Silya ve Flagella · Fonksiyonel Tıp Akademisi

Cuma, ağır çekimde bir tarla

Ekimin üçüncü cuması sabah ayazla başladı; öğleye doğru bozkırın göğü alçak bir griye döndü. Perdeli odada Behice Hanım ısıtmalı tablaya küçük bir plastik kap yerleştiriyor. Kabın içindeki geçirgen zarın üstünde, solunum yolunun iç yüzünü döşeyen hücrelerden bir tabaka büyütülmüş: alttan besiyeri alıyor, üstü havaya açık. Mikroskoba bu kez saniyede beş yüz kare çeken bir kamera bağlı.

Ağır çekimde yüzey rüzgâr yemiş bir buğday tarlasına benziyor. Her hücrenin tepesinden yüzü aşkın ince kıl çıkıyor; kıllar aynı yöne savruluyor, dalga yüzeyi bir uçtan öbürüne geçiyor. Toygar tek bir kılı seçip kareleri sayıyor. "Kırk karede bir tam vuruş." Behice Hanım yüzeye floresan boncuk damlatıyor; boncuklar kabın kenarına doğru sürükleniyor. Masada, bir meslektaşının çektiği bir elektron mikrografının çıktısı duruyor: kılın enine kesiti, dokuz ikiz halka ve ortada iki tek halka.

Bu derste ne olacak

Kesitteki halkaları adlandırıp bir kılda kaç dinein kolu çalıştığını kabaca sayacağız. Kaymanın bükülmeye nasıl çevrildiğini tripsin deneyinden okuyacak, vuruşun Reynolds sayısını hesaplayacak, bakteri kamçısının neden başka bir makine olduğunu ve hareket etmeyen birincil silyanın ne iş gördüğünü göreceğiz.

Mekanizma

Kesitteki dokuz ikiz halka

Wikipedia'nın aksonem maddesi ile Bustamante-Marin ve Ostrowski'nin 2017 derlemesi aynı haritayı çizer. Her dublette tam bir boru, A tübülü, ve ona yaslanan eksik bir boru, B tübülü vardır. Ishikawa'nın 2017 derlemesine göre A tübülü 13 protofilamentten kurulur; Linck, Chemes ve Albertini'nin 2016 derlemesi de bunu 1973'teki ince kesit ölçümlerine dayandırır. Geçen hafta ışınlarını boyadığımız sıradan mikrotübülün duvarı da 13 protofilamentliydi; kılın içindeki boru aynı malzemeden, farklı bir düzenle yapılmıştır.

A tübülüne iki sıra motor tutunur: iç ve dış dinein kolları. Her dubletten merkezdeki çifte doğru T biçimli radyal kollar uzanır. Komşu dubletleri birbirine bağlayan köprüye eskiden neksin bağı denirdi; bugün neksin–dinein düzenleyici kompleksi adıyla anılır ve Ishikawa'ya göre dokuz komşu çiftin hepsini birbirine bağlar.

Bu düzen boy boyunca tekrarlanır. Ishikawa da, Linck ekibi de kolların, radyal kolların ve bağlayıcı kompleksin 96 nanometrelik bir periyotla dizildiğini yazar. Ishikawa'ya göre bir periyotta 24 nanometre arayla dört dış kol vardır. Motorlar dersindeki kinezinin adımı bir tübülin çiftinin boyuydu, 8 nanometre; dış kollar 24 ÷ 8 = 3 çiftte bir dizilir. Solunum yolu kılının boyunu Bustamante-Marin ile Ostrowski 6,5–7, Wikipedia'nın mukosilyer temizlik maddesi 7 mikrometre verir. 7.000 ÷ 96 ≈ 73 periyot eder; dublet başına 73 × 4 ≈ 290, kılın tamamında 290 × 9 ≈ 2.600 dış kol. Aynı iki kaynak bir hücrede yüzün üstünde, iki yüz dolayında kıl sayar; hücre başına yarım milyon mertebesinde dış kol çalışır.

Taban cisimciği: sentriyolün ikinci işi

Mikrotübüller dersinde sentrozomu birbirine dik iki sentriyolle tarif etmiştik. Wikipedia'nın silya maddesi ile Satir, Pedersen ve Christensen'in 2010 derlemesi taban cisimciğini ana sentriyolden türetir. Linck ekibine göre sentriyolün duvarında dokuz üçlü dizi bulunur ve aksonemin dubletleri bu üçlülerin uçlarından uzar; Ishikawa üçlünün bir tam, iki eksik borudan yapıldığını yazar.

Kaymadan bükülmeye

Moleküler Motorlar dersinde dineini eksi uca yürüyen motor olarak tanımış, işini ayrıntıya girmeden bırakmıştık. Linck ekibinin derlemesine göre önce Satir, vuruş sırasında hızla sabitlenmiş silyalarda dubletlerin birbirine göre kaymış konumda donduğunu gördü. Ardından Gibbons ve çalışma arkadaşları zarı yumuşak bir deterjanla söktü ve aksonemi, dubletleri birbirine bağlayan esnek bağları kırmak için tripsinle, yani bir protein kesici enzimle kısa süre sindirdi.

Summers ile Gibbons'un 1971 çalışmasında deniz kestanesi spermine ait bu aksonemlere ATP eklenince aksonemler tek tek borulara ve gruplara dağıldı; karanlık alan mikroskobunda dış dubletlerin birbirinin üstünden aktif olarak kaydığı görüldü. Yazarlara göre dağılmanın nükleotit tercihi kılın hareketindekiyle aynı gidiyordu. Sale ile Satir 1977'de ATP'li preparatlarda dubletlerin teleskop gibi silindirin dışına kaydığını ve her dubletin komşusuna göre tek bir yönde kaydığını gösterdi.

Peki bağlar yerindeyken? Linck ekibine göre kollar A tübülüne sıkıca tutunur ve komşu dubletin B tübülü üstünde eksi uca, yani tabana doğru adım atar; Sale ile Satir kuvvetin yönünü tabandan uca doğru ölçmüştü. Dubletler tabanda sabitlenmiş, boy boyunca da birbirine bağlıdır; kaymak isteyen iki boru kayamayınca kıl kıvrılır. Wikipedia'nın aksonem maddesi bunu şöyle özetler: kolların bir yandaki dubletleri aşağı, öbür yandakileri yukarı çektiği eş zamanlı bir düzen, kılı bir o yana bir bu yana büker. Linck ekibi kaymanın tek başına bükülme üretemeyeceğini yazar ve hangi kolun ne zaman çalışacağını açıklayan varsayımlar arasında Lindemann'ın geometrik debriyaj modelini anar: Hücre Göçü dersindeki sözcük burada, dubletler arası uzaklığa göre kolların tutup bırakmasını anlatır.

Vuruşun iki yarısı ve Reynolds sayısı

Bustamante-Marin ile Ostrowski solunum yolu kılının vuruşunu aynı düzlemde bir etkin vuruşa ve bir geri dönüş vuruşuna ayırır; mukosilyer temizlik üstüne Wikipedia maddesi iki evreyi aynı adlarla anar. İki kaynak da dinlenim frekansını saniyede 10 ile 20 vuruş verir. Toygar'ın kamerası saniyede 500 kare çekiyordu: 500 ÷ 40 = 12,5 vuruş bölü saniye, bir vuruş 80 milisaniye.

Kılın ucunun hızını kabaca kestirelim: uç bir vuruşta gidip dönerken iki kıl boyu, 14 mikrometre yol alsın. 14 × 12,5 = 175 mikrometre bölü saniye. Reynolds Sayısı dersinde (L02-P07-M02-D05) tanımladığımız Re = ρ × v × D ÷ η'ya suyun 37 derecedeki viskozitesini, 0,6913 milipaskal-saniyeyi koyalım ve yoğunluğu yuvarlak 1.000 alalım: 1.000 × 0,000175 × 0,000007 ÷ 0,0006913 ≈ 0,0018. O derste kılcal damardaki kan için binde bir dolayında bir değer bulmuş, aortu binlere koymuştuk; kıl kılcalla aynı mertebededir, aortun milyonda biri kadardır.

Bu ölçekte eylemsizlik yok gibidir: kıl durduğu anda sıvı da durur. Wikipedia'nın tarak teoremi (scallop theorem) maddesi ve Lauga'nın 2011 derlemesi, Purcell'in 1977'deki "Life at Low Reynolds Number" konuşmasına dayanarak şunu yazar: düşük Reynolds sayılı sıvıda aynı biçimleri geriye doğru tekrarlayan, karşılıklı bir hareket net yer değiştirme üretmez. Kıl etkin vuruşu aynen geri sararak dönseydi sıvıyı ileri itip aynı yoldan geri çekerdi. İki yarının biçimi bu yüzden farklıdır ve taşımayı bu asimetri sağlar; kamçının yürüyen dalgası aynı kuralı dalgayla aşar.

Toygar'ın ağır çekimde gördüğü tarla dalgası budur. Bustamante-Marin ile Ostrowski her kılın komşusuyla aynı frekansta, etkin vuruş ekseni boyunca faz kaymasıyla çarptığını ve dalganın epitelin üstünde yürüdüğünü yazar. Aynı derleme mukusun taşınma hızını dakikada 5,5 milimetre dolayında verir; Wikipedia'nın maddesi soluk borusu için dakikada 6 ile 20 milimetre arasını verir. 5.500 ÷ 60 ≈ 92 mikrometre bölü saniye eder; 12,5 vuruşa bölününce her vuruşta 92 ÷ 12,5 ≈ 7 mikrometre, yani aşağı yukarı bir kıl boyu. Üst uçtaki değerle vuruş başına yol birkaç kıl boyuna çıkar.

Bakteri kamçısı: başka bir makine

Yaygın yanlış"Bakterinin kamçısı spermin kamçısının küçültülmüş bir örneğidir."

Doğrusu

Bakteri kamçısı mikrotübülsüz bir ipliktir ve dibindeki bir motorla dönerek pervane gibi iter; ökaryot kamçısı içindeki aksonemle bükülür ve dalgalanır.

Wikipedia'nın flagellum maddesi ile Biquet-Bisquert, Labesse, Pedaci ve Nord'un 2021 derlemesi bakteri kamçısını hücre zarına gömülü döner bir motorla anlatır. Derlemeye göre motoru ATP'nin yıkımı değil, zar boyunca akan iyonlar çevirir: Escherichia coli'de protonlar, bazı Vibrio türlerinde sodyum iyonları. Aktif Taşıma dersinde iyonların zarın iki yanındaki eğimini bir enerji deposu olarak görmüştük; bakteri o depoyu dönme hareketine harcar. Ökaryot kamçısında ise enerji ATP'den gelir, iş dinein kollarının kaydırmasıyla yapılır. OpenStax Biology ders kitabına göre de ökaryot silyası ve kamçısı prokaryottaki karşılıklarından yapıca çok farklıdır.

Hareket etmeyen kıl: birincil silya

Behice Hanım fibroblast kültüründen bir lamel daha açıyor: kılları boyanmış hücrelerin her birinde tek, kısa, kıpırtısız bir çubuk. Satir ekibinin derlemesi ile Wikipedia'nın silya maddesi bu kılı hücrenin anteni sayar ve Hedgehog adlı sinyal yolunun bir kısmının onun üstünden işlediğini yazar. Wikipedia'ya göre kıl hücre döngüsünün G1 evresinde kurulur ve bölünmeden önce sökülür.

Kılı kuran ve onaran bileşenler kılın içinde taşınarak yerine ulaşır. Satir ekibi de Wikipedia'nın kamçı içi taşıma maddesi de bu işi iki motora verir: kinezin-2 yükü tabandan uca, sitoplazmik dinein 2 uçtan tabana götürür.

Modelin sınırı

9+2 hareketli, 9+0 hareketsiz kuralı kesin değildir. Ishikawa'ya göre embriyodaki düğüm silyası ve yılan balığı spermi merkez çifti ve radyal kolları olmadığı hâlde hareket eder; Wikipedia'nın silya maddesi düğüm silyasının dönerek sol yana bir akış ürettiğini yazar.
Birincil silyanın sıvı akışını kalsiyum girişiyle algıladığı varsayımı Satir ekibinin derlemesinde ve Wikipedia'nın polisistin 1 maddesinde yer alır. Delling ve arkadaşlarının 2016'da Nature'da yayımlanan ölçümünde ise incelenen dokuların hiçbirinde, böbrek epiteli ve embriyonun düğüm hücreleri dahil, fizyolojik akışın çok üstünde bile silyaya özgü kalsiyum girişi görülmedi. Kılın akışı nasıl algıladığı açık bir sorudur.
Reynolds hesabı uç yolunu kestirir ve suyun viskozitesini kullanır. Bustamante-Marin ile Ostrowski kılların arasındaki katmanı jel kıvamında anlatır; gerçek ortamda sayı daha da küçük olabilir.
Kol sayısı tek bir derlemenin periyot düzenine ve 7 mikrometrelik bir kıla dayanır; türe ve dokuya göre ikisi de değişir.

Bu ders neyi göstermiyor

Mekanizmanın tutarlılığı bir müdahaleyi desteklemiyor; kararı L01-P02 tasarımlarıyla üretilmiş kanıt destekler. Kılın yapısını ya da kurulumunu bozan kalıtsal durumlar solunum yolundan böbreğe uzanan geniş bir yelpazede görülür; tanı, seyir ve tedavi soruları bu sayfanın dışında kalır. Akciğeri temizlediği, solunum yolundaki kılları güçlendirdiği ya da sperm hareketini artırdığı söylenen ürünler, takviyeler ve uygulamalar bu mekanizmaya yaslanamaz.

Kesitin ortasındaki iki halka

Toygar defterine kesiti çiziyor: kollu dokuz ikiz halka, ortada iki halka. Altına "13 · 96 nm · ~2.600 kol · 12,5 Hz · Re ≈ 0,002" yazıyor. Yanına bir pervane çizip "iyon, ATP değil" notunu düşüyor, en alta da tek bir kısa çubuk: "9+0, anten".

Behice Hanım boncukların toplandığı kap kenarını gösteriyor. "Kıl akışı üretir. Ama hücre üstünde durduğu zemini de yoklar." Dolaptan iki kap çıkarıyor; birinin tabanı parmakla bastırınca çöken yumuşak bir jel, öbürü cam kadar sert. "Pazartesi aynı hücreleri bu ikisine ekeceğiz."

Kendini sına

Saniyede 600 kare çeken bir kamerada bir vuruş 30 kare sürüyorsa kılın frekansı kaçtır?
Mukus dakikada 3 milimetre ilerliyor ve kıllar saniyede 15 kez vuruyorsa her vuruşta mukus kaç mikrometre yol alır?
10 mikrometrelik bir kılın ucu saniyede 20 vuruşta her vuruşta 20 mikrometre yol alıyorsa, suyun 37 derecedeki değerleriyle Reynolds sayısı ne olur?
Tripsinle sindirilmiş bir aksoneme ATP eklendiğinde neden bükülme yerine dağılma görülür?
Bir bakterinin kamçısını çeviren motor ile bir spermin kamçısını büken motor enerjiyi hangi kaynaktan alır?

Bir sonraki derse köprü

Birincil silyanın akışı gerçekten hissedip hissetmediği tartışmalı kaldı; ama hücrenin kuvveti algıladığından kimse kuşku duymaz. Hücre Şekli ve Mekanotransdüksiyon dersinin sorusu şu olacak: aynı hücre yumuşak bir jelde yuvarlak, sert bir camda yayvan kalıyorsa zeminin sertliğini neyle ölçer, odak yapışmalar çekildikçe neden büyür, ve bir çekme kuvveti hücrenin içinde hangi adımda kimyasal bir sinyale, mekanotransdüksiyona dönüşür?