Prokaryot ve Ökaryot Hücre · Fonksiyonel Tıp Akademisi

Lodoslu bir çarşamba

Çarşamba, saat ikiyi on geçiyor. Rüzgâr lodosa dönmüş, histoloji laboratuvarının pencereleri bu kez yalnız buğulanıyor. Emel Hanım tahta kutudan pazartesinin yanak lamlarından birini çıkarıyor, üstüne bir damla immersiyon yağı koyup mikroskobun en güçlü objektifini yağa indiriyor. "Pazartesi ortadaki lekeye baktın," diyor. "Bugün kenarlara bak."

Umay ayar vidasını yavaşça çeviriyor. Yassı, düzensiz hücrelerin ortasında koyu mavi leke yine yerinde. Ama hücrelerin yüzeyine ve aralarına serpilmiş, çok daha küçük bir şey var: soluk mavi noktalar, kısa çubuklar, kimi yerde birbirine yapışmış öbekler. Hiçbirinin ortasında leke yok. "Pazartesi bunları toz sandım," diyor. "Toz değil," diyor Emel Hanım. "Senin ağzının sakinleri. Leeuwenhoek'in 1683'teki ağız örneğinde gördüğü canlıların akrabaları. Aynı lamda iki ayrı hücre türü duruyor, biri öbürünün yüzeyinde."

Bu derste ne olacak

Pazartesi adı konmadan bırakılan lekeye adını verecek, aynı lamdaki iki hücre türünü ayıran özellikleri açacağız: çekirdek, DNA'nın düzeni, ribozom, duvar ve boy. Ardından canlıların üçe ayrıldığını gösteren moleküler kanıta, mitokondrinin kökenine ve eski bir bakteri sayısının yeniden hesaplanmasına bakacağız.

Metin

Lekenin adı

Hücre Kuramının Tarihi dersinde Schleiden'in sitoblast dediği yapıyı görmüştük; Schleiden ona hücreyi üretme görevi yüklemişti ve bu görev yanlış çıkmıştı. Yapının kendisi ise gerçekti ve bugünkü adı çekirdektir: hücrenin DNA'sını çift katlı bir zarla sitoplazmadan ayıran bölme. Umay'ın yanak hücrelerindeki koyu mavi leke odur. Kenardaki noktaların içinde böyle bir bölme yoktur.

Bu fark iki büyük hücre türünün adına işlenmiştir. İki sözcük de Yunanca çekirdek anlamına gelen karyon kökünden türer: prokaryot "çekirdekten önce", ökaryot "gerçek çekirdekli" demektir.

Hücre kuramının ilk önermesi iki türü ancak bir ortaklık üzerinden aynı çatıda tutabilir. OpenStax'in Biology kitabı her hücrede dört bileşen bulunduğunu yazar: dışarıyı içeriden ayıran bir plazma zarı, jöle kıvamında bir sitoplazma, kalıtsal malzeme olan DNA ve proteinleri sentezleyen ribozomlar. Zarın temel yapısını Hidrofobik Etki dersinde lipit çift tabakası olarak tanımlamıştık; prokaryot da ökaryot da o yaprakla çevrilidir.

DNA nerede duruyor

Prokaryot hücrenin DNA'sı sitoplazmanın içinde, zarla ayrılmamış bir bölgede toplanır. Wikipedia'nın prokaryot maddesi bu genomu çoğunlukla tek, halkasal, çift zincirli bir kromozom olarak tarif eder; OpenStax'in Microbiology kitabı buna, bazı prokaryotların ayrıca küçük halkasal DNA molekülleri olan plazmitler taşıdığını ekler.

Ökaryot hücrede ise DNA birden çok doğrusal kromozoma bölünmüştür ve çekirdek zarının içinde durur. Prokaryotta DNA ile ribozom aynı sulu ortamı paylaşır, ökaryotta aralarında bir zar vardır.

Ribozomun iki boyu

OpenStax'in Microbiology kitabı ile Wikipedia'nın ribozom maddesi prokaryot ribozomunu 70S, ökaryot sitoplazmasındaki ribozomu 80S diye verir. İkisi de iki alt birimden kurulur: prokaryotta 30S ve 50S, ökaryotta 40S ve 60S.

Buradaki S bir kütle birimi değildir. Toplamaya kalkınca bu hemen görünür: 30 + 50 = 80 eder, ama iki alt birimin birleşik hâli 70S'tir.

Wikipedia'nın Svedberg maddesi birimin bu yüzden toplanamadığını açıkça yazar: ölçülen şey ağırlık değil, bir çökelme hızıdır. Brown Hareketi dersinde Stokes–Einstein bağıntısının paydasındaki sürtünmenin taneciğin boyuna bağlı olduğunu görmüştük; çökelmede de aynı sürtünme hızı frenler. "70S" bu yüzden bir ribozomun kütlesini değil, santrifüjdeki davranışını bildiren bir sayıdır.

Ribozomlar arasındaki farkın biyokimyasal bir sonucu da vardır: bazı antibiyotiklerin bakteriye seçici etkisi, bakterinin 70S ribozomuna bağlanıp ökaryotun 80S ribozomuna aynı biçimde bağlanamamalarından gelir; OpenStax'in Microbiology kitabı ile Wikipedia'nın ribozom maddesi bu ilkeyi anlatır.

Duvar ve boy

Prokaryotların çoğunu zarın dışından ikinci bir katman, hücre duvarı sarar. OpenStax'e ve Wikipedia'nın hücre duvarı maddesine göre bakteri duvarı, şeker zincirlerinin peptitlerle çapraz bağlandığı peptidoglikan ağıdır; arkelerin duvarında peptidoglikan bulunmaz, bazılarında ona benzeyen başka bir polimer vardır. Duvar prokaryotlara özgü de değildir: bitki hücrelerinde selüloz, mantarlarda kitin temelli duvarlar bulunur. Hayvan hücrelerinde ise duvar yoktur; Umay'ın yanak hücrelerini yalnız zar çevreler.

Boy farkı gözle görülüyordu, ama sayıya dökmek beklenenden zordur. OpenStax'in Biology kitabı prokaryotların çapını 0,1 ile 5,0 mikrometre, ökaryot hücrelerinkini 10 ile 100 mikrometre arasında verir. Wikipedia'nın prokaryot maddesi tipik aralığı 1 ile 10 mikrometre olarak yazar ve 0,2 ile 750 mikrometre arasında uç örnekler anar; OpenStax'in Microbiology kitabındaki karşılaştırma tablosu ise ökaryot hücre için 5 ile 20 mikrometre dolayını gösterir. Sınırlar farklıdır, çünkü "tipik hücre" önce tanımlanmalıdır: hangi türler, hangi eksen? Kaynakların hepsinde ortak kalan yalnız yöndür: tipik ökaryot hücre tipik prokaryottan büyüktür. Farkın bir mertebeye mi, birkaç kata mı vardığı hangi aralığın seçildiğine bağlıdır. Önceki derste ışık mikroskobunun sınırını 0,2 mikrometre dolayında bulmuştuk; en küçük prokaryotlar bu sınırın hemen kıyısında durur, Umay'ın yanak hücreleri ise çok üstünde.

İkiye değil, üçe

Prokaryot ile ökaryot ayrımı bir yapı ayrımıdır. Carl Woese ile George Fox 1977'de Proceedings of the National Academy of Sciences'ta yayımladıkları kısa makalede bu ayrımın soy ağacı sanılmasına itiraz etti. Yöntemleri, her hücrede bulunan ve yavaş değişen 16S (ökaryotta 18S) ribozomal RNA'nın parça dizilerini türler arasında karşılaştırmaktı. Sonuç üç ayrı soydu: sıradan bakteriler, o dönemde yalnız metan üreten bakterilerle temsil edilen ve yazarların arkebakteri dediği bir grup, ve ökaryot sitoplazmasının soyu. Makale metanojen duvarlarında peptidoglikan bulunmadığını da not eder.

Woese, Otto Kandler ve Mark Wheelis 1990'da aynı dergide sınıflandırmayı resmîleştirdi: krallığın üstüne yeni bir basamak koydular ve canlıları Bacteria, Archaea ve Eucarya adlı üç domaine ayırdılar.

Yaygın yanlış"Arkeler, zor ortamlarda yaşayan bir tür bakteridir."

Doğrusu

Arkeler de prokaryottur, ama ribozomal RNA dizileri ve duvar kimyası onları ayrı bir domaine koyar. "Prokaryot" bir soy adı değil, bir yapı adıdır.

Hücrenin içindeki eski konuk

1977 makalesinin tablosunda dikkat çekici bir satır daha vardır: kloroplast RNA'sı mavi-yeşil bakterilerle, yani siyanobakterilerle aynı alt grupta durur. Bu, on yıl önce yayımlanmış bir kuramın öngördüğü şeydi. Lynn Sagan adıyla yazan ve sonradan Lynn Margulis adıyla tanınan biyolog, 1967'de Journal of Theoretical Biology'de yayımlanan "On the Origin of Mitosing Cells" makalesinde mitokondrinin, fotosentez yapan plastitlerin ve kamçı dibindeki bazal cisimciklerin bir zamanlar serbest yaşayan prokaryotlar olduğunu ileri sürdü. Wikipedia'nın simbiyogenez maddesi Konstantin Mereschkowski ile Ivan Wallin'i öncül olarak anar, Arizona Eyalet Üniversitesi'nin Embryo Project ansiklopedisi de Wallin'i; Margulis fikri mikrobiyolojik kanıtla yeniden kurdu.

Kanıtlar farklı yöntemlerden gelir. OpenStax'in Microbiology kitabı, mitokondrinin iki lipit zarla çevrili olduğunu, kendi genomunu ve bakterilerinkine benzeyen ribozomları taşıdığını yazar; Wikipedia'nın simbiyogenez maddesi bu DNA'nın bakterilerinki gibi tek ve halkasal olduğunu, yeni mitokondri ve plastitlerin yalnız var olanların ikiye bölünmesiyle oluştuğunu ekler. Ribozomda bir kayıt gerekir: memelilerin mitokondri ribozomu, Wikipedia'nın ribozom maddesine ve yapısını Science dergisinde çözen çalışmaya göre 55S'tir; benzerlik bakteriyle akrabalıktan gelir, birebir aynılıktan değil.

Önceki derste bağımsız kanıt hatlarının buluşmasına kanıtın birleşmesi demiştik; endosimbiyoz da böyle kuruldu: elektron mikroskobundaki çift zar, organel DNA'sının dizisi, ribozom yapısı ve Woese'nin rRNA tablosu ayrı ellerde üretildi ve aynı yöne işaret etti. Kuramın her parçası tutmadı; bazal cisimciklerin spiroket adlı bakterilerden geldiği önerisi Embryo Project'e göre kuşkuyla karşılandı.

Antioksidan Savunma dersinde olgun alyuvarın ne çekirdek ne mitokondri taşıdığını görmüştük. Alyuvar yine de ökaryottur: ökaryot sözcüğü hücrenin geldiği soyu ve geliştiği yolu adlandırır, olgun hâlinde neyi kaybettiğini değil.

Eski bir sayının yeniden hesaplanması

Yıllarca tekrarlanan bir sayı, insan bedeninde bakterilerin insan hücrelerini on kat geçtiğiydi. Ron Sender, Shai Fuchs ve Ron Milo 2016'da biri Cell'de, biri PLOS Biology'de yayımlanan iki çalışmada bu sayının atıf zincirini geriye doğru izledi. Sık alıntılanan 1977 tarihli bir derleme, sayıyı Thomas Luckey'nin 1972'deki zarf arkası tahmininden almıştı. Luckey, bağırsak içeriğinin her gramında 10¹¹ bakteri bulunduğunu ve sindirim kanalının yaklaşık bir litre, yani bin gram kadar içerik taşıdığını varsaymıştı: 10¹¹ × 1000 = 10¹⁴ bakteri. Bu sayı, insan hücresi için kullanılan 10¹³'e bölününce 10¹⁴ ÷ 10¹³ = 10 çıkıyordu.

Sender ve arkadaşları iki varsayımı ayrı ayrı sınadı. Bakteri yoğunluğu bütün kanalda aynı değildir; sayının neredeyse tamamı kalın bağırsaktadır ve onun iç hacmi yarım litrenin altındadır. Paydayı da hücre türlerini tek tek sayarak yeniden kurdular. Hesabı, yirmi ile otuz yaş arasında, 70 kilogram ağırlığında ve 170 santimetre boyunda tanımlanmış bir "referans insan" için yaptılar ve 3,8 × 10¹³ bakteri ile 3,0 × 10¹³ insan hücresi buldular: 3,8 ÷ 3,0 ≈ 1,3. Cell'deki yorum yazısı bakteri için 3,9 × 10¹³ verir; bu küçük fark oranı değiştirmez.

Paydada da bir sürpriz vardı: iki yayına göre insan hücrelerinin yaklaşık yüzde 84'ü alyuvardır, yani yukarıda gördüğümüz çekirdeksiz hücrelerdir. Ölçülen Büyüklük dersinde bir sayının anlamının, neyin sayıldığını söyleyen tanıma bağlı olduğunu görmüştük. "İnsan hücresi" alyuvarları kapsayınca oran bire bire yaklaşır; tanım yalnız çekirdekli hücrelere daraltılsaydı payda küçülür, oran büyürdü.

Yağ silinirken

Umay tahtaya iki sütun çiziyor: "yanak hücresi: çekirdek var, duvar yok, 80S" ve "kenardaki noktalar: nükleoid, duvar, 70S". Emel Hanım ikinci sütuna bir soru işareti koyuyor. "Hepsi bakteri mi, aralarında arke var mı? Bu objektif söyleyemez; Woese'nin cevabı bir dizideydi, görüntüde değil."

Okülerdeki ölçekte bir çubuk iki çizgi arasına sığıyor, yanak hücresi ölçeğin yarısını kaplıyor. "Bakteri neden bu kadar küçük kalıyor da hücre büyüyüp çekirdek, organel kuruyor?" diye soruyor. Emel Hanım objektifi mercek kâğıdıyla silip lamı pazartesinin mantar kesitlerinin yanına koyuyor.

Kendini sına

Prokaryot ve ökaryot hücrenin paylaştığı dört bileşen nedir, ve bu ortaklık hücre kuramının hangi önermesine dayanak olur?
Bir ribozomun iki alt birimi 30S ve 50S olduğu hâlde bütünü neden 80S değil de 70S'tir? Cevabında sedimantasyon katsayısının neyi ölçtüğünü kullan.
Woese ile Fox'un 1977 bulgusu "prokaryot" sözcüğünü soy adı olarak kullanmaya neden itiraz eder? Arke duvarı bu itiraza ne katar?
Luckey'nin tahmininde bakteri yoğunluğu değişmeden hacim bir litreden 0,4 litreye inseydi, bakteri sayısı ve 10¹³ insan hücresine göre oran ne olurdu? Sonucu Sender ve arkadaşlarının oranıyla karşılaştır.

Bir sonraki derse köprü

Hücrenin boyunu şimdilik yalnız bir özellik olarak kaydettik: kaynaklar aralıkları farklı çizse de tipik ökaryot hücre tipik prokaryottan büyüktür. Hücre Boyutu ve Yüzey–Hacim Oranı dersi Umay'ın sorusunu soracak: bir hücre büyüdükçe dış yüzeyindeki zar ile içindeki hacim aynı hızla mı artar? Yüzey–hacim oranı küçüldüğünde, her şeyini zarından geçirmek zorunda olan bir hücreyi hangi sınır bekler?