3- Kayan Filament Teorisi Madde 1. Giriş Bir kas hücresi kasıldığı zaman, ince filamentler kalınların üzerinden kayar ve sarkomer kısalır. Madde 2. Amaçlar İnce ve kalın filamentlerin moleküler yapı ve işlevsel özelliklerini araştırmak. Tek bir çapraz köprü döngüsünde ki olaylar sırasını anlamak. Çoklu çapraz köprü döngüsündeki olaylar sırasını incelemek. Madde 3. Moleküler Bileşenler Kas kasılmasındaki kimyasal oyuncular: 1. miyozin (protein), 2. aktin (protein), 3. tropomiyozin (protein), 4. troponin (protein) 5. ATP (nükleotid) 6. kalsiyum iyonları. Madde 4. Sarkomer Bundan sonraki sayfalarda bir sarkomerin kasılmasında bu kimyasallardan her birinin nasıl yer aldığı açıklanacak. Madde 5. Miyozin Miyozin, kalın filamentlerde bulunan bir protein molekülüdür. Madde 6. Başı Menteşeli Miyozin Molekülü Miyozinin, bir kuyruğa ve (çapraz köprüler denen) iki başı vardır. Çapraz köprüler ileri geri hareket ederek, kas kasılması için güç darbesi üretirler. Madde 7. Menteşeli Başlı ve Kuyruklu Miyozin Molekülü Miyozinin kuyruğu, çaprazköprünün aktine bağlanabilmesi için düşey yönde harekete izin veren bir menteşeye sahiptir (Şekil 3-1). Şekil 3-1 Madde 8. Miyozin ATP Bağlanma Yeri Miyozinin çapraz-köprüsü (başı) ATP için bir bağlanma yerine sahiptir (Şekil 3-2). Çapraz-köprü bu konumda olduğu zaman miyozin düşük enerji konformasyonundadır. 1
Açıklama: Konformasyon sözcüğü çoğu kez bir proteinin şeklini işaret etmek için kullanılır. Proteinler fonksiyon yaparken çoğu kez şeklini veya konformasyonunu (düzenini) değiştirir. Şekil 3-2 Madde 9. Enerjilenmiş Çapraz Köprü ATP yüksek kimyasal enerjili bir moleküldür. Miyozin başları geriye onların düşük enerji konumlarına yattıkları zaman ATP miyozin başlarına bağlanır. ATP, ADP ve fosfata hidrolize olduğu zaman, enerji serbestleşir ve miyozin başına aktarılır (Şekil 3-3). ATPnin yüksek enerji düzeyinde olduğunu işaret eden sarı renkte parladığına dikkat edin. ATP, ADP ve fosfata hidrolize olduktan sonra, enerji miyozin başına aktarılır. Şimdi baş yüksek enerji düzeyinde olduğunu göstermek için parlamaktadır. Miyozin başı yukarıya kalktığı zaman, o Şekil 3-3 yüksek enerji durumundadır. Kas hücreleri içinde miyozin fonksiyon yaparken, dört basamaktan geçer (Şekil 3-4): Şekil 3-4 Açıklama: Bu noktada Şekil 3-4 çok ayrıntı gibi görülür, fakat bu çok önemlidir. Madde 10. Miyozinde Aktin Bağlanma Yeri Her miyozin başında iki bağlanma yeri vardır, biri ATP ve diğeri aktin içindir (Şekil 3-5). Şekil 3-5 2
Madde 11. Sarkomerin İnce Filamentleri İnce filamentler bu üç protein molekülünden yapılmıştır: 1. Aktin 2. Tropomiyozin 3. Troponin. Madde 12. Aktin İnce filamentin önemli bileşeni, aktin, her biri bağlanma yerleri içeren çift zincirli aktin alt birimlerinden oluşmuştur. Madde 13. Tropomiyozin Düzenleyici (regülatör) protein, tropomiyozin de ince filamentin bir parçasıdır. Tropomiyozin aktin etrafında döner. Sarkomer kısalmadığı zaman, tropomiyozinin konumu aktin alt birimleri üstündeki bağlanma yerlerini örter ve miyozin çapraz köprünün bağlanmasını önler. Madde 14. Troponin Troponin, tropomiyozin zinciri boyunca periyodik olarak bulunur, tropomiyozini kenara çekerek, miyozin bağlanma yerlerini açığa çıkarma işini yapar. Madde 15. Kalsiyum İyonları Kalsiyumun kas kasılmasındaki rolü: Aksiyon potansiyelleri oluşur Kalsiyum iyonları terminal sisternadan salınır Sonra kalsiyum iyonları troponine bağlanır Tropomiyozin, aktin üstündeki miyozin bağlanma yerlerinden uzaklaşır Madde 16. Moleküler Katılanların Derlemesi Çapraz köprü döngüsünde bileşenlerin derlemesi: Katılımcı Bağlanılacak Yer 1. Miyozin ATP, Aktin 2. Aktin Miyozin, Troponin 3. Tropomiyozin Troponin 4. Troponin Kalsiyum, Tropomiyozin, Aktin 5. ATP Miyozin 6. Kalsiyum iyonları Troponin Madde 17. Özet: Tek Çapraz Köprü Döngüsü Tek çapraz köprü döngüsüne ait ayrıntılar aşağıda verilecektir. Madde 18. Çapraz Köprü Döngüsünde Altı Basamak Çapraz köprü döngüsü altı basamakta kırılır. 3
Madde 19. Basamak 1: Aktin Üstünde Bağlanma Yerlerinin Açığa Çıkarılması Basamakların ayrıntısı aktin üstündeki bağlanma yerlerinin açığa çıkarılmasını gerektirir: Kas hücresi zarında bir aksiyon potansiyelinin bulunması Terminal sisternadan kalsiyum iyonlarının salınması Kalsiyum iyonlarının sitozola yayılması ve troponine bağlanır Troponin-tropomiyozin kompleksinin konformasyonunda bir değişiklik olur Tropomiyozin aktin üzerinden kayar, aktin üstündeki bağlanma yerleri açığa çıkar Madde 20. Basamak 2: Miyozinin Aktine Bağlanması Miyozinin kuyruğundaki menteşe kıvrılır ve aktine bağlanan miyozin başını enerjilendirir. Açıklama: Bütün bu basamak esnasında, miyozin başı yüksek enerji durumunda, dik konumdadır. Geriye yatarsa, düşük enerji konumunda olur, aktin bağlanma yeri aktine bağlanacak uygun konumda olmaz. Madde 21. Basamak 3: Çapraz Köprünün Güç Darbesi Bu basamağın ayrıntıları (Şekil 3-6): ADP ve Pi aktinden ayrılır Miyozin başı (çapraz köprü) geriye yatar. İnce filament içeriye sarkomerin merkezine doğru çekilirken güç darbesi olur 4
Şekil 3-6 Açıklama: İnce filamenti hareket ettirmek için miyozin başından enerji aktarımının olması gerekir. Madde 22. Basamak 4: Çapraz Köprünün Ayrılması Çapraz köprüye bağlanan ATP, çapraz köprünün aktinden ayrılmasını sağlar. Açıklama: ATP bağlanmış olsa bile, hala baş geriye yatık olduğundan enerji ATP den çapraz köprüye henuz aktarılmamıştır. Madde 23. Basamak 5: Çapraz Köprünün Yeniden Enerjilenmesi ATP, ADP ve fosfata hidrolize olur. Enerji (parlak sarı) ATP den dik duran miyozin çapraz köprüsüne aktarılır. Madde 24. Basamak 6: Kalsiyum İyonlarının Uzaklaşması Basamakların ayrıntısı: Kalsiyum iyonları troponine düşerler. Kalsiyum geriye sarkoplazmik retikuluma alınır. Tropomiyozin aktin üstündeki bağlanma yerlerini örter Açıklama: Terminal sisterna ve sarkoplazmik retikulum devam ettiğinden, kalsiyum iyonlarının geriye sarkoplazmik retikulum içine pompalanması, terminal sisterna içinde de kalsiyum iyonlarının artmasına neden olur. 5
Madde 25. Kalsiyum Pompası Kalsiyum iyonları geriye sarkoplazmik retikuluma (SR) pompalanır. Pompaya iki kalsiyum iyonu girer (taşıyıcı protein sarkoplazmik retikulum zarına gömülmüştür). ATP pompaya bağlanır ve ADP ve Pi ye hidrolize olur. ATP hidrolizinden serbestleşen enerji pompanın konformasyonunu değiştirmek için kullanılır, kalsiyum iyonlarının SR un lümeni içine girmesine izin verir. ADP ve Pi pompadan ayrılır, pompa orijinal konformasyonuna döner. Gevşemiş bir kas hücresinde, kalsiyum iyonlarının konsantrasyonu sitozolde, SR dan 10000 dolayında daha düşüktür. Bir kas kasılması esnasında, sitozolde kalsiyum konsantrasyonu yükselir, fakat hala SR un içinde daha yüksektir. Kalsiyumu gradiyente karşı hareket ettirmek için, sitozolde düşük konsantrasyondan SR içinde yüksek konsantrasyona, aktif taşımaya ihtiyaç vardır. Madde 26. Derleme: Tek Çapraz Köprü Döngüsü Bir çapraz köprü döngüsü süreci aşağıda derlenmiştir. Not: Eğer bu altı basamak tam olarak olursa, sarkomer çok kısalmayacaktır sadece %1 dolayında kısalacaktır. Tipik bir sarkomer kasılmasında, basamak 1 olur ve sonra basamak 6 nın olmasından önce, 2-5 kendini çok kez yeniden tekrarlar. Bu, ince filamentin yol boyunca içeriye doğru kaymasına izin verir. ATP ve kalsiyum iyonları birlikte bulunduğu sürece 2-5 basamakları kendilerini sürekli tekrarlarlar. Bu altı basamak Şekil 3-7 de gösterilmektedir: 6
Şekil 3-7 Madde 27. Çoklu Çapraz Köprü Döngüleri Bir sarkomerin kasılması esnasında çapraz köprülerin yaklaşık yarısı aktine tutunur ve yaklaşık yarısı her hangi bir zamanda bağlanır. Bütün çapraz köprüler aynı zamanda ayrılırlarsa, o zaman ince filamentler kalın filamentlerin üstünden geriye kayacaklardır. Note: Her kalın filament çok sayıda miyozinden (yaklaşık 200 tane) yapılır bu yüzden ince filamente bağlanacak mevcut çok sayıda miyozin başı (çapraz köprü) vardır. 7
Madde 28. Çoklu Miyofilamentler Bir kas hücresinin kasılması esnasında sarkomerin Z çizgilerini yakınlaştırmak için çok sayıda güç darbesi olur. Gevşeme esnasında, miyozin başları aktinden ayrılır ve ince filamentler dinlenim konumlarına geri dönerler (kayarlar). H bölgesinin genişliği bir kasılma esnasında azalır ve gevşeme esnasında artar. Sarkomerin uzunluğu kasılma esnasında kısalır, ince ve kalın filamentler kısalmazlar, onlar bir-birleri arasında kayarlar. Açıklama: Kalsiyum iyonları ve ATP var oldukça, ince filamentler sarkomerin merkezine doğru kayarlar. Kalsiyum geri SR içine alındığı zaman, bütün çapraz köprüler serbest kalır ve ince filamentler geriye kendi dinlenim konumlarına pasif olarak kayarlar. Madde 29. ATP nin Rolünün Derlemesi ATP nin kas kasılmasında oynadığı rolün özeti: 1. ATP enerjisini miyozin çapraz köprüsüne aktarır, sonra o da güç darbesine enerjiler. 2. ATP, aktin üstündeki bağlanma yerinden miyozin çapraz köprüyü ayırır. 3. ATP, kalsiyum iyonlarının geriye sarkoplazmik retikulum içine aktif olarak taşınması için pompayı çalıştırır (ona yakıt sağlar). Özet Tek bir çapraz köprü döngüsü şu olaylar sırasını içerir: 1. Kalsiyumun içeakısı, aktin üstündeki bağlanma yerlerinin açığa çıkmasını tetikler. 2. Miyozinin aktine bağlanması. 3. İnce filamentlerin kaymasına neden olan çapraz köprünün güç darbesi. 4. Çapraz köprünün aktinden ayrılmasıyla sonuçlanan, ATP nin çapraz köprüye bağlanması. 5. Çapraz köprünün yeniden enerjilenmesine ve yeniden konumlanmasına yol açan, ATP nin hidrolizisi. 6. Kalsiyum iyonlarının geriye sarkoplazmik retikuluma taşınması. Çoklu çapraz köprü döngüsü aynı anda bağlanmış veya bağlanmamış bütün çapraz köprülerin engellenmesi sonucunda koordine edilir. Arasınav Soruları Arasınav Sorusu 1: Kayan Filament Teorisine Katılanlar (Ortaklar) Kas kasılmasının kayan filamentler teorisinde katılımcı olan altı kimyasalın adı nedir? Arasınav Sorusu 2: Kalsiyum İyonları İçin Bağlanma Yeri Kalsiyumu bağlayan katılımcı nedir? Arasınav Sorusu 3: Z Çizgisine Bağlanmış Z çizgisine bağlanmış ortağın adı nedir? Arasınav Sorusu 4: Kalın Filamenti Oluşturanlar 8
Kalın filamenti yapan ortaklar nelerdir? Arasınav Sorusu 5: İnce Filamentin Yapısı İnce filamenti yapan ortaklar nelerdir? Arasınav Sorusu 6: ATP için Bağlanma Yeri ATP için bir bağlanma yerine sahip ortağın adı nedir? Arasınav Sorusu 7: Çapraz köprünün ayrılması Çapraz köprünün ayrılmasından sorumlu ortak nedir? Arasınav Sorusu 8: Aktin Üstünde Bağlanma Yerini Örtenler Aktin üstünde bağlanma yerini örten ortak/lar nedir? Arasınav Sorusu 9: Terminal Sisternada Depolanmış Terminal sisternada depolanmış ortak nedir? Arasınav Sorusu 10: Hangi Basamaklar Olur? Çapraz köprü döngüsündeki bir basamağı ve ondan sonra gelecek basamağı söyleyin. Arasınav Sorusu 11: Devamında Hangi Basamak Gelecek? Çapraz köprü döngüsündeki bir basamağı ve ondan sonra gelecek basamağı söyleyin? Arasınav Sorusu 12: Önceki Basamak Ne İdi? Çapraz köprü döngüsündeki bir basamağı ve ondan sonra önceki basamağı söyleyin. Arasınav Sorusu 13: Gelecek Basamak Hangisidir? Çapraz köprü döngüsündeki bir basamağı ve ondan sonra gelecek basamakları söyleyin. Arasınav Sorusu 14: ATP Yokluğunun Etkisi Kasta ATP bittiği zaman ne olur? Rigor mortis te ne olur? Ölümden sonra, vücut başka ATP yapamaz, bu yüzden çapraz köprülerin ayrılmaları için gerekli ATP elde edilemez. Kas kasılır ve gevşeyemez. Arasınav Sorusu 15: Tek Bir Çapraz Döngüdeki Olaylar Tek bir çapraz köprü döngüsündeki basamakları listeleyin. Kayan Filament Teorisi ile İlgili Çalışma Soruları 1. (Madde 1) Kayan filament teorisine göre, bir kas hücresi ne zaman kasılacak, filamentler,. Filamentler üzerinden kayacak ve kısalacak. 2. (Madde 3) Kas kasılmasına katılan altı çok önemli kimyasalı listeleyin. 9
3. (Madde 5) İskelet kası hücresinde miyozin nerede bulunur? a. ince filamentlerde b. kalın filamentlerde c. sarkoplazmik retikulumda d. terminal sisternada e. T tübüllerinde 4. (Madde 6,7) a. Miyozin molekülünün iki kısmı nedir? b. Kas kasılması için güç darbesini sağlayan hangi kısım hareket eder? c. Çapraz-köprünün aktine bağlanabilmesi için miyozin molekülünün hangi parçası düşey harekete izin veren bir menteşeye sahiptir? 5. (Madde 7) Şekil 3-8 deki diyagramda aktine bağlanmak için gerekli düşey harekete hangi menteşe izin verir ve hangi menteşe güç darbesi döngüsüne izin verir? 6. (Madde 9) Şekil 3-9 daki diyagramda bunlardan hangileri miyozinin yüksek enerji konformasyonlarıdır? Niçin? Şekil 3-8 Şekil 3-9 7. (Madde 8,10) Miyozinin çapraz köprülerinde (başlar) bulunan iki önemli bağlanma yeri nelerdir (Şekil 3-10)? 8. (Madde 10) Miyozinde bu yerlerden her birine ne bağlanır (Şekil 3-10)? 9. (Madde 11) İnce filamenti yapan üç protein molekülünün adları nedir? 10. (Madde 12) Aktin üstünde her alt birim için bağlanma yerleri içerir. Şekil 3-10 11. (Madde 13) Tropomiyozinin işlevi nedir? 12. (Madde 14) Troponinin işlevi nedir? 13. (Madde 14) Şekil 3-11 deki diyagramda ince filamentin kısımlarını belirleyin. Şekil 3-11 10
14. (Madde 15) Tropomiyozinin aktin üstündeki miyozin bağlanma yerlerinden uzaklaşmasına ne neden olmaktadır? 15. (Madde 15) Şekil 3-12 deki diyagramda ince filamentin kısımlarını belirleyin. Şekil 3-12 16. (Madde 16) i. Aşağıdakilerden hangisi miyozine bağlanacaktır? a. aktin b. Tropomiyozin c. Troponin d. ATP e. Kalsiyum iyonları ii. Aşağıdakilerden hangisi aktine bağlanacaktır? a. aktin b. Tropomiyozin c. Troponin d. ATP e. Kalsiyum iyonları iii. Aşağıdakilerden hangisi troponine bağlanacaktır? a. aktin b. Tropomiyozin c. Troponin d. ATP e. Kalsiyum iyonları 17. (Madde 19) Kalsiyum iyonlarının, terminal sisternadan sitozol içine salınmasına ne neden olur? 18. (Madde 19) Aktindeki miyozin bağlanma yerlerinin açığa çıkmasına ne neden olur? 19. (Madde 20) Tropomiyozin aktin üstünden gittikten, aktin üstündeki bağlanma yerleri açığa çıktından sonra ne olur? 20. (Madde 21) Çapraz köprülerin, filamentleri sarkomerin merkezine içeri doğru çekerek bükülmesine ne denir? 21. (Madde 21), Güç darbesi olduğu zaman çapraz köprüye (miyozin başına) ne olur? 22. (Madde 22) Miyozin başlarının (çapraz köprülerin) aktinden ayrılmasına ne neden olur? 23. (Madde 23) Miyozin çapraz köprülerinin eğilmiş durumdan dik duruma, yüksek enerji durumuna girmesine ne neden olur? 24. (Madde 24) Tropomiyozinin, aktin bağlanma yerlerinin üstünü yeniden örtmesine ne neden olur? 25. (Madde 25) Kalsiyum iyonlarını sitozolden geriye sarkoplazmik retikuluma götürmek neden gereklidir? 26. (Madde 26) Tek bir çapraz-köprü döngüsünde olan aşağıda listelenmiş basamakları doğru sıraya dizin. 11
a. ATP çapraz-köprüye bağlanır ve çapraz-kürü aktinden ayrılır. b. Miyozin aktine bağlanır. c. Kalsiyum iyonları geriye sarkoplazmik retikuluma taşınır. d. Sitozolde kalsiyum iyonlarının bulunması aktin üstündeki bağlanma yerlerinin açığa çıkmasını tetikler. e. Güç darbesi olur. f. ATP hidrolize olur, çapraz köprünün yeniden enerjilenmesine ve yeniden konumlanmasına yol açar. 27. (Madde 27) Bütün çapraz köprüler senkronize oldukları (aynı şeyi aynı zamanda yaptıkları) zaman ne olur? 28. (Madde 28) Bir kas hücresinin kasılması esnasında, aşağıdakilerden hangileri değişir? a. Sarkomerin boyu b. Z çizgilerinin birbirine göre konumu. c. İnce filamentin boyu. d. Kalın filamentin boyu. e. H bölgesinin genişliği. 29. (Madde 28) Bir sarkomer tam olarak kasıldıktan ve sitozoldeki kalsiyum iyon konsantrasyonu düştükten sonra, sarkomer içinde ne olur? 30. (Madde 29) Kas kasılmasında aşağıdakilerden hangilerinde ATPnin bir rolü yoktur? a. Aktindeki miyozin bağlanma yerlerini açığa çıkararak, tropomiyozinin aktin üstünden kaymasına izin verir. b. Kalsiyum iyonlarını sarkoplazmik retikuluma aktif olarak taşır. c. Miyozin çapraz köprüsünün güç darbesini enerjiler. d. Güç darbesinin sonunda miyozin çapraz köprülerini aktin üstündeki bağlanma yerlerinden ayırır. 12