Kanal Aracılı Taşınım

Buzdolabındaki notun perşembesi

Perşembe sabahı Konya'da ayaz gevşemiş, bodrum penceresinin dışında kırağı çizgi çizgi eriyor. Selvi Hanım buzdolabındaki notu söküp tezgâha iki şişe koyuyor. Birinde salı günü hızlı çıkan "İ" harmanı var. Öbürünün etiketinde "İ + AQP1" yazıyor: aynı lipitlere alyuvardan saflaştırılmış akuaporin katılmış.

Keseler cihazda şeker çözeltisiyle karışınca, salı günü bir anda tepeye fırlayan "İ" eğrisi, akuaporinli keselerin neredeyse dikine kalkan çizgisinin yanında ağır bir yokuşa dönüyor. İkinci çift şişenin keselerinde asitle rengi dönen bir boya var, dış çözelti asitlendirilmiş; bu kez iki eğri üst üste biniyor.

"Suyu bu kadar hızlı geçiren delik protonu nasıl geri çeviriyor?" diye soruyor Arın. Selvi Hanım onu yan odaya götürüyor. Mikroskopta bir kültür hücresine incecik bir cam pipet dayanmış, ekrandaki iz iki düz çizgi arasında atlıyor. "Her basamak tek bir protein," diyor. "Açılıyor, kapanıyor."

Bu derste ne olacak

Potasyumu geçirip ondan küçük sodyumu durduran filtreye, sonra akuaporinin protonu dışarıda bırakışına bakacağız. Ardından kapıları ve tek bir kanalın akımını hesaplayacağız.

Mekanizma

Gözenek ile taşıyıcı

Kolaylaştırılmış Difüzyon dersinde (L02-P07-M01-D05) iyon kanalını ve tek yönlü taşıyıcıyı tanımlamış, taşıyıcının saniyede yüzlerce ya da binlerce, kanalın on milyonlarca molekül geçirdiğini görmüştük. Taşıyıcı her turda molekülü bağlayıp biçim değiştirerek başa döner; açık kanal iki yüzü kesintisiz bağlar.

Wikipedia'nın iyon kanalı maddesi hızı çoğu zaman saniyede 10⁶ iyon ya da üstü diye verir; Milo ile Phillips pikoamperlik akımlardan saniyede kabaca on milyon iyon çıkarır. Morais-Cabral, Zhou ve MacKinnon 2001'de Nature'da bir potasyum iyonunun filtrede suyunu bırakıp ilerlemesinin ve yeniden sulanmasının yaklaşık on nanosaniye sürdüğünü yazar. Kozono ile arkadaşlarının KcsA için aktardığı saniyede 10⁸ iyonla sınayalım: 1 ÷ 10⁸ = 10⁻⁸ saniye, yani on nanosaniye. İki değer aynı ölçüme dayanır; bağımsız değil, tutarlıdır.

Suyu taklit eden oksijenler

İyonlar dersinde altı komşulu K⁺'nın yarıçapını 138, Na⁺'nınkini 102 pikometre bulmuş, küçük sodyumun suyunu daha sıkı tuttuğunu görmüştük. Nobel Vakfı'nın 2003 metni bilmeceyi böyle kurar: potasyumu geçirip sodyumu geçirmeyen kanallar biliniyordu, oysa sodyum daha küçüktü.

Doyle ile MacKinnon'ın ekibinin 1998'de çözdüğü bakteriyel KcsA yapısını Kolaylaştırılmış Difüzyon dersinde kısaca anmıştık: dört özdeş alt birim, 12 ångströmlük filtre. Porun geri kalanı geniş ve hidrofobik amino asitlerle döşelidir; zarın ortasındaki su dolu büyük boşluk ve çevredeki sarmalların uçları, yağlı çekirdeğin ortasında yalnız kalacak bir iyonu kararlı tutar. İyon suyunu ancak son on iki ångströmde bırakır.

Filtrede dört bağlanma yeri üst üste dizilir. Wikipedia'nın KcsA maddesi her yeri köşelerinde sekiz oksijen bulunan bir kafes olarak anlatır. Zhou, Morais-Cabral, Kaufman ve MacKinnon'ın 2001 yapısı bu oksijenlerin, boşluktaki bir potasyumu saran su moleküllerininkine çok benzeyen bir düzen kurduğunu gösterdi; yazarların deyişiyle sanki hidrasyon sularını taklit ederler. Potasyum girişte su kabuğunu bırakır, ama kaybettiği oksijenleri aynı uzaklıkta duvarda bulur ve bedel ödenmez. Sodyuma göre oksijenler fazla uzakta kalır; suyunu bırakmak karşılıksız bir kayıp olur ve sodyum suda kalır.

Sıkı tutan bir yer iyonu bekletir; filtre nasıl hızlı kalır? Doyle ile arkadaşları filtrede yaklaşık 7,5 ångström aralıklı iki potasyum gördü ve aralarındaki itmenin iletimi kolaylaştırdığını önerdi. Morais-Cabral ile arkadaşlarına göre filtrede çoğu zaman aralarında birer su molekülü bulunan iki iyon vardır; dizi birinci ile üçüncü yerlerden ikinci ile dördüncü yerlere birlikte kayar ve bir uçtan yeni iyon girince öbür uçtaki dışarı itilir. İki düzenin enerjisi neredeyse eşittir; yazarlara göre en hızlı iletimin koşulu budur.

Suyun kanalı ve proton

Bu modülün Basit Difüzyon dersinde suyun lipit yolunun her zarda açık, ama alyuvarda ikincil olduğunu görmüştük. Akuaporinin merkezindeki artı yükün hidronyumu geri çevirdiğini ise Kolaylaştırılmış Difüzyon dersinde söylemiştik. Kozono, Yasui, King ve Agre'nin 2002 derlemesi engeli iki kat olarak anlatır. Gözenek, orta noktasının sekiz ångström kadar dışında 2,8 ångström çapa, aşağı yukarı bir su molekülünün çapına daralır ve orada bir arjinin katyonları iter. Orta noktada ise iki kısa sarmalın uçları buluşup geçen su molekülünü çevirir.

İkinci engel neden gerekir? Proton bir iyon gibi yol almak zorunda değildir; hidrojen bağlarıyla zincirlenmiş bir su dizisinde molekülden moleküle aktarılabilir. Wikipedia'nın akuaporin maddesine göre su molekülü girerken oksijeni öne bakar, yolun ortasında döner ve oksijeni arkada çıkar; iki yarıdaki zıt elektrostatik alan protonu durdurur. Dizinin hidrojen bağları ortada koptuğu için kesintisiz bir proton teli kurulamaz ve Arın'ın asitli keselerinde iki eğri üst üste biner. Nobel Vakfı'nın metnine göre zarın iki yanındaki proton farkı hücrenin enerji depolamasının temelidir; Wikipedia da proton dışlamanın bu farkı koruduğunu yazar.

2003 Nobel Kimya Ödülü hücre zarlarındaki kanallara ilişkin keşifler için ikiye bölündü: yarısı su kanallarını keşfeden Peter Agre'ye, yarısı iyon kanallarının yapısı ve mekanizması üzerine çalışan Roderick MacKinnon'a verildi; Wikipedia'nın akuaporin maddesi de paylaşımı böyle aktarır.

Kapı: gerilim, bağlanan molekül, gerginlik

Nobel Vakfı'nın metnine göre MacKinnon kanalın iç ucunda bir kapı ve ona bağlı bir algılayıcı gösterdi; algılayıcı kalsiyum artışına, zar gerilimine ya da bağlanan bir sinyal molekülüne yanıt verir.

OpenStax ders kitabında ligand kapılı kanal, asetilkolin dış yüzüne bağlanınca katyonlara açılır. Mekanik kapılı kanal zarın fiziksel olarak bükülmesiyle açılır; dokunma duyusunun kanalları böyledir. Gerilim kapılı kanal zarın iç yüzü daha az eksi olunca açılmaya başlar; Wikipedia'ya göre algılayıcısı, dördüncü zar geçen sarmal S4, artı yüklü amino asitler taşır ve gerilim değişince yer değiştirir. Milo ile Phillips de ligand, zar gerilimi ve zar gerginliğini sayar. OpenStax'e göre sızıntı kanallarının bir tetikleyicisi yoktur; rastgele açılıp kapanırlar ve dinlenim gerilimine katkı verirler.

Tek bir molekülün akımı

Kapının oynadığı nasıl görülür? Nobel Vakfı 1991 Fizyoloji ya da Tıp Ödülü'nü Erwin Neher ile Bert Sakmann'a hücrelerdeki tek iyon kanallarının işlevine ilişkin keşifleri için verdi; Wikipedia'nın Neher maddesi ödülü ikisinin ortak ödülü olarak aktarır.

Pipetle zar arasındaki aralık, kanalın yanından sızan akıma açık bir yoldur; Hamill ile arkadaşlarının 1981 yazısı 10⁹ ile 10¹¹ ohm dirençli contaları, Wikipedia 10 ile 100 gigaohm arası değer verir.

Ölçülen akım Nobel duyurusuna göre pikoamper düzeyindedir; Milo ile Phillips birkaç pikoamper der. Akım, Gerilim ve Direnç dersinde iletkenliği direncin tersi olarak tanımlamıştık. Tek kanal için i = G × (V − E) yazılır; E, Nernst Denklemi dersinin denge potansiyelidir ve parantez iyonu süren farktır. Açılıştaki kurgu kanalın iletkenliği 30 pikosiemens olsun. Goldman Denklemi dersinde potasyumun denge potansiyelini −95 milivolt bulmuştuk. Zar −45 milivoltta tutulursa fark 50 milivolttur ve akım 30 × 10⁻¹² × 0,050 = 1,5 × 10⁻¹² amper eder. Temel yüke bölersek 1,5 × 10⁻¹² ÷ 1,602 × 10⁻¹⁹ ≈ 9,4 × 10⁶ potasyum iyonu her saniye tek gözenekten çıkar. Zar −95 milivolta inerse kanal açık olsa da akım sıfırdır.

Milo ile Phillips ligandların bu olasılığı değiştirdiğini, Wikipedia'nın mekanik duyarlı kanallar maddesi zardaki bozulmanın onu artırdığını yazar. Arın'ın iki saniyelik kaydında kanal toplam 0,3 saniye açık kalmış olsun: Pₒ = 0,3 ÷ 2 = 0,15. Hücrede bu kanaldan 2.000 tane varsa, herhangi bir anda ortalama 2.000 × 0,15 = 300 tanesi açıktır ve toplam akım 300 × 1,5 = 450 pikoamper eder. Bir uyaran Pₒ'yu 0,6'ya çıkarırsa toplam akım 1.800 pikoampere, dört katına çıkar; tek kanalın akımı ise değişmemiştir.

Lipit yolunun yapamadığı

Bu modülün Basit Difüzyon dersinde lipit yolunun açılıp kapanamadığını ve molekülleri yağda çözünürlüklerine göre ayırdığını görmüştük. Kanal yağda çözünmeyen yüklü bir iyonu kimliğine bakarak geçirir ve bu geçişi bir sinyale bağlar: Nobel Vakfı'nın 1991 duyurusu sodyum kanalları açılınca zar geriliminin saniyenin binde biri içinde kökten değiştiğini yazar, Wikipedia gerilim kapılı kanalların milisaniyeler içinde yeniden kapandığını ekler.

Modelin sınırı

• KcsA bir bakteri kanalıdır; insan kanalları filtrenin imza dizisini korur, kapılarını ve algılayıcılarını değil.
• Kristal yapı çok sayıda molekülün ortalamasıdır; iyonların anlık dizilimi ölçümlerden ve benzetimlerden çıkarılır ve seçiciliğin ayrıntılı açıklaması tartışmalıdır.
• i = G × (V − E) doğrusal bir yaklaşımdır; Goldman Denklemi dersinde iletkenliğin yüksek derişimde doyabildiğini görmüştük.
• Açık kalma olasılığını tek bir sayı saydık. Gerilim kapılı kanalların birçoğu kapalı ve açık durumun yanında bir de etkisiz duruma geçer.

Bu ders neyi göstermiyor

Mekanizmanın tutarlılığı bir müdahaleyi desteklemiyor; kararı L01-P02 tasarımlarıyla üretilmiş kanıt destekler. Nobel Vakfı'nın metinleri kanal bozukluklarına bağlanan hastalıkları ve kanalları hedefleyen ilaç olanaklarını anar; ikisini de bu mekanizma dersi açmaz. "Kanalları açan" ya da hücrenin su ve iyon geçişini "düzenleyen" diye sunulan hiçbir ürün, besin, takviye ya da elektrolit karışımı bu mekanizmayı dayanak gösteremez. Bir zar yamasının akımı, bir kişinin dokusunda hangi kanalın ne kadar açık olduğunu söylemez.

Kâğıttaki basamaklar

Öğleye doğru Arın izin çıktısında açık parçaların altını çiziyor, kenara "0,3 ÷ 2 = 0,15" yazıyor. Tahtada salıdan kalan geçirgenlik bağıntısının yanına Selvi Hanım i = G × (V − E) ekliyor. "Birinde zar geçiriyor," diyor. "Öbüründe bir protein karar veriyor."

Arın "İ + AQP1" şişesini buzdolabına geri koyarken arka sırada üçüncü bir şişe görüyor: "İ + GLUT1". "Glukoz da böyle bir delikten mi giriyor?" diye soruyor. Selvi Hanım şişenin kapağına bir not yapıştırıyor: "Pazartesi. Bu eğri bir yerde bükülecek."

Kendini sına

1. Daha küçük sodyum potasyum kanalının filtresinden neden geçemez? Su kabuğu ve karbonil oksijenleriyle açıkla.
2. Akuaporinde protonun molekülden moleküle aktarılmasını hangi iki yapısal özellik engeller?
3. İletkenliği 20 pikosiemens olan bir potasyum kanalı, zar −35 milivoltta ve potasyumun denge potansiyeli −95 milivoltken ne kadar akım taşır? Bu saniyede kaç iyon eder?
4. 500 kanallı bir hücrede Pₒ 0,4, tek kanal akımı 1,2 pikoamper. Toplam akım ve ortalama açık kanal sayısı nedir? Pₒ 0,02'den 0,6'ya çıkarsa akım kaç kat artar?
5. Üç kapı türünü açan uyaranları ayırt et. Kapı ile seçicilik filtresi aynı yer midir?

Bir sonraki derse köprü

Tek yönlü taşıyıcının akısı, Kolaylaştırılmış Difüzyon dersinde Michaelis–Menten biçimiyle doymuştu; kanalın akımı ise bu derste sürücü farkla orantılı büyüdü. Sıradaki soru Taşıyıcı Aracılı Taşınım dersinin: bağlanma yeri iki yüze hiçbir zaman birden açılmayan bir protein, dönüşümlü erişim (alternating access) döngüsüyle molekülü karşıya nasıl geçirir? Bu döngü akının doymasını ve kanalın milyonlarına karşı yüzlerle binlerde kalmasını nasıl açıklar?