Fosfolipit Çift Tabaka

Balonun dibindeki parlaklık

Pazartesi sabahı, on buçuğu geçiyor. Aydın'da incir mevsimi bitmek üzere; laboratuvarın penceresinden avludaki ağacın son, çatlamış meyveleri görünüyor. Nezihe Hanım çeker ocaktan yuvarlak dipli küçük bir cam balon getiriyor. Balon ilk bakışta boş; ışığa tutulunca dibinde yağlı, ince bir parlaklık seçiliyor. Sabah yumurta sarısından saflaştırılmış fosfatidilkolini organik bir çözücüde çözmüş, çözücüyü uçurmuş ve camın üstünde yalnız bu kuru filmi bırakmış.

Yüksek lisansa bu hafta başlayan Batu balona bir pipet dolusu tampon ekleyip birkaç dakika çalkalıyor. Film camdan sökülüyor, sıvı sulandırılmış süt gibi bulanıyor. Tezgâhın öbür ucundaki tüpte ise tek kuyruklu bir yüzey etkin maddenin sulu çözeltisi var ve o, su kadar berrak. Batu bulanık sıvıdan bir damlayı faz kontrast mikroskobuna koyuyor: okülerde soğan kesitini andıran iç içe halkalar, aralarında tek çizgili küçük kabarcıklar. "Bunlar misel mi?" diye soruyor. Nezihe Hanım gülümsüyor: "Misel olsaydı mikroskopta hiçbir şey görmezdin. Öbür tüpün neden berrak kaldığını da buradan düşün."

Bu derste ne olacak

Önce bir fosfolipit molekülünü parça parça kurup polar başı iki kuyruğa neyin bağladığını göreceğiz. Sonra aynı aileden iki amfipatik molekülün suda neden bambaşka yapılar kurduğunu biçimlerinden okuyacağız. Ardından yüz yıl önceki bir alyuvar deneyinin doğru sonuca hatalı sayılarla nasıl vardığını izleyecek, en sonda bir mikrometrekare zara kaç molekül sığdığını hesaplayacağız.

Metin

Başı kuyruğa bağlayan omurga

Karboksilik asit ve esterleri işlediğimiz derste (L02-P06-M07-D07) trigliseritin, gliserolün üç hidroksiline üç yağ asidinin ester bağıyla takılmasından doğduğunu görmüş, aynı omurganın zar lipitlerinde başka bir biçim aldığını da anmıştık. OpenStax'in Biology kitabı o biçimi şöyle kurar: yağ asitleri gliserolün yalnız iki karbonuna bağlanır, üçüncü karbonu değiştirilmiş bir fosfat grubu tutar. Kitap bir inceliği de ekler: fosfatın tek başına takıldığı molekül, fosfatidat, henüz fosfolipit sayılmaz; fosfolipitlerin öncülüdür. Molekül, fosfatın öbür ucuna küçük bir polar grup bağlandığında tamamlanır.

Başın ucundaki grup fosfolipite adını verir. OpenStax de Wikipedia'nın fosfolipit maddesi de fosfatı değiştiren gruplar arasında kolin, etanolamin ve serini sayar; bunlardan fosfatidilkolin, fosfatidiletanolamin ve fosfatidilserin doğar. Sfingomiyelin benzer bir başı başka bir omurgada taşır: iki kaynak da bazı fosfolipitlerde gliserol yerine sfingozin bulunduğunu yazar, Wikipedia sfingomiyelini bu ailenin kolinli üyesi olarak listeler. Bu dört molekülün zarın hangi yüzünde toplandığı modülün asimetriye ayrılan dersinde açılacak. Balondaki film fosfatidilkolindir; Wikipedia bu molekülün lesitin adıyla da anıldığını ve ilk kez yumurta sarısında tanımlandığını yazar.

Kuyruklar da tanıdık. Van der Waals etkileşimlerinin işlendiği derste oleik asit zincirinin cis çift bağında büküldüğünü ve bu dirseğin komşu zincirleri uzak tuttuğunu görmüştük. Bir fosfolipitin iki kuyruğu çoğu zaman eş değildir; biri düz, öbürü bükülü olabilir.

Koni ile silindir

Hidrofobik Etki dersinde (L02-P06-M02-D06) amfipatik molekülü, miseli ve lipit çift tabakasını tanımlamış, iki kuyruğun bir miselin içine fazla hacimli geldiğini söyleyip konuyu orada bırakmıştık. O dersteki kritik misel derişimi tablosu tek kuyruklu alkil sülfatlardan kurulmuştu. Batu'nun berrak tüpü o ailedendir, bulanık balon ise iki kuyruklu moleküllerle dolu.

Farkı molekülün biçimi açıklar. Tek kuyruklu bir molekülde baş geniş, kuyruk incedir ve molekül sivri ucu içe dönük bir koniye benzer. Böyle koniler uçlarını ancak bir kürenin merkezinde buluşturarak dizilebilir. Wikipedia'nın misel maddesi miseli tam bu güçlükle açıklar: tek kuyruklu lipitler bir çift tabakanın içini dolduramaz, çünkü başın ıslak kalması için gereken yüzey kuyruğun hacmine göre fazla gelir. Sonuç birkaç nanometrelik kümelerdir; biri nötron, öbürü X-ışını saçılmasıyla yapılmış iki ölçüm sodyum dodesil sülfat misellerini bu boyda bulur. İnsan Hücresinin Görsel Haritası dersinde ışık mikroskobunun çözme sınırını 200 nanometre dolayına koymuştuk; miseller bunun çok altında kalır.

İki kuyruklu fosfatidilkolinde başın kesiti kuyruklarınkine yakındır ve molekül bir silindire benzer. Silindirler kavislenmeden yan yana durur ve düz bir tabaka kurar. Wikipedia'nın lipit çift tabakası maddesi bu moleküllerde baş ile kuyruk çaplarının oranını bire yakın verir ve tabakanın kendiliğinden kavislenme eğiliminin bu yüzden neredeyse sıfır olduğunu yazar.

V. V. Kumar'ın 1991'de PNAS'ta yayımlanan çalışmasının özeti bu oranı fosfatidilkolin için zincir uzunluğuna göre hesaplar ve kuyrukları kısa olan türlerin çift tabaka değil yalnız misel kurduğunu bildirir. Başı kuyruklarına göre küçük kalan lipitlerde oran öbür yöne taşar; Wikipedia'nın lipit polimorfizmi maddesi bu durumda başların içe, kuyrukların dışa döndüğü ters düzenler anlatır ve bir lipidin kurduğu yapının sıcaklıkla, su miktarıyla ve ortamdaki iyonlarla da değiştiğini ekler.

Kenarsız bir tabaka

Düz bir tabakanın kenarı sorun çıkarır. Hidrofobik Etki dersinde açık bir kenarın kuyrukları suya gösterdiğini, yırtılan zarın bu yüzden kapanmaya yöneldiğini görmüştük. Kenardan kurtulmanın yolu tabakanın kendi üstüne kıvrılıp bir kese olmasıdır. Wikipedia'nın lipit çift tabakası maddesi, Alec Bangham'ın kurutulmuş lipide su ekleyerek böyle keseler elde ettiğini ve bunun çift tabakanın bir kalıba ihtiyaç duymadan kendiliğinden kurulduğunu gösterdiğini yazar. Lombard bu ilk keseleri 1965'e, Akbarzadeh ve arkadaşlarının 2013 derlemesi altmışların ortasına yerleştirir.

Wikipedia'nın lipozom maddesi, düşük çalkalama kuvvetiyle soğan benzeri çok katlı keselerin oluştuğunu, ses dalgalarıyla parçalandıkça bunların küçülüp tek katlı keselere dönüştüğünü anlatır. Batu'nun halkaları ilk türdendir. Lombard'a göre lipozomlar kısa sürede zar geçirgenliğini ölçmenin başlıca araçlarından biri oldu; Basit Difüzyon dersinde kurduğumuz geçirgenlik merdiveninin glukoz ve sodyum basamakları da yapay keselerde yapılmış ölçümlerden gelmişti. Lipozomlar bugün bazı ilaçları taşımak için de kullanılır.

Hatalı sayılar, doğru sonuç

Zarın iki katlı olduğu fikri Bangham'ın keselerinden eskidir. Evert Gorter ile F. Grendel'in 1925'te Journal of Experimental Medicine'de yayımladığı makalenin özeti, insanın ve beş memeli türünün kanıyla çalışıldığını ve lipidin asetonla çıkarıldığını yazar. Yöntemin geri kalanını Lombard ile Wikipedia anlatır: lipit bir su yüzeyinde tek molekül kalınlığında yayılmış, kaplanan alan hücrelerin toplam yüzeyiyle karşılaştırılmış. Lombard, alyuvarın iç zarı bulunmadığı için bütün lipidin hücre zarından geldiğinin varsayıldığını yazar. Oran hem Lombard'da hem Wikipedia'da ikiye birdir ve makale sonucu, alyuvarların iki molekül kalınlığında yağlı bir tabakayla örtülü olduğu biçiminde yazar.

Nezihe Hanım tahtaya kurgu sayılarla aynı mantığı kuruyor. Tekne yüzeyinde lipit 1.400 cm² kaplasın, hücre yüzeylerinin toplamı 700 cm² hesaplansın: 1.400 ÷ 700 = 2. Lombard'a göre sonraki incelemeler iki hata buldu: özütleme lipidin tamamını çıkaramıyordu ve hücre yüzeyini veren denklem alanı olduğundan küçük hesaplıyordu. Hatalardan biri payı, öbürü paydayı küçültür. Kurgu tahtada ikisini de dörtte bir alalım: pay 1.400 × 0,75 = 1.050, payda 700 × 0,75 = 525 olur ve 1.050 ÷ 525 = 2 yine ikiyi verir. Hata yalnız payda olsaydı oran 1.050 ÷ 700 = 1,5, yalnız paydada olsaydı 1.400 ÷ 525 ≈ 2,7 çıkardı. Dörtte birlik kayıplar gerçek hataların büyüklüğü değil, dengelenmenin işleyişini gösteren kurgu girdilerdir.

Wikipedia'nın lipit çift tabakası maddesi hataların şans eseri birbirini götürdüğünü yazar. Lombard da bazı tarih anlatılarının bu dengelenmeyi bir talih olarak sunduğunu aktarır, ama bir çekince koyar: 1925'in hipotezi zar düzleminde lipitten başka hiçbir şeye yer bırakmıyordu.

Proteinlerin nerede durduğu ise uzun süre açık kaldı. 1935'te Hugh Davson ile James Danielli çift tabakayı iki yanından protein katmanlarıyla örttüler; yılı OpenStax, Lombard ve Wikipedia aynı verir. Lombard'a göre modelin gerekçesi, yağ ile derisidikenli ve balık yumurtaları arasında ölçülen gerilimin bir yağ–su arayüzünden beklenenden düşük çıkmasıydı. Kısa süre sonra fosfolipit ve kolesterol gibi amfipatik zar bileşenlerinin bu gerilimi kendi başlarına düşürdüğü gösterildi; Wikipedia da bugün ölçülen gerilimi açıklamaya fosfolipit başlarının yettiğini yazar. 1972'de S. J. Singer ile Garth Nicolson akışkan mozaik modelini önerdiler; OpenStax de Lombard da bu yılı zar yapısı tartışmasının bugünkü çerçeveye oturduğu an sayar. Modelin iki sözcüğünün her biri modülün ilerleyen derslerinde ayrıca açılacak.

Dört nanometrenin içi

Görsel harita dersinde çift tabakayı yaklaşık dört nanometre çizmiş, Kapasitans dersinde de kalınlıkta kaynakların ayrıştığını görmüştük. Ayrışmanın bir nedeni tabakanın katmanlı olmasıdır. Wikipedia iki yüzdeki baş bölgesini 0,8 ile 0,9 nanometre verir; John Nagle ile Stephanie Tristram-Nagle'ın 2000 tarihli derlemesinin tablosunda baş grubu kalınlığı 0,9 nanometredir. İki yüzün başları birlikte 0,9 × 2 = 1,8 nanometre tutar, ortası kuyrukların hidrokarbon çekirdeğidir. Çekirdek için Wikipedia tipik olarak 3 ile 4, Nagle'ın tablosu akışkan fosfatidilkolin tabakalarında 2,6 ile 2,9 nanometre verir; zincir uzunluğu ve sıcaklık bu sayıyı değiştirir.

Engel bu ince çekirdektedir. Basit Difüzyon dersindeki on milyar katlık geçirgenlik yelpazesi de Kapasitans dersinde çekirdeğe verdiğimiz 2 dolayındaki bağıl geçirgenlik de buradan gelir: iyonları taşıyan su, yüklü başların bittiği yerde biter.

Bu yüzeye kaç molekül sığar? Nagle'ın tablosu akışkan fosfatidilkolinlerde bir molekülün kapladığı alanı 0,60 ile 0,73 nm² arasında, Norbert Kučerka ve arkadaşlarının 2008 ölçümü 0,63 ile 0,67 nm² arasında verir. Değeri 0,65 nm² alalım. Bir mikrometrekare 10⁶ nm² olduğundan tek yaprakta 10⁶ ÷ 0,65 ≈ 1,5 milyon, iki yaprakta yaklaşık 3,1 milyon molekül bulunur; 0,6 ile 0,7 arasındaki seçim bu sayıyı 2,9 ile 3,3 milyon arasında oynatır. Gerçek bir hücre zarında proteinler ve kolesterol de yer kapladığı için bu sayı saf bir lipit tabakasına aittir. Dinlenim Zar Potansiyeli dersinde her 230 nm²'ye bir fazla iyon düştüğünü bulmuştuk; aynı kare tek yaprakta 230 ÷ 0,65 ≈ 350 fosfolipitin başını taşır.

Halkalar kıpırdarken

Batu defterine iki sütun çiziyor. Sola "tek kuyruk, koni, küre, berrak", sağa "iki kuyruk, silindir, kese, bulanık" yazıyor; altına küçük harflerle "1925: 2 ÷ 1, iki hata" ekliyor. Sonra mikroskoba dönüyor. Halkaların kenarı titriyor, küçük kabarcıklar birbirinin yanından kayıp geçiyor.

"Duvar dediğimiz şey kıpırdıyor," diyor. Nezihe Hanım balonun kapağını kapatıp buzdolabının kapısını açıyor. "Yarın sıcaklığı değiştireceğiz. Moleküllerin yerinde durup durmadığını o zaman soracaksın."

Kendini sına

1. Fosfatidat ile fosfatidilkolin arasındaki farkı yaz. Hangisi fosfolipit sayılır, neden?
2. Sfingomiyelin, adındaki kolini fosfatidilkolinle paylaşır. İki molekülü omurgaları üzerinden ayır.
3. Tek kuyruklu bir yüzey etkin madde neden misel, iki kuyruklu fosfatidilkolin neden çift tabaka kurar? Cevabını paketlenme parametresinin üç büyüklüğüyle kur.
4. Gorter ile Grendel'in deneyinde özütleme lipidin beşte dördünü alsın ve hücre yüzeyi doğru hesaplansın. Gerçek oran 2 ise ölçülen oran ne çıkar? Yüzey de beşte bir eksik hesaplanırsa ne olur?
5. Bir molekülün kapladığı alan 0,70 nm² olsun. 1 µm²'lik bir çift tabakada kaç fosfolipit bulunur? Bu sayı gerçek bir hücre zarı için neden bir üst sınırdır?

Bir sonraki derse köprü

Batu'nun okülerindeki halkalar yerinde durmuyordu. Zar Akışkanlığı dersi o titreşimi soracak: bir fosfolipit kendi yaprağında ne hızla yer değiştirir, bu yanal difüzyonun (lateral diffusion) hızı neye bağlıdır, ve kuyrukların uzunluğu ile dirsekleri, soğuyan tabakanın düzenli bir hâle geçtiği faz geçişi (phase transition) eşiğini nasıl kaydırır?