Sitoplazma Ve Hücre Membranı

Sitoplazma

Hücreler tüm canlı organizmaların yapısal birimleridir. Te­melde iki farklı tip hücre vardır; ancak, bunlar arasındaki birçok biyokimyasal benzerlik, kimi araştırmacıları, bir gru­bun diğer gruptan geliştiği yargısına yöneltmiştir.

Prokaryotik hücre (Yun. pro, önce + katyon, çekirdek) yalnızca bakterilerde bulunur. Bu hücreler küçüktür (1-5 pm uzunluğunda), tipik olarak plazmalemmanın dışında bir hücre duvarı bulunur ve genetik materyali (DNA) hücrenin diğer elemanlardan ayıran bir çekirdek zarları yoktur. Bun­dan başka, prokaryotların DNA’larına bağlı histonları (spesi­fik bazik proteinler) da bulunmaz ve genellikle membranlı organellere de sahip değillerdir.

Bunun aksine, ökaryotik (Yun. eti, iyi, gerçek + karyon, çekirdek) hücreler daha büyüktür ve bir zar ile çevrilmiş ay­rı bir çekirdeğe sahiptir (Şekil 2-1). Histonlar genetik mater­yale bağlıdır ve sitoplazmada membranla çevrelenmiş çok sayıda organel bulunur. Bu kitapla, hemen hemen tümüyle ökaryotik hücreler anlatılmaktadır.

HÜCRESEL FARKLILAŞMA

İnsan organizması yaklaşık 200 farklı hücre tipinden oluş­muştur. Bu hücrelerin tümü, zigot denilen ve oosit ile sper­min döllenmesiyle oluşmuş tek bir hücreden türemiştir. Zi­gotun ilk hücre bölünmesi sonucunda, bir erişkinin tümünü yapabilmeyeteneğinde olan ve blastomer denilen hücreler oluşur. Hücre farklılanması denilen bu işlem sırasında, hücre özgül proteinler sentezler, şeklini değiştirir ve belli iş­levlerde oldukça etkili olmaya başlar. Örneğin; kas hücresi öncüleri, uzayarak miyofibril proteinlerini (aktin, miyozin) sentezleyen ve biriktiren iğ biçiminde bir hücre şeklini alır­lar. Bu değişimin sonucunda ortaya çıkan hücre, kimyasal enerjiyi kasılma gücüne etkili bir şekilde dönüştürür.Vücutta, temel hücresel işlevleri gerçekleştiren özelleş­miş hücreler Tablo 2-1’de gösterilmiştir

HÜCRE EKOLOJİSİ

Vücut, çevresel değişikliklere (ör; normal ve patolojik koşul­lar) ayak uydurma konusunda oldukça deneyimli olduğu için; aynı hücre tipi, farklı bölgelerde ve farklı durumlarda, farklı özellik ve davranışlar gösterebilir. Böylece, makrofaj- lar ve nötrofiller (her ikisi de fagositik savunma hücreleri­dir), oksijensiz ve iltihaplı alanlarda oksidatif metabolizma­dan glikolize kadar farklı işlevleri gerçekleştirebilirler. Yapı­sal olarak benzer görünen hücreler, işaret molekülleri (hor­monlar ve hücre dışı matriks makromolekıilleri gibi) için farklı reseptörlere sahip olduklarından, farklı reaksiyonlar verebilirler. Ya da; kimi hücreler (meme fibroblastları ve ute- rus düz kas hücreleri gibi) farklı hücreler oldukları halde, sa­hip oldukları reseptörler nedeniyle dişi seks hormonlarına karşı aynı duyarlılığı gösterirler.

HÜCRE BİLEŞENLERİ

Hücre, iki temel bölümden oluşmuştur: sitoplazma (Yun. kytos, hücre + plasnıa, şekillenmiş şey) ve çekirdek (Lat. nux, fındık). Sitoplazma bileşenleri, hematoksilen ve eozin boyasıyla hazırlanmış preparatlarda; genellikle, belirgin ola­rak ayırd edilemezler. Buna karşın, çekirdek yoğun olarak koyu mavi ya da siyah boyanmış olarak gözükür.

SİTOPLAZMA

Sitoplazmayı hücre dışındaki çevreden ayıran hücrenin en dış bileşeni plazma membranı (plazmalemma)’clır. Plaz­ma membranı (zarı) hücreyi dıştan sınırlamış olsa bile, hücrenin içi ile dışardaki ınakromoleküller arasında bir geçişim vardır. Plazma membranı, integrinler denilen proteinler içerir. İntegrinler, sitoplazmik iskelet flamentlerine ve hücre dışı moleküllere bağlıdır. Bu bağlantılar yoluyla, sitoplazma ile hücre dışı matriks arasında, her iki yönde, sürekli bir alış­veriş sağlanır. Sitoplazmanın kendisi bir sitozol ya da mat- riksten oluşmuştur. Sitozola gömülü durumda; organeller, hücre iskeleti (sitoskeleton) ile karbonhidrat, lipit ve pig­ment kalıntıları bulunur.

                                               Tablo 2-1. Bazı özelleşmiş hücrelerdeki hücresel işlevler

İşlev	Özelleşmiş Hücre(ler)
Hareket	Kas hücresi
Enzimlerin sentezi ve	Pankreas asinüs hücreleri
salgılanması
Müköz maddelerin sentezi	Müköz bez hücreleri
ve salgılanması
Steroidlerin sentezi ve	Adrenal bez, testis ve
salgılanması	ovaryumun kimi hücreleri
İyon taşınması	Böbrek ve tükürük bezi
	kanallarının hücreleri
Hücre içi sindirim	Makrofajlar ve kimi
	akyuvarlar
Fiziksel ve kimyasal	Duysal hücreler
uyarıların sinirsel
uyarılara dönüşümü
Metabolit emilimi	Bağırsak hücreleri

Ökaryotik hücrelerin sitoplazması, zarlar tarafından bir­birinden kesin bir şekilde ayrılmış, iyon ve moleküllerin hücre içi trafiğini düzenleyen, çok sayıda bölmelere ayrılır. Bu bölmeler, enzimleri ve ilgili maddeleri yoğunlaştırarak, hücrenin etkinliğini artırırlar.

Plazma membranı (zarı)

Tüm ökaryotik hücreler, fosfolipitler, kolesterol, proteinler ve oligosakkarit zincirlerinden (fosfolipit ve protein mole­küllerine kovalent bağlarla bağlı) oluşmuş sınırlayıcı zarlarla çevrilmiştir. Hücre ya da plazma zarı, belli maddelerin hüc­re içine ve dışına geçişini düzenleyen seçici bir engel olarak işlev görür ve özgül moleküllerin taşınmasını kolaylaştırır. Hücre membranının önemli bir rolü de, hücre dışındaki sı­vıdan farklı olan hücre İçi ortamı sabit tutmaktır. Zarlar aynı zamanda, çok sayıda özgün tanıma ve düzenleme işlevini de (daha sonra tartışılacaktır) yürüterek, hücrenin çevresiyle ilişkisi yönünden önemli bir rol üstlenirler.

Zarların kalınlığı 7.5-10 nm arasında değişir ve bu ne­denle yalnızca elektron mikroskobunda görülebilirler. Elekt­ron mikroskobik fotoğraflar, plazmalemmanın -ve bunun gi­bi hemen hemen tüm diğer organel zarlarının- osmiyum tet- roksitle tespit edildikten sonra üç tabakalı bir yapı gösterdi­ğini ortaya koymaktadır (Şekil 2-1). Tüm zarlar bu görünüm­de oldukları için, bu üç tabakalı yapıya ünit membran (birim zar) (Şekil 2-2) denir. Elektron mikroskobunda üç tabakalı görünmesinin nedeni, indirgenen osmiyumun, lipit tabakasının her iki tarafında bulunan hidrofilik gruplarda çö­kelmesidir.

Fosfatidilkolin (lesitin) ve fosfatidiletanolamin (sefalin) gibi membran fosfolipitleri; elektriksel olarak yüklü (hidrofi­lik) bir baş bölümü ile buna bağlanmış nonpolar (hidrofo- bik) iki uzun hidrokarbon zincirinden oluşmuşlardır. Koles­terol de hücre zarının bir bileşenidir. Zar İçindeki lipitlerin en kararlı oldukları durum, hidrofobik (nonpolar) zincirleri zarın merkezine, hidrofilik (yüklü) baş bölümleri ise dışa doğru olacak şekilde oluşturdukları çift tabaka düzenidir (Şekil 2-1). Kolesterol, sıkıca paketlenmiş olan uzun fosfoli­pit zincirlerini kırar; bu bozulma, zarı daha akışkan yapar. Hücre, kolesterol miktarı aracılığıyla zar akışkanlığını kont­rol eder. İki tabakanın her birindeki lipit yapısı farklıdır. Ör­neğin; eritrositlerde fosfatidilkolin ve sfingomiyelin ölçüsü zarın dış yarımında, fosfatidilserin ve fosfatidiletanolamin miktarı ise iç yarımında daha çoktur. Glikolipitler denilen ve oligasakkarit zincirlerine sahip olan kimi lipitler, hücre zarın­dan dışarı uzanarak lipitlerdeki asimetrik yapıya katkıda bu­lunurlar (Şekil 2-3A ve 2-4).

Zarların başlıca moleküler bileşeni olan proteinler (plaz­ma zarında yaklaşık %50 ağırlık/ağırlık) iki gruba ayrılabilir­ler. Bunlar; doğrudan lipit tabakası içinde gömülü olan in- tegral proteinler ve zar yüzeyine gevşek olarak bağlanmış periferik (çevresel) proteinlerdir. Gevşek olarak bağla­nan periferik proteinler tuz çözeltileri ile hücre zarlarından kolayca çıkartılabilirler. İntegral proteinler ise ancak deter­janların kullanıldığı daha etkili yöntemlerle çıkartılabilirler. Kimi integral proteinler zarı bir taraftan diğer tarafa bir ya da birkaç kez geçer. Bu nedenle de bunlara; bir geçişli ya da çok geçişli transmembran proteinleri (zarı kateden pro­teinler) denir (Şekil 2-4).

Dondurma-kırma yöntemiyle yapılan elektron mikrosko­bik çalışmalar, birçok tamamlayıcı proteinin lipit molekülle­ri arasına yerleşmiş küremsi moleküller şeklinde dağıldığını göstermiştir (Şekil 2-3B). Bu proteinlerin kimileri çift tabaka­lı lipit içine kısmen gömülmüşlerdir; bu nedenle ya iç ya da dış yüzeyde çıkıntı yaparlar. Diğer proteinler ise iki lipit ta­bakasını da boydan boya geçecek kadar büyüktürler ve her iki yüzeyde de çıkıntı oluştururlar (transmembran proteinle­ri). Glİkoprotein ve glikolipitlerin karbonhidrat bölümleri, plazma zarının dış yüzeyinden uzanırlar; bunlar, reseptör (almaç) denilen özgül moleküllerin önemli bir bileşenidir­ler. Reseptörler, hücrelerin yapışması, hücre tanınması ve protein hormonlara yanıt verme gibi önemli etkileşimlere katılırlar. Lipitlerde olduğu gibi, proteinlerin de hücre zarı­nın her iki yüzeyindeki dağılımı farklıdır. Bu nedenle, hüc­redeki tüm zarlar asimetriktir.

Çift tabakalı lipit içinde proteinlerin integrasyonu; başlı­ca, lipitler ile tamamlayıcı proteinlerin dış kabuğundaki nonpolar amino asitler arasındaki hidrofobik etkileşim so­nucu sağlanır. Kimi integral proteinler bulundukları yere çok sıkı bir şekilde bağlanmamıştır ve hücre membranında hareket edebilir (Şekil 2-5). Ancak, lipitlerin tersine, memb- ran proteinlerinin çoğunun yanlara doğru yayılması, kendi­lerine bağlı olan hücre iskeleti elemanları nedeniyle sınırlı­dır. Epitel hücrelerinin çoğunda, sıkı bağlantılar (Bölüm -i’e bakınız) tamamlayıcı proteinlerinin yanlara doğru yayılma­sını ve halta dış yaprağın zar lipitlerinin de yayılmasını en­geller.

                                                                                                      SiVl-FAZ PİNOSİTOZ

Sıvı-faz pinositozda, hücre zarında küçük bir icekıvrım olu­şur ve bu içekıvrılma hücre dışı sıvıyı ve içindeki eriyikleri içine alır. Pinositotik veziküller (yaklaşık 80 nm çapında), hücre yüzeyinden koparak ayrılırlar (Şekil 4-24) ve genellik­le lizozomlarla birleşirler (bu bölümün daha sonraki lizo- zomlar alt bölümüne bakınız). Bununla beraber, kapillerleri döşeyen hücrelerde (endotel hücreleri) pinositotik vezikül­ler, oluştukları yüzeyden ayrıldıktan sonra, karşı yüzeye do­ğu hareket edebilirler. Burada plazma membranıyla birleşir ve içeriklerini hücre yüzeyine salarlar; böylece, maddelerin kütle halinde hücre boyunca taşınması sağlanmış olur (Şekil 11-4).

Reseptör Aracili Endosİtoz

Hücre yüzeyinde, düşük yoğunluklu lipoproteinler ve prote­in hormonlar gibi birçok madde için reseptörler vardır. Re­septörler aslında tüm yüzeye yayılmış durumdadır; ancak, öz­gül bölgelerde toplanarak kaplı çukurlar denilen bölgeleri oluştururlar. Ligant (reseptöre karşı büyük bir birleşme eğili­mi olan moleküD’ın reseptörüne bağlanması, yayılmış durum­da bulunan reseptörlerin kaplı veziküllerde toplanmasına ne­den olur (Şekil 2-7). Zarın sitoplazmik yüzeyindeki kılıflaşma birkaç polipeptitden oluşmuştur, bunların en önemlilerinden birisi de klatrin dir. Kaplı çukur, sitoplazmaya doğru çöker ve hücre zarından koparak ayrılır ve ligant ile reseptörü hücre içine taşıyan kaplı vezikiilü oluşturur.

Daha sonra, kaplı vezikül klatrin kılıfını kaybeder endo- zom (Şekil 2-7) ile birleşir. Endozom, sitozolde yerleşik hüc­re yüzeyine yakın (genç endozom) ya da sitoplazmanın de­rinlerinde (yaşlı endozom) bulunan vezikül ve tübül sistemi­dir. Bunlar birlikte endozomal kompartıman’ı oluşturur­lar. Genç ve yaşlı endozomların ayrı bölmeler mi olduğu; yoksa, birinin diğerinin öncüsü mü olduğu hala soru işare­tidir. Tüm endozomların zarında, endozomun içinin asidite- sini sağlayacak, ATP-güdülü H⁺ pompası bulunur. Klatrin molekülleri kaplı veziküllerden ayrılırlar ve yeni kaplı çu­kurların oluşumuna katılmak için hücre zarına geri dönerler.

Endozomlara geçen moleküller birden çok yol izleyebi­lirler (Şekil 2-7). Endozomun asidik pH’sı tarafından ligant- lanndan ayrılmış olan reseptörler, yeniden kullanılmak için hücre membranına dönebilirler. Örneğin; düşük yoğunluklu lipoprotein reseptörler (Şekil 2-8) birçok defa yeniden kul­lanılırlar. Ligantlar genellikle yaşlı endozomlara taşınırlar. Bununla beraber, kimi ligantlar, yeniden kullanılmak için, hücre dışı ortama dönerler. Demir-taşıyan protein olan trans­ferin, bu olaya bir örnektir.

Sözcük anlamı “hücrenin yemesi” olan fagositoz, “hücre­nin içmesi" anlamına gelen pinositoza benzetilebilir. Makro- faj ve polimorfonüklear lökosit gibi belli hücre tipleri; ya­bancı bakteri, protozoa, mantar, haraplanmış hücre ve hüc­re dışı gereksiz maddeleri alıp, yok etmek için özelleşmiş hücrelerdir. Örneğin; bir bakteri makrofajın yüzeyi ile temas ettikten sonra makrofajın sitoplazmik uzantıları bakteriyi tü­müyle sarmalar. Bu uzantıların kenarları kaynaştığında, bak­teri hücre içi fagozoma hapsedilmiş olur.

Ekzositoz, membranla çevrili bir yapının plazma memb- ranı ile kaynaşmasını ve içeriğini, plazma membranmın bü­tünlüğü bozulmaksızın, hücre dışı aralığa boşaltmasıyla so­nuçlanan işlemi tanımlamak için kullanılan bir terimdir. Ek- zokrin pankreas ve tükrük bezlerinde olduğu gibi, salgı ya­pıcı hücrelerde biriktirilen ürünlerin boşaltımı bu işlemin ti­pik bir örneğidir (Şekil 4-26). Ekzositozda membranların kaynaşması karmaşık bir olaydır. Hücre membranları yüksek yoğunlukta negatif yüklü (fosfolipitlerin fosfat rezidüleri) ol­duğundan, birbirlerine çok yakınlaşan membranla çevrili ya­pılar birleşmezler; hatta, birleşmeyi kolaylaştıracak özgül bir etkileşim olmadıkça birbirlerini iterler. Bu nedenle, ekzosi­tozda çok sayıda özgül protein aracılık yapar. Bu işlemi ge­nellikle, Ca²⁺ düzenler. Örneğin; sitozolde Ca²⁺ miktarının artması, ekzositozu tetikler.

Endositoz sırasında, hücre zarının bu bölümü endosito- tik vezikül oluşturur; ekzositoz sırasında ise membran hüc­re yüzeyine geri döner. Bu olaya membran trafiği denir (Şekil 2-7 ve 2-8). Birçok sistemde, zarlar korunur ve endo- sitozun tekrarlanan döngüsünde birkaç kez yeniden kullanı­lırlar.

Sinyallerin (İşaretlerin) Alınması

Çok hücreli organizmalarda hücreler; doku içindeki gelişmele­rini düzenlemek, büyümeleri ile bölünmelerini kontrol etmek ve işlevlerini sürdürmek için birbirleriyle haberleşmek zorun- dadırlar. Birçok hücre; komşu hücreyle birleşen, iyon ve kü­çük moleküllerin karşılıklı alışverişine izin veren haberleşme bağlantıları kurar (4. Bölüme bakınız). İşaretler, aralıklı bağlan­tı da denilen bu kanallardan, hücre dışı sıvıyla temas etmeden doğaldan hücreden hücreye geçer. Bunun olmadığı durumlar­da; hücre, diğer hücreleri doğnıdan fiziksel temasla etkileyen, membrana bağlı işaret moleküllerini kullanır.

Hücre dışı işaret molekülleri ya da haberciler, hücreler arasında üç tip haberleşmeye aracılık ederler. Endokrin işarette, hormonlar kanla tüm vücuttaki hedef dokulara ta­şınırlar; parakrin işarette, kimyasal aracılar hızla metaboli­ze olduklarından yalnızca yakın çevredeki hücrelere etki ederler; sinaptik işarette ise, nörotransmiterler yalnızca si- naps denilen özel temas bölgeleri üzerinden komşu sinir hücrelerini etkilerler (9. Bölüme bakınız). Kimi durumda; parakrin sinyal, haberci molekülü üreten aynı hücre tipi üze­rine etki eder. Bu olaya otokrin işaret denir. Vücuttaki her hücre tipi, önceden özel bir şekilde programlanmış ve ken­disine gelen işaretlere farklı şekilde yanıt verme yeteneğin­de olan reseptör proteinleri içerir (Şekil 2-9).

İşaret moleküllerinin sudaki eriyebilirlikleri de farklıdır. Steroid ve tiroid hormonları gibi küçük hidrofobik işaret molekülleri, hedef hücrenin plazma membranını difüzyon- la geçerler ve hücre içindeki reseptör proteinlerini etkinleşti- rirler. Bunun aksine, nörotransmiterler, çoğu hormonlar, ye­rel kimyasal aracılar gibi hidrofîlik haberleşme molekül­leri, hedef hücrelerin yüzeyindeki reseptör proteinlerini et- kinleştirirler. Hücre zarında yer alan bu reseptörler; haberi,varacağı en son noktaya (ya sitoplazma ya da çekirdek) ilet­mek için, bir dizi hücre içi aracıya aktarırlar. Çok sayıda hüc­reler arası hidrofîlik haberci, işareti reseptörden hücrenin ge­ri kalan tümüne aktarabilmek için membran proteinlerine ge­rek duyar. Bunlar içinde en iyi bilineni, guanin nükleotidine bağlandığı için, G proteinleri denilen proteinlerdir. Birincil haberci (hormon, nörotransmitter, panıkrin işaret) reseptöre bağlandığında, reseptörün yapısında, bu duruma uyum sağ­layacak yönde, bir değişiklik olur ve değişime uğrayan re­septör, G protein-guanozin difosfat kompleksini etkinleştirir (Şekil 2-10). Guanozin difosfat, guanozin trifosfat ile yer de­ğiştirir; bu değişim sonucunda, G proteininin a alt birimi ser­bestleşir. a alt birimi de efektör denilen membrana bağlı di­ğer aracılar üzerine etki eder. Genellikle, etkisi İşlevsiz öncül molekülü işlevli ikincil haberciye dönüştüren bir enzimdir. İkincil haberci, tüm sitoplazmaya yayılabilir ve işareti hücre membranının ötesine taşır; böylece, hücre davranışında deği­şime neden olacak bir dizi moleküler etkilenme başlatır. Ör­neğin; Tablo 2-2’de verilen örnekler çeşitli dokularda bulu­nan G proteinlerinin farklılığını ve önemli hücre işlevlerini düzenlemedeki rollerini göstermektedir.

Steroid hormonlar, küçük hidrofobik (yağda eriyen) mole­küllerdir ve plazmadaki taşıyıcı moleküllere geri dönüşümlü olarak bağlanarak kan içinde taşınırlar. Taşıyıcı proteinlerin­den ayrıldıktan sonra, hedef hücrenin plazma membranmm lipitlerini geçerler ve sitoplazma ya da çekirdekteki özgül steroid hormon reseptör proteinlerine geri dönüşümlü ola­rak bağlanırlar. Hormonun bağlanması reseptörü etkinleşti­rerek, onun özgül DNA dizisine yüksek bir çekimle bağlan­masını sağlar. Yüksek afiniteli bu bağlanma; genellikle, öz­gül genlerin yaptıkları transkripsiyon miktarını artırır. Her bir steroid hormon, homolog reseptör protein ailesinin farklı bir üyesi tarafından tanınır. Tİroİd hormonları, hücre içi resep­törler üzerine etki eden değişmiş yağtutan amİno asitlerdir.