Hücre Zarı PDF

HÜCRE ZARI Doç. Dr. Aylin KANLI 1 Öğrenim Hedeflerimiz:  Hücre zarının;  Görevleri  Yapısı  Temel komponentleri ve zar yapılanmasındaki fonksiyonları  Temel komponentlerindeki kusurların sonuçları Kaynak Kitap:  Hücre: Moleküler Yaklaşım (Çeviri Editörü: Ersan Kalay...

HÜCRE ZARI Doç. Dr. Aylin KANLI 1 Öğrenim Hedeflerimiz:  Hücre zarının;  Görevleri  Yapısı  Temel komponentleri ve zar yapılanmasındaki fonksiyonları  Temel komponentlerindeki kusurların sonuçları Kaynak Kitap:  Hücre: Moleküler Yaklaşım (Çeviri Editörü: Ersan Kalay , Melek Öztürk , Neşe Atabey (The Cell: A Molecular Approach, Ed: Geoffrey M. Cooper) 2 Hücre zarı ya da hücre membranı, hücrenin dış kısmında bulunan, molekülleri özelliklerine göre hücre içine alan veya dışarı bırakan seçici geçirgen katmandır. 3  Hücre zarının (membranının) görevleri nelerdir? 1- Hücre sınırının belirlenmesi ve geçirgen bariyer (permeability barier) oluşturması 2- Kompartmentalizasyon (hücre içinin bölmelere ayrılması), Organizasyon ve Fonksiyonun Lokalizasyonu 3- Transportun Regülasyonu (İletimin düzenlenmesi) 4- Sinyallerin algılanması ve iletilmesi 5- Hücre-hücre iletişimi 4 1- Hücre sınırının belirlenmesi ve geçirgen bariyer (permeability barier)  Hücre zarı bir hücrenin sınırını belirler.  Hücre içini çevresinden ayırır.  İstenen maddelerin hücre içine girerken istenmeyen maddelerin geçişi engellenir. Hidrofilik moleküller ve iyonlar için bariyer oluşturur. 5 2- Kompartmentalizasyon (hücre içinin bölmelere ayrılması) Organizasyon ve Fonksiyonun Lokalizasyonu  Hücre içi zar sistemi hücre içindeki bölmelerin de sınırlarını belirler. Mebranlar ve membranöz bölmeler spesifik fonksiyonlara sahiptir. Örn: Membranlarda spesifik enzimler, transport proteinleri, pigmentler ve diğer ilişkili proteinler.  Aerobik solunum için gerekli enzimleri, substratları ve diğer molekülleri içeren MİTOKONDRİLER. (Mitokondrinin iç membranı)  Fotosentez için gerekli enzimler, pigmentleri ve aracıları içeren KLOROPLASTLAR. (kloroplastın tilakoid membranı) 6 2- Kompartmentalizasyon (hücre içinin bölmelere ayrılması) Organizasyon ve Fonksiyonun Lokalizasyonu  Endoplasmik Retikulum, Golgi kompleksi, lizozomlar ve peroksizomlar gibi organellerin içinde veya üzerindeki enzimler, organel izolasyonunda belirteç (marker) olarak kullanılır. Örn: Lizozomlar asit fosfataz enzimi içeren tek organeldir. Bu özelliği sayesinde diğer hücre bölmelerinden kolaylıkla ayrılırlar. 7  3- Transportun Regülasyonu (İletimin düzenlenmesi)  Zarlar, hem hücre içine ve dışına hem de organel içine ve dışına bileşiklerin taşınmasını sağlar ve bu taşınmayı kontrol eder. Besinler, iyonlar, gazlar, su ve diğer bileşikler hücre içine alınırken, Çeşitli ürünler ve atıklar hücre dışına çıkarılır. 8 3- Transportun Regülasyonu (İletimin düzenlenmesi)  Biyolojik zarlar küçük moleküllere seçici geçirgendir. Sadece! Fosfolipid çift tabaka 9  3- Transportun Regülasyonu (İletimin düzenlenmesi) Hücre ve organellerin içine ve dışına bu moleküllerin taşınmasında farklı taşınma yöntemleri kullanılır. 1- Pasif Taşınma - Basit (pasif) difüzyon a- Kanal proteinleri ile - Kolaylaştırılmış difüzyon b- Taşıyıcı proteinler ile 2- Aktif Taşınma ATP 10  3- Transportun Regülasyonu (İletimin düzenlenmesi) Pasif Taşınma Yüksüz iyonlar gibi bazı bileşikler konsantrasyon gradienti sayesinde taşınırlar. Bu tip taşınmaya Pasif Transport denir, enerji gerektirmez. İki şekilde pasif transport gerçekleşir. 1- Basit (pasif) difüzyon 2- Kolaylaştırılmış difüzyon 1. Basit difüzyon Yüksek gradient yönünden Düşük gradient yönüne O₂, CO₂ gibi gaz moleküller Su, Etanol, Gliserol ve Kolesterol gibi non-polar moleküller 11 3- Transportun Regülasyonu (İletimin düzenlenmesi) 2. Proteinler Aracılığı ile Kolaylaştırılmış Difüzyon Şeker ve amino asitler gibi polar moleküller, yüklü iyonlar. a- Kanal proteinleri b- Taşıyıcı proteinler a- Kanal proteinleri Yüksek gradient yönünden Düşük gradient yönüne  Zar boyunca açık geçitler oluşturur.  Uygun büyüklükte ve yükteki herhangi bir molekülün serbest difüzyon ile geçmesine olanak verir.  Örneğin iyon kanalları Na+, K+, Ca2+ ve CI- gibi inorganik iyonların plazma zarından geçmesine izin verir.  Bu geçitler sürekli açık değildir. Hücre dışı sinyallere bağlı olarak seçilimle açılır ve kapanırlar.12 3- Transportun Regülasyonu (İletimin düzenlenmesi) 2. Proteinler Aracılığı ile Kolaylaştırılmış Difüzyon a- Kanal proteinleri Aquaporinler, suyun zardan difüzyonunu sağlayan özel kanal proteinleridir. (Peter Agre ve ark. 1992'de kırmızı kan hücrelerinde keşfetmiştir.) Sentetik membranların çok düşük su geçirgenliğine sahipken, modelledikleri hücrelerin çok yüksek su geçirgenliğine sahip olduğunu keşfetmişler. Aquaporinler, üre, amonyak ve alkol gibi moleküllerin su moleküllerinden çok daha yavaş geçmesine izin verir. 13 3- Transportun Regülasyonu (İletimin düzenlenmesi) 2. Proteinler Aracılığı ile Kolaylaştırılmış Difüzyon b- Taşıyıcı proteinler Yüksek gradient yönünden Düşük gradient yönüne  Glukoz gibi küçük molekülleri seçici olarak bağlayarak taşır. Açık kanallar oluşturmaktan ziyade, taşıyıcı enzimler gibi davranarak spesifik moleküllerin zarlardan geçişlerini kolaylaştırır. Konformasyonel değişiklik geçirerek molekülü zarın diğer tarafına geçirirler. 14  3- Transportun Regülasyonu (İletimin düzenlenmesi) Aktif Taşınma  Düşük gradient yönünden Yüksek gradient yönüne bir taşınma  Enerji kaynağı olarak ATP kullanılır.  Pompa denen membrana-bağlı enzim sistemleri ile taşınırlar. ATP’nin hidrolizinden elde edilen enerji, gradient yönü tersinde taşınım için kullanılır. H+ iyonu bağlanması Gradiente ters yönde taşınım Taşıyıcı proteinin Taşıyıcı proteinin fosforillenmesi H+ iyonun serbestleşmesi başlangıç haline dönmesi Konformasyonel değişiklik Bağlı fosfat grubunun hidrolizi 15 Proton pompası, konsantrasyon gradienti ve yük gradientine karşı hareket eden aktif transport gerçekleştirir. Ko-transport gerektiren pompa ile Hidrojen iyonlarının üretimi sonrasında, sukrozun kolaylaştırılmış difüzyonla membranı ko-transportu sağlanır. 16 Na-K Pompası: Kısmen hücre zarı dışında ve içinde oluşan elektrik potansiyeli farkından sorumludur. (Sinir hücrelerinde sinyal iletimi) Elektrik ve kimyasal potansiyel enerjiyi depolamak için 17 3- Transportun Regülasyonu (İletimin düzenlenmesi) Osmosis, su hareketinin özel bir durumudur. Su içerisindeki maddelerin dengesiz olduğu iki ortam arasında, dengeyi sağlayana kadar su molekülleri seçici geçirgen zardan geçiş yapar. Eş yoğun Çok yoğun Az yoğun 18  Çeşitli tıbbi durumlar sebebiyle, insan vücuduna genellikle damar yolu ile sıvı vermek gerekebilir.  Ancak bu verilecek solusyon canlı vücudundaki hücreler ile aynı osmotik basınca sahip olmalıdır.  Serum fizyolojik denilen % 0,9 luk NaCl solüsyonu,  % 5 lik Glikoz solusyonu vücut hücrelerimizle eş yoğunluktaki maddelerdir. 19  3- Transportun Regülasyonu (İletimin düzenlenmesi) Endositoz, membran vezikülleri aracılığı ile daha büyük partiküllerin (proteinler gibi) hücre içine hareketidir. 3 tipi vardır: Fagositoz: Hücrenin besini yemesi Pinositoz: Hücrenin sıvıyı içmesi Reseptör-aracılı endositoz: Hücre membranının dış yüzeyindeki reseptörler belirli moleküllerin bağlanmasına izin verir. Belirli sayıda reseptör dolduğu zaman endositoz gerçekleşir. 20  3- Transportun Regülasyonu (İletimin düzenlenmesi) Eksositoz, membran vezikülleri aracılığı ile hücre dışına daha büyük partiküllerin hareketidir. 21 22  4- Sinyallerin algılanması ve iletilmesi  Hücreler çevrelerindeki elektriksel veya kimyasal sinyalleri, dış yüzeyleri ile algılarlar. Bu tip sinyallere en iyi örnek dolaşım sistemimizdeki çeşitli hormonlardır. -- büyümeyi tetikleyen bileşikler -- nörotransmiterler Bu tip sinyaller hücrede genelde hücre bölünmesi ve farklılaşması gibi olayları başlatırlar. 23  4- Sinyallerin algılanması ve iletilmesi  Hücre membranı, alınan sinyallerin hücre içine iletilmesinde de anahtar rol oynar. - Östrojen gibi bir hormon, hücre içine kolaylıkla girerek hücre içindeki regülatör proteinler ile interaksiyona girer. 24  4- Sinyallerin algılanması ve iletilmesi - Çoğu sinyal molekülü membranı geçemez ve membran üzerindeki spesifik reseptörlere bağlanarak etkisini gösterir. Membran iç yüzeyinde çeşitli kimyasal olayları başlatır. Bu internal sinyallere ikinci mesajcı denir. 25  5- Hücre-hücre iletişimi  Membranlar komşu hücreler arasındaki iletişimi de sağlar.  Çok hücreli organizmaların çoğu hücresi direk sitoplazmik bağlantılar ile iletişime girer.  Hücre-hücre iletişimi hayvan hücrelerinde gup-junctionlar aracılığı ile sağlanır. 26 MEMBRAN MODELİNİN GELİŞİMİ Hücre membranının yapısı 1800’lü yılların sonlarından itibaren deneysel olarak çalışılmış, yıllar içerisinde membran yapısı hakkında daha fazla bilgi edinilmiştir. 1. Overton (1890) = Lipifilik moleküller zardan daha kolay geçer, yani zar Lipid yapıdadır. 2. Langmuir (1917) = Fosfolipidler suyun üzerinde monolayer tabaka oluşturur. 3. Gorter & Grendel (1925) = Fosfolipid çift-tabaka 4. Davidson & Danielli (1935) = Fosfolipid ve protein (sandwich) 5. Robertson (1965) = Elektron mikroskobu, evrensel birim membran yapısının ortaya koydu. 6. Singer & Nicholson (1972) = Sıvı mozaik zar modeli 7. Unwin & Henderson (1975) = İntegral proteinler, lipid çift tabakayı geçen bir veya daha fazla hidrofobik diziye sahiptir. 27 8. Simons & Ikonen (1997) = Lipid raft (Lipid sal)  Membran Modelinin Gelişimi Charles Ernest Overton (1890) “Hücreler bir zarla çevrili olabilir ve seçici geçirgen özellik gösterebilir.” Yağda çözünen bileşiklerin, yağda çözünmeyen bileşiklerden daha kolay membranı geçtiğini gözlemlemiştir. “Membranlar lipidden yapılmıştır” 28  Membran Modelinin Gelişimi I. Langmuir (1917) Benzen içerisinde çözünmüş fosfolipidleri suya ekleyerek yapay zarlar yaptı. Benzen buharlaştığında, fosfolipidlerin su üzerinde ince bir film halinde tabaka oluşturduğunu gördü. Fosfolipidlerin amfipatik özellikte olduğunu buldu. 29  Membran Modelinin Gelişimi E. Gorter & F. Grendel (1925) İnsan eritrositlerinden lipidleri izole ettiler ve ılık su yüzeyinde yüzdürdüler. Zarların fosfolipid içeriğini ölçtüler. Hücreleri iki tabaka halinde kaplamaya yetecek miktarda lipid buldular. Membranın iki tabakalı fosfolipid yapıda olduğu sonucuna vardılar. Polar fosfor baş Nonpolar yağ asidi kısımları su ile kuyrukları ise sudan etkileşimde kaçar (hidrofobik) (hidrofilik) 30  Membran Modelinin Gelişimi H. Davson & J.F. Danielli (1935) Deneyler göstermiştir ki gerçek zarlar, yapay olanlarından suya karşı daha dirençlidir. Hücre zarı yapısı için iki hidrofilik globüler protein tabakası arasında yer alan çift tabakalı fosfolipid şeklindeki sandviç modelini önerdiler. 31  Membran Modelinin Gelişimi J.D. Robertson (1965)  Elektron mikroskobu evrensel birim (unit) membran yapısını ortaya koydu.  Trenyolu parçası yapıda bir boyanma. İki koyu çizginin boyanmayan bir boşluk ile ayrıldığını göstermiştir.  Hücredeki membranlar, yüzeye bağlı fonksiyonel proteinleri olan devamlı bir lipid çift tabaka olarak kabul edildi. Unit membran Hücre zarı Organel zarı 32  Membran Modelinin Gelişimi S. J. Singer & G. Nicolson (1972) Davson ve Danielli modelini gözden geçirerek “Sıvı mozaik zar modeli” (akıcı mozaik model) ni önerdiler. * Proteinler, fosfolipid çift-tabaka (bilayer) boyunca ve zar arasında dağılım göstermektedir. Membran proteinleri, bir lipit denizinde yüzen buzdağları olarak görülür. Günümüzde hala kabul gören zar modelidir. 33  Membran Modelinin Gelişimi N. Unwin & R. Henderson (1975) İntegral proteinler, lipid çift tabakayı geçen bir veya daha fazla hidrofobik diziler serisi içermektedir. Örn. Bakteriorodopsin, lipid çift tabakayı ileri-geri yedi kez geçen katlanmış tek polipeptid zinciri içerir. Bacteriorhodopsin, halobakteriler olarak bilinen archea türlerinde, kimyasal enerji yoluyla basit bir fotosentez sisteminin temelini oluşturur. Bakteriorodopsin, omurgalı retinasında bulunan ışığa-duyarlı pigment rodopsine kimyasal olarak çok benzer. 34  Membran Modelinin Gelişimi Simons & Ikonen (1997) Plazma membranı rastgele bir lipid okyanusu değildir. İkili tabakada proteinlerin dağılımı üzerine organizasyonu dayatan yapı vardır. Lipid sallar yüksek konsantrasyonlarda kolesterol + glikosifingolipid + protein reseptörler içeren plazma membranının alt-bölgeleridir. “Glikoprotein lipid mikrodomainler = Lipid Rafts” Dinamik Lipid + Protein Toplulukları * Hücresel membranlarda serbestçe yüzebilirler. * Aktif hale geldiklerinde daha büyük sallar oluşturmak için bir araya gelebilirler. https://www.youtube.com/watch?time_continue=5&v=Vy1_nJ2nmmo 35  Fosfolipitlerin yağ asidi yan zincirleri, Kolesterolün varlığından dolayı, çevre zardakilere göre daha fazla çevreleyen plazma membranından doymuş olma eğilimindedir. Daha sıkı daha az akışkanlık sergiler ve paketlenme sonucu faz ayrılmasına likit-düzenli alan (domeyn) sebep olur. oluşturur. Noniyonik deterjanlarda (tween-20 gibi) çözünmezler. PC, phosphatidylcholine; SPM, sphingomyelin, Lipid salları hücre zarındaki PE, phosphatidylethanolamine; Chol, cholesterol; PS, phosphatidylserine; kolesterol açısından zengin Gang, gangliosides. PI, phosphatidylinositol, mikro bölgelerdir. 36 Lipid sal konsepti, epitel hücrelerinin glikolipid açısından zengin apikal membranının oluşumunu açıklamak için başlatılmıştır (Simons ve Van Meer, 1988). Hipotez olgunlaşmış ve daha sonra sadece Golgi sonrası trafik işlemlerinde değil aynı zamanda endositoz, sinyal iletimi ve diğer birçok membran işlevinde de işlev gören bir membran alt bölümlendirme ilkesi olarak genelleştirilmiştir (Simon ve Ikonen 1997). 37   Membran akışkanlığını Lipid sallar  Membran protein trafiğini  Nörotransmisyon ve reseptör trafiğini düzenler. Kümelenme öncesi Lipid sallar (kırmızı). Dimerize edici bir proteinin (yeşil) transmembran sal proteinine bağlanması ve kümelenmeyi indüklemesi. Lipid sal kümesinin kaynaşması ve bu alanın büyümesi ile zarda tomurcuklanma. Zar bileşenlerini içeren transport vezikülün, zar bağlantı noktasında sıkılması. Ek proteinler tomurcuklanmayı kolaylaştırır ve düzenler. 38  HÜCRESEL ZARLAR  Sıvı Mozaik Model, bugün evrensel olarak kabul gören hücre membran yapısıdır.  Membranların 3 temel komponenti vardır:  Lipidler; membranların ana komponentidir. (Fosfolipidler ve Kolesterol)  Proteinler; yapısal bütünlüğün sağlanması, membranlar boyunca materyallerin akışını ve organizasyonunu kontrol etmeye yardımcı.  Şekerler (Karbohidratlar); çift tabakanın sadece dış yüzünde bulunurlar. Bazı lipid ve proteinlere kovalent bağlarla bağlanırlar (Glikolipid ve Glikoprotein). 39  ZAR LİPİDLERİ  Biyolojik zarlarda 3 tip lipid bulunur: Fosfolipidler > Glikolipidler Steroller > %50 %2 < %48 40 Fosfolipidler: Hücre membranlarının temel yapı taşıdır ve en bol bulanan lipid tipidir. Gliserol ve bir fosfat grubuna bağlı iki yağ asidi zincirinden oluşurlar. Gliserol içerdikleri için gliserofosfolipidler de denir.  Amfipatik özelliktedirler dolayısıyla sulu ortamda kendiliğinden çift-tabaka oluştururlar.  İki sulu bölüm arasında kararlı bir bariyer oluştururlar. Biyolojik zarların temel yapısını simgeler. 41  Serin Fosfatidil serin Fosfolipidlerin yapısı Etanolamin Fosfatidilatanolamin Kolin Hidrofilik baş Fosfat Hidrofobik kuyruk AMFİPATİK Gliserol Hidrofobik kuyruk (İki yağ asidi zinciri) Çift bağ bükülmeye (kink) neden olur. Phosphatidylcholine 42 43 Glikolipidler Glikolipidler ya gliserol yada sfingozin içerebilirler. Fosfolipidlerde bulunan fosfat baş yerinde her zaman glukoz gibi bir şeker bulunur. Hücre zarının dış membranında bulunurlar. 44 Steroller Steroller, hidrofobik kısımlarında halkalı yapı içerirler. Örn: Kolesterol, Ergosterol ve Fitosterol Hayvan (tipik olarak kolesterol) ve bitki (başlıca stigmasterol) membranlarında önemli bir komponenttir. Steroller, bakteriyal membranlarda, mitokondri ve kloroplastın iç membranında bulunmaz. 45 Kolesterol, Fosfolipid ve glikolipidlerden farklı bir yapıya sahiptir. Bir hidroksil (OH) grup (hidrofilik baş bölge) Dört halkalı steroid yapı Kısa hidrokarbon yan zincir 46 Lipidler, çoğu hücre zarı kütlesinin ortalama %50’sini oluşturur. Ancak bu oran zarın türüne göre değişir. Plazma zarı %50 Lipid %50 protein Mitokondri iç zarı %25 Lipid %75 protein (elektron taşıma ve oksidatif fosforilasyon) E.coli’de Fosfatidiletanolamin %80 Memelilerde Fosfatidilkolin, fosfatidilserin, fosfatidiletanolamin ve sfingomiyelin %50-60 Glikolipidler ve Kolesterol %40 47  MEMBRAN PROTEİNLERİ Zarla ilişkilerine göre 2 temel gruba ayrılırlar: 1- Periferal zar proteinleri (Zayıf elektrostatik güçler ile) 2- İntegral zar proteinleri (Membran boyunca geçiş yapar)  Lipide çapalanmış (anchored) periferal proteinler (Kovalent bağlarla) 48  1- Periferal zar proteinleri  Lipid çift-tabakanın içine gömülmezler.  Zara bağlanmaları;  İntegral zar proteinlerine bağlanarak,  Lipidlere kovalent olarak bağlanarak,  Hücre yüzeyinde, karboksi (C) uçları ile glikolipidlere bağlanarak 49  1- Periferal zar proteinleri Lipide çapalanmış (anchored) periferal proteinler Belirli lipid modifikasyonları, proteinlerin zarın sitozolik yüzüne veya dış yüzüne bağlanmasını sağlar. Hücre zarının sitozolik yüzüne Hücre zarının dış yüzüne  Proteinin N ucuna;  Proteinlerin C-ucu ile 14 C’lu yağ asidinin (Miristik asit) Glikolipidlerin bağlanması ile bağlanması. zarın dış yüzüne bağlanır.  Proteindeki Sistein birimlerinin yan zincirlerine; 16 C’lu yağ asidinin (Palmitik asit) bağlanması 15-20 C’lu Prenil gruplarının bağlanması 50 2- İntegral zar proteinleri (Transmembran proteinler) Lipid çift tabaka içine gömülüdürler. Lipid çift-tabaka boyunca uzanırlar. Zarın her iki yüzünde de bölümleri vardır. Fosfolipidler gibi amfipatik moleküllerdir. Hidrofilik kısımları zarın her iki yüzeyindeki sulu ortamla iç içedir. 51 2- İntegral zar proteinleri (Transmembran proteinler) α-sarmal: Zarın içinde uzanan 20-25 non-polar aminoasit içeren bölgelerdir. Bu a.a.’lerin yan zincirleri, zar lipidlerinin yağ asidi zincirleri ile etkileşime girer ve α-sarmalın oluşması peptid bağlarının polar karakterini nötralize eder. Tek geçişli veya birden fazla geçişli (helikal demet) olabilir. β-fıçı yapısı: β-tabakalar fıçıya benzer bir yapı oluştururlar. Bakteri, kloroplast ve mitokondrilerin transmembran proteinlerinde görülür. 52 2- İntegral zar proteinleri (Transmembran proteinler) 53 Kırmızı kan hücre dış zarında  Zar proteinlerinin fonksiyonları Transport proteinler veya permeazlar moleküllerin zardan geçmesini sağlar. Aquaporinler, suyun taşınmasında kullanılan kanallardır. Membrandaki bazı proteinler kimyasal reaksiyonu hızlandırmak için aktif bölgeler içerebilir. Metabolik yolaklarda, elektron transport zinciri gibi. Sinyali algılayan reseptör olarak görev yaparlar ve sinyali hücre içine iletirler. Örneğin insülin hücre içine giremez, fakat hücre yüzeyindeki reseptör proteinlere bağlanarak, mesajın hücre içine iletilmesini sağlar. 54  Zar proteinlerinin fonksiyonları Hücreler arası bağlantılarda (Gup jucntion, Tight junction ve plasmodesmata gibi) Hücre-hücre tanınmasında rol oynarlar. Glikoproteinler kimlik etiketleri olarak hizmet eder. MHC proteinleri ve antijenler gibi. Hücre iskeletine ve hayvan hücrelerinde ise ekstrasellülar matrikse tutunmayı sağlar. Mikrofilamentler ve hücre iskeletinin diğer elemanlarına bağlanarak hücre şeklini ve membran proteinlerinin 55 stabilitesini sağlar.  MEMBRAN KARBOHİDRATLARI  Hücreler birbirlerini, sıklıkla karbohidratları içeren membranın dış yüzeyindeki moleküller aracılığı ile tanır.  Membran karbohidratları, kovalent olarak membrandaki lipidlere (glikolipidler) ve proteinlere (glikoproteinler) bağlanabilirler.  Plasma membranının dış yüzeyindeki karbohidratlar türler, bireyler arasında, hatta bir bireyin farklı hücre tiplerinde dahi farklılık gösterirler. 56 Biyolojik Membranların Protein, Lipid ve Karbohidrat İçerikleri Tipik bir hücre membranındaki lipid/protein oranı genelde 50/50 oranındadır, Proteinler biraz daha fazla bulunur. Bu oran hücrenin fonksiyonuna göre değişir.  Bariyer membranlar daha fazla lipid içeriğine sahiptir (miyelin kılıfta sinyal gücünde kayıp olmadan sinyalin iletimi ve sağlamlık).  Transport / Reseptör hücreler daha fazla protein içerir.  Karbohidratlar, lipid tabakanın dış yüzeyinde lokalize olurlar. 57  Zar karbohidratlarının fonksiyonları Hücre membranı yüzeyindeki lipidler ve proteinler, hücre yüzeyinden dışarı uzanan kısa karbohidrat zincirlere sahiptirler ve sırasıyla glikolipidleri ve glikoproteinleri oluştururlar. Bunlar: 1- Hücrenin etrafındaki su molekülleri ile hidrojen bağları kurarlar ve böylece membran yapısının stabilize olmasına yardım ederler. 2- Hücre içerisinde çeşitli kimyasal reaksiyonları tetikleyecek olan hormonlar ve nörotransmiterlerin bağlandığı, reseptör moleküller olarak görev yapar. (Örneğin; İnsülin hormonu için sadece karaciğer ve kas hücrelerinde insülin reseptörü vardır, diğer hücreler bu hormondan etkilenmez). 3- Glikoproteinler, ayrıca, hücrelerin birbirlerini tanımasında antijenler olarak görev görür. 58 HÜCRESEL ZARLARIN (MEMBRANLARIN) YAPISI Her hücre zarı ortak bir yapısal düzene sahiptir Proteinlerle ilişkili fosfolipid çift-tabaka. SIVI-MOZAİK ZAR https://www.youtube.com/watch?v=Qqsf_UJcfBc 59  Zarlarda asimetrik bir yapı söz konusudur. Membranın her iki yüzündeki lipid ve protein kompozisyonları asimetriktir.  Glikolipidler sadece membranın dış yüzeyinde lokalize olur.  Fosfatidilkolin hayvan hücrelerindeki temel fosfolipiddir.  Fosfatidiletanolamin ise bakteriyal membranlarda bol miktarda bulunur.  Fosfatidileserin ise daha çok membranın iç yüzeyinde lokalizedir. (+) (+) (-) (-) (-) 60  Zarlarda asimetrik bir yapı söz konusudur. Eritrosit Membranında iç ve dış tabaka arasındaki lipidlerin asimetrik dağılımı Sitozolik yüz PE ve PS’den oluşur. PE’in dağılımı iç membranda %80 dış membranda %20 PS, (-) yüklü PE, orta derece (-) yüklü Dolayısıyla iç membran (-) yüklü Dış membran, PC, Sfingomiyelin ve glikolipidlerden oluşur. (+) yüklüdür. Membran lipid asimetrisi, özellikle sinyal iletimi için önemlidir. Phosphatidylcholine=PC Phosphatidylserine= PS Phosphatidylethanolamin= PE Phosphatidylinositol= PI 61  Zarlarda asimetrik bir yapı söz konusudur. Membranlardaki lipid asimetrisinin devamlılığı, hücre homeastazı için çok önemlidir. Fosfatidilserin, sadece iç membranda bulunur. Fosfatidilserinin hücre membranı dış tabakasında bulunması,  Hücrenin membran bütünlüğünün bozulduğunun bir göstergesidir.  O hücrenin makrofajlar tarafından sindirilmesi için hedef haline getirir. Apoptotik hücrelerde membran bütünlüğü bozulup, plazma membranının dış yüzeyinde Fosfatidilserin bulunduğundan, apoptosis için tanısal marker olarak kullanılır. 62  Zarlarda asimetrik bir yapı söz konusudur. Membranlardaki lipid asimetrisinin devamlılığı , Hücre membranının iç ve dış tabakası arasında fosfolipidlerin transporter-kontrollü değişimi ile sağlanmaktadır. Böylece hücre membranının güçlü yük asimetrisinin devamlılığı sağlanmış olur. 63  Zarlarda asimetrik bir yapı söz konusudur. Membrandaki Protein : Lipid oranı da, hücrenin fonksiyonuna göre değişmektedir. Mitokondriyal iç membranın %76’sı proteindir (transporter ve enzimler). Schwann hücrelerindeki Myelin membranlar, %18 protein içerir (fosfolipidler güçlü yalıtım sağlar). 64 65  Zarlar akışkan yapıya sahiptir!  Zar molekülleri güçlü bağlarla bir arada tutulmazlar. Bu moleküller birbirleri etrafında kayabilir veya hareket edebilirler. Bunun en iyi delili: insan ve fare hücreleri kaynaştığı zaman membran proteinlerinin de kaynaşmasıdır. Hibrit hücre deneyi, proteinlerin zarın etrafında akışkan bir şekilde hareket ettiğini gösterdi. Hücre füzyonu deneyi (Larry Frye and Michael Edidin at Johns Hopkins University in 1970) 66  Zarlar akışkan yapıya sahiptir  Çoğu membran molekülü sıklıkla lateral (yanal) olarak, nadiren de flip-flop (döngüsel) hareketi yaparak hareket edebilir. Bazı proteinler ise hareket edemez; bunlar hücre iskeletine bağlı haldedirler. 67 68 Lipid translocator proteinler çift tabaka arasında fosfolipid hareketini katalizler. Dış membrandan iç membrana İç membrandan dış membrana Membranın her iki tarafına PS ve PE transferi. PC , sfingolipid ve kolesterol fosfolipid değişimi olur. Membrandaki yük gradientini transferi. Membran yük gradientini sağlar. sağlar. Membran yük gradientini sağlar. Ca-aktive olduğu, ATP- ATP-bağımlıdır. ATP-bağımlıdır. bağımsızdır. Membran proteinleri ise lateral ve rotasyonal hareket edebilirler. İki tabaka arasında transverse hareket yoktur.  Hücresel zarlardaki bu hareketler, akışkanlığın asıl nedenidir. 69 Neden hücre zarı çok sıcak olduğu zaman parçalanmıyor ya da neden çok soğuk hale geldiğinde hücre zarı donmuyor? Çünkü hücre zarı aslında membran akışkanlığı (membrane fluidity) denilen benzersiz bir özelliğe sahiptir. Membran akışkanlığını etkileyebilecek çok sayıda farklı faktör var. 1- Sıcaklık 2- Yağ asidi zincirlerinin uzunluğu 3- Doymamış (unsaturated) ya da doymuş (saturated) yağ asitleri 4- Kolesterol 70  Zarlar akışkan yapıya sahiptir Sıcaklık (temp): Sıcaklık, fosfolipidlerin nasıl hareket edeceğini ve birbirlerine ne kadar yakın olacaklarını etkiler. Soğuk olduğunda birbirlerine daha yakın bulunurlar, daha sıkı paketlenirler ve daha katı/sağlam (visköz) hale gelir. Sıcak olduğunda daha da uzaklaşırlar ve daha akışkan hale gelirler. 71  Zarlar akışkan yapıya sahiptir Yağ asidi zincirlerinin uzunluğu: Kısa zincirli yağ asidleri arasındaki etkileşim daha az olacağından, düşük sıcaklıklarda bile membran daha sıvı olacaktır. Yağ asidi zincirindeki bükülmeler, fosfolipidler arasındaki boşluğu arttırır, bu nedenle zarları daha düşük sıcaklıklarda dondurmak daha zor hale gelir.  Ayrıca, CO₂ ve O₂ gibi bazı moleküller fosfolipidler arasında küçük boşluklar gerektirir, böylece membranı hızlı ve kolay bir şekilde geçebilirler. 72  Zarlar akışkan yapıya sahiptir Doygunluk (saturation): Doymamış yağ asidi kuyrukları (çift bağ içeren) içeren fosfolipidler, membranı daha akışkan hale getirir. 73  Zarlar akışkan yapıya sahiptir Sterollerin (Kolesterol) oranı: Steroller (Kolesterol) hidrokarbon halka yapısı nedeni ile zar akışkanlığını belirlemede önemlidir. Kolesterol molekülleri rastgele fosfolipid çift katmana dağılmış olup, ikili tabakanın farklı çevre koşullarında akışkan kalmasına yardımcı olur. Memeli hücrelerinde %50 oranına kadar bulunabilir. Her iki yönde de etki gösterir. Bir tampon görevi görür. Zarın; Yüksek sıcaklıklarda daha viskoz Düşük sıcaklıklarda daha akışkan olmasını sağlar. 74  Zarlar akışkan yapıya sahiptir Kolesterol Polar hidroksil (OH) grupları ile, fosfolipidlerin polar baş kısımlarının yakınından lipid çift-tabakaya katılırlar. Kolesterolün katı hidrokarbon halkaları, fosfolipid baş kısımlara komşu olan yağ asiti zincirleri ile etkileşime girer. Bu etkileşim, yağ asiti zincirlerinin dış kısımlarının mobilitesini azaltarak zarın bu kısmını daha katı bir duruma getirir. 75 Kolestrol, fosfolipidleri birlikte tutar;  böylece çok uzaklaşmazlar,  istenmeyen maddelerin içeri girmesini engellemeye veya  sıkı sıkıya kompakt hale getirilmesine ve  membranın hareketini kısıtlamasına yardımcı olur. Kolestrol olmadan, hücrelerdeki fosfolipidler, soğuğa maruz kaldıklarında birbirlerine daha da yakınlaşırlar ve bu durum küçük moleküllerin geçişini daha da zorlaşacaktır. (fosfolipitler arasında gazların sıkışması gibi) Kolesterol olmadan, fosfolipidler birbirinden ayrılmaya başlar ve geniş boşluklar bırakır. 76 77  Membranların Sentezi ve Taraflılığı Plazma zarının sitoplazmik ve hücre dışı yüzeyleri birbirinden farklıdır. Hücre dışı yüzey topolojik olarak Endoplazmik Retikulum (ER), Golgi ve vezikül zarlarının iç yüzeylerinin aynısıdır. Ayrıca, plazma zarının yüzey alanı, membranın veziküller ile interaksiyona girmesi ile artma ya da azalma gösterir. Ekzositoz ile membran yüzey alanında artış olurken, endositoz membran yüzey alanını azaltır. Vezikül-membran kaynaşması, hücre ürünlerinin salgılanmasından da sorumludur. Hücre dışı yüzey üzerindeki karbohidratlar ise ER içinde sentezlenir ve Golgi içinde değişikliğe uğratılırlar. 78 79  Ökaryotik hücrelerde membran trafiği NOT: Ökaryotik hücrelerin ana bölmeleri görülmektedir. Oklar, bu bölmeler arasında lipid veziküllerinin hareketini göstermektedir. Okun kuyruk kısmının rengi, köken aldığı yapıyı göstermektedir. Okun baş kısmı ise hedef yapıyı belirtmektedir. 80