hÜcre membran bĐyofĐzĐĞĐ · membran potansiyeli nörobiyofizik Đyon kanalları ... oluşumu...

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).


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.


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


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


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


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.


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


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


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.


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.


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


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.


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.


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.


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.


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.


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;


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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


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.


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.


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;


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.

hÜcre membran bĐyofĐzĐĞĐ · membran potansiyeli nörobiyofizik Đyon kanalları ... oluşumu...

Documents