Hücre Organelleri PDF

HÜCRE ORGANELLERİ TIBBİ BİYOLOJİ DERSİ EKİM 2024 Doç. Dr. Burcu YÜCEL Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalı Kaynaklar: karyotik hücre kompartmanları: ORGANEL Bakteri hücrelerinin aksine ökaryotik hücreler sitoplazmanın içinde membran ile kaplı alt birimlere sa...

HÜCRE ORGANELLERİ TIBBİ BİYOLOJİ DERSİ EKİM 2024 Doç. Dr. Burcu YÜCEL Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalı Kaynaklar: karyotik hücre kompartmanları: ORGANEL Bakteri hücrelerinin aksine ökaryotik hücreler sitoplazmanın içinde membran ile kaplı alt birimlere sahiptir. Her biri spesifik görevlere sahip bu fonksiyonel yapılara organel denilmektedir. Prokaryotik hücre Ökaryotik hücre The Cell, A Molecular Approach, Cooper. 201 The Cell, A Molecular Approach, Cooper. 201  Sitoplazmanın Fonksiyonel Yapıları-ORGANELLER Protein Sınıflanması ve Taşınması Endoplazmik retikulum Golgi aygıtı Lizozomlar Biyoenerjetik ve Metabolizma Mitokondri Peroksizomlar Kloroplastlar Çekirdek (Nukleus) Membranla çevrili olmayan organeller Sentrozom ve sentrioller Ribozom  Nükleer zardan sitoplazma içine uzanan, zarla çevrili boru ve keselerden oluşmuş kesintisiz bir ağ yapısıdır. Endoplazmik İşlev ve şekillerine göre göre iki tip ER vardır. Retikulum (ER) Granüllü (Rough) Endoplazmik Retikulum (rER): Üzerinde ribozomlar vardır. Sisterna denilen yassılaşmış keseler şeklindedir. Düz (Smooth) Endoplazmik Retikulum (sER): Ribozomları yoktur, tüplerden oluşan bir ağ şeklindedir. Granüllü (rough) Endoplazmik Retikulum (rER) Proteinlerin Katlanması: Proteinlere fonksiyonel üç boyutlu yapı kazandırmak. Disülfit bağları (protein disülfit izomeraz) oluşturulur. Çok alt birimli proteinlerin alt birimleri bir araya getirilir. Protein Modifikasyonları: Glikozillenmenin ilk basamakları gerçekleştirilir. Zar proteinlerine glikolipit çığalarının eklenmesi Protein Yıkılması: ER’nin diğer bir görevi düzgün işlenmeyen proteinleri yıkılıma yönlendirmektir.  Düz (smooth) ER Ökaryot hücrelerde ER, zar lipidlerinin sentezlendiği başlıca merkezdir. Son derece hidrofobik olmaları nedeniyle lipidler sitozolün su temelli yapısında değil, hücresel zarlarla ilişkili olarak sentezlenir. Bazı lipidler diğer hücresel zarlarda sentezleniyor olsa da, çoğunluğu ER içinde sentezlenir. Lipidler ER’dan hücre içindeki son hedeflerine, veziküller veya taşıyıcı proteinler aracılığı ile ulaştırılır. Düz ER pek çok hücrede sitozolden Ca+2 iyonlarını çeker. Ca+2 sitozole geri bırakılması ve ER’e çekilmesi olayı kas kasılmasında görevli bir mekanizmadır. (Kas kasılırken sitozolik Ca+2 miktarı artar.  Düz ER ve Lipid Sentezi Ökaryotik hücre zarlarında başlıca üç tip lipid bulunur: Fosfolipid Glikolipid Kolesterol Fosfolipidlerin çoğu ER zarının sitozol tarafında, suda çözünebilen sitozolik öncül moleküllerden sentezlenir.  Yağ asitleri önce koenzim A taşıyıcılarından, gliserol-3- fosfata, zara bağlı bir enzim aracılığı ile aktarılır ve oluşan fosfolipid (fosfatidik asit) zar içine yerleşir. Sonra, ER zarının sitozol yüzünde yer alan enzimler, fosfatidilkolin, fosfatidilserin, fosfatidiletanolamin veya fosfatidilinositol oluşturmak üzere, değişik polar grupların eklenmesini katalizler.  Lipid sentezi Flipaz aracılı lipid transferi Yukarıda bahsedilen yolla sentezlenen fosfolipidler sadece zarın sitozol yüzeyine eklenebilir. Sentezlenen fosfolipidlerin zarın ikili tabakasının öteki yüzüne transferi kendiliğinden gerçekleşmez. Bunun yerine, flipaz adı verilen zar proteinleri, fosfolipidlerin ER zarındaki hızlı yer değişimlerini katalizleyerek ikili tabakanın her iki yarısında da dengeli büyümesini sağlar.  Golgi Kompleksi Yapısal olarak Golgi, zarla çevrili, yassılaşmış keselerden (sarnıçlar) ve bunlarla ilişkili veziküllerden oluşmuş bir yapıdır. Golgi’ye cis yüzeyinden giriş yapan proteinler Golgi iç yapısından geçerek trans yüzeyinden terk ederler. Golgi Kompleksinin Görevi Golgi aygıt, ER’dan gelen proteinlerin daha ileri seviyede işlendiği ve hedef bölgelerine gitmek üzere sınıflandırıldıkları bir fabrika gibi işlev görür. Buna ek olarak, glikolipidler ve sifingomiyelin, Golgi içinde sentezlenir. Bitki hücrelerinde Golgi kompleksi, hücre duvarının kompleks polisakkaritlerinin de sentezlendiği merkezdir.  Lizozom En basit şekilleri yoğun, yuvarlak keseler olarak görülür; Lizozomlar, protein, nükleik asit, karbohidrat ve lipid gibi her türlü biyolojik polimeri parçalayacak enzimler içeren, zarla çevrili organellerdir. Lizozomlar, hem hücre dışından alınan maddeleri yıkarak, hem de hücrenin kendi kullanılmayan veya yıpranmış yapılarının sindirerek hücrenin sindirim sistemi olarak işlev görür. OTOFAJİ  1 Lizozomlar hücrede pek çok fonksiyona sahiptir: 2 3 1. Reseptör geri dönüşümü 4 2. Ekstraselüler substratların/ürünlerin geri dönüşümü ya da yıkımı, 3. Intraselüler 5 substratların/ürünlerin geri dönüşümü ya da yıkımı, 4. Besin seviye duyarlılığı, 5. Otofaji 6 6. Hücre enerji dengesinin korunması (enerji mekanizmalarının düzenlenmesi?)  Lizozomal Asit Hidrolazlar ve Lizozomal Depo Hastalıkları Lizozomlar, DNA, RNA, polisakkarid ve lipidleri hidrolize eden 50 kadar farklı yıkım enzimini barındırır. Bu enzimleri kodlayan genlerdeki mutasyonlar, etkilenen kişilerde lizozom içi materyalin birikimi nedeniyle, lizozomal depo hastalıkları olarak tanımlanan 30’dan fazla genetik hastalıktan sorumludur. Tüm lizozomal enzimler lizozom içi asit pH’sında (5 civarı) aktif hale gelirler. Sitoplazmanın 7.2 pH’sında inaktif olurlar. Lizozomal depo hastalıklarından en yaygın görüneni Gaucher hastalığıdır. Gaucher Hastalığı Gaucher hastalığı, glukoserebrozid’i glukoz ve seramide parçalayan lizozomal enzim olan glukoserebrozidazın eksikliği sonucu ortaya çıkar  Fagositoz ve Otofaji Fagositoz: makrofaj gibi özelleşmiş hücreler, bakteri, hücre atıkları, ve vücuttan uzaklaştırılması gereken yaşlanmış hücreler gibi büyük partikülleri fagositik vakuoller (fagozomlar) olarak adlandırılan yapılarla içlerine alırlar. Fagozomlar ise enzimleri taşıyan veziküllerle birleşerek lizozomları oluştururlar ve sindirim gerçekleştirilir. Otofaji: hücrenin kendi yapı taşlarının lizozomlarda sindirilmesi olayıdır. Otofajinin ilk adımı, bir organelin (Ör., mitokondri) ER’dan türemiş bir zar ile çevrelenmesidir. Ardından, oluşan vezikül (bir otofagozom) bir lizozom ile kaynaşır ve içeriği sindirilir.  Mitokondri, Kloroplast, Peroksizom Mitokondriler, Kloroplastlar ve Peroksisomlara gidecek proteinler sitozoldeki serbest ribozomlarda sentezlenerek hedef organele tamamlanmış polipeptid zinciri olarak aktarılırlar. Mitokondriler ve Kloroplastlar kendilerine özgü genom bulundururlar. İhtiyaç duydukları tRNA, rRNA ve proteinlerin bir kısmı kendi genomunda kodlanır.  Biyoenerji ve Metabolizma Mitokondri ve kloroplastlar, enerji metabolizması ile ilgilidir. Mitokondrilerde üretilen enerjinin büyük kısmı, lipidlerin ve karbonhidratların CO2 ve H2O’ye yıkımı ile elde edilmektedir. Kloroplastlar ise CO2 ve H2O dan karbonhidrat sentezlerler.  Mitokondri Mitokondri, çift tabakalı bir membran sistemi ile çevrelenmiştir. İç ve dış mitokondrial membran, bir İç zar intermembran alan (membranlar arası Dış zar alan) oluşturmuştur. Zarlar arası İç membranın yapısı çok sayıda alan katlanmalarla girintili krista (cristae) ve Krista çıkıntılı bir yapıdadır. Amaç iç membranının yüzeyini genişletmektir. Matriks Kristanın çevrelediği mitokondri sitosolüne matriks adı verilir.  Mitokondri Ökaryotik hücrelerde ATP oluşturmada kritik bir rol üstlenirler. Canlılarda kullanılabilir enerjinin (ATP) büyük bir kısmı karbonhidrat ve lipitlerin yıkımından elde edilir.  Matriks; mitokondrinin genetik sistemini (mtDNA) ve ana oksidatif metabolizma tepkimelerinden sorumlu enzimleri bulundurur. Glikoz metabolizmasının başlangıç reaksiyonları (glikoliz) sitozolde gerçekleşir ve pirüvat oluşur. Piruvat mitokondriye nakledilir. Matriks içinde piruvat asetil CoA’ya dönüştürülür. Yağ asitleri de matriks içine alınarak asetil CoA’ya dönüştürülür. Matriks içerisinde gerçekleşen bir dizi reaksiyon (sitrik asit döngüsü) sonucunda asetil CoA, CO2’e oksitlenirken NAD+’den NADH ve FAD’den FADH2 elde edilir.  Mitokondri Matriks Metabolizması Pirüvat ve yağ asitleri sitozolden alınır ve mitokondri matriksinde Asetil CoA’ya dönüştürülür. Asetil CoA daha sonra, oksidatif metabolizmanın temel yolağı olan sitrik asit döngüsüyle CO2’ye oksitlenir. Glukoz Glikoliz 2 NADH + 2 ATP 2 Yağ asiti Pirüvat NADH GTP Mitokondri enerji (ATP) üretimi: Elektron Taşıma Sistemi-Oksidatif Fosforilasyon Elektron Taşıma Sistemi (ETS) 5 adet protein kompleksinden oluşur:  Mitokondrinin Genetik Sistemi Mitokondri kendine ait 16 kb’lık bir genoma sahiptir. Mitokondriyal genom, tıpkı bakteriyal DNA gibi bir sirküler (Çembersel) yapıdadır. İnsan mt-genomu, 13 protein kodlar. Bunlar elektron transportu ve oksidatif fosforilasyonda görev alırlar. Buna ilaveten insan mtDNA sı 16S rRNA, 12S rRNA ve 22 adet tRNA kodlar. Böylece genomda 37 adet gen bulunmaktadır. Mitokondrinin Genetik Sistemi Mitokondrilerin kendilerine özgü ribozomları vardır ve yapılarında iki rRNA (16S rRNA, 12S rRNA ) bulunur. Hayvan mitokondrilerinde tRNA’ların tümü (22) organel tarafından kodlanır. Sitozolden gelen tRNA kullanmaz. Mitokondri evrensel genetik koddan biraz daha farklı bir genetik kod kullanır. Codon Universal code Human mitochondrial code UGA STOP Trp AGA Arg STOP AGG Arg STOP AUA Ile Met  Mitokondrial DNA (MtDNA) İnsan mt-DNA’sı yalnızca oosit ile bir sonraki kuşağa aktarılır. Mt-DNA’daki mutasyonlara bağlı hastalıklar yalnız anneden kalıtılır. Mt-DNA’nın genetik kodu az da olsa universal genetik koddan farklılıklar gösterir. Mitokondrial DNA genomik DNA’dan bağımsız olarak replike olur. Mitokondri hücre içinde bölünerek çoğalır. Mitokondrial DNA mutasyonları sonucu hastalıklar meydana gelir: Kearns–Sayre syndrome, Leigh Syndrome vd….  Plastidler ve Kloroplast Plastidler, bitkisel hücrelerin sitoplazmik yapılarıdır. Plastidler renk maddesi taşıyanlar ve taşımayanlar olarak iki gruba ayrılırlar. 1. Renk maddesi taşıyanlar: 1. Kloroplastlar: Klorofil içerenler 2. Kromoplastlar: klorofilden yoksundurlar fakat karotenoidleri içerirler. Bazı bitki ve çiçeklerin sarı, turuncu, ve kırmızı renklerinin nedenidirler. 2. Renk maddesi taşımayanlar (lökoplastlar): Bunlar bitkilerde çeşitli maddeleri depolayan depo plastidleridir. Amiloplastlar → Nişasta Elaioplastlar →Yağ Proteinoplastlar → Protein Kloroplastlar Kloroplastlar fotosentezden sorumlu organellerdir ve bir çok yönden mitokondrilere benzerler. Kloroplast ve mitokondriler her ikisi de, metabolik enerji üretirler, kendi genetik sistemlerine sahiptirler ve bölünerek çoğalırlar. Ancak kloroplastlar mitokondrilerden daha büyük ve daha karmaşıktır. ATP üretimine ek olarak: 1. Fotosentez yolu ile CO2’i karbohidratlara dönüştürürler. 2. Kloroplastlar ayrıca, amino asitleri, yağ asitlerini, ve kendi zarlarının lipid bileşenlerini de sentezlerler. 3. Azotun organik bileşiklerin yapısına girmesi için ana yol olan Nitritin (NO2-) amonyağa (NH3) indirgenmesi kloroplastlarda gerçekleşir.  Kloroplastların Yapısı Kloroplastlar, mitokondriler gibi, kloroplast zarfı adı verilen çift zarla kaplanmış bir organellerdir. Zarfa ek olarak tilakoid olarak adlandırılan disk şeklinde üçüncü bir zar yapısına sahiptirler. Tilakoid diskleri üst üste yerleşerek grana denilen yığınları oluştururlar. 1- Kloroplast zarfının iki zarı arasındaki zarlar arası alan. 2- Zarfın içinde ancak tilakoid zarın dışında kalan stroma. 3- Tilakoid disklerin içi yani tilakoid lümeni  Kloroplastın Yapısı Tilakoid Tilakoid İç zar zar Dış zar lümen Zarlar arası alan Stroma Gran a Fotosentezde Elektron Taşınımı: ATP ve NADPH Sentezi  Kloroplast ve Mitokondrilerde ATP Üretimi Yapı ve işlev bakımından kloroplastlar ile mitokondriler arasındaki en büyük fark tilakoid zardır. Kloroplastın bu zarı elektron taşınmasında ve ATP’nin üretiminde mitokondri iç zarının görevini üstlenir.  Fotosentez Calvin Döngüsü (Melvin Calvin) Karanlık Reaksiyonu Işık Reaksiyonu Işık reaksiyonu ile üretilen ATP ve NADPH Absorbe edilen güneş enerjisi enerji kaynağı olarak kullanılır ve CO2 ve ile ATP ve NADPH üretilir H2O’dan Glukoz sentezlenir Kloroplast Genomu Mitokondriler gibi kloroplastlar da kendi genetik sistemlerine sahiptirler. Kloroplast genomu mitokondride olduğu gibi çembersel yapıda çift zincirli bir DNA’dır ve her organelde çoklu kopyalar şeklinde bulunur. Kloroplast genomu 120-160 kb civarındadır ve yaklaşık olarak 120 gen içerir. Peroksizomlar Peroksizomlar küçük, zarlarla çevrili organellerdir. Morfolojik olarak lizozomlara benzemekle birlikte mitokondri ve kloroplastlarda olduğu gibi serbest ribozomlarda sentezlenen peptid zincirlerini kullanırlar. Kendi genomları bulunmamasına karşın peroksizomlar bölünerek çoğalmalarıyla mitokondri ve kloroplastları andırırlar. Bir çok insan hücresi 500 kadar peroksizom içerir. Peroksizomlar farklı tür hücrelerde çeşitli reaksiyonlarda görev alan en az 50 farklı enzim barındırırlar.  Peroksizomlar Peroksizomların içindeki enzimler, hücre için zararlı olan hidrojen peroksidi (H2O2) parçalayarak H2O’ya dönüştürülür. Urik asit, amino asitler, pürinler, metanol ve yağ asitleri gibi çeşitli substratlar da peroksizom içerisinde yıkılır. Yağ asitleri mitokondri içinde de yıkılır. Bunların yanında peroksizomlar lipid ve lizin amino asitinin biyosentezi ile de ilgilidir. Hayvansal hücrelerde kolesterol ve dolikol ER ile birlikte peroksizomlarda da sentezlenir.  Nukleus Nukleus, interfaz hücrelerinde görülen oval veya küre şeklindeki yapıdır. Nükleus, eukaryotik hücrelerde kromatin materyalini içinde bulundurur. Genellikle her hücrede bir nukleus bulunur. Fakat bu durumun istisnası da vardır. Örneğin karaciğer hücreleri, böbrek hücrelerinde birden fazla nukleus bulunabilir. Nukleus üç Önemli Yapıdan Oluşur Nukleus zarfı, Nükleer porlar, Nükleer lamina  Çekirdek zarfı (Nukleer Zarf) Çekirdek içeriğini sitoplazmadan ayırır ve çekirdeğe yapısal bir çerçeve oluşturur. İki zarın oluşturduğu zarf, moleküllerin çekirdek ile stoplazma arasındaki geçişini kontrol eder. İç ve dış olmak üzere çift zarlı bir yapıdır ve iki zar arasına perinuklear alan denilir. Dış membran düzensiz aralıklarla ER ile birleşir ve çok defa ER’un bir parçası olarak görülür. Dış zarın sitoplazmaya bakan yüzeyine rER’da olduğu gibi ribozomlar bağlanmıştır. Perinuklear alan ER lümeni olarak devam eder. Nukleer membran üzerinde delikler (por’lar) vardır.  Nukleer Zarf ve Nükleer Lamina Çekirdek zarfının iç yüzünü kaplayan nükleer lamina, çekirdeğe yapısal destek sağlayan ağsı bir yapı oluşturur. Nükleer lamina, memeli hücrelerinde, laminler adı verilen proteinlerden (lamin A, B1, B2, C) oluşur. Ayrıca laminler nükleusun iç zarındaki özgün proteinlere bağlanarak nükleus zarfına tutunur. Kromatin, nukleus içinde laminaya tutunur. Nukleolus (Çekirdekçik)  Nukleolus (Çekirdekçik) Çekirdekçik bir zarla çevrili değildir. Nukleolus, ribozomal RNA’ları (5.8S, 18S, 28S rRNA) kodlayan genleri taşıyan kromozomal bölgelerden (Kromozom 13, 14, 15, 21, 22) yoğun bir şekilde transkripsiyonun yapıldığı ve rRNA’ların ribozomal proteinlerle birleşerek ribozomları oluşturduğu merkezdir. Nukleolus ve Ribozom Yapılanması Tablo: Ökaryotik hücrelerde zarlı organellerin fonksiyonları Kompartman Fonksiyonu Sitozol Metabolik yolakların pek çoğuna ev sahipliği yapar, sitoiskelet bulunur. Nukleus Genoma ev sahipliği yapar. DNA ve RNA sentezi gerçekleşir. Endoplazmik Pek çok lipid sentezi gerçekleşir, retikulum sentezlenen proteinlerin veziküler transportunda ilk duraktır. Golgi aygıtı Protein ve lipidlerin modifikasyonu, sınıflanması ve paketlenmesi, sekresyonla diğer organellere iletilmesi Lizozom Degredasyon/yıkım, enerji metabolizması düzenlenmesi (besin duyarlılığı) Endozom Veziküler transport Mitokondri Oksidatif fosforilasyon ile ATP sentezi Kloroplast (bitki ATP sentezi ve fotosentez ile karbon hücresi) fiksasyonu  Sentrozom ve Sentriyoller Ökaryortik hücrelerin çekirdeğine yakın yerleşimli, fosfolipid membranı olmayan bir organeldir. A B C D  Sentrozom ve Sentriyoller Sentrozom, birbirine dik yerleşmiş, yoğun bir sentriyol çevre maddesi ile çevrelenmiş, bir çift sentriyol içerir. Sentrioller 9 adet üçerli mikrotubul demetleri halinde düzenlenmiştir. Hayvansal hücrelerde sentrozom mikrotubul organize eden merkezdir (Mikrotubul Organzer Center)=(MTOC)  Sentrozom ve Sentriollerin Görevi Profazındaki sentrioller birbirinden ayrılarak zıt kutuplara giderler ve mikrotübül yapıdaki iğ ipliklerinin oluşumunda merkez görevi yaparlar. Mitozun metafazında kromozomlarn kinetekor denilen sentromerlerinde bulunan tabakalı yapının uzantıları da mikrotubuler yapılardır. İğ iplikler ve kinetekorlar bileşerek homolog kromozomları kutuplara doğru çekerler Buna karşın bitki hücreleri, amoebae ve birçok alg hücrelerinde mitotik bölünme olmasına karşın sentrioller yoktur. Bu soru ise hala cevaplandırılamamıştır. Sentrioller, hayvanlardaki silli hücrelerdeki sil uzantılar ve kamçılı hücrelerdeki kamçılarda bir bazal cisim oluşturarak bu yapıların eğilip- bükülebilen iskelet yapılarını oluştururlar.  Sentrozomal Proteinler Sentrozomların yapısında çok sayıda protein bulunur. Bu proteinlerin önemi bir kısmının görevi bilinmemektedir. Görevleri tanımlanan sentrozomal proteinleri bir kısmı sentriol duplikasyonunda görev alır. Sentrozomla proteinler genomik bütünlüğün korunmasında büyük öneme sahiptir. Sentrozomal proteinlerin fonksiyonlarında meydana gelen eksiklikler/bozukluklar çeşitli hastalıklarla ilişkilendirilmiştir: Mikrosefali, Seckel sendromu  Ribozom Ribozomlar, etrafı fosfolipid zarla çevrili olmayan bir organeldir. Protein ve RNA (ribozomal RNA, rRNA) alt birimlerinden oluşur. Protein sentezinin gerçekleştirildiği yapılardır. Hızlı büyüyen bir memeli hücresinde 10 milyon ribozom bulunur. mRNA ile karşılaşana kadar ribozomun küçük ve büyük alt birimler sitozolde ayrı olarak bulunur.  Ribozom = Ribozim Ribozomun yapısında bulunan proteinler daha çok rRNA’ların stabilizasyonunda görev alır. Enzimatik aktiviteler ise rRNA tarafında yürütülür. Bu nedenle ribozomlar ribozim olarak kabul edilir. Prokaryotlarda ve ökaryotlarda ribozomlar aynı işlevi görmekle birlikte farklı alt birimlerden oluşur. Prokaryotik ve Ökaryotik Ribozom 34 21 Protein Protein ~49 protein ~33 protein  Ribozomal RNA’lar Peptidil Transferaz Aktivitresine Sahiptir E. coli 16S rRNA’nın ikincil yapısı. Prokaryotlarda 23S rRNA peptidil transferaz aktivitesine sahiptir. Ökaryotlarda 28S rRNA peptidil transferaz aktivitesine sahiptir. Ribozomal proteinlerin daha çok yapısal fonksiyonları vardır. Amino asitler peptid bağı ile birbirlerine bağlanır Peptid Protein sentezi ribozomlar bağı üzerinde gerçekleşir.  Poliribozom Aynı anda çok sayıda ribozom tarafından protein sentezi gerçekleştirilir