Kollajen, Elastin ve Proteoglikanlar

Küçülen disk

Kasımın ilk cuması. Bilecik'te sabah ayazı var; laboratuvarın pencere camının köşeleri buğulu. Necla Hanım çarşamba öğleden sonra, soğukta sıvı kalan bir kolajen çözeltisini fibroblastlarla karıştırıp 24 kuyucuklu bir plakanın iki kuyucuğuna dökmüştü; ısınınca ikisi de on iki milimetrelik yumuşak birer diske dönmüştü. Hücresiz kuyucuktaki disk bugün de on iki milimetre. Hücreli olan kuyucuğun ortasında, besiyerinde yüzen beş milimetrelik beyazımsı bir düğme duruyor. "Hücreler jeli kendilerine doğru çekmiş," diyor Oylum.

Mikroskobun yanında histolojiden ödünç bir lam var: kırmızıya boyanmış, ince uzun bir tendon kesiti. Necla Hanım ışığın önüne ve arkasına birbirine dik iki polarizör yerleştiriyor. Alan kararıyor; kırmızı lifler kapkara zeminde sarı ve turuncu ışıyor. Tablayı çevirdikçe demetler bir sönüyor, bir parlıyor. Oylum masadaki lastik bandı parmaklarına geçirip geriyor, sonra bırakıyor. Necla Hanım bir spatulayla hücresiz diske bastırıyor: diskin kenarından su sızıyor, disk yassı kalıyor.

Bu derste ne olacak

Kolajenin her üç halkadan birinde neden aynı amino asidi taşıdığını ve hücre içindeki bir öncülün dışarıda nasıl lif olduğunu sayılarla izleyeceğiz. Elastinin kolajenle aynı kuvvet altında ne kadar uzadığını hesaplayacak, su tutan şeker zincirlerinin basınca nasıl dayandığını görüp üç bileşeni bir tabloda buluşturacağız.

Metin

Her üçüncü halka

Hücre dışı matriksi çok hücreliliğe geçişi anlattığımız derste tanımlamış, kolajenin hayvan matriksinin en bol proteini olduğunu okumuştuk. Shoulders ile Raines'in 2009 derlemesi omurgalılarda yirmi sekiz kolajen tipi sayar; Wikipedia'nın kolajen maddesi de insanda 2011 itibarıyla yirmi sekiz tipin tanımlandığını yazar.

Ara Filamentler dersindeki sarmal sarmalda iki α-sarmal halat gibi dolanıyordu; burada zincirler daha açık bir sarmal çizer ve üçü birbirine çok sıkı paketlenir. Bu sıkılık dizilime bir kural koyar.

Dizi bu yüzden Gly-X-Y üçlülerinin tekrarıdır. Sarmal bölgesi bin halkalı kurgu bir zincirde 1000 ÷ 3 ≈ 333 glisin bulunur; molekülün üç zinciri birlikte bin glisin taşır. Shoulders ile Raines en sık üçlünün prolin–hidroksiprolin–glisin olduğunu yazar; Wikipedia prolin ile hidroksiprolinin dizinin yaklaşık altıda birini oluşturduğunu ekler.

Hidroksiprolin genetik kodda yoktur. Shoulders ile Raines'e göre prolil 4-hidroksilaz adlı enzim, zincirler hücre içinde yapılırken Y konumundaki prolinleri hidroksiller ve eklenen hidroksil sarmalı kararlı kılar. Wikipedia'nın kolajen ve iskorbüt maddeleri bu hidroksilazların C vitaminini yardımcı molekül olarak kullandığını, vitaminin uzun süre eksik kalmasının kolajen yapımını bozarak iskorbüte yol açtığını yazar.

İçeride öncül, dışarıda lif

Zincirler endoplazmik retikulumda yapılıp orada sarmala dolanır; çıkan öncülün, prokolajenin, iki ucunda propeptit denen sarmalsız uzantılar vardır. Veziküler Trafik dersinde 300 nanometrelik bir çubuğu saracak kürenin on sekiz sıradan COPII keseciği kadar zar istediğini hesaplamıştık.

Wikipedia kesimi N- ve C-proteinazların yaptığını yazar; Shoulders ile Raines de fibril kurulmasının ancak bu kesimden sonra başladığını belirtir. Molekülün boyunu iki kaynak da yaklaşık 300 nanometre verir; kalınlığı Wikipedia 1,5 nanometre, Shoulders ile Raines ikiden az nanometre olarak yazar. 300 ÷ 1,5 = 200: çubuk kalınlığının iki yüz katı uzundur. Bazal Membran dersindeki 400 nanometrelik tip IV kolajenden biraz kısadır, ama o ağ kurarken bu çubuk yan yana dizilir.

Diziliş kademelidir. Shoulders ile Raines'e göre fibriller D = 67 nanometrelik bir periyotla tekrar eder; her periyodun 0,54'ü boşluk, 0,46'sı örtüşme bölgesidir. Wikipedia örtüşme bölgesinin kesitinde beş, boşluk bölgesinde dört molekül bulunduğunu yazar. Bir hesap ikisini birleştirir: 300 ÷ 67 ≈ 4,5. Bir molekül dört tam periyot ile bir örtüşme bölgesi boyundadır: 4 × 67 + 0,46 × 67 ≈ 268 + 31 = 299 nanometre. Beş periyotluk yere yerleşirse 5 × 67 − 300 = 35 nanometre açık kalır; bu da 0,54 × 67 ≈ 36 nanometrelik boşluğun ta kendisidir.

Fibril kurulduktan sonra lizil oksidaz adlı enzim komşu moleküllerin uçlarındaki lizin yan zincirlerini aldehite çevirir; aldehitler komşu zincirlerle kovalent köprüler kurar. Fibriller demetlenip ışık mikroskobunda görülen lifleri kurar.

Oylum'un gördüğü parlaklık da bu düzenden gelir. Rittié'nin 2017 yöntem yazısı pikrosirius kırmızısı yönteminin kolajen moleküllerinin çift kırıcılığına dayandığını, boyanın tek başına seçici olmadığını, polarize ışıkla birlikte kolajene özgülleştiğini yazar. Lattouf ekibinin 2014 yazısı demetlerin siyah zeminde sarı, yeşil ya da kırmızı göründüğünü, ama rengin kolajen tiplerini ayırmadığını, geçen ışığın demetin yönelimine bağlı olduğunu gösterir.

Tipler dokulara dağılır. Shoulders ile Raines tip I'i deri, kemik, tendon ve bağlarda, tip II'yi kıkırdakta ve göz içindeki jelde, tip III'ü deri, damar ve bağırsak duvarında sayar. Wikipedia tip II'yi kıkırdağın başlıca kolajeni, tip III'ü retiküler liflerin ana bileşeni olarak anar ve insandaki kolajenin yüzde doksandan fazlasının tip I ile III olduğunu ekler.

Küçülen diske dönersek, Bell ekibi 1979'da insan fibroblastlarının sulu bir kolajen örgüsünü bir günde başlangıç alanının yirmi sekizde birine kadar büzüştürebildiğini bildirmişti. Oylum'un diskinde (5 ÷ 12)² ≈ 0,17, yani alan altıda bire inmiş. Hücre Göçü dersinde hücrelerin zemine tutunup onu çektiğini görmüştük; burada çektikleri şey kendi zeminleridir.

Geri dönen ağ

Elastin başka bir yoldan kurulur. Wikipedia'nın elastin maddesi onu 50–70 kilodaltonluk tropoelastin adlı çözünür öncüllerin birbirine bağlanmasıyla anlatır. Tropoelastin önce fibrilin açısından zengin mikrofibrillerin kurduğu bir iskelete çöker; ardından lizil oksidaz lizinleri yine aldehite çevirir. Sherratt'ın 2009 derlemesi dört lizinin birleşerek desmozin ve izodesmozin adlı çapraz bağları kurduğunu yazar; Duque Lasio ile Kozel'in 2018 derlemesi de bu bağları tropoelastin birimlerini birbirine kilitleyen yapılar olarak anar.

Bağlarla sabitlenmiş zincirlerin arası düzensizdir. Duque Lasio ile Kozel su sevmeyen bölgelerin geri dönüşü sağlayan entropik kuvveti ürettiğini yazar; Wikipedia da düzensizliği elastinin yapısının kurucu bir özelliği sayar. Entropi dersinde bir makrodurumu gerçekleştiren mikrodurum sayısını konuşmuştuk. Gevşek bir elastin ağında zincirler sayısız biçimden birinde durabilir. Gerildiğinde zincirler düzleşir, alabilecekleri biçimlerin sayısı azalır. Kuvvet kalkınca ağ kendiliğinden daha çok biçimin mümkün olduğu hâle döner. Oylum'un lastiği de aynı ilkeyle toplanır.

Kolajen lifi ile elastinin sertliği arasındaki farkı, mekanotransdüksiyonu işlerken tanımladığımız Young modülü ölçer. Sherratt elastin için 1,1 megapaskal, fibriler kolajen için 1200 megapaskal değerlerini aktarır. Morin ekibinin atardamar derlemesi tek elastin liflerine 0,4 ile 1,2 megapaskal arası, sulu kolajen lif düzenlerine yüzlerce megapaskal, fibrillere birkaç gigapaskal verir. İki değer arasındaki oran 1200 ÷ 1,1 ≈ 1100'dür. Aynı kesit alanına 0,1 megapaskallık bir gerilme düşsün: elastin 0,1 ÷ 1,1 ≈ 0,09, yani boyunun yüzde dokuzu kadar uzar; kolajen 0,1 ÷ 1200 ≈ 0,00008, yüzde 0,008 kadar. On santimetrelik bir elastin şerit dokuz milimetre uzarken aynı boyda bir kolajen demeti yüzde bir milimetre bile uzamaz.

Elastin yavaş yenilenir. Duque Lasio ile Kozel dokuda biriken elastinin yarı ömrünü yaklaşık 70 yıl, Wikipedia 78 yılın üstünde verir. Sherratt tropoelastin yapımının doğumdan sonraki birkaç ay içinde belirgin biçimde azaldığını, insan akciğerindeki elastik liflerin yaşının kişinin yaşına denk düştüğünü aktarır. Elastin atardamarlarda, akciğerde ve deride boldur; iki kaynak da bu üç dokuyu sayar.

Su tutan fırçalar

Glikokaliks dersinde proteoglikanın bir çekirdek proteine bağlı uzun şeker zincirlerinden kurulduğunu okumuştuk. Zincirlerin kendisi bu derste önem kazanıyor.

Wikipedia'nın glikozaminoglikan maddesi dört sınıf sayar: heparan sülfat, kondroitin ve dermatan sülfat, keratan sülfat ve hiyalüronan. Hiyalüronan ailenin ayrıksı üyesidir. Wikipedia'ya göre sülfat taşımaz, Golgi yerine hücre zarında yapılır ve bir çekirdek proteine kovalent bağlanmaz.

Kıkırdakta bu parçalar dev bir yapıda birleşir. Wikipedia'nın agrekan maddesi yaklaşık 300 kilodaltonluk çekirdek proteine yüz kadar zincir bağlandığını yazar; Roughley ile Mort'un 2014 derlemesi de molekül başına yüze kadar kondroitin sülfat zinciri ve daha az sayıda keratan sülfat verir. Roughley ile Mort agregatın ortasında uzun bir hiyalüronan ipliği, üzerinde bir uçlarından kovalent olmayan bağla tutunmuş çok sayıda agrekan molekülü tarif eder. Görünüm bir şişe fırçasına benzer: sap hiyalüronan, kıllar agrekan, kılların her birinde de onlarca eksi yüklü zincir.

Yükler durdukları yerde sabittir. Ozmoz ve Tonisite dersinde tanımladığımız Donnan etkisi burada zarsız işler: hapsolmuş eksi yükler sodyum gibi karşı yüklü iyonları dokuya çeker, dokudaki çözünmüş tanecikler çoğalır, su da onların peşinden girer. Wikipedia'nın agrekan maddesi bu yükün suyu tutarak doku üzerindeki basınç yüklerine karşı koyan bir şişme basıncı ürettiğini yazar.

Necla Hanım'ın spatulası bu dengenin bir yarısını gösterdi. Hücresiz disk yalnız kolajenden oluşuyordu; suyunu tutacak yüklü zincirler olmadan bastırılınca suyu verdi ve toparlanmadı. Betonarmede çelik çubuk çekmeyi, beton basmayı karşılar; kıkırdakta çekmeyi kolajen ağı, basmayı su dolu proteoglikan jeli karşılar ve ikisi birbirini gergin tutar.

Kolajen ve fibrilin genlerindeki bazı değişiklikler kalıtsal bağ dokusu hastalıklarıyla ilişkilidir; bu tablolar burada ele alınmaz.

Defterdeki üç şerit

Oylum çarşamba boş bıraktığı bağ dokusu kutusunu dolduruyor; içine üç şerit çiziyor: sert düz çubuklar, dolanık ama bağlı bir ağ, fırça gibi bir sap. Yanlarına "her 3. glisin", "300 = 4 × 67 + 31", "1,1 MPa ↔ 1200 MPa", "disk 12 → 5 mm" yazıyor. En alta ekliyor: "Hücre düğmeyi çekti. Peki çekerken neyi tuttu?"

Necla Hanım plakayı inkübatöre koyarken düğmeyi gösteriyor. "Tuttuğu yerden içeriye haber de gidiyor," diyor. "Pazartesi o tutamağa bakacağız."

Kendini sına

1. Sarmal bölgesi 1050 halkalı bir kolajen zincirinde kaç glisin beklersin? Üç zincirli molekülde toplam kaç?
2. Glisinin yerine daha büyük bir amino asit gelirse üçlü sarmal neden bozulur?
3. D = 67 nanometre ve boşluk payı 0,54 ise, 300 nanometrelik bir molekülün beş periyotluk yerde bıraktığı boşluğu hesapla. Sonuç boşluk bölgesiyle tutarlı mı?
4. 0,05 megapaskallık bir gerilmede elastin ile kolajen boylarının yüzde kaçı kadar uzar? Elastin için 1,1, kolajen için 1200 megapaskal al.
5. Hiyalüronanı öbür glikozaminoglikanlardan ayıran üç özelliği say. Agrekan agregatında hiyalüronanın işi ne?
6. Bir doku örneğinde proteoglikanlar enzimle uzaklaştırılsa ama kolajen ağı sağlam kalsa, çekmeye ve basmaya direncinde ne değişmesini beklersin? Gerekçeni Donnan etkisiyle kur.

Bir sonraki derse köprü

İntegrin Sinyali dersi hücrenin bu matriksi nasıl okuduğuna bakacak: Hücre Göçü dersinde talinle aktine bağlandığını gördüğümüz integrin kapalı ve açık hâl arasında nasıl geçer, içeriden gelen bir sinyal onu nasıl açar, ve dışarıda bir kolajen lifine ya da laminine tutunması hücrenin içinde bir kinaz zincirini nasıl başlatır?