MEMBRANLARDAN MADDE GEÇİŞİ Prof. Dr. Taner Dağcı Ege Üniversitesi Tıp Fakültesi Fizyoloji Ab. D.
Maddeler hücre membranından başlıca iki şekilde geçebilir: 1. Difüzyon: Madde konsantrasyonunun (yoğunluğunun) çok olduğu taraftan az olduğu tarafa maddenin kendi kinetik (hareket) enerjisi ile geçişi. Membranın lipid çift tabakasından veya protein kanallardan difüzyon söz konusu. 2. Taşıyıcı aracılı transport: Madde membranın lipid molekülleri arasından difüze olamadığı zaman taşıyıcı proteinlere bağlanarak membranı geçer.
DİFÜZYON Moleküller sahip oldukları kinetik enerji nedeniyle sürekli hareket halindedir. Bu hareket ortam ısısı ile doğru orantılıdır. Moleküller difüzyon sırasında yüksek yoğunlukta oldukları taraftan düşük yoğunlukta oldukları tarafa doğru net hareket gerçekleştirirler. Difüzyon sonunda moleküller ortama homojen olarak dağılırlar. Membranda 2 yol ile difüzyon gerçekleşir: 1. Lipid çift tabakadan: yağda eriyen maddler ve suda eriyen küçük çaplı maddeler 2. Protein yapılı kanallardan: su ve suda eriyen maddeler (özellikle iyonlar)
Hücre içi ve dışı Sıvıların Kompozisyonu Hücre dışı yoğunluk (mm) Hücre içi yoğunluk (mm) Na + 145 15 K + 4 150 Ca 2+ 1 (10-3 M) * 1.5 (10-7 M) * Mg 2+ 1.5 12 Cl - 110 10 HCO 3-24 10 P i 2 40 Amino asidler 2 8 Glukoz 5.6 1 ATP 0 4 Protein 0.2 4 *Serbest sitozolik konsantrasyon
LİPİD ÇİFT TABAKADAN DİFÜZYON Yağda eriyen (lipofilik, hidrofobik) moleküller ve küçük çaplı suda eriyen (hidrofilik) moleküller lipid çift tabakadan difüze olabilirler. Lipid çift tabakadan difüze olabilen yağda eriyen moleküller: O 2, CO 2, yağ asidleri, kolesterol, monogliseridler, steroid hormonlar Lipid çift tabakadan difüze olabilen suda eriyen küçük moleküller: su, üre, gliserol, alkol Elektrik yüklü iyonlar ve suda eriyen büyük moleküller (glukoz, fruktoz, galaktoz, amino asidler, nükleotidler ve bu temel ünitelerin uç uca eklenmesi ile oluşan polisakkaridler, polipeptidler/proteinler, nükleik asidler, iyonize fosfat içeren bileşikler-atp vs) ise lipid tabakadan hiç bir şekilde difüze olamaz.
OZMOZ-OZMOTİK BASINÇ Suyun konsantrasyon farkı yönünde hücre membranı üzerinden difüzyonuna ozmoz denir. Su, lipid çift tabakadan veya su kanallarından difüzyonla geçebilir. Hücre içi ve dışı kompartmanlar su içinde çözünmüş partiküllerden oluşur. Kompartmanlarındaki su içinde çözünmüş partiküllerin toplam yoğunluğuna OZMOLARİTE (osmol/l= Osm) denir. Bu kompartmanlarda çözünmüş partikül yoğunluğu (ozmolaritesi) artırıldığında su yoğunluğu azalır (tersi de doğru!)
İki kompartıman seçici geçirgen membranla ile ayrılmış. Membran çözünmüş maddeye geçirgen değil ancak suya geçirgen. Su, kendi yoğunluğunun yüksek ancak ozmolaritenin düşük olduğu kompartımandan, kendi yoğunluğunun düşük ancak ozmolaritenin yüksek olduğu kompartımana ozmoz ile geçiş gösterir. Bir kompartmanın sahip olduğu ozmolarite ile doğru orantılı şekilde suyu kendine doğru çekme gücü o kompartmanın ozmotik basıncını meydana getirir. Kompartmanın çözünmüş partiküllerin toplam sayısı ozmolaritesi ozmotik basıncı
Seçici geçirgen özellikteki membranlar birçok maddenin difüzyonla geçip hücre içi ve dışı yoğunluğunu eşitlemesine izin vermez. Osmoz Oysa su her zaman geçebilir ve yoğunluğunu eşitler! Su ozmolaritenin fazla olduğu tarafa doğru ozmoz ile geçer. Net su difüzyonunu durdurabilecek değerdeki basınca OSMOTİK BASINÇ denir. O kompartımanın ozmolaritesi ile doğru orantılıdır.
Denge halinde ekstra ve intrasellüler sıvının ozmolaritesi eşittir (~290 mosm/l). Bir sıvının ozmolaritesi: 1. 290 mosm ise = Sıvı izotoniktir (%0.9 NaCl) 2. 290 mosm ise = Sıvı hipotoniktir 3. 290 mosm ise = Sıvı hipertoniktir Vücuda tedavi amaçlı sıvı uygulamalarında bu durum göz önünde tutulur!
Vücuttaki Sıvı Kompartmanları Toplam vücut ağırlığının %60 ı su! Vücut sıvılarının (suyun) farklı kompartmanlara dağılımı: 1.Hücre içi (intrasellüler) kompartıman (%40) 2.Hücre dışı (ekstrasellüler) kompartıman (%20): - Hücreler arası (intersitisyel) kompartıman (%15) -Damar içi (intravasküler) kompartıman (%5)
Vücuttaki Sıvı Kompartmanları Bu kompartmanlarda iyonlar ve diğer çözünmüş maddeler değişik konsantrasyonlarda bulunur: Sodyum (Na + ) ve klor (Cl - ) hücre dışında daha yüksektir! Potasyum (K + ) hücre içinde daha yüksektir!
Hücre içi ve dışı kompartımanın su yoğunluğu ve suda çözünmüş madde yoğunluğu (ozmolaritesi ve dolayısıyla ozmotik basıncı) aşağı yukarı eşittir (290 mosm/l). 2 durum suyun ozmozla kompartıman değiştirmesine ve su homeostazının bozulmasına yol açar: 1.Hücre dışı ile içi arasında su yoğunluk dengesinin bozulması. 2.Hücre içi ile dışı arasında suda çözünmüş maddelerin (membrandan geçemeyen) yoğunluk dengesinin bozulması.
Vücutta ekstrasellüler sıvının ozmolaritesindeki değişiklikler hücrelerin büzülmesine veya şişmesine yol açar. Hücre hipertonik ortama konursa hücre dışında ozmolarite ve ozmotik basınç su yoğunluğu hücre içinden dışına su ozmozu gerçekleşir hücre büzülür hücre işlevleri bozulur! Hücre hipotonik ortama konursa hücre dışında ozmolarite ve ozmotik basınç su yoğunluğu dışarıdan hücre içine su ozmozu gerçekleşir hücre şişer hücre işlevleri bozulur!
HEMOLİZ Kırmızı kan hücrelerinin (eritrositler) hipotonik ortamda bulunmaları durumunda hücre içine giren su ile şişerek parçalanmaları.
İYON KANALLARI Sadece iyonlara geçirgendirler. Her iyon kanalı seçici geçirgendir: farklı iyonlara geçirgendir. Çoğunlukla bir iyon kanalının açık ve kapalı konumları bulunur. Kanal açık olduğu zaman iyonlar kanal boşluğundan difüzyonla geçerler.
Bir kanalın açılmasını veya kapanmasını sağlayan 2 önemli uyaran tipi vardır: 1. Kimyasal haberciler (ligandlar: nörotransmitterler): ligand-kapılı iyon kanalları 2. Membran potansiyeli (voltaj): voltaj-kapılı iyon kanalları
GEVŞEK BAĞLANTILAR Yan yana yerleşim gösteren iki hücrenin sitoplazmaları arasında direkt bağlantıyı sağlayan kanallardır. Diğer iyon kanalları ile karşılaştırıldığında daha geniştirler. İyonların ve küçük organik moleküllerin (monosakkaridler, amino asitler, nükleotidler, vitaminler vs) geçişine izin verirler.
Aynı dokuya ait hücrelerde, eş zamanlı olarak, aynı elektrik aktivitenin gelişmesini sağlar. Uyarılabilir hücrelerden kalp kası ve düz kas hücrelerinin membranlarında gevşek bağlantılara sık rastlanır elektrik eşleşme iyonlar (Na +, Ca +2 ) difüzyonla çok hızlı bir şekilde tüm kas hücreleri arasında yayılır aksiyon potansiyeli çok hızlı bir şekilde tüm kas hücreleri arasında yayılır kalp hücrelerinin ve barsak düz kası hücrelerinin kasılımları eş zamanlı hale gelir kalp kasılması (sistol) ve barsak kasılması (peristaltizm) için gerekli güç sağlanır.
SU KANALLARI (AKUAPORİNLER) Tüm hücrelerde var. Böbreklerde toplayıcı (kollektör) tüplerin epitel hücre membranları üzerindeki akuaporinler önemli. Susuz kaldığımız zaman: Hipofizden vazopressin (antidiüretik hormon) salgılanır. Vazopressin toplayıcı tüplerin hücre membranı üzerindeki akuaporin sayısını artırır hücrenin suya geçirgenliği artar su böbrek tüplerindeki idrardan (su yoğunluğu fazladır) tüp hücrelerinin içine (su yoğunluğu düşüktür) ozmoz ile geçer su idrardan geri emilir vücut su kazanır; idrar hacmi azalır!
TAŞIYICI ARACILIĞI İLE OLAN TRANSPORT 1. Kolaylaştırılmış difüzyon 2. Aktif transport: Primer aktif transport Sekonder aktif transport
KOLAYLAŞTIRILMIŞ DİFÜZYON Taşıyıcı protein maddeyi yoğunluğun çok olduğu taraftan az olduğu tarafa doğru taşır. Madde önce membran üzerindeki taşıyıcı proteine bağlanır. Protein şekil değiştirdiğinde madde membranın karşı tarafına açılır ve taşıdığı maddeyi bırakır. Geçiş sırasında ATP (enerji) kullanılmaz. Pasif bir transporttur.
Glukoz ve amino asitler hücrelere kolaylaştırılmış difüzyon yapan bazı glukoz taşıyıcıları (GLUT) ve bazı amino asit taşıyıcıları ile taşınırlar. Vücudumuzda neredeyse tüm hücrelerde bulunuyor. Glukoz ve amino asitlerin kandan vücut hücrelerine girebilmesi için önemli! İnsülin hormonu kan glukozunu azaltıcı etkiye sahiptir: Çünkü GLUT un iskelet kası, kalp kası ve yağ hücrelerinin membranındaki miktarını artırır! Böbrek ve barsak epitel hücrelerinin membranında bulunan GLUT ve amino asit taşıyıcıları glukoz ve amino asitlerin barsaktan veya idrardan kana emilimi için gerekli!
PRİMER AKTİF TRANSPORT Taşıyıcı protein taşınan tüm maddeleri yoğunluğun az olduğu taraftan çok olduğu tarafa taşır. Taşınma için ATP den elde edilen enerjiye gereksinim vardır. Örnek: Na + -K + ATPaz pompası, H + ATPaz pompası, Ca +2 ATPaz pompası
Na + -K + ATPaz (pompası) tüm hücrelerde çok fazla miktarda bulunur. Sürekli olarak 2 K + hücre içine, 3 Na + hücre dışına taşınır. Böylece: 1. Hücre içinde K + ve hücre dışında Na + yoğunluğu yüksek miktarda tutulur. 2. Hücreden net bir (+) yük kaybına neden olur: membranda dinlenim potansiyelinin oluşumu ve aksiyon potansiyelinin devamlılığı sağlanır.
SEKONDER AKTİF TRANSPORT Taşıyıcı protein en az iki maddeyi beraber taşır. Sıklıkla taşınan maddelerden biri Na+ dur. Na+ çok yoğun olduğu taraftan az yoğun olduğu tarafa geçerken ortama bir serbest enerji yayılır. Taşıyıcı bağladığı diğer maddeyi, Na+ geçişinin yarattığı serbest enerji sayesinde, az yoğun olduğu taraftan çok yoğun olduğu tarafa geçirir.
Örnekler: Na + bağımlı glukoz taşıyıcısı (SGLT): Sadece böbrek ve barsak epitel hücrelerinin membranında bulur. Böbrek ve barsak epitel hücrelerinin membranında bulunur. Sadece glukozun barsaktan veya idrardan kana emiliminde görevli! Na + bağımlı amino asit taşıyıcısı: tüm vücut hücrelerinde bulunabilir. Kan ve hücre arası amino asit taşınmasında önemli. Ayrıca amino asitlerin barsaktan veya idrardan kana emilimi için gerekli!
MEMBRANDA DİĞER MADDE TAŞINMA YOLLARI Taşınacak madde çok büyük olduğu zaman hücre 2 yol ile taşımayı gerçekleştirir: ENDOSİTOZ EKZOSİTOZ
ENDOSİTOZ 1. Plazma membranında çukurlaşma 2. Endositik vezikül tomurcuklanması 3. Vezikülün kopuşu
ENDOSİTOZ TİPLERİ I. FAGOSİTOZ II. PİNOSİTOZ III. RESEPTÖR ARACILI ENDOSİTOZ
FAGOSİTOZ Çok büyük partiküller [mikroorganizmalar (virüs, bakteri), ölü hücreler, hücre artıkları, yabancı cisimler v.b.) plazma membranından ileriye doğru uzayan pseudopodlar tarafından çevrilerek hapsedilir fagozom (>250 nm çap) içinde hücreye alınır lizozomla birleşir fagozom içeriği sindirilir. Özelleşmiş bir fonksiyondur fagositer hücreler nötrofil, makrofaj
PİNOSİTOZ Su ve su içinde çözünmüş maddeler pinositik veziküllere (~100 nm çap) hapsedilerek hücre içine alınır. Tüm hücreler sürekli pinositoz yapar.
RESEPTÖR ARACILI ENDOSİTOZ Sadece belirli makromoleküller bu yol ile taşınır. Taşınacak makromolekül kendine özgü membran reseptörüne bağlanır. Makromolekül reseptöre bağlanır makromolekül bağlı reseptörler membran çukurlarında kümelenir endositik vezikül oluşur hücre içine ilerler. Kanda besin kökenli maddeleri taşıyan proteinler bu yolla hücrelerin içine taşınır: - LDL (kolesterol taşır) - Transferrin (demir taşır) - Transkobalamin II (B12 vitamini taşır)
EKZOSİTOZ
EKZOSİTOZ Nöronlarda nörotransmitterler, endokrin (iç salgı) bez hücrelerinde hormonlar ve ekzokrin (dış salgı) bez hücrelerinde sindirim enzimleri ve ter ekzositoz ile hücre dışına salgılanır. Salgı salgı vezikülleri içinde önce depo edilir. Daha sonra hücre kimyasal habercilerle (hormon, nörotransmitter gibi) tetiklendiği zaman salgılama gerçekleşir.