Aktin Filamentleri

Karanlık odada yeşil çizgiler

Ekimin ikinci pazartesisi, Yozgat'ta bozkırdan esen rüzgâr fakültenin arka bahçesindeki kavakları yatırıyor. Moleküler biyoloji bölümünün perdeli küçük odasında yalnız floresan mikroskobunun ışığı yanıyor. Behice Hanım lamelleri cuma akşamı hazırlamış: kültürde üretilmiş fibroblastlar sabitlenmiş, zarları delinmiş, yeşil ışıyan bir boyayla işaretlenmiş. Üçüncü sınıftaki Toygar bitirme projesi için bu hafta laboratuvarda.

Okülerde her hücre başka bir biçim almış. Hücrenin boyunca uzanan kalın, düz yeşil çizgiler var; zarın hemen altında ince, sürekli bir parlak kenar; bir yanda yelpaze gibi açılmış, içi yoğun ve bulanık bir saçak; saçağın ucundan dışarı fışkıran tek tük ince dikenler. "Hepsi aynı boyayla mı?" diye soruyor Toygar. "Aynı boya, aynı protein," diyor Behice Hanım. "Ama boya proteini değil, proteinin kurduğu ipliği tanıyor. Suda tek tek yüzen birimler bu görüntüde hiç yok."

Bu derste ne olacak

Bir mikrometrelik iplikte kaç birim bulunduğunu hesaplayacak, ipliğin neden bir ucundan hızlı uzadığını ve serbest birim derişiminin büyümeyi nasıl belirlediğini göreceğiz. Sonra Toygar'ın okülerdeki biçimlerini kuran proteinleri adlandıracağız.

Metin

Küre ile iplik

Hücrenin görsel haritasını çizdiğimiz gün hücre iskeletini üç tür iplikten kurulu bir ağ olarak tanımlamıştık; aktin ipliği orada 6–7 nanometrelik, en ince çizgiydi. Bugün o ipliğin içine bakıyoruz.

Wikipedia'nın aktin maddesi tavşan kasından elde edilen birimin kristalini yaklaşık 6,7 × 4,0 × 3,7 nanometre ve kütlesini 41.785 dalton verir. Milo ile Phillips'in açık erişimli kitabı birimi kabaca 5 nanometre ve 40 kilodalton dolayında yuvarlar.

Birim ipliğe katıldığında boyu ne kadar artar? Pollard'ın 2016 derlemesi iki sarmal dizinin birbirine göre bir birimin yarısı kadar, 2,7 nanometre kaydığını yazar; iplik her yeni birimle bu kadar uzar. Milo ile Phillips aynı adımı yaklaşık 3 nanometre alır. Bir mikrometrelik iplikte 1.000 ÷ 2,7 ≈ 370 birim bulunur; 3 nanometrelik yuvarlak adımla hesap 1.000 ÷ 3 ≈ 330 verir. Bu ders bundan sonra 370'i kullanacak.

Yarıktaki nükleotit de iş görür. Aktin maddesi birimin ATP ya da ADP bağlamadan kararlı kalamadığını yazar. Serbest birim çoğunlukla ATP taşır; ipliğe katılınca ATP saniyeler içinde yıkılır, ayrılan fosfat ise iplikte çok daha uzun kalır; Pollard da aktin maddesi de bu sırayı aynı biçimde anlatır. İpliğin yeni eklenmiş kesimi ATP'li, yaşlı kesimi ADP'lidir. Birincil aktif taşımada ATP'nin yıkılması bir pompanın biçimini değiştiriyordu; burada kesimin ne kadar kolay söküleceğini değiştirir.

İki uç

Birimler hep aynı yöne dönük eklendiği için ipliğin iki ucu birbirine benzemez. Pollard'a göre bu kutupluluk ilk kez, iplik miyozin başlarıyla kaplanıp elektron mikroskobunda incelendiğinde görüldü: başlar ipliğin üstünde ok uçları gibi dizilir.

Pollard'ın derlemesi artı uçta ATP'li birimin bağlanma hız sabitini mikromolar başına saniyede yaklaşık 10, ayrılma hız sabitini saniyede yaklaşık 1 verir. Kuhn ile Pollard'ın 2005 ölçümü aynı iki sayıyı 7,4 ve 0,89 bulur. Eksi uçta iki hız da çok daha düşüktür. Wikipedia'nın mikrofilament maddesi artı ucun eksi uçtan kabaca on kat hızlı uzadığını yazar.

Artı uca saniyede eklenen net birim sayısı, bağlanma hız sabiti ile serbest birim derişiminin çarpımından ayrılma hız sabiti çıkarılarak bulunur. Tüpte kurgu olarak 1 mikromolar serbest ATP'li aktin olsun. Pollard'ın sayılarıyla 10 × 1 − 1 = 9 birim/saniye, yani 9 × 2,7 ≈ 24 nanometre/saniye eder; dakikada yaklaşık 1,5 mikrometre. Kuhn ile Pollard'ın sayılarıyla 7,4 × 1 − 0,89 ≈ 6,5 birim/saniye, dakikada yaklaşık 1,1 mikrometre. Bir mikrometrelik ipliğin 370 birimi bu hızla 370 ÷ 9 ≈ 41 saniyede eklenir.

Büyümenin eşiği

Aynı hesabı net sıfır için kuralım. Eklenen ile ayrılan birim sayısının dengelendiği derişim 1 ÷ 10 = 0,1 mikromolardır; Kuhn ile Pollard'ın sayılarıyla 0,89 ÷ 7,4 ≈ 0,12.

Bonder, Fishkind ve Mooseker 1983'te iki ucun eşiğini doğrudan ölçtü: artı uçta 0,1, eksi uçta 0,5 mikromolar. Mullins ile arkadaşlarının 1998 çalışması eksi uç için 0,6 mikromolardan söz eder; Kuhn ile Pollard'ın eksi uç sabitlerinin oranı ise 0,34 verir. Sayılar tutmuyor, sıralama ise hiçbirinde değişmiyor: eksi ucun eşiği artı ucunkinin birkaç katıdır.

Behice Hanım tezgâhtaki bilgisayarda Toygar'a bir eğri açıyor: arıtılmış aktin tuzlu tampona konup floresanlı bir işaretle izlenmiş. Eğri önce düz gidiyor, sonra tırmanıp bir düzlüğe oturuyor. Pollard'ın derlemesi baştaki gecikmeyi iki ya da üç birimin kararlı bir tohum kurmasının güçlüğüne bağlar; tohum oluşunca uzama hızlanır. Düzlükte serbest birim sıfıra inmez, genel kritik derişimde durur.

Koşu bandı

Serbest birim derişimi iki eşiğin arasına düştüğünde, diyelim 0,3 mikromolarda, artı uç için eşiğin üstünde, eksi uç için altındadır. Artı uçta 10 × 0,3 − 1 = 2 birim/saniyelik bir fazla kalır, eksi uç ise birim kaybeder. İki akım eşitlendiğinde ipliğin boyu değişmez, ama birimler içinden akar.

Bonder ekibi bunu Limulus sperminden çıkarılan demetlerle gördü: fizyolojik tuz koşullarında iplikler yalnız artı uçlarından uzadı, eksi uçtan büyüyen iplikler denge kurulurken yavaş yavaş kayboldu. Pollard koşu bandının arıtılmış aktinde saniyede bir birimin altında kaldığını, hücredeki hızlı yenilenmeyi açıklamaya yetmediğini yazar; hızı hücrede başka proteinler belirler.

Birkaç yardımcı

Pollard'ın derlemesi aktine bağlanan onlarca protein ailesi sayar; bu derste dördüne bakıyoruz. Profilin küçük bir proteindir. Pollard'a da profilin maddesine de göre serbest birime bağlanır, üzerindeki ADP'nin ATP ile değişmesini hızlandırır ve birimi yeniden kullanılır kılar. Pollard, profilinli birimin eksi uca eklenemediğini ama artı uca eklenebildiğini ekler; aktin maddesi de profilinli birimin yalnız artı uca katıldığını yazar.

Pollard'a ve kofilin maddesine göre kofilin ipliğin ADP'li kesimlerine bağlanıp ipliği keser. Kesme yeni uçlar açar, yaşlı kesimin birimleri profiline döner. Kofilin maddesi eksi uçtan sökmeyi de hızlandırdığını yazar; Pollard ölçümlerin bunu desteklemediğini söyler.

Arp2/3 kompleksi var olan bir ipliğin yan yüzüne oturur ve oradan yeni bir ipliği başlatır. Pollard'a göre kompleks yeni ipliğin eksi ucunu tutar, artı uç serbestçe uzar. Mullins ekibi elektron mikroskobunda dal ile ana iplik arasındaki açıyı 70 ± 7 derece ölçtü; Arp2/3 maddesi de 70 dereceden söz eder.

Forminler ise dallanmamış iplik yapar. Pollard'a ve formin maddesine göre bu proteinler artı uca oturur ve iplik uzadıkça uçla birlikte ilerler; formin maddesi proteinin başka bir bölgesinin profilini bağladığını yazar. Pollard forminlerin uzun, düz iplikleri kurduğu yerler arasında stres liflerini ve ince dikenleri sayar.

Okülerdeki dört biçim

İnce parlak kenar hücre korteksidir. OpenStax'in Biology kitabı aktin ipliklerinin hücrenin iç kenarında korteksi kalınlaştırıp lastik bant gibi gerilmeye direndiğini yazar; aktin maddesi de zarın altındaki bu ağı anar. Zarın yapı atlasında iç yüzün altına dizdiğimiz aktin dairelerinin ağ hâlidir bu.

Hücreyi boydan boya geçen kalın çizgiler stres lifleridir; stres lifi maddesi onları miyozin ve çapraz bağlayıcılarla kurulu, zıt yönlü ipliklerden bir demet olarak tarif eder. Yelpaze biçimli saçak lamellipodyum, ucundaki dikenler filopodyumdur. Aktin maddesi lamellipodyumu dallanmış bir ağ, filopodyumu paralel bir demet olarak anlatır; lamellipodyum maddesi ağın düğümlerinde Arp2/3 bulur, filopodyum maddesi demeti bir arada tutan proteinleri sayar. Bu iki çıkıntının hücreyi nasıl yürüttüğünü Hücre Göçü dersi açacak.

Lamelde olmayan bir demet daha var: görsel haritada mikrovillusların omurgası olarak çizdiğimiz demet. Mikrovillus maddesi bir demette 20–30, Crawley ile arkadaşlarının 2014 derlemesi 30–40 iplik verir; iki kaynak demeti bir arada tutan proteinler olarak villini ve fimbrini anar. Kurgu olarak 1 mikrometre boyunda bir mikrovillus alalım: bir iplik 370 birim, 20 iplik 7.400, 40 iplik 14.800 birim taşır. Crawley'e göre ipliklerin artı uçları mikrovillusun tepesindeki zara bakar; aktin maddesi de hücredeki ipliklerin çoğunda artı ucun zara döndüğünü yazar.

Endositozu işlediğimiz gün fagositoz fincanını aktin iskeletinin ittiğini görmüştük. Artı uçta eklenen her birim zarı bir adım ileri iter; bunun için motor gerekmez. Aktin ile miyozinin birlikte ürettiği kuvvet ise Moleküler Motorlar dersinin konusu olacak.

Pollard'ın derlemesi aktinin birçok hücrenin en bol proteini olduğunu ve toplam proteinin çoğu kez yüzde on ya da daha fazlasını tuttuğunu yazar. Aktin maddesi çoğu hücrede yüzde 1–5, kas hücrelerinde yüzde 10 verir. İki kaynak ayrışıyor; savunulabilecek olan, hücre tipine göre yüzde birkaçtan yüzde on ve üstüne uzanan bir paydır.

Boyanın okuduğu

Behice Hanım'ın boyası faloidindir. Faloidin maddesine göre bu küçük halkalı peptit iplikteki aktine sıkıca bağlanır, serbest birime bağlanmaz ve ipliğin sökülmesini önler; floresanlı türevleri iplikleri mikroskopta göstermek için yaygın kullanılır. Aktin maddesi faloidinin ipliğin komşu birimleri arasına oturduğunu ve Amanita phalloides mantarından geldiğini yazar. Aynı mantar ağır zehirlenmelerin kaynağıdır; ders bu yönle ilgilenmiyor. Faloidin maddesi boyanın hücre zarından kolayca geçmediğini de belirtir; lamellerin önce sabitlenip sonra delinmesi bundandır. Görüntü bu yüzden hem eksik hem donmuştur: serbest birimler resme girmez, kofilinin kestiği ve profilinin dağıttığı birimlerin hareketi de görünmez.

Lamel kutusuna dönerken

Toygar defterine bir çubuk çiziyor, bir ucuna "+, 0,1", öbür ucuna "−, 0,3–0,6" yazıyor, altına "1 µm ≈ 370" ekliyor. Sonra yelpazeye bakıyor. "Saçağın içindeki her iplik böyle dallı bir ağaç, dikenlerin içindeki ise düz bir demet," diyor. "Aynı birimden, sadece başka bir yardımcıyla."

Behice Hanım lamel kutusunu kapatıp yanına ikinci bir kutu koyuyor. "Aktin bu hücrelerdeki çubukların yalnız biri," diyor. "Çarşamba aynı hücrelerin çekirdek yanından çıkan kalın ışınları boyayacağız."

Kendini sına

1. Monomer başına ilerlemeyi 2,75 nanometre alırsan 5 mikrometrelik bir iplikte kaç birim bulunur?
2. Serbest ATP'li aktin 0,5 mikromolar olsaydı artı uç saniyede kaç birim kazanırdı? Pollard'ın sabitleriyle hesapla ve dakikadaki uzamayı nanometreyle ver.
3. Serbest birim 0,05 mikromolara düşerse artı uçta ne olur? Eksi uçta ne olur?
4. Profilin serbest birimin eksi uca eklenmesine izin vermez, artı uca eklenmesine izin verir. Bu, hücredeki serbest birim havuzunun hangi uçları beslediği hakkında ne söyler?
5. Faloidinle boyanmış bir hücrede parlaklık azsa bu, hücrede aktinin az olduğunu mu gösterir? Gerekçeni yaz.
6. 30 iplikli, 2 mikrometrelik kurgu bir mikrovillusta kaç aktin birimi bulunur?

Bir sonraki derse köprü

Behice Hanım'ın çarşamba boyayacağı ışınlar aktinden kalın ve içi boş borulardır. Mikrotübüller dersi soracak: tübülin birimleri nasıl bir boruya dizilir, sentrozomdan başlayan borular neden bir anda hızla sökülüp yeniden kurulabilir, ve bu dinamik kararsızlık bugün gördüğümüz koşu bandından nasıl ayrılır?