Hücre Zarı Yapı Atlası

Perşembe, ölçeksiz bir taslak

Perşembe, saat üçü yirmi geçiyor. Lodos ılık esiyor; avludaki incirin çıplak dallarında bir iki sarı yaprak kalmış. Batu dün akşam defterine bir zar çizmiş ve sabah Nezihe Hanım'ın masasına bırakmış: yan yana dizilmiş topuzlu çöpler, aralarına sıkışmış bir yay, üstte kısa, çatallı antenler.

Nezihe Hanım sayfayı çeviriyor. "Güzel," diyor. "Şimdi köşesine bir ölçek çubuğu koy." Batu kalemi alıp duraksıyor. Çizimde lipit başı, sarmal ve anten aşağı yukarı aynı boyda; hangisine göre ölçse öbür ikisi yanlış çıkacak. Nezihe Hanım çekmeceden bir blok milimetrik kâğıt çıkarıp önüne koyuyor. "Baştan çiz. Bu kez her çizginin bir sayısı olsun."

Bu derste ne olacak

Plazma zarını dıştan içe, tek bir ölçekte çizeceğiz. Ölçeği seçince neyin sayfaya sığmadığını göreceğiz. Şeker örtüsünden aktin ağına kadar her katmanı yerine koyup kesite bir transmembran sarmal ile bir sal ekleyeceğiz; sonra boyları bir tabloda toplayıp kesitin ne hızla kıpırdadığına bakacağız.

Metin

Bir nanometre, bir santimetre

Zarın içinde en küçük düzenli birim bir lipidin başıdır. Modülün ilk dersinde her fosfolipide 0,65 nm²'lik bir yüzey payı vermiştik; bu alanın karekökü yaklaşık 0,8 nm eder, yani iki komşu baş arasındaki uzaklık bir nanometreden biraz kısadır. Batu ölçeği buna göre seçiyor: bir nanometre kâğıtta bir santimetre. Çizim gerçeğin on milyon katıdır ve baş grupları sekizer milimetre arayla dizilecektir.

Hücrenin görsel haritasını çizdiğimiz derste ışık mikroskobunun sınırını 200 nanometre dolayında bulmuştuk; burada o sınır iki metredir. Milimetrik bloğun bir yaprağının uzun kenarı otuz santimetre kadardır ve yalnız otuz nanometrelik bir dilimi taşır. Batu kâğıdın ortasına yatay iki çizgi çekiyor, zarın iki yüzü, ve yukarıyı "dışarı", aşağıyı "sitozol" diye adlandırıyor.

Dış yüzün şeker örtüsü

İlk katman kâğıda sığmaz. Glikokaliks dersinde kılcal damar endotelinin örtüsünü canlı damarda yarım ile bir mikrometre arasında bulmuş, elektron mikroskobunun aynı örtüyü 50–100 nanometreye indirdiğini görmüştük. Kan Damarında Akış dersindeki (L02-P07-M02-D07) endotel yüzey katmanı da bu örtüdür. Bir nanometre bir santimetre ederse yarım mikrometre beş metredir, bir mikrometre on metre. Örtü masadan kalkıp koridorun sonuna kadar uzanır.

Batu dış çizgiden dallanan birkaç zincir çizip kâğıdın kenarında iki eğik çizgiyle kesiyor: kırık eksen. Yanına küçük harflerle "5–10 m, sayfanın dışında" yazıyor. Zincirlerin bir kısmını lipitlerden, çoğunu proteinlerden çıkarıyor; en uçlarına sialik asitler için kısa, eksi işaretli çentikler koyuyor.

Dış yaprak

Zarın kendisi başlar. Zar asimetrisi dersinde dış yaprağı fosfatidilkolin ile sfingomiyelinin doldurduğunu, glikolipitlerin de burada durduğunu görmüştük. Batu baş gruplarını sekizer milimetre arayla küçük dairelerle diziyor; her beş başın birini sfingomiyelin için koyu boyuyor. Kurgu bir yüzde birlik glikolipit payıyla glikokaliks dersinde zincir başına kenarı sekiz nanometre olan bir kare bulmuştuk. Kâğıtta bu, her sekiz santimetrede bir başın üstünden şeker zinciri çıkması demektir.

Baş bölgesi ince bir şerittir. Her yüzün baş bölgesine Wikipedia'nın çift tabaka maddesi 0,8–0,9 nm, Nagle ile Tristram-Nagle'ın derlemesi 0,9 nm biçer; kâğıtta dokuz milimetredir. Batu şeridin içine bir de GPI çapası yerleştiriyor: bir lipit kuyruğuyla yaprağa gömülü, gövdesi tümüyle dışarıda duran bir protein. Asimetri dersi bu çapayı dış yüze koymuştu.

Yağlı çekirdek

İki baş şeridinin arası kuyrukların bölgesidir. Kalınlığında kaynaklar ayrışır: Nagle'ın sıvı hâldeki tabaka ölçümleri 2,6–2,9 nm, Wikipedia 3–4 nm verir. Batu çekirdeğe üç santimetre ayırıyor ve kenara aralığı yazıyor. Kuyrukların bir kısmını düz, bir kısmını cis çift bağında dirsekli çiziyor; zar akışkanlığı dersinde dirseklerin erime eşiğini aşağı çektiğini görmüştük.

Kolesterol dik durur. Hidroksil grubu baş şeridinin hemen altında kalır, halkaları kuyrukların üst yarısına gömülür, kısa kuyruğu daha derine uzanır; kolesterol dersinde Mardešić'in derlemesi ile Wikipedia'nın maddesi molekülü böyle yerleştirmişti. Batu onu iki yaprağa da koyup sfingomiyelinin yanında sıklaştırıyor.

Sal bölgesi burada doğar. Lipit salları dersinde 2006 uzlaşı tanımının salı 10 ile 200 nanometre arasına koyduğunu görmüştük. En küçüğü bu ölçekte on santimetredir ve kâğıda sığar; Batu dış yaprakta sfingomiyelin ile kolesterolün sıklaştığı on santimetrelik bölgeyi açık yeşille tarıyor. Oradaki kuyrukları dirseksiz ve sık çiziyor. En büyük sal iki metre tutar; o da kâğıdın dışında kalır.

İç yaprak

Alt baş şeridi başka bir karışımdır. Lorent ile arkadaşlarının alyuvar ölçümü ve Wikipedia'nın çift tabaka maddesi burada fosfatidiletanolamin, fosfatidilserin ve fosfatidilinozitolün fosforlanmış türevlerini sayar. Batu fosfatidilserin başlarına eksi işareti koyuyor. Asimetri dersindeki kurgu yüzde sekizlik payla bu başlar iç yüzde iki nanometrede bir, yani kâğıtta iki santimetrede bir düşer.

PIP₂ seyrektir. Sinyal dersinde Wikipedia'nın maddesi ile Lorent'in ölçümü onun iç yaprakta küçük bir pay tuttuğunu göstermişti. Batu bir tanesini kırmızı kalemle işaretleyip yanına küçük bir makas çiziyor: fosfolipaz C'nin kestiği yer. IP₃ oradan sitozole, DAG yaprağın içine gidecektir.

Sitozol yüzü

Periferik proteinler, zar proteinleri dersinde OpenStax ile Wikipedia'dan okuduğumuz gibi, çekirdeğe girmeden lipit başlarına ya da integral proteinlere zayıf bağlarla asılır. Batu eksi yüklü iç şeride iki yuvarlak protein yapıştırıyor.

Bunların altından hücre iskeleti başlar. Görsel harita dersinde aktin ipliğinin kalınlığını OpenStax'in iki kitabından 6 ile 7 nanometre almıştık. Bu ölçekte ipliğin kesiti altı ile yedi santimetrelik bir dairedir: çift tabakanın bütün kalınlığından büyük. Batu daireleri iç yüzün birkaç santimetre altına diziyor, birini bir integral proteinin sitozol ucuna bağlıyor. OpenStax'in zar bölümü zar proteinlerinin işleri arasında hücre iskeletine tutunma noktası olmayı sayar. Kraft'ın derlemesi ile Wikipedia'nın sal maddesi de zarın altındaki aktin ağının zarı bölmelere ayırabileceğini anlatır.

Boydan boya geçen sarmal

Son parça kesitin iki yüzünü birleştirir. OpenStax'e göre tek geçişli bir integral proteinde yağlı ortama gömülen parça 20–25 amino asittir; her kalıntıda 0,15 nm yükselen bir α-sarmalda bu 3,0–3,75 nm eder. Batu sarmalı çekirdeğin içine dikine yerleştiriyor: üç santimetreyle üç santimetre yetmiş beş milimetre arasında. İki ucu baş şeritlerine değiyor, oradan birer halka dışarı ve içeri taşıyor. Dış halkaya iki şeker zinciri, iç halkaya bir aktin ipliği bağlıyor.

Ölçek tablosu

Batu boyları kâğıdın sağ kenarında topluyor.

Tablonun iki satırı birbiriyle tam tutmaz. Katmanları toplarsak iki baş şeridinin 1,8 nm'si ile 2,6–4 nm'lik çekirdekten 4,4 ile 5,8 nm arasında bir kalınlık çıkar; oysa Milo ile Phillips'in hesabı ve Wikipedia'daki hücre zarı maddesi tabakanın tamamını yaklaşık 4 nm yazar. OpenStax zarı proteinleriyle birlikte 5 ile 10 nm sayar. Zincir uzunluğu ve sıcaklık çekirdeği değiştirir, baş bölgesinin nerede bittiği de tanıma bağlıdır; atlasta aralık kalır.

Tablodan birkaç oran okunur. Baş şeritleri toplam kalınlığın 1,8 ÷ 4,4 ≈ 0,41 ile 1,8 ÷ 5,8 ≈ 0,31'i arasındadır: zarın üçte biri ile beşte ikisi suya dönük, kutuplu başların bölgesidir. Kılcalın glikokaliksi çift tabakadan 500 ÷ 5 = 100 ile 1.000 ÷ 4 = 250 kat kalındır. Aktin ipliği zarın kendisinden 6 ÷ 5 = 1,2 ile 7 ÷ 4 = 1,75 kat kalındır. En küçük salın çapı boyunca 10 ÷ 0,8 ≈ 12 lipit başı dizilir.

Kıpırdayan kesit

Kâğıttaki kesit donmuş bir andır. Zar akışkanlığı dersinde bir lipidin yanal difüzyon katsayısını yaklaşık 1 µm²/s bulmuş, iki boyutta ⟨r²⟩ = 4Dt bağıntısını kurmuştuk. Bir saniyede lipit yaklaşık 2 µm yol alır; bu ölçekte yirmi metredir. Batu'nun sekiz milimetre arayla dizdiği başların her biri, çizim bitmeden koridoru boydan boya geçmiş olurdu.

Aynı bağıntı salların neden sabit bir yapı gibi çizilemeyeceğini de gösterir. Bir lipidin salın çapı kadar yol alması için gereken süre kabaca t = r² ÷ 4D'dir; r burada salın çapıdır. Uzunlukları mikrometreyle yazarsak on nanometrelik salda (0,01)² ÷ 4 = 0,000025 saniye, yani yirmi beş mikrosaniye; iki yüz nanometrelik salda (0,2)² ÷ 4 = 0,01 saniye, yani on milisaniye eder. Salı sal yapan duvar değil, bazı lipitlerin orada biraz daha uzun kalma eğilimidir. Eggeling ile arkadaşlarının gözlemi de Pike'ın raporu da bu alanları çok kısa ömürlü ve çok dinamik sayar.

Frye ile Edidin'in kaynaştırdığı hücrelerde yüzey proteinlerinin karışması ise kırk dakika kadar sürmüştü. Bir lipidin öbür yaprağa kendiliğinden geçmesi yanal hareketten kat kat yavaştır; iç yüzün eksi yükleri bu yüzden yerinde durur, kaçanları flippazlar geri taşır. Atlas bir yeri gösterir, bir süreyi değil: kesitteki her konum bir ortalamadır.

Modülün sekiz sahnesi

Batu kâğıdın altına, her katmanın ilk kez görüldüğü sahneyi yazıyor.

Sahnelerin çoğu yapay keselerde geçti. Kesit keselerin göstermediğini başka ölçümlerden tamamladı: iki yaprağın farkını alyuvardan, örtünün kalınlığını kılcaldan, salın boyunu tartışmalı bir uzlaşıdan. Atlas tek bir hücrenin fotoğrafı değil, farklı dokulardan derlenmiş bir bileşimdir.

Kâğıdın kenarındaki kırık çizgi

Saat beşe geliyor. Batu geri çekiliyor: kırık eksenle kesilmiş zincirler, dokuz milimetrelik iki şerit, aradaki üç santimetre, yeşil sal, kırmızı PIP₂ ve zardan kalın aktin daireleri.

Dünkü ölçeksiz taslağı yanına koyuyor. "Antenler yüz kat kısa kalmış," diyor, "aktin de zardan ince." Nezihe Hanım kalemi alıp çekirdeğin yanına tek bir harf yazıyor: d. "Suda çözünen küçük bir molekül bu kesiti dışarıdan içeri geçmek zorunda kalsaydı," diyor, "en çok hangi katmanda oyalanırdı? Onu düşün."

Kendini sına

1. Bir nanometrenin bir santimetre olduğu ölçekte baş şeridi, hidrokarbon çekirdek ve aktin ipliği kâğıtta kaç santimetre tutar? Hangisi çift tabakanın tamamından büyük çıkar?
2. Kılcal endotelinin glikokaliksini bu ölçekte neden aynı kâğıda çizemezsin? Kırık eksenle kesmek yerine hangi ikinci ölçeği seçerdin?
3. Kesiti dıştan içe sırala; her katmana bu modülde gördüğün en az bir molekülü yerleştir. Kolesterolün üç parçası hangi katmanlara düşer?
4. Glikokaliks ölçümlerinde elektron mikroskobu ile canlı mikroskopi neden birbirinden bu kadar farklı sonuç verir? Atlas için hangisi canlı hücreye daha yakındır, neden?
5. Yanal difüzyon katsayısını yine 1 µm²/s al. Bir lipit 50 nanometrelik bir salı kabaca ne kadar sürede geçer? Bu süre, salı kalıcı bir yapı gibi çizmenin sınırını nasıl gösterir?

Bir sonraki derse köprü

Kesit tamam, ama henüz hiçbir şey onu geçmedi. Biyofizik programında, Basit Difüzyon adlı derste (L02-P07-M01-D04) bir molekülün zarı geçme hızını P = D × K ÷ d bağıntısına bağlamış, zarın içini tek bir yağ fazı gibi ele almıştık. Zar Taşınımı modülü aynı başlıkla, Basit Difüzyon'la açılacak ve soruya bu kez hücrenin zarından bakacak: bölüşüm katsayısı (partition coefficient) hangi katmanda belirlenir, çekirdeği kalınlaştıran kolesterol ve düz kuyruklar geçişi nasıl değiştirir, ve kesitteki proteinler olmasaydı hücreye yalnız hangi moleküller girebilirdi?