Ara Filamentler

Cuma, dalgalı demetler

Cuma sabahı kavakların tepesinde son sarı yapraklar kalmış, bozkır rüzgârı yeniden başlamış. Behice Hanım söz verdiği lameli getirmiş: kültürde üretilmiş insan deri hücreleri, yani keratinositler, birbirine yapışık adacıklar hâlinde. Boyalardan biri keratine bağlanan bir antikorun ucunda yeşil ışıyor, öbürü çekirdek zarının altındaki lamine bağlanıp kırmızı yanıyor. Tezgâhın kenarında bir de küçük tüp duruyor; içindeki berrak çözeltiye biraz önce tuz eklenmiş, sıvı hafifçe bulanmaya başlamış.

Toygar okülere eğiliyor. Her çekirdeğin çevresinde ince kırmızı bir halka var. Halkanın dışından yeşil demetler çıkıyor, dalgalanarak hücrenin kenarına uzanıyor. Kenarda demetler noktalar hâlinde bitiyor, komşu hücrenin demetleri tam karşıdaki noktalardan başlıyor. "Sanki ip hücreden hücreye geçiyor," diyor Toygar. "Ama pazartesiki çizgiler gibi gergin değil, kıvrım kıvrım."

Bu derste ne olacak

Tüpteki bulanıklığın hangi basamaklardan geçtiğini izleyecek, iplik kesitinde kaç protein yan yana durduğunu ve bir mikrometreye kaçının düştüğünü hesaplayacağız. Sonra bu ipin neden kıvrıldığını, çekilince neden kopmadığını ve çekirdeğin çevresindeki halkanın ne iş gördüğünü göreceğiz.

Metin

Büyük bir aile

Görsel haritada hücre iskeletinin orta kalınlıktaki ipliğini 8 ile 10 nanometre arasında çizmiş, adını da bu ara kalınlıktan aldığını görmüştük. Aktin ve tübülin tek bir proteinin adıdır; ara filament ise bir aile adıdır. Sapra ile Medalia'nın 2021 derlemesi ailenin en az 70 genle kodlandığını ve altı tipe ayrıldığını yazar; van Bodegraven ile Etienne-Manneville de 70'ten fazla gen sayar. Wikipedia'nın ara filament maddesi aynı altı tipi aynı sırayla verir.

Keratinler iki tipe ayrılır, çünkü Wikipedia'nın ara filament ve keratin maddelerine göre iplik bir asidik (tip I) ile bir bazik (tip II) keratinin eşleşmesiyle kurulur. Vimentin fibroblastın ipliğidir; pazartesi yeşile boyanan hücrelerde de vardı, ama o gün boyamadık. Wikipedia'nın desmin maddesi ve Sapra ile Medalia, desminin kas hücresinde kasılma birimlerini birbirine bağladığını yazar. Nörofilament maddesi bu ipliklerin aksona destek verdiğini söyler. Laminler ise ailenin çekirdeğin içinde çalışan tek tipidir; Wikipedia'ya göre öbür tiplerin çoğu sitoplazmadadır, Sapra ile Medalia da çekirdek laminasını yalnız laminlerin kurduğunu yazar. Sapra ile Medalia fakinin ile filensini ayrı bir tip saymaz, sınıfsız bırakır.

Lifli bir tuğla

Aktin birimi de tübülin çifti de küresel proteinlerdi. Gruenbaum ile Aebi'nin 2014 derlemesi ara filament proteinlerini lifli (fibrous) proteinler olarak ayırır; Biology ders kitabında OpenStax da bu iplikleri birbirine sarılmış lifli protein iplikçikleri olarak anlatır. Wikipedia'nın maddesine göre her birimin ortasında uzun, α-sarmal bir çubuk bölgesi vardır; iki ucunda boyu ve dizisi aileden aileye çok değişen, düzensiz bir baş ile bir kuyruk durur. Qin, Kreplak ve Buehler'in 2009 modelindeki vimentin birimi 466 amino asitlidir; UniProt veri tabanındaki insan vimentin kaydı da aynı uzunluğu verir ve kütleyi yaklaşık 54 kilodalton hesaplar.

Ara filamentin ilk yapı taşı bu biçimde dolanmış iki birimdir. Wikipedia'nın maddesi keratin çiftinde kolları bir arada tutanın suyu sevmeyen yan zincirlerin çekimi olduğunu yazar; keratin maddesi de sarmal sarmalı ayakta tutan başlıca kuvvetin bu olduğunu ekler.

Ters yüz dörtlü

Van Bodegraven ile Etienne-Manneville çiftlerin ters yönde birleşip yönsüz (apolar) dörtlüler kurduğunu yazar. Dörtlünün ters dizilişi yüzünden ipliğin, aktinle mikrotübülün aksine, artı ya da eksi ucu bulunmadığını Wikipedia'nın ara filament maddesi de söyler. Infante ile Etienne-Manneville'in 2022 derlemesi olgun ipliği de yönsüz sayar.

Pazartesi aktinin iki ucunu, çarşamba tübülin borusunun β ve α uçlarını ayırmıştık. Yön, birimlerin hep aynı yöne bakarak eklenmesinden doğuyordu. Ara filamentte yön ilk dörtlüde silinir: dörtlünün iki ucu birbirinin aynısıdır, ondan kurulan ipliğin de öyle.

Sekiz dörtlü, bir kesit

Robert ekibinin 2015 çalışması vimentinde bu parçayı sekiz dörtlünün yan yana gelmesi diye tanımlar; Sokolova ekibinin 2006 ölçümü dörtlülerin önce ikişer birleşip sekizliler kurduğunu, dört sekizlinin bir parçayı tamamladığını gösterir. Kesitte 8 × 4 = 32 birim, yani 16 sarmal sarmal çift durur. Nöding, Herrmann ve Köster 2014'te 32'yi olgun vimentin ipliğinde kesit başına standart sayı olarak anar. Parçanın boyu Winheim ekibinde 60, Qin'in modelinde yaklaşık 61 nanometredir; Wikipedia ve van Bodegraven parçaların uç uca eklendikten sonra sıkışıp inceldiğini yazar.

Sayı sabit değildir. Herrmann ekibinin 1999 ölçümünde vimentin parçaları 32 ve 45 birim çevresinde toplanır, desmin iplikleri kesitte 47 birim taşır. Bir mikrometreye düşen birimi kütleden sayalım. Wickert ekibinin 2005 ölçümünde vimentin ipliğinin bir nanometresi 33 kilodalton, Herrmann ekibinin 1996 ölçümünde 40–45 kilodalton gelir. Bir mikrometre 33.000–45.000 kilodaltondur; 54 kilodaltonluk birimle 33.000 ÷ 53,7 ≈ 615 ile 45.000 ÷ 53,7 ≈ 840 birim eder.

Aktinin bir mikrometresi, 42 kilodaltonluk 370 birimiyle kabaca 15.500 kilodalton tartıyordu; mikrotübülde 1.625 çift, yani 3.250 birim ve 162.500 kilodalton. Ara filamentin kütlesi aktininkinin 2 ile 3 katı, mikrotübülünkünün dörtte biri dolayındadır. İnce bir ipliğin bu kadar birim taşımasını yan yana dizilen 32 uzun lif açıklar.

Nükleotitsiz birleşme

Tüpteki bulanıklık bu basamakların sonucudur ve Behice Hanım çözeltiye ne GTP ne ATP koymuştur, yalnız tuz eklemiştir. Winheim ekibi vimentin ipliklerini düşük tuzlu tampondaki dörtlülere tuz ekleyerek kurar; Sokolova ekibinde de tuz eklenince dörtlüler yanal birleşmeye başlar. Wikipedia'nın maddesine göre ara filament proteinlerinde aktin ile tübülindeki gibi bir nükleotit bağlama yeri yoktur; Sapra ile Medalia birleşmenin nükleotitten bağımsız olduğunu yazar.

Hücre yine de enerji harcar. Wikipedia ve Infante ile Etienne-Manneville, baş bölgesine fosfat eklenmesinin birleşmeyi ve ipliğin kararlılığını değiştirdiğini yazar. Robert ekibi hücre içindeki kısa parçaların alt birim değiş tokuşunun ATP gerektirdiğini buldu. Enerjiyi proteinin kendisi değil, onu düzenleyen hücre makinesi kullanır. Wikipedia'ya göre ara filamentler koşu bandı yapmaz, ama durağan da değildir.

Ray olamayan ip

Gruenbaum ile Aebi'nin cümlesi kısadır: mikrotübüller ve aktin iplikleri yönlü oldukları için moleküler motorlara ray olur, ara filamentler yönsüzdür. Bir motorun ilerleyebilmesi için ipin iki ucunun ayırt edilebilmesi gerekir. Wikipedia'nın maddesi de yönsüzlük yüzünden ara filamentlerin hücre hareketine ve hücre içi taşımaya temel olamadığını yazar; Sapra ile Medalia bilinen bir taşıma işleri olmadığını ekler. OpenStax ise işlerini doğrudan söyler: gerilimi taşımak, hücrenin biçimini korumak, çekirdeği ve organelleri yerinde tutmak.

Bükülen, uzayan, sertleşen

İpliğin kıvrımı da ölçülebilir. Çarşamba kalıcılık uzunluğunu aktin için 10–20 mikrometre, mikrotübül için milimetreler düzeyinde almıştık. Winheim ekibi vimentin ipliğinin kalıcılık uzunluğunu yaklaşık 1 mikrometre ölçer; Mücke ekibinin 2022 çalışması vimentin ile desmin için 1, keratin için 0,3 mikrometre verir; Sapra ile Medalia aralığı 0,2–2 mikrometre yazar. Aktin ara filamentten 10 ile 20 kat, mikrotübül bin kattan fazla serttir. Toygar'ın izlediği bir demet kurgu olarak 20 mikrometre uzansın. Ara filament için bu boy 20 ÷ 1 = 20 kalıcılık uzunluğudur ve iplik yolda defalarca yön değiştirir; aktin için 20 ÷ 20 ile 20 ÷ 10 arası, yani bir iki; mikrotübül için 20 ÷ 5.000 = 0,004, yani cetvel gibi düzdür.

Wikipedia'nın maddesi ara filamentlerin ilk boylarının birkaç katına kadar çekilebildiğini yazar; van Bodegraven ile Etienne-Manneville tek ipliklerin tüpte yüzde 250 dolayında uzadıktan sonra koptuğunu aktarır. İki kaynak da bu uzamayı basamaklı bir açılmaya bağlar: önce sarmal sarmalın kolları gerilir, sonra α-sarmallar açılıp β-tabakaya dönüşür, en sonda birimler birbirinin üstünde kayar. Qin ekibinin modeli sarmalların hidrojen bağı kümelerinin tek tek koparak enerji yuttuğunu gösterir.

Van Bodegraven ile Etienne-Manneville ara filament ağlarının aktin ağlarından çok daha büyük uzamalarda sertleşmeye başladığını ve bu sertleşmenin tümüyle geri döndüğünü yazar; Qin ekibi de çekilen ipliğin sertliğinin kat kat arttığını belirtir. Sonuç bir güvenlik payıdır: küçük itmelere yumuşak, büyük çekmelere sert bir ağ.

Hücreden hücreye halat

Desmozomu ilk kez adlandırdığımız derste (L03-P01-M01-D06) desmozomun kadherinlerle komşuya tutunduğunu, içeride ara filamentlere bağlandığını, hemidesmozomun hücreyi alttaki matrikse integrinle bağladığını görmüştük. Toygar'ın gördüğü noktalar desmozomlardır. Wikipedia'nın desmozom maddesine ve Infante ile Etienne-Manneville'e göre keratini desmozoma desmoplakin, hemidesmozoma plektin bağlar; ikisi de plakin denen protein ailesindendir.

Böylece bir epitel tabakasında keratin demetleri desmozomdan desmozoma uzanır ve komşu hücrelerin iskeletleri mekanik olarak birbirine eklenir. Van Bodegraven ile Etienne-Manneville, Infante ile Etienne-Manneville ve Sapra ile Medalia, keratini ya da vimentini olmayan hücrelerin daha yumuşak olduğunu ve gerildiğinde daha çok biçim değiştirdiğini aktarır. Keratin 5 ya da 14 genindeki değişikliklerin derinin kolay su toplamasıyla seyreden kalıtsal bir hastalığa yol açtığını hem Wikipedia hem van Bodegraven ile Etienne-Manneville yazar; hastalığın kendisi bu dersin konusu değildir.

Çekirdeğin kabuğu

Wikipedia'nın lamin ve çekirdek laminası maddeleri laminleri tip V ara filamentler olarak sınıflar ve ağın çekirdeğin biçimini koruduğunu, lamini olmayan ya da bozuk lamin taşıyan çekirdeklerin biçimsizleştiğini yazar. Sapra ile Medalia laminayı çekirdeğe yapısal ve mekanik bir çatı veren kabuk gibi bir ağ diye tarif eder; Infante ile Etienne-Manneville de laminanın çekirdeğin biçim değiştirebilirliğini sınırladığını yazar. Toygar'ın kırmızı halkası bu ağdır. Hücre bölünürken lamina fosfat eklenmesiyle sökülür, bölünme bitince yeniden kurulur; iki Wikipedia maddesi bunu aynı sırayla anlatır, Mitoz dersi o anı ayrıntıyla işleyecek.

Tüpün dibindeki tortu

Toygar defterinde çubuğun ve borunun yanına bir halat çiziyor, kesitine otuz iki küçük nokta koyuyor. Altına "1 µm ≈ 600–850 birim, uçlar aynı, GTP yok, ATP yok" yazıyor, yanına "kalıcılık ≈ 1 µm" ekliyor. Tüpteki bulanıklık dibe çökmeye başlamış.

"Pazartesi iplik içinden akıyordu, çarşamba bir büyüyüp bir çöküyordu," diyor Toygar. "Bu ise yalnız tutuyor." Behice Hanım lamel kutusunu kapatıyor. "Pazartesi ekranda raylar üstünde yürüyen yükleri izleyeceğiz. Hangi raylar olduğunu artık biliyorsun."

Kendini sına

1. Kesitinde 32 birim bulunan bir iplikte 16 çift ve 8 dörtlü vardır. Kesitte 47 birim taşıyan desmin ipliği kaç dörtlüye denk gelir, sayı tam çıkıyor mu?
2. Bir nanometresi 48 kilodalton gelen, 53 kilodaltonluk birimlerden kurulu bir iplikte bir mikrometreye kaç birim düşer?
3. 5 mikrometrelik bir keratin ipliği ile aynı boyda bir vimentin ipliği kaçar kalıcılık uzunluğudur? Hangisi daha kıvrımlı görünür?
4. Dörtlüyü kuran iki çift aynı yöne bakacak biçimde yan yana gelseydi iplikte ne değişirdi?
5. Tüpe GTP ya da ATP eklemeden kurulan iplikler, ara filamentin hücrede enerji harcamadan yönetildiğini mi gösterir? Gerekçeni yaz.
6. Keratinositlerde desmozomları söken bir deneyde keratin demetlerinin hücre kenarında nasıl görünmesini beklerdin?

Bir sonraki derse köprü

Pazartesinin konusu, bir ucu öbüründen ayırt edilebilen iplikler üzerinde yürüyen proteinler. Moleküler Motorlar dersinin sorusu şu olacak: miyozin aktin ipliğinin, kinezin ve dinein mikrotübülün hangi ucuna doğru ve nasıl adım atar, yakıtları nedir, ve yönsüz bir ara filament neden bu yürüyüşe ray olamaz?