Hücre Membranı Yapısı ve Fonksiyonları PDF

Hücre Membranı Yapısı ve Fonksiyonları Hazırlayan: Dr Öğr Üyesi Peyda Korhan Prof. Dr. Neşe Atabey Tıbbi Biyoloji ve Genetik  Biyolojik Membranlar Hücre için yaşamsal öneme sahip4r – Plazma Membranı – Hücre içi membran sistemleri Biyolojik mem...

Hücre Membranı Yapısı ve Fonksiyonları Hazırlayan: Dr Öğr Üyesi Peyda Korhan Prof. Dr. Neşe Atabey Tıbbi Biyoloji ve Genetik  Biyolojik Membranlar Hücre için yaşamsal öneme sahip4r – Plazma Membranı – Hücre içi membran sistemleri Biyolojik membranların çeşitli fonksiyonları vardır Ancak hepsi aynı genel yapıdadır – Non kovalent bağlı – Lipid molekülleri – Protein molekülleri – Karbohidrat molekülleri  Hücre Membranları Dinamik Akışkan Moleküllerin hareke3ne izin veren Çi7 tabaka (yaklaşık 5 nm) lipid Lipid tabaka içinde çözünmüş proteinler  Plazma Membranı Plazma Membranı Sitoplazma Slide 18 of 46  Plazma Membranı 1. Sitoplazmanın etraBnı sararak hücreye şekil veren, 2. Hücrenin sınırlarını belirleyerek seçici bariyer gibi görev yapan, 3. Yapısındaki moleküler pompalar ve kanallar aracılığı ile hücre içi molekül ve iyon konsantrasyonunu düzenleyen, 4. Hücreler arası haberleşmeyi sağlayan, 5. Hücreye ulaşan kimyasal ve elektriksel sinyalleri ileten dinamik kompleks bir yapıdır.  Plazma Membranı 1925 Gorter Grendel Plazma zarı çiH tabaka lipidden oluşmuş 1935 Danielli-Dawson ÇiH tabaka lipid+ Her iki yüzeyde de küresel polipep4dler 1959 Danielli-Dawson – Robertson Unit Membran Protein-Lipid-Protein 1971 Singer Mozaik Model 1972 Singer-Nicolson Akıcı Mozaik Model  Plazma Membranı 1963, NOBEL TIP (Fizyoloji) ÖDÜLÜ Sir John Carew Eccles ”Sinir hücresi membranında periferal ve merkezi yerleşimde bulunan iyon mekanizmaları " 1963, NOBEL TIP (Fizyoloji) ÖDÜLÜ Alan Lloyd Hodgkin ”Sinir hücresi membranında periferal ve merkezi yerleşimde bulunan iyon mekanizmaları " 1963, NOBEL TIP (Fizyoloji) ÖDÜLÜ Andrew Fielding Huxley ”Sinir hücresi membranında periferal ve merkezi yerleşimde bulunan iyon mekanizmaları " 2003, NOBEL KİMYA ÖDÜLÜ Peter Agre «Plazma zarındaki su kanallarının keşfi" 2003, NOBEL KİMYA ÖDÜLÜ Roderick MacKinnon ”Plazma zarındaki iyon kanallarına yönelik yapısal ve mekanik çalışmaları" 2013 NOBEL TIP (Fizyoloji) ÖDÜLÜ James Rothman, Randy Schekman, ve Thomas Südhof «Membran Füzyonunun Mekanizmaları ve Prensipleri» Hücre Membranları A-Plazma membranı B-Sil C-Mitokondri membranı D-Vacuol membranı E- Endoplazmik re3kulum membranı F- Salgı granülü membranı  Yapı Lipid- Amfifilik/amfipa4k (Hidrofilik+Hidrofobik Bölgeler) Zar yapısının %50 si lipitlerden oluşur – Fosfolipidler (%60, fosfogliserid, sfingomyelin..) – Glikolipidler (%30 serebrozid, gangliosid..) – Steroller (%10 kolesterol) Protein: zarın diğer %50’lik kısmını oluştururlar – Periferal (ekstrinsik) – İntegral (intrinsik) Karbohidrat Kompozisyon Fosfolipid yapısı Kolin Fosfat Baş (polar) Kuyruk Gliserol (Nonpolar) Yağ Asidi Yağ Asidi  Lipid Tabaka Membranın temel elementi Lipid ÇiY Zarların Özellikleri: Lipid ÇiG Zarların Özellikleri: 1. Lateral düfüzyon: Zardaki protein ve lipidlerin her biri kendi etraflarında ve yana doğru hareket edebilmektedir. 2. Termal hareket: bu özellik hem sıcaklık hem de lipit bileşenlerle belirlenir. 3. Transbilayer difüzyon (flip flop) 4. Kısa zincirli yağ asitleri arasındaki etkileşim, uzun zincirli yağ asitleri arasındaki etkileşimden daha zayıGır. Böylece daha çok kısa zincirli yağ asidi içeren zarlar daha az sert olup daha düşük sıcaklıklarda sıvı olarak kalabilirler. 5. Doymamış yağasitlerini içeren lipitler zara akışkanlık kazandırırlar. Çünkü çiG bağların varlığı yağ asidlerin zincirleirnde bükülmeler oluştururlar. Lipid ÇiY Zarların Özellikleri: Lipid ÇiG Zarların Özellikleri: 6. Hidrokarbon hakla yapısı nedenilyle kolesterol zar akışkanlığında belirleyici rol oynar. 7. Kolesterol molekülleri, polar hidroksil grupları ile fosfolipitlerin polar baş kısımlarının yakınından çiG- tabakaya kaXlırlar. Bu nedenle, kolesterolün kaX hidrokarbon halkaları, fosfolipit baş kısımlara komşu olan yağ asidi zincirleri ile etkileşime girerler. Bu etkileşim, yağ asidi zincirlerinin dış kısımlarının hareketliliğini azaltarak zarın bu kısmını daha kaX bir duruma geYrir. 8. Diğer taraGan, kolesterolün yapıya kaXlımı yağ asidi zincirleri arasındaki etkileşimleri engelleyerek, daha düşük sıcaklıklarda zar akışkanlığını sürdürür.  Zar Proteinleri: Proteinler hücre zarlarının diğer temel bileşenleri olup, hücrenin değişik zarlarının kütlesinin %25-%75’ini oluşturur. Periferik (Dış) zar proteinleri lipit çiG-tabakanın içine gömülmezler fakat zarla dolaylı olarak, genelde integral zar proteinleri ile etkileşim yoluyla, ilişkilidirler. İntegral (İç) zar proteinleri/transmembrane proteinleri lipit çiG-tabakanın içine doğrudan gömülmüşlerdir. Transmembran proteinler de hidrofilik kısımları zarın her iki yüzeyindeki sulu ortamlar ile iç içe olan amfipaYk moleküllerdir. Bu proteinlerin zarın içinde uzanan bölümleri genellikle nonpolar amino asit içeren α-sarmal bölgeleridir. Bu amino asitlerin hidrofobik yan zincirleri, zar lipitlerinin yağ asidi zincirleri ile etkileşime girer ve de α–sarmalın oluşması,, pepYt bağlarının polar karakterini nötralize eder.  Zar Proteinleri: Lipit çiG-tabakaları geçen diğer protein yapısı, β tabakaların dçıya benzer bir yapı oluşturdukları β eçı’larıdır. Bu yapı bakteri, kloroplastlar ve mitokondrilerin transmembran proteinlerinde de görülmektedir  Zar Proteinleri: Ökaryot plazma zarlarının transmembran proteinlerinin çoğu, karbohidratların bağlanmasıyla değişime uğramışXr; bu karbohidratlar, hücrenin dışı ile ilişkilidir ve hücre-hücre etkileşimlerine kaXlabilirler. Proteinler aynı zamanda, polipepYt zincirlerine kovalent olarak bağlanan lipitler taradndan da zarlara tutunurlar. Belirli lipit modifikasyonları, proteinleri, plazma zarının sitozolik ve hücre dışı yüzüne tutundurur. AlternaYf olarak, proteinler plazma zarının hücre dışı yüzüne, karboksi uçlarına glikolipitlerin bağlanmasıyla tutunurlar. Plazma Membranı-Yapı Tip 1 ve 2 : 1 transmembran heliks (Tip 1 de amino ucu içeride, tip 2 de dışarıda) Tip 3 : bir polipeptidde çoklu transmembran heliksler Tip 4: Farklı polipeptid zincirleri membranda kanal oluşturacak şekilde biraraya gelmiş Tip 5: Kovalent bağlı membran lipidlerine tutunmuş proteinler Tip 6 :Hem transmembran heliks hem lipid bağlantı)  Membran Proteinlerinin Fonksiyonları Transport kanalları Enzim reseptörleri Hücre tipine özgül reseptörler Hücre adezyonu Hücre iskeletine yapışma Hücre-hücre, hücre ECM haberleşmesi Hücre hücre bağlantılarında ve adezyonda görev alan bazı integral membran proteinleri  Karbohidratların Görevleri Zar lipid ve proteinlerini bir doğrultuda tutarak zarın bütünlüğünü korumak Hücreler arası etkileşimi sağlamak Küçük moleküllerin bağlanmasını sağlamak Enzimlerin tanınması Antijenlerin tanınması Hücrelerin tanınması Lipid sallar sfingomiyelin, glikolipitler ve kolesterolün etkileşimleriyler oluşur Membran Füzyonu: “Membran stabil ancak statik değil” *Füzyonun bir spesifik sinyal ile tetiklenmesi *Tanıma *Yaklaşma-polar baştaki su molekülleirnin uzaklaştırılması *Lokal membran harabiyeti *İki membranın füzyonu ve çift tabakalı tek membran olması Hücre zarlarından transport Biyolojik zarların küçük moleküllere seçici geçirgenliği, hücreye iç bileşimini kontrol etme ve sürdürme olanağını vermektedir. Fofolipit çiG-tabakadan yalnızca küçük ve yüksüz moleküller serbestçe geçebilir O2 gibi küçük nonpolar moleküller lipit çiG-tabakada çözünürler ve dolayısıyla hücre zarlarını rahatça geçerler. H2O gibi, küçük, yüksüz ve polar moleküller de zarlardan difüze olabilirler Glukoz gibi büyük, yüksüz polar moleküller difüze olamaz. İyonlar gibi yüklü moleküller, büyüklükleri ne olursa olsun, fosfolipit çiG- tabakadan difüze olamaz; H+ iyonları bile serbest difüzyon ile lipit çiG- tabakayı geçemez. Zardan geçemeyen moleküller, zarları, taşıyıcı adı verilen spesifik transmembran proteinlerinin etkisiyle geçerler. Bu tür taşıma proteinleri hücre zarlarının seçici geçirgenliğini belirleyerek zar fonksiyonunda önemli rol oynar. Hücre zarlarından transport  Kolaylaş2rılmış Diffüzyon Kolaylaş:rılmış difüzyon, moleküllerin, hücre içindeki ve dışındaki göreli konsantrasyonlarının belirlediği yönde harekeDni kapsar. Dışarıdan enerji sağlanması gerekmez. Moleküller, konsantrasyon gradientlerinin veya yüklü moleküller için zardaki elektrik potansiyelinin belirlediği yönde zardan geçerler. Kolaylaşfrılmış difüzyon, taşınan moleküllerin fosfolipit çig tabakada çözünmemesi bakımından pasif difüzyondan ayrılır. Bunun yerine, geçişleri, taşınan moleküllerin zarın hidrofobik iç kısmıyla direkt etkileşime girmeden geçmelerine imkan sağlayan proteinler aracılığıyla olur. KolaylaşXrılmış difüzyon böylece, karbohidratlar, amino asitler, nükleozidler ve iyonlar gibi polar ve yüklü moleküllerin plazma zarından geçmelerini sağlar. Genel olarak, kolaylaşXrılmış difüzyona aracılık eden iki protein grubu tanımlanmışXr: taşıyıcı proteinler ve kanal proteinleri Zar Taşıyıcı Proteinler 1. Kanal proteinleri: zar boyunca açık geçitler oluştururlar ve uygun büyüklükteki herhangi bir molekülün geçmesine olanak verirler. Örneğin, iyon kanalları; Na+, K+, Ca2+ ve Cl- gibi inorganik iyonların plazma zarından geçmesine izin verir. Kanal proteinleri açıldığında, uygun büyüklükte ve yükte olan iyonların serbest difüzyon ile geçebilecekleri küçük geçitler oluştururlar. Bu kanal proteinleri taradndan oluşturulan geçitler sürekli biçimde açık değildir; daha ziyade, hücre dışı sinyallere bağlı olarak seçici olarak açılır ve kapanırlar; böylece hücrenin, iyonların zarlardan geçişlerini kontrol etmesine olanak tanırlar. Bu tür kontrollü iyon kanalları, elektrokimyasal sinyallerin ileYlmesine aracı oldukları sinir ve kas hücrelerinde özellikle iyi incelenmiş durumdadır. 2. Kanal proteinlerinin aksine, taşıyıcı proteinler, glukoz gibi küçük mole- külleri seçici olarak bağlar ve taşırlar. Açık kanallar oluşturmaktan ziyade, taşıyıcı enzimler gibi davranarak spesifik moleküllerin zarlardan geçişlerini kolaylaşXrırlar. Özellikle, taşıyıcı proteinler spesifik moleküllere bağlandık- larında konformasyon değişikliğine uğrayarak moleküllerin zarın bir tara- dndan diğer taradna taşınacağı ve diğer taraGa serbestleşYrileceği kanallar oluştururlar. Pasif Transport: Glukoz Transporterlar (GluT) Eritrositlerde Glu T ile glukoz transportu Aquaporin Kanal  İYON KANALLARI Na+, K+, Ca2+ ve Cl– un zardan geçmelerini spesifik kanal proteinleri sağlar. İyon kanallarının özellikleri: 1.kanallardan geçiş son derece hızlıdır. Açık kanallardan saniyede bir milyondan fazla iyon akışı olur–bu akış hızı, taşıyıcı proteinlerle taşınma hızından yaklaşık bin kat daha yüksekYr. 2.iyon kanalları yüksek seviyede seçicidir, kanalın içindeki dar geçit belirli bir büyüklük ve yükteki iyonların geçişine izin verir. 3.Çoğu iyon kanalı sürekli olarak açık değildir. Onun yerine, iyon kanallarının açılması, özel sinyallere yanıt olarak kısa süreli açılan “kapılar” taradndan düzenlenir.  ATP hidroliziyle desteklenen ak_f taşıma (transport) AkYf taşımada, eşlenen bir başka reaksiyondan (ATP hidrolizi gibi) elde edilen enerji, moleküllerin yukarı doğru ve enerjeYk olarak tercih edilmeyen yönde taşınması amacıyla kullanılır. Plazma zarının iki yanında iyon gradientlerinin sürekliliğinden sorumlu olan iyon pompaları (örn: Na+/K+ pompası , Ca2+ ve H+ pompaları) direkt olarak ATP hidroliziyle çalışan akYf taşımaya önemli bir örnekYr  Taşıyıcı Proteinler ile Gerçekleşen Aktif Taşıma En geniş zar taşıyıcı ailesi, yüksek oranda korunmuş ATP bağlama alanları veya ATP- bağlama kasetleri (ABC) ile karakterize oldukları için bu şekilde Bir ABC taşıyıcısı ile ak1f taşıma modeli Taşıyıcı iki adlandırılan ABC transmembran (her biri membranı çevreleyen al6 α sarmal içerir) ve iki sitozolik ATP-bağlanma bölgelerinden taşıyıcılarından oluşur (ABC bölgeleri) oluşur. Gösterilen taşıyıcı bir importer Örn: Toksik maddeleri olup, ABC bölgesine ATP bağlı iken substrat bağlanma bölgesi dışarı doğru dönüktür. ATP’nin ADP’ye hidrolizi hücreden dışarı atan taşıyıcının konformasyonunu değişMrir ve substrat hücre MDR , klor kanalı olan içine salınır. CFTR vb).  Memeli Hücrelerin de İyon Gradyenti Na+ ve Cl– konsantrasyonları hücre dışında içindekinden daha fazla iken, K+ içeride dışarıdakinden daha yüksektir. Na+ ve Cl–‘ larının düşük konsantrasyonu hücre içindeki organik moleküllerin yüksek konsantrasyonunu dengeler, ozmotik basıncı eşitleyerek suyun içeri doğru net akışını engeller.  İyon gradienti ile yürütülen aktif taşıma İyon pompaları ve ABC taşıyıcıları, molekülleri elektrokimyasal gradientlerine karşı yönde taşımak için doğrudan ATP hidrolizinden çıkan enerjiyi kullanır. Diğer moleküller, ATP hidrolizinden elde edilen enerji yerine, ikinci bir molekülün enerjeDk olarak olumlu yönde, eşlikli taşınmasından elde edilen enerjiyi kullanarak konsantrasyon gradientlerine karşı taşınır. Na+-K+ pompası ile oluşturulan Na+ gradienD, memeli hücrelerinde şekerlerin, amino asitlerin ve iyonların akDf taşınımın Apikal bölgedeki taşıyıcı, bir glukoz molekülü besleyen bir enerji kaynağı sağlar. (Örn: ve iki Na+ iyonunu eşgüdümlü olarak bağlar Bağırsak epitel hücreleri taraWndan Na+ ve hücre içerisine taşır. Na+ nun enerjeMk gradienD ile gerçekleşen akDf taşıma, olarak uygun yönde taşınması glukozun glukozun bağırsak lümeninden alımından konsantrasyon gradienMne karşı alımına neden olur. sorumludur) Transport Tipleri Özet KİSTİK FİBROZİS Otozomal resesif geçişli Sıklığı yaklaşık 1/2000-3000 canlı doğum Taşıyıcılık oranı 1/25  Kistik fibrozis Kistik fibrozisin ayırıcı özelliği, ter bezleri ve solunum yolunu kaplayan hücreler dahil olmak üzere etkilenmiş epitelde klor (Cl-) taşınım bozukluğudur. ABC taşıyıcı ailesinden bir proteinini (kistik fibrosis transmembran iletim düzenleyici = cystic fibrosis transmembrane conductance regulator, CFTR) kodlayan 7.kromozomda yer alan CFTR geninin mutasyonları sonucunda ortaya çıkar.  CFTR proteini CFTR proteini, mukus, ter, tükürük, gözyaşı ve sindirim enzimleri üretmek için özelleşmiş hücrelerin zarı boyunca bir kanal görevi görür. Bu protein kanalı normalde, dokulardaki suyun hareketini kontrol etmeye yardımcı olan ve solunum yollarımızdaki ve çeşitli vücut sistemlerimizdeki mukusun ince ve serbest akışlı kalmasını sağlayan klorür iyonlarını bu hücrelerin içine taşır.  CFTR proteini KisYk fibrozise neden olan en yaygın mutasyon sonucunda bir amino asidin eksik olduğu bir klor kanalı oluşur. Bu değişiklik, CFTR klorür kanalının işlevini bozarak klorür iyonlarının ve suyun hücrelere girip çıkmasını engeller. Bu, mukus üreten hücrelerin anormal derecede kalın ve yapışkan mukus salgıladığı anlamına gelir. Bu mukus, hava yollarını ve salgı bezlerini Xkayarak kisYk fibroz semptomlarına neden olabilir.  CFTR proteini Normal havayolunda havayolu lümenine Cl − salınımımı ve birlikte Na + emilimi , Cl − salınımı azalınca ve Na + emilimi artınca dehidratasyon olur ve mukus artar. Cl- kanalının bozulması hangi organları etkiler?  Sorular 1. RNA’nın hangi özellikleri, erken evrimde kendini kopyalayan ilk molekül olduğu hipotezini destekler? 2. Mitokondrinin, ökaryotik hücrelerin öncüsü tarafından yutulan bakteri- lerden köken aldığına dair kanıtlar nelerdir? 3. Genom kompleksliği çok hücreli organizmaların gelişimi ile nasıl ilişkilidir? 4. Sinir sisteminin gelişimini incelemek için embriyonik kök hücreleri nasıl kullanırsınız? 5. Memeli hücrelerinde gen ekspresyonunu kontrol eden mekanizmaları incelemek için onları faydalı modeller haline getiren hayvan virüslerinin özellikleri nelerdir? 6. Bir proteinin hücre içindeki yerini ve hareketini incelemek için floresan etiketli antikorlara kıyasla yeşil floresan proteini (GFP) kullanmanın avantajı nedir? 7. Her ne kadar hem glikojen hem de selüloz glukoz monomerlerinden oluşsa da kimyasal olarak farklıdırlar. Hangi yönden? Bu, hücredeki işlevlerini nasıl etkiler?  Sorular 8. Yağ asitlerine kıyasla, karbohidratların hangi özellikleri suda çoz̈ ünür- lüklerini etkiler? 9. Sulu çoz̈ eltide trigliseridler çoz̈ ünmez damlacıklar oluştururken fosfolipitler neden çift tabaka oluştururlar? 10. Lipit çift-tabakanın oluşumunu yöneten hidrofobik ve hidrofilik etkile- şimleri açıklayınız. 11. Nükleik asitler için yapı taşları oluşturmanın yanı sıra nükleotitlerin hüc- rede başka hangi işlevleri vardır? 12. Protein katlanması üzerine değişik türde kimyasal bağların rolleri nedir? 13. Proteinlerin çoğunluğunda zarı geçen bölgeler neden ɑ-sarmal yapıda- dır? 14. Kolaylaştırılmış difüzyon ile aktif transport arasında ne gibi farklılık var- dır? 15. Nükleozitlerin plazma zarından nasıl geçmelerini beklersiniz?