HÜCRE ZARINDAN MADDE TAŞINMASI

Prokaryotlardan en karmaşık çok hücreli ökaryotlara kadar canlı sistemlerin hepsinde canlı organizma ve cansız ortam arasında madde alışverişi vardır.

Hücresel seviyede madde alışverişi: Suda eriyen moleküllerin taşınması, Besin moleküllerinin hücre içine alınması, Artık moleküllerin hücre dışına atılması, Hücre içi iyon derişiminin (konsantrasyonunun) düzenlenmesi

Madde alışverişi hücre zarının bir işlevi olup, hücre zarı tarafından düzenlenir. Hücre ve çevresi arasında maddelerin geçişini kontrol eden hücre zarı gibi, mitokondri, kloroplast ve çekirdek gibi organelleri çevreleyen zarlar da hücre içi bölmeler (sitozol ve organel) arasında madde geçişini kontrol eder.

Hücrede ve çevresini kuşatan ortamda en yaygın olarak su vardır. Bu yüzden hücre için önemli moleküller ve iyonlar su içinde çözünmüş halde bulunur. Su ve suda çözünmüş maddelerin hücreye alınışları organizmalar için hayati öneme sahiptir.

Maddelerin zardan geçebilme yetenekleri zarın permeabilitesi (geçirgenliği) olarak tanımlanır. Hücre zarı madde taşınmasında seçici geçirgen rol oynar: Bazı maddeler kendiliğinden kolay bir şekilde veya başka moleküllerin yardımıyla hücre zarından geçerken, diğer bazı maddeler ise ne hücreye girebilir ne de hücreden çıkabilir; bu özellik nedeniyle, hücre zarının seçici geçirgen olduğu söylenir.

Zarın bir maddeye karşı geçirgen olup olmaması birçok faktöre bağlıdır; bu faktörler arasında en önemlileri maddenin büyüklüğü, polaritesi ve elektriksel yüküdür.

Çift tabakalı lipit, zarın seçici geçirgenliğinden kısmen sorumludur: Oksijen, azot, nitrik oksit ve benzen gibi apolar ve su, karbon dioksit, gliserol, etil alkol, üre ve amonyak gibi az polarite gösteren ve yüksüz küçük moleküller hücre zarının çift tabakalı lipidinden kolayca geçer.

Çift tabakalı lipit, zarın seçici geçirgenliğinden kısmen sorumludur: Hidrofilik özellikteki iyonların ve polar moleküllerin geçişi, zarın hidrofobik iç kısmı tarafından engellenir. Çok küçük bir polar molekül olan su bile çift katlı lipitten kolayca geçemez. Benzer şekilde sudan oldukça büyük olan glukoz ve diğer şekerler de zardan geçemez.

Çift tabakalı lipit, zarın seçici geçirgenliğinden kısmen sorumludur: Sodyum, potasyum ve kalsiyum gibi yüklü bir atom ya da molekül (iyon) ile bunun çevresindeki su (hidrasyon) kabuğu da zarın hidrofobik tabakasına kolayca giremez.

Hücre zarı su da dahil olmak üzere iyonlara ve polar moleküllere karşı geçirgendir. Bu hidrofilik bileşikler taşıyıcı protein adı verilen bazı zar proteinleri tarafından, çift tabakalı lipit ile temas etmeden zarın bir tarafından diğerine taşınır. O halde, zarın seçici geçirgenliği hem fosfolipit tabakasının ayırt edici engeline, hem de zar içine yerleşmiş olan özgül taşıyıcı proteinlere bağlıdır.

Enerji kullanıp kullanılmamasına bağlı olarak hücre zarından madde geçişi genellikle iki yolla gerçekleşir. Bu yollardan birisi pasif taşıma, diğeri ise aktif taşıma olarak isimlendirilir.

PASİF TAŞIMA SÜREÇLERİ Difüzyon, ozmoz ve kolaylaştırılmış difüzyon pasif taşıma süreçleridir.

Su ve Suda Çözünmüş Maddelerin Hareketi Suyun buz hali hariç tutulacak olursa, su sürekli olarak hareket halindedir.

Su ve Suda Çözünmüş Maddelerin Hareketi Hem canlılar hem de cansızlar aleminde su molekülleri potansiyel enerjideki farklılıklar nedeniyle bir yerden başka bir yere hareket eder. Suyun potansiyel enerjisi su potansiyeli olarak tanımlanır.

Su ve Suda Çözünmüş Maddelerin Hareketi Yerçekimi, basınç ve çözünmüş madde konsantrasyonu su potansiyelini belirleyen etmenlerdir.

Su ve suda çözünmüş maddelerin hareketinden Kütle akımı ve Difüzyon olmak üzere iki mekanizma sorumludur.

Kütle Akımı Kütle akımı bir sıvının toptan hareketidir. Moleküller aynı yönde ve hep birlikte hareket eder. Canlı sistemlerde kütle akımı, çok hücreli bir organizmanın bir kısmından başka bir kısmına su ve suda çözünmüş maddelerin birlikte taşınmasını sağlar. Örneğin kan, kalbin pompalanması sonucu yaratılan su potansiyelinin etkisiyle kan damarları içinde kütlesel olarak hareket eder.

Difüzyon Suda çözünmüş moleküller ve iyonlar rastgele sabit bir hareket halindedir. Bu rastgele hareket madde moleküllerinin daha yüksek olduğu bölgeden konsantrasyonun düşük olduğu bölgeye doğru hareketine sebep olur, bu süreç difüzyon olarak isimlendirilir.

Difüzyon Difüzyonla yaratılan hareket bütün bölgelerde konsantrasyon eşit oluncaya kadar devam eder. Difüzyon sadece derişim gradyantını düşürmek için ortaya çıkar.

Difüzyon Karbondioksit ve oksijen lipitlerde çözünür ve difüzyonla kolayca fosfolipit tabakadan geçebilir. Polar olmasına rağmen su molekülleri de fosfolipitlerin kendiliğinden hareketleri esnasında ortaya çıkan açıklıklardan difüzyonla geçebilir. Yeterince küçük olan diğer bazı moleküller de böyle açıklıklardan geçme yeteneğindedir.

Kolaylaştırılmış Difüzyon Büyük, polar ve yüklü maddelerin zardan geçişleri, zarı bir uçtan bir uca kat eden özel proteinler (özelleşmiş transmembran proteinleri) yardımıyla olur. Bu taşıma süreci kolaylaştırılmış difüzyon olarak adlandırılır. Bu süreç derişim gradyantının potansiyel enerjisi ile yönetildiğinden, hücre tarafından enerji kullanılmasına gerek duyulmayan pasif bir olaydır.

Kolaylaştırılmış Difüzyon Taşıyıcı proteinlerin birçoğu özel bir molekül ya da iyonun zardan geçmesine izin veren basit koridorlar (kanallar) oluşturur. (Akuaporin gibi)

Kolaylaştırılmış Difüzyon İyon kanalları

Kolaylaştırılmış Difüzyon Taşıyıcı proteinlerin hepsi kanal proteini şeklinde değildir. Taşıyıcı, permeaz veya transportır adı verilen birçok taşıyıcı protein taşınacak moleküle bağlanıp, bir seri konformasyonel değişikliğe (biçim değişikliği) uğrar.

Kolaylaştırılmış Difüzyon Genel olarak hücre zarında üç tip taşıyıcı protein, dolayısıyla üç farklı taşıma sistemi olduğu kabul edilir.

Kolaylaştırılmış Difüzyon Taşıyıcı proteinlerin ya hatalı ya da tümüyle eksik olması bazı hastalıkların nedenidir. Örneğin, voltaj kapılı kalsiyum kanallarındaki bozukluklar epilepsi (sara), migren, felç ve kalıtsal gece körlüğünden sorumludur.

Ozmoz Ozmoz, difüzyonun özel bir durumudur: Su moleküllerinin zardan difüzyonu ozmoz olarak adlandırılır. Başka bir deyişle ozmoz suyun, su konsantrasyonunun daha yüksek olduğu bölgeden su Konsantrasyonunun daha düşük olduğu bölgeye doğru bir zar içinden hareketidir.

Ozmoz Ozmoz deneyi

Ozmoz Bir çözeltide çözünmüş maddelerin konsantrasyonu çözeltinin ozmotik konsantrasyonunu belirler.

Ozmoz Hipertonik ya da hipotonik ortamlarda yaşayan ve sert hücre duvarlarına sahip olmayan organizmalar su dengesini kontrol (ozmoregülasyon) etmek için özel adaptasyonlar geliştirmiştir. Örneğin tek hücreli olan Paramecium, hücre içine göre hipotonik olan tatlı sularda yaşar.

Ozmoz Birçok deniz balığında vücut sıvısı, içinde bulundukları tuzlu suya göre hipotoniktir. Bu yüzden su ozmozla vücut dışına çıkma eğilimindedir. Balık deniz suyu içerek ve hücre içi madde konsantrasyonunu uygun seviyelerde tutmak için aşırı maddeleri (NaCl, Magnezyum sülfat ve potasyum iyonları) hücre dışına atarak ozmoregülasyonu sağlamaya çalışır.

Ozmoz Tatlısu balığında ozmoregülasyon

Turgor Bitki hücreleri kofullarındaki yüksek konsantrasyonlu çözünmüş maddelerden dolayı içinde yaşadıkları çevreye göre hipertoniktir. Bu durum sonucu hücreye su girişi, hücre çeperleri üzerinde çok büyük bir hidrostatik basınç yaratır. Hücreye su girişi sonucu ortaya çıkan şişkinlik durumu turgor olarak, hücre çeperi üzerinde ortaya çıkan hidrostatik basınç da turgor basıncı olarak isimlendirilir.

Turgor Bu basınç, Birçok otsu bitkiye sertlik kazandırır ve onların dik durmasını sağlar. Bitkinin büyüme ve gelişmesi sırasında hücre çeperinin uzamasını sağlayan kuvveti oluşturur. Stomaların açılmasını sağlar.

Turgor Deri turgoru Az sıvı alımı Diyare (İshal) Diyabet Sıcak çarpması (Aşırı terleme ve yeterli sıvı almama) Kusma

Turgor Turgor, toprağın su konsantrasyonu bitki hücrelerindeki su konsantrasyonundan fazla olduğu sürece devam eder. Bitkiler sulanmayacak olursa turgorunu kaybeder.

Turgor Solma geri dönüşümlüdür; bitki sulanırsa yeniden turgor kazanır. Ancak hipertonik ortam devam ediyorsa, bitki hücresinin duvara sahip olmasının bir avantajı olmaz. Bu durumdaki bitki hücresi hayvan hücresinde olduğu gibi, su kaybeder ve büzülür. Büzülen hücrenin plazma zarı, duvardan ayrılır. Plazmoliz olarak adlandırılan bu olay, genellikle öldürücüdür. Bakteri ve mantarların duvar içeren hücreleri de hipertonik ortamlarda plazmolize uğrar.

AKTİF TAŞIMA SÜREÇLERİ Pasif taşıma süreçlerinde taşınan maddeler derişim gradyantını düşürecek şekilde hareket eder. Halbuki hücreler derişim gradyantını arttıracak şekilde de zarlardan maddeleri taşıyabilir. Bu süreç enerji kullanılmasına ihtiyaç gösterir ve bu yüzden aktif taşıma diye isimlendirilir. Kolaylaştırılmış difüzyonda olduğu gibi aktif taşımada da zarlara gömülü özel proteinler (taşıyıcı proteinler) görev alır.

AKTİF TAŞIMA SÜREÇLERİ Birçok hayvan hücresinde hücre içinin ve hücre dışının iyon konsantrasyonları çok farklıdır. Örneğin bir hayvan hücresi, çevresinden daha yüksek derişimde potasyum iyonu içerdiği halde, sodyum iyonlarının hücre içi derişimi hücre dışındakinden çok daha azdır. Hücre bu gradyantı, iyon pompası adı verilen taşıyıcı proteinler ile sağlar ve daima sabit tutar.

AKTİF TAŞIMA SÜREÇLERİ Sodyum-potasyum pompaları, Proton pompaları Kalsiyum pompaları aktif taşımada iş gören ve canlılarda en yaygın bulunan taşıyıcı proteinlerdir. Bu pompalar aynı zamanda ATP yi ADP ye hidrolizleyen ATPaz dır; kendilerine özgü iyonları taşımaları için gerekli ATP enerjisini üretir.

Sodyum-Potasyum Pompası Sodyum-potasyum pompaları hücre zarından sodyum (Na+) ve potasyum (K+) değiş tokuşu yapar.

Sodyum-Potasyum Pompası

Sodyum-Potasyum Pompası Sodyum-potasyum pompası bir elektrogenik pompadır.

Sodyum-Potasyum Pompası Sodyum-potasyum pompası (Na+/K+ ATPaz) bir saniyede 100 ATP yi hidrolizleyebilir. Bir hayvan hücresinde enerjinin 1/3 ü Na+-K+ pompasının çalışması için harcanır.

Proton Pompası Proton pompaları hücre dışına proton pompalayarak, zarın iki tarafı arasında proton gradyantı yaratır.

Proton Pompası Proton pompaları lizozom ve koful içindeki düşük ph den de sorumludur. Lizozom zarındaki proton pompaları sitoplazmadan lizozom içine proton pompalayıp, lizozomal enzimlerin aktif olduğu ph seviyesinin elde edilmesine olanak sağlar.

Kalsiyum Pompası Hücre içi kalsiyum (Ca ++ ) seviyesi 10 7 de, hücre dışı ise 10 3 de tutulmalıdır. Çok küçük Ca sızıntısı bile hücrede bir sinyal oluşturur ve hücre aktivitesini değiştirir. Bu nedenle, örneğin kas hücrelerinde sarkoplazmik retikulumun (kas hücresindeki DER) zarındaki kalsiyum pompaları (Ca ATPaz) sitoplazmadaki Ca ++ ları sarkoplazmik retikulum lümenine pompalayarak bu dengeyi sağlar. Sarkoplazmik retikulum zarındaki proteinlerin %90 ı kalsiyum pompasıdır.

Sekonder Aktif Taşıma İyon pompaları ve kotransport taşıma sistemi birlikte çalışır. Bu işbirliği sekonder aktif taşıma olarak tanımlanır.

Sekonder Aktif Taşıma

Sekonder Aktif Taşıma Hücrelerde, antiport taşıma sistemi ile çalışarak hücre içi ph yi düzenleyen iki zar proteini vardır: Na + -H + değiştiricisi Na + destekli Cl -HCO3 değiştiricisi Na + -H + değiştiricisi Na + u içeri, H + i dışarı pompalar. Na + destekli Cl -HCO3 değiştiricisi Na + ve HCO3 ı hücre içine, H + ve Cl u hücre dışına verir. Böylece NaHCO3 hücre içine, HCl hücre dışına çıkmış olur ve hücrenin asiditesi azalır.

Sekonder Aktif Taşıma Sekonder aktif taşımada görevli taşıyıcı proteinlerin hatalı oluşu veya tamamen olmayışı bazı hastalıkların ortaya çıkmasına neden olur. İnsanlarda görülen sistinüri böyle hastalıklara örnektir. Bu kalıtsal hastalıkta böbrek hücrelerinin zarında sistein ve diğer amino asitleri (lizin, arjinin ve ornitin) taşıyan protein yoktur. Böbrek hücreleri normalde bu amino asitleri idrardan geri emer ve kana verir. Ancak sistinüri hastalarında, geri emilemediği için böbreklerde birikerek kristalleşen amino asitler ağrı verici böbrek taşlarının ortaya çıkmasına neden olur.

Endositoz Endositoz pek çok tek hücreli ökaryot tarafından beslenme amacıyla kullanılır.

Endositoz Fagositoz, pinositoz ve reseptörün aracılık ettiği (reseptör aracılı, reseptörle gerçekleşen) endositoz olmak üzere üç farklı tip endositoz vardır.

Endositoz Fagositoz

Endositoz Pinositoz

Endositoz Reseptörün aracılık ettiği (reseptör aracılı, reseptörle gerçekleşen) endositoz

Ekzositoz