜNİTE 5:HÜCRE ZARI VE MADDE GEÇİŞMESİ

ÜNİTE 5:HÜCRE ZARI VE MADDE GEÇİŞMESİ Anahtar kavramlar 5.1.Hücre zarları sıvı haldedir ve yağ ile protein moleküllerinden meydana gelmişlerdir. 5.2.Hücre zarlarının birbirlerini tanımasında karbonhidrat molekülleri önemli görev üstlenir. 5.3.Hücre zarları akıcı mozayik zar modeline göre açıklanır ve ifade edilir. 5.4.Hücre zarları seçici geçirgendir. Her molekül hücre zarından kolaylıkla geçemez. 5.5.Difüzyon,Ozmoz ve Aktif taşıma en önemli hücre zarlarından madde geçişi yöntemleridir. 5.6.Hücre zarlarında bulunan taşıyıcı proteinler madde geçişini sağlarlar. 5.7.Bazı taşıyıcı iyon pompaları nedeniyle oluşan iyon taşınımı sonucu hücre zarları arasında bir potansiyel farkı meydana gelir. 5.8.Endositoz ve Ekzositoz yoluyla büyük moleküller hücre zarlarından taşınır. Genel özellikler Ünlü fizikçi Stephen Hawking motor nöron hastalığından müzdariptir. Bu hastalıkta kas hücre zarlarındaki protein kanal bozukluğu, sinir hücrelerinden gelen uyarıları alamamakta ve kaslar kasılma görevini yerine getirememektedir. Hücre zarında bulunan kanal proteinlerinin insan yaşamında ne kadar önemli olduğuna bu hastalık bir örnektir. Hücre zarı yapısı Hücre zarı ile ilgili çeşitli teoriler ileri sürülmekle birlikte günümüzde kabul edilen teori akıcı mozayik zar modelidir. Buna göre hücre zarı çift tabakalı fosfolipid membran ile aralarına gömülmüş protein yapıdan meydana gelmiştir. Protein moleküllerinin aşağı yukarı hareket etmesi zar yapısına bir akıcılık ve bu görüntüde bir mozayik görünümü sağlamaktadır. Fosfolipid tabakasına gömülü halde bulunan protein molekülleri hücrenin çevre ile biyolojik bir bilgi iletimi kurmasını sağlar. Hücreye uygun moleküllerin hücre içine alınımı, hücrelerin birbirini tanıması ve kimyasal sinyallerin hücre içine aktarılması bu görevler içerisindedir. Karbonhidrat molekülleri ise protein ya da yağ moleküllerine bağlanarak hücre dışı yüzeye doğru uzanırlar. Bu moleküller hücre dışı sinyallerinin iletiminde ve hücresel haberleşme sisteminde önemli rol oynarlar. Stephen Hawking Hücre zarlarının insan yaşamında önemli olduğuna dair çeşitli örnekler bulunmaktadır. Hücre zarları yapısındaki fiziksel olaylar anlaşıldıkça, çeşitli hastalıklarında tedavisi geliştirilebilmekte, hücre hedefli ilaçlar tedaviye sunulmaktadır. Şekil 5.1 Çift fosfolipit tabaka

Hücre zarında her 25 fosfolipid molekülüne karşılık bir protein molekülü bulunur. Çeşitli hücre organellerinde bu ortalama değişebilir.örneğin mitokondri zarında ise 15 yağ molekülüne karşılık bir protein molekülü vardır. Elektriksel izolasyon görevi gören myelin kılıfı sinir hücrelerinde bulunur ve 70 yağ molekülüne karşılık bir protein molekülü vardır. Kolesterol ise hücre zarının akıcılığını biraz daha yavaşlatır. Hücre zarlarında bulunan proteinler iki çeşit haldedir. İntegral proteinler hücre zarını baştan başa kat ederler.bunların hidrofobik kısımları porlar olmayan amino asitlere sahiptir. Hidrofilik kısımları ise zarın her iki yüzeyinde suyla temas halindedir. Şekil 5.2 Hücre zarının yapısı Hücre zarının ana yapısını oluşturan fosfolipidler, hidrofilik(su seven) ve hidrofobik(su sevmeyen) gruplara sahiptir.fosfor içeren hidrofilik uç hücre içi ve hücre dışı kısma doğru uzanan uçlardır, polar bir yapıya sahip olduğu için polar su molekülü ile etkileşime girerler. Fosfolipidlerin hidrofobik yapısı olan yağ asit kuyrukları ise polar olmadığı için su ile etkileşime giremezler ve sudan uzaklaşma eğilimi gösterdikleri için birbirlerine uzanan bir doğrultuda dizilmişlerdir. Ayrıca fosfolipid yapının içinde kolesterol bulunur.(%25 oranında) Buradaki kolesterol yapının insan sağlığına olumsuz bir etkisi yoktur. Hücre zarının fosfolipid yapısı devamlı bir hareket içerisindedir. Yanal hareket saniyede 2 mikrometre kadardır.protein yapı ise fosfolipid yapı kadar hızlı hareket edemez. Periferal(Yüzey) proteinler ise hücre zarının lipid yapısına gömülü halde değildirler. Zar yüzeyine gevşek bir halde tutunmuşlardır.yağ molekülleri gibi proteinlerde hücre zarı içerisinde hareket halindedirler. Hücre zarlarının yağ, protein ve karbonhidrat yapısı endoplazmik retikulum tarafından meydana getirilir. Hücre zarı yapısının dış tabakasındaki proteinler hücre dışı matriksin liflerine tutunmuş bir haldedirler. Böylece hücrelere bir sağlamlık kazandırırlar.

Şekil 5.3 İntegral proteinlerin yapısı Hücre zarının dış yüzeyinde karbonhidrat gruplar bulunur. Bunlar hücrelerin özelliklerini ve kendine ait özgüllüklerin belirlenmesini sağlar. Zar karbonhidratları kovalent bağlarla yağlara ve proteinlere bağlanmışlardır. Glikolipidler karbonhidratlarla yağların birleşmesinden oluşmuşlardır. Hücreler arası etkileşimi sağlar. Bu grupların bozulması kanserleşme belirtisidir ve bu tür hücreler akyuvarların saldırısına hedef olur. Glikoproteinler ise karbonhidratların proteinlerle birleşmesinden meydana gelirler. Karbonhidrat birimler 15 den az monosakkarit birimlerden meydana gelir. Hücreler arası etkileşimin haberleşmenin mümkün olmasını sağlarlar. Hücrelerin birbirini tanıması ve bağlanma çeşitleri Çok hücreli canlıları meydana getiren hücreler arasında çeşitli bağlantılar vardır. Birincisi hücrelerin birbirlerini tanıması ikincisi ise hücrelerin birbirlerine bağlanmasıdır. Bu tür ilişkilere hücrelerin zarlarında bulunan proteinler neden olur. Denizlerde yaşayan süngerler en basit hayvansal doku hücreleri formuna sahiptirler. Eğer sünger hücreleri birbirlerinden ayrılacak olursa tekrar bir araya getirildiklerinde hemen birleşme eğilimi gösterirler, hücrelerin birbirlerini tanıma ve bağlanma eğilimleri asla kaybolmaz. Şekil 5.4 Zar proteinlerinin görevi Sünger hücre zarlarının büyük bir kısmı glikoproteinler den meydana gelmiştir. Aynı moleküler yapıya sahip hücreler arasındaki bağlanma tipine homotipik bağlanma denir. Örneğin sünger hücrelerindeki yüzey proteinleri birbirlerinin aynısıdır. Farklı doku hücreleri arasında birbirlerini tamamlayan moleküler yapılardaki bağlanma şekline ise heterotipik bağlanma denir. Örneğin yumurta ve sperm hücresinin yüzeylerindeki proteinler birbirlerini tamamlayacak şekildedir. (Aynı moleküler yapıda değil, birbirlerine uyan moleküler yapı)

Şekil 5.5 Hücrelerin birbirini tanıması ve bağlanması Kompleks gelişmiş hücrelerde hücrelerarası çeşitli bağlantı tipleri bulunur. Bunlar hücrelerin birbirini desteklemesini, dayanıklılığını ve hücreler arası madde alışverişini sağlar. Örneğin bağırsakta bulunan bir epitelyum hücresinde tüm hücrelerarası bağlantı tipleri bulunur. Bunlar sıkı bağlantılar, desmozomlar ve hücrelerarası kanallardır. Sıkı bağlantılar genelde hücrelerin yan yüzlerinde bulunur ve hücrelerin sıkıca kenetlenmesini sağlar. Hücreler arası boşluğa madde sızıntısını önleyici bir görevleri vardır. Desmosomlar ise hücreleri birbirlerine perçinleyen, düğme benzeri hücreler arası temas noktalarıdır. Desmosomlar sayesinde ara filamentler, doku boyunca hücreden hücreye, dolaylı yolla birbirleriyle temas kurarlar. Bunlar keratin yapıdadırlar. Bu yapı sayesinde örneğin epitelyum hücrelerine bir dayanıklılık sağlanır. Birbirleriyle temas eden bütün hücrelerin yüzeylerinde 2-4 nm kadar bir açıklık bulunur. Bunlara (gap junction) hücreler arası açıklık adı verilir. Bu bağlantı tipleri hücreler arası madde alışverişini ve haberleşmeyi sağlar. Küçük moleküller bu yapıdan geçebilir. Örnek ATP, amino asitler, çeşitli iyonlar, vitaminler. Elektriksel sinyallerde bu açıklıklardan iletilir. Hayan hücrelerindeki bu açıklıklar bitki hücrelerindeki plazmodesmata geçitleri ile benzerlik gösterirler. (Bakınız Şekil 5.6)

Şekil 5.6 Hücrelerarası bağlantılar Hücre zarı madde geçişleri Hücre zarının hücreye şekil vermek ve onu korumakla birlikte, hücreye giren ve çıkan maddelerin miktarlarını ayarlamaktır. Bu seçici geçirgenlik olarak adlandırılır. Seçici geçirgenlik iki yolla gerçekleştirilir. Pasif iletim: Hücre zarından enerji harcanmadan madde yoğunluklarına bağlı olarak gerçekleşen geçişmeye denir. Bu hücre zarından direkt geçme ile olabileceği gibi hücre zarında yerleşen protein kapılardan kolaylaştırılmış difüzyon yolu ile de gerçekleşebilir. Aktif iletim:hücre zarından enerji harcanarak maddelerin taşıması olarak adlandırılır. Bu yöntemde madde yoğunluğunun bir önemi yoktur. Hidrokarbonlar, karbondioksit ve oksijen gibi hidrofobik moleküller zarın çift tabakalı yağı içerisinde çözünür ve zardan kolayca geçebilir. Buna karşılık hidrofilik iyonlar ve polar moleküllerin geçişi zarın hidrofobik iç kısmı tarafından engellenir. Hidrofilik moleküller zarı kat eden taşıyıcı proteinlerin içerisinden geçerek çift katlı lipid ile temas etmezler. Örneğin glikoz bu yolla hücre içerisine alınır. Zardaki madde alışverişinin yönünü belirleyen nedir etken nedir? Bir molekül hücre içerine alınacak yoksa dışarımı atılacak bunları belirleyen nedir sorusuna karşılık verilecek cevap difüzyon, osmos ve aktif taşımadır. Normal ortamlarda bir madde yoğunluğu fazla olan taraftan az olan tarafa doğru difüze olur.bunun için enerji gerekmez. Bir maddenin biyolojik bir zardan difüze olması pasif taşıma olarak bilinir. Yoğunluk miktarı eşitleninceye kadar difüzyon sürer. İki ortam arasında bir madde yoğunluğu farkı olabilir. Çok yoğun ortam hipertonik ortam, az yoğun ortam ise hipotonik ortam olarak adlandırılır. İki ortam arasında madde yoğunluğu eşit ise izotonik ortam adı verilir. Örneğin musluk suyu arıtılmış suya göre hipertoniktir. Çünkü musluk suyunun içinde çeşitli mineraller bulunabilir.ama musluk suyu deniz suyuna göre hipotoniktir. Çünkü deniz suyunda tuz bulunur.

Şekil 5.7 Osmos Şekil 5.7 de iki ortam arasındaki farklı şeker yoğunluğunu bağlı olarak su hareketi gösterilmiştir. Şeker zarı geçememektedir ama su molekülleri zarı geçebilmektedir. Suyun yoğunluğu fazla olan (Hipertonik) ortama doğu zardan difüzyonuna osmos adı verilir. Suda çözünebilen madde polar özelliğe sahiptir. Su moleküllerinin çözünen madde ile polar etkileşime girebilmesi için ortama doğru kendiliğinden bir difüzyonu gerçekleşir. Eğer bir bileşik suda çözünemiyorsa yoğunluğu çok bile olsa bir osmos olayı gerçekleşmez. Herhangi bir anda su moleküllerinin bir kısmı hidrasyon kabukları halinde çözünen moleküllerine bağlı oldukları için, çözeltideki bağımsız hareket serbestliğini kaybederler.osmosa yol açan gerçek neden, toplam su yoğunluğundaki farklılık değil, zarı serbestçe geçebilen, bağlı olmayan su molekülleri yoğunluğundaki farklılıkdır. Bir hayvan hücresi kendi çözünen madde miktarından daha fazla madde içeren bir ortama konursa (Hipertonik) yukarıda anlatılan nedenlerden dolayı hücre su kaybederek büzülür. Buna plazmoliz adı verilir.eğer bir gölde tuzluluk oranı artarsa tek hücreli canlıların çoğu aşırı su kaybından dolayı ölür. Hayvan hücresi az yoğun bir ortama (Hipotonik) konursa bu sefer hücre su alarak şişer ve parçalanır. Örneğin paramesyum denilen tek hücreli canlı yaşadığı tatlı su ortamına göre daha yoğun olduğu için hücreye devamlı su girişi ile karşı karşıyadır. Bundan dolayı kasılabilen kontraktıl kofullara sahiptir ve hücreye giren suyu devamlı olarak hücre dışına pompalar. Bitki hücrelerinde bulunan sert hücre duvarı hayvan hücrelerinde olduğu gibi ani hacim değişikliklerini engeller. Bitki hücresi su alarak şişerse turgorlu bir duruma geçer. Hayvan hücrelerinde olduğu gibi çok yoğun ortamlarda ise plazmolize uğrayarak yaşamsal aktivitelerde bir azalma görülür.büzülen hücrenin plazma zarı hücre duvarından ayrılır.

Şekil 5.8 Hipertonik ve Hipotonik ortam etkileri Zarın yapısı polar moleküllerin geçişini engellemektedir. Polar moleküller ve iyonların bir çoğu devamlı açık protein kanallar ya da uyarı sonucu açılan kanallar yardımı ile zarı geçebilmektedir.buna kolaylaştırılmış difüzyon adı verilir.örneğin şekerler ve amino asitler bu yolla hücre içine alınmaktadır. Ayrıca kanal proteinlerinin sağladığı hidrofilik koridorlar su moleküllerinin de zarın diğer tarafına geçmelerine izin sağladığı bilinmektedir. Bunlar akuaporinler adı verilen protein kanalları tarafından gerçekleştirilir. Bir molekülün yoğunluğu az olduğu ortamdan çok olduğu ortama doğru hücre içinden enerji harcanarak taşınmasına aktif taşıma denir. Bu olay hücre zarında yerleşen proteinler tarafından kontrol edilir. Enerji kaynağı olarak ise ATP kullanılır. Bu taşımaya örnek hayvan hücreleri zarlarında bulunan sodyum ve potasyum pompası verilebilir. Burada iyonlar ters yönde taşınırlar. Her taşıma sırasında hücre içine iki adet potasyum iyonu alınırken hücre dışına üç tane sodyum pompalanır. Taşıyıcı proteinin ATP tarafından fosforile edilmesi, şekilsel değişikliklerini sağlar. Şekil 5.9 Uyarı sonucu gerçekleşen kolaylaştılımış difüzyon

Aktif taşımadan sorumlu olan proteinler bu olayı üç şekilde gerçekleştirirler. Uniport taşımada kanal proteini tek bir maddeyi yoğunluğu az olan ortamdan çok olan ortama doğru enerji harcayarak taşır. Örneğin Endoplazmik retikulum ve bazı hücre zarlarında bulunan kalsiyum bağlayıcı protein kanalı bu şekilde kalsiyumu taşır. Simport taşımada ise iki madde aynı yönde kanal proteini yardımıyla taşınır. Örneğin Sodyum ve amino asitler bağırsak hücre zarlarından bu yolla hücre içerisine taşınır. Antiport taşımada ise farklı iki madde zıt yönlerde taşınır.örneğin Na ve K pompası. Şekil 5.11 Üç farklı aktif taşıma modeli Şekil 5.10 Sodyum-Potasyum pompası Hücre zarlarının iki yüzü arasında bir voltaj farkı bulunur. Hücre sitoplazması, hücre dışı sıvıya göre negatif yüklüdür. Çünkü iyonlar zarın iki yüzü arasında eşit dağılmamışlardır. Hücre içi dışarıya göre negatif olduğu için zar potansiyeli katyonların hücre içerisine anyonların ise hücre dışına doğru pasif aktarımını olası kılar. İyonların hücre zarından difüze olması kimyasal güç(yoğunluk farkı) ve elektriksel güç (Zar potansiyeli) tarafından sürdürülür. Bir iyon üzerine etki eden bu güçler elektrokimyasal gradient olarak adlandırılır. Örneğin dinlenme halindeki bir sinir hücresinin içindeki sodyum, dışarıya göre daha azdır. Hücre uyarıldığında sodyumun difüzyonunu sağlayan kanallar açılır ve sodyum iyonları elektrokimyasal gradientin aşağısına doğru düşerler. Aktif sodyum potasyum pompası aynı zamanda zar potansiyeline katkıda bulunur. Zarın iki yüzeyi arasında voltaj oluşturan taşıyıcı protein elektojenik pompa olarak adlandırılır. Hayvan hücrelerindeki temel elektrojenik pompanın sodyum-potasyum pompası olduğu görülmektedir. Bitkiler bakteriler ve mantarlardaki en önemli elektrojenik pompa ise hidrojen(proton) pompasıdır. Bu pompa hidrojen iyonlarını aktif taşıma ile hücre dışına pompalar. Böylece hücre dışı pozitif bir elektrik yükü ile yüklenir. Bu voltaj farkı kullanılabilecek bir enerji oluşumunu sağlar.

Endositoz ve Ekzositoz Şekil 5.12 Elektrojenik pompa Elektrojenik pompa ile oluşturulan potansiyel fark enerjisi yardımıyla bazı maddeler hücre içerisine taşınır. Pompadan farklı bir protein, hidrojenin normal difüzyonunu sağlarken başka bir madeninde çok yoğun ortama taşınmasına neden olabilir. Örneğin bir bitki hücresi proton pompaları tarafından oluşturulan hidrojen iyon farkını kullanarak amino asitleri, şekerleri ve diğer besinleri hücre içerisine alabilir. Hücre zarından geçemeyecek kadar büyük olan moleküller hücreye endositoz (hücre içi alımı) yoluyla alınırlar. Üç tip endositoz türü vardır. Fagositoz, pinositoz ve reseptör aracılığıyla endositoz. Fagositozda yalancı ayaklarla sarılan moleküller zarla çevrili bir kese biçiminde hücre içine alınırlar. Tek hücreli protistler ve akyuvarların fagositoz özellikleri vardır. Pinosiztozda ise hücre içerisine doğru bir cep meydana gelir ve genelde sıvı moleküller bu cep içerisine girer. Oluşan koful içerisine sindirim enzimleri boşalarak hem fagositozda hem de pinositozda sindirim meydana gelir. Şekil 5.14 Fagositoz ve pinositoz Şekil 5.13 Birlikte taşıma Yukarıda şekilde görüldüğü gibi Hidrojen kendi yoğunluğuna bağlı olarak difüzyona uğrarken bu enerji yardımıyla sükroz da difüzyonun tam tersi yönde taşınması sağlanır. Bu enerji hidrojen iyonu konsantrasyonu farkından sağlanır. Reseptör aracılığıyla gerçekleşen endositozda ise hücre zarına gömülü proteinlerin özgül reseptörleri hücre dışına doğru dönüktür. Bu reseptörler bağlanabilen bileşikler sadece hücre içine alınır. Ekzositoz ise hücre içerisinde zardan geçemeyecek kadar büyük bir molekül oluştuğunda bir koful yardımıyla hücre dışına atılmasına denir. Pinositozun tersi bir şekilde gerçekleşir. Hücrelerarası uyarıcı moleküller, golgi veziküllerinden salgılanan maddeler bu şekilde hücre dışına atılır.