HÜCRE BİYOLOJİSİ I2007-2008

Prof.Dr. Ayşegül Topal sarıkaya

İstanbul Üniversitesi Moleküler Biyoloji ve Genetik

Bölümü

HÜCRELER ve HÜCRE ARAŞTIRMALARI

• Hücrelerin moleküler biyolojisini anlamak tüm biyolojik bilimlere temel olan aktif bir araştırma alanıdır.

• İnsan genomunun diziliminin tamamlanmasıyla hücre ve moleküler biyolojideki gelişmeler tıp uygulamalrında yeni ufuklar açmıştır.– Kanser hüzrelerinin çoğalmasını durdurmayı hedfleyen

özgün ilaçların geliştirilmesi– Diyabet– Parkinson– Alzheimer– Omurga yaralanmaları ve kalp hastalıklarında hasar

görmüş dokunun yerini almak üzere kök hücrelerin kullanılması gibi

• Tüm hücreler evrim süresince korunmuş ortak, temel özelliklere sahiptir.

• Ör: Tüm hücreler genetik materyal olarak DNA kullanırlar, plazma zarıyla kuşatılmışlardır ve enerji metabolizması için aynı basit mekanizmaları kullanırlar

• Günümüz hücreleri çeşitli farklı yaşam biçimleri geliştirmişlerdir.

• Bakteri amip gibi ve maya gibi birçok canlı kendi başına çoğalabilen tek hücreli organizmalardır.

• Karmaşık yapılı organizmalar ise farklı hücrelerin belirli görevleri yerine getirmek üzere özelleştiği ve koordine bir şekilde işlev gören hücre topluluklarından oluşur.

• Ör: İnsan birbirinden farklı işleve sahip 200’den fazla çeşitte hücreye sahiptir.

HÜCRELER ve HÜCRE ARAŞTIRMALARI

• İlk insan hücre kültürü 1951 yılında John Hopkins Üniversitesinden George Gey tarafından başlatıldı.

• Hücreler malignant tümörlerden elde edildi ve vericisinin adından “Henrietta Lacks” dolayı “HeLa” olarak adlandırıldı.

• Günümüzde hücenin biyolojisini anlamak için yapılan tüm çalışmalar “in vitro” dediğimiz vücut dışında üretilen (kültürü yapılan) hücrelerde yapılır.

Hücreler Çok Karmaşık ve Organize Yapılardır

• Karmaşıklık: Kompleks yapı, çok parçalı ve doğru yerleşimli oluşum doğada hataya karşı düşük tolerans, parçalar arasında etkileşim ve daha fazla kontrol olarak açıklanabilir

• Hücresel aktiviteler ise oldukça düzenli ve yüksek düzeyde kontrol altındadır.

• DNA duplikasyonu sırasında her 10 milyon nukleotit katılımında sadece 1 hata olabilmekte ve hata derhal tanınarak onarım sistemleri tarafından düzeltilmektedir.

AtomlarOrganizasyon:

Küçük boyutlu moleküller

Polimerler

Farklı polmerler

Organeller

HÜCRE

Farklı küçük boyutlu moleküller

Her hücre tipi için herbir kademede yüksek düzeyde TUTARLILIK

İncebarsak Epitel Hücresinde Hücresel ve

Moleküler Organizasyonun Aşamaları

Aktin monomerleri mikrovili flamentini oluşturur.

Protein sentezi, kimyasal enerjinin dönüşümü ya da membran yapısı gibi temel

süreçler tüm canlılarda yüksek derecede benzerlik gösterir.

Hücreler bir genetik programa sahiptir

• Organizmalar genlerinin kodladığı bilgiye göre oluşurlar.

• İnsan genetik programı eğer kelimelere dökülseydi miyonlarca sayfadan oluşan bir metin oluşurdu.

• Bu çok büyük miktardaki bilgi nukleus içinde yeralan kromozomlar üzerinde paketlenmiştir.

• Genlerin moleküler yapısı genetik yapının değişmesine izin verir (mutasyon).

• Mutasyon bireyler arasındaki çeşitliliğin oluşmasına neden olur ve biyolojik evrimin temelidir.

Hücreler kendilerini çoğaltma yeteneğine sahiptir.

• Herbir organizma kendini çoğaltabilirse hücrelerde bunu yapabilirler

• Birana hücreden iki yeni yavru hücre oluşmadan önce genetik materyal iki katına çıkar ve herbir yeni yavru hücre ana hücre ile aynı genetik materyali taşır.

• Genellikle iki yavru hücrenin hacmi de eşittir. Bazı durumlarda insan oositi bölünme geçirdikten sonra bir yavru hücre genetik materyalin yarısını içerse de sitoplazmanın tamamına yakını taşır.

Hücreler Enerjiyi Kazanır ve Kullanır

• Karmeşıklığın oluşumu ve devamlılığı sürekili bir enerji girdisini gerektirir.

• Işığın enerjisi fotosentetik hücrelerin membranlarında bulunan ışık absorblayan pigmentler tarfından tutulur. Işık enerjisi fotosentez ile kimyasal enerjiye dönüştürülür ve nişasta ve sukroz gibi karbonhidratlarda enerji şeklinde depolanır.

• Glukozun parçalanmasıyla oluşan enerji ATP’de depolanır.

• Hücre makromolekülleri, organelleri parçalayarak ve yeniden oluşturarak çok fazla miktarda enerji harcar.

• Böylece hücre devamlılığını sağlar değişen koşullara kolaylıkla uyum sağlar. Spirogyra flamentli algi kurdeleye benzer zig-

zag çizen bir kloroplasta sahiptir.

Hücreler çok çeşitli kimyasal reaksiyonu başarıyla gerçekleştiriler

• En basit bakteri hücresi bile yüzlerce farklı kimyasal tarnsformasyonu gerçekleştirebilir.

• Bu reaksiyonların hızını artırmak için “enzimlere” gereksinim duyulur.

• Hücredeki kimyasal reaksiyonların toplamına METABOLİZMA denir

Hücreler Mekanik Aktivitelere Sahiptir

• Materyaller bir yerden bir yere taşınır.• Çeşitli yapılar yıkılır yeniden yapılır,

bazıları birleşir veya ayrılır.• Hücrenin kendisi bir yerden başka bir

yere taşınabilir. • Bu tip aktiviteler dinamik motor

proteinlerindeki şekil değişmeleriyle başlayan hücre içindeki mekanik değişmeleri temel alır.

Hücreler Uyaranlara Cevap Verebilir

• Bazı hücreler uyaranlara karşı bildik yolla tepki verir. Ör: protistler karşılarına çıkan objelerden kaçar veya besin maddelerine doğru hareket ederler.

• Çok hücreli bitkilerde ve hayvanlarda ise hücreler çok özgün bir yolla çevrelerindeki maddelerle ilişkiye giren reseptörlerle kaplıdır.

• Hücreler hormonlara, büyüme faktörlerine, hücre dışı maddelere ve diğer hücrelerin yüzeyindeki maddelere karşı reseptörlere sahiptir.

• Böylece hücreler hedef hücreye karşı özgün cevap, metabolik aktivitelerini değiştirerek spesifik uyarana karşı özgün cevap, hareket veya ölüm gibi cevaplar verebilir.

Hücreler Kendi Regülasyonlarını Yapabilir

• Karmaşıklığın devamı ve düzeni sürekli bir regülasyon gerektirir.

• Bu regülasyonun bozulması çok önemli sonuçlara neden olur.

• Ör: DNA’daki hataların düzeltilmesinde onarım mekanizmasının bozulması hücrede mutasyona ve çeşitli hastalıkların ortaya çıkmasına neden olur.

• Hücrelerin kendi aktivitelerini nasıl kontrol ettikleri konusu ise yavaş yavaş aydınlatılmaya başlamıştır

Prokaryotik ve Ökaryotik

Hücreler temelde iki büyük sınıfa ayrılır.

Hücre iskeleti flamentleri

Hücre Membranı

Similarities between prokaryotes and eukaryotes reflect the fact that eukaryotes almost certainly evolved from prokaryotic ancestors

• A. Both types of cells encode genetic information in DNA using an identical genetic code

• B. Both types of cells share a common set of metabolic pathways (glycolysis, TCA cycle)

• C. Both types of cells share common structural features – similarly constructed plasma membrane that serves as selectively permeable barrier & cell walls (same function, different structure)

• D. Similar mechanisms for transcription & translation of genetic information, including similar ribosomes

• E. Similar apparatus for conservation of chemical energy as ATP (located in plasma membrane of prokaryotes & mitochondrial membrane of eukaryotes)

• F. Similar mechanism of photosynthesis (between cyanobacteria & green plants)

• G. Similar mechanism for synthesizing & inserting membrane proteins

• H. Proteasomes (protein digesting structures) of similar construction (between archaeabacteria & eukaryotes)

Characteristics that distinguish prokaryotic & eukaryotic cells - eukaryotic cells are much more complex internally

(structurally and functionally) than prokaryotes • A. Eukaryotes have membrane-bound nucleus with nuclear

envelope containing complex pore structures & other organelles; divides eukaryotic cells into nucleus & cytoplasm

• 1. Prokaryotes have nucleoid (poorly demarcated cell region that lacks boundary membrane separating it from surrounding cytoplasm) & no membrane-bound organelles

• 2. Despite importance often placed on nucleus as primary criterion for distinguishing prokaryotes & eukaryotes, a group of prokaryotes is reported to have membrane surrounding their genetic material

• 3. This provides good example of difficulty in making sweeping generalizations that apply to all groups of living organisms

• B. Prokaryotes – contain relatively small amounts of DNA (~600,000 base pairs [bp] to nearly 8 million bp; ~0.225 – 3 mm); 8 million bp equals DNA molecule nearly 3 mm long

• 1. Encodes between ~500 to several thousand proteins (1 mm of DNA = ~3 x 106 base pairs)

• 2. Simplest eukaryotes (4.6 mm or 12 million bp in yeast encoding ~6200 proteins) have slightly more DNA than prokaryotes; most eukaryotes have order of magnitude more DNA (genetic info)

• C. Eukaryotic chromosomes numerous; unlike prokaryotes, they contain linear DNA tightly associated with proteins to form a complex nucleoprotein material known as chromatin

• 1. Eukaryotic chromosomes are capable of compacting into mitotic structures

• D. Eukaryotes contain an array of complex membranous & membrane-bound organelles that divide cytoplasm into compartments within which specialized activities take place; some examples follow:

• 1. Mitochondria (plants & animals) – make chemical energy available to fuel cell activities; specialized cytoplasmic organelle for doing aerobic respiration

• 2. Endoplasmic reticulum (plants & animals) – where many cell lipids & proteins are manufactured

• 3. Golgi complexes (plants & animals) – sorts, modifies, transports materials to specific cell locations

• 4. Variety of simple membrane-bound vesicles of varying dimensions (plants & animals)

• 5. Chloroplasts (plants) – specialized cytoplasmic organelle that is the site of photosynthesis

• 6. Single large vacuole (plants) – occupies most of cell volume• 7. Lysosomes – contains hydrolytic enzymes & carries out hydrolytic

gestation; endosomes – vesicles bringing materials into cell to often be digested by lysosomes

• 8. Peroxisomes & glyoxysomes

• E. Eukaryotes have many such membrane-bound structures; prokaryotes mostly devoid of them (except for infolded bacterial mesosomes & cyanobacteria photosynthetic membranes)

• 1. Intracytoplasmic communication smaller issue in prokaryotes due to size (simple diffusion works); in eukaryotes, interconnected channels/vesicles transport stuff around cell & outside of cell

• 2. Eukaryotes have cytoskeletal elements usually lacking in prokaryotes that give cell contractility, movement, support; primitive cytoskeletal filaments recently found in bacteria

• a. Prokaryotic cytoskeleton much simpler structurally & functionally than that of eukaryotes

• 3. Prokaryote ribosomes smaller with fewer components than those of eukaryotes (but they essentially have the same function with similar mechanisms)

• 4. Both eukaryotes & prokaryotes may be surrounded by rigid, nonliving cell wall that protects, but their chemical composition is very different

• F. No mitosis or meiosis in prokaryotes (binary fission instead); prokaryotes proliferate faster (double in 20 - 40 minutes; they exchange genetic information via conjugation)

• 1. In eukaryotes, duplicated chromosomes condense into compact structures; separated by mitotic spindle (elaborate; contains microtubules); allows daughter cells to get equal genetic material

• 2. In prokaryotes, no chromosome compaction & no spindle; DNA is duplicated & copies are separated by growth of intervening cell membrane

• 3. Prokaryotes do not reproduce sexually, but in conjugation, DNA is exchanged; the recipient almost never gets whole chromosome from donor; cell soon reverts to single chromosome

• 4. Prokaryotes are not as efficient as eukaryotes in exchanging DNA with other members of their own species

• 5. Prokaryotes are, however, more adept than eukaryotes at picking up & incorporating foreign DNA from their environment; this has had considerable impact on microbial evolution

• G. Eukaryotes have more complex locomotor mechanisms than prokaryotes

• 1. Prokaryotes have thin, rotating protein filament (flagellum) protruding from the cell; rotations exert pressure against surrounding fluid propelling cell through medium

• 2. Eukaryotes have more complex flagella with different mechanism (also have cilia, pseudopodia)

• H. Eukaryotes have complex cytoskeletal system (including microfilaments, intermediate filaments & microtubules) & associated motor proteins; prokaryotes do not have such a system

• I. Eukaryotic cells are capable of ingesting fluid & particulate material by enclosure within plasma membrane vesicles (endocytosis, phagocytosis)

• J. Eukaryotes have cellulose-containing cell walls in plants

• K. Eukaryotes have 2 copies of each gene per cell (diploidy), one from each parent with sexual reproduction requiring meiosis & fertilization, unlike binary fission in prokaryotes

• L. Eukaryotes possess 3 different RNA synthesizing enzymes (RNA polymerases)

IV. Prokaryotes are not inferior - metabolically very sophisticated & highly evolved

• A. They have remained on Earth for more than 3 billion years

• B. They live on and in eukaryotic organisms, including humans

• C. Make almost everything they need, e. g., Escherichia coli can live & prosper in a medium containing only 1 or 2 low MW organic compounds & a few inorganic ions

• 1. Some bacteria can live on a diet consisting solely of inorganic substances

• 2. One species has been found in wells >1000 m below Earth's surface; live on basalt rock & molecular hydrogen (H2) made by inorganic reactions

• D. Even the most versatile cells in human require a variety of organic compounds (vitamins, etc.) & other essential substances that they cannot make on their own