HÜCRE ORGANELLERİ VE MEMBRAN YAPILARI

Doç.Dr. Remisa GELİŞGEN

PLAZMA MEMBRAN YAPISIHücre Membranlarının Özellikleri

Hücre içini dış ortamdan ve hücre içi organelleri sitoplazmadan membranlar ayırmaktadır.Plazma membranı , hücreye yapısal ve mekanik bütünlük sağlayan seçici geçirgen bir yapıdır.Membranlar hücre içinde kompartımanlar oluşturur. İntrasellüler membranlar , mitokondriler , endoplazmik retikulum , golgi aygıtı ,lizozomlar , salgı vesikülleri ve nukleus gibi birbirinden yapısal olarak ayırt edilebilen birçok yapı ( organel ) oluşturur. Membranlar visköz ancak esnek yapılardır.

Lipidler, proteinler ve az miktarda glikoprotein ve glikolipid yapısında karbohidratlardan oluşur.

Membranlar bir iç ve bir dış yüzeye sahip asimetrik çift tabaka şeklinde yapılardır.

Bu tabaka şeklindeki yapılar termodinamik olarak kararlıve metabolik olarak aktif olup , nonkovalan bir yolla bir araya gelmişlerdir (nonkovalan oluşum) .

Membranların yapısı , organizmalar arası, hücrelerarasıve organeller arası farklılık gösterir.Farklı fonksiyon : farklı yapı

Yapıda değişim : fonksiyonda değişim

Hücre Organellerinin Fonksiyonları

NukleusDNA sentezi ve onarımıRNA sentezi

NukleolusRNA’nın işlenmesi ve ribozom sentezi

Endoplazmik RetikulumMembran senteziProtein ve lipid sentezi (organeller ve salgılanacak moleküller)Lipid ve steroid sentezi (hidroksilasyon ve desatürasyon)Detoksifikasyon

Golgi Aygıtı

Proteinlerin işlenmeleri ve etiketlenmeleri (membranlar,organeller ve salgılanacak moleküller)Proteinlerin salgılanmalarıEndomembranöz kompartman

Mitokondri

ATP oluşumuHücresel solunumKarbohidratların ve lipidlerin oksidasyonu (TCA siklusu, yağ asidi βoksidasyonu,amino asit oksidasyonu,oksidatif fosforilasyon)Üre ve hem sentezi

LizozomHücresel sindirim,protein,karbohidrat ve nükleik asitlerin sindirimi

PeroksizomYağ asidi oksidasyonuO2 ile oksidatif reaksiyonlarH2O2 kullanımı

Mikrotübuluslar,ara filamentler ve mikrofilamentlerHücre iskeletiHücre morfolojisiHücre hareketiHücre içi hareket (transport)

SitozolKarbohidrat,lipid,amino asit ve nükleotidlerin metabolizmalarıgerçekleşir.Protein sentezi

Plazma Membranının Fonksiyonları

Bariyer Selektif PermeabiliteEndositoz , eksositoz , gap junctionReseptörler ve sinyal iletimiTanıma ve hücreler arası etkileşim

Hücrenin şekil ve hareketi(örn.amiboid hareket)

Plazma membranı ,akışkan mozaik model

Lipidler ve proteinler membranda, Singer ve Nicolson ( 1972 ) tarafından akışkan mozaik modeli olarak tanımlanan bir düzende yerleşmektedir.Bu modele göre , plazma membranının temel yapısını fosfolipid çift tabakası oluşturmakta , proteinler bu yapıya gömülmüş veya lipid çift tabakanın iç veya dış yüzeyine tutunmuş halde bulunmaktadır.

Hücre membranının bileşimleri

Membran Protein Lipid Karbohidrat

Myelin 20 75 5Eritrosit 49 43 8Karaciğer ( p.m.) 54 39 7Dış mitokondri 50 46 4İç mitokondri 75 23 2

Membranlardaki protein / lipid oranları birbirinde farklılık gösterir.

Membran Lipidleri

3 temel lipid komponenti bulunmaktadır.

FosfolipidlerGliserofosfolipidler ( Fosfoaçilgliseroller , Fosfogliseridler )Sfingofosfolipidler ( Sfingomiyelin )

GlikosfingolipidlerSerebrozidlerGangliozidler

Kolesterol (serbest kolesterol)Plazma membranında yüksek oranda Akışkanlık Lipoid matriksle fiziksel etkileşimProteolipidler

Amfipatik lipidler

Membran yapısında bulunan lipidleramfipatik özelliktedirPolar , hidrofilik ve nonpolar hidrofobikgruplar içerirler.Polar , hidrofilik gruplar baş kısmını , hidrofobik gruplar ise kuyruk kısmınıoluştururlar.

Membran lipidlerinin hidrofobik ve hidrofilik grupları :

Hidrofilik grupları :

Fosfolipidlerin polar başları ( fosforil – alkol )Sfingomiyelinlerin , fosforil kolin grubuKolesterolün 3. karbonundaki –OH grubuGlikolipidlerin şekerleri

Hidrofobik ( lipofilik ) grupları :

Fosfogliseridlerde yağ asidlerinin hidrokarbon zincirleriKolesterolün steran halkasıSfingomiyelinlerde sfingozin ve yağ açil zinciri

Lipid tabakaları kovalent olmayan etkileşimler ile bir arada tutulmaktadır.

Membranda kolesterolün yerleşimi

Kolesterol lipid çift tabakada fosfolipid molekülleri arasına yerleşmiştir.Yapıdaki tek polar grup olan hidroksil grubu sulu ortama doğru yönelmiş ve fosfolipidlerin yüklü baş gruplarıile etkileşimdedir.Polar olmayan steroid çekirdeği ve hidrokarbon zinciri ise fosfolipidlerin hidrokarbon kuyruklarıarasında bulunur.Lipoid matriks ile fiziksel etkileşimegirer.Plazma membranındaki kolesterolün tamamı serbest kolesteroldür.Kolesterol lipid çift tabakaya kovalent bağlarla tutunmadığıiçin , plazma membranından içeriye ve dışarıya serbestçe hareket edebilir.bu özelliği nedeniyle kolesterol plazma lipoproteinlerine ya da lipoproteinlerden membranaaktarılabilmektedir.Kolesterol membran akışkanlığını düzenler ; artırabilir ya da azaltabilir.

Membran Proteinleri

Major fonksiyonel moleküllerEnzim

D-β-hidroksibütirat dehidrogenaz / fosfatidil kolinNa+ K+ATPaz / kolesterol

KanalYapısal komponentAntijenReseptör

Asetil kolin reseptörleri / kolesterolPlazma membranı > 100 çeşitSarkoplazmik retikulum membran < 12 çeşit

İntegral proteinler

Lipid tabakalara gömülü/transmembran ( alfa-heliks yapı ) yerleşim gösterirler.Fosfolipidlerle sıkı etkileşimdedirler.Deterjanlarla ( SDS , deoksikolat , Triton X 100 ) veya organik çözücülerle izole edilirler.

Eritrosit membranı integral proteinleriÖrneğin; anyon kanal proteini

glikoforin ( integral glikoprotein yapılı protein )Hücrelerarası etkileşimlerde rol alan integralproteinlerÖrneğin ; integrinler , kadherinler , selektinler , immunoglobulin benzeri moleküller

Periferal proteinler

Lipid çift tabakasının hücre içi ve dışı temasta olan yüzeylerine bağlıdır.İntegral proteinlere zayıf bağlıdır

Elektrostatik ve hidrojen bağları ile Fosfolipidlere elektrostatik bağlıdır. Hidrofobik etkileşim yoktur.Yüksek konsantrasyonda tuz,asid,alkali,üre çözeltileri ile izole edilir.Örneğin anyon kanal proteini ( band 3 ) , ankyrin

Enzimler membranları işaretler

Plazma membranı ; 5’-Nukleotidaz,adenilsiklaz,Na+K+ATPazEndoplazmik retikulum ; Glukoz 6-fosfatazGolgi ; cis: GlcNAc transferaz Imedyal ; Golgi mannozidaz IItrans:Galaktozil transferazTGN:Sialil transferaz

Membran karbohidratları

Glikoprotein veya glikolipid yapısında bulunur.Glukoz,galaktoz,mannoz,fukoz,N-asetilgalaktozamin,sialikasit en sık bulunan karbohidrat birimleridir.Sialik asit , oligosakkarid zincirinin en ucunda bulunur , membranyüzeyine negatif yük kazandırır ve negatif yük hücreler arasınonspesifik agregasyonu önler.Karbohidratlar daima membranın dış ortama bakan yüzeyine yerleşirler.Asimetrik yerleşim Hücre yüzeyine antijenik özellik kazandırırlar.Hücrelerin birbirini tanımaları ve adhezyonda rol alırlar.Proteinin katlanması , hücre yüzeyine transportu , reseptör fonksiyonları

Membran bileşenlerinin hareketleri

Rotasyonel difüzyon : Lipid çift tabakada fosfolipid molekülünün yağ asidi hidrokarbon zincirlerinin C-C bağları etrafında dönmesiTransvers mobilite ( transvers difüzyon,flip-flop ) : Lipidçift tabakada molekül bir tabakadan diğerine geçer.Flip flopçok nadir ve yavaştır.Lateral mobilite ( lateral difüzyon ) : Aynı tabaka içinde hızla yana doğru hareket

Bu hareketlerin gerçekleşebilmesi için membranınakışkan olması gerekir.

Akışkanlık

Lipid bileşimine ve temparatüre bağlıdır.Lipid çift tabaka içindeki hidrokarbon zincirlerinin hareket derecesi membranakışkanlığı olarak adlandırılır.Membran lipidlerinin bileşimi ve temparatür membranın akışkanlığını etkiler.

Lipid bileşimi

Yağ asidi hidrokarbon zinciri karbon sayısı arttıkça akışkanlık azalır , doymamışlık derecesi arttıkça akışkanlık artar , cis konfigürasyonu akışkanlığı artırır.Kısa zincirli ve doymamış yağ asidleri membranı daha akıcı hale getirirken , uzun zincirli ve doymuş yağ asidlerimembran akışkanlığını azaltır.Kolesterol:modülatör doymamış yağ asidleri arasında : akışkanlığı azaltırdoymuş yağ asidleri arasında : akışkanlığı arttırır.

Temperatür

Temparatür arttıkça membran akışkanlığı artarken , düşük temparatürlerde akışkanlık azalır.Jel-kristallin likid kristallin : transisyon temparatürü ( Tm )Vücut ısısında ; likid zeminde jelöz bölgelerYüksek kolesterol , yüksek sfingomiyelin , yüksek doymuş yağ asidi : jelAynı membranda özellikleri farklı olan bölgelerPermeabilite , transport ve reseptör fonksiyonları için akışkanlık gerekir.Akışkanlık arttıkça permeabilite artar.Gap junction ve tight junctionlar akışkanlığı azaltır.

Membran asimetrisi

İç- dış ( transvers ) asimetri

Fosfolipidler :Kolin içeren fosfolipidler ( Fosfatidilkolin , sfingomiyelin ) membranın dış tabakasında , Aminofosfolipidler ( fosfatidiletanolamin , fosfatidilserin ) membranın iç tabakasında yer alır. Lateral mobiliteleri hızlı , asimetrik yerleşimleri nedeni ile transvers mobiliteleri ( flip flop ) yavaş

Proteinler : Membranların iç veya dış kısmında yer alan spesifik enzimlerKarbohidratlar : Membranın dış ortama bakan tarafına yerleşir.

Fosfolipid asimetrisini sağlayan taşıyıcılar :Flippaz,Floppaz,Skramblaz

Bölgesel asimetri

Gap junction ve tight junctionSinapslarMukoza hücrelerinde villuslar

Fonksiyonel asimetri

Na+ K+ -ATPaz – plazma membranında

Lipozomlar

- Sentetik membran sistemleridir.- Lipid bileşimi ve membran özellikleri arasındaki ilişkilerin araştırılması

- Protein fonksiyonu için gerekli protein veya lipidlerinaraştırılması

- Çevresel koşulların membran fonksiyonları üzerine etkilerinin araştırılması

- Antibiyotik , antineoplastik , antimalariyal , antiviral, antifungal , antiinflamatuar ilaçlar , enzimler ve genlerin paketlenmeleri

- Antikorlu lipozomlar ile dokuların hedeflenmeleri

Membran Transport Sistemleri

Taşınacak bileşiğin özelliklerine göre sınıflandırma

Küçük moleküllerin geçişiBasit difüzyonKolaylaştırılmış difüzyonAktif transport

Büyük moleküllerin geçişiEndositoz

Eksositoz

Taşıyıcı protein varlığına göre sınıflandırma1 . Aracısız transport

Basit difüzyon2 . Aracılı transport

Kolaylaştırılmış difüzyon : transport proteinler , kanallar : voltaj against , cAMP bağımlı

Aktif transportPrimer aktif transport : pompalarSekonder aktif transport : pompalar ve transport proteinler

Grup translokasyonu

Basit difüzyonKonsantrasyon gradyanı yönünde

Kolaylaştırılmış difüzyonElektrokimyasal gradyan yönünde

Aktif transportElektrokimyasal gradyana karşı

Transport : uniport / kotransport

Transport sistemleri hareket eden moleküllerin sayısı ve hareket yönüne göre tanımlanabilir.Uniport sistemi , bir tip molekülü çift yönde hareket ettirir.Kotransport sistemlerinde , bir solütün membranboyunca taşınması , bir diğer solütün eş zamanlı veya ardışık taşınmasına bağımlıdır ; Simport sistemi : Solütleri aynı yönde hareket ettirir.Antiport sistemi : İki molekülü zıt yönde hareket ettirir.

Yarı geçirgen ( semipermeable ) membrandan basit difüzyon

O2 , N2 , CH4 , NO gibi nonpolar , küçük ve yüksüz gazlar membranlardan konsantrasyon gradyanı yönünde kolayca difüzeolurlar.Üre , etanol , küçük organik asidler : polar ama yüksüzLipofilik bileşikler membranlardan lipide çözünme dereceleri , şekil ve boyutlarına bağlı olarak difüze olabilirler.Su : polar ama yüksüz ve 55 M : osmosHızlı su geçişi akuaporinler ( hidrofilik transmembran kanallar )

İyonlar membranlardaki porlardan geçebilir.Katyonlar – yükle , anyonlar + yükle çevrelenmiş porlardan geçebilir.Membranı yüksüz moleküller daha kolay geçer.Tek yük taşıyanlar , iki yük taşıyanlardan daha kolay geçer.Monovalent > divalent > trivalentpH elektrolitlerin iyonizasyon derecelerini etkiler.İyonların hidratasyon küreleriLi , Na , K iyonlarının difüzyon hızları : K+ > Na+ > Li+Şekerler ve anorganik iyonlar gibi polar , hidrofilikbileşikler ise çok yavaş difüze olur.Plazma membranının geçirgenliği , permeabilite kofisientiBasit difüzyon ile transport hızı , solüt konsantrasyonu ile doğru orantılıdır.

Kolaylaştırılmış difüzyon

Doygunluk kinetiği ( Vmax , Kt ) gösterir.ÖzgünlükYarışmalı inhibisyona uğrar.Konsantrasyon gradyanı yönünde hareket , iki yönlüEnerji harcamı yok

Kolaylaştırılmış difüzyona örnekler:Glukoz taşıyıcı proteinler

Doku FonksiyonuGLUT1 beyin,böbrek,plasenta,eritrosit,kas,kalp glukozun alınımı

GLUT2 karaciğer,pankreas β hücreleri glukozun hızlıince barsak,böbrek alınımı ve serbestleşmesi

GLUT3 beyin,böbrek,plasenta glukozun alınımı

GLUT4 kalp ve iskelet kası,yağ dokusu insülin ile stimüleedilen glukoz alınımı

GLUT5 ince barsak glukozun emilimi

SGLT1 ince barsak ve böbrek (sodyum bağımlı glukoz transport protein : sekonder aktif transport )ince barsak lümeninden glukozun aktif

alınımıböbrek proksimal tubulusundan glukozungeri emilimi

GluT1:Eritrositte glukoz transportu , GluT 1 aracılıkolaylaştırılmış difüzyon ile gerçekleştirilir.Uniport sistem ile taşınır.Basit difüzyondan 50.000 kat daha hızlıD-glukoz için afinitesi yüksek olup , diğer şekerler için afinitesi çok daha düşüktür.

D- glukoz Kt : 1.5mM , glisemi 4-5 mML - glukoz Kt > 3000 mMD - mannoz Kt : 20 mMD- galaktoz Kt : 30 mM

- İyon kanalları

Transmembran oligomerik proteinlerÇoğunlukla bir iyon için selektifDifüzyon hızına yakın hız:106-107 /s, doygunluk yok (hızlarıyüksek konantrasyonuda maksimuma ulaşmaz)Voltaj (Na+ iyon kanalı) ve ligand (asetil kolin reseptörleri) kapılıYüksek derecede korunmuş yapıHücrelerin çoğunda Na+ , K+ , Ca2+ , Cl- iyon kanallarıKodlayan genlerde mutasyon HastalıkAktivitelerini bazı ilaçlar etkiler.

- Anyon kanal proteini

Eritrositlerde anyon kanal proteini ( Band 3 ) , Cl- ve HCO3- ‘ ınkolaylaştırılmış difüzyon , antiport sistem ile taşınmasını sağlar.

Aktif transport

Doygunluk kinetiği gösterir.Özgünlük gösterir.İnhibisyona uğrar.Konsantrasyon gradyanına karşıEnerji harcamı var.

Aktif transport tipleri:

Primer aktif transport (Na+ K+ ATPaz : Na+ K+ transportu)Sekonder aktif transportNa+/glukoz simportu (SGLT,Na+ bağımlıglukoz emilimi)Na+/aminoasit simportuCa+2/Na+ antiportu

Primer aktif transport mekanizmaları

ATP az’ lar

-F-ATPaz : H+ ATPazMitokondri iç membranı,FoFı ATPaz,ATP sentezi.H+ elektrokimyasal gradyanı oluşturur ve kullanır.Enerji kenetleyen faktörler-V-ATPaz : H+ ATPazLizozom ,endozomlar,golgi ve sekretuvar vesiküllerinasidlendirilmesinden sorumlu proton pompalarıdır.Plazma membranı:kemiğin yeniden şekillendirilmesi,idrarın asitlendirilmesiVakuolar

-P-ATPaz : Siklik fosforilasyon/defosforilasyon,vanadatinhibisyonu

Na+ - K+ ATPaz : Hücrelerin plazma membranlarında , böbrek ve kalpH+ - K+ ATPaz : mide,periteral hücreCa+2 ATPaz : sarkoplazmik retikulum ve ERCa+2 ATPaz : plazma membranı,sarkoplazmaCu+2 ATPaz : plazma membranı ve sitoplazmikvesiküller,barsaktan absorbsiyon ve karaciğerden atılım

-ABC transport proteinler

Na+ K + ATPaz pompası

Na +K +ATPaz tarafından hidroliz edilen her bir ATP başına üç Na+ iyonu hücre içinden dış ortama , iki K+

iyonu hücre dışından hücre içine transport edilir.

Na+ K + ATPaz’ ın inhibisyonu

Kardiyak glikozidler:steroid türevi digoksin,ouabainKronik kalp yetmezliği tedavisinde kullanılır.Na+ - K+ ATPaz intrasellüler Na+ Na+ - Ca+2 ATPaz antiportuSitoplazmik Ca +2

Kalp kası kuvvetle kasılır.

Ca+2 ATPaz

Sitozolde [Ca+2 ] ~100nM:10-7 MPi , PPi ~mMCa3PO4 ‘ın çökme tehlikesi!Letal! Plazma membranında Ca+2 pompasıER ve sarkoplazmik retikulumda Ca +2 pompaları(SERCA)2 Ca+2 /ATP (her ATP hidrolizi ile 2 Ca +2 hücre dışına pompalanır.)Kalsekestrin (kalsiyum bağlayıcı protein)

Antibiyotikler ve permeabilitePeptid antibiyotikler

Mobil iyon taşıyıcısı : valinomisinTransmembran kanal : gramisidin

Polien antibiyotikler(amfoterisin B,nistatin)

Valiomisin:K+ iyonoforuATP sentezinde kenetlenmeyi bozar.

ABC Transport Proteinler

ABC:ATP binding cassetteATP bağlayıcı bölgeleri çok iyi korunmuşproteinler:>30;8 aileSubstrat spesifiteleri genişİyonlar,ağır metaller,şekerler,ilaçlar,amino asitler,peptidler ve proteinlerin transportunda rol oynarlar.Kanal,transport protein veya reseptör fonksiyonlu olabilirler.ATP’ye bağımlıdırlar.

ABC Transport Proteinler

P-glikoproteinler : plazma membranı

Çok çeşitli hidrofobik ilaç ve doğal lipid analoglarının(fosfatidil kolin) ksenobiyotiklerin hücre dışına transportuMultidrug resistance associated proteins (MRPs) : aşırısentez tümör hücrelerinin ilaçlara karşı direncini sağlar.Kolesterolün hücre dışına transportu,safra asitlerinin karaciğer kanaliküler membranından transportu

Sulfonilüre reseptörü : ATP’e duyarlı K+ kanalıATP/sulfonilüre bağlanması kanalı kapatır…depolarizasyon, Ca+2

ve insülin salgılanır.

Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR)ABC transport protein ailesinin bir üyesiCl- için spesifik bir iyon kanalı : Hava yolları ve mide-barsak sistemi eksokrin bezlerinde epitel hücre membranından tuz ve sıvı geçişini sağlar.5 alt birim : 2 transmembran , 2 ATP bağlayıcı , 1 düzenleyici ( cAMP bağımlı )ATP bağlayıcı alt birimde Phe 508 delesyonu kanal disfonksiyonu kistik fibroz

Grup Translokasyonu:Gama glutamil siklusu

Beyin , böbrek, barsak epitel hücreleriGama glutamil transpeptidaz (GGT) ve GSH Amino asidlerin sekonder aktif transportlarına göre çok enerji3 ATP / amino asitHızlı ve yüksek kapasiteliProlin dışında diğer amino asidler

EndositozEndositik vesikül oluşumuEnerji ( ATP )

Fagositoz : makrofaj ve granülositlervirus , bakteri , hücre...Pinositoz : sıvı faz pinositoz : seçici değil

absortif pinositoz : reseptör aracılı (klatrin kaplı çukur) Eksositoz

Genellikle hormonal uyarı sonucunda hücre içinde [Ca2+] artışı ile tetiklenir.Periferik proteinlerEkstrasellüler matriks komponentleriHormonlar , nörotransmitterler

Hücreler arası haberleşmeGap junctionNuklear porlar

Reseptörler

Sinyal iletimiTransport : reseptör aracılı endositozAntikor oluşumu : antijenik uyarı ile B-lenfositlerinin plazma hücrelerine dönüşümleri

ReseptörlerHücre yüzeyi reseptörleriHücre içi reseptörler

Hücre yüzeyi reseptörleri

7 transmembran (alfa –heliks),G proteini kenetli reseptörlerİyon kanal reseptörü(ligand kapılı) (asetil kolin reseptörü)Tirozin kinaz aktiviteli reseptör (intrinsik) (insülin)Tirozin kinaz aktiviteli protein ile ilişkili reseptör (GH)Guanilat siklaz aktiviteli reseptör (intrinsik) (ANP)Serin-treonin kinaz aktiviteli reseptör (intrinsik)(TGF-B)Tirozin fosfataz aktiviteli reseptör (intrinsik) (CD45)Ölüm clomeni taşıyan reseptör (TNF α)

Membran Akışkanlığı İle İlgili Hastalıklar

Ağır karaciğer hastalığı ( alkolik siroz ) :plazma kolestoeroleritrosit membranında kolesterol akışkanlıkeritrosit yüzeyi dikenli bir görünüm alır.eritrositler dolaşımdan erken uzaklaştırılır.spur cell anemiaAlkol : Sinir hücrelerinde membran akışkanlığını ( reseptörler , iyon kanalları ) etkiler.Abetalipoproteinemi : Hücre membranlarında ssfingomiyelinFosfatidil kolin akışkanlıkAnestetikler : lipidlerde çözünür , akışkanlığı artırırlar.