Basit Difüzyon

Konya'da üç şişe

Salı sabahı, ekimin ilk haftası. Konya'da gece ayaz olmuş, fizyoloji binasının bodrum penceresinden kırağılı çimen görünüyor. Selvi Hanım buzdolabından üç küçük şişe lipit kesesi çıkarıyor. "D" yazan şişe bir hücrenin dış yaprağını taklit ediyor: fosfatidilkolin, sfingomiyelin, şekerli sfingolipitler ve kolesterol. "İ" yazan şişe iç yaprağı: fosfatidiletanolamin, fosfatidilserin ve yine kolesterol. Üçüncünün etiketinde "D, kolesterolsüz" yazıyor.

Arın dönem ikide okuyor ve bu dönem laboratuvara gönüllü geliyor. Hızlı karıştırma cihazının bir şırıngasında keseler, öbüründe koyu bir şeker çözeltisi var. İkisi bir anda karışınca keselerden su çekiliyor, keseler büzülüyor ve saçılan ışık artıyor. "İ" eğrisi göz açıp kapayana dek tepeye çıkıyor, "D" eğrisi ağır ağır tırmanıyor, kolesterolsüz şişe ikisinden de hızlı.

"Üçü de aynı kalınlıkta birer zar sayılır," diyor Arın. "Bu fark nereden çıkıyor?" Selvi Hanım ağır eğriyi parmağıyla izliyor. "Hangisinin kalın olduğunu sorma. Hangisinin sık dizildiğini sor."

Bu derste ne olacak

Geçirgenlik bağıntısını hücrenin gerçek zarına taşıyacak, kolesterolün, kuyrukların ve iki yaprağın geçişi nasıl değiştirdiğini göreceğiz. Sonra lipitten gerçekten geçen molekülleri tartıp basit difüzyonun nerede yetmediğini soracağız.

Mekanizma

Tek yağ fazından katmanlı zara

Basit Difüzyon dersinde (L02-P07-M01-D04) lipit çift tabakasını homojen bir yağ tabakası saymış ve geçirgenliği üç büyüklüğün birleşimi olarak yazmıştık: P = D × K ÷ d. Pay tarafında zarın içindeki difüzyon katsayısı ile sudan yağa bölüşüm katsayısı, paydada zarın kalınlığı duruyordu.

Hücre Zarı modülünde ise iki yüzdeki baş şeritleri ile aradaki hidrokarbon çekirdeğin çok farklı ortamlar olduğunu gördük. Bölüşüm hangi katmanda belirlenir? Mathai, Tristram-Nagle, Nagle ve Zeidel 2008'de Journal of General Physiology'de yedi tek bileşenli zarın su geçirgenliğini ölçtüler. Geçirgenlik en güçlü biçimde lipit başına düşen alanla birlikte değişti; kalınlıkla ilişkisi zayıf kaldı.

Aynı sayıda Nagle ve arkadaşlarının üç katmanlı modeli bulguyu yerine oturtur. Molekül önce baş grupları arasındaki dar bir aralıktan girer; bu kapının açıklığı lipit başına alanla büyür. Sonra çekirdekte ilerler; orada Overton kuralının bölüşümü geçerlidir, kalınlık ikincil bir ayar olarak kalır. Çözünme çekirdekte, giriş ise yüzeydeki dizilişte belirlenir.

Kolesterol neyi değiştirir

Kolesterolün Zar İşlevi dersinde, akışkan bir tabakada kolesterolün küçük polar moleküllere geçirgenliği düşürdüğünü Wikipedia'nın maddeleri ve Christie'nin lipit ansiklopedisiyle kurmuş, bunu kuyruklar arasındaki boşlukların daralmasına bağlamıştık. Mathai ile arkadaşları etkiyi yapıyla eşleştirdi: DOPC zarlarına mol yüzde on, yirmi ve kırk kolesterol katıldıkça lipit başına alan küçüldü, zar kalınlaştı, su geçirgenliği düştü. Hill ile Zeidel'in 2000 tarihli Journal of Biological Chemistry çalışmasında da dış yaprak harmanından kolesterol çıkarılınca geçirgenlik keskin biçimde arttı.

Etki d üzerinden mi, K üzerinden mi geçer? Yapı Atlası dersinde hidrokarbon çekirdeği 2,6 ile 4 nanometre arasına yerleştirmiştik. Kurgu olarak kolesterolün çekirdeği 3,0'dan 3,5 nanometreye kalınlaştırdığını, D ile K'nin sabit kaldığını varsayalım. Yeni geçirgenlik eskisinin 3,0 ÷ 3,5 ≈ 0,86 katıdır; düşüş yalnız yüzde on dört dolayındadır. Geçirgenliğin on kat düşmesi için D × K çarpımının 0,1 ÷ 0,86 ≈ 0,12 katına, yani 8,6 kat aşağı inmesi gerekir. Bu kurguda asıl yük yüzeyin sıklaşmasındadır. Mathai de kolesterollü zarlarda aynı alan kaybının tek bileşenli zarlardakinden büyük bir düşüş getirdiğini, bunun ek bir etkene işaret ettiğini yazar.

Kuyruklar ters yönde çalışır. Zar Akışkanlığı dersinde cis çift bağın kuyruğa dirsek verdiğini, dirsekli kuyrukların gevşek dizildiğini görmüştük. Olbrich ve arkadaşları 2000'de Biophysical Journal'da on sekiz karbonlu fosfatidilkolin zarlarında çift bağ sayısı arttıkça su geçirgenliğinin belirgin biçimde yükseldiğini ölçtü ve bunu zincirler arasındaki serbest hacme bağladı.

İki yaprak, iki direnç

Zar Asimetrisi dersinde sfingomiyelinin ve şekerli lipitlerin dış yaprakta, fosfatidilserinin iç yaprakta toplandığını görmüştük. Hill ile Zeidel su geçirmezliğiyle bilinen bir böbrek epitel hücre hattının üst yüz zarını iki kese harmanıyla taklit ettiler; iç yaprak harmanı dış yaprak harmanından on sekiz kat hızlı su geçirdi. Krylov, Pohl, Zeidel ve Hill 2001'de aynı harmanlarla düzlem zarlar kurdular: 36 °C'de iç yaprak zarı 3,44 × 10⁻³, dış yaprak zarı 3,40 × 10⁻⁴ cm/s geçirdi, fark yaklaşık on kat.

Ohm Yasası dersinde seri dirençlerin toplandığını görmüştük. Geçirgenliğin tersi de bir dirençtir ve Krylov ile arkadaşları iki yaprağı art arda toplayan bağıntıyı sınadılar: 1 ÷ P = 1 ÷ P₁ + 1 ÷ P₂. Simetrik zarda iki özdeş yaprak olduğundan tek yaprağın geçirgenliği zarınkinin iki katıdır. Dış yaprağın direnci 1 ÷ (2 × 3,40 × 10⁻⁴) ≈ 1.471, iç yaprağınki 1 ÷ (2 × 3,44 × 10⁻³) ≈ 145 s/cm eder. Toplam 1.616'dır ve asimetrik zar için P ≈ 6,2 × 10⁻⁴ cm/s çıkar; yazarların doğrudan ölçümü 6,7 × 10⁻⁴'tür. Hill ile Zeidel'in kese değerleri aynı hesapla 4,6 × 10⁻⁴ verir. İki çalışmada da asimetrik zar, yalnız dış yapraktan kurulmuş zardan ancak 1,8 ile 1,9 kat geçirgendir: direncin onda dokuzundan fazlası dış yapraktadır.

Sallar bu tablonun neresinde? Hill ile Zeidel dış yaprak harmanından sfingomiyelini ya da şekerli sfingolipitleri çıkarınca geçirgenliğin birkaç kat arttığını buldu; salları kuran lipitler geçirgenliği düşüren lipitlerle aynıdır. Ama Lipit Salları dersinde hücredeki salların 10 ile 200 nanometre boyunda, kısa ömürlü ve varlığı tartışılan yapılar olduğunu görmüştük. Bu ölçümler zarın ortalamasını verir, sal ölçeğinde bir geçirgenlik haritası vermez; salların geçişe ayrı birer engel olup olmadığı açık bir sorudur.

Lipitten gerçekten kim geçer

Kolaylaştırılmış Difüzyon dersinde alyuvarda suyun çoğunun AQP1 kanalından geçtiğini, lipit yolunun payının onda bir dolayında kaldığını görmüştük. Arın'ın kanalsız şişelerinde de su geçiyor: lipit yolu her zarda açıktır, ama sık bir dış yaprakta yavaştır.

Alveolde Gaz Değişimi dersinde (L02-P07-M01-D08) oksijen ile karbon dioksitin kan–hava bariyerini basit difüzyonla geçtiğini yazmıştık. Hücre zarı düzeyinde bu görüşe bir itiraz var.

Boron'un 2010 tarihli Experimental Physiology dersi, bütün gazların bütün zarlardan lipitte çözünerek geçtiği görüşünü özetler ve bazı zarların ölçülebilir bir gaz geçirgenliği göstermediğini yazar; aynı grubun 2021 derlemesi bu gözlemin AQP1'den geçen bir gazın keşfine götürdüğünü anlatır. Itel ile arkadaşlarının 2012 çalışmasında normal oranda kolesterol taşıyan, gaz kanalsız hücre zarlarının karbon dioksit geçirgenliği saf fosfolipit zarlarınkinden yaklaşık iki basamak düşük çıktı; kolesterol çekilince arttı, AQP1 eklenince yine yükseldi.

Missner ile arkadaşları 2008'de düzlem zarlarda ters sonuca vardı: fizyolojik pH'ta karbon dioksit akısını zar değil, iki yanındaki durgun su sınırlıyordu. Kolesterolle sıkılaştırılan zar akıyı değiştirmedi, AQP1 fazlası taşıyan hücreler fazla geçirgen çıkmadı. Missner ile Pohl'un 2009 derlemesi Meyer ile Overton'ın bölüşüm kuralının hâlâ geçerli olduğunu savunur.

Steroid hormonlar kolesterolden türer. OpenStax'in anatomi ve fizyoloji kitabı onların lipit çift tabakasından kolayca geçip hücre içindeki reseptöre ulaştığını, suda çözünen hormonların ise yüzey reseptörü kullandığını yazar; Wikipedia'nın steroid hormon maddesi de yağda çözündükleri için zardan geçtiklerini, kanda taşıyıcı proteinlere bağlı dolaştıklarını söyler. Hammes ile arkadaşları 2005'te Cell'de, taşıyıcıya bağlı eşey steroidlerinin megalin adlı bir yüzey reseptörüyle bütün hâlinde yutularak da girebildiğini gösterdi. Basit difüzyon steroidin ana yolu olarak kalır, tek yolu olmayabilir.

Tiroit hormonu tersini öğretir. Ders kitapları onu da yağda çözünür sayıp difüzyonla geçtiğini yazmıştı. Wikipedia'nın tiroit hormonu maddesi bugün bu hormonların, lipofil olmalarına karşın, zarı taşıyıcıyla geçtiğini yazar: halkadaki iyot atomları komşu hidroksili asitleştirir ve molekül vücudun pH'ında eksi yük taşır. Friesema ile arkadaşları 2003'te MCT8'i etkin ve özgül bir tiroit hormonu taşıyıcısı olarak tanımladı.

İlaç molekülleri için tartışma sürüyor. Kell'in 2021 derlemesi gerçek biyozarlarda ilaçların çift tabakadan geçişinin ihmal edilebilir olduğunu savunur; Sugano ile arkadaşlarının 2010 değerlendirmesi pasif geçişle taşıyıcı aracılı geçişin birlikte var olduğunu yazar.

Basit difüzyonun yetmediği yer

Biyofizik hesapları sınırı çizmişti: glukoz saf lipitten aylar içinde, sodyum on yıllar içinde sızıyordu. Hücre zarında sınır daha da belirginleşir. Yüklü ya da çok polar bir molekül kapıdan giremez, sık bir dış yaprak küçük yüksüz moleküllerin bile hızını bir basamak düşürür. Lipit yolu açılıp kapanamaz; hücre onu saniyeler içinde ayarlayamaz. Hız, seçicilik ya da denetim gerektiğinde iş proteine geçer.

Modelin sınırı

• Yaprakları toplayan bağıntı suyla ve tek bir hücre hattının lipit bileşimiyle sınandı. Hill ile Zeidel'in harmanlarında proton ters yönde davrandı; her molekül aynı yaprağa takılmaz.
• Alan ilişkisi tek bileşenli zarlardan ve kolesterollü tek bir fosfolipitten geliyor; yüzlerce lipit türü taşıyan gerçek bir zara aynen taşınamaz.
• Kese ve düzlem zar ölçümlerinde zarın yanındaki su katmanı ayrıca hesaba katılmalıdır; gaz tartışmasının önemli bir kısmı bu ayrıma dayanır.
• Kolesterolün yalnız kalınlığı değiştirdiği hesap kurgudur. Gerçek zarda kalınlık, alan ve bölüşüm birlikte değişir; tek harfi oynatmak ancak yön gösterir.

Bu ders neyi göstermiyor

Mekanizmanın tutarlılığı bir müdahaleyi desteklemiyor; kararı L01-P02 tasarımlarıyla üretilmiş kanıt destekler. Zarı "geçirgen yapan", hücreye besin girişini "artıran" ya da maddeleri lipit keseciklerine sararak hücreye "daha iyi sokan" hiçbir ürün, besin ya da takviye bu mekanizmayı dayanak gösteremez; model zarlarda ölçülen geçirgenlik, bir kişinin dokusunda neyin ne kadar emildiğini söylemez. İlaçların ve hormonların vücuttaki dağılımı bu dersin konusu değildir.

Kalemle yazılmış bir A

Öğleye doğru Arın üç eğriyi defterine yan yana çiziyor, altlarına "İ: hızlı", "D: ağır", "D, kolesterolsüz: en hızlı" yazıyor, kenara "1.471 + 145" ekliyor. "Dış yaprak işi tek başına görüyor," diyor. Selvi Hanım tahtaya P = D × K ÷ d yazıp d'nin altına küçük bir A ekliyor. "Lipit başına alan. Kalınlığa bakıp yüzeyi unutursan yanlış harfi ölçersin."

Arın boş şırıngaya bakıyor. "Bu harmanlara bir su kanalı koysak eğri ne olurdu?" Selvi Hanım buzdolabına bir not yapıştırıyor: "Perşembe. Kanal proteinli keseler."

Kendini sına

1. Tek bileşenli zarlarda su geçirgenliğini en iyi hangi yapısal büyüklük öngördü? Kalınlık neden ikincil kaldı?
2. Kolesterol çekirdeği 3,0'dan 3,6 nanometreye kalınlaştırsın, D ile K sabit kalsın. Geçirgenlik yüzde kaç düşer? Beş kat düşüş için D × K kaç kat inmelidir?
3. İç yaprak zarı 4,0 × 10⁻³, dış yaprak zarı 4,0 × 10⁻⁴ cm/s geçiriyor. Asimetrik zarın geçirgenliğini hesapla; direncin yüzde kaçı dış yapraktadır?
4. Gaz kanallarını gerekli ve gereksiz gören görüşler hangi ölçüm sorusunda ayrışıyor?
5. Steroid hormonla tiroit hormonundan biri zarı kendiliğinden geçerken öbürü neden taşıyıcıya ihtiyaç duyar?

Bir sonraki derse köprü

Kolaylaştırılmış Difüzyon dersinde iyon kanalını ve akuaporini tanımlamıştık. Kanal Aracılı Taşınım dersi şunu soracak: saniyede milyonlarca iyon geçiren bir gözenek sodyumu potasyumdan nasıl ayırır ve bu ayrımı yapan seçicilik filtresi nerededir? Gerilimle, bağlanan bir molekülle ya da gerginlikle açılıp kapanan bir kapılı kanal, lipit yolunun hiç yapamadığı neyi yapar?