İkincil Aktif Taşıma

Kolinli tüpte duran şeker

Cuma sabahı ayaz yerini ince bir sise bırakmış; bodrum penceresinden çimen görünmüyor. Selvi Hanım "İ + SGLT1" şişesini buzdolabından alıyor ve kapağındaki notu defterin arasına sıkıştırıyor. ATP kutusu rafta kalıyor. Keselerin içi potasyumlu bir tamponla dolu, zarlarına bağırsak kökenli sodyum-glukoz taşıyıcısı katılmış.

Arın üç tüpü hazırlıyor. Hepsinin dışında aynı derişimde işaretli glukoz var; farkları tampondaki tuzda. Birincide dışarısı sodyumlu, içerisi sodyumsuz: kesenin içindeki glukoz birkaç dakikada dış derişimi geçiyor ve tırmanmayı sürdürüyor. İkincide sodyumun yerini kolin almış: şeker kese içine göre yokuş aşağıda olduğu hâlde noktalar eksene yapışık kalıyor. Üçüncüde sodyum iki yanda eşit: glukoz dış derişime ulaşıp orada duruyor.

"İkinci tüpte şeker aşağı iniyor, kapı da orada," diyor Arın. "GLUT1 olsa girerdi. Bu neden kıpırdamıyor?" Selvi Hanım kalemi kolinli tüpün üstüne koyuyor. "Çünkü bu kapının anahtarı şeker değil."

Bu derste ne olacak

SGLT1'in döngüsünü bağlanma sırasıyla kurup eşleşmenin hangi adımda kilitlendiğini göreceğiz. Ardından eşleşme sayısının biriktirme tavanını ve ATP faturasını nasıl belirlediğini hesaplayacak, karşıt yönde çalışan bir değiştiriciye geçecek ve bu parçaları bir bağırsak hücresinin iki yüzüne yerleştireceğiz.

Mekanizma

Önce sodyum, sonra şeker

Aktif Taşıma dersi (L02-P07-M01-D06) ikincil aktif taşımayı tanımlamış, SGLT1'in her şekere iki sodyum eşleştirdiğini ve Crane'in 1960 hipotezini göstermişti. Taşıyıcı Aracılı Taşınım dersinde de dönüşümlü erişimi GLUT1 üzerinde kurmuştuk. Eksik kalan, iki sodyumun şekere hangi adımda bağlandığıydı.

Parent, Supplisson, Loo ve Wright 1992'de klonlanmış SGLT1'in akımlarını altı durumlu, sıralı bir modelle açıkladı. Gorraitz ve arkadaşlarının 2017'de PNAS'ta yayımladığı çalışma döngüyü şöyle anlatır: boş ve dışa açık taşıyıcıya önce iki sodyum oturur, şeker ancak sodyum yüklü biçime bağlanır. Aynı ekibe göre dıştaki sodyumun bağlanması şeker cebine giden geniş, sulu girişin kapısını açar. Alberts ve arkadaşlarının ders kitabı da sodyumla taşınan maddenin proteinde ayrı yerlere oturduğunu ve dıştaki sodyum azalınca girişin yavaşladığını yazar.

Kolinli tüpün cevabı buradadır. Sodyum yoksa şeker cebi kapalı kalır; şeker ne kadar yokuş aşağıda olursa olsun proteine tutunamaz. Han ve arkadaşlarının 2022 kriyo-elektron mikroskobu yapısı da iki sodyum yerinden birini şeker cebinin karşı yanına, zar geçen bir sarmalın kırıldığı noktaya yerleştirir. Sodyum şekerle aynı yeri paylaşmaz; o yerin biçimini hazırlar.

İçeride sıra tersine döner. Parent ekibinin modeli ayna simetrili kurulmuştu; Loo ekibinin 2006'daki ölçümlerine göre taşıma hızını sınırlayan adım sodyumun iç yüzden ağır ağır ayrılmasıdır. Şeker önce bırakılır, sodyum sonra.

Hangi biçimler dönebilir

Eşleşmeyi bağlanma sırası kadar dönüş izni de kurar. Marinelli ile arkadaşlarının 2016 çalışması kuralı açıkça yazar: eşyönlü bir taşıyıcı dışa açık ile içe açık biçim arasında yalnız bütün yükleri birlikte bağlıyken ya da tamamen boşken geçer. Hussey ile arkadaşlarının 2020 modeli de eşyönlü taşımada biçim değişiminin iki yerde, çift yüklü ve boş durumda olduğunu gösterir.

SGLT1'de iki izinli yol vardır. Sodyum ve şekerle yüklü taşıyıcı içe döner; yükünü bırakan boş taşıyıcı dışa geri döner. Gorraitz ekibi döngünün bu boş dönüşle kapandığını yazar; Parent ekibi ile Loo ekibi, yükü olmayan taşıyıcının yer değiştirmesini zar gerilimine duyarlı adımlar arasında sayar.

Yasak yollar kaçağı önler. Yalnız şekerle yüklü bir biçim hiç oluşmaz, çünkü şeker sodyumsuz bağlanamaz; bu yüzden glukoz kendi farkı yönünde de geri sızamaz. Yalnız sodyumla yüklü biçim ise dönüşü ancak seyrek yapar. Parent ekibinin modeli ve Loo ekibinin ölçümleri bu yolun izini küçük bir sodyum sızıntısı akımı olarak kaydeder.

Tavanı ne belirler

Aktif Taşıma dersinde iki sodyumun, yalnız derişim terimi hesaba katılınca, glukozu 14,5² ≈ 210 kat yığabildiğini bulmuş, elektriksel katkıyı sonraya bırakmıştık. Elektrokimyasal Gradyan dersinde (L02-P07-M03-D05) o terimi kurmuştuk: her artı yük zar geriliminin eksi yanına inerken ayrıca enerji bırakır.

Kurgu hücremizin zar gerilimi −70 milivolt olsun. 37 °C'de bir sodyumun derişim kazancı 6,90, elektriksel kazancı 96.485 × 0,070 ≈ 6,75 kJ/mol'dür; toplam 13,65 eder. Glukoz yüksüz olduğundan bedeli yalnız derişim terimidir. Döngü iki pozitif yükü içeri taşıdığı için gerilim tavanı e^(2 × 70 ÷ 26,7) ≈ 188 kat daha yükseltir: 210 × 188 ≈ 39.600.

Mantık eşleşme sayısında saklıdır. Her ek sodyum tavanı sodyum oranıyla ve gerilim çarpanıyla bir kez daha çarpar; tek sodyumlu bir taşıyıcının tavanı aynı koşullarda 14,5 × 13,7 ≈ 199'da kalır. Ödeme de aynı sayıyla büyür. Birincil Aktif Taşıma dersinde pompanın her ATP ile üç sodyumu dışarı attığını görmüştük; her şekerle giren iki sodyumu geri çıkarmak 2 ÷ 3 ≈ 0,67 ATP'ye, tek sodyumlu eşleşmede 1 ÷ 3 ≈ 0,33 ATP'ye mal olur. Dik bir fark daha pahalıdır.

Bir hücrede akı

Kurgu bir hücrenin tepe zarında bir milyon SGLT1 saniyede 50 döngü yapsın. Hücreye saniyede 10⁶ × 50 = 5 × 10⁷ glukoz, iki katı kadar da sodyum girer. Her döngü iki temel yük taşır; saniyede 10⁸ yük, temel yükün değeriyle çarpılınca 1,6 × 10⁻¹¹ amper, yani yaklaşık 16 pikoamper eder. Birincil Aktif Taşıma dersinde bir milyon pompanın taşıdığı akımla aynı büyüklük, ters yönde.

Giren 10⁸ sodyumu geri atmak için saniyede 10⁸ ÷ 3 ≈ 3,3 × 10⁷ pompa döngüsü, yani o kadar ATP gerekir. Pompa saniyede 100 döngü yapıyorsa hücrenin 3,3 × 10⁷ ÷ 100 ≈ 333.000 pompası yalnız bu şeker girişinin sodyumuna çalışır. İkincil taşıma faturayı ortadan kaldırmaz; bir sonraki yüze taşır.

Karşıt yönde: değiştirici

Karşıt yönlü taşımada kural tersine döner. Marinelli ekibi sodyum-kalsiyum değiştiricisi için yazar: protein biçim değiştirebilmek için ya üç sodyumla ya bir kalsiyumla yüklü olmalıdır, boşken dönmez. Arkeal bir değiştiricinin kristal yapılarında bağlanma yerleri üç sodyuma ya da tek bir kalsiyuma yetecek biçimde dizilir ve iki iyonun oturması birbirini dışlar. Giladi ile arkadaşlarının 2016 derlemesi üç sodyum ile bir kalsiyumun aynı anda bulunmasını termodinamik olarak yasak sayar.

Aktif Taşıma dersinde değiştiricinin üç sodyuma karşılık bir kalsiyum taşıdığını görmüştük. Blaustein ile Lederer'in 1999 derlemesi yönü sodyum ve kalsiyum farklarının, zar geriliminin ve stokiyometrinin birlikte belirlediğini yazar. Tur net bir artı yükü içeri taşır; kalsiyumun iki yükü dışarı çıkarken üç sodyumun yükü girer.

Aynı hesabı kuralım. Üç sodyum 3 × 13,65 ≈ 40,95 kJ bırakır. Kalsiyumu dışarı atmanın elektriksel bedeli 2 × 6,75 ≈ 13,5 kJ'dir; derişim farkına 40,95 − 13,5 ≈ 27,4 kJ kalır. Tavan yalnız derişim terimiyle 14,5³ ≈ 3.049, gerilimle ≈ 41.800 kattır. Zar bütünlüğünü ve kalsiyum sinyalini işlediğimiz derste sitozoldeki serbest kalsiyumun dışarıdakinin on binde birinin de altında tutulduğunu görmüştük; ATP'siz bir değiştiricinin sodyum farkına dayanarak bu mertebeye uzanabilmesi hesabın gösterdiğidir. Wikipedia'nın maddesi ve Giladi ekibi, hücre depolarize olursa yönün tersine dönebileceğini ekler.

İki yüzlü hücre

İnsan Hücresinin Görsel Haritası dersinde hücre kutupluluğunu tanımlamış, SGLT1'in boşluğa bakan yüzde durduğunu işaretlemiştik. Alberts, sodyumla eşleşen eşyönlü taşıyıcıların tepe (apikal) alanda besinleri içeri yığdığını, sodyumdan bağımsız taşıyıcıların ise taban-yan alanda onları farkı boyunca dışarı bıraktığını yazar. Wikipedia'nın enterosit maddesi ve Röder ile arkadaşlarının 2014 çalışması çıkış kapısını GLUT2 olarak adlandırır ve Na⁺/K⁺ pompasını taban-yan zara yerleştirir.

Tepede SGLT1 şekeri ve sodyumu birlikte alır. Tabanda pompa sodyumu kan tarafına atar, GLUT2 biriken şekeri kendi farkı yönünde bırakır. Tek Hücreden Çok Hücreli Organizmaya dersinde sıkı bağlantının iki yüzün proteinlerini ayrı tutan bir çit gibi çalıştığını görmüştük. Çit olmasa GLUT2 tepeye de karışır, SGLT1'in biriktirdiği şeker geldiği yüzden geri sızardı.

Modelin sınırı

• Sıralı model akımlara uydurulmuş bir kinetik şemadır. Wikipedia'nın SGLT1 maddesi sodyumla şekerin birlikte bağlandığını yazar; Loo ekibi şemayı sonradan sekiz duruma genişletti.
• Eşleşme mükemmel değildir. Hussey ekibi bazı taşıyıcılarda kayma yollarının belirli koşullarda baskın hâle gelebildiğini gösterir; SGLT1'deki sodyum sızıntısı da bunun küçük bir örneğidir.
• Tavan hesapları dengeyi varsayar. Sızıntı, taşıyıcının hızı ve taban-yan çıkış hücredeki şekeri tavanın çok altında tutar; −70 milivolt da kurgu bir girdidir.
• Taban-yan çıkışta kaynaklar birleşir, tepe yüzde ise tartışma sürer. Wikipedia'nın GLUT2 maddesi yoğun şeker yükünde GLUT2'nin tepe zara da taşındığı önerisini aktarır; Röder ekibi farelerde bunun kanıtını bulmadığını bildirir.

Bu ders neyi göstermiyor

Mekanizmanın tutarlılığı bir müdahaleyi desteklemiyor; kararı L01-P02 tasarımlarıyla üretilmiş kanıt destekler. Sıralı bağlanma bir kişinin şeker emilimini, bağırsak sağlığını ya da kalp ritmini açıklamaz. Bu ailenin böbrekteki akrabasını hedefleyen ilaçlar sayfanın konusu değildir. Tuzun, şekerin ya da herhangi bir ürünün taşımayı güçlendirdiğini söyleyen hiçbir iddia bu kinetik şemaya yaslanamaz.

Defterdeki iki çember

Öğleye doğru sis dağılıyor. Arın defterine iki çember çiziyor. Birincisinin dönüş oklarının yanına "2 Na⁺ + G" ve "boş" yazıyor, "yalnız Na⁺" okunun üstüne bir çarpı koyuyor. İkincisinde okların yanında "3 Na⁺" ve "Ca²⁺" var; "boş" yazan okun üstü bu kez çarpılı. "Birinde boş dönüyor, öbüründe boş dönemiyor," diyor. "Kilit aynı, anahtar farklı."

Selvi Hanım altına "0,67" ve "333.000" yazıyor. "ATP'yi bu tüplere hiç koymadık," diyor, "ama fatura yine kesildi." Buzdolabının kapağında yeni bir şişe var, "İ, damıtık su"; notu Selvi Hanım okuyor: "Pazartesi. Tuzla şeker yerinden oynayınca su ne yapacak?"

Kendini sına

1. 400.000 SGLT1 taşıyan kurgu bir hücrede her taşıyıcı saniyede 40 döngü yapıyor. Saniyede kaç glukoz ve kaç sodyum girer? Bu sodyumu pompa kaç ATP ile geri atar, taşıyıcıların akımı kaç pikoamperdir?
2. Sodyumun dış/iç oranı 10, zar gerilimi −70 milivolt olsun. İki sodyumlu ve tek sodyumlu bir eşyönlü taşıyıcının şeker tavanlarını hesapla. Fark hangi terimden gelir?
3. SGLT1'e şekersiz de dönebilen, sodyumla yüklü bir kısa yol eklense birikim tavanı ve ATP harcaması nasıl değişirdi?
4. Değiştirici −40 milivoltta çalışırsa kalsiyum tavanı kaç kat olur? Gerilim sıfıra yaklaşırken yön neden tersine dönebilir?
5. GLUT2 tepe yüze de yerleşseydi, boşluktaki şeker hücredekinden düşükken iki yüz arasındaki yolculuk nasıl değişirdi?

Bir sonraki derse köprü

Bu derste şeker ve sodyum tepe yüzden girip taban-yan yüzden çıktı, ama hiçbir hesapta su yoktu. Osmolarite ve Osmolalite dersinde van 't Hoff bağıntısından osmotik basıncın çözünmüş tanecik sayısıyla orantılı olduğunu bulmuştuk. Sıradaki durak Ozmoz ve Tonisite: taşıyıcıların bir yüzden öbürüne aktardığı tuz ve şeker iki yan arasında bir osmotik basınç farkı açtığında su bu farkı nasıl izler, bir hücre izotonik bir çözeltide neden hacmini korur, ve tonisite neden yalnız zarı geçemeyen tanecikleri sayar?