HÜCRE ORGANELLERİ VE MEMBRAN YAPILARI Doç.Dr. Remisa GELİŞGEN
PLAZMA MEMBRAN YAPISI Hücre Membranlarının Özellikleri Hücre içini dış ortamdan ve hücre içi organelleri sitoplazmadan membranlar ayırmaktadır. Plazma membranı, hücreye yapısal ve mekanik bütünlük sağlayan seçici geçirgen bir yapıdır. Membranlar hücre içinde kompartımanlar oluşturur. İntrasellüler membranlar, mitokondriler, endoplazmik retikulum, golgi aygıtı,lizozomlar, salgı vesikülleri ve nukleus gibi birbirinden yapısal olarak ayırt edilebilen birçok yapı ( organel ) oluşturur. Membranlar visköz ancak esnek yapılardır.
Lipidler, proteinler ve az miktarda glikoprotein ve glikolipid yapısında karbohidratlardan oluşur. Membranlar bir iç ve bir dış yüzeye sahip asimetrik çift tabaka şeklinde yapılardır. Bu tabaka şeklindeki yapılar termodinamik olarak kararlı ve metabolik olarak aktif olup, nonkovalan bir yolla bir araya gelmişlerdir (nonkovalan oluşum). Membranların yapısı, organizmalar arası, hücrelerarası ve organeller arası farklılık gösterir. Farklı fonksiyon : farklı yapı Yapıda değişim : fonksiyonda değişim
Hücre Organellerinin Fonksiyonları Nukleus DNA sentezi ve onarımı RNA sentezi Nukleolus RNA nın işlenmesi ve ribozom sentezi Endoplazmik Retikulum Membran sentezi Protein ve lipid sentezi (organeller ve salgılanacak moleküller) Lipid ve steroid sentezi (hidroksilasyon ve desatürasyon) Detoksifikasyon
Golgi Aygıtı Proteinlerin işlenmeleri ve etiketlenmeleri (membranlar,organeller ve salgılanacak moleküller) Proteinlerin salgılanmaları Endomembranöz kompartman Mitokondri ATP oluşumu Hücresel solunum Karbohidratların ve lipidlerin oksidasyonu (TCA siklusu, yağ asidi β oksidasyonu,amino asit oksidasyonu,oksidatif fosforilasyon) Üre ve hem sentezi
Lizozom Hücresel sindirim,protein,karbohidrat ve nükleik asitlerin sindirimi Peroksizom Yağ asidi oksidasyonu O2 ile oksidatif reaksiyonlar H2O2 kullanımı Mikrotübuluslar,ara filamentler ve mikrofilamentler Hücre iskeleti Hücre morfolojisi Hücre hareketi Hücre içi hareket (transport) Sitozol Karbohidrat,lipid,amino asit ve nükleotidlerin metabolizmaları gerçekleşir. Protein sentezi
Plazma Membranının Fonksiyonları Bariyer Selektif Permeabilite Endositoz, eksositoz, gap junction Reseptörler ve sinyal iletimi Tanıma ve hücreler arası etkileşim Hücrenin şekil ve hareketi(örn.amiboid hareket)
Plazma membranı,akışkan mozaik model Lipidler ve proteinler membranda, Singer ve Nicolson ( 1972 ) tarafından akışkan mozaik modeli olarak tanımlanan bir düzende yerleşmektedir. Bu modele göre, plazma membranının temel yapısını fosfolipid çift tabakası oluşturmakta, proteinler bu yapıya gömülmüş veya lipid çift tabakanın iç veya dış yüzeyine tutunmuş halde bulunmaktadır.
Hücre membranının bileşimleri Membran Protein Lipid Karbohidrat Myelin 20 75 5 Eritrosit 49 43 8 Karaciğer ( p.m.) 54 39 7 Dış mitokondri 50 46 4 İç mitokondri 75 23 2 Membranlardaki protein / lipid oranları birbirinde farklılık gösterir.
Membran Lipidleri 3 temel lipid komponenti bulunmaktadır. Fosfolipidler Gliserofosfolipidler ( Fosfoaçilgliseroller, Fosfogliseridler ) Sfingofosfolipidler ( Sfingomiyelin ) Glikosfingolipidler Serebrozidler Gangliozidler Kolesterol (serbest kolesterol) Plazma membranında yüksek oranda Akışkanlık Lipoid matriksle fiziksel etkileşim Proteolipidler
Amfipatik lipidler Membran yapısında bulunan lipidler amfipatik özelliktedir Polar, hidrofilik ve nonpolar hidrofobik gruplar içerirler. Polar, hidrofilik gruplar baş kısmını, hidrofobik gruplar ise kuyruk kısmını oluştururlar.
Membran lipidlerinin hidrofobik ve hidrofilik grupları : Hidrofilik grupları : Fosfolipidlerin polar başları ( fosforil alkol ) Sfingomiyelinlerin, fosforil kolin grubu Kolesterolün 3. karbonundaki OH grubu Glikolipidlerin şekerleri Hidrofobik ( lipofilik ) grupları : Fosfogliseridlerde yağ asidlerinin hidrokarbon zincirleri Kolesterolün steran halkası Sfingomiyelinlerde sfingozin ve yağ açil zinciri Lipid tabakaları kovalent olmayan etkileşimler ile bir arada tutulmaktadır.
Membranda kolesterolün yerleşimi Kolesterol lipid çift tabakada fosfolipid molekülleri arasına yerleşmiştir.yapıdaki tek polar grup olan hidroksil grubu sulu ortama doğru yönelmiş ve fosfolipidlerin yüklü baş grupları ile etkileşimdedir.polar olmayan steroid çekirdeği ve hidrokarbon zinciri ise fosfolipidlerin hidrokarbon kuyrukları arasında bulunur.lipoid matriks ile fiziksel etkileşime girer. Plazma membranındaki kolesterolün tamamı serbest kolesteroldür. Kolesterol lipid çift tabakaya kovalent bağlarla tutunmadığı için, plazma membranından içeriye ve dışarıya serbestçe hareket edebilir.bu özelliği nedeniyle kolesterol plazma lipoproteinlerine ya da lipoproteinlerden membrana aktarılabilmektedir. Kolesterol membran akışkanlığını düzenler ; artırabilir ya da azaltabilir.
Membran Proteinleri Major fonksiyonel moleküller Enzim D-β-hidroksibütirat dehidrogenaz / fosfatidil kolin Na+ K+ATPaz / kolesterol Kanal Yapısal komponent Antijen Reseptör Asetil kolin reseptörleri / kolesterol Plazma membranı > 100 çeşit Sarkoplazmik retikulum membran < 12 çeşit
İntegral proteinler Lipid tabakalara gömülü/transmembran ( alfa-heliks yapı ) yerleşim gösterirler. Fosfolipidlerle sıkı etkileşimdedirler. Deterjanlarla ( SDS, deoksikolat, Triton X 100 ) veya organik çözücülerle izole edilirler. Eritrosit membranı integral proteinleri Örneğin; anyon kanal proteini glikoforin ( integral glikoprotein yapılı protein ) Hücrelerarası etkileşimlerde rol alan integral proteinler Örneğin ; integrinler, kadherinler, selektinler, immunoglobulin benzeri moleküller
Periferal proteinler Lipid çift tabakasının hücre içi ve dışı temasta olan yüzeylerine bağlıdır. İntegral proteinlere zayıf bağlıdır Elektrostatik ve hidrojen bağları ile Fosfolipidlere elektrostatik bağlıdır. Hidrofobik etkileşim yoktur. Yüksek konsantrasyonda tuz,asid,alkali,üre çözeltileri ile izole edilir. Örneğin anyon kanal proteini ( band 3 ), ankyrin
Enzimler membranları işaretler Plazma membranı ; 5 -Nukleotidaz,adenil siklaz,na+k+atpaz Endoplazmik retikulum ; Glukoz 6-fosfataz Golgi ; cis: GlcNAc transferaz I medyal ; Golgi mannozidaz II trans:galaktozil transferaz TGN:Sialil transferaz
Membran karbohidratları Glikoprotein veya glikolipid yapısında bulunur. Glukoz,galaktoz,mannoz,fukoz,N-asetilgalaktozamin,sialikasit en sık bulunan karbohidrat birimleridir. Sialik asit, oligosakkarid zincirinin en ucunda bulunur, membran yüzeyine negatif yük kazandırır ve negatif yük hücreler arası nonspesifik agregasyonu önler. Karbohidratlar daima membranın dış ortama bakan yüzeyine yerleşirler. Asimetrik yerleşim Hücre yüzeyine antijenik özellik kazandırırlar. Hücrelerin birbirini tanımaları ve adhezyonda rol alırlar. Proteinin katlanması, hücre yüzeyine transportu, reseptör fonksiyonları
Membran bileşenlerinin hareketleri Rotasyonel difüzyon : Lipid çift tabakada fosfolipid molekülünün yağ asidi hidrokarbon zincirlerinin C-C bağları etrafında dönmesi Transvers mobilite ( transvers difüzyon,flip-flop ) : Lipid çift tabakada molekül bir tabakadan diğerine geçer.flip flop çok nadir ve yavaştır. Lateral mobilite ( lateral difüzyon ) : Aynı tabaka içinde hızla yana doğru hareket Bu hareketlerin gerçekleşebilmesi için membranın akışkan olması gerekir.
Akışkanlık Lipid bileşimine ve temparatüre bağlıdır. Lipid çift tabaka içindeki hidrokarbon zincirlerinin hareket derecesi membran akışkanlığı olarak adlandırılır. Membran lipidlerinin bileşimi ve temparatür membranın akışkanlığını etkiler.
Lipid bileşimi Yağ asidi hidrokarbon zinciri karbon sayısı arttıkça akışkanlık azalır, doymamışlık derecesi arttıkça akışkanlık artar, cis konfigürasyonu akışkanlığı artırır. Kısa zincirli ve doymamış yağ asidleri membranı daha akıcı hale getirirken, uzun zincirli ve doymuş yağ asidleri membran akışkanlığını azaltır. Kolesterol:modülatör doymamış yağ asidleri arasında : akışkanlığı azaltır doymuş yağ asidleri arasında : akışkanlığı arttırır.
Temperatür Temparatür arttıkça membran akışkanlığı artarken, düşük temparatürlerde akışkanlık azalır. Jel-kristallin likid kristallin : transisyon temparatürü ( Tm ) Vücut ısısında ; likid zeminde jelöz bölgeler Yüksek kolesterol, yüksek sfingomiyelin, yüksek doymuş yağ asidi : jel Aynı membranda özellikleri farklı olan bölgeler Permeabilite, transport ve reseptör fonksiyonları için akışkanlık gerekir. Akışkanlık arttıkça permeabilite artar. Gap junction ve tight junctionlar akışkanlığı azaltır.
Membran asimetrisi İç- dış ( transvers ) asimetri Fosfolipidler : Kolin içeren fosfolipidler ( Fosfatidilkolin, sfingomiyelin ) membranın dış tabakasında, Aminofosfolipidler ( fosfatidiletanolamin, fosfatidilserin ) membranın iç tabakasında yer alır. Lateral mobiliteleri hızlı, asimetrik yerleşimleri nedeni ile transvers mobiliteleri ( flip flop ) yavaş Proteinler : Membranların iç veya dış kısmında yer alan spesifik enzimler Karbohidratlar : Membranın dış ortama bakan tarafına yerleşir. Fosfolipid asimetrisini sağlayan taşıyıcılar : Flippaz,Floppaz,Skramblaz
Bölgesel asimetri Gap junction ve tight junction Sinapslar Mukoza hücrelerinde villuslar Fonksiyonel asimetri Na+ K+ -ATPaz plazma membranında
Lipozomlar - Sentetik membran sistemleridir. - Lipid bileşimi ve membran özellikleri arasındaki ilişkilerin araştırılması - Protein fonksiyonu için gerekli protein veya lipidlerin araştırılması - Çevresel koşulların membran fonksiyonları üzerine etkilerinin araştırılması - Antibiyotik, antineoplastik, antimalariyal, antiviral, antifungal, antiinflamatuar ilaçlar, enzimler ve genlerin paketlenmeleri - Antikorlu lipozomlar ile dokuların hedeflenmeleri
Membran Transport Sistemleri Taşınacak bileşiğin özelliklerine göre sınıflandırma Küçük moleküllerin geçişi Basit difüzyon Kolaylaştırılmış difüzyon Aktif transport Büyük moleküllerin geçişi Endositoz Eksositoz
Taşıyıcı protein varlığına göre sınıflandırma 1. Aracısız transport Basit difüzyon 2. Aracılı transport Kolaylaştırılmış difüzyon : transport proteinler, kanallar : voltaj against, camp bağımlı Aktif transport Primer aktif transport : pompalar Sekonder aktif transport : pompalar ve transport proteinler Grup translokasyonu
Basit difüzyon Konsantrasyon gradyanı yönünde Kolaylaştırılmış difüzyon Elektrokimyasal gradyan yönünde Aktif transport Elektrokimyasal gradyana karşı
Transport : uniport / kotransport Transport sistemleri hareket eden moleküllerin sayısı ve hareket yönüne göre tanımlanabilir. Uniport sistemi, bir tip molekülü çift yönde hareket ettirir. Kotransport sistemlerinde, bir solütün membran boyunca taşınması, bir diğer solütün eş zamanlı veya ardışık taşınmasına bağımlıdır ; Simport sistemi : Solütleri aynı yönde hareket ettirir. Antiport sistemi : İki molekülü zıt yönde hareket ettirir.
Yarı geçirgen ( semipermeable ) membrandan basit difüzyon O 2, N 2, CH 4, NO gibi nonpolar, küçük ve yüksüz gazlar membranlardan konsantrasyon gradyanı yönünde kolayca difüze olurlar. Üre, etanol, küçük organik asidler : polar ama yüksüz Lipofilik bileşikler membranlardan lipide çözünme dereceleri, şekil ve boyutlarına bağlı olarak difüze olabilirler. Su : polar ama yüksüz ve 55 M : osmos Hızlı su geçişi akuaporinler ( hidrofilik transmembran kanallar )
İyonlar membranlardaki porlardan geçebilir. Katyonlar yükle, anyonlar + yükle çevrelenmiş porlardan geçebilir. Membranı yüksüz moleküller daha kolay geçer.tek yük taşıyanlar, iki yük taşıyanlardan daha kolay geçer. Monovalent > divalent > trivalent ph elektrolitlerin iyonizasyon derecelerini etkiler. İyonların hidratasyon küreleri Li, Na, K iyonlarının difüzyon hızları : K + > Na + > Li + Şekerler ve anorganik iyonlar gibi polar, hidrofilik bileşikler ise çok yavaş difüze olur. Plazma membranının geçirgenliği, permeabilite kofisienti Basit difüzyon ile transport hızı, solüt konsantrasyonu ile doğru orantılıdır.
Kolaylaştırılmış difüzyon Doygunluk kinetiği ( Vmax, Kt ) gösterir. Özgünlük Yarışmalı inhibisyona uğrar. Konsantrasyon gradyanı yönünde hareket, iki yönlü Enerji harcamı yok
Kolaylaştırılmış difüzyona örnekler: Glukoz taşıyıcı proteinler Doku Fonksiyonu GLUT1 beyin,böbrek,plasenta,eritrosit,kas,kalp glukozun alınımı GLUT2 karaciğer,pankreas β hücreleri glukozun hızlı ince barsak,böbrek alınımı ve serbestleşmesi GLUT3 beyin,böbrek,plasenta glukozun alınımı GLUT4 kalp ve iskelet kası,yağ dokusu insülin ile stimüle edilen glukoz alınımı GLUT5 ince barsak glukozun emilimi SGLT1 ince barsak ve böbrek (sodyum bağımlı glukoz transport protein : sekonder aktif transport ) ince barsak lümeninden glukozun aktif alınımı böbrek proksimal tubulusundan glukozun geri emilimi
GluT1: Eritrositte glukoz transportu, GluT 1 aracılı kolaylaştırılmış difüzyon ile gerçekleştirilir. Uniport sistem ile taşınır. Basit difüzyondan 50.000 kat daha hızlı D-glukoz için afinitesi yüksek olup, diğer şekerler için afinitesi çok daha düşüktür. D- glukoz Kt : 1.5mM, glisemi 4-5 mm L - glukoz Kt > 3000 mm D - mannoz Kt : 20 mm D- galaktoz Kt : 30 mm
- İyon kanalları Transmembran oligomerik proteinler Çoğunlukla bir iyon için selektif Difüzyon hızına yakın hız:10 6-10 7 /s, doygunluk yok (hızları yüksek konantrasyonuda maksimuma ulaşmaz) Voltaj (Na+ iyon kanalı) ve ligand (asetil kolin reseptörleri) kapılı Yüksek derecede korunmuş yapı Hücrelerin çoğunda Na +, K +, Ca 2+, Cl - iyon kanalları Kodlayan genlerde mutasyon Hastalık Aktivitelerini bazı ilaçlar etkiler. - Anyon kanal proteini Eritrositlerde anyon kanal proteini ( Band 3 ), Cl- ve HCO3- ın kolaylaştırılmış difüzyon, antiport sistem ile taşınmasını sağlar.
Aktif transport Doygunluk kinetiği gösterir. Özgünlük gösterir. İnhibisyona uğrar. Konsantrasyon gradyanına karşı Enerji harcamı var.
Aktif transport tipleri: Primer aktif transport (Na + K + ATPaz : Na + K + transportu) Sekonder aktif transport Na+/glukoz simportu (SGLT,Na + bağımlıglukoz emilimi) Na+/aminoasit simportu Ca +2 /Na + antiportu
Primer aktif transport mekanizmaları ATP az lar -F-ATPaz : H+ ATPaz Mitokondri iç membranı,fofı ATPaz,ATP sentezi. H+ elektrokimyasal gradyanı oluşturur ve kullanır. Enerji kenetleyen faktörler -V-ATPaz : H+ ATPaz Lizozom,endozomlar,golgi ve sekretuvar vesiküllerin asidlendirilmesinden sorumlu proton pompalarıdır. Plazma membranı:kemiğin yeniden şekillendirilmesi,idrarın asitlendirilmesi Vakuolar
-P-ATPaz : Siklik fosforilasyon/defosforilasyon,vanadat inhibisyonu Na+ - K+ ATPaz : Hücrelerin plazma membranlarında, böbrek ve kalp H+ - K+ ATPaz : mide,periteral hücre Ca+2 ATPaz : sarkoplazmik retikulum ve ER Ca+2 ATPaz : plazma membranı,sarkoplazma Cu+2 ATPaz : plazma membranı ve sitoplazmik vesiküller,barsaktan absorbsiyon ve karaciğerden atılım -ABC transport proteinler
Na + K + ATPaz pompası Na +K +ATPaz tarafından hidroliz edilen her bir ATP başına üç Na + iyonu hücre içinden dış ortama, iki K + iyonu hücre dışından hücre içine transport edilir. Na + K + ATPaz ın inhibisyonu Kardiyak glikozidler:steroid türevi digoksin,ouabain Kronik kalp yetmezliği tedavisinde kullanılır. Na+ - K+ ATPaz intrasellüler Na+ Na+ - Ca +2 ATPaz antiportu Sitoplazmik Ca +2 Kalp kası kuvvetle kasılır.
Ca +2 ATPaz Sitozolde [Ca +2 ] ~100nM:10-7 M Pi, PPi ~mm Ca3PO4 ın çökme tehlikesi!letal! Plazma membranında Ca +2 pompası ER ve sarkoplazmik retikulumda Ca +2 pompaları (SERCA) 2 Ca +2 /ATP (her ATP hidrolizi ile 2 Ca +2 hücre dışına pompalanır.) Kalsekestrin (kalsiyum bağlayıcı protein)
Antibiyotikler ve permeabilite Peptid antibiyotikler Mobil iyon taşıyıcısı : valinomisin Transmembran kanal : gramisidin Polien antibiyotikler(amfoterisin B,nistatin) Valiomisin:K+ iyonoforu ATP sentezinde kenetlenmeyi bozar.
ABC Transport Proteinler ABC:ATP binding cassette ATP bağlayıcı bölgeleri çok iyi korunmuş proteinler:>30;8 aile Substrat spesifiteleri geniş İyonlar,ağır metaller,şekerler,ilaçlar,amino asitler,peptidler ve proteinlerin transportunda rol oynarlar. Kanal,transport protein veya reseptör fonksiyonlu olabilirler. ATP ye bağımlıdırlar.
ABC Transport Proteinler P-glikoproteinler : plazma membranı Çok çeşitli hidrofobik ilaç ve doğal lipid analoglarının (fosfatidil kolin) ksenobiyotiklerin hücre dışına transportu Multidrug resistance associated proteins (MRPs) : aşırı sentez tümör hücrelerinin ilaçlara karşı direncini sağlar. Kolesterolün hücre dışına transportu,safra asitlerinin karaciğer kanaliküler membranından transportu
Sulfonilüre reseptörü : ATP e duyarlı K+ kanalı ATP/sulfonilüre bağlanması kanalı kapatır depolarizasyon, Ca +2 ve insülin salgılanır. Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) ABC transport protein ailesinin bir üyesi Cl - için spesifik bir iyon kanalı : Hava yolları ve mide-barsak sistemi eksokrin bezlerinde epitel hücre membranından tuz ve sıvı geçişini sağlar. 5 alt birim : 2 transmembran, 2 ATP bağlayıcı, 1 düzenleyici ( camp bağımlı ) ATP bağlayıcı alt birimde Phe 508 delesyonu kanal disfonksiyonu kistik fibroz
Grup Translokasyonu:Gama glutamil siklusu Beyin, böbrek, barsak epitel hücreleri Gama glutamil transpeptidaz (GGT) ve GSH Amino asidlerin sekonder aktif transportlarına göre çok enerji 3 ATP / amino asit Hızlı ve yüksek kapasiteli Prolin dışında diğer amino asidler
Endositoz Endositik vesikül oluşumu Enerji ( ATP ) Fagositoz : makrofaj ve granülositler virus, bakteri, hücre... Pinositoz : sıvı faz pinositoz : seçici değil absortif pinositoz : reseptör aracılı (klatrin kaplı çukur) Eksositoz Genellikle hormonal uyarı sonucunda hücre içinde [Ca 2+ ] artışı ile tetiklenir. Periferik proteinler Ekstrasellüler matriks komponentleri Hormonlar, nörotransmitterler Hücreler arası haberleşme Gap junction Nuklear porlar
Reseptörler Sinyal iletimi Transport : reseptör aracılı endositoz Antikor oluşumu : antijenik uyarı ile B-lenfositlerinin plazma hücrelerine dönüşümleri Reseptörler Hücre yüzeyi reseptörleri Hücre içi reseptörler
Hücre yüzeyi reseptörleri 7 transmembran (alfa heliks),g proteini kenetli reseptörler İyon kanal reseptörü(ligand kapılı) (asetil kolin reseptörü) Tirozin kinaz aktiviteli reseptör (intrinsik) (insülin) Tirozin kinaz aktiviteli protein ile ilişkili reseptör (GH) Guanilat siklaz aktiviteli reseptör (intrinsik) (ANP) Serin-treonin kinaz aktiviteli reseptör (intrinsik)(tgf-b) Tirozin fosfataz aktiviteli reseptör (intrinsik) (CD45) Ölüm clomeni taşıyan reseptör (TNF α)
Membran Akışkanlığı İle İlgili Hastalıklar Ağır karaciğer hastalığı ( alkolik siroz ) : plazma kolestoerol eritrosit membranında kolesterol akışkanlık eritrosit yüzeyi dikenli bir görünüm alır. eritrositler dolaşımdan erken uzaklaştırılır. spur cell anemia Alkol : Sinir hücrelerinde membran akışkanlığını ( reseptörler, iyon kanalları ) etkiler. Abetalipoproteinemi : Hücre membranlarında ssfingomiyelin Fosfatidil kolin akışkanlık Anestetikler : lipidlerde çözünür, akışkanlığı artırırlar.