Mikrotübüller

Çarşamba, kırmızı ışınlar

Çarşamba öğleden sonra rüzgâr dinmiş, kavakların yaprakları bahçede yığılı. Perdeli odada Behice Hanım pazartesinin fibroblastlarından ikinci lameli mikroskoba yerleştiriyor. Bu kez boya tübüline bağlanan bir antikorun ucunda ve kırmızı ışıyor. Toygar okülere eğiliyor: her hücrede çekirdeğin bir yanında parlak bir nokta, noktadan dört bir yana kavisli, ince çizgiler. Çizgiler hücrenin kenarına kadar gidiyor, kimi orada kıvrılıyor.

"Pazartesiki aktine hiç benzemiyor," diyor Toygar. "Onlar kenarda toplanıyordu, bunlar ortadan dağılıyor." Behice Hanım ekrana ikinci bir kayıt açıyor: canlı bir hücre, büyüyen uçlara tutunan ışıklı bir proteinle işaretlenmiş. Merkezden çevreye doğru küçük kuyruklu parıltılar kayıyor, birkaç saniye sonra her biri kayboluyor, yerine yenisi çıkıyor.

Bu derste ne olacak

Borunun bir mikrometresine kaç tuğla sığdığını sayacak, tuğlanın taşıdığı iki GTP'den yalnız birinin neden yıkıldığını ve bunun bir boruyu nasıl bir anda çökertebildiğini göreceğiz. Sonra ışınların başladığı noktaya bakacağız.

Metin

Borunun tuğlası

Hücrenin görsel haritasında mikrotübülleri 23–27 nanometrelik, iskeletin en kalın ipliği olarak çizmiş, çekirdeğin bitişiğindeki bir noktadan dışa saçılan ışınlar olarak yerleştirmiştik. Bugün o ipliğin yapısına iniyoruz.

Wikipedia'nın tübülin maddesinde iki alt birimin her biri yaklaşık 50 kilodaltondur; Milo ile Phillips'in kitabı da her birini kabaca 50 kilodalton alır. Çift yaklaşık 100 kilodaltondur; geçen dersin aktin birimi 42 kilodaltondu.

Goodson ile Jonasson'un 2018 derlemesi mikrotübülü yaklaşık 13 protofilamentin yan yana kapanıp içi boş bir tüp oluşturması diye tarif eder; Wikipedia'nın mikrotübül maddesi 13'ü en yaygın biçim sayar, başka sayılı borular da görüldüğünü ekler. Milo ile Phillips protofilament boyunca tekrar adımını 8 nanometre verir. Bir protofilamentte bir mikrometreye 1.000 ÷ 8 = 125 çift düşer; 13 protofilamentle 13 × 125 = 1.625. Tran, Walker ve Salmon 1997'de mikroskoplarının çözünürlük sınırını "yaklaşık 350 nanometre, yani 560 dimer" diye yazar; bu da 560 ÷ 0,35 = 1.600 eder.

Aktin ipliğinde bir mikrometreye 370 birim düşüyordu. Mikrotübülde birim sayısı 1.625 ÷ 370 ≈ 4,4 kat, kütle ise 1.625 × 100 ≈ 162.500 kilodaltona karşı 370 × 42 ≈ 15.500 kilodalton, yani yaklaşık on kat fazladır.

İçi boş boru bükülmeye de çok daha dayanıklıdır. Goodson ile Jonasson mikrotübülün kalıcılık uzunluğunu (persistence length, ipliğin kendi ısıl titreşimiyle yönünü kaybetmeden uzanabildiği mesafe) yaklaşık 5.000, aktininkini 20 mikrometre verir; Milo ile Phillips mikrotübül için 1–10 milimetre, aktin için 10 mikrometre yazar. Oran kaynağa göre 100 ile 1.000 arasında değişir, hep yüzlerce kat mertebesindedir. OpenStax'in Biology kitabı mikrotübüllerin hücrenin sıkıştırılmaya direnmesine yardım ettiğini yazar.

Tuğlaların yönü iki ucu ayırır. Wikipedia'nın mikrotübül ve tübülin maddelerine, Goodson ile Jonasson'a göre her çiftin β yarısı bir sonraki çiftin α yarısına dokunur; bir uçta yalnız β, öbür uçta yalnız α açıkta kalır. β'nın açıkta olduğu uç hızlı büyüyen artı uçtur. Aktinde artı ile eksi ucu miyozin başlarının ok biçimi adlandırıyordu; burada adı çiftin hangi yarısının dışarıda kaldığı verir.

İki GTP, biri kilitli

Her çift iki GTP taşır. Goodson ile Jonasson'a ve tübülin maddesine göre α'nın GTP'si yerinde kilitli kalır, ne yıkılır ne değiştirilir. β'nınki değiştirilebilir: çözeltide yeniden GTP ile yüklenir, boruya katıldıktan kısa süre sonra GDP'ye yıkılır. Brouhard'ın 2015 derlemesi yıkımın neden katılmadan sonra geldiğini açıklar: β'nın GTP cebini, üstüne oturan bir sonraki çiftin α yarısı tamamlar.

Veziküler trafik dersinde Rab proteinlerinin GTP'li hâlde etkin, GDP'li hâlde edilgin olduğunu görmüştük. Tübülinde de aynı nükleotit iki hâl kurar, ama anahtar bir sinyali değil borunun sağlamlığını açıp kapar. Aktinde ATP yıkımının ipliğin yaşlı kesimini sökülmeye yatkın kıldığını görmüştük; tübülinde ise Wikipedia'nın mikrotübül maddesine göre borunun ortasındaki GDP'li çift kendiliğinden kopamaz, uçta açıkta kalan GDP'li çift kolayca düşer; Brouhard da GDP'li tübülinin borudan hızla ayrıldığını yazar.

Büyüme ve çöküş

Goodson ile Jonasson ve Wikipedia'nın mikrotübül maddesi olağan modeli aynı sırayla kurar: şapka varken uç büyür, yıkım uca yetişip şapka kaybolunca uç çöker; yeni GTP'li çiftler tutunup şapkayı yeniden kurarsa kurtarma gelir. Çöken uçta protofilamentler birbirinden ayrılıp dışa doğru kıvrılır; Goodson ile Jonasson bu kıvrık uçları "koç boynuzu" diye anar, Brouhard da kısalan uçta protofilamentlerin dışa sertçe büküldüğünü yazar.

Hızlar arasındaki fark büyüktür. Milo ile Phillips laboratuvar tüpündeki örnek bir mikrotübülün dakikada yaklaşık 2 mikrometre büyüdüğünü hesaplar; Cassimeris, Pryer ve Salmon 1988'de canlı semender akciğer hücrelerinde büyümeyi dakikada 7,2, kısalmayı 17,3 mikrometre ölçtü. Milo ile Phillips kurbağa yumurtası özütünde kısalmayı dakikada 35 mikrometre verir; Walker ekibinin 1988 ölçümünde artı uç saniyede 733 çift kaybeder, 733 ÷ 1.625 × 60 ≈ 27 mikrometre/dakika eder. Büyüme dakikada birkaç, kısalma onlarca mikrometredir.

Behice Hanım ekrandaki parıltılardan birinin yolunu ölçüyor; kurgu olarak dakikada 3 mikrometre çıksın. Uca saniyede 1.625 × 3 ÷ 60 ≈ 81 çift, her protofilamente 125 × 3 ÷ 60 ≈ 6 çift eklenir. 10 mikrometrelik bir ışın bu hızla 10 ÷ 3 ≈ 3,3 dakikada kurulur. Kısalma kurgu olarak dakikada 20 mikrometre olsun: aynı ışın 10 ÷ 20 × 60 = 30 saniyede söner.

1984'teki sayım

Brouhard dinamik kararsızlığın gözle görülerek bulunmadığını anlatır. Mitchison ile Kirschner elektron mikroskobunda bir mikrotübül topluluğunun sayısının azalırken ortalama boyunun arttığını gördü: kimi borular yok olurken kimileri uzamayı sürdürüyordu. 1984'te Nature'da yayımlanan özetleri, laboratuvar koşullarında mikrotübüllerin büyüyen ve kısalan iki topluluk hâlinde bir arada bulunduğunu, birinden öbürüne seyrek geçtiğini yazar. Goodson ile Jonasson da olgunun ilk kez bu çalışmayla tanındığını belirtir. İki yıl sonra Kristofferson, Mitchison ve Kirschner işaretli tübülinle tek tek boruların uçlarını izledi: kararlı durum, yavaş büyüyen çoğunluk ile hızla sökülen azınlığın dengesiydi.

Koşu bandından farkı

Geçen dersteki koşu bandında iki ucun farklı eşikleri vardı ve serbest birim ikisinin arasına düşünce birimler artı uçtan girip eksi uçtan çıkıyordu; boy sabit kalırken iplik içinden akıyordu. Dinamik kararsızlıkta değişim tek bir ucun kendi içinde yaşanır: aynı uç bir süre büyür, sonra çöker.

Brouhard, GTP'li şapka düzeninin aktin ve ATP için de büyük ölçüde geçerli olduğunu kabul eder ve farkı başka yerde bulur: aktin ipliği serbest birim yettikçe büyümeyi sürdürür, mikrotübül ise çevresinde bol tübülin varken de aniden çökebilir. GDP'li borunun bu hızlı dağılışı aktinde görülmez. Kristofferson ekibi kendi koşullarında koşu bandına dair iz bulmadı. Kural mutlak da değildir: Walker ekibi iki ucun farklı davranışının koşu bandı doğurabileceğini yazar, Goodson ile Jonasson bitki hücrelerinin kabuk altındaki mikrotübüllerde koşu bandını anar.

Işınların merkezi

Hayvan hücresinde bu merkezin adı OpenStax'in Biology kitabında sentrozomdur; kitap sentrozomu birbirine dik duran iki sentriyolle tarif eder. Wikipedia'nın sentrozom maddesi sentriyolleri saran malzemede γ-tübülin bulunduğunu yazar.

Goodson ile Jonasson halkayı bir yaylı rondelaya benzetir ve hem şablon hem eksi uç kapağı olarak iş gördüğünü yazar. Wikipedia'nın mikrotübül çekirdeklenmesi maddesi halkanın 13 katlı simetrisinin 13 protofilamentli boruya kalıp olduğunu ekler.

Toygar'ın gördüğü parlak nokta sentrozomdur. Wikipedia'nın mikrotübül maddesine ve Goodson ile Jonasson'a göre fibroblastlarda eksi uçlar sentrozomda tutulur, artı uçlar hücrenin kenarına yönelir; parıltıların merkezden dışa kaymasının nedeni budur. Kutuplu epitel hücrelerinde düzen başkadır: Goodson ile Jonasson'a göre eksi uçlar tepe yüzüne, artı uçlar tabana bakar; mikrotübül maddesi de bu hücrelerde boruların tepe–taban ekseni boyunca dizildiğini yazar.

Işınların işi

OpenStax'e göre mikrotübüller keseciklerin hücre içinde yol aldığı raylardır; Goodson ile Jonasson organellerin, taşıma keseciklerinin bu raylarda motorlarla taşındığını yazar. Hangi motorun hangi uca yürüdüğünü Moleküler Motorlar dersi açacak.

Raylar organellerin yerini de belirler. Goodson ile Jonasson, ışınsal düzenli fibroblastlarda Golgi zarlarının düzenleme merkezinin yakınında toplandığını yazar; görsel haritada Golgi'yi sentrozomun bitişiğine koymuştuk.

Hücre bölünürken OpenStax'e göre mikrotübüller eşlenmiş kromozomları hücrenin iki ucuna çeker; Goodson ile Jonasson bu yapıyı bölünme iğciği diye anar. İğciğin nasıl kurulduğunu Mitoz dersi işleyecek. Silyaların ve kamçıların içindeki düzenli mikrotübül dizisi de Silya ve Flagella dersinin konusu olacak.

Goodson ile Jonasson'un andığı gibi araştırmacılar mikrotübülleri söken ya da tersine sabitleyen küçük moleküllerle boruları deneyde kapatıp açabilir; Cassimeris ekibi de gördüğü çizgilerin mikrotübül olduğunu, böyle bir madde verilince çoğunun kaybolmasıyla doğruladı.

Defterdeki boru

Toygar defterinde pazartesi çizdiği çubuğun yanına bir boru çiziyor, kesitine on üç küçük daire koyuyor. Altına "1 µm ≈ 1.625 çift, aktinin on katı kütle" yazıyor. Borunun bir ucuna "−, sentrozom", öbür ucuna "+, çevre, şapka" ekliyor.

"Aktin ipliği dengede içinden akıyordu," diyor. "Bu ise bir büyüyor, bir çöküyor." Behice Hanım ekrandaki kaydı başa sarıyor, parıltılar yeniden merkezden çıkıyor. "Cuma derinin hücrelerinden bir lamel getireceğim," diyor. "Onlarda üçüncü bir ağ var, başka kurallarla kurulmuş."

Kendini sına

1. 13 protofilamentli, 5 mikrometrelik bir mikrotübülde kaç tübülin çifti ve kaç tek tübülin birimi bulunur?
2. Yalnız 12 protofilamentli bir boruda bir mikrometreye kaç çift düşer? 13'lü boruyla farkı yüzde kaçtır?
3. Uç dakikada 7,2 mikrometre büyüyorsa her protofilamente saniyede kaç çift eklenir?
4. α-tübülinin GTP'si yıkılmaz. Uç büyürken hangi çiftlerin GTP'li, hangilerinin GDP'li olduğunu bir çizimle göster.
5. Bir tüpte ortalama mikrotübül boyu artarken mikrotübül sayısı azalıyorsa bu, tüm boruların büyüdüğünü mü gösterir? Gerekçeni yaz.
6. Fibroblastta eksi uçların sentrozomda tutulduğunu, büyüyen uçlara tutunan ışıklı bir proteinle nasıl sınardın?

Bir sonraki derse köprü

Cuma lamelindeki üçüncü ağ, bu hafta gördüğümüz iki iplikten farklı kurallarla kuruluyor. Ara Filamentler dersi soracak: keratin, vimentin ya da çekirdek zarının altındaki lamin gibi proteinler, GTP'li bir şapka ya da ATP'li bir uç olmadan nasıl ip örer, bu iplerin artı ve eksi ucu var mıdır, ve hücreye nasıl bir çekme dayanımı verirler? Hücrelerin dokuya nasıl bağlandığını işlediğimiz derste desmozom ve hemidesmozomların içeride ara filamentlere tutunduğunu görmüştük; o tutamağın hücre içindeki ucu bu kez incelenecek.