Hücre Zarında Madde Taşınması Prof. Dr Hücre Zarında Madde Taşınması Prof. Dr. Davut Alptekin Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalı

HÜCRE ZARI OLAYLARI Hücreye gerekli organik ve inorganik madde ve iyonlar sürekli olarak hücre zarında ekstrasellüler matriksden sitosole veya sitosolden ektrasellüler matrikse girer çıkar. Hücre organellerinde de aynı durum söz konusudur. Organel içerisinden sitosole veya tersi yine zar üzerinden gerçekleşir. Her türlü madde girip çıkamaz. Maddelerin girip çıkması için zar üzerinde özelleşmiş sistemler mevcuttur. Hücre zarı seçici geçirgen (semipermeabl) özelliğe sahiptir.

Hücre zarından Örn. Şekerler, amino asitler hücre içerisine girerken, metabolizma sonucu oluşan artık ürünler hücre dışına çıkarlar. Hücre zarında kural olarak ör. O2, CO2, N gibi küçük apolar moleküller, kısmen polar fakat su, gliserol, üre, etanol gibi nötr moleküller hücre zarından kolayca geçerler. Glukoz, Sukroz gibi büyük moleküller ve Na+, K+, Ca+2 ve Cl- iyonları zardan geçemez. Bunlar, özelleşmiş taşıyıcı proteinlere veya iyon kanalları vasıtası ile geçerler. Çok daha büyük moleküller ise pinositoz veya fagositoz aracılığı ile hücre içerisine alınırlar.

KÜÇÜK MOLEKÜLLERİN HÜCRE İÇERİSİNE ALINMASI 1. Basit Difüzyon Moleküller termal hareket adı verilen kinetik enerjiye sahiptirler. Moleküllerin (katı, sıvı, gaz) dışarıdan enerji almadan kinetik enerjileri ile bulundukları ortamda yayılması olayına difüzyon adı verilir. Her molekül gelişigüzel hareket etmekle birlikte, molekül populasyonu belirli bir yöne doğruda hareket edebilir. Örn. Saf su ile boyalı suyu yanlardan birleştirirsek boyalı su saf su tarafına geçer. Sonuçta her iki tarafta boya molekülleri eşit olunca dinamik denge oluşur.

Difüzyon Deneyi

Basit Difüzyon, Zardaki Lipit’in Geçirgenliği Basit difüzyonda zar proteinleri işe karışmaz. CO2 ve O2 gibi gazlar, benzen gibi hidrofobik (yağda eriyen) moleküller, su ve etanol gibi polar ancak yüksüz moleküller zardan kolayca geçerler. Buna karşılık hidrofilik özellikteki iyonlar ve polar moleküllerin geçişi zarın hidrofobik kısımları tarafından engellenir. Sudan daha büyük olan Glikoz ve diğer şekerlerde geçemezler. Bu nedenle çift tabakalı lipit zarın seçici geçirgenliğinden kısmen sorumludur. Ancak zar içerisine yerleşmiş olan proteinler madde taşınmasının düzenlenmesinde baş rol oynar.

Ozmoz Yarı geçirgen bir zardan su moleküllerinin çok yoğundan az yoğuna doğru geçmesi olayıdır. (Ör. Bağırsak deneyi) Hipotonik: Saf su, izotonik veya hipertonik suya göre hipotoniktir. İzotonik: %0,9’luk tuz çözeltisine eşittir. Hipertonik: Tuzlu veya şekerli su saf suya göre hipertoniktir.

Ozmoz ve Hücre Hücreler daima değişik ozmotik koşullar altındadır ve çoğu belli ozmotik koşullar altında yaşamaya uyum sağlamıştır (Ör. Asidik ve bazik olan değişik besinler ile besleniriz ama mide hücrelerimiz yaşamaya devam eder). Canlı hücreler her zaman ya su kaybeder yada su alır. Bu iki durum ile her zaman karşı karşıyadır. Bitki hücrelerinde hücre duvarında bulunan mumsu madde suyun giriş çıkışını kontrol altında tutar. Sitoplazmanın su oranı belli seviyede kalır. Tonositeyi ayarlar.

Tonosite; erimiş maddelerin iki sıvı ortam arasındaki göreceli yoğunluğuna denir. Su moleküllerinin hareketi hipotonik ortamdan hipertonik ortama doğrudur. Bitki hücrelerinde tonositeyi hücre duvarı kontrol altında tutar. Bitki hücreleri topraktaki suya göre hipotoniktir. Bu nedenle bitkiler sürekli su emerler. Bitki hücrelerinde de su biriktikçe hücre çeperine doğru sürekli Turgor Basıncı yaparlar. Dış ortam ile iç ortam arasındaki basınç eşit olunca hücre normal şeklini korur ve otsu bitkiler dik durur.

2-Pasif Taşınma (Kolaylaştırılmış Difüzyon) Hücre zarları, su dahil olmak üzere özgül iyonları ve polar molekülleri enerji harcamadan hücre içerisine taşırlar. Geçiş ya konsantrasyon gradiyentine ya da polar molekül ve iyonların zarın iki tarafındaki elektrik yüküne (Elektriksel gradiyentine) göre olur. Bu ikisine birden Elektrokimyasal gradiyent denir. Hidrofilik bileşikler taşıyıcı proteinlerin içerisinden lipitlerle temas etmeden zarı kat ederler. Karbonhidratlar, Amino asitler, nükleositler ve iyonlar buradan geçer.

Zardan geçiş Kanal Proteinleri ve Permeaz denilen taşıyıcı proteinler ile enerji kullanılmadan olur. Zar proteinleri bir veya iki molekülü farklı yönlü taşıyabilir. Uniport Taşıyıcı: Bazı proteinler tek bir protein veya iyonun zardan iki yöne geçmesini sağlar. Simport Taşıyıcı: İki molekülü veya iyonu eş zamanlı olarak aynı yöne taşır. Antiport Taşıyıcı: İki molekülü veya iyonu eş zamanlı olarak farklı yönde taşır.

Kanal Proteinleri İle Pasif Difüzyon Kolaylaştırılmış difüzyonda kanal proteinleri belli büyüklükte ve yüklü maddelerin fosfolipit tabakasını geçebileceği hidrofilik porlar oluşturur. Ör. Bakterilerde porinler küçük moleküllere tamamen geçirgendir. Hayvan hücrelerinde Aquaporinler suyun difüzyonuna uygun proteinlerdir. Hücreler arasında bağlantı oluşturan gap junction ile hücrelerden maddeler birbirine geçer. Çoğu hücrelerde (sinir ve kas hücreleri) dar, seçici ve inorganik iyonların geçişine izin veren iyon kanalları vardır. İyon kanallarının Özelliği: Her kanal belli iyona özgüdür. Geçiş taşıyıcı proteine göre 1000 kez daha hızlıdır. Her zaman açık değildir.

Kanal Proteinleri ile Pasif Difüzyon

İyon kanalları; yapı ve işleyişine göre 3 çeşittir. 1-Ligant Kapılı İyon Kanalları: Nörotransmiter veya başka bir sinyal molekülünün bağlanması ile açılır. Na+,K+,Cl- gibi iyonları belirli ligantlar ile geçirir. Ör. Asetilkolin; postsinaptik sinir uçlarında iyon kanallarının ligant kapılarına bağlanarak Na+ ve K+ geçişini sağlar.

2-Voltaj Kapılı İyon Kanalları: Bu iyon kanalları plazma zarının iki tarafındaki elektrik potansiyelinin değişimine bağlı olarak açılır. Na+, K+, Ca+2 ve Cl- iyonları yoğun olduğu yerden zarın diğer tarafına bu kanallardan enerji harcamadan geçer.

3- Mekanik kapılı kanallar: Mekanik bir uyarı ile açılan kanallardır 3- Mekanik kapılı kanallar: Mekanik bir uyarı ile açılan kanallardır. Gerilim ve basınca duyarlıdır. Hücre iskeletinin gerilmesi ile açılır.

Taşıyıcı Proteinler (Permeaz) ile Kolaylaştırılmış Difüzyon Burada da moleküller çok yoğun olduğu taraftan daha az yoğun olduğu tarafa doğru enerji harcamadan geçer. Taşınacak moleküller zarın bir tarafından taşıyıcı proteinlere bağlanır. Proteinin konformasyonel yapısını değiştirerek zarın diğer tarafına geçer. Ör. Şekerler, amino asitler, nükleositler bu yolla geçerler. Moleküller iki yöne doğru geçebilir. Ancak geçiş daha çok çok yoğundan az yoğuna doğrudur.

Taşıyıcı Proteinler ile Kolaylaştırılmış Difüzyon

Glikoz taşıyıcı proteinler; tüm zar proteinlerinin %5’ini oluşturan 55 kD ağırlığındaki taşıyıcı bir proteindir. 12 transmembran alfa heliks yapısı mevcuttur. Hidrofobik iç kısımlarda polar amino asitler vardır. Bunlar glikozun geçmesini sağlar.

Taşıyıcı proteinler taşıdığı bileşiklere özgüdür Taşıyıcı proteinler taşıdığı bileşiklere özgüdür. Sadece belirli bir bileşiği yada buna benzer bileşiği taşır. Örn. Karaciğer hücrelerinden Glikoz özel taşıyıcı proteinler aracılığı ile rahatça geçerken bunun izomeri olan Fruktozun geçişine izin vermez. Zarın seçici geçirgenliği hem lipit hem de zardaki proteinlere bağlıdır. Ancak zardaki trafiğin yönü hangi tarafadır? Bu yön pasif ve aktif transportla belirlenir.

Taşıyıcı proteinlerin hepsi kanal proteini değildir Taşıyıcı proteinlerin hepsi kanal proteini değildir. Bir çok taşıyıcı protein çözünen maddenin taşınması için şekil değişikliğine uğrar. Bu değişiklikle taşınan molekül kanal proteinine bağlanır ve serbest hale geçer. Bazı kalıtsal hastalıklarda özgül taşıma sistemleri ya hatalı yada tümüyle eksiktir. İnsanlarda görülen Sistinuria da böbrek hücrelerinde sistein ve diğer amino asitleri taşıyan protein yoktur. Böbrek hücreleri bu amino asitleri süzülen idrardan geri emer ve kana verir. Ancak Sistinuria da bu amino asitler böbreklerde birikip kristalleşerek taş oluşumuna neden olur.

Hücre Zarında Pasif ve Aktif Taşıma

3-Aktif Taşınma Bazı taşıyıcı proteinler çözüneni konsantrasyon gradientinin tersi yönünde hareket ettirebilirler. Yani çözünen madde az olduğu taraftan çok olduğu tarafa doğru taşınırlar. Bu molekülleri konsantrasyon gradientinin zıt yönünde zardan pompalamak için hücrenin kendi metabolik enerjisini harcaması gerekir. Bu tip zar trafiğine aktif taşıma adı verilir. Hücre bazen gerekenden fazla maddeyi enerji harcayarak dışarı atar veya gerekli maddeleri enerji harcayarak hücre içerisine alır. Şekerler, amino asitler hücreye bu yolla girerler. Ancak vitaminler, büyüme hormonları, insülin, androjenler amino asitlerin taşınmasını hızlandırırlar.

Aktif taşıma; hücrenin kendi içerisindeki küçük moleküllerin yoğunluğunu sabit tutma yeteneğindeki temel etmendir. Bu küçük moleküller hücrenin içerisinde ve dışında farklı yoğunluktadır. Örn. Bir hayvan hücresi daha yüksek yoğunlukta K+ içerirken Na+ iyonunu hücre içerisinde düşük yoğunlukta tutar. Plazma zarı bu gradientleri sabit tutabilmek için Na+ dışarı K+ ise içeri doğru pompalanır. Bu nedenle taşıyıcı proteinlerde taşınacak maddeye özgü özel bağlanma bölgeleri vardır. Buralara bağlanan molekül hem enerji kullanımı ile hem de proteinde oluşturduğu şekil değişikliği ile karşı tarafa taşınır.

A) ATP Bağımlı Aktif Taşınma (Birincil Aktif Taşınma) ATP enerjisi ile iyon gradienti oluşturan iyon pompaları bu taşıma şeklindedir. Gerekli enerji ATP’nin ADP’ye dönüşümü ile açığa çıkan inorganik fosfat (Pi) taşıyıcı proteine bağlanır ve proteinin konformasyon değiştirerek iyonların taşınmasını sağlar. Sodyum-Potasyum pompası, Kalsiyum pompası, Proton pompası örnek olarak verilebilir.

1) Sodyum-Potasyum (Na+-K+ATPaz) Pompası

Sodyum hücre dışında içine oranla 10-15 kat daha fazla bulunur Sodyum hücre dışında içine oranla 10-15 kat daha fazla bulunur. Potasyum yoğunluğu ise hücre içerisinde 30-35 kat daha fazladır. Buna rağmen sodyum-potasyum pompası ATP enerjisi ile bu iyon dengesini ayarlar. Sodyum-potasyum pompası hayvan hücrelerinde en aktif ve en yaygın iyon pompası olup hücrelerde harcanan ATP enerjisinin %25-30’unu buralarda harcar.

Sodyumun hücre dışında artması pasif difüzyon ile Na+ geçişini sağlayan iyon kanallarını açar. Bu kanallardan da Na+ ile birlikte başka iyonlar da hücre içerisine girer. Ayrıca Sodyum-potasyum pompası hücrede ozmotik dengeyi ve hücre hacmini ayarlar. Hücre içerisinde makromoleküller, amino asitler, sekerler vb bulunur ve yoğundur. Bu durumda hücre içerisine çok fazla su girerek hücre patlayabilir. Ancak sodyum-potasyum pompası ile hücre dışında Na+ yoğunluğu artırılarak ozmotik denge sağlanır.

2) Kalsiyum (Ca+2ATPaz) Pompası Kalsiyum ekstrasellüler sıvıda hücre içerisine göre daha yüksektir. Dengenin korunması için hücre içerisine giren fazla kalsiyum iyonları kalsiyum pompası ile dışarı atılır. Kalsiyum pompası; kas ve sinir hücrelerinde kasılma ve uyarının iletilmesinde önemli rol oynar. Sinir hücreleri içerisine giren Ca+2 iyonları nörotransmiter veziküllerin hücre zarına gelmesini ve salgılanmasını sağlar. Bu da diğer hücrelerin uyarılmasını ve impulsun iletimini sağlar.

Kas hücrelerinde ise dinlenme anında hücre içerisine pompalanarak Sarkoplazmik Retikulum’da depolanır. Kasılma anında SR’dan serbest bırakılarak hücre zarının elektriksel yükünü değiştirir ve kasılmayı gerçekleştirir.

3) Hidrojen (Proton) (H+ATPaz) Pompası Proton pompası ile H+ iyonları aktif olarak hücre dışına pompalanır. H+ iyonlarının hücre dışına pompalanması dışa pozitif yük aktarır. H+ iyonlarının lizozom ve endozomlar içerisinde yoğunlaşması bu organellerin zarında bulunan proton pompası ile sağlanır. Mitokondri ve Plastitlerin zarında özel proton pompaları vardır. Bu pompalar H+ iyonlarını iki zar arasına pompalar. Yani elektron transfer zinciri ile iki zar arasında H+ iyonlarının yoğunluğu artar. Sonra H+ iyonları ATP sentaz ile çok yoğundan az yoğuna doğru geri organel içerisine doğru elektrogradiyent yönünde pompalanır. Bu esnada açığa çıkan fazla enerji ATP sentezini yapar.

Hücre Zarından İyon Taşınması

Hayvan hücrelerinde midenin asidik ortamı proton pompaları ile sağlanır. Midenin asidik olması pepsinin aktivasyonu için gereklidir. Bu nedenle mide yüzeyinde bulunan parietal hücreleri HCl salgılayarak midenin içerisinin asidik olmasını sağlar. Parietal hücreler içerisinde yine CO2 ve H2O’yun reaksiyonu ile H+ oluşur. Oluşan H+’nu H+-K+ATPaz pompası ile mide boşluğuna pompalanır. Her pompada lümene 2 H+ geçerken hücre içerisine bir K+ girer. Böylece mide sıvısında HCl oluşarak ortamın asidik olması sağlanır.

B) İyon Gradiyentine Bağlı Aktif Taşınma (İkincil Aktif Taşınma) Bazı moleküller ve iyonlar az yoğun olduğu ortamdan daha yoğun olduğu tarafa ATP enerjisi kullanmadan başka bir molekülün iyon gradiyentine bağlı olarak aktarılırlar. Ör. Na+-K+ Pompası ile oluşan gradiyent enerjisi şeker, amino asitler ve iyonların taşınmasında kullanılır.

Bağırsak epitel hücrelerinde görülen bir taşıma şeklidir Bağırsak epitel hücrelerinde görülen bir taşıma şeklidir. Bağırsak lümeninden şeker ve amino asitler aktif taşınma ile alınırlar. Na+ gradiyenti bağırsak lümeninde fazladır. Hücre içerisine geçmesi gerekir. Burada iki Na+ iyonu ile birlikte bir molekül glikoz hücre içerisine Na+-Glikoz Simportu (birlikte taşıma) ile taşınır. Na+ yoğunluğundan oluşan elektrokimyasal gradiyent glikoz molekülünün az yoğundan çok yoğuna geçmesini sağlar. ATP enerjisine gerek duymadan madde veya iyon gradiyentine bağlı olarak oluşan bu taşıma şekline ikincil aktif taşınma denir.

İkincil Aktif Taşınma (Na+-Glikoz Simportu)

İyon gradiyentine bağlı aktif taşınma antiport (farklı yöne taşıma) şeklinde de olabilir. Ör. Ca+2 hücreden dışarıya kalsiyum pompası ile taşındığı gibi Na+-Ca+2 antiport sistemi ile de taşınır. Kalp kası hücrelerinde sodyum potasyum pompası ile Na+ dışarı, K+ içeri pompalanır. Dışarıda artan Na+ ile Na+-Ca+2 antiportu çalışarak bir Na+ içeri girerken iki Ca+2 dışarı çıkarılır. Metabolizma sonucunda hücrelerde biriken H+ iyonlarıda aynı sistem ile hücre dışına atılarak hücrenin pH’sını ayarlar.

İkincil Aktif Taşınma (Na+-Ca+2 ve Na+-H+ Antiportu)