Kolesterolün Zar İşlevi

Tablada iki tüp

Çarşamba, saat on olmak üzere. Yağmur dinmiş, avludaki incir ağacının yaprakları kurumaya başlamış. Nezihe Hanım dün akşam DPPC keselerini iki tüpe ayırmış; birinin lipidine, her on molekülden üçü kolesterol olacak biçimde, şişedeki beyaz tozdan katmış. Tüplerin kapağında kurşun kalemle "K–" ve "K+" yazıyor. Batu önce kolesterolsüz tüpten bir damlayı kırk beş derecedeki ısıtmalı tablaya koyup lazerle bir leke açıyor; leke dünkü gibi yaklaşık bir saniyede doluyor. Kolesterollü kesede aynı leke daha ağır dolar, üç saniye kadar sürüyor.

"Demek sertleştiriyor," diyor Batu. Nezihe Hanım tablayı yirmi beşe indirtiyor. Kolesterolsüz kesede açılan leke bir dakika sonra hâlâ kapkara. Kolesterollü kesede ise karanlık birkaç saniye içinde griye dönüp kayboluyor. Batu ekrana bir süre bakıyor: "Aynı madde sıcakta frene, soğukta gaza basıyor."

Bu derste ne olacak

Şişedeki molekülün biçimini ve çift tabakadaki yerini çıkaracağız. Sonra Batu'nun iki lekesini açıklayan çift yönlü etkiyi, yayılan erime eşiğini ve ortaya çıkan ara hâli ele alacağız. Geçirgenlikten ve zardan zara değişen kolesterol payından sonra, kolesterol taşımayan bakterilere geçeceğiz.

Metin

Şişedeki molekül

Karbon İskeletleri dersinde (L02-P06-M07-D01) steroid çekirdeğini üç altılı ve bir beşli halkanın birbirine yapışmasıyla kurmuş, bu on yedi karbonlu iskelete gonan demiş, kolesterolün de onu taşıdığını söylemiştik. Fonksiyonel Gruplar dersinin tablosunda da hidroksil grubunun örnekleri arasında kolesterol vardı. İki parça burada birleşir. OpenStax'in Biology kitabı steroidlerin dört halkalı olduğunu, kolesterol gibi bazılarının kısa bir kuyruk taşıdığını ve –OH grubu taşıyan steroidlerin alkol sınıfına girip sterol adını aldığını yazar.

Çift tabakanın faz davranışını anlatan Wikipedia maddesi kolesterolün, lipit olmasına karşın bir fosfolipide pek benzemediğini vurgular: su seven kısmı tek bir hidroksil grubundan ibarettir, onun yanında birkaç halkanın kaynaşmasıyla kurulmuş katı ve düzlemsel bir yapı, halkaların öbür ucunda da kısa, tek zincirli bir kuyruk durur. Mardešić ve arkadaşlarının 2023 tarihli derlemesi de aynı üç parçayı sayar.

Pazartesi fosfolipitleri koni ve silindir biçimlerinden okumuştuk. Kolesterolün başı gövdesine göre çok küçüktür; Mardešić'in derlemesi molekülün suda tek başına çift tabaka kuramadığını not eder. Wikipedia'nın kolesterol maddesine göre hidroksil grubu, fosfolipit başları gibi zarı çevreleyen suyla etkileşir; iri steroid gövdesi ve kuyruk ise öbür lipitlerin yağ asidi zincirlerinin yanında, zarın içine gömülür. Mardešić de molekülün tabakada dik durduğunu, başının öbür lipitlerin polar başları arasında kaldığını, halkaların açil zincir bölgesine gömüldüğünü yazar.

Eşiğin iki yanı

Batu'nun lekeleri, dün tanımladığımız ana faz geçiş sıcaklığının iki yanında çekilmişti. DPPC'nin eşiği 41 °C dolayındaydı; kırk beş derece akışkan, yirmi beş derece jel bölgesine düşer.

Eşiğin üstünde kuyruklar gevşek ve dağınıktır. LibreTexts, katı sterol halkasının komşu açil zincirlerinin dönme serbestliğini kısıttığını ve zincirlerdeki kıvrımların sayısını azalttığını, bunun da akışkanlığı ve geçirgenliği düşürdüğünü anlatır. Wikipedia'da plazma zarını anlatan madde, yüksek sıcaklıkta kolesterolün fosfolipit zincirlerinin hareketini engellediğini ve zar akışkanlığını azalttığını yazar. Kırk beş derecedeki üç saniye buradan gelir.

Eşiğin altında durum tersine döner. Jel hâlde zincirler gergin ve sık dizilidir; araya giren katı halka bu düzeni bozar. LibreTexts kolesterolün bu sıcaklıklarda zincirlerin düzenli paketlenmesini önlediğini ve hareket serbestliğini artırdığını, Wikipedia'nın zar akışkanlığı maddesi de düşük sıcaklıkta fosfolipitlerin arasına girip onların kümelenmesini ve sertleşmesini engellediğini yazar. OpenStax aynı etkiyi tampon benzetmesiyle anlatır: zarın işlevli kaldığı sıcaklık aralığı iki yönde genişler.

Rubenstein, Smith ve McConnell 1979'da PNAS'ta, DMPC ile kolesterol karışımlarında floresan işaretli bir fosfolipidin yanal difüzyonunu ölçtüler. Özetlerine göre sıcaklığın 23 °C'nin, kolesterolün mol kesrinin 0,20'nin altında kaldığı bölgede difüzyon katsayısı, bu bölgenin dışındaki noktalardakinden en az bir mertebe küçüktür. Faz davranışı üzerine yazılmış Wikipedia maddesi aynı çalışmaya dayanarak kolesterolün jel tabakada difüzyon katsayısını artırdığını, akışkan tabakada ise azalttığını yazar.

Batu'nun sayılarını dünkü FRAP bağıntısına koyalım; lekenin yarıçapı yine 2 µm. Kırk beş derecede kolesterolsüz lekede τ = 1 s olduğundan D = w² ÷ 4τ = 4 ÷ 4 = 1 µm²/s, kolesterollü lekede τ = 3 s olduğundan D = 4 ÷ 12 ≈ 0,33 µm²/s bulunur; katsayı üçte birine iner. Yirmi beş derecede kolesterollü leke 5 saniyede dolduğundan D = 4 ÷ 20 = 0,2 µm²/s olur. Kolesterolsüz leke bir dakikada dolmadığına göre τ en az 60 saniyedir ve D en fazla 4 ÷ 240 ≈ 0,017 µm²/s olabilir. Oran en az 0,2 ÷ 0,017 ≈ 12'dir ve Rubenstein'ın bir mertebelik farkıyla aynı yöndedir. Süreler kurgudur; hesap yalnız yönleri sınar.

Yayılan eşik

Dün eşiği bir çizgi gibi çizmiştik: altında jel, üstünde sıvı. Diferansiyel taramalı kalorimetri, yani DSC, örneği yavaşça ısıtırken soğurduğu ısıyı kaydeder; saf DPPC'de erime tek ve dar bir tepe olarak görünür.

Genz, Holzwarth ve Tsong 1986'da Biophysical Journal'da tek katlı DPPC keselerine kolesterol kattılar. Özetlerine göre DSC tepesi iki bileşene ayrılır: kolesterol arttıkça doğrusal olarak küçülen ve mol yüzde yirmide kaybolan dar bir bileşen ile büyüyen geniş bir bileşen. Yazarlar dar bileşeni serbest fosfolipide, geniş olanı kolesterolle birlikte duran lipit birimlerine bağlarlar. McMullen ile McElhaney'in 1995 tarihli yüksek duyarlıklı ölçümü aynı tabloyu verir: keskin bileşenin entalpisi mol yüzde yirmi ile yirmi beş arasında sıfıra iner, geniş bileşen ise giderek yayılır. Peters ve arkadaşları 2017'de DMPC keselerinde mol yüzde yirmi beş ve elli kolesterolün ana geçişi bastırdığını bildirdiler.

Ne jel ne sıvı

Eşik silindiğinde tabaka jel gibi düzenli, sıvı gibi akışkandır.

Wikipedia'nın sıvı-düzenli faz maddesi bu hâli akışkan ve katmanlı bir faz olarak tanımlar; zincirler tümüyle gergin biçimdedir, yanal difüzyon ise hızlıdır. Madde adın ilk kez Ipsen ile arkadaşlarının 1987 tarihli çalışmasında kullanıldığını kaydeder. LibreTexts de iki akışkan fazı ayırır: düzensiz faz hızlı difüzyon ve düşük düzen, düzenli faz hızlı difüzyon ve yüksek düzen taşır. Aynı kitabın DPPC–kolesterol faz diyagramı, eşiğin üstünde mol yüzde yirmi dolayında tabakanın tümüyle bu faza geçtiğini gösterir. Batu'nun kolesterollü keseleri iki sıcaklıkta da bu ortak hâle yaklaşır. Düzenli ile düzensiz bölgelerin aynı zarda yan yana bulunabilmesi, modülün lipit sallarına ayrılan dersinde açılacak.

Daha sıkı, daha az geçirgen

Basit Difüzyon dersinde (L02-P07-M01-D04) yüksüz küçük bir molekülün çift tabakayı geçme hızını bölüşüm katsayısıyla difüzyon katsayısının çarpımına bağlamış, kolesterolün mutlak geçirgenlik değerlerini yüz kattan fazla oynatabileceğini de not etmiştik. Aynı faz maddesi, akışkan bir tabakaya kolesterol katmanın su geçirgenliğini düşürdüğünün onlarca yıldır bilindiğini yazar ve bunu kolesterolün lipitlerin arasına sokulup boş hacmi doldurmasına, çevresindeki zincirlerin esnekliğini azaltmasına bağlar. Kolesterol maddesi, plazma zarının yüksüz çözünenlere, hidrojen ve sodyum iyonlarına geçirgenliğinin azaldığını ekler. William Christie'nin Lipid Maps için hazırladığı lipit ansiklopedisi de yüksek kolesterol oranının zarın pasif geçirgenliğini düşürdüğünü belirtir. Mekanizma dünkü tabloya uyar: kuyruklar arasındaki geçici boşluklar küçük bir molekülün çekirdeği geçerken kullandığı yoldur ve katı halkalar bu boşlukları daraltır.

Zardan zara değişen pay

Zarların kolesterol payı eşit değildir. Infante ile Radhakrishnan'ın 2017'de eLife'ta yayımladığı çalışma plazma zarında kolesterolün toplam lipitlerin yaklaşık mol yüzde kırk beşini oluşturduğunu yazar ve kendi ölçtükleri kontrol hücrelerinde 41 verir. Ferrari ile Tontonoz'un 2025 derlemesi plazma zarı için mol yüzde kırk dolayını, Christie'nin ansiklopedisi lipitlerin yaklaşık yüzde otuz ile ellisini verir. Mardešić'in derlemesi ise tipik aralığı mol yüzde on ile otuz arasına koyar. Kaynaklar sayı üzerinde ayrışıyor; plazma zarının hücredeki en kolesterollü zar olduğunda birleşiyorlar. Infante ile Christie hücrenin kolesterolünün çoğunun bu zarda toplandığını da yazar.

Endoplazmik retikulum yelpazenin öbür ucundadır. Sokolov ile Radhakrishnan'ın 2010 çalışması ER zarında kolesterolün ulaşılabilirliğinin mol yüzde beş dolayında birden arttığını bildirir. Ferrari ile Tontonoz ER için mol yüzde beşten az, Christie yaklaşık yüzde beş verir. Hücresel Bölmelendirme dersinde ER'nin tipik bir ökaryot hücrede toplam zar alanının yaklaşık yarısını tuttuğunu görmüştük; o geniş yüzey kolesterolce yoksuldur.

Farkı moleküle çevirelim. Mol yüzdesi x olan bir zarda her fosfolipide x ÷ (1 − x) kolesterol düşer. Plazma zarı için mol yüzde kırk alırsak 0,4 ÷ 0,6 ≈ 0,67, ER için beş alırsak 0,05 ÷ 0,95 ≈ 0,053 bulunur; fosfolipit başına oran 0,67 ÷ 0,053 ≈ 12,7 kat farklıdır. Pazartesi bir mikrometrekare saf tabakada yaklaşık 3,1 milyon fosfolipit saymış, gerçek zarda kolesterolün de yer kapladığını not etmiştik. Fosfolipit sayısını aynı tutarsak, bu yüzeye plazma zarında 3,1 × 0,67 ≈ 2,1 milyon, ER'de 3,1 × 0,053 ≈ 0,16 milyon kolesterol eşlik eder. Kolesterol fosfolipit alanını da değiştirdiği için bunlar yalnız mertebedir.

Bu oranlar hücre zarlarının içindeki kolesterole aittir; ders kanda ölçülen kolesterol değerleriyle bir bağ kurmaz. Kolesterolün kanda nasıl taşındığı ileride lipoproteinlere ayrılan derslerde ele alınacak.

Kolesterolsüz zarlar

Wikipedia'nın kolesterol maddesi bu molekülün hayvan hücrelerinin zarlarında değişen oranlarda bulunduğunu, prokaryotlarda ise bulunmadığını yazar. Sáenz ile arkadaşlarının PNAS'taki 2015 tarihli çalışması da sterollerin prokaryotlarda tipik olarak görülmediğini belirtir. Dün bakterilerin zarlarını homeoviskoz uyumla, yağ asidi bileşimini değiştirerek ayarladığını görmüştük; bazılarının elinde bir araç daha vardır.

Sáenz ile arkadaşları hopanoidlerin laboratuvarda sterollere benzer düzenleyici etki gösterdiğini, bir bakterinin dış zarında glikolipitlerle birleşip çok düzenli bir tabaka kurduğunu ve hopanoid yapamayan bir mutantta zara bağlı bir taşıma işinin bozulduğunu bildirir. Wikipedia'nın hopanoid maddesi de bu moleküllerin zar sertliğini artırıp geçirgenliği azalttığının düşünüldüğünü, ama sterol eksikliğini tümüyle karşılamadığını yazar.

Lekeler yan yana

Batu defterin boş sayfasını ikiye bölüyor: "41'in üstü: fren", "41'in altı: gaz". Araya "Lo" yazıyor, kenara da "0,67 ÷ 0,053 ≈ 12,7".

"Bu keselerin içinde lipitten başka bir şey yok," diyor. "Hücrenin zarı ise proteinle dolu." Nezihe Hanım dolaptan küçük, buzlu bir tüp çıkarıyor. "Yarın keselere bir protein yerleştirmeyi deneyeceğiz. Bakalım zarın içine mi girecek, yüzeyinde mi kalacak."

Kendini sına

1. Kolesterolün üç parçasını say ve her birinin çift tabakada nereye düştüğünü yaz. Neden kendi başına bir tabaka kuramaz?
2. Aynı oranda kolesterol taşıyan bir tabakada yanal difüzyon, 45 °C'de ve 25 °C'de hangi yönde değişir? Rubenstein ile arkadaşlarının ölçümü bu iki yönden hangisini doğrudan gösterir?
3. Kolesterolsüz bir kesede FRAP lekesi 0,5 saniyede, kolesterollü kesede 2 saniyede doluyor; leke yarıçapı 1 µm. İki D değerini ve oranlarını bul.
4. DSC tepesinin dar ve geniş bileşenleri neyi temsil eder? Kolesterol oranı arttıkça hangisi kaybolur?
5. Mol yüzde otuz kolesterol taşıyan bir zarda fosfolipit başına kaç kolesterol düşer? Mol yüzde beşlik bir zarla oranı nedir?
6. Hopanoidler kolesterolle hangi işlev düzeyinde benzeşir? Dünkü homeoviskoz uyumla birlikte bakterinin zar ayarını nasıl yaptığını anlat.

Bir sonraki derse köprü

Batu'nun keseleri yalnız lipitten yapılmıştı; gerçek bir zarın ağırlığının önemli bir kısmı proteindir. Zar Proteinleri dersi Nezihe Hanım'ın buzlu tüpündekini soracak: bir protein çift tabakanın yağlı çekirdeğini transmembran heliksle boydan boya geçen bir integral protein olarak mı yerleşir, yoksa yüzeye tutunan bir periferik protein olarak mı kalır, ve bu fark proteini zardan ayırmanın ne kadar zor olacağını nasıl belirler?