BİY 315 BİYOLOJİK ZARLAR VE TAŞINMA Yrd. Doç. Dr. Ebru SAATÇİ 2008-2009 Güz Yarı Dönemi
Hücre zarı ya da plazma zarı hücrenin organellerini ve sıvı içeriğini saran ve hücreye yapısal bütünlük sağlayan ayrıca çok önemli işlevleri yürüten seçici geçirgen bir yapıdır. Başlıca protein ve fosfolipitlerden oluşmuş çift katlı bir sıvıdır. Fosfolipit tabaka membranın sıvı bölümünü oluştururken, fosfolipitten oluşmuş bu sıvı tabaka içine gömülü halde bulunan proteinler ise mozaik bölümünü oluştururlar.
Fosfolipit tabakası birbirine sırt sırta dayanmış molekül gruplarından oluşur. Kolesterol molekülleri protein- lipit tabakadaki molekülleri birbirine bağlamada görevlidir. Zar proteinleri ise ya iyon transferinde ya da karbonhidratlarla bağlanmada görev alır. Şekilde mavi renkli yapılar zar proteinleri olup içindeki kanallar zarın seçici geçirgen özelliğini belirler.
Görevleri 1) Kompartmanlaştırma; Organelleri çevreler. Bir bina içinde bulunan farklı aktiviteler için ayrılmış odalar gibi hücre ve organelleri de dış etmenlerden etkilenmeden fonksiyonlarını yerine getirmek için zarla çevrilenmeleri gerekir. 2) Seçici geçirgen bariyerlerdir; maddelerin zarın bir tarafından diğer tarafa serbest hareketini önler. Aynı zamanda bölgeler arasında haberleşmeyi seçici olarak gerçekleştirir. 3) Solit transport yapar; az konsantre olan yerden yoğun olan yere doğru. Şeker, aa gibi gerekli maddeleri hücre içi birikimleri sağlanır. İyonlar içinde benzer işleri göstererek iyonik gradientlerin meydana gelmesine yol açan bu yetenek özellikle sinir ve kas hücreleri için önemlidir.
Görevleri 4) Dış sinyallere yanıt verir; zar yapısında bulunan reseptörler, özgül molekülleri (ligand) ile birleşerek komplementer yapı meydana getirirler ve sinyal iletimini başlatırlar. Farklı tip hücrelerde farklı tip reseptörler bulunur. 5) İntersellüler etkileşim sağlar; çok hücreli bir organizmadaki hücreler, aralarındaki etkileşimleri plazma zarlarıyla gerçekleştirirler. Plazma zarı, bir hücrenin komşusunu tanımasını, yapışmasını yada madde alış- verişini sağlar. 6) Biyokimyasal aktivitelerin üzerinde yer alır; zarlar hücresel aktiviteleri organize etmede aracı olurlar. Enzimleri multienzim komplekslerine dönüştürülür ve tepkime düzeni kurulur. 7) Enerji iletimini sağlar; bir tip enerjinin diğer bir tip enerjiye dönüşümünde rol alır (enerji transdüksiyonu).
Zar Lipitleri Her bir fosfolipit tabaka, hidrofilik (suyu seven) baş ve hidrofobik (suyu sevmeyen) kuyruk içerir. Hidrofilik baş kısımları, zarın dış tabakasını oluştururken; hidrofobik kuyruk kısımları, diğer fosfolipit tabakanın hidrofobik bölümüyle karşılıklı durarak çift tabakalı hücre mebranın iç kısımlarını oluştururlar. Zarda bulunan kolesterolün en önemli görevi, yüksek ısı gibi iç ya da dış etkenlerin zar akışkanlığını artırmasını engelleyerek, zar dayanıklılığının sürdürülmesini sağlamaktır.
Zar Hareketleri Hücre zarı hareketsiz ve sabit bir yapı olmayıp, yapım ve yıkımla beraber, kendine özgü hareketin de sürekli olarak izlendiği özel bir organeldir. Zar hareketleri, her iki yana, kendi çevresinde ve boylamasına olabilir.
Zar Proteinleri Her ne kadar biyolojik zarların temel yapısı lipitler tarafından oluşturuluyorsa da, hücrenin yaşamasıyla ilgili birçok özel fonksiyon proteinler tarafından gerçekleştirilir. Zarda yer alan proteinlerin tipleri ve miktarları oldukça farklıdır. Örneğin; Sinir aksonlarını kuşatan miyelin zarlarda, zarın toplam kütlesinin %25 inden daha azı proteinken, mitokondri, kloroplast gibi enerji üreten yapılarda bu miktar %75 kadardır. Olağan zarlarda ise bu miktar yaklaşık % 50 dolaylarındadır.
Proteinlerin Zarlardaki Yerleşim Şekilleri Birçok zar proteini, lipit tabakada bir taraftan diğer tarafa kadar uzanır. Transmembran proteinler olarak adlandırılan bu proteinler amfipatik özelliktedir. Hidrofobik kısımları lipid tabakanın hidrofobik iç kısmıyla, hidrofilik kısımları ise lipit tabakanın her iki yanında yer alan su tabakasıyla ilişkidedir. Zarların sitoplazmik yarısına bağlanan bazı proteinler sadece yağ asiti zincirleri aracılığıyla lipit tabakaya tutunur. Bazı hücre yüzey proteinleri ise küçük bir fosfolipit olan fosfatidil inositole kovalent olarak bağlanarak lipit tabakanın dış yüzünde yer alırlar
Bunların dışındaki proteinler ise zarın her hangi bir yüzeyinde yer alıp, hidrofobik bölgeye kadar uzanmazlar, zarda yer alan diğer proteinler ile nonkovalent bağlarla bağlanmış olarak bulunurlar. Bunlar ekstraksiyon metodlarıyla zarlardan çok kolay ekstrakte edilebilirler. Bu tip proteinlere periferal zar proteinleri adı verilir. Bunların aksine, transmembran proteinler, fosfatidilinositol'e bağlı proteinler ve yağ asitlerine bağlı proteinler bütün lipit tabaka deterjanlarla veya organik çözücülerle tahrip edilmek suretiyle elde edilebilirler. Bu yüzden transmembran proteinlere integral zar proteinleri adı da verilir.
Periferal Zar Proteinleri Yağ asitlerine Bağlanmaları: Yağ asitlerine kovalent olarak tutunan proteinler zarda bulunan lipitlere kovalent olarak bağlanır. Bu proteinler üç tip lipit grubuyla bağlanırlar. Birinci tip bağlanmada (açilasyon); bir yağ asidi zinciri (miristik veya palmitik asit) bir amid bağı aracılığıyla, sitozolik yüzde, proteinin amino ucundaki glisine kovalent olarak bağlanır. İkinci tip bağlanmada (prenilasyon); bir prenil grubu, bir tiyoeter bağı ile, sitozolik yüzde, proteinin karboksil ucundaki 4. sırada yer alan sistein'e bağlanır. Bu prenilasyonu takiben uçtaki 3 amino asit ayrılır ve yeni oluşan karboksil uç metillenir, böylece protein zara yerleşmiş olur. Üçüncü tip bağlanmada; proteinler, zarın dış yüzünde yer alan glikozilfosfatidilinositol (GPI)'a bağlanır. Bu yapı genel olarak fosfatidilinositol ve fosfatidiletanoamin içerir. Fosfatidilinositolün iki yağ asidi zarda uzanırken, fosfatidiletanolamin bu lipit yapıyı proteine bağlar. Fosfatidilinositol ve fosfatidiletanolamin arasında ise sayısı hücre tipine göre değişen şeker rezidüleri (kalıntıları) yer alır.
İntegral Zar Proteinleri Transmembran proteinlerin, polipeptit zincirinin lipit çift tabakanın hidrofobik bölgesine gömülü olan kısmı nonpolar yan zincirli amino asitlerden oluşurlar. Bu proteinler, lipit çift tabakayı α-sarmal (α - heliks) halinde geçerler. Bu geçiş ya tek bir zincir şeklinde, tek geçişli (single-pass), veya birkaç tane α -sarmal zincir halinde, çok geçişli (multipass) olur. Transmembran proteinlerin çoğu glikozillenmiştir (şeker grupları eklenmiştir). Şeker molekülleri bu proteinlere endoplazmik retikulum ve Golgi kompleksinde eklenir ve proteinlerin oligosakkarit zincirleri daima ekstraselüler yüzde yer alır. Proteinlerin sergiledikleri asimetri, sahip oldukları diğer ilave gruplar ve çeşitli bağlar tarafından daha da artırılır. Bunlardan, sülfidril (-SH) grupları sitoplazmik yüzde, disülfit (S-S) bağları ekstraselüler yüzde yer alır.
Membran Proteinleri Spektirin Eritrositlerdeki protein moleküllerinin çoğu lipit tabakanın sitoplazmik yüzüne tutunmuş olan periferal zar proteinleridir. Bunların içinde de en bol bulunanı spektrin'dir. Zarın altında yer alan sitoplazma iskeletinin esas elemanıdır. Spektrin iki büyük polipeptit zincirinden meydana gelmiştir. Bunlar: α- spektrin (~ 240 000 dalton) ve β-spektrin (~ 220 000 dalton) zincirlerdir. Esnek yapıdaki bu zincirler birbirlerine birkaç noktada nonkovalent olarak tutunmuştur.
Glikoforin İnsan kırmızı kan hücre zarında bulunan ve bütün amino asit dizilişi tam olarak bilinen ilk protein Glikoforin'dir. Glikoforin, kütlesinin büyük kısmı zarın dış yüzeyinde bulunan, 131 amino asitten oluşmuş bir transmembran glikoproteindir. Glikoforin üç kısımdan meydana gelmiştir: 1. Amino uç kısım 2. Hidrofobik orta kısım 3. Karboksil uç kısım
Band 3 Protein Glikoforin gibi Band 3 proteini de bir transmembran proteindir. Glikoforinden farklı olarak çok geçişli (multipass) bir zar proteinidir. Yaklaşık 900 amino asitten oluşmuştur. Eritrositlerdeki karbondioksitin oksijen ile değişimi bir anyon değiştirici transport proteini: Band 3 proteini tarafından yapılır. Band 3 proteinleri dondurma-kırma elektron mikroskobi teknikleriyle incelendiğinde zar içi partiküller olarak görülür.
Bakteriorodopsin Bir bakteri olan Halobacterium halobium'un zarı üzerinde yer alan çok geçişli bir zar transport proteinidir. Bu protein bakterinin zarında aktif proton (H + ) pompası olarak görev yapar. Zarda, birbirine oldukça yakın olarak yer alan 7 α-sarmal halinde kıvrılmış olarak, lipit çift tabakada yer almaktadır. Her bir α -sarmal yaklaşık 25 amino asitten meydana gelir. Bu α -sarmal segmentler zarın her iki yanında hidrofilik segmentlerle birbirlerine bağlanırlar.
Zar Proteinlerinin Saf Olarak Elde Edilmesi Genel olarak transmembran proteinler, lipit tabakayı tahrip ederek hidrofobik ilişkileri bozan çeşitli ajanlar tarafından çözündürülebilir. Bu ajanlar içinde en fazla kullanılan deterjanlardır (SDS; gibi). Deterjanlar misel şeklinde toplanma eğilimi gösteren amfipatik moleküllerdir. Zarlarla karıştırıldıklarında deterjanların hidrofobik uçları zar proteinlerinin hidrofobik bölgelerine bağlanır, böylece lipit moleküllerin yerini değiştirirler. Deterjan molekülünün diğer ucu polar olduğundan, protein molekülünün lipit tabakadan ayrılarak bir protein- deterjan kompleksi halinde solüsyon içerisine geçmesini sağlar. Bu komplekse nadiren çok kuvvetli bağlanmış lipit molekülleri de katılabilir.
Deterjanlar dializ veya herhangi bir kromatografi tekniği kullanılarak uzaklaştırılmadan önce ortama fosfolipidler karıştırılır. Böylece sadece o proteini ihtiva eden özel bir fosfolipit çift tabaka elde edilir ve o proteinin istenen fonksiyonu bu ortamda araştırılır. Deterjanların polar uçları, ya sodyum dodesil sülfat (sodium dodecyl sulfate) (SDS) ta olduğu gibi elektiriksel olarak yüklü (iyonik) ya da triton'da olduğu gibi yüksüzdür (aniyonik).
Zar Proteinlerinin Eritrositlerde İncelenmesi Ökaryotik hücrelerde hücre zarı ile yapılan çalışmalarda çoğunlukla kırmızı kan hücreleri kullanılır, çünkü: 1. Diğer hücrelerle karışma tehlikesi olmaksızın bol olarak elde edilebilir. 2. Çekirdek veya diğer organellere sahip olmadığından diğer iç zarlarla karışmadan, doğrudan saf olarak eritrosit zarı elde edilebilir. 3. Boş kırmızı kan hücre zarları veya kalıntıları (ghost) elde etmek çok kolaydır. Kan hücresinin sitoplazmasından daha düşük konsantrasyonlarda (hipotonik) solüsyonlar kullanıldığında, normal difüzyon kurallarına göre dış ortamdaki sıvı hücre içine girerek kırmızı kan hücrelerinin patlamasına (liziz) neden olur. 4. Zar kalıntıları ile fazla parçalanmadan, sadece tek noktadan yırtıkken çalışılabilir (böylece, çalışmada kullanılacak solüsyonlar isteğe göre zarın her iki yüzüyle temas edecektir), veya yırtığın kapanması sağlanır. Bu özellikten faydalanılıp, kullanılan değişik iyonik konsantrasyonlar sayesinde iç yüzü dışa gelmiş veziküller elde edilebilir.
Bu tür çalışmalarla bazı zar proteinlerinin lipit tabakayı boydan boya geçtiği ve lipit çift tabakanın lipit kompozisyonunun birbirinden farklı olduğu gösterilebilinmiştir. İnsan eritrosit zarlarında, SDS poliakrilamit jel elektroforezi ile yapılan çalışmalarla, molekül ağırlığı 15000-250000 arasında değişen 15 büyük protein bandı elde edilmiştir Bu proteinlerden üçü, spektrin, glikoforin ve Band 3 toplam proteinlerin % 60 ı kadardır.
Transport Sistemleri Biyolojik membranlarda madde geçişini sağlayan proteinler transport sistemlerini oluşturur. Transport sistemleri, fonksiyonel açıdan hareket eden moleküllerin sayısına ve hareketin yönüne ya da hareketin dengeye doğru veya dengeden uzak olmasına göre tanımlanabilirler. Hareket eden moleküllerin sayısına ve hareketin yönüne göre transport sistemleri, üniport ve kotransport olmak üzere iki tiptir.
Kotransport sistemler, simport ve antiport olmak üzere iki tiptir: 1) Simport sistem, iki farklı molekülü aynı yönde hareket ettiren sistemdir. Bakterilerdeki proton ve şeker transportörleri, memeli hücrelerindeki Na + ve şeker (glukoz, mannoz, galaktoz, ksiloz, arabinoz) trasportörleri, Na + ve amino asit transportörleri simport transportörlerdir. 2) Antiport sistem, iki farklı molekülü zıt yönde hareket ettiren sistemdir. Na + iyonu hücre içine girerken Ca 2+ iyonunun hücre dışına çıkması antiport sistem örneğidir. Özellikle uzun zincirli yağ asitlerinin ve NADH in mitokondriye alınmasında antiport sistemler önemli rol oynar:
Kolaylaştırılmış Difüzyon Kolaylaştırılmış diffüzyon ile membranlardan geçiş başlıca üç şekilde olabilir: 1) Membranı tümüyle kateden ve porinler diye adlandırılan kanal proteinleri, 2) Molekül ağırlığı ve tipine göre farklı olan taşıyıcı proteinler, 3) Proteinlerin flip-flop hareketi ile gerçekleştirilir. Pin (flip) durumunda boşalmış olan taşıyıcı, sonraki döngüyü tamamlamak için orijinal konformasyonu olan pon (flop) durumuna döner.
Aktif Transport Aktif transport, moleküllerin termodinamik dengeden uzağa yani konsantrasyon veya elektrokimyasal gradientin zıt yönünde taşınmaları açısından diffüzyondan farklıdır; bundan dolayı enerji gerektirir. Aktif transport için gereken enerji, ATP nin hidrolizinden, elektron hareketinden veya ışıktan sağlanabilir. Aktif transport ile biyolojik sistemlerde elektrokimyasal gradientlerin devamlılığı sağlanır. Genellikle hücreler, hücre içi ortamda net bir negatif elektriksel potansiyel ile bir arada düşük bir intrasellüler Na + konsantrasyonu ve yüksek bir intrasellüler K + konsantrasyonu sağlarlar. İntrasellüler ve ekstrasellüler arasında gardientleri sağlayan Na + /K + ATPaz pompasıdır. Na + /K + ATPaz pompası, membrana bağımlı Na + /K + ATPaz tarafından her ATP molekülünün ADP ye hidrolizi sırasında 3Na + iyonunun hücre içinden dışarıya ve 2K + iyonunun dışarıdan hücre içine hareketini sağlar.
Kolaylaştırılmış diffüzyon ve aktif transport pek çok özelliği paylaşırlar; benzerliğin söz konusu olduğu noktalar şöyledir: 1) Solüt için spesifik bir bağlanma bölgesi vardır. 2) Taşıyıcı, satüre olabilir; bundan dolayı bir maksimum transport hızına (Vmax) sahiptir. 3) Solüt için bir bağlama sabitesi (Km) vardır ve sonuçta tüm sistemin bir Km si vardır. 4) Yapısal olarak benzer olan yarışmalı inhibitörler transportu bloke ederler. Kolaylaştırılmış diffüzyon ile aktif transport arasındaki temel farklar şunlardır: 1) Kolaylaştırılmış diffüzyon iki yönlü işlerlik gösterebilir, halbuki aktif transport genelde tek yönlüdür. 2) Aktif transport, her zaman bir elektriksel veya kimyasal gradiente karşı meydana gelir ve bundan dolayı enerji gerektirir.