HÜCRE Robert Hooke, ilk basit mikroskopu kullanarak şişe mantarı kesitlerinde kutu benzeri boşlukları gözlemiş ve bunlara küçük kutular yada cell adını vermiştir. Tüm organizmaların hücrelerden ve hücre ürünlerinden meydana geldiği şeklindeki genelleme, Alman Schleiden ve Schwann ın 1838-1839 da ortaya attıkları hücre teorisi olarak bilinir. 1840 da J. Purkinje hücre içeriklerini tanımlamada protoplazma terimini kullandı. Protoplazma başlangıçta granüler, gel benzeri bir karışım olarak düşünüldü; hücre bir nukleus içeren sabun torbası gibi görüldü. Daha sonra granüler bir sabundan ziyade, içinde çok sayıda organellerden meydana geldiği, hücre organellerinin hücrenin yaşamında spesifik bir fonksiyonu yerine getirdiği ortayakondu. HÜCRE Cesamet olarak en büyük hücreler olan yumurta hücreleri hariç, hücreler küçük olup çıplak gözle görülemezler. Dolayısıyla, hücreleri anlamamız resolüsyonu güçlü mikroskoplardaki teknik gelişmeleri beraberinde getirmiştir. Hücreler yaşamın fabrikalarıdır. En primitif hücreler bile tüm canlının temel birimlerini oluşturan son derece kompleks yapılardır. Tüm dokular ve organlar hücrelerden meydana gelmiştir. Bir insanda tahminen 60 trilyon hücre etkileşim içinde olup her biri özelleşmiş rolünü icra eder. Tek hücreli organizmalarda yaşamın tüm fonksiyonları mikroskobik bir paket içinde yerine getirilir. Hücreler olmadan bir yaşam düşünülemez. Hücre yaşamın temel yapısal ve fonksiyonel birimini gösterir fikri biyolojinin önemli bir birleştirici kavramıdır. 1
HÜCRE İçinde karmaşık yaşam olaylarının devam ettiği en küçük canlı varlık olan hücre: etrafı canlı bir zarla çevrili bir sitoplazma kitlesi içinde bir nukleustan ibarettir. Şekil. Hücrenin genel görünüşü Hücreler Nasıl Çalışılmakta Işık mikroskopu Elektron mikroskopu: hücrelerin iç organizasyonlarını, hücresel elemanların inceyapısını anlamamızı artırmış; modern biyokimyasal, immünolojik, fiziksel ve moleküler teknikler: hücre yapısı ve fonksiyonunun anlaşılmasına son derece katkıda bulunmuştur. 2
Oküler Tüp Objektifler Taşıma kolu Diyafram Kondansör Ayna Kondansör vidası Tabla Makrovida Mikrovida Kaide Işık ve elektron mikroskobu ile görüntüler 3
Hücrelerin Organizasyonu Prokaryotik ve ökaryotik hücreler arasındaki temel ayırım; Prokaryotik hücrede, zarla çevrili bir nukleus yok. - Bakteriler ve mavi-yeşil algler. Ökaryotik hücrede nukleus, etrafını çeviren sitoplazmadan ayıran bir zar sistemiyle sarılır. Prokaryotik ve ökaryotik hücrelerin ortak özellikleri; her ikisi de 1. DNA ya sahiptir, 2. aynı genetik kodu kullanırlar ve 3. proteinleri sentezlerler. 4. ATP gibi çoğu spesifik moleküller her ikisinde de benzer rolü yerine getirirler. Bu temel benzerlikler ortak atayı ifade eder. Prokaryotik ve ökaryotik hücrelerin karşılaştırması Özellikler Prokaryotlar Ökaryotlar hücre boyutu Ekseriya küçük (1-10 µm) Ekseriya büyük (10-100 µm) genetik sistem -DNA zarsız, dağınık ve histon olmayan proteinli, -nukleoid basit sirküler yapı halinde -kısa sirküler DNA -DNA zar içinde ve histon olmayan ve histon proteinli -tipik kromozom şekli -uzun DNA hücre bölünmesi Mitoz yok, ikiye bölünme ve tomurcuklanma ile direkt mitoz safhaları-mitotik iğ var, çoğunlukla sentriol bulunuyor seksüel sistem yok, varsa çok farklılaşmış erkek-dişi gamet oluşumu var beslenme çoğunlukla absorbsiyon ile sindirim olayı var (bazılarında fotosentez Bazen fotosentez yaparlar veya absorbsiyon) metabolik aktivite* mitokondri yok (oksidatif enzim mitokondri var, oksidatif enzimler yapıları hücre zarının altında) burada paketlenmiş solunum Aerob ve anaerob Aerob hücre içi hareket hareket organeli hücre örtüsü (duvarı) ribozomlar Yok kamçı mikrotübül (9+2) düzeni yok -disakkarit zincirler ve peptidlerle çapraz bağlar -rijid yapı 15nm çapında, 70S, serbest sitoplazmik hareket var (psödopod, pinositoz) kamçı ve siller 9+2 mikrotübül düzeni var -disakkarit polimerler var peptidlerle bağlanma yok -harekete uygun 30nm çapında, 70-80S, zara bağlı veya serbest 4
Prokaryotik vs Ökaryotik Hücre Prokaryot Hücre Prokaryot: Ortalama irilik: 1 m- 10 m Hücre dışı Flajel (Kamçı) Kapsül Hücre çeperi Plazma zarı Prokaryot hücre Hücre içi Sitoplazma Ribozom Mesosom, fotosentetik lameller (plazmalemma katlanması) Nukleoid 5
Prokaryotlarda; Nukleus zarı ve zarla çevrili organeller yoktur Plazma zarı bulunur Genetik materyal uzun, dairesel bir DNA molekülü (Nukleoid Bölge) Nukleoid içinde çıplak çift sarmal DNA Genellikle nukleoid bölge hücre boyunca geniş bir alana yayılır. DNA proteinlerle paketlenmez Belirgin nukleolus yoktur ribozomca zengin bir sitoplazma 6
Prokaryot hücre yapısı Ökaryot Hücre 7
Ökaryot Hücre Paraplazma (Enklüzyon) Ektoplazma (Dış ş sitoplazma) Endoplazma (İç sitoplazma) Hücre Zarı (Plasmolemma) Sitoplazma (Hyaloplazma) 8
Ökaryotik Hücrelerin Bileşenleri ve Fonksiyonları Tipikolarakökaryotikhücre; 1. ince, dayanıklı, seçici geçirgen plazma membrana sahiptir. 2. En belirgin organel iki tabakalı nuklear kılıf halinde kuşatılmış sferik yada oval nukleustur. 3. Sitoplazma mitokondriumlar, Golgi kompleksleri ve sentrioller gibi çok sayıda organel ihtiva eder. 4. Ökaryotik hücreler karakteristik olarak sitoiskelet oluşturan tübül ve filamentlerden bir sisteme sahiptir. Ökaryot Hücrenin Genel Morfolojisi Belli bir dokuya ait hücrelerin şekil ve boyları genelde sabittir. Tipik hayvan hücrelerinin çapları 5-14 µm kadardır. Çeşitli dokulara ait farklı hücre tiplerinin yaşam süreleri de birbirinden farklıdır. Örn. sinir hücrelerinin yaşam süreleri canlının yaşamı boyunca, eritrositlerin yaşam süreleri yaklaşık 120 gün. Hücre Zarı (plazma membranı ve plasmolemma): Hayvan hücrelerinin etrafı sadece birkaç molekül kalınlığında, yarı geçirgen yada seçici geçirgen özellikte canlı bir zar ile çevrilidir. Zarın dışında zara mekanik direnç veren kitin, keratin, jelatin gibi tabakalar da vardır. 9
Ökaryot Hücrenin Genel Morfolojisi Sitoplazma (Hyaloplazma): Hücrenin farklı bölgelerinde ve farklı zamanlarda sol yada gel şeklinde olabilen yarı sıvı ve homojen bir sitoplazmik matrix yada hyaloplazma dan oluşur. Yapısal ve fonksyonel özelliklerine göre hyaloplazma 2 ye ayrılır; 1) Ektoplazma (Dış sitoplazma): Zarın hemen altında yer alan yoğun, granülsüz bir tabakadır. Hızlı sol-gel değişimlerine çok yatkındır. 2) Endoplazma (İç sitoplazma): Ektoplazmadan daha akışkansa da yoğunluğu suyunkinden daima daha yüksektir. Çeşitli organellere, enklüzyonlara ve nukleusa yataklık eder. Ökaryot Hücrenin Genel Morfolojisi Organeller: Genelde endoplazma içinde yer alıp devamlı canlılık özelliği sergileyen, hücre içinde kendilerine has yapı ve fonksyonları olan mitokondri, sentrozom, Golgi gibi. Paraplazma: Sitoplazmada organeller dışında bulunan yağ damlaları, pigment taneleri v.s gibi yapılara paraplazma yada enklüzyon denir. Örn. Glikojen, yağ damlaları, çeşitli salgı ve hormonları içeren salgı granülleri, homoglobin, melanin gibi pigmentler. Nukleus: Hücre içinde genelde merkezi konumda, az çok küresel ve çekirdek zarı yada nuklear membran-karyolemma ile sitoplazmadan ayırılmıştır. İçinde kromonema iplikçiklerinin oluşturduğu kromatinmaddesivebirveyadahafazlanukleolus,gel kıvamında nukleoplazma yada karyoplazma yer alır. 10
Hücre Zarı (Plazmolemma) Hücreler fosfolipid ve protein moleküllerine bağlanmış fosfolipidler, kolesterol, proteinler ve oligosakkaritlerden oluşmuş sınırlayıcı bir membranla kuşatılmıştır. İnce, dayanıklı, plazmamembranı hücresel bütünlüğükorur. Plazma membranı önemli bir aktivite ve seçiciliğe sahip dinamik bir yapı olarak tespit edilmiştir. Hücrenin içine ve dışına moleküler trafiğin vital akışını düzenleyen seçici bir bariyerdir. Hücre içi membranlar değişik organelleri kuşatmışlardır. Hücre çok sayıda bölmelere bölünmüş bir membranlar sistemidir. Eğer 1 gr. karaciğerdei tüm membranlar düz olarak yayılırsa, 30 m 2 dir. Hücre Zarı (Plazmolemma) Membranlar 7.5-10 nm kalınlıkta olup sadece EM görülürler. Hücre zarının 3 belirgin tabakadan oluştuğu görülür. İçvedıştaki daha koyu tabakalar 2.5 nm, ortadaki açık renkli tabaka ise 3 nm kalınlıkta, zarın tümüiseyaklaşık 8-10nmkalınlıktadır. Trilaminar zarın (unit membran) iç ve dış kısımları protein, ortadaki tabaka ise fosfolipid yapısında 2 katmandan oluşur. Unit membran (Trilaminar) zar yapısı İki hücrenin plazma membranları arasında, hücreleri birbirine bağlayan cansız bir madde ile dolu olan 15 nm kadar genişlikte intersellüler alan vardır. 11
Hücre Zarı (Plazmolemma) Dawson-Danielli modeline (sandviç modeli) göre, iki protein tabakası arasında bir çift lipid tabakası vardır. Genellikle fosfolipidler şeklindeki membran lipidleri hidrofobik (su sevmeyen), protein tabakası ise hidrofilik (su seven) kısmı oluşturmaktadır. Singer ve Nicholson modeline (Sıvı mozaik zar modeli) göre, Bu modelde 2 fosfolipid tabakası vardır. Protein ve glikoprotein molekülleri bu fosfolipid tabakası içine gömülmüş olup lipid denizinde aysbergler gibidir. Lipid tabakasına gömülmüş protein sayısı, tipivedağılımı farklıdır. Çünkü lipid tabakası devamlı hareket halinde ve akıcı durumdadır. Proteinler lipid tabakasının yalnız bir yüzeyinde yarı gömülü veya her iki lipid tabakasını da boydan boya geçebilir. Sıvı-mozaik zar modeli 12
Hücre Zarı (Plazmolemma) Membran proteinleri granüler ER de sentezlenir; molekülleri Golgi kompleksinde paketlenir; ve vesiküllerle hücre yüzeyine taşınırlar. Na+, K+ ve Ca++ gibi bazı iyonlar ATP nin parçalanmasıyla oluşan enerjiyi kullanarak integral membran proteinleri içinden hücre membranının karşısına taşınmaktadır. Bu endocytosis olarak bilinir. Ökaryot membranlarda diğer önemli lipid kolesteroldur. Bir membranda takriben eşit sayıda kolesterol ve fosfolipid molekülü vardır. Membrandaki daha az geçirgenlik sağlar ve esnekliği azaltır. Hücre Zarının Fonksiyonları 1-Sınırlayıcı-örtücüdür, şekli belirler ve korur. Bunu da tabaka halindeki hücre dizilimleri ile gerçekleştirir. 2-Seçici geçirgendir. Böylece hücreyle çevresi arasındaki ilişkiyi dengede tutar ve taşınımı da sağlar. Taşınım için farklı yollar geliştirilmiştir. a) pasif diffüzyon, b) endositoz, c) Kolaylaştırılmış diffüzyon d) Aktif taşınım 13
Hücre Zarının Fonksiyonları a) Pasif diffüzyon; her iki yönlü (hücre içine ve dışına), çok yoğundan az yoğun ortama doğru olabilen geçişlerdir, enerji gerektirmez (şekerli sudaki glukoz zarı geçerse diffüzyon, glukoz geçemeyip su geçerse osmozisdir). b) Endositoz yoluyla; zarla çevrelenen maddenin alımı, vesikül oluşumu şeklinde görülür. Örneğin apolipoproteinler hücre içine klatrinle sarılmış ve kaplı-örtülü vesikül (coated vesicle) içinde alınırlar. c-aracılı geçiş: a) Kolaylaştırılmış diffüzyon; zardaki bazı spesifik bölgelere, dıştan gelen substanzın bağlanmasıyla tek yönlü gerçekleşen ve yine yoğunlukla ilişkili geçişlerdir. b) Aktif taşınım; diffüz olamayan moleküllerin konsantrasyona bağlı olmaksızın ATP yardımıyla geçiş yapmasıdır. ATP-ase katılımıyla Na+ da geçer ve hatta çok yoğun bölgeye de geçiş gerçekleşebilir. Aktif Taşıma Diffüzyon Kolaylaştırımış Diffüzyon Pasif Taşıma Endositoz Endositoz Ekzositoz Fagositoz Pinositoz Reseptör katılımlı ile endositoz 14
Hücre Zarının Fonksiyonları 3-Sinyal iletimini yönetir. Hücre zarındaki reseptörler, dış sinyal moleküllerini bağlamada kuvvetli bir afinite (bağlama isteği) gösterirler. Sinyal molekülü ligand olarak isimlendirilir. Ligantların reseptörlere bağlanmaları ile hücre içine geçişleri sağlanır. Bu olayda; hücre zarı altındaki sitoiskelet elemanları, endositotik vesiküllerdeki sinyal-reseptör kompleksi oluşumu ve enzim aktivitesi önemli rol oynar. Burada da enerji kullanılmaktadır. 4-Endositoz yapar. Hücre içine madde alımı üç çeşittir; sıvı alımı (pinositoz), partikül alımı (fagositoz) ve reseptör katılımlı endositoz. 5-Ekzositoz yapar. Hücre dışına madde atılmasını omega (Ω) figür oluşturarak gerçekleştirir. Hücre Zarının Fonksiyonları 6-Kompartımanlar oluşturarak organelleri belirler. Onları tek ya da çift zar yapısı halinde çevreler. 7-Enerji metabolizması, hücre içi sindirim ve vesiküler dolaşıma katılmak gibi işlevleri üstlenir. 8-Metabolik olayların organizasyonuna katılır. Özellikle GERL sistemi (ER+Golgi+Lizozom) oluşumunda, vesikül trafiğinin de düzenlenmesi yönüyle önem kazanır. 9-Depo, nakil ve salgı fonksiyonlarının yerine getirilmesinde farklılaşarak görev alır. 15
Hücre Zarı Farklılaşmaları Hücre zarı farklılaşmaları madde geçiriminin sağlanması veya engellenmesi gibi olaylara, yapıya destek olacak düzenlemelere olanak sağlayacak zar yapılanmalarıdır. 1- Serbest yüzey farklılaşmaları 1- Mikrovillus, 2- Kamçı ve siller, 3- Pinositoz, 4- Ekzositoz, 5- Septa 2- hücreler arası zar farklılaşmaları 1- Macula adherens (=Desmosome), 2- Hemidesmosome, 3- Zonula adherens (Ara bağlantı bölgeleri), 4- Tight junction (Zonula occludens=sıkı bağlantı bölgeleri), 5- Septat junction, 6- Gap junction (=Nexus) Serbest yüzey farklılaşmaları Mikrovillus: 0,1 m çapında 0,6 m boyunda parmak şekilli (silindirik) yapılardır. Yüzey artırmaya yöneliktirler. Örn. barsak hücrelerinde absorbsiyonu artırmak için sayıları 1mm 2 de 200bin kadardır. Dış yüzeylerinde dallanmış glikoprotein molekülleri vardır. Kamçı ve siller: Serbest yüzeyde hareketi oluşturan uzantılardır. Sillerin çapları 0,20 m, boyları 5 m-10 m kadardır. Kamçının çapı da 0,20 m iken boyu 120 m dur. Her ikisi de bazal cisim denilen bir kaide kısmı vardır. (mikrotübüller 9+2 şeklindedir) Pinositoz: 0,4 0,8A o çapta ve hücre içine madde alınımıyla oluşan vesiküler. Ekzositoz: Salgı granüllerinden maddenin hücre dışınaverilmesigibimadde atılması olayıdır. Örn. hormonların kandamarına verilişleri. Septa: Yüzey farklılaşmaları grubuna dahildir, ancak bazaldaki hücre zarının içe doğru bölmelenmesidir. Genelde hücrenin aktivitesiyle ilişkili olup bu durumda mitokondrice zengin alanlar olarak sayıları artar. 16
Hücreler Arası Zar Farklılaşmaları Hücreleri bir arada tutan ve bir fermuar sistemi gibi, madde geçişlerinde görev alan morfolojik oluşumlardır. İntersellüler alan ile olan ilişkilerine ve fonksiyonlarına göre; bir arada tutucu adhering junction lar, madde geçişini engelleyici impermeabl junction lar ve bilgi aktarıcı communicating junction lar şeklinde de gruplandırılırlar. Mekanik olarak hücreleri bir arada tutmaya özelleşmiş olanlar birinci grupta yer alan desmozom lardır. İkinci gruptakiler tight junction ve omurgasızlarda görülen septat junction. Üçüncü grupta yer alanlar ise gap junction ve kimyasal sinapsis lerdir. Hücreler Arası Zar Farklılaşmaları Macula adherens (=Desmosome): Hücreleri kemer şeklinde sarar (kemer dezmozom) veya düğme şeklinde yer yer kontakt noktaları oluşturur (spot desmosome). İntersellüler alan 25-30nm dir ve hafif filamentöz olup mukopolisakkarit ve proteinik özellikte bir materyal içerir. Plazmanın altındaki aktin filament demeti bu kemeri çevreler. Tonoflament denilen keratin filamentler sitoplazmada yapısal bir model oluşturacak tarzda hücreden hücreye geçerler. İki hücre arasında geçişe imkansağlayan bu bölgeler aynı zamanda destek bölgeleridir. Adhezyonda da önemlidir ve mekanik baskıya uğrayacak dokuların hücreler arasında yaygındır. örn. kalp kası, deride epidermis ve uterus boynu gibi. 17
Hücreler Arası Zar Farklılaşmaları Hemidesmosome: Epitel hücrelerin bazalinde bulunur, bazal laminaya uzanır, özel bir ekstrasellüler matriksi vardır. Herhangi bir gücü, baskıyı epitelden bağ dokuya doğru dağıtır. Zonula adherens (Ara bağlantı bölgeleri): İntersellüler alanın daha dar (20nm), tonofilamentlerin daha kısa ve daha az sayıda olduğu, adhezyonun sürekliliğini sağlayan bölgelerdir. Tight junction (Zonula occludens=sıkı bağlantı bölgeleri): İntersellüler alanın hemen hiç yok, beş tabakalı bir zar gibi görünen bağlantı bölgeleridir. Buradaki birleştirici (junctional) proteinlerin oluşturduğu ağ, madde geçişini engeller. Yüksek derecede seçici geçirgen barierlerdir. Örn. omurgalılarda barsak hücrelerinde, kalp kası hücreleri arasında, sinir dokuda sıklıkla görülürler. Hücreler Arası Zar Farklılaşmaları Septat junction: İntersellüler alanın periyodik olarak kesildiği ve madde akışına yer yer engel olunduğu zar farklılaşmasıdır. 15-17nm aralıklarla bitiştirici (junctional) proteinler düzenli paralel sıralar oluşturmaktadırlar ve yine burada da kemer gibi hücrenin etrafı sarılmaktadır. Omurgasızlarda. Gap junction (=Nexus): Hücreler arası bilgi aktarım bölgeleridir. Hücreler arası alan 2-7 nm dir. En sıklıkla görülen zar farklılaşması. Bilgi alış-veriş noktası olan neksuslar, connexon adlı özel protein tüneller var Suda çözünen moleküllerin (<1000-1500dalton; inorganik elementler, iyonlar, şeker, a.a.ler, nukleotidler, vitaminler) geçişi sağlayan tüneller veya bağlayıcı kanal formunda delikler şeklinde. Elektriki hem de Kimyasal (metabolitler) geçişlerle iletim ve kooperasyon. Örn. kalp kasılmaları, barsakta peristaltik hareket. Sinir hücreleri arasındaki bağlantı bölgeleri elektriki sinaps lar olup, aksiyon potansiyelini hızla dağıtmaya yardımcı. Kimyasal sinapslar böcek ve balıkta vs. hızlı harekete yol açmaktadırlar. 18
19