Birincil Aktif Taşıma

Yokuşun ilk saniyeleri

Çarşamba sabahı kırağı erken çözülmüş, güneş bodrum penceresinden ıslak çimene vuruyor. Selvi Hanım arka raftaki "İ + Na⁺/K⁺" şişesini ve ATP kutusunu tezgâha indiriyor. Lipitler yine "İ" harmanı; bu kez zarlara saflaştırılmış sodyum-potasyum pompası katılmış. Kesenin içi potasyumlu, dıştaki tamponda işaretli sodyum var.

Arın üç tüpü sırayla ölçüyor. ATP'siz tüpte kese içindeki işaretli sodyum ağır ağır artıp dış derişimin altında kalıyor; ATP eklenen tüpte içerisi birkaç dakikada dışarıyı geçiyor. ATP'nin yanına bir engelleyici konan üçüncü tüp ATP'sizden ayırt edilemiyor. "Sodyumu içeri mi pompalıyor?" diyor Arın. "Hücrede dışarı atması gerekmiyor muydu?"

"Pompa içerisi neresi bilmez," diyor Selvi Hanım. "ATP'yi hangi yüzünden aldığını bilir." Pompaların bir kısmı keseye sitozol yüzü dışa bakarak yerleşmiş; dıştaki ATP'ye yalnız onlar erişiyor ve sodyumu hücre dışı rolündeki kese içine taşıyorlar. Öğleye doğru gelen jelde, fosfatı işaretli ATP ile yalnız sodyumlu tüpteki pompada bir bant beliriyor; potasyum eklenince bant birkaç saniyede sönüyor.

Bu derste ne olacak

Pompanın döngüsünü adım adım kurup ATP'nin fosfatının nereye oturduğunu göreceğiz. Sonra döngünün süresini kanal ve taşıyıcıyla karşılaştıracak, pompa akımını hesaplayacak ve öbür pompa ailelerini ayıracağız.

Mekanizma

Yengeç sinirinden bir aileye

Aktif Taşıma dersinde (L02-P07-M01-D06) Skou'nun 1957'de kıyı yengecinin sinirlerinde bulduğu enzimi, üç sodyuma karşılık iki potasyum taşıyan oranı ve 1997 Nobel Kimya Ödülü'nün paylaşımını görmüştük. Nobel Vakfı'nın basın bildirisi bir ayrıntı ekler: enzim fosforlanırken sodyuma, fosfatını yitirirken potasyuma bağımlıdır. Açılıştaki jelin gösterdiği budur.

Bildiriye göre bu enzimler tepkime sırasında fosforlandıkları için P tipi ATPazlar diye anılır; Alberts'in hücre biyolojisi kitabı da kendini fosforlayan iyon pompalarını böyle sınıflar. Wikipedia'nın P tipi ATPaz maddesi harfin kaynağını kesinleştirir: pompa ATP'nin uç fosfatını kendi içindeki korunmuş bir aspartata aktarır.

Döngü, adım adım

Taşıyıcı Aracılı Taşınım dersinde dönüşümlü erişimi ve iki yanı da kapalı hapsedilmiş durumu GLUT1 üzerinde kurmuştuk. Orada döngüyü derişim farkı yürütüyordu; pompada her tur bir ATP'ye mal olur. Wikipedia'nın maddesi Na⁺/K⁺ pompası üzerindeki ilk çalışmalardan kalan bir adlandırmayı aktarır: sodyumu tutan biçime E1, potasyumu tutana E2 denir ve döngünün adı Post–Albers şemasıdır. Hussein ile arkadaşlarının bakteriyel bir potasyum pompasının yapısını inceleyen çalışması da aynı adı ve aynı iki biçimi kullanır.

Clausen, Hilbers ve Poulsen'in 2017 derlemesi döngüyü şöyle anlatır. E1 biçimindeki pompada iç kapı açıktır; üç sodyum zarın ortasındaki yerlere oturur ve oradaki aspartat ile glutamat yan zincirlerinin eksi yükleri iyonların artı yükünü karşılar. İyonlar yerleşince iç kapı kapanır, sodyum proteinin içinde hapsolur ve sitozol yanındaki P alanı ATP'den fosfatı alır: pompa artık E1P'dir.

E1P'den E2P'ye geçiş ADP'nin ayrılmasıyla birlikte yürür. Dış kapı açılır; fosforlu biçimin sodyuma ilgisi düşük olduğu için üç iyon hücre dışına bırakılır. Boşalan yerlere dışarıdan iki potasyum oturur, dış kapı kapanır ve bu kez potasyum hapsolur; aspartattaki fosfat da kopar. ATP'nin yeniden bağlanması pompayı E1'e döndürür, iç kapı açılır ve potasyum sitozole geçer. Wikipedia'nın maddesi aynı sırayı verir.

Enerjinin girdiği yer böylece belli olur. ATP'nin fosfatı sodyum hapsedildiği anda proteine bağlanır; fosforlu biçim iyon yerlerini dışa çevirir ve sodyuma ilgisini düşürür. Artigas ile Gadsby aynı eşleşmeyi taşımanın yönünü güvenceye alan kural olarak yazar: sodyumun hapsi fosforlanmaya, potasyumun hapsi fosfatın kopmasına bağlıdır. Clausen ekibine göre sitozol yanındaki N alanı fosfatı veren kinaz, P alanı fosforlanan hedef, A alanı fosfatı koparan fosfataz gibi davranır.

İki kapı hiçbir an birlikte açılmaz

Gadsby 2009 derlemesinde kanalla pompanın farkını kapılarla kurar. Pompa da iyona seçici bir yoldur, ama yola iki kapıdan girilir ve kapılar hiçbir an birlikte açık kalmaz; iyonlar iki kapı da kapanınca hapsolur, ikinci kapı ancak sonra açılır. Hapsedilmiş durum burada bir güvenlik kilidine dönüşür: iki kapı bir an birlikte açılsa iyonlar, pompanın yukarı taşıyabildiğinden kat kat hızlı biçimde aşağı akardı.

Gadsby'ye ve Artigas ile Gadsby'nin ölçümlerine göre mercan kökenli bir deniz toksini pompanın dış yüzüne bağlanıp kapıların eşgüdümünü bozar ve pompayı seçici olmayan bir katyon kanalına çevirir; Clausen ekibi de toksinin iki kapıyı birlikte açtırdığını yazar. Kapılar yine çalışır: sitozol yanına ATP eklenince kanal daha sık açılır, dıştaki sodyumun yerine potasyum konunca kapanır. Bozulan, yalnız sıralarıdır.

Saniyede yüz döngü

Artigas ile Gadsby açık bir kanaldan saniyede 10⁸'e varan iyon geçtiğini, çalışan bir pompanın ise saniyede 10² dolayında iyon taşıdığını yazar. Gadsby'nin derlemesine göre pompanın hızını kapı tepkimeleri sınırlar ve bu tepkimeler saniyede yüz kez dolayında döner. Kaynaklar yalnız mertebe verir; kurgu pompamız saniyede 100 döngü yapsın.

Bir döngü 1 ÷ 100 = 10 milisaniyedir. Kanal Aracılı Taşınım dersindeki kurgu kanal saniyede 9,4 milyon iyon geçiriyordu; pompanın tek turu süresince oradan 0,01 × 9,4 × 10⁶ = 94.000 iyon geçer. Taşıyıcı Aracılı Taşınım dersindeki GLUT1 saniyede 1.200 devirle bu sürede 1.200 ÷ 100 = 12 tur atar. Pompa farkı izleyen taşıyıcıdan bile yavaştır; her turda iyonları iki kez hapseder, fosfat bağını kurup çözer.

Dinlenim Zar Potansiyeli dersinde (L02-P07-M03-D08) pompanın döngü başına bir net artı yük taşıdığını ve buna elektrojenik taşıma dendiğini görmüştük. Tek pompanın akımı 1 × 100 × 1,602 × 10⁻¹⁹ ≈ 1,6 × 10⁻¹⁷ amperdir; Gadsby tek pompanın akımının ölçülemeyecek kadar küçük kaldığını yazar. Kurgu bir hücrede bir milyon pompa 10⁶ × 100 × 1,602 × 10⁻¹⁹ ≈ 16 pikoamper eder; Gadsby'ye göre milyonlarca pompanın toplam akımı pikoamper düzeyinde ölçülebilir. Kanal dersindeki 1,5 pikoamperlik kurgu kanalla karşılaştırınca bir milyon pompa, 16 ÷ 1,5 ≈ 11 açık kanalın akımını taşır.

Bütçedeki yer

Aktif Taşıma dersinde ATP'nin 57 kilojoule'ünden 37,9'unun derişim farklarına gittiğini, 19 kadarının turu ileri iten pay olarak kaldığını bulmuştuk; bu pay ATP enerjisinin 19 ÷ 57 ≈ 0,33'üdür. O derste Rolfe ile Brown'ın bütçesini de görmüştük. Nobel Vakfı'nın bildirisi dinlenimde oluşan ATP'nin üçte birini pompanın kullandığını yazar; Alberts tipik bir hayvan hücresi için aynı oranı verir.

Beyinde pay yükselir. Alberts sinir hücrelerinde oranın üçte ikiye yaklaştığını söyler; Clausen ekibi Attwell ile Laughlin'in gri madde hesabına dayanarak enerjinin ancak dörtte birinin temel bakıma gittiğini, kalanını pompanın tükettiğini aktarır. Sayılar ayrışır, yön ortaktır.

Aynı enerji, başka pompalar

Alberts P tipi aileye kalsiyum pompalarını ve mide asidini salgılayan H⁺/K⁺ pompasını da koyar; Nobel bildirisi de kasın kalsiyum pompasını benzer yapıdaki pompalar arasında sayar. Kasın sarkoplazmik retikulumundaki pompa, kısa adıyla SERCA, Wikipedia'nın maddesine göre kalsiyumu sitozolden retikulumun içine geri alır; Alberts ve Gadsby onun iki kalsiyumu bağlayıp hapsettiğini yazar. Plazma zarındaki kalsiyum pompası ise Alberts'e göre sinyalden sonra kalsiyumu hücre dışına atar. Zar Bütünlüğü ve Hücresel Sinyal dersinde sitozol kalsiyumunun hücre dışından on binlerce kat düşük tutulduğunu, bir sinyalin bu farkı kısa bir an aralayıp kapattığını görmüştük; kapanışta bu pompaların döngüsü pay sahibidir.

Zar Asimetrisi dersinde tanımladığımız flippazlar aynı ailenin P4 koludur. Wikipedia'nın maddesi flippazları iyon yerine fosfolipit taşıyan alt aile olarak anar ve bütün P tipi pompaların aspartil-fosfat ara ürünü kurduğunu yazar. O derste döngüyü sonraya bırakmıştık: flippaz da fosfatı aspartatına bağlar, yalnız yükü bir lipit başıdır.

Alberts yapıca çok farklı, türbine benzeyen iki aile daha sayar. F tipi ATPaz, yani ATP sentaz, mitokondri iç zarında çoğunlukla ters yönde çalışır: proton farkı ATP'yi yapar. Skou'nun paylaştığı Nobel'in öbür yarısı Boyer ile Walker'a bu enzimin mekanizması için verilmişti. Alberts ve Wikipedia'nın ATP sentaz maddesi, fark bir eşiğin altına düşünce enzimin ATP'yi yıkıp proton pompalayabildiğini yazar. V tipi ATPazlar F tipine akrabadır ama olağan işleri pompalamaktır; Alberts ve Wikipedia onları lizozomun, endozomların ve salgı keseciklerinin içini asitleştiren pompalar olarak anar. Hücresel Bölmelendirme dersinde bulduğumuz yüzlerce katlık lizozom asitliğini bu pompalar kurar.

Alberts ABC taşıyıcılarını zar taşıma proteinlerinin en büyük ailesi sayar; adlarını iki korunmuş ATP bağlama kasetinden alırlar. Wikipedia'nın maddesi en az iki zar alanından ve sitozoldeki iki nükleotit bağlama alanından kurulduklarını yazar. Zar Asimetrisi dersindeki floppazların çoğu bu ailedendi.

Modelin sınırı

• İki biçimli şema bir sadeleştirmedir: Wikipedia'nın maddesi ana biçimlerin arasına başka ara biçimlerin girdiğini yazar; Clausen ekibi sodyumun bırakılmasında sitozolden gelen bir protonun rol oynayabileceğini öneri olarak aktarır.
• Hesaplar her turda tam üç sodyum ve iki potasyum, sabit 100 döngü varsayar. Clausen ekibi farklı dokulardaki pompa çeşitlerinin kinetik özelliklerinin ayrıştığını yazar.
• Kristal yapılar tek bir biçimi dondurulmuş hâlde gösterir; biçimler arasındaki hareketi kinetik veriler ve bilgisayar benzetimleri tamamlar.
• Keselerde pompalar iki yöne dizilir ve yalnız ATP'nin eriştiği kısmı çalışır. Kesedeki hız, hücre zarındaki hızla bire bir karşılaştırılamaz.

Bu ders neyi göstermiyor

Mekanizmanın tutarlılığı bir müdahaleyi desteklemiyor; kararı L01-P02 tasarımlarıyla üretilmiş kanıt destekler. Döngü bir kişinin kalbini, kan potasyumunu ya da yorgunluğunu açıklamaz. Hücresel enerjiyi artırdığı, ATP üretimini desteklediği ya da pompaları beslediği söylenen hiçbir ürün, besin veya takviye bu döngüden destek alamaz; engelleyicilerin tıbbi kullanımına da burada girilmez.

Jelde sönen bant

İkindiye doğru Arın jelin fotoğrafının yanına bir çember çiziyor. Üst yarıya "3 Na⁺ içeride → P", alt yarıya "2 K⁺ dışarıda → P kopar" yazıyor ve iki yarının arasına iki küçük kilit resmediyor. "Pompa iyonu itmiyor," diyor. "Sırayı kilitliyor."

Selvi Hanım iki kilidin arasına "10 ms", altına "10 ns" ve "0,83 ms" yazıyor. "Hepsi aynı zardan geçiriyor," diyor, "ama yokuşu yalnız biri kendi cebinden ödüyor." Arın şişeyi buzdolabına koyarken yanında yeni bir şişe görüyor, "İ + SGLT1"; kapağındaki not kısa: "Cuma. ATP yok, yine yokuş yukarı."

Kendini sına

1. Kurgu bir hücrede 500.000 pompa saniyede 80 döngü yapıyor. Pompaların toplam net akımı kaç pikoamperdir?
2. Pompa saniyede 50 döngüye yavaşlarsa bir döngü süresince kurgu kanaldan kaç iyon geçer, GLUT1 kaç tur atar?
3. ATP'nin fosfatı sodyum hapsedilmeden de aspartata bağlanabilseydi, taşımanın yönü ve ATP harcaması bakımından ne değişirdi?
4. Deniz toksiniyle kanala dönmüş bir pompada sodyum hangi yöne akar? Hapsedilmiş durumu kullanarak açıkla.
5. P, V ve F tipi pompaları ve ABC taşıyıcılarını birer örnek işle karşılaştır. Hangisi olağan koşulda ATP üretir?

Bir sonraki derse köprü

Pompa her turda üç sodyumu dışarıda biriktirdi ve bunun bedelini ATP'yle ödedi. Aktif Taşıma dersinde bu farkın bağırsaktaki SGLT1'e her glukoz için iki sodyumla yokuş yukarı taşıma yaptırdığını hesaplamıştık. Soruyu İkincil Aktif Taşıma dersine bırakıyoruz: ATP'ye hiç dokunmayan eşyönlü bir taşıyıcı (symport), sodyumun inişini glukozun çıkışına dönüşümlü erişim döngüsünün hangi adımında bağlar ki şeker sodyum olmadan karşı yüze geçemesin?