Hücresel Bölmelendirme

Kurşun kalemle sayılan çizgiler

Cuma günü, saat on dört on. Poyraz dinmiş; histoloji laboratuvarının pencerelerinden Boğaz'ın üstündeki bulutlar yavaşça kayıyor. Emel Hanım tezgâha büyük bir fotoğraf baskısı seriyor: bölümün eski ders arşivinden çıkmış, bir sıçan karaciğer hücresinin elektron mikroskobu görüntüsü. Yanına biyokimyadan iki küçük tüp koymuş. Birinin etiketinde "pH 5", öbüründe "pH 7,2" yazıyor; ikisinin de yanında bir şerit indikatör kâğıdı var.

"Dün sordun, cevabı evet," diyor Emel Hanım, Umay'a bir kurşun kalem uzatırken. "Ama asıl soru duvarın ne işe yaradığı. Önce fotoğraftaki her yapının çevresinde kaç çizgi olduğunu say." Umay büyük, yuvarlak lekenin kenarına eğiliyor: iki ince çizgi, arada dar bir boşluk. Oval cisimlerde de iki çizgi var, içtekisi parmak parmak kıvrılmış. Hücrenin bir köşesini dolduran yassı kesecikler ise tek çizgiyle çevrili ve üst üste dizilmiş. Emel Hanım bu sırada iki şeridi tüplere daldırıyor. Şeritler farklı renk alıyor; kutunun üstündeki skalada biri 5'e, öbürü 7'ye denk geliyor. "Bu iki tüp, fotoğraftaki iki komşu ortam," diyor. "Hücrede aralarında yalnız bir zar var."

Bu derste ne olacak

Zarın ayırdığı ortamların kimyasal olarak ne kadar farklı olabildiğini lizozomun asidinde, peroksizomun peroksidinde ve mitokondrinin geriliminde sayılarla göreceğiz. Organelleri zar sayısına göre gruplayacak, hücre hacminin ne kadarını kapladıklarına ve iç zarların ne kadar yüzey kurduğuna bakacağız. Sonunda zarsız bölmelere ve bu düzenin hücreye neye mal olduğuna geleceğiz.

Metin

Bir hücre, birçok ortam

Prokaryotları ökaryotlardan ayırdığımız derste ökaryotu, çekirdeği bir zarfın içinde duran ve iç bölmeler taşıyan hücre olarak tanımlamıştık. Bu bölmelerin adı organeldir.

Organel sözcüğü "küçük organ" demektir. OpenStax'in Biology kitabı organellerin farklı işlevlerin hücrenin farklı yerlerinde bölmelendirilmesine olanak verdiğini yazar. Alberts ve arkadaşlarının Molecular Biology of the Cell kitabı gerekçeyi daha açık koyar: ayrı bölmeler sayesinde çok farklı koşullar isteyen ya da birbiriyle yarışacak biyokimyasal tepkimeler aynı anda yürüyebilir. Önceki dersin agar küplerinde sınır yalnız bir yüzeydi. Bu derste zar, iki yanında farklı bir kimya tutan bir sınırdır.

Zar çizgilerini saymak

Umay'ın fotoğrafta saydığı çizgiler bir sınıflamaya karşılık gelir. Wikipedia'nın organel maddesindeki tablo ile OpenStax aynı resmi çizer: çekirdek de mitokondri de çift zarlıdır. Çekirdeğin zarfındaki gözenekler maddelerin içeri ve dışarı geçmesine izin verir; mitokondrinin iç zarı kristalar denen kıvrımlar yapar ve kıvrımların çevrelediği alana matriks denir. Endoplazmik retikulum, Golgi aygıtı, lizozom ve peroksizom tek zarlıdır. Ribozom ise zarsızdır; RNA ile proteinden kurulu bir makinedir. Ribozom sınıflarını karşılaştırdığımız o derste sitoplazmadaki ribozomun 80S, mitokondrinin kendi ribozomunun ise memelide 55S olduğunu görmüştük.

Mitokondrinin iki zarı aynı dersin endosimbiyoz kuramıyla da bağlanır: çift zar, organelin bir zamanlar içeri alınmış serbest yaşayan bir bakteriden geldiğini düşündüren kanıtlar arasındaydı. Çekirdeğin çift zarının nereden geldiği başka bir tartışmadır; burada ona girmiyoruz.

Lizozom: yüzlerce kat daha asidik

Lizozom, proteinleri, şekerleri, lipitleri ve nükleik asitleri yıkan enzimlerle dolu tek zarlı bir kesedir. OpenStax lizozomun içinin sitoplazmadan daha asidik olduğunu söyler; sayıyı başka kaynaklar verir. Wikipedia'nın lizozom maddesi içerinin pH'ını 4,5 ile 5,0 arasında, sitozolünkini 7,2 verir. Shuyan Lu ve arkadaşlarının 2017'de PLoS One'da yayımladığı çalışma lizozom içini "yaklaşık 4 ile 5" ve 4,5 dolayında anar; Wikipedia'nın hücre içi pH maddesi de lizozom için 4,5, sitozol için 7,0 ile 7,4 arasını yazar.

pH Ölçeği dersinde (L02-P06-M04-D02) Δ birimlik pH farkının hidronyumda 10^Δ katlık bir farka karşılık geldiğini kurmuştuk. Sitozolü 7,2 alalım. Lizozom 5,0 ise fark 2,2 birimdir ve 10^2,2 ≈ 158 eder. Lizozom 4,5 ise fark 2,7 birimdir ve 10^2,7 ≈ 501 eder. Kaynakların verdiği aralığın iki ucunda da lizozomun içindeki H⁺ derişimi sitozoldekinin yüzlerce katıdır. Aradaki sınır, tek bir lipit çift tabakadır.

Bu fark kendiliğinden kalmaz. Protonlar derişim gradyanının tersine, sitozoldan lizozoma taşınır. Wikipedia'nın V-ATPaz maddesi bu pompaların ATP yıkımının enerjisini hücre içi zarlardan proton taşımaya bağladığını ve birçok organeli asitleştirdiğini yazar; lizozom maddesi de asitliği aynı pompalara bağlar. Aktif Taşıma dersinde mide astarındaki proton pompası için bir protonu derişim farkına karşı taşımanın kimyasal bedelini hesaplamıştık; lizozom da daha küçük bir fark için aynı türden bir bedeli sürekli öder.

Asitliğin bir de koruyucu yanı var. Wikipedia'nın maddesi lizozom enzimlerinin pH'a duyarlı olduğunu ve sitozolün daha bazik ortamında düzgün çalışmadığını yazar. Zar yırtılıp enzimler sızsa bile dışarıdaki pH onları büyük ölçüde yavaşlatır. Zar ve pH aynı işi iki kez görür.

Peroksizom: zararlı ara ürünü aynı yerde yıkmak

Reaktif Oksijen Türleri dersinde peroksizomu hücrenin hidrojen peroksit kaynaklarından biri olarak anmış, Antioksidan Savunma dersinde de katalazın ökaryot hücrede çoğunlukla bu organelde bulunduğunu görmüştük. İki bilgi bölmelendirmenin gözünden birleşir. OpenStax'e göre peroksizomdaki oksidasyon tepkimelerinin birçoğu hidrojen peroksit açığa çıkarır; bu tepkimeler peroksizomla sınırlandığında enzimler peroksidi oksijen ve suya güvenle yıkar. Wikipedia'nın peroksizom maddesi aynı ikiliyi yazar: peroksit üreten oksidazlar ile onu yıkan katalaz aynı zarın içindedir.

Lizozomda bölme, bir ortamı hücrenin geri kalanına zıt tutuyordu. Peroksizomda ise bölme üretimle yıkımı yan yana getirir; peroksit, üretildiği bölmenin içinde yıkılır. Peroksizomun ayrıntısı, kendi bozukluklarıyla birlikte, ileride organellere ayrılan derslerde işlenecek.

Mitokondri: iki zar arasında gerilim

Mitokondride bölmelendirme bir enerji deposuna dönüşür. Wikipedia'nın hücre içi pH maddesi matriksin pH'ını 8,0 dolayında verir; Milo ile Phillips'in Cell Biology by the Numbers kitabı da HeLa hücrelerinde mitokondri için 8,0 dolayında, sitoplazma için 7,3 dolayında değerler aktarır. Sitozolü yine 7,2 alırsak fark 0,8 birimdir ve 10^0,8 ≈ 6,3 eder: matrikste H⁺ derişimi sitozoldekinin altıda biri kadardır. Lizozomun tersine, bu bölme bazik tarafta durur.

Farkın elektrik yanı daha büyüktür. Elektrokimyasal Gradyan dersinde bir iyonun iki bölme arasındaki itişinin derişim terimi ile elektrik teriminin toplamı olduğunu kurmuştuk. Milo ile Phillips mitokondri iç zarının iki yanı arasındaki gerilimi yaklaşık 160 milivolt verir; Wikipedia'nın kemiozmoz maddesi yaklaşık 170 milivolt yazar ve iç tarafın eksi olduğunu belirtir. Dinlenim Zar Potansiyeli dersinde bir sinir hücresinin plazma zarı için −70 milivolt dolayında bir değerle çalışmıştık. 160 ÷ 70 ≈ 2,3 ve 170 ÷ 70 ≈ 2,4 eder; mitokondrinin iç zarı, hücrenin dış zarındaki gerilimin iki katından fazlasını taşır.

Bu gerilimi tutan, iç zarın protonlara karşı sıkı bir engel olmasıdır. Zar gevşeseydi elektron taşıma zincirinin kurduğu gradyan dağılır, ATP yapımını besleyen itiş kaybolurdu. Gradyanın nasıl kurulduğu ve ATP'ye nasıl çevrildiği ileride kendi dersinde işlenecek.

İç zarlar yüzey de kazandırır

Agar küplerini kestiğimiz derste iç zarların hücreye yeni yüzeyler kurduğunu söylemiştik; şimdi bunun ne kadar büyük olduğuna bakabiliriz. Alberts'in kitabı bir ökaryot hücredeki toplam zar alanının yaklaşık yarısının endoplazmik retikulumu çevrelediğini yazar. Milo ile Phillips, karaciğer ve pankreas hücrelerinde bu payın yüzde 60'a varabildiğini ve pankreasın salgı hücrelerinde ER yüzeyinin plazma zarının 10 ile 20 katı olduğunu aktarır. Alberts'in tablosunda pankreas salgı hücresinde granüllü ER zarı toplamın yüzde 60'ı, plazma zarı yüzde 5'idir; 60 ÷ 5 = 12 eder ve bu değer öbür kaynağın aralığına düşer.

Hacim tarafında da iki kaynak aynı resmi gösterir. Alberts'in tablosu bir karaciğer hücresinde mitokondrinin hacmin yüzde 22'sini kapladığını yazar; Ewald Weibel ve arkadaşlarının 1969'da Journal of Cell Biology'de yayımladığı, sıçan karaciğerinde yapılmış stereolojik ölçüm de aynı değeri verir. ER'nin payını Milo ile Phillips yüzde 10'un üstünde verir; Alberts'in tablosunda granüllü ve düz ER birlikte bunu aşar. Kurgu bir karaciğer hücresinin hacmini 1000 birim alalım: 220 birim mitokondriye, en az 100 birim ER'ye düşer. Toplam 0,22 + 0,10 = 0,32 eder; hücre hacminin üçte bire yakın bir kısmı, en az bu kadarı, yalnız bu iki organelin zarları arasında durur.

Zarsız bölmeler

Her bölme zarla sınırlanmaz. Salman Banani ve arkadaşları 2017'de Nature Reviews Molecular Cell Biology'de yayımladıkları derlemede, ökaryot hücrelerde zarla çevrili olmayan ama proteinleri ve nükleik asitleri bir arada derişik tutan mikron ölçeğinde bölmeleri anlatır. Bunlar RNA işlenmesinde, ribozom yapımında ve sinyal iletiminde görev alır. Wikipedia'nın ilgili maddesinin saydığı örnekler arasında çekirdeğin içindeki çekirdekçik de vardır.

Ayrı tutmanın bedeli

Bölmeler bedelsiz değildir. Lizozomun asidi ve mitokondrinin gerilimi sürekli pompalanarak korunur; pompa durursa difüzyon farkları siler. Bunun yanında bir de trafik vardır: granüllü ER'de yapılan bir lizozom enzimi Golgi'den geçerek lizozoma ulaşmak, çekirdekte yazılan bir mesaj gözeneklerden sitozola çıkmak zorundadır ve her geçiş bir zarı aşar. Zarın neden bu kadar seçici bir engel olduğunu sonraki modül zarın yapısıyla, fosfolipit çift tabakasıyla ve zar proteinleriyle açacak. Maddelerin bu engeli hangi yollarla aştığı ise ondan sonraki modülün, zar taşınımının konusu olacak.

Fotoğrafın kenarındaki notlar

Umay fotoğrafın boş kenarına bir liste yazıyor: çekirdek iki çizgi, mitokondri iki çizgi ve kıvrım, yassı kesecikler tek çizgi. En alta, çizgisiz kalan küçük koyu noktaları ekliyor ama yanlarını boş bırakıyor. "Ribozom," diyor Emel Hanım, "bu büyütmede ancak nokta olarak seçilir. Sayılmaya değer; zarı yok diye bölmenin dışında kalmıyor."

Sonra tüplerin yanına dönüyorlar. Umay defterine iki satır ekliyor: "5,0 → 158 kat, 4,5 → 501 kat" ve altına "matriks 8,0 → altıda bir". Emel Hanım şeritleri kurutma kâğıdına bırakırken fotoğrafın bir köşesini gösteriyor: yan yana iki karaciğer hücresi, aynı çizgi düzeni, aynı yoğunlukta oval cisimler. "Bu ikisi aynı dokudan," diyor. "Pazartesi sana pankreastan bir kesit getireceğim. Çizgileri yine sayacaksın."

Kendini sına

1. Bir organelin pH'ı 6,2, sitozolünki 7,2 olsun. H⁺ derişimi hangi tarafta, kaç kat yüksektir? Aynı farkı lizozom için bulduğumuz 158 ile 501 kat arasıyla karşılaştır.
2. Çekirdek, mitokondri, endoplazmik retikulum, Golgi aygıtı, lizozom, peroksizom ve ribozomu zar sayısına göre üç gruba ayır. Mitokondrinin çift zarını iki hücre tipini ayırdığımız dersteki hangi kuram açıklamaya çalışır?
3. Peroksizomda peroksidin hem üretilip hem yıkılması ile lizozomda asidin korunması bölmelendirmenin iki farklı kullanımıdır. Aradaki farkı kendi cümlenle yaz.
4. Kurgu karaciğer hücresinin hacmini 2000 birim alırsan mitokondriye kaç birim düşer? Pankreas salgı hücresinde ER zarının plazma zarına oranı 12 ise, plazma zarı 1000 birimkarelik bir hücrede ER zarı kaç birimkaredir?

Bir sonraki derse köprü

Fotoğrafın köşesindeki iki karaciğer hücresi aynı çizgi düzenini taşıyordu. Oysa Alberts'in zar tablosunda bir karaciğer hücresiyle bir pankreas salgı hücresi zarlarını aynı oranda dağıtmaz; düz ER'nin payında aradaki fark özellikle büyüktür. İki hücre de aynı kişinin genomunu taşır. Hücre Tipi ve İşlev Özelleşmesi dersi bu ayrımı açacak: aynı genomdan yola çıkan hücreler hücre farklılaşmasıyla (cell differentiation) nasıl özelleşmiş hücrelere dönüşür, ve bir hücrenin yaptığı iş, taşıdığı organellerin sayısında ve zar yüzeyinde nasıl okunur?