Post on 01-Feb-2017
HHÜÜCCRREE MMEEMMBBRRAANN BBĐĐYYOOFFĐĐZZĐĐĞĞĐĐ
Prof. Dr. Şefik DURSUN
Şefik DURSUN
98
ĐÇĐNDEKĐLER
Bölüm 1. Membranların Yapısı
Bölüm 2. Membranda Transport Olayları
Bölüm 3. Hücrelerarası Đletişim
Bölüm 4. Membran Potansiyeli
Nörobiyofizik
Đyon Kanalları
Voltaj Klamp (kenetleme) Yöntemi
Kaynaklar
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
Prof. Dr. Şefik DURSUN
Şefik DURSUN
BÖLÜM 1
1. MEMBRANLARIN YAPISI
Hücre membranı tüm prokaryotik ve ökaryotik hücrelerin sitoplazmasını
çeviren lipid/protein ve karbonhidrat içeren bir bariyerdir. Mitokondri, kloroplast,
endoplazmik retikulum, golgi cisimciği, lizozom ve hücre çekirdeği gibi hücre
organelleri de aynı şekilde çevrelerinden bir membranla ayrılır. Membranların
yapısal özellikleri birbirlerine benzerler. Ancak fonksiyonlarına bağlı olarak bir
takım farklılıklar görülebilir. Biyolojik membranlar hakkındaki bilgilerimizde
elektron mikroskobisi tekniklerinin gelişmesiyle büyük ölçüde ilerleme
kaydedilmiştir. Kalınlıkları hücreden hücreye değişirse de ortalama 75-100 Ao
arasında kabul edilmektedir (1 Ao = 10-8 cm). Membran, yapısı gereği aynı
zamanda elektriksel izolatördür. Hücre membranı, hücrenin dış ortam
özelliklerinden etkilenmemesini, iç ortamın sabit kalmasını sağlar. Seçici
(selektif) geçirgen (permeabl) özelliğe sahiptir. Hücre membranının esas
fonksiyonu hücre bütünlüğünü korumaktır.
Hücre için gerekli olan maddelerin hücre içersine alınması ve metabolik
olaylar sonucunda meydana gelen atıkların da hücre dışına atılması hücre
membranının yardımıyla gerçekleşir. Hücrenin içi ve dışı arasında bir potansiyel
oluşumu ve biyoelektrik olaylar gene plazma membranlarının diğer bir
fonksiyonudur.
Şefik DURSUN
100
1. 1. Membranların Organizasyonu
Hücre ya da plazma membranları lipid ve protein moleküllerinden oluşan
unit sistemlerdir. Tüm hücresel membranlar, doku kesitlerinin elektron
mikrografisinde, hidrate olmuş lipoprotein yapısında ve üç tabakalı biçimde
gözükür. Üç tabakalı görünümün detaylarında ve kimyasal bileşimlerinde
değişiklik olabilir. Fakat moleküler organizasyonlarında temel benzerlikler vardır.
Membranların belirtilen organizasyonunun korunması için gerekli su miktarı da
% 30 dolayındadır. Genellikle proteinler membran ağırlığının % 25 ile % 75’ini
meydana getirir. Lipidler ise yukarıdaki orana göre % 75 ile % 25 arasında
değişmektedirler. Ağırlığın yaklaşık % 10’u karbonhidratlardan oluşmaktadır. Bu
oranlar değişik doku hücrelerine göre farklılık gösterirler (Tablo 1).
Tablo 1: Bazı hücre membranlarının protein ve lipid oranları
Eritrosit Karaciğer Kalp
Komponent Miyelin Plazma Plazma Mitokondrisi
membranı membranı
Protein 22 60 60 76
Total lipidler 78 40 40 24
Fosfolipidler 33 24 26 22
Glikolipidler 22 eser 0 eser
Kolesterol 17 9 13 1
Diğer lipidler 6 7 1 1
* Değerler ağırlığın yüzdesi olarak verilmiştir.
Bütün hücre membranlarında dominant moleküller proteinler ve lipidlerdir.
Bu moleküllerin hücre membranında dağılımları ile ilgili olarak birçok model
geliştirilmiştir.50 yılı aşkın bir süredir ileri sürülen plazma membranındaki protein
ve lipid moleküllerinin mümkün olan birkaç şeklinden etkin olanı, çift tabaka
modelidir. Çift tabaka modeli 1925 yılında Gorter ve Grendel tarafından
önerilmiştir (Şekil 1).
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
101
Şekil 1: Çift tabaka modeli (Gorter ve Grendel ,1925)
Bu araştırıcılar eritrositlerden elde edilen monomoleküler lipid tabakalar
tarafından meydana getirilen yüzeyi, hücrelerin total yüzey değerleri ile
karşılaştırmışlar. Elde edilen lipid alanı değerini intakt hücrenin alan değerine
oranladıklarında sonucun yaklaşık 2 olduğunu saptamışlar. Bu nedenle hücrenin
iki molekül inceliğinde bir lipid tabaka ile çevrili olduğunu ileri sürmüşlerdir. Bu
modelin en önemli özelliği hidrofilik lipid gruplarının çift tabaka yüzeyine ve
hidrofobik grupların da membranın iç kısmına yönelmiş olduğuydu.Bu bulguların
bir kısmı yeni çalışmalarla değişmiştir.
Sonraki modeller de proteinleri
gözönünde bulundurarak gene lipid
tabakayı esas aldılar. Genellikle
tartışılan ilk model Dainel ve
Davson’ın modelidir (1935).Lipid-su
ara yüzeyinde yüzey gerilimi ölçümleri
yapılmış. Bulunan bu değerlerin (2.10-
5 N.cm-1), canlı hücrelerdekine göre
oldukça büyük olduğu saptanmıştır.
Daniel bu sonucu lipid tabakalara
protein absorpsiyonunun izah
edebileceğini ileri sürmüştür (Şekil 2).
Şekil 2: Dainel ve Davson’a göre membran
modeli (1935)
Şefik DURSUN
102
Şekil 3: Sıvı - Mozaik Membran modeli (Nichelson ve Singer, 1971)
Bunlardan sonra 1971 yılında Nichelson ve Singer tarafından ileri sürülen
SIVI-MOZAĐK membran modelidir (Şekil 3). Bu modele göre de proteinler
membranın ana yapısını oluşturan ve akışkanlık özelliği gösteren lipid
moleküller arasında yer yer dağılmış durumdadır.
1.2. Membran Lipidleri
Membran lipidleri amfipatik moleküllerdir. Lipid moleküllerinin bir baş bir
de kuyruk bölgesi vardır. Büyük hidrokarbon bölgesi hidrofobik, baş grup ise
hidrofiliktir. Baş bölgeleri molekülün türüne göre fosfat, karbonhidrat veya
hidroksil grubları taşır. Çeşitli iyonlarla şarj edilebilirler. Kuyruk bölgesi doymuş
ya da doymamış yağ asiti zincirlerinden oluşur.
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
103
Şekil 4: Misel oluşumu
Doymuş yağ asidi miktarı membranın akışkanlığını etkiler. Doymuş yağ
asidi miktarı fazla olursa akışkanlık azalır. Aksine doymamış yağ asitlerinin fazla
olması da akışkanlığı arttırır. Termodinamik kurallara uygun olarak bu
moleküller, amfipatik özelliğinden dolayı sulu ortamda misel oluştururlar (Şekil
4).Membrandaki bazı lipid moleküller, lipid içeren sulu dispersiyona maruz
bırakılırsa yer değiştirebilir veya yerlerinden çıkarılabilir.
Şekil 5: Membranda kolesterol moleküllerinin yerleşimi
Bazı lipidler özellikle kolesterol ve az polar fosfolipidler eter ve aseton gibi
çözücülerle membrandan uzaklaştırılabilir. Bu çözücüler düşük temperatürde
Şefik DURSUN
104
membran yapısına zarar vermezler. Daha polar fosfolipidler sadece solvent
sistemlerle çıkarılabilir.
Şekil 6: Lipid miktarları değişik dokularda farklılık gösterir
Hayvan hücre membranlarında esas lipidler fosfolipidlerdir. Bazı hücre
membranlarında önemli oranda kolesterol miktarı bulunabilir. Yüksek
organizmaların hücre membranlarında yüksek bir lipid molekülüdür. Kolesterol
molekülleri yağ asidi zincirlerine paralel olarak yerleşmişlerdir (Şekil 5).
Bu moleküller steroid yapıların ana maddesini oluştururlar. Hücre
membranından plazmaya geçme özelliğine sahiptirler. Bazı membranlar
(örneğin miyelin) özellikle hücre yüzey membranları önemli oranda nötral lipidler
de içerir (Tablo 1). Bunlar başlıca kolesterol ve glikolipidlerdir.
Golgi ve lizozom membranları da oldukça yüksek kolesterol içerir. Bu
durum ekzositoz ve endositoz sırasında plazma membranı ile aralarındaki özel
ilişkiyi yansıtır. Sitoplazmik organellerin membranları sifingomiyelin miktarları
açısından yüzey membranlarına benzerler. Bu özellik mitokondri
membranlarında yoktur. Çekirdek ve endoplazmik retikulum membranında ise
sifingomiyelin miktarı düşüktür. Hayvan hücre membranındaki fosfolipidler
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
105
gliserol ve sfingosin türevleridir. Lipid miktarları değişik dokularda farklılık
göstermektedir. Bu yüzden membranın iç ve dış yüzeyleri arasında bir asimetri
mevcuttur (Şekil 6).
1. 3. Membran Proteinleri
Birçok hücre membranı lipidlere göre daha çok protein içerir. Fakat sinir
lifinde kılıf proteinleri, total kurutulmuş kütlenin % 20'si dolayındadır. Belki de bu
durum sinir lifinin oldukça düşük metabolik aktivitesini yansıtan bir özelliğidir.
Hücrenin fonksiyonuna bağlı olarak bu özellik değişebilir. Membranda oldukça
çok sayıda protein çeşidi mevcuttur. Bunlar enzim görevi yapar. Hormon veya
nörotransmitter reseptörü olabilirler. Aynı zamanda antijen özelliği de
gösterebilirler. Membran proteinlerinin en önemli molekül şekli glikoproteinlerdir.
Karbonhidratlarla kovalent bağlarla bağlanırlar. Membranın dış yüzeyinde
bulunurlar. Böylece membrana asimetrik bir karakter kazandırırlar. Sıvı-mozaik
membran modelinde görüldüğü gibi membranlar iki tür protein içerir. Bunlardan
biri periferik (ekstrinsik) diğeri ise integral (intrinsik) proteinler adını alır. Bazı
proteinler membranın yapısına gevşek olarak girmiş olabilirler. Böyle proteinler
basit bir manipulasyonla membran yüzeyinden ayrılabilirler. Örneğin pH veya
iyonik kuvvet etkisiyle bu proteinler membran yüzeyinden kolayca koparılabilir.
Bu tür proteinler, periferik (ekstrinsik) proteinler olarak isimlendirilmişlerdir. Lipid
tabaka içerisine gömülmezler. Membranı boydan boya geçemezler. Ekstrinsik
proteinlerin lipid zincirlerle hidrofobik bağlantıları veya lipid başları ile
elektrostatik bağları olabilir. Her iki bağlantının bulunduğu durumlar da olabilir.
Ayrıca membranın her iki yüzeyinde bulunabilirler. Genellikle seyreltik deterjan
çözeltileriyle hatta tuz çözeltileriyle bile membranın yüzeyinden uzaklaştırılabilir.
Bu proteinler enzim ve reseptör görevi yapabildiği gibi yapısal proteinler olarak
da fonksiyon görebilirler. Eritrosit membranının iç yüzeyinde integral proteinlere
bağlı olarak bulunan aktin ve spektrin molekülleri böyledir. Bunlar Ca++
aktivasyonu ile kasılabilirler. Böylece eritrositlerin kolay şekil değiştirmelerini
sağlarlar (Şekil 7).
Şefik DURSUN
106
Şekil 7: Eritrosit membranında aktin ve spektrin
ADP’nin fosforilasyonu ile ilgili olan mitokondriyel ATP az kompleksi büyük
bir periferik (ekstrinsik) proteinden oluşur.
Membranın yapısını organik çözücüler, deterjanlar veya bozucu enzimler
yardımıyla parçalayarak yerinden ancak çıkarılabilen proteinler membran
yapısına kuvvetle bağlıdırlar. Bunlar integral (intrinsik) proteinlerdir. Membranı
boydan boya kateden bir görünüme sahiptirler ve lipidler gibi amfipatik
moleküllerdir (Şekil 8). Santral, hidrofobik iç kısım yağ asidi zincirleri ile, hidrofilik
uç kısmı ise ekstra veya intrasellüler ortam ile etkileşirler. Ekstrasellüler taraftaki
kısmı genellikle karbonhidrat zincirleri içerir. Santral kısmı non-polar özelliğe
sahiptir. Membranın iç kısmına yerleşmiş olarak bulunurlar. Suyla temasta olan
diğer kısımların polar özelliği vardır. Membran proteinleri genellikle globüler
karakterdedirler. Đyonların ve suda çözünen uygun maddelerin geçişi için
hidrofilik kanalların oluşumu bu proteinlerin fonksiyonudur.Yapılan çalışmalar ile
membranın her iki yarısında moleküler komponentlerin, özellikle integral
(intirinsik) proteinlerin de asimetrik dağılım gösterdikleri saptanmıştır.
Proteinlerin asimetrik dağılımları onların aktiviteleriyle ilgilidir. Mesela
immunolojik-aktif glikoproteinler hücre membranının dış yüzeyinde bulunurlar.
Plazma membranının dış yüzeyi ile temasta olan diğer özel proteinler (veya
glukoproteinler) hormon reseptörlerini, enzimleri ve transport sistem
komponentlerini kapsar. Hormon reseptörü membranın dış yüzeyinde, adenil
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
107
siklaz ise iç yüzeyinde bulunmaktadır. Ayrıca bir membran fonksiyonu ile sadece
bir protein ilgili olabilir. O zaman membranın bir yanından diğerine uzanır.
Örneğin Na+/K+ - ATP az ve sarkoplazmik retikulumun Ca++ -transport
proteinleri böyledir.
Đntegral (intirinsik) proteinlerin bir kısmı, oksidasyon reaksiyonuna eşlik
eder ve elektron transport serisinin enzimleridir. Birçok membran relatif olarak
rastgele dağılmış proteinleri içerir.
Şekil 8: Proteinler amfipatik moleküllerdir
Ancak belli bir yerde membranlar çok spesifik davranış gösterirler. Orada
proteinlerin konsantrasyonu yüksek olabilir. Sarkoplazmik retikulumda Ca++-
transport proteini böyledir. Protein kümelerinde de proteinler spesifik hale gelmiş
olabilir. Mesela mitokondriyal iç membranda elektron transport proteinleri bu
türdendir.
1. 4. Membranın Akışkanlık Özelliği
Membranlar sıvı yapıya sahiptirler. Çünkü yapısında bulunan maddeler
membran içersinde serbestçe hareket edebilirler. Doymuş yağ asidi miktarının
fazla olmasının akışkanlığı azalttığından daha önce söz edilmişti. Aynı zamanda
kolesterol miktarı da membran akışkanlığını etkileyen bir diğer parametredir.
Kolesterol miktarının fazla olması akışkanlığı azaltır. Sarkoplazmik retikulum ve
fotoreseptör membranlarındaki proteinler membran düzlemine dik olan kendi
Şefik DURSUN
108
ekseni etrafında serbestçe dönme hareketi yapabilirler. Birkaç hücre tipinin
yüzey membranlarının düzlemi içindeki glikoproteinlerin enerjiye bağlı ya da
bağlı olmıyan birikmeleri buna örnektir. Bununla beraber membran düzlemi
boyunca lateral hareketler de yapabilirler. Nöromüsküler iletinin oluşmasında
asetilkolin için reseptör moleküllerinin birikmesi lateral hareketin bir örneğini
oluşturur. Protein moleküllerinin kendi ekseni etrafında dönme ve membran
düzlemi içinde lateral diffüzyon hızları ortamın viskozitesi ile ilişkilidir. Membran
lipid komponentleri de membran düzlemi içersinde serbestçe hareket edebilirler.
Bu tür harekete gene lateral hareket adı verilir. Aynı zamanda hidrokarbon
zincirleri bükülme ve titreşim hareketleri de yapabilirler. Lipidler membranın bir
yüzünden diğerine hareket etme yeteneklerine de sahiptir (Şekil 9). Bu harekete
flip-flop hareket adı verilir. Böyle bir hareket için oldukça fazla enerjiye ihtiyaç
vardır. Lipidlerin lateral hareketi flip-flop harekete göre hızlıdır. Lipidlerin lateral
hareketi proteinlerin lateral hareketinden daha hızlıdır.
Şekil 9: Flip-flop ve bükülme hareketleri
Bir fosfolipid molekülü için diffüzyon sabiti D=10 - 8 cm2/s dir. Buna göre iki
boyutlu diffüzyonda (t) saniyede katedilen S(cm) mesafesinin, S= (4Dt) ½
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
109
formülü kullanılarak; 1 saniyede yaklaşık 2.10-4 cm olduğu görülür. Yani bir lipid
molekülü bir bakterinin bir ucundan diğer ucuna 1 saniyede gidebilir. Gözlenen
diffüzyon katsayısının büyüklüğü, membran viskozitesinin suyunkinin 100 misli
olduğunu belirtir.
1. 5. Geçirgenlik Özelliklerine Göre Membranların Sınıflandırılması
a) Geçirgen olmıyan (impermeabl) membranlar:
Döllenmiş alabalık yumurtası geçirgen değildir. Radyoaktif suyu dahi
geçirmez.Böyle bir membrandan ancak gazlar geçebilir.
b) Yarı geçirgen (semipermeabl) membranlar:
Suyun hücre içersine girmesine izin verirler. Proteinlerin ve iyonların
geçmesine izin vermezler. Bu tür membranların biyolojik önemi yoktur.
c) Seçici geçirgen (selektifpermeabl) membranlar:
Su ve bazı iyonların geçişine müsaade ederler. Fakat bazı iyonların ve
proteinlerin geçişine izin vermezler. Birçok biyolojik hücre membranı
bu sınıfa girer.
d) Ultrafiltre veya Dializan membranlar:
Bu tür membranlar su ve bütün iyonları geçirir. Proteinleri geçirmez.
Hidrostatik basınç farkına göre membranın diğer tarafına su ve iyonlar
geçer. Dolaşım sisteminin kılcal damarları, bazı proteinleri geçirseler
de buna güzel bir örnektir. Hidrostatik basıncı kalbin pompalama gücü
ile kasların sıkıştırma etkisi meydana getirir.
e) Basit Filtre Tipi membranlar:
Su, protein ve iyonların geçmesine izin verirler, ancak alyuvar ve
trombosit gibi kanın şekilli elementlerini geçirmezler.
Membranların yapay olanları tam anlamıyla biyolojik membranların
özelliğini göstermeseler de, benzer özelliklere sahip olabilirler. Yapay
membranlara örnek olarak şunları verebiliriz: Filtre kağıdı, basit filtre
tipi membranlar; selofon ya da kollodyum dializan membranlar gibi
davranırlar.Bakır ferrosiyanür yarı geçirgen (semipermeabl) membran
özelliğine sahiptir.Membranların geçirgenliği değiştirilebilir. Geçirgenlik
Şefik DURSUN
110
hızları bir saniyeden daha az olan membranlar vardır. Bunlar
uyarılabilen membranlardır. Sinir ve kas hücrelerinin membranları
böyledir. Elektriksel, kimyasal ve mekaniksel uyaranlarla uyarılabilirler.
Çok kısa sürede de eski hallerine dönerler. Geçirgenliği birkaç
dakikadan daha az zamanda fizyolojik olarak çok önemli bir değişme
göstermiyen sabit denilebilecek membranlar da vardır; bağırsak
epitelyal membranları gibi.
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
111
BÖLÜM 2
1. MEMBRANDA TRANSPORT OLAYLARI
Maddelerin plazma membranından transportu canlı bir hücrede meydana
gelen önemli bir olaydır. Hücreler kendileri için enerji sağlıyan metabolitleri ve
besin moleküllerini almak ve istenmiyen maddeleri de atmak zorundadır. Komşu
dokular veya organların yaşamı için önemli olabilen aktif maddelerin
sekresyonu, yüksek organizma hücrelerinin sahip olduğu ek bir fonksiyondur.
Gliserol veya glikoz gibi küçük moleküllerin veya K+ ve Cl - gibi iyonların plazma
membranını geçebilme yolları üç şekilde sınıflanabilir; Diffüzyon, Kolaylaştırılmış
Diffüzyon ve Aktif Transport (Şekil 10).
1. 1. Diffüzyon
Brown hareketleri sonucu yüksek konsantrasyonlu bir bölgeden düşük
konsantrasyonlu bölgeye moleküllerin (veya iyonların) membranı geçerek
transportudur. Net hareket düşük konsantrasyon yönündedir. Yüksek
konsantrasyonlu bölgedeki moleküllerin düşük konsantrasyonlu bölgeye doğru
hareket etme ihtimali, düşük konsantrasyonlu bölgedeki moleküllerin yüksek
konsantrasyonlu bölgeye hareket etme ihtimalinden daha büyüktür. Bu nedenle
zaman içersinde konsantrasyon farkı yönünde moleküllerin hareketi olacaktır.
Bu hareket her iki bölgedeki moleküllerin sayıları eşit oluncaya kadar devam
eder ve sonuçta her iki bölgedeki madde konsantrasyonu eşit olur. Bu hareketin
hızı tamamen konsantrasyon farkıyla orantılıdır.Hidrofobik maddeler lipid
membranları hidrofilik maddelere göre daha kolay geçerler. Hidrofobik ortamda
yüksek erime özelliğine sahip olan bu moleküller (örn. gliserol) plazma
membranını suda eriyen maddelere göre daha kolay geçerler. Bu kuralın
istisnası su dur. Su son derece polar olduğundan gliserol için söylenenden daha
düşük bir diffüzyon hızına sahip olmalıdır. Aslında suyun diffüzyon hızı lipid
yapay membranda gliserolun 7 katı kadardır. Tabii hücre membranında ise
suyun diffüzyon hızı gliserolun 100 katıdır.
Şefik DURSUN
112
Bu gözlemler;
1) Proteinlerin membranda lipid davranışını değiştirdiğini
2) Suyun zaman zaman bir lifofilik maddeymiş gibi davranabileceğini
gösterir.
a) Nötral Diffüzyon: Yüksüz moleküllerin yüksek konsantrasyondan
düşük konsantrasyona membranı geçerek gerçekleştirdiği olaydır diye
tanımlanabilir.
Fick Kanunu tarafından tanımlanan diffüzyon hızı;
J = - D . dc/dx ‘dir.
Görüldüğü gibi membranı kateden akış hızı, konsantrasyon gradyanı ile
orantılıdır. D, diffüzyon sabiti olarak bilinir ve birimi cm2/s’ dir. Nötral diffüzyon
hızı, moleküldeki hidrofilik karekterin artmasıyla azalır.
b) Đyonik Diffüzyon: Yüklü iyonların plazma membranını geçme olayıdır.
Pasif bir olaydır. Nötral diffüzyonda olduğu gibi membranın iki tarafında
konsantrasyon farkının varlığında gerçekleşir. Bu nedenle dengedeki pozitif ve
negatif yüklerin total sayısı, elektriksel nötraliteyi korumak için membranın iki
tarafında eşit olmalıdır. Fick kanununa ilave bir faktör katılmalıdır. Bir hücremiz
olduğunu ve bunun biraz polianyonik (negatif yüklü) proteinleri içerdiğini kabul
edelim ve hücreyi KCl çözeltisi içine koyalım.
Đyonlar konsantrasyon gradyanına göre hücre içine diffüze olacaklardır. Fakat
proteinler diffüze olamadığından ve negatif olarak yüklü bulunduğundan Cl- ‘e
göre daha çok K+ akışı olacaktır. Bu nedenle eşit olmayan iyon dağılımı olacak
ve elektrokimyasal gradyan ortaya çıkacaktır. Modifiye edilmiş Fick eşitliği
membran boyunca var olan bu elektriksel gradyanın ölçülmesini de kapsar. Bu
eşitlik Nernst-Planck denklemidir.
J = D. dc/dx + A. dy/dx Nernst-Planck denklemi
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
113
Şekil 10: Maddelerin plazma membranından transport şekilleri
A partiküler iyon için bir sabittir, dy / dx ise membranın iki tarafı arasında
mevcut olan yük farkı gradyanıdır.
Genel olarak diffüzyon hızına etkili olan faktörleri şöyle özetleyebiliriz:
Şefik DURSUN
114
a) Diffüzyon gradyanı, membranın iki tarafındaki konsantrasyon,
elektriksel ya da basınç farkını ifade eder. Diffüzyon gradyanının
artması diffüzyon hızını arttırır.
b) Molekül veya iyonların büyüklüğü diffüzyon hızını ters yönde etkiler.
Büyük molekül ve iyonların hızı sabit bir temperatürde, küçük
moleküllere oranla daha az olacaktır.
c) Diffüzyon alanının ve ortam sıcaklığının artmış olması diffüzyon hızını
da arttırır.
d) Membrandan geçen bir molekül veya iyon için diffüzyon hızını
membran kalınlığı da etkiler. Membran kalınlığı ya da diffüzyon
uzaklığı, diffüzyon hızıyla ters orantılıdır.
Sonuç olarak söylediklerimizi şöyle formüle etmek mümkündür;
Diffüzyon hızı α Diffüzyon gradyanı x Diffüzyon alanı x Sıcaklık / Mol. veya
iyonun kütlesi x mesafe
1. 2. Kolaylaştırılmış Diffüzyon
Bir molekülün yüksek konsantrasyonda bulunan bölgeden düşük
konsantrasyon tarafına, plazma membranında bulunan protein taşıyıcı ile
taşınması olayına verilen isimdir. Bu olay pasif bir olaydır. Ve konsantrasyon
gradyanı yönünde yapılmıştır.
Üç özelliğe sahiptir:
1) Bir partiküler molekül için spesifiktir.
2) Basit diffüzyondan daha hızlıdır.
3) Satüre olabilir.
Glikoz, laktoz, amino asid, nukleotidler ve gliserol v.s. gibi benzer
moleküllerin herbiri için spesifik, özel taşıyıcılar vardır.
Glikoz taşıyıcısı D-glikozu taşıyacaktır, fakat L-glikozu taşımaz.
Taşınacak molekül bağlandığı zaman taşıyıcı molekül yapısal bir
değişiklik geçirmek üzere etkilenir. Böylece küçük molekülü membranın öbür
tarafına geçirir (Şekil 10). Plazma membranını geçerken hareket hızı, basit
diffüzyondan daha hızlıdır. Belki de bu hücre içinde kullanılan, normal olarak
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
115
membrandan çok düşük hızda diffüze olan hidrofilik moleküllerin transportu için
gelişmiş bir mekanizmadır.
Herhangi bir hücrede bir molekül veya iyon için sınırlı sayıda taşıyıcı
vardır. Bütün taşıyıcılar bağlandığı zaman, transport hızı maksimum olur. Bu
yüzden olay satüre olabilir özelliğe sahiptir. Transport kinetiği bir basit enzim için
tanımlanan proseslere benzer.
Bir tarafta konsantrasyon büyük olduğu zaman daha çok taşıyıcı
bağlanacak ve diğer tarafa net hareket meydana gelecek. Konsantrasyon farkı
sıfır olduğunda ise taşıyıcılar hala faaliyet gösteriyor olsalar da sonuçta içeriye
ve dışarıya aynı hızda madde taşıyan moleküllerdir. Bu yüzden net diffüzyon
gözlenmez. Đnsülin ve epidermik büyüme faktörü gibi hormonlar normal olarak
gözlenen diffüzyon hızından daha fazlasının olmasını sağlarlar. Örneğin glikozun
hücre içersine girişini insülin hormonu hızlandırır.
1. 3. Aktif Transport
Enerji harcanarak elektrokimyasal potansiyel farkına ya da konsantrasyon
farkına karşı yapılan transport şeklidir. Transport termodinamik olarak uygun
olmayan yönde olduğu için, olayın yönlendirilmesinde hücresel enerji kullanılır.
Genellikle aktif mekanizmalarda ATP (Adenozin trifosfat)‘den enerji sağlanır.
Ortamın oksijeni de enerji sağlanmasında çok önemlidir. Oksijen azlığı transpot
işlemini yavaşlatır. Çünkü ATP oluşumu aerobik koşullarda yüksektir. 1 mol
glikozun metabolizması esnasında normal oksijenasyon ile 38 mol ATP
meydana gelirken, anaerobik şartlarda ise sadece 2 mol ATP meydana gelir.
Đşte ATP’nin yetersizliği aktif transport için gerekli enerjinin yetersizliğine neden
olduğu için transport olayları yavaşlar. Aktif transportu sağlıyan enerji osmol
başına kalori olarak şu şekilde ifade edilir;
Enerji (osmol başına kalori) = 1400 log C1/C2
Görüldüğü gibi harcanan enerji maddenin bir tarafta konsantre edilişiyle
ilgilidir. Membranların yapılarına göre iki tip aktif transport şekli vardır. Biri primer
aktif transport, diğeri ise sekonder aktif transporttur. Primer aktif transport
olayında taşıyıcı mekanizma taşınacak madde tarafından aktive edilir ve böylece
bu madde taşınmış olur. Ancak sekonder aktif transport olayında taşıyıcı
mekanizmayı taşınacak asıl madde tetiklemez. Tetikleme olayı bir başka madde
(örneğin Na+) ile yapılır. Diğer taşınacak asıl madde de bu tetiklemeden sonra
Şefik DURSUN
116
tetiklenen mekanizma tarafından taşınır. Şimdi topluca aktif transport
mekanizmalarını gözden geçirelim.
1. 3. 1. Primer Aktif Transport
A) Aktif Na+/K+ transportu
Tüm vertebralıların hücrelerinde Na+ ‘u hücre dışına ve K+’u da hücre
içine pompalayan bir primer aktif transport sistemi vardır. Bu transport için
gerekli enerji ATP’nin ayrışmasıyla elde edilir (Şekil 11).
Başlangıçtaki gözlemler canlı hücrelerin intrasellüler ve ekstrasellüler
hacimleri arasında iyon dağılımının elektrokimyasal denge durumunda olmadı-
Şekil 11: Aktif Sodyum Pompasının sukün potansiyeline katkısı
ğıydı. Aslında hücre membranı Na+, K+ ve Ca++’a geçirgendir. Ayrıca Na+ ve
Ca++ akımları elektrokimyasal potansiyel farklarından dolayı devamlı olarak
hücre içine doğrudur. K+ ise hücre dışına yönlenir. Metabolizma bozulmadığı
sürece konsantrasyon farkları değişmez.
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
117
Metabolizma soğuk ya da zehir ile bloke edilirse Na+, Ca++, Cl- ve su
hücre içine taşınır, K+ dışarıya hareket eder ve böylece hücre membranının iki
tarafı arasındaki potansiyel farkı sıfır olur.
Bu yüzden hücreler statik bir duruma girerler. Normal olarak hücrede
metabolik reaktanlardan O2, glikoz ve CO2 dışında membranı geçebilen tüm
maddelerin net akışı sıfırdır. Fakat membranı geçebilen bazı kompanentler için
hücre ve hücreler arasında sıfır olmıyan bir elektrokimyasal potansiyel farkı
korunur. Bu sonuç bir veya daha fazla kompanentin aktif transportu nedeniyledir.
Belirtilen iyonlar Na+ ve K+ dur.
Yapılan araştırmalar göstermiştir ki;
1) Hücreler Na+ iyonunu hücre içinden dışarıya, K+ iyonunu da hücre
dışından hücre içine aktif olarak taşırlar. Bu iki iyonun transportu
birbirlerine son derece bağlıdır. Eğer hücre dışında potasyum yok ise
aktif sodyum akışı inhibe olur. Aynı şekilde hücre içinde sodyum
bulunmuyorsa aktif potasyum akışı da durur. Eritrosit membranları için
3 Na+ iyonu 2 K+ iyonu ile yer değiştirir. Bu Na+/K+ pompasının aynı
zamanda bir potansiyel farkı oluşturulmasına katkıda bulunduğunu
gösterir. Yani Na+-K+ pompası kısmen elektrojenik pompadır.
Transport mekanizması Na+ için son derece selektif (seçici) dir.
2) Transport için gerekli enerji ATP’nin hidrolitik ayrışmasından kazanılır.
Bu reaksiyonda ,adenosin trifosfat (ATP) adenosin difosfat (ADP) ve
inorganik fosfata ayrışır ;
ATP + H2O -→ ADP + H3PO4
ATP mitokondride üretilir.
3) Aktif Na+/K+ transportu çok spesifik olarak Oubain gibi dijital
glikozidler tarafından inhibe edilirler. Oubain sadece hücrenin dış
tarafında bulunursa etkili olur. Bağlantı yerlerinde K+ ile rekabet eder.
Oubainin bağlanması hızlıdır ve reversibldir. Fakat kompleksin
dissosiyasyon hızı canlıdan canlıya, organdan organa değişir.
4) Transport özelliklerinin hepsi bir büyük moleküle yüklenebilir.
Transport sistemi ATP-az gibi hareket eder. Yani Na+/K+ pompası
ATP’yi ayrıştıran enzim gibidir. Bu aktivite Na+, K+ ve Mg++
konsantrasyonları tarafından düzenlenir. Oubain aynı zamanda bu
enzimin aktivitesini de bloke eder.
Şefik DURSUN
118
Na+/K+ aktif transportu aynı zamanda ATP sentezini de birlikte oluşturur.
Bu yüzden oubain ATP sentezini durdurabilir.
Enzim iki konformasyonal durumda var olabilir.Sodyum bağlama yerleri
membranın stoplazmik tarafında bulunur. Sodyum iyonları bağlanır bağlanmaz
enzim Mg++’un varlığında fosforilize olur (Şekil12).
Fosforilasyon ile enzim şekil değiştirir. Bu Na+ iyonlarının intrasellüler
ortamdan ekstrasellüler ortama taşınmasına neden olur. Bu durumda bağlanma
yerleri Na+ için seçiciliklerini kaybederler. Na+ serbest kalır. Böylece Na+ iyonları
diğer tarafa taşınmış olurlar. Ekstrasellüler tarafta K+ iyonları bağlanır.
Bağlanması ile defosforilizasyon meydana gelir ve enzim ilk durumuna döner.
Bu şekil değişikliği bağlı potasyum iyonlarının yer değiştirmesini sağlar. Enzim
bu durumda Na+’u tercih edeceği için K+’u bırakır.
Şekil 12: Aktif sodyum-potasyum pompasının fonksiyonel diyagramı
Transport enzimi iki konformasyonal durumda da olabilir. E’, membranın
iç tarafta bağlama durumundaki formu, E’’ ise dış taraftaki bağlama durumudur.
(E’)’den (E’’)’ye konformasyonal değişiklik, Na+ ve Mg++’un varlığında ATP’den
enzime yüksek enerjili fosfat molekülünün transferi ile oluşur (3. Faz). Bu
değişiklik Na+’un içten dışa aktüel transportunu sağlıyacaktır. Đkinci
konformasyonal değişiklik (E’’)’den (E’)’ye (5. Faz) K+’un bağlanmasıyla
tetiklenir. 4. Faz oubain ile, 3. Faz ise oligomisin ile inhibe edilebilir. Bütün
reaksiyonlar reversibldir.Na+/K+ ATP-az ile Na+/K+ transport sistemi aynı anlama
gelen tanımlardır. Bu mekanizmanın çalışması için enerji, dolayısıyla oksijen de
gereklidir. 1 mol O2, 20 mol Na+’un taşınması için kullanılır.
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
119
B) Diğer Aktif Transport Sistemleri
1) ATP-az’lar
Na+/K+ transport sistemi dışında en önemli transport sistemi kas liflerinin
sarkoplazmik retikulumundaki Ca++ - transport sistemidir. Bu sistem kasın
relaksasyon zamanında etkili olur ve Ca++’u hücre içindeki küçük vesiküler
boşluklara kaldırır. Bunu hücre stoplazmasıyla vesikül içi arasındaki büyük
kalsiyum konsantrasyonu farkına rağmen yapabilir (Ca++ plz = 10-7 mol/L ,Ca++ ves
= 10-3 – 10-2 mol/L) .Transport ATP’nin parçalanmasından açığa çıkan metabolik
enerji ile gerçekleşir.
Bir ATP molekülünün hidrolizi ile 2 mol Ca++ vesiküle alınır. Bu olayda da
gene Mg++’un varlığına ihtiyaç vardır. Enzim fonksiyonları Ca++ ve Mg++
tarafından stimüle edilir.
Ca++ / Mg++ ATP-az , Na+/K+ ATP-az gibi sadece lipidlerin varlığında
fonksiyon görür. Hücre membranlarından özellikle eritrositlerden izole edilmiştir.
Ca++ / Mg++ ATP-az ’a ek olarak mide, böbrek ve glandların hücre
membranlarında ATP -az’lar da vardır. Bu ATP- az’lar HCO-3 veya K+ tarafından
aktive olurlar ve bu organlarda H+ iyonlarının primer aktif transportuna eşlik
edebilirler.
2) Fosfotransferaz sistem: Bakteriyel membranlardan glikoz transportu
fosfotransferaz sistem ile gerçekleşir.
Glikoz transport sırasında mebranda fosforilize edilir. Bu nedenle hücre
içinde glikoz -fosfat bileşiği olarak gözlenir.Transport için enerji ATP’nin
parçalanması ile kazanılmaz, fosfoenolpiruvattan sağlanır.Fosfoenolpiruvatın
yüksek enerjili fosfat grubları, iki veya üç enzim üzerinden geçtikten sonra,
glikoz üzerine direkt olarak transfer edilir.
3) Aktif H+ transportu (Redox sistem): Mitokondriler hücre
solunumunun gerçekleştiği yerlerdir.
Redoks reaksiyonları mitokondirinin içinden dışına aktif H+ transportunu
sağlar. Bu transport mitokondri membranının iki tarafı arasında bir
elektrokimyasal potansiyel farkının oluşmasıyla sonuçlanır. Bu potansiyel proton
geri akışı olarak ATP sentezini yönetir.
Şefik DURSUN
120
Şekil 13: Mitokondrilerde aktif H+ transportu
a) Mitokondri içindeki H+ iyonlarının dışa transportuyla dış fazın
başlangıçtaki asitlik özelliği değişir. Membranın lipid fazı Triton.100 gibi
deterjanlarla parçalanırsa asitlikte değişiklik olmaz.
b) H+ iyonlarının transport hızı direkt olarak oksijen kullanımıyla orantılıdır.
Bir oksijen atomu için 6 H+ iyonu transfer edilir. ATP - az inhibitörler bunu
etkilemezler. Fakat solunum zincirini etkileyen zehirler değiştirebilir (Şekil 13).
c) H+ iyonlarının dışa taşınması bir membran potansiyeli meydana getirir
(dış pozitif, iç negatif). Membran potansiyelini ölçmek için mitokondiriler çok
küçüktür.
1. 3. 2. Sekonder Aktif Transport
Böbreklerde ve sindirim kanalında glikoz aktif rezorpsiyonu sekonder aktif
transporta örnektir. Hücrenin diğer yüzeyinde aktif Na+/K+ pompası vardır. Bu
mekanizma Na+ iyonlarını hücrenin iç kısmından dış kısmına taşır. Bu yüzeyde
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
121
ise glikoz için pasif bir transport mekanizması vardır. Na+ -glikoz Co-transport
mekanizması lümene ait hücre membranlarında bulunmuştur (Şekil 14).
Sodyum pompası kısmen elektrojeniktir. Oubain tarafından inhibe edilebilen
Na+/K+ değiştirme pompasını ATP kontrol eder. Kontraluminal hücre
membranınında eritrositlerde tanımlanana benzer şekilde glikoz transport
mekanizması, floretin tarafından inhibe edilebilir. Luminal hücre membranlarının
Na+ -glikoz Co-transport mekanizması florizin tarafından inhibe edilir. Floretin
burada etkili olmaz. Bu üç mekanizma intrasellüler sodyum konsantrasyonunu
10-15 mmol/L ve her iki tarafta ekstrasellüler konsantrasyonu ise 144 mmol/L
olarak tutar. Böylece –80mV’luk (sitoplazma negatif) luminal ve kontraluminal
hücre membranlarının arasında membran potansiyeli meydana gelir.
Şekil 14: Organik moleküllerin Na+ ile birlikte taşınması, Co-transport mekanizması
Sodyum iyonları, yeterli glikoz molekülleri varsa elektrokimyasal
potansiyel gradyanı boyunca böbrek veya sindirim sistemi lümeninden hücreye
girer. Bir glikoz molekülü bir veya iki sodyum iyonuna bağlanır. Böylece
intrasellüler glikoz konsantrasyonu, kan tarafındaki diğer ortamdakinden daha
Şefik DURSUN
122
fazla oluncaya kadar artar. Bu durumda glikoz molekülleri pasif mekanizma ile
kana geçebilir.Glikozun lümenden kan tarafına taşınması devamlıdır. Hücrenin
her iki tarafındaki sıvı hacimleri içersinde mutlak olarak aynı bileşim olsa bile bu
proses sürer.Sodyum transportu azalırsa, mesela oubain ile, o zaman glikoz
transportu da azalırr. Glikoz konsantrasyonu azalırsa, sodyumun aktif transportu
da azalır.Sekonder aktif transport esas olarak tüm epitelyal dokularda bulunur.
Böbrekte sekonder aktif transport mekanizması bikarbonat, protonların
sekresyonu ile beraber glikoz,amino asit, monokarboksil ve dikarboksil asitler,
safra asiti, fosfat, sülfat ve kalsiyum iyonlarının rezorpsiyonundan sorumludur.
Durum sindirim kanalındakine benzerdir.
Sekonder aktif transporta başka bir örnek izotonik su rezorpsiyonu
fenomenidir. Su transprotunda taşıyıcı tip mekanizma yoktur.GrupII epitel
hücreleri, osmotik gradyan olmasa bile suyun transportunu sağlayabilir. Örneğin
böbreklerin proksimal tubulüs hücrelerinde durum şöyledir ;Grup II epitelyum her
iki tarafı aynı NaCl-ringer çözeltili banyo içine konursa ve metabolizma
korunursa, NaCl ve su lümenden kan tarafına geçer ve taşınan sıvı aynı osmotik
basınca sahiptir (Đzotonik su rezorpsiyonu).
1. 4. Vesikül OluşumuylaTransport
Proteinlerin ve büyük moleküllü maddelerin transportu için özel transport
mekanizmaları vardır. Taşınacak olan madde membranın bir parçası ile
paketlenir. Optik mikroskop veya elektron mikroskopla görülebilir. Bu vesiküller
hücre içersine alınırsa endositoz veya önceden oluşmuş ve hücre duvarına
temas ile içindekileri hücre dışına boşaltırsa ekzositoz adı verilir. Bu şekilde
proteinler veya daha büyük partiküller, hücre parçaları veya bakteriler sindirim
için hücre içersine alınır. Bunun yanında hücrede üretilen hormon ve enzimler de
dıştaki ortama serbest bırakılırlar.
Endositozun ilk adımında makromoleküllerin membran yüzeyindeki
spesifik bağlanma yerlerine bağlandığı gözlenir. Bağlanma olayı canlı membran
materyelinde lokal formasyonunu tetikler. Kesin olarak istirahat durumundaki
lipid komposizyonu ve protein dağılımı farklılaşır. Yeni teşekkül eden hücre
membranının iki lipid tabakasında yüzey gerilimin değişmesinden dolayı
membranın invaginasyonu görülür (Şekil 15). Bu vesiküller hücre duvarından
ayrıldıktan sonra lizozomlar tarafından sindirilir.
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
123
Şekil 15: Hücre membranında pinositotik vakuol (vesikül) oluşumu ile maddelerin hücre
içine alınması, pinositoz
Endositoz, pinositoz ve fagositoz olayları olarak ifade edilen iki şekil
gösterir. Pinositoz su fazındaki protein ve diğer makromoleküllerin hücre
içersine alınmasında gerekli mekanizmadır. Normal olarak sadece ökaryotik
hücrelerde gözlenmiştir. Fagositoz pinositoza benzer. Ancak bu mekanizma
büyük makromolekül kompleksleri, bakteri, viral partiküller vs.’yi büyük vesiküller
veya vakuollerin içinde hücre içersine alınmasında önemli bir mekanizmadır. Bu
olay genellikle çok hücrelilerde, yüksek canlılarda makrofajlar gibi fagositik
hücreler tarafından kullanılır. Fagositik hücreler içeriye alınmış zararlı materyeli
organizmaya zarar vermesinden önce parçalar.
Ekzositosiz ile ilgili çalışmalar sinirlerde ve sinir sonlanma yerlerinde
yapılmıştır. Buralarda asetilkolin sekrete edilir. Ayrıca sindirim enzim ve
hormonlarını sekrete eden bezler üzerinde de çalışılmıştır. Her iki olayda da
sekrete edilen bu maddeler hücrelerin endoplazmik retikulumunda üretilir ve
küçük vesiküllerde depo edilir.Bir lipid membranla tamamen çevrilmiştir.Hücreler
elektriksel veya kimyasal olarak uyarılırsa vesiküller hücre duvarına belirtilen
şekilde temas ederler. Ve içerdikleri bu maddeleri dışarıya boşaltırlar (Şekil 16).
Şefik DURSUN
124
Şekil 16: Ekzositoz ile mukus salınımı (A) ve Ca++ iyonlarının ekzositoz olaylarındaki
rolü (B)
Bu olay intrasellüler Ca++ konsantrasyonunun artmasıyla başlayabilir.
Đçeriklerini boşaltmalarını takiben, ya tamamen hücre membranıyla birleşirler ya
da kendi kendilerine ayrılıp hücre içersine küçük vakuoller olarak geri dönerler.
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
125
1. 5. Membrandan Su Transportu, Osmosis ve Osmotik Basınç
Farklı sıvı kompartımanları arasında suyun hareketi iki kuvvet tarafından
belirlenir. Bunlardan biri osmotik basınç, diğeri ise hidrostatik basınçtır. Eğer iki
çözelti suya geçirgen bir membranla ayrılacak olursa, sıvı kompartımanlarından
birine mekaniksel bir basınç uygulayarak su itildiği zaman, membrandan
geçerek diğer kompartımana girer. Vücutta vasküler yatakta çok yüksek
hidrostatik basınç vardır. Kalbin kontraksiyonu ile sağlanan bu basınç, kapiller
yatakta plazma suyunun interstisyel (hücreler arası) boşluğa geçmesine sebep
olur. Fakat plazma hacmi, plazma proteinleri tarafından oluşturulan osmotik
basıncın dengeleyici zıt etkisi ile korunur.
Osmosis ve osmotik basınç kavramları basit bir deneyle (Şekil 17)
kolayca anlaşılabilir.
Farzedelim ki bir kap
içersindeki distile su, suya
geçirgen ama su içersindeki
çözülmüş maddelere geçirgen
olmayan bir membranla iki
kompartımana ayrılsın. Kompartı-
manlardan birine glikoz çözeltisi
ilave edilsin. Random hareketi
yapan su molekülleri iyon ve
moleküllerin diffüzyonuna benzer
şekilde membranı geçebilirler.
Suya glikoz çözeltisi ilave
edildiğinde, su moleküllerinin
random hareketi (veya aktivitesi)
azalır. Bu durumda su, yüksek
aktiviteli bölgeden düşük aktiviteli
bölgeye hareket edecek, glikoz
içeren kompartımana akacaktır.
Suyun bu hareketine osmosis adı
verilir.
Şekil 17 : Osmotik basıncın oluşumu,
basit bir osmometre
Şefik DURSUN
126
Suyun glikoz kompartımanındaki aktivitesi her zaman azdır. Bununla
beraber kompartımanın hacmi değişmiyorsa, hacimdeki artış hidrostatik
basınçta artmaya neden olacaktır. Kap içersindeki hidrostatik basınç borudaki
su seviyesinin yükselmesiyle saptanabilir.Hidrostatik basınç belli bir değerden
sonra su moleküllerinin geçişine izin vermeyecektir. Suyun osmotik hareketine
engel olan hidrostatik basınç, çözeltinin osmotik basıncı olarak ifade edilir.
Bir çözeltinin osmotik basıncı çözeltinin birim hacmindeki partikül sayısı ile
orantılıdır. Partiküllerin tipi ile, valansıyla ve ağırlığıyla ilgili değildir. Osmotik
basınç birimi osmol’dür. Bir osmol, iyonize olmayan bir maddenin bir gram
moleküler ağırlığı (1 mol)’nın basıncıdır diye tarif edilir. 1 mol 6.02.1023 partikül
ihtiva eder. Rölatif olarak dilue olan vücut sıvılarında, osmotik basınç kg başına
miliosmol (m.osmol/kg) cinsinden ifade edilir; m.osmol/kg = n x mmol/L ya da
= n x mg/dl.10 / mol.ağırlığı şeklinde ifade edilebilir.
n, molekül başına dissosiye olabilir partikül sayısıdır.
Na+, Cl-, Ca++ ve glikoz için n=1
olduğunda 1mmol/L’lik konsantrasyon 1
m.osmol/kg’lık osmotik basınç meydana
getirecek demektir. Ancak bir bileşik iki
veya daha fazla partiküle ayrılırsa osmotik
basınç 1 m.osmol/kg’dan daha fazla
olacaktır. Mesela vücut sıvılarında mevcut
konsantrasyonlar da NaCl’ün yaklaşık
%75’i Na+ ve Cl-‘e dissosiye olur. Bu
yüzden her 1 mmol/L NaCl için Na+ ve Cl-
‘ün miktarları 0.75 mmol/L’dir. O,25
mmol/L’sı ise NaCl şeklinde dissosiye
olmadan kalır. Bu durumda osmotik
basınç, 1,75 m.osmol/kg kadardır (Tablo
2).
Şekil 18: Temperatürü ölçmek için kullanılan Termokulp.B sürekli olarak bilinen temperatürde (Örn.buz içersinde ) tutulur.
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
127
Tablo 2: Osmotik basınç birimi ile farklı birimlerin ilişkisi atom veya molekül ağırlığı
Madde mg mmol mEq m.osmol
Na+ 23 1 1 1
Cl- 35.5 1 1 1
NaCl 58.5 1 2 1.75
Glikoz 180 1 - 1
Partiküllerin sayısına ek olarak, osmotik basınç çözeltinin temperatürü ile
de orantılıdır. Bu ilişki Van’t Hoff kanunu ile açıklanabilir (gazlar için kullanılan
genel gaz kanununa benzer şekilde);
Osmotik basınç = n CRT ‘dir.
C, çözücünün birim hacmindeki mol olarak total çözelti
konsantrasyonudur. n, her bir molekülün dissosiye olabilir partikül sayısıdır. R bir
gaz sabitidir. T ise mutlak temperatürü gösterir. Vücut sıcaklığında
(273+37=310oK) çözeltinin 1 kg sudaki 1 m.osmol’ünün atmosfer cinsinden
osmotik basıncı (n=1 olan bir maddenin 1 mmol’ünün basıncı) ;
Osmotik basınç = 0.001 x 0.082 x 310
= 2.54.10-2 Atm (m.osmol/kg )
Deniz seviyesinde 1 Atmosfer 760 mmHg olduğundan yukarıda ifade
edilen 1 osmol osmotik basınç, 2.54.10-2 .760 = 19.3 mmHg olacaktır.
Osmotik basıncı şöyle de ifade edebiliriz ;
Osmotik basınç = a (n CRT).
a, membranın maddeye karşı permeabilite katsayısıdır. Eğer bir membran
su içersinde çözülmüş maddeye geçirgen değilse örneğin yukarıdaki deneyde
glikoz için olduğu gibi;
a = 1 olacaktır.
Laboratuvarda, bir çözeltinin osmotik basıncı osmotik konsantrasyonu
olarak ölçülmez. Çözeltinin diğer bir özelliğine göre, mesela suyun donma
noktasını düşürebilme yeteneğine göre ölçülür. Elektrolit olmadığı zaman su
OoC’da donar. Herhangi bir maddenin 1 osmol’ü (n=1 olan 1 mol’lük madde) 1
Şefik DURSUN
128
kg suya ilave edildiğinde, suyun donma noktası 1.86oC düşecektir. Örneğin,
plazmanın donma noktası normal olarak –0.521oC dolayındadır. Bu donma
noktası değişimi 0.280 osmol/kg (0.521/1.86) veya 280 m.osmol/kg’lık bir
osmolariteyi gösterir. 280 m.osmol/kg plazma osmolalitesi 5404 mmHg (280 x
19.3)’lık bir potansiyel osmotik basınç demektir. Bununla birlikte plazmadaki iyon
veya moleküllerin büyük bir kısmı etkisizdir. Na+ iyonları interstisyel sıvıdan
plazmayı ayıran kapiller duvarı geçebilir. Aslında net etkili plazma osmolalitesi
,vasküler boşluğu sınırlayan plazma proteinlerinden dolayı,1.3 mosmol/kg'dır
(25mmHg’lık osmotik basınç meydana getirir).
Su içersinde osmotik basıncı oluşturan elektrolitler suyun donma
noktasını düşürdüğü gibi kaynama noktasının da artmasına neden olur. Donma
noktasındaki değişikliğe göre osmotik basınç tayinine kriyoskopi yöntemi denir.
Osmotik basınç = nCRT formülünde n=1 (yani dissosiye olmayan elektrolit) ve
C, 1 mol/kg ise OoC da (osmotik basınç);
= 1. 0,082 . 273 = 22,4 Atm.’dir.
Yani OoC da 1 osmol’lük basınç 22,4 Atm. kadardır.
Đdeal elektrolitin 22.4 Atm’lik osmotik basıncı olduğunda( yani n=1 ve 1
mol/kg.) yukarıda ifade edildiği gibi suyun donma noktasını 1.86 oC kadar
düşürür. Buna göre donma noktasında ∆x gibi bir değişiklik meydana getiren
elektrolitin osmotik basıncı da;
Osmotik basınç = 22.4 / 1.86 . ∆ x = 12.06 . ∆x Atm. olacaktır.
Bu amaç için kriyoskopi aleti (Şekil 18)’ nin sadece o elektrolitin suyun
donma noktasını ne kadar azalttığını saptaması yeterlidir.
1.5.1 Osmolalite ve Osmolarite
Osmolalite bir kg. su içindeki osmol sayısını gösterir. Toplam hacim
relatif olarak küçük elektrolit maddenin hacmi ile birlikte bir litre su olacaktır.
Osmolarite ise bir litre çözeltideki osmol sayısını belirtir. Bu durumda suyun
hacmi bir litreden az olacaktır. Elektrolit hacmine eşit miktar kadar bir litreden az
olacaktır. Bu nedenle osmolalite bir kg suya düşen miliosmol olarak ölçülür
(mosmol/kg) osmalarite ise mosmol/L'dir. Pratikte bu fark ihmal edilebilir. Çünkü
vücut sıvılarındaki elektrolit konsantrasyonu çok düşüktür.
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
129
1.5.2.Đzotonik ve Đsoosmotik Çözeltiler
Eritrosit hücreleri distile su içersine yerleştirildiği zaman, su eritrositlerin
içine doğru hareket edecektir. Sonuçta hücre şişecek ve hemoliz olacaktır.
Tersine o hücrenin aynı effektif osmolalitesine eşit (280 mosmol/kg) bir çözelti
kullanılırsa, osmotik gradyan meydana gelmeyecek ve hücrede herhangi bir
değişiklik olmayacaktır (Şekil 19).
Hücre hacminde değişiklik meydana getirmeyen böyle bir sıvıya izotonik
çözelti denilir. Hücrenin şişmesine sebep olan sıvı ise hipotoniktir. Aksine
hücrenin büzüşmesine neden olan çözelti de hipertonik çözelti adını alacaktır.
Mesela %5 dekstroz (100 ml. su da 5 gr. dekstroz) isotonik çözeltidir. Hücreyle
aynı osmolariteye sahiptir, hücreyle isoosmotiktir.
5000 mg/dl . 10 / 180 = 278 mosmol / kg
Benzer olarak % 0.45 NaCl hipotonik, % 0.9 NaCl izotonik ve % 3 NaCl
de hipertoniktir. % 0,9 NaCl çözeltisi 154 mEq/L konsantrasyonda Na+ içerir.
1. 6. Kolloid Osmotik Basınç (Onkotik Basınç)
Biyolojik membranların kolloidleri geçirmemesinden doğan basınca kolloid
osmotik basınç ya da onkotik basınç adı verilir. Kolloid osmotik basıncı hesap
etmek için Van’t Hoff formülü kullanılabilir. Bu şekilde yapılan hesap elektrik
yüküne sahip olmıyan kolloidler için doğrudur. Eğer çözeltideki tanecikler elektrik
yüküne sahip iseler, elektrostatik dengeyi sağlamak için kolloidlere tutunan
iyonların gözönüne alınması zorunludur. Bu olay osmolalitenin artmasına neden
olur. Bu şekilde bulunan osmotik basınç, sadece kolloidleri gözönüne alarak
hesap ettiğimiz basınçtan daha yüksek bulunur. Örneğin ortalama 28 mmHg
kolloid osmotik (onkotik) basıncı gösteren normal insan plazmasında ancak 19
mmHg’sı proteinlere, geri kalan 9 mmHg’sı da proteinler tarafından tutulan
iyonlara aittir.
Şefik DURSUN
130
Şekil 19: Alyuvarların farklı çözeltilerdeki hacimsel değişimleri. A, Đzotonik; B,
Hipoosmotik; C, Hiperosmotik çözeltiler.
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
131
BÖLÜM 3
BĐYOFĐZĐK
1. HÜCRELERARASI ĐLETĐŞĐM
Organizmada bilgi ya bir aksiyon potansiyeli ya da hücrenin kimyasal
çevresindeki değişiklikler ile iletilebilir. Bu değişiklikler iyonlar ve metabolitler
(örneğin glikoz gibi normal çevresel bileşimler) veya hormonlar ve
nörotransmiterler gibi spesifik molekülleri gerektirir.
Aksiyon potansiyeli, bir hücrenin sınırları içersinde basit bir informasyon
ileti birimidir. Bazı olaylarda aksiyon potansiyelleri direkt olarak hücreden
hücreye iletilir. Bu ileti omurgasızların kalp kasında olduğu gibi komşu hücreler
arasında bulunan trilamellar birimler üzerinden gerçekleşir (Şekil 20 A).
Sinir terminalleri ve diğer hücreler arasındaki esas kontaktlar sinapslardır.
Sinaptik kontaktlarda ileti kimyasaldır. Sinir uçları karekteristik nörotransmiterler
salgılar. Bu nörotransmiterler asetilkolin, katekolamin veya birkaç amino asitten
biri olabilir. Nörotransmiterler hedef hücre membranını etkilerler. Daha sonra da
inaktif olurlar. Örneğin asetilkolin, asetilkolinesteraz vasıtasıyla hidrolize edilir.
Nörodrenalin ise sinir uçlarından yeniden hücre içersine alınırlar.
Şekil 20: Hücreler arasında aksiyon potansiyelinin iletimi
Şefik DURSUN
132
Nörotransmisyonun detayları özellikle motor nöronlarla kas hücreleri
arasındaki nöromüsküler birleşme yerlerinde incelenmiştir.Asetilkolin presinaptik
sinir terminallerinde, küçük vesiküllerde depo edilir. Ekzositoz olayı ile sinaptik
araya boşaltılır. Bu olay aksiyon potansiyelinin sinir terminaline varmasıyla
tetiklenir (Şekil 20 B).
Hücrenin çevresindeki kimyasal değişiklikler ve hücreler arasındaki bilgi
transferi, nörotransmisyondaki gibi lokal bir etkiyle sınırlı değildir. Birkaç önemli
kimyasal haberci (hormonlar) anatomik olarak uzak endokrin bezlerinden
salgılanır ve özel hedef hücreleri etkilemek için dolaşım sisteminde bulunur.
Hücre yüzeyleri reseptör sistemleri içerir. Bu sistemler ekstrasellüler
değişiklikleri tespit edebilirler ve hücre yüzeyi geçirgenliklerinde değişikliklere yol
açabilirler.
1.1. Hücre Đçi Haberci Sistemleri
Hücre içi haberleşmede birbiriyle etkileşim halinde üç esas sistem vardır.
Bunlar;
a- Siklik adenosin monofosfat (cAMP) sistemi,
b-Siklik guanizin monofosfat (cAMP) sistemi,
c- Kalsiyum haberci sistemi.
1.1.1. Siklik Adenosin Monofosfat (cAMP) Sistemi
Bu haberci sistemleri uyarı ile hücrenin vereceği cevap arasında bağlantı
kurucu olarak görev yaparlar. Hücre fonksiyonları ayarlanırken bu sistemler
birlikte devreye girerler.Hücreyi dıştan etkileyerek hücre içinde cAMP sentezini
arttıran maddelere (örneğin, hormonlara, nörotransmitter maddelere) birinci
haberci, cAMP’ye de ikinci haberci denir.
Hücrede cAMP düzeyi, birbirine zıt iki enzim aktivitesinin dengesini
yansıtır. Bunlar adenil siklaz ve fosfodiesteraz enzimleridir. Adenil siklaz
ATP’den cAMP şekillenmesini katalize eder; fosfodiesteraz ise cAMP’yi
5’-AMP’ye hidrolize eder ve böylece cAMP etkisini ortadan kaldırır;
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
133
Adenil Siklaz
ATP ------------------------→→→→ cAMP + Ppi
Mg++
fosfodiesteraz
cAMP -----------------------→→→→ 5’-AMP
Mg++
olayın gerçekleşmesi için ortamda Mg++ iyonlarının bulunması gerekir.
cAMP düzenleyici bir maddedir. Birçok hücresel olayların hızını kontrol
etmektedir. Hücrenin içinde olan değişiklikler cAMP miktarını etkilemez. Sadece
dış ortamdaki değişiklikler cAMP düzeyini hücre fonksiyonlarını bu duruma
uyduracak biçimde etkilemektedir.
Hücrenin gerek sinirsel gerekse hormonal yolla uyarılması ile hücrede
meydana gelen değişiklikler cAMP, cGMP, kalsiyum iyonları ve hücredeki özel
bazı proteinleri fosforile eden proteinkinaz enzimlerindeki değişikliklerdir.
cAMP’nin ATP’den sentezini sağlıyan enzim adenil siklaz, hücrenin plazma
membranına bağlanmıştır. Fosfodiesteraz ise sitoplazmada bulunur (Şekil 21).
cAMP’nin iş gördüğü bütün dokularda cAMP ile aktive edilen proteinkinazlar
mevcuttur. Proteinkinazlar hücredeki birçok proteini fosforile eder ve aktif hale
geçirir. Hemen bütün eksitasyon-reaksiyon sistemlerinde hücrenin uyarılması ile
cAMP’nin ve hücre içine alınan kalsiyum miktarının artması birlikte ortaya çıkar.
cAMP’nin intrasellüler kalsiyum depolarından kalsiyumun sitoplazmaya
geçmesini sağladığına dair deliller de vardır.
Hormonların hücreyi aktivite etmesiyle hücre yüzeyinde, sitoplazmada,
nükleer membranda bulunan özel reseptörler hormonlarla reaksiyon verir.
Bunun sonucu olarak hücre membranının kalsiyum geçirgenliği ve adenil siklaz
aktivitesi artmaktadır. Böylece de cAMP miktarı artar. Bu olay hücre
organellerindeki kalsiyumun sitoplazmaya geçmesini sağlar ve hücre içi
kalsiyum konsantrasyonunu arttırır. Olaylara bakılırsa cAMP ve Ca++ ‘un hücre
için ikinci haberci oldukları söylenebilir. Adenil siklaz aktive olduğunda proteinleri
fosforile eder.
Şefik DURSUN
134
Şekil 21: cAMP oluşumunun mekanizması ve hücre aktivitelerinin özeti.
Proteinler fosforile olduğu zaman Ca++‘a karşı duyarlı hale gelirler.
Hücrede cAMP düzeyinin artması mutlaka hücre fonksiyonlarını stimüle etmez.
Örneğin kalsiyuma ihtiyaç gösteren bir grup reaksiyonları cAMP önlemektedir.
Çeşitli dokularda farklı etki görülmesi bu dokudaki reseptör proteinlerin farklı
olmasıyla izah edilir. Bunun yanısıra cAMP’nin tüm etkilerinin her doku için özel
proteinkinazlar aracılığıyla olduğu düşüncesi ağırlık kazanmıştır.
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
135
Şekil 22: Epinefrinin değişik dokularda α ve β reseptörlerinin etkisi
1.1.2. Đkinci Haberci Olarak cGMP
Đkinci haberci olarak Ca++ ve cAMP’nin çalışması diğer regüle edici
nükleotik monofosfat, cGMP (siklik GMP)’nin varlığında komplike hale gelir. Bu
nükleotidin hücredeki konsantrasyonu cAMP’den daha azdır ve GTP (guanizin
trifosfat)’ dan guanilat siklaz enzimi yardımıyla oluşur. Bu enzim sitoplazmada
Şefik DURSUN
136
serbest olarak bulunur. cGMP, cAMP’ nin aksine cevaplar meydana getirir.
Mesela kalp kasında epinefrin cAMP yapımını stimüle eder. Diğer taraftan
asetilkolin de cGMP yapımını stimüle eder. Asetilkolin ve katekolaminler kalp
atışının hızı ve gücü üzerinde zıt etkilere sahiptirler. Asetilkolin belirtilen
parametreleri azaltır, katekolaminler ise yükseltir. Bu cAMP ve cGMP’nin
intrasellüler ortamda zıt etkiye sahip olduklarını gösterir. Kalp kası, beyin, düz
kas ve lemfositlerin β-adrenerjik reseptörlerinin aktivasyonu, aynı anda cAMP
seviyesinde bir yükselme ile cGMP seviyesinde bir düşmeyi meydana getirir.
cGMP’nin yapımı özellikle Ca++ ‘a hassastır. cGMP (guanozin monofosfat)
bulunduğu her sistemde, hormon etkisini sağlamak için vasıtadır. Ekstrasellüler
sıvıdan Ca++ uzaklaştırılırsa hormonun etkisi ortadan kalkar. Yani Ca++ ‘un
yokluğunda guanilat siklaz enzimi inaktiftir. Serbest Ca++ ‘un artmasıyla daha
aktif olur.
Aksine adenil siklazın izole edilmiş örnekleri, düşük konsantrasyonlardaki
Ca++ tarafından stimüle edilir. Fakat sıfır Ca++ ‘da olduğu gibi yüksek
konsantrasyondaki Ca++ ‘da da inhibe edilir.Yani bu enzim için optimum Ca++
konsantrasyonu, guanilat siklaz için gerekenden daha azdır. Bu iki enzimin Ca++
‘a karşı hassasiyeti farklıdır. cAMP ve cGMP’nin rölatif konsantrasyonları
prensip olarak intrasellüler serbest Ca++ konsantrasyonu tarafından etkilenebilir.
Ayrıca cGMP sentezi için daha fazla kalsiyum gerekliliği, bazı sistemlerde Ca++
‘un cGMP yapımını uyarmak için ikinci haberci gibi rol oynadığını öne sürer. O
zaman cGMP üçüncü haberci gibi rol oynar.
Ayrıca hücrede son yıllarda yeni bir ikinci haberciden söz edilmektedir.
Polifosfoinozitidler çeşitli hormonların, nörotransmiterlerin, büyüme faktörlerinin
ve onkogen mahsüllerinin hücreyi etkilemelerinde esas rolü oynamaktadır.
Polifosfoinozitid sistemi, hücreyi uyaran ajanlar ile aktive edildiğinde iki ayrı
hücre içi haberci sistemi meydana getirir. Birisi inotizoltrifosfat diğeri de
diasilgliserol’dür. Her ikisi de birbirinden bağımsız olarak etki yaparlar.
Diasilgliserol proteinkinaz-C’yi aktive eder. Bu ise hücre çoğalmasını hızlandıran
proteinleri fosforile ederek hücreyi çoğalmaya zorlar. Đnotizoltrifosfat da hücre içi
Ca++ konsantrasyonunu arttırır.
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
137
1. 1. 3. Kalsiyumu Bağlıyan Protein -Kalmodulin
Kalsiyumu bağlıyan proteinlerden bir kısmı, haberci Ca++ için intrasellüler
reseptör olarak hizmet eder.
Đlk kesfedilen Ca++ reseptör proteini sadece çizgili kasta bulunan troponin
C’ dir. Kalsiyum bağlayan diğer protein ise kalmodulindir. Bu protein tabii
haldeyken inaktiftir. Fakat Ca++ ‘u bağladığı zaman aktif bir kompleks olur. Ca++ -
kalmodulin kompleksinin yalnız başına bulunan Ca++’a göre çok sayıda protein
ve enzimin aktivitesini etkilemekten sorumlu, düzenleyici bir ajan olduğu
görünür. Kalmodulin omurgalıların düz kasında kasılmayı regüle edici bir
kalsiyum reseptörüdür. Tıpkı omurgalıların çizgili kasında troponin C’nin etkisi
gibi.
Ca++, ekstrasellüler ortamda ilk, intrasellüler ortamda ise ikinci haberci gibi
davranır.Ca++’un, kas kasılmasında, siliar aktivitenin oluşmasında ve sinaptik
salgının tetiklenmesinde, genel olarak ekzositoz olayında rolü vardır.Ayrıca
oksidativ fosforilasyon, mikrotübül polimerizasyonu, amiboid hareket ve DNA
replikasyonu gibi olaylar intrasellüler Ca++ konsantrasyonunun yükselmesiyle
tetiklenir veya düzenlenir.
Hücredeki kalsiyumun yükselmesi için iki kaynak vardır. Bazı hücrelerde,
kas lifleri gibi, Ca++ uyarıya cevap sırasında intrasellüler kaynaklardan salınır.
Diğer bir şekilde uyarı Ca++ için özel kanalların açılmasına sebep olur, iyonlar
ekstrasellüler ortamdan hücre içine girerler. Örneğin bu akış memelilerin
karaciğerinde ve tükrük bezlerinde epinefrinin α -adrenerjik reseptörleri aktive
ettiği zaman meydana gelir (Şekil 22).
Kalmodulin cAMP’nin hem meydana gelmesini hem de ortadan
kalkmasını etkiler. Aynı şekilde Ca++ konsantrasyonunun hücre içinde artmasıyla
Ca++ mesajını gerekli yerlere iletir .Ayrıca Ca++ ‘un hücre dışına pompalanmasını
aktive ederek hücre içi konsantrasyonu düşürür ve sinyali sona erdirir.
cAMP ve Ca++ haberci sistemlerinin birbiri ile ilişkilerini şöyle özetliyebiliriz;
1- Hücreyi dıştan etkiliyen bir haberci iki ayrı reseptörü etkileyebilir ve
hücrede hem Ca++ hem de cAMP yükselebilir. Burada koordine bir kontrol
sistemi söz konusudur (Şekil 22).
2- Bir haberci hücrede önce Ca++ haberci sistemini aktive eder, sonra
başka bir haberci cAMP haberci sistemini aktive ederek ilk habercinin
oluşturduğu cevabı kuvvetlendirebilir.
Şefik DURSUN
138
3- Hücre içinde Ca++ miktarının artması bir hücresel reaksiyon doğurur;
cAMP artması da meydana gelebilir ve Ca++ ‘un meydana getirdiği reaksiyonu
durdurabilir. Antagonistik bir etki mekanizması vardır.
4- Bazen hücre içi Ca++ miktarının artması cAMP artmasına, cAMP
artması da hücre içi Ca++ miktarının artmasına neden olur.
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
139
BÖLÜM 4
1. MEMBRAN POTANSĐYELĐ
Canlı hücrelerde intrasellüler ortam ile ekstrasellüler ortam arasında bir elektriksel potansiyel farkı mevcuttur. Bu potansiyel istirahat (sükun) potansiyeli olarak anılır. Hücre tiplerine göre –50 mV ile –100 mV arasında değişir.
Đstirahat potansiyelinin sebebi, hücre membranının iki yanında ekstrasellüler ve intrasellüler ortamlar arasındaki eşit olmayan iyon dağılımıdır. (Tablo 3). Bu nedenle istirahat potansiyeli membran sükun potansiyeli olarak da ifade edilir. Hücre içi ve dışı arasında bazı iyonların konsantrasyonlarının farklı olmasının yanısıra herbir kompartıman içindeki anyonların toplamıyla katyonların toplamının birbirine eşit olması gereği de vardır. Bu husus elektronötralite kuralı olarak isimlendirilir. Uyarılabilen bazı hücre tiplerinin stimülasyonu ile istirahat potansiyelinde değişiklikler meydana gelir. Aksiyon potansiyeli olarak belirtilen bu değişikliklerinin hemen ardından hücre tekrar istirahat potansiyeli konumuna gelir.
Membranın iki tarafında dizilmiş olan iyonlar ile membran beraberce bir kondansatör meydana getirirler. Bu olay kondansatörün yüklenmesine benzer. Hücre membranının lipid matriksi kondansatördeki dielektrik özelliğine sahiptir (Şekil 23).
Bir kondansatörün yük alma
kapasitesi iki plağı arasındaki uzaklık
ile yani dielektriğin kalınlığı ile ters
orantılıdır. Son derece ince olan
membran (70-100 Ao) oldukça yüksek
bir kapasiteye sahiptir. Membranın bir
kondansatör olarak kapasitesi 1 cm2’si
başına yaklaşık 1 µF (mikrofarad)
kadardır. Membran potansiyel inin
–85mV’luk bir değeri için içte bulunan
tüm artı değerlikli iyonların 1/50.000
veya 1/500.000 gibi çok küçük
miktarının dışa taşınması yeterlidir.
Şekil 23. Hücre membranının kapasitör özelliği
Şefik DURSUN
140
Tablo 3: Vücut sıvı kompartımanlarının iyonik bileşimi.
1. 1. Membran Potansiyelinin Orijini
Hücre içi ve dışı arasındaki farklı iyon dağılımına bağlı olarak meydana
gelen istirahat potansiyelinin kaynağını, aşağıda belirtildiği gibi üç madde halinde
özetliyebiliriz;
a-Sitoplazma içindeki membranın geçirgen olmadığı sabit (-) yüklü iyon ya
da moleküllerin hücre dışına göre negatif bir Donnan Potansiyeli oluşturması,
b-Hücre ya da plazma membranın Na+, K+ ve Cl- için değişik
geçirgenliklere sahip olması ve bu iyon seçiciliğine bağlı olarak da membranın
iki tarafı arasında bir diffüzyon potansiyeli meydana gelmesi,
c-Đçte ve dıştaki kompartımanlar arasında konsantrasyon farkını devam
ettirmek için aktif iyon transport mekanizmalarının yardım etmesi.
Đşte tüm bu mekanizmalar dokudan dokuya değişen, ama her bir doku
hücresi için sabit bir istirahat ya da membran potansiyelini oluşturur.
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
141
1. 1. 1. Donnan Dengesi
Seçici geçirgen olan hücre membranları bazı iyonların geçişine hiç izin
vermezler. Denge sırasında buna bağlı olarak, iyonlar yeni bir konsantrasyon
dağılımına uğrayabilirler. Ve böylece membranının iki tarafı arasında bir
potansiyel farkı meydana gelebilir. Bu tür seçici geçirgen membranın bir
tarafında membranı geçemiyen iyon ya da moleküllerin varlığında kurulan
dengeye, Gibbs-Donnan dengesi (veya sadece Donnan dengesi) adı
verilir.Hücre membranlarını negatif yüklü anyonlar olan proteinler ve organik
anyonlar geçemezler.
Yarıgeçirgen bir membranın farklı iki kompartımanı birbirinden ayırdığını
kabul edelim(Şekil24). Başlangıçta ikinci kompartımanda konsantrasyonları eşit
Na+ ve Cl- iyonları, birinci kompartımanda ise Na+ iyonları konsantrasyonuna eşit
konsantrasyonda membranı geçemiyen negatif yüklü protein (Pr-) moleküllerinin
bulunduğunu düşünelim.
Şekil 24: Membrandan geçemeyen moleküllerin iyon dağılımına etkisi
Konsantrasyon gradyanı etkisinde Cl- iyonları ikinci kompartımandan
birinci kompartıman geçer ve bu kompartımanın negatifleşmesine neden olurlar.
Ortaya çıkan potansiyel farkının etkisinde, Na+ iyonları da yeni bir dağılıma
uğrarlar. Hem Na+ ve hem de Cl- iyonlarının net geçişlerinden sonra denge
sağlanır. Denge durumunda bu iyonların total serbest enerjilerinin toplamı sıfıra
eşit olacaktır.
Na+ iyonlarının serbest enerjisi F Na+= RT. Ln. [Na+]1 / [ Na+]2
Cl- iyonlarının da F Cl- = RT. Ln. [Cl-]1 / [ Cl-]2 dir.
Şefik DURSUN
142
Toplam enerji:
RT. Ln. [Na+]1 / [ Na+]2 + RT. Ln. [Cl-]1 / [ Cl-]2 = 0
RT. Ln. [Na+]1 / [ Na+]2 = – RT. Ln. [Cl-]1 / [ Cl-]2 = RT. Ln. [Cl-]2 / [ Cl-]1
Bu eşitlikten [Na+]1 / [ Na+]2 = [Cl-]2 / [ Cl-]1 = r
Yazılabilir. (r)’ye Donnan oranı ya da diferansiyel dağılım oranı adı verilir.
Yukarıdaki eşitlik,
[Na+]1 . [ Cl-]1 = [ Na+]2 .[Cl-]2 (Donnan eşitliği)
şeklinde yazılabilir.
Bu eşitliğe göre ikinci kompartımandan birinci kompartımana geçecek
olan iyonların konsantrasyonunu hesaplıyabiliriz.
I. Komp. II.Komp. I.Komp. II.Komp.
C1 Na+ C2 Na+ C1 P- (C2 – X)Na+
C1 P- C2 Cl
- C1 Na+ (C2 – X)Cl
-
X Na+ ←
X Cl- ←
Başlangıçta Sonuçta
Başlangıçta ikinci kompartımandan birinci kompartımana geçen Cl-
iyonları konsantrasyonun X olduğunu kabul edelim. Aynı şekilde gene ikinci
kompartımandan birinci kompartımana geçen Na+ iyonlarının da X
konsantrasyonunda olacağı açıktır. Denge halinde Donnan eşitliğini yazarsak,
[C1 + X] Na+ . [ X ] Cl- = [ C2 - X] Na+ . [ C2 - X] Cl
-
veya [C1 + X] . X = [ C2 - X] . [ C2 - X] = [ C2 - X]2
C1 . X + X2 = C22 + X
2 - 2C2 X
(C1 + 2C2) . X = C22
X = C22 / C1 + 2C2
Membranı geçen madde konsantrasyonudur.
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
143
1.1.2. Diffüzyon Potansiyeli
Nersnt Denklemi: Hücre membranının iki tarafındaki iyon
konsantrasyonlarının farklı olmasının yanısıra bir denge hali de söz konusudur.
Bu durumda dengeyi bir iyon için düşünürsek bu iyonunun içteki miktarının sahip
olduğu enerjiler toplamı dıştaki miktarlarının sahip olduğu enerjiler toplamına
eşittir. Yani konsantrasyonlarına ve elektriksel özelliklerine bağlı olan enerjiler
toplamı eşit demektir. Bunu şöyle yazabiliriz;
RT.Ln.Ciç + n.F.Viç = RT.Ln.Cdış + nF.Vdış
Bu eşitlik yeniden düzenlendiğinde;
n.F.Viç -. nF.Vdış = RT.Ln.Cdış – RT.Ln.Ciç ve
Ei = Viç - Vdış = RT / n.F .Ln.Cdış/ Ciç
Ei = RT / n.F .Ln.Cdış/ Ciç bulunur.
Nersnt Denge denklemi olarak isimlendirilen bu denklemdeki Ei
potansiyeline iyon denge potansiyeli adı verilir.
Denkleme göre hesaplanacak iyon denge potansiyeli, membran
potansiyeline eşit bulunursa, bu iyonun dengede olduğu söylenebilir. n iyonun
valans değerini gösterir. R ve F ise sabit değerlerdir (R=8, 3143 J.K-1 . mol-1, F=
96500 C.mol-1). Vücut sıcaklığında T=310oK (37oC) alınırsa bir değerlikli iyonlar
için RT/F = 0.0267 V olur.
Na+, K+ ve Cl- iyonlarının bilinen konsontrasyonları kullanılarak bu üç
iyonun memeli kas hücreleri için bulunan denge potansiyelleri şöyledir;
ECl-= -90 mV, ENa+ = + 66 mV EK
+ = -98 mV
Bu hücrelerde membran sükun potansiyelinin –90 mV olduğu da tespit
edilmişse, klor iyonları dağılımının dengede bulunduğunu, potasyum iyonlarının
dengeye yakın ama dengede olmadığını, sodyum iyonlarının ise dengeden çok
uzak olduğunu söyleyebiliriz.
Bir iyonunun membrandan pasif geçişini belirliyen mol başına enerji farkı,
membran potansiyeli (Em) ile iyon denge potansiyeli (Ei) arasındaki farkla
orantılıdır. Membrandan bir iyonun geçişi için keyfi olarak içten dışa doğru geçiş
yönünü pozitif kabul edelim.
Şefik DURSUN
144
Eğer Em-Ei farkı (elektrokimyasal potansiyel farkı) pozitif ise iyonlar
seçtiğimiz yönde, yani içten dışa doğru hareket ederler. Fark negatif ise dıştan
içe geçmeye çalışırlar. Fark sıfır ise net geçiş sıfırdır ve iyon dengededir.
Seçici geçirgen membranın aynı türden ama konsantrasyonları farklı iki
elektrolit çözeltisini ayırdığını kabul edelim. Membran bu çözelti içersindeki
sadece bir iyona geçirgen olsun. Örneğin K+ iyonuna. Hücre membranından K+
iyonu konsantrasyon gradyanı yönünde yani içten dışa doğru hareket eder.
Ancak çok kısa bir süre içersinde membranı geçemiyen ve içte kalan anyonlar
tarafından geri çekilir. Böylece membranın her iki yanında sadece K+ iyonu
diffüzyonuna bağlı olarak farklı yükler (içte negatif dışta pozitif) oluşur. Bu bir
kondansatör örneğinde olduğu gibi potansiyel meydana getirir.Bu potansiyel
diffüzyon potansiyeli olarak isimlendirilir. Çünkü membranın geçirgen olduğu
iyonların diffüzyonundan kaynaklanır.
Sadece bir iyona geçirgen olma hadisesinde bir denge hali kurulur. Bu
denge halinde membrandan iyon diffüzyonu, meydana gelen diffüzyon
potansiyeli tarafından engellenir. Diffüzyon potansiyeli bir denge potansiyelidir ve
Nernst denklemi tarafından verilen, diffüzyon potansiyelidir.
E = RT / nF . Ln . Cdış / Ciç
Bu olay diğer iyonlar için de düşünülebilir ve her bir iyon için diffüzyon
potansiyeli tanımlanabilir. Diffüzyon potansiyeli membran sükun potansiyelinin
oluşmasına büyük katkısı olan bir potansiyeldir.
Goldmann Denklemi: Gerçekte hücre membranları birkaç iyon çeşidine
geçirgendirler. Katyonlar ve anyonlar membranı geçebiliyorsa, diffüzyon
potansiyeli uzun süre sabit kalamayacaktır. Çünkü membranı geçebilen pozitif
ve negatif yüklerin birikmesi, membran yüzeylerindeki yük farklılığını ortadan
kaldırır. Bu yüzden de membranın iki tarafındaki konsantrasyon farkı ve tabii ki
diffüzyon potansiyeli yavaşça azalır ve sonunda kaybolur. Canlı hücrelerde
hücre dışı (ekstrasellüler) ve hücre içi (intrasellüler) ortamlar arasındaki
eşitlenme olayı aktif iyon transportunca önlenir.
Bu nedenle plazma membranı birkaç iyona geçirgen olsa bile, intrasellüler
ve ekstrasellüler ortamlardaki iyon konsantrasyonlarının sabit kaldığını kabul
ederiz.
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
145
O zaman diffüzyon potansiyeli sabittir ve istirahatte sıfır olan elektriksel
akımdan hesaplanabilir. Na+, K+ ve Cl- intrasellüler ve ekstrasellüler ortamların
temel hareketli iyonlardır. Denge durumunda bu iyonların akımlarının toplamı ;
J + JK – JCl = O olacaktır.
Jn , n iyon türünün net akışıdır. Hem konsantrasyon hem de elektriksel
gradyanın bileşimiyle oluşur.J akışı Nernst-Planck denklemi ile ifade edilirse:
J = -D dc / dx + n.C F / RT. de /dx yazılabilir.
dc/dx, konsantrasyon gradyanını, de /dx ise elektriksel potansiyel (de /dx
= E / d) gradyanını ifade eder. D, diffüzyon katsayısı, n, valansdır. Na+, K+ ve Cl-
iyonları için Nernst ve Nernst-Planck denklemi birlikte çözülürse müşterek
diffüzyon potansiyeli ya da diğer açıdan membran sükun potansiyeli olarak;
Em=RT/F. Ln PNa+ [Na]o +PK+ [K]o + PCl-
. [Cl]i //// PNa+ [Na]i + PK+ [K]i + PCl-
. [Cl]o
eşitliğini yazabiliriz.
P, membran geçirgenlik katsayısıdır ve P= D/d olarak ifade edilebilir (D
diffüzyon katsayısı, d membran kalınlığı). (o) dış ve (i) iç kısım anlamında
kullanılmıştır. Bu eşitliğe Goldmann Denklemi adı verilir. Eğer membran sadece
bir iyon türüne geçirgen ise, Goldmann Denklemi Nernst Denklemine indirgenir.
Genelde E diffüzyon potansiyelleri, membranı geçebilen iyonların denge
potansiyelleri arasında bulunur. Her bir iyonun bu potansiyelin oluşmasına
yardımı, rölatif geçirgenlikleri ile orantılıdır. Mürekkep balığı aksonuna ait
membran sükun durumu için K+, Na+ ve Cl- iyonlarının bağıl geçirgenlik oranları
yaklaşık olarak PK+ : PNa
+ : PCl- = 1:0,04:0.05 dir.
Görüldüğü gibi mürekkep balığı aksonunda sükun potansiyeli, temel
olarak akson membranının potasyum geçirgenliği tarafından yönetilir. Yapılan
araştırmalar sonucu bazı hücrelerde de mürekkep balığı aksonundakine benzer
üstün bir potasyum geçirgenliği gözlenmiştir. Bununla birlikte kurbağa iskelet
kası hücre membranında üstün olan klor geçirgenliğinin, sükun potansiyelinin
oluşumunda etkin olduğu saptanmıştır. Bu yüzden bir hücre için tespit edilen
geçirgenlik oranı diğer hücre tipleri için uygulanamaz. Bazı hücre tiplerinde
sükun potansiyeli oluşmasında hangi iyonun geçirgenliğinin etkin olduğu
bilinmemektedir.
Şefik DURSUN
146
1. 1. 3. Membran Potansiyeline Elektrojenik Đyon Pompalarının
Katkısı
Daha önce anlatıldığı gibi anyon ve katyonların plazma membranından
pasif diffüzyonu, sonuç olarak sitoplazma ile ekstrasellüler ortam arasındaki
konsantrasyon farkını kaldıracaktır. Bu eşitlemeyi aktif transport mekanizmaları
engeller. Đyonlar metabolik enerji ile konsantrasyon gradyanlarına karşı geri
taşınır. Daha önce anlatılan bu aktif transporta katılan membran komponentleri
“iyon pompaları” olarak belirtilmişti. Đyon pompalarının içte ve dıştaki iyon
konsantrasyonlarını sabit tutmasının yanısıra, eğer aktiviteleri membranın diğer
tarafına bir yük yer değişimine müsaade ediyorsa, membran sükun
potansiyelinin oluşmasına da yardım ederler.Böyle bir elektrojenik iyon
pompasına örnek Na+ ve K+ iyonlarının aktif transportudur. Bilindiği gibi bu iyon
pompası bir ATP molekülünün hidrolizi ile 3Na+ iyonunu dışarı atarken 2K+
iyonunu hücre içine taşır.Yani potasyumdan daha fazla sodyumu hücre dışına
atar. Böylece hücre içi potansiyel daha negatif olur. Bundan dolayı sükun
potansiyelinin bir kısmı elektrojenik iyon pompalarından kaynaklanabilir.
Membran sükun potansiyelinin oluşması için iç kısımda bir miktar negatif
yük, dış tarafta ise pozitif yük fazlalığı gerektiği açıktır. Deneyler ve yapılan
hesaplar, hücre membranının m2 'si başına ekstrasellüler ortamda 600 net pozitif
iyon fazlalığının, intrasellüler ortamda ise 600 net negatif iyon fazlalığının 10
mV.luk bir potansiyel farkı oluşturacağını göstermektedir. Bu değerler hücre içi
ve dışındaki toplam iyon sayıları ile karşılaştırıldığında son derece küçüktür.
Sonuç olarak belirtilen bu üç mekanizma birlikte, beraberce membran
sükun potansiyelinin oluşmasına katkıda bulunurlar.
1. 2. Membran Potansiyelinin Ölçülmesi
Akson çapı uygun olan sinir hücrelerinin aksoplazmasına elektrot
yerleştirilebilir. Böylece membran sükun potansiyeli direkt olarak intrasellüler ve
ekstrasellüler ortamlar arasındaki potansiyel farkı olarak okunabilir. Genelde
hücreler bu metodun uygulanması için çok küçüktür. Bu amaçla çapı 0,1-0,5 µm
olan ince elektrodlar kullanılır. Belirtilen yöntemle ölçülen membran
potansiyelinin, çevre potansiyelinden etkilenebileceği göz önünde
bulundurulmalıdır.
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
147
Membran potansiyelinin belirlenmesi için alternatif metod olarak, bir
iyonunun ekstra ve intrasellüler ortamlar arasındaki dağılım dengesinin
ölçülmesidir. Bu metod çok değişik hücrelerde uygulanmış ve elektriksel
yöntemler kullanılarak bulunan değerlerle karşılaştırılmıştır. Sitoplazma
içersindeki yüklü boyaların konsantrasyonu, floresans veya absorpsiyon
ölçümlerinden bulunabilir. Ancak bu optik metod, boya sitoplazma içinde eşit
olarak dağılıyorsa uygulanabilir. Ayrıca kullanılan boyalar di-veya polimer
olmamalı, hücre organellerine bağlanmamalı ve bazı yapılarda birikmemelidir.
2. N Ö R O B Đ Y O F Đ Z Đ K
Gelişmiş dokularda nöronlar ve sinir sistemi temel amaçları olarak vücut
içinde bilgi iletimine sahiptirler. Sinir hücrelerinde veya nöronlarda
informasyonun dağılımı ve iletimin biyofiziksel parametreleri nörobiyofiziğin
içinde incelenecektir. Esas olarak nörobiyofizik membran potansiyelinin
değişmesiyle bilgilerin iletilmesini konu alır. Bilgi iletiminde, bu nöral sistemin
dışında organizma ikinci bir kontrol sisteme daha sahiptir. Bunlar kanda bulunan
kimyasal uyaranlar, hormonlardır. Bir hücrenin uyarılması anında daha önce
oluşumunu anlattığımız membran sükun potansiyelinde, çok kısa süre içinde,
değişmeler ortaya çıkar. Mevcut polarite durumu (hücre içinin negatif, dışının
pozitif olma hali) bozulur. Örneğin bir kas lifinin, bir sinir hücresinin veya bir
basınç reseptör hücresinin uyarılmasında membran potansiyelinin pozitif yöne
değişimiyle birlikte hücrenin cevabı ortaya çıkar. Benzer potansiyel değişiklikleri
farklı hücrelerde de gözlemlenir. Hücre böylece aktif hale geçer. Bu nedenle
uyarılma ile meydana gelen potansiyel değişikliklerine aksiyon potansiyeli adı
verilir. Aksiyon potansiyelinin zamana bağlı değişimi dokudan dokuya farklılık
göstermesine rağmen tüm aksiyon potansiyellerinde, müşterek olan husus
membran polarizasyonunun hızla kaybolmasıdır (Şekil 25A). Aksiyon
potansiyelinin meydana gelmesinde hep veya hiç yasası geçerlidir. Eksitasyon
ancak eşik değerdeki uyaranla oluşturulabilir. Örneğin sinir lifinde eşik değerden
daha az şiddette bir uyaranla eksitasyon başlamaz. Eşik değerde veya daha
fazla şiddette bir uyaran da olsa sinir lifi aynı amplitütde aksiyon potansiyeli ile
cevap verir. Aksiyon potansiyelinin yukarı çıkan kolunun oluşması sırasında, 1
ms’den daha az bir süre içersinde membran depolarizasyonu gerçekleşir. Ve
negatif olan sükun potansiyeline rağmen bu potansiyel değişimi ile hücre içi ve
dışı arasında potansiyel farkı kalkar. Hatta iç dışa göre sıfır potansiyelin üzerine
çıkarak pozitif değer kazanır. +20/+30 mV’a varan bir spike potansiyeli oluşur.
Şefik DURSUN
148
Depolarizasyonun maksimum hızı 1000 V.s-1’ye erişebilir. Aksiyon potansiyelinin
yukarı çıkan ve membranın depolarizasyonunu içeren kolunun ardından yavaş
bir repolarizasyon gelir. Repolarizasyonun sonuna doğru aksiyon potansiyeli
değerinin, sükun potansiyeline varmasından hemen önce negatif art potansiyel
gözlenir. Bunun sebebi hızla hücre dışına çıkan K+ iyonlarının dışarıda
birikmesidir. Bu repolarizasyon süresi değişik hücre tiplerine göre farklılık
gösterir. Sinir liflerinde aksiyon potansiyeli 1 ms’de sükun potansiyeline geri
döner. Hatta kısa süre sükun potansiyelini geçer. Bu potansiyel özelliği
hiperpolarize edici art potansiyel olarak isimlendirilir. Kas liflerinde hızlı bir
repolarizasyon vardır, ancak 10 ms’den sonra sükun potansiyeline erişir. Kalp
kası hücrelerinde repolarizasyon bir plato oluşturarak çok yavaş gelişir.
Repolarizasyon 200ms. ile 300 ms’de tamamlanacak bir hıza sahiptir (Şekil
25B).
Farklı hayvanların belirli hücrelerinde aksiyon potansiyelleri çok benzer
zamansal değişim gösterirler. Örneğin bir solucanın sinir aksiyon potansiyelinin
hayvan sinir hücrelerinin aksiyon potansiyelinden ayırt edilmesi imkansızdır.
Tüm aksiyon potansiyellerinin karekteristik özelliği bir eşik değerde tetiklenmiş
olmasıdır. Aksiyon potansiyelinin yukarı çıkan kısmında, hücre membranının
depolarizasyonunu sağlayan Na+ ve/veya Ca++ iletkenliğinin artmış olmasıdır. Bu
iyonların hücre içine geçmeleri ile bir iyon akımı meydana gelir. Bu iç akım daha
fazla depolarizasyona ve bu da Na+ ve Ca++ iletkenliklerinin daha fazla
artmasına neden olur. Pozitif feed-back ile depolarizasyon olayı büyür. 30 mV
dolayındaki bir potansiyelde sona erer. Bunun ardından repolarizasyon başlar.
Bu faz sırasında K+ iletkenliği bazı hücrelerde ise Cl- iletkenliği artar. Bundan
sonra membran potasyumun denge potansiyeline doğru hiperpolarize olur.
Geçirgenliğin normale dönmesi ile membran potansiyeli de sükun değerine
ulaşır.Hücrenin uyarılması için ekstrasellüler ortamda Na+ iyonlarının belirli bir
konsantrasyonda olması gerekir. Eğer ekstrasellüler sıvıda Na+ konsantrasyonu
azalacak olursa aksiyon potansiyelinin yukarı çıkan kolunun yükselme hızı da
azalır. Düşük Na+ konsantrasyonlarında ise hücre uyarılmaz hale gelir.
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
149
Şekil 25: A, Aksiyon potansiyeli; B, Farklı hayvan türlerinde intrasellüler aksiyon
potansiyeli
Şefik DURSUN
150
Na+ iyonlarının hızlı akışına bağlı potansiyeli bloke eden zehirlerin çok
spesifik olanı tetrodotoksindir. Aksiyon potansiyelinin yukarı çıkan kolunu
yavaşlatır ve tamamen bloke eder. Bu iş için 10-8 mol/L’lik tetrodotoksin
yeterlidir. Benzer şekilde ekstrasellüler K+ konsantrasyonu azalırsa bu defa
repolarizasyon hızı yavaşlar. Tetraetilamonyum gibi zehirler de repolarizasyon
fazını uzatır.
Na+ ve K+ iyonlarının aksiyon potansiyelinin oluşumu ve iletimi sırasında
membrandan geçiş mekanizmaları, aktif Na+/K+ pompası ile taşınmalarından
tamamen farklıdır. Çünkü;
a) Na+ ve K+ iyonları aktif kanallardan serbest enerjinin azaldığı yönde
geçerler. Aktif pompa ile ise serbest enerjinin arttığı yönde (konsantrasyon
gradyanına karşı) taşınırlar,
b) Na+ / K+ pompası için enerji kaynağı ATP dir. Kanallardan geçiş için
ise önceden var olan elektrokimyasal gradyandır,
c) Tetrodotaksin (TTX) Na+ kanallarını , tetraetilamonyum (TEA) K+
kanallarını bloke ederlerken, bunların pompa üzerine bir etkileri olmaz,
d) Ekstrasellüler sıvıda Ca++ konsantrasyonun artması uyarılma eşiğini
yükseltirken pompayı etkilemez,
e) Na+ kanallarında Li+ iyonları Na+ iyonlarından pek ayırt edilmezken,
Li+ iyonları pompa ile taşınmamaktadır ,
f) Çeşitli membranlarda 1 µm2 ‘deki Na+ kanalı sayısı 70-500 olarak
belirtilirken, aktif pompa sayısı 4000 dolayında bulunmaktadır.
2. 1. Đyon Kanalları
Hücre membranlarında her durumda açık olan pasif kanallarla birlikte,
elektriksel veya çevredeki kimyasal değişikliklerle açılıp kapanan aktif kanallar
bulunur. Membran sükun potansiyeli ve pasif membran direnci (rm) pasif kanallar
nedeniyle meydana gelir. Birim yüzeydeki pasif kanal sayısı membranın sızıntı
iletkenliğini oluşturur. Pasif kanallardan genellikle K+ ve Cl- iyonları
geçebilmektedir.
Aktif kanallara kapılı kanallar adı da verilir. Çünkü bu kanallar belirli
uyaranlarla açılıp kapanan kapı ile kontrol edilirler. Đyon kanalları denilince akla
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
151
yüksek seçicili aktif kanallar gelir. Aksiyon potansiyelinin oluşumunda kapılı aktif
kanallar fonksiyon görür. Na+ ve K+ iyonlarına ait kanalların kapıları, potansiyele
bağlı olarak açılıp kapanırlar.
2. 1. 1. Voltaj Bağımlı Aktif Đyon Kanalları
Đntegral proteinlerden oluşur. Çeperlerinde polar grublar bulunur. Bu tür
kanallar bir yerinde geçirgen olduğu iyonun boyutlarına kadar daralır ve
proteinlerden meydana gelen bir kapı ile kontrol edilir. Kanallar yarı açık ya da
kapalı halde bulunurlar. Kapının açılıp kapanması için gerekli şekil değişiklikleri
yüklü veya dipolar yapıdaki voltaj sensörünü etkileyen elektriksel kuvvetlerle
veya nörotransmiter moleküllerinin bağlanmasından doğan kimyasal kuvvetlerle
yönetilir.
Aksiyon potansiyelinin yayılması ile ilgili en önemli kanallar Na+ kanalları,
K+ kanalları ve Ca++ kanallarıdır. Bir hücrede aynı iyona geçirgen farklı
özelliklerde kanallar da bulunabilmektedir.
Bir nöronun farklı bölgelerinde kanalların dağılımı farklılıklar gösterebilir.
Böylece nöronun farklı bölgeleri farklı görevler üstlenebilmektedir. Örneğin Ca++
kanalları sinir sonlama yerlerinde çok yoğundur. Bu kanallardan Ca++ girişi ile
nörotransmiter salınımı gerçekleşir.
a) Sodyum Kanalları
Uyarılabilir hücrelerde tüm sodyum kanalları küçük ayrıntılar dışında
benzerlik göstermektedir. Bu kanallar için tetrodotoksin (TTX) ve hayvan orijinli
toksin olan saksitoksin (STX) bloker görevi yaparlar. Toksin molekülü çok
yüksek bir afinite ile kanal girişinin dışına bağlanır (Şekil 27). Bunların yanısıra
anestetik madde olan prokain de Na+ kanalını bloke edebilir. Ancak diğer
zehirler gibi membranla reaksiyona girmez. Prokainin bağlanma yerinin
membranın iç kısmında olduğu bilinmektedir. Na+ kanalları aynı zamanda düşük
pH’da yani asidozda da bloke olmaktadır. Bu olay katyonların kanalı geçmesi
sırasında kanal içindeki protein yapısında bulunan karboksil grublarının (COO-)
yardımcı olduğunu düşündürmektedir. Çünkü asidik ortamda karboksil grublara
H+ iyonu bağlanınca negatif yükünü kaybeder ve bloke olur. Elektrik alanı
değişimlerinden etkilenmez. Sodyum kanallarının 0,5 x 0,3 nm boyutlarında
olduğu yapılan incelemelerle saptanmıştır. Na+ iyonları için seçicilik sadece
Şefik DURSUN
152
kanal girişinin boyutlarından değil fakat aynı zamanda girişteki oksijen
atomlarının uzaysal düzeninden de sonuçlandığı iddia edilmektedir. Bir tek Na+
kanalının iletkenliği 5 ile 8 pS arasında değişir.
Şekil 26: Aktif sodyum kanal modeli
Kanal istirahat sırasında bir kapı molekülü ile kapalıdır (Şekil 26). Kapı
molekülü membran içersindeki elektrik alanı değişikliklerine duyarlıdır. Eşik
değerde bir uyaranla uyarılan membranın Na+ kanalları açılır ve hücre içine hızla
Na+ iyonu akışı gerçekleşir. Na+ iyonunun hızla içeri girmesi depolarizasyonu
sağlar. Bu ise daha fazla Na+ kanallarının açılmasına neden olur.
Đnaktivasyonun hücre içersinde ikinci bir kapı yardımıyla meydana geldiği ifade
edilmektedir. Eğer hücre içersine proteinleri parçalayan bir enzim olan pronaz
enjekte edilirse, Na+ kanallarının inaktivasyonu ortadan kalkar.
TTX ve STX molekülleri radyoaktif izotoplarla işaretlenerek Na+ kanalları
sayılabilmektedir (Şekil 27). Bilindiği gibi Na+ kanalı bir µm2 de 70-500 arasında
değişmektedir. Na+ iyonlarına olduğu kadar Li+ iyonlarına da çok iyi geçirgendir.
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
153
Şekil 27: Tetrodotoksin kanal girişinin dışına bağlanır
b) Potasyum Kanalları
Teorik olarak Na+ kanallarına benzer. Đntegral proteinlerin oluşturduğu
aktif kanallardır. Aksonlarda repolarizasyon fazında görevli tek tip K+ kanalı
vardır. Aksonlar dışındaki uyarılabilir hücre membranlarında çok çeşitli tiplerde
K+ kanalları bulunabilmektedir. Örneğin iskelet kasında bulunan bir tür K+ kanalı
membranın depolarize olması durumunda K+ dışarıya doğru zayıf olarak
iletilirken, hiperpolarize olması halinde içeriye doğru çok kolay iletilmektedir.
Kalp kasında ise en az üç tür K+ kanalının varlığı kabul edilmektedir. Bu
kanalın blokeri tetraetilamonyum (TEA) dur. TTX ile karşılaştırıldığında, TEA’un
değişik hücrelerin K+ kanalları üzerine etkisinin oldukça farklı olduğu görülür. K+
kanallarının diğer bir spesifik blokeri 4-aminopridin (4-AP) dir. Bu maddeler K+
kanalları üzerine hücre içinden etkili olurlar.K+ kanallarından eksitasyon
sırasında saniyede 107 iyon geçer. Đletkenliği 4-14 pS değerleri arasındadır. K+
kanalları Rb+ iyonlarını hemen hemen K+ iyonları kadar iyi geçirmektedir.
Şefik DURSUN
154
c) Kalsiyum Kanalları
Hücrelerin uyarılmasında en etkin Na+ ve K+ kanalları görülüyorsa da,
diğer bazı uyarılabilir hücrelerde Ca++ kanalları da önemlidir. Kalp ventrikülünde
bir aksiyon potansiyeli 0,2 – 0,5 ms kadar sürmektedir. Hızla inaktive olan Na+
kanalları ile bu kadar uzun süreli depolarizasyon gerçekleştirilemez. Kalp
ventrikül dokusu hücrelerinde Na+ kanallarına ek olarak Ca++ kanalları da vardır.
Bu kanalların aktivasyonu daha büyük depolarizasyonlar gerektirir. Bu nedenle
hemen hemen hiç inaktive olmazlar.
Düz kaslarda ve embriyonik kaslarda Na+ kanalları çok az bulunur. Bunun
yerine görevi Ca++ kanalları başarır. Genel olarak Na+ kanalları çok kısa süreli ve
hızla yükselen aksiyon potansiyeline neden olurken, Ca++ kanalları uzun süreli
ve yavaş cevap verirler (Şekil 25 B).
Bu kanallar Ca++’dan başka Ba++ ve Sr++ iyonlarını da çok iyi
geçirmektedir. Verapamil ile Ni++, Mg++, Mn++ ve Cd++ gibi metaller ile bloke
edilebilmektedir.
2. 2.Voltaj Klamp (Kenetleme) Yöntemi
Aksiyon potansiyelinin oluşumu sırasında iyonların aktif kanallardan hızlı
geçişi ile ortaya çıkan iyonik akımlar, membran sükun potansiyeline bağlı olduğu
kadar zamana da bağlıdır. Membran sükun potansiyeli aksiyon potansiyeli
sırasında çok hızlı değişir. Bu yüzden iyonik akım komponentlerinin analizi
oldukça zordur. Ancak membran sükun potansiyeli deneysel olarak bir değerde
sabit tutularak iyonik akımlar ve membranın bu iyonlara karşı geçirgenlikleri
hakkında bilgi sahibi olabiliriz. Bu amaç için Voltaj Klamp ya da Voltaj Kenetleme
Yöntemi adı ile anılan bir yöntem uygulanmıştır.
Voltaj Klamp ilk defa Hodgkin ve Huxley (1952) tarafından, aksiyon
potansiyellerinin analizi için kullanıldı (Şekil 28). Bu yöntem ile kurulan düzende,
membran potansiyeli (Em) bir intrasellüler elektrot ile devamlı olarak ölçülür (A).
Gene bu elektrodlar yardımıyla örneğin sinir hücresine akım uygulayarak
(OA) hücre içi ve dışı arasındaki potansiyel istenilen sabit bir değerde tutulabilir.
Böylece membran sükun potansiyeli artık ortadan kalkmış ve membrandaki aktif
kanallardan iyon geçişi başlamıştır.
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
155
Şekil 28: Voltaj Klamp(Kenetleme)düzeneği şeması
Potansiyel bilinen değerde sabit tutulduğu sürece bu iyonik akım devam
edecek ve ölçülebilecektir. Đyonik akımın tespiti için de şekilde görüldüğü gibi bir
akım ölçer kullanılır. Eğer iyonik akımın sonucu klampe ettiğimiz potansiyelde
bir değişme olursa, bu değişimi devamlı izleyen (OA) sistemi, (SG) sisteminden
gelen programlanmış değerdeki klampe voltaj değerine göre membrana
uygulanan akım şiddetini ayarlar. Sapmalar böylece kompanse edilir. O zaman
kompanse edici klamp akımı iyonik akımla aynı değerde, fakat zıt yönde
olacaktır.
Şekil 29’da böyle bir deneyin şematik gösterimi verilmektedir. –80 mV
değerinde olan membran sükun potansiyeli klampe edildikten sonra birkaç µs
içinde klampe voltaj değerine erişir. Klamp voltajı değerinde, yani membran
sükun potansiyeli akım uygulayarak değiştirilip istenilen potansiyelde
tutulduğunda, kısa fakat geniş bir akım görülecektir. –60 mV’luk Klamp
Voltajında küçük bir negatif iyonik akımı gözlenir. 2 ms kadar sonra pozitif akıma
yönelir. Ekstrasellüler Na+ konsantrasyonu azaltılırsa veya tetrodotoksin (TTX)
ile Na+ akımı bloke edilirse negatif akım komponenti kaybolur (kırık çizgi). Klamp
Voltajı 0 mV’a getirilirse, negatif akımın komponentinin –60 mV’a göre arttığı
görülür. Ayrıca sonraki pozitif akım da büyümüştür. Gene yukarıda belirtildiği gibi
Na+ akımı engellenirse tekrar negatif akım komponenti kaybolur. +60 mV gibi
Na+ iyon denge potansiyelinde bir voltaj klampı yapılırsa, bu potansiyelde negatif
akım görülmez. Çünkü belirtilen potansiyelde Na+ iyonu iç ve dış ortamlar
Şefik DURSUN
156
arasında dengede bulunacak ve gene Na+ akışı olmayacaktır. + 90 mV’luk
klamp voltajında, yani Na+ denge potansiyelinden daha pozitif potansiyelde,
Na+’un ters yönde akışı ile başlangıçta çok kısa süre akım komponenti pozitif
olacaktır.
Şekil 29: Değişik değerlerdeki klamp voltajlarında klamp akımları
Şekil 30’da, -60 mV değerinde sükun potansiyeline sahip olan mürekkep
balığı aksonu membranına 0 mV’luk klamp voltajı uygulanırsa oluşan I Na+ ve I
K+ iyon akımları ile I klamp akımının değişimi verilmektedir. gNa+ ve gK+
membran iletkenlik değerleri ise bu iyonik akımlardan hesaplanmışlardır. g ile
gösterilen membran iletkenliği birim alandaki iyon kanalı sayısına (ηηηη) ve kanalın
iletkenliğine (σσσσ) bağlıdır. Yani, gm membran iletkenliği,
gm = ηηηη . σσσσ , σσσσ = 1/rm
Đletkenlik birimi siemens. m-2 veya siemens. cm-2 dir. Siemens, (Ω-1)'dir.
Mürekkep balığı aksonu için önemli iyonların gm membran iletkenlik
değerleri aşağıya çıkarılmıştır;
HÜCRE MEMBRAN BĐYOFĐZĐĞĐ
157
Đyon gm (Ω-1 . cm-2)
K+ 37.10-5
Na+ 1.1.10-5
Cl- 30.10-5
Şekil 30: Sıfır mV. Klamp voltajı ile oluşan Na+ ve K+ iyon akımları ve membran
geçirgenlikleri
Membran potansiyelinde herhangi bir değişikliğe cevap olarak meydana
gelen akımın sodyum ve potasyum iyonlarına ait değerleri, aşağıdaki formüller
ile ifade edilebilir;
INa+ = g Na+ ( E- ENa+)
IK+ = g K+ ( E- EK+)
Şefik DURSUN
158
E Na+ ve E K+ sodyum ve potasyum iyonlarının iyon denge potansiyeli, E
klamp (kenetlenme) voltajıdır. Görüldüğü gibi klamp voltajı değiştirilirse
membranın o iyona karşı iletkenlik özellikleri de değişir. Bir sinir hücresinin eşit
değerde normal olarak uyarılmasında E değeri membran sükun potansiyeli
olarak alınabilir.
KA Y N A K L A R
Andaç, S.O.: Hücre Fizyolojisi. Hacettepe Üniversitesi Yayınları. A 20. 1977.
Avers, C.J.: Cell Biology D.Van Nostrand Company. Litton Educational Publishing. Inc. 1976.
Eckert, R., Randall, D.: Animal Physiology. Second Ed., W.H. Feeman and Company, 1983.
Pinean, J.B., Coleman, R. And Michell, R.H.: Membranes and Their Cellular Functions. Blackwell Scientific Publications.
Giese, A.C.: Cell Physiology. 3 rd. Edition. W.B. Saunders Company, 1968.
Gremy, F., Pages, J.C.: Elements de Biophysique et de Physique Medicale. Editions Medicales Flammation. Paris, 1966.
Guyton, A.C.: Medical Physiology. Çeviri: Gökhan, N., Çavuşoğlu, H.W.B. Saunders Company, Nobel Tıp Kitabevi, 1989.
Hoppe, W., Lohmann, W., Markl, H., Ziegler, H.: Biophysics. Springer_Verlag, Berlin Heidelberg NewYork, Tokyo, 1983.
Noyan, A.: Fizyoloji, Beşinci baskı, Meteksan, 1988.
Pehlivan, F.: Biyofizik. Pelin Ofset Matbaası, Ankara, l989.
Rees, A.R., Sternberg, M.J.E., Phillips, D.: From Cells to Atoms. Black Well Scientific Publications, l984.
Rose, B.D.: Clinical Physiology of Acid-Base and Electrolyte Disorders. Mc. Graw-Hill Book Company, 1977.
Terzioğlu, M., Çakar, L.: Fizyoloji Ders Kitabı. Đ.Ü. Cerrahpaşa Tıp Fakültesi Yayınları. Cilt I., Üçüncü baskı, l989.