Granüllü Endoplazmik Retikulum

Tabandaki çizgi yığını

Aralığın ilk pazartesisi, Balıkesir. Bir üniversitenin hücre biyolojisi binasında, salgı fizyolojisi laboratuvarının uzun masasında iki baskı yan yana duruyor. Suzan Hanım bu laboratuvarda yıllardır pankreasın enzim salgılayan hücreleriyle çalışıyor; Ediz ise bu dönem doktoraya başlamış, ilk işi elektron mikroskobu görüntülerini okumayı öğrenmek.

Soldaki baskı bir fare pankreasından alınmış ince bir kesit. Hücrelerden birinin tepesinde koyu, yuvarlak taneler kümelenmiş. Tabana doğru ise sitoplazma, üst üste dizilmiş paralel çizgilerle dolu; her çizgi çiftinin dış yüzleri siyah noktalarla bezeli. Sağdaki baskı aynı büyütmede çekilmiş bir kültür fibroblastı. Onda noktalı zar yalnız birkaç kısa parça hâlinde, çekirdeğin çevresine dağılmış; yığın yok.

Ediz ölçek çubuğunun uzunluğunu bir kâğıt şeridine işaretliyor, şeridi yığının üstüne dik yatırıp noktalı zarları sayıyor: bir mikrometrelik uzunlukta sekiz yaprak. "Bunlar ayrı ayrı keseler mi," diye soruyor, "yoksa tek bir şeyin katları mı?" Suzan Hanım fibroblastı gösteriyor: "Önce şunu sor: aynı zar bu hücrede neden bu kadar az?"

Bu derste ne olacak

Noktalı zara bir ad vererek başlayacağız, sonra zarın neden yassı bir yaprak biçimi aldığını ve yaprakların nasıl üst üste bağlandığını izleyeceğiz. Bir hesapla ribozomların zara ne sıklıkta sığabileceğini bulup salgı yapan bir hücrenin bu zardan neden bol miktarda kurduğunu tartacağız. En sonda da bu katların içindeki boşluğun tek bir bölme olduğunu gösteren deneye bakacağız.

Metin

Noktalı zarın adı

Hücre tiplerini karşılaştırdığımız derste Umay aynı hücre tipinin baskısında tabanı paralel çizgilerle, tepeyi tanelerle dolu görmüş, bunu tek bir üretim hattının iki ucu diye okumuştu. Nükleer Zarf dersinde de dış nükleer zarın ribozomlarla bezeli olduğunu, kıvrılıp noktalı yassı bir keseye dönüştüğünü izlemiştik. Ediz'in saydığı yapraklar o zarın devamıdır.

OpenStax'in Biology kitabı endoplazmik retikulumu birbirine bağlı zar keseleri ve borucuklardan oluşan bir dizge diye tanımlar. Ribozomların sitoplazmaya bakan yüze tutunduğu kesime granüllü ya da kaba adı, elektron mikroskobunda verdiği pürtüklü görünüşten gelir. Aynı kitap ribozom taşımayan düz kesimin granüllü kesimle sürekli olduğunu da ekler.

Wikipedia'nın ribozom maddesi, zara bağlı ribozomlarla sitozolde serbest duran ribozomların yapıca aynı olduğunu, yalnız yerlerinin ayrıldığını yazar. Bir ribozomu zara götüren şey, ürettiği zincirdir. Veziküler Trafik dersinde zincirin ucundaki sinyal dizisinin bir tanıma parçacığınca yakalandığını ve ribozomun ER'deki kanala taşındığını görmüştük. Bu yönlendirmenin ayrıntısını Proteinlerin ER'ye Yönlendirilmesi dersi açacak.

Ribozomlar zarda tek tek değil, dizi hâlinde durur. Aynı mesajı birden çok ribozom art arda okur.

Wikipedia'nın polizom maddesi bu dizileri bir ipe dizilmiş boncuklara benzetir ve zara bağlı polizomların zarın iki boyutlu yüzeyiyle sınırlandığını yazar.

Neden yaprak

Görsel harita dersinde Umay ribozom noktalı yassı keseleri çekirdeğe yakın, noktasız ince kıvrımları onların ötesine çizmişti. Bu ayrımın arkasında zarın eğriliği vardır. Schwarz ile Blower'ın 2016 derlemesine göre bir yaprak, arasında lümen bulunan iki düz çift tabakadır; eğrilik yalnız kenarlarda toplanır. Borucuğun ise her yeri kıvrıktır ve üstünde çok daha az ribozom durur.

Zarı kıvıran proteinler bellidir. Shibata ve arkadaşları 2010'da Cell'de, borucukların retikülon adlı zar proteinlerince biçimlendirildiğini hatırlatıp bu proteinlerin yaprakların kıvrık kenarlarına da yerleştiğini, miktarlarının yaprak ile borucuk oranını belirlediğini gösterdiler. Schwarz ile Blower retikülonun zara bir kama gibi saplanan saç tokası biçimli bir kıvrımla oturduğunu yazar. Borucuk ağının kendisi Düz Endoplazmik Retikulum dersine kalıyor; burada yeten şu: kenarı sabitleyen protein azsa zar düz kalır.

Aynı çalışma yapraklarda toplanan proteinleri de ayıkladı: zincirleri zardan geçiren ve değiştiren makineler, bir de zara bağlı polizomlarca yerinde tutulan uzun, sarmal yapılı zar proteinleri. Bunlardan Climp63, yaprağın iki zarını belli bir aralıkta tutan bir ara parça gibi çalışır ve fazlası yapıldığında yaprak çoğalır.

Aralık şaşırtıcı ölçüde sabittir. Schwarz ile Blower lümen genişliğini memelide genellikle yaklaşık 50, mayada 30 nanometre verir. Xu, Xiang ve Hu'nun 2023 çalışması da yaprakların yaklaşık 50 nanometrelik sabit bir genişlik taşıdığını yazar; kendi elektron mikroskobu ölçümlerinde ortalama 55 nanometre bulmuş, Climp63 silinince genişliğin 34 nanometreye indiğini görmüştür. 34 ÷ 55 ≈ 0,62: ara parça gidince yaprağın birim alanındaki lümen hacmi aşağı yukarı üçte bir küçülür. Nükleer Zarf dersinde perinükleer boşluğa 30 ile 50 nanometre vermiştik; iki boşluk aynı bölmenin parçası olduğuna göre benzer genişlik şaşırtıcı değildir.

Katlar ve rampalar

Ediz'in sorusu yığının kendisine ilişkindi. Terasaki ve arkadaşları 2013'te Cell'de fare nöronlarında ve tükürük bezinin salgı hücrelerinde yığılmış yaprakları, art arda kesilen çok ince dilimlerle üç boyutta yeniden kurdular. Makalenin özeti ve Cell Press'in basın bildirisi aynı sonucu verir: katlar birbirinden kopuk değildir, sağa ya da sola dönen sarmal rampalarla bağlanır. Yapı katlı bir otoparka benzer. Wikipedia'nın maddesi bu bağlantılara Terasaki rampaları der. Ekibin kuramsal modeline göre bu biçim, kenarların ve yüzeylerin esneklik enerjisini en aza indirerek yaprakların dar bir hacme sıkışık dizilmesine izin verir.

Sıkışıklığı Ediz'in sayımıyla tartabiliriz. Bir mikrometrede sekiz yaprak, 1000 ÷ 8 = 125 nanometrelik bir tekrar demektir. Bir yaprağın kendisi 50 nanometrelik lümen ile görsel harita dersindeki dört nanometrelik iki zardan kurulur: 50 + 2 × 4 = 58 nanometre. İki komşu yaprağın arasında birer ribozom katının kalması gerekir; ribozom çapı için görsel harita dersindeki 25 ile 30 nanometreyi alırsak en kısa tekrar 58 + 2 × 25 = 108 ile 58 + 2 × 30 = 118 nanometre arasında düşer. Kurgu sayım bu alt sınırın hemen üstündedir: yığında boşa harcanan yer neredeyse yok.

Aynı sayım yüzeyi de verir. Bir mikrometreküplük sitoplazmaya bir mikrometrekarelik sekiz yaprak sığar; her yaprağın iki zarı olduğundan bu küpte 8 × 2 = 16 µm² ER zarı bulunur.

Salgı hücresi yüzeyi neden büyütür

Hücresel Bölmelendirme dersinde Alberts'in tablosundan pankreasın enzim salgılayan hücresinde ribozomlu zarın plazma zarının yaklaşık 12 katı olduğunu hesaplamıştık. Bu oranın nedeni ribozomlara yer açmaktır.

Ribozomun zarda kapladığı yeri 30 nanometrelik bir kare sayalım: 30 × 30 = 900 nm². Bir mikrometrekare bir milyon nanometrekaredir; 1.000.000 ÷ 900 ≈ 1100. Ribozomlar zara omuz omuza dizilse bile bir mikrometrekareye aşağı yukarı bin yüz tane sığar. Gerçek sıklık bunun altındadır, çünkü polizomda ribozomlar mesaj üstünde aralıklı durur. Nükleolus dersinde BioNumbers'tan tek bir HeLa hücresi için 3,3 ile 9,5 milyon ribozom almıştık. Yalnız bir milyonunu zara yerleştirmek için bu tavanda bile 1.000.000 ÷ 1100 ≈ 900 µm² zar gerekir; bu, kurgu bir hücrenin bütün plazma zarı kadar bir alandır.

Kurgu bir asiner hücrenin plazma zarı 800 µm² olsun. On iki kat granüllü ER, 12 × 800 = 9600 µm² zar eder; yaprak başına iki zar olduğundan 4800 µm²'lik yaprak yüzeyi demektir. Ediz'in yığın sıklığıyla bu zar 9600 ÷ 16 = 600 µm³ sitoplazmaya sığar, kenarı 8,4 mikrometre dolayında bir küp kadar. Yığın, büyük bir zar alanını hücrenin tabanına katlamanın yoludur.

Fibroblastın baskısındaki az zarın açıklaması da buradadır. Wikipedia'nın fibroblast maddesi etkin fibroblastların bol granüllü ER'leriyle tanındığını, dinlenen fibroblastların ise daha küçük olduğunu ve daha az granüllü ER taşıdığını yazar. Kolajen dersinde bu hücrenin prokolajeni ER'de yaptığını görmüştük; üretim yavaşlayınca zar da geri çekilir. Schwarz ile Blower pankreas salgı hücrelerinde ve antikor yapan B hücrelerinde ER'nin büyük kısmının yapraklardan oluştuğunu yazar; Wikipedia'nın plazma hücresi maddesi de bol granüllü ER'yi bu hücrenin antikor salgısına bağlar. Aynı zar, işe göre büyüyüp küçülen bir yüzeydir.

İçerisi tek bir bölme

Katlar rampalarla bağlıysa lümenleri de bağlı olmalıdır. Bunu ışık mikroskobunda sınamanın bir yolu vardır. Dayel, Hom ve Verkman 1999'da floresan bir proteini, ucuna eklenen bir geri alma işaretiyle hamster hücrelerinin ER lümenine yerleştirdiler. İki mikrometrelik tek bir noktayı lazerle tekrar tekrar söndürdüklerinde hücrenin bütün ER'sindeki ışık söndü; yalnız yüzde birden az bir kısım, çekirdeğin yanındaki ayrı bir bölmede kaldı. Işık yalnız o noktada sönseydi, lümenin birbirinden kopuk keselerden kurulu olduğu düşünülürdü. Costantini ile Snapp'ın 2013 yöntem derlemesi de ER'nin neredeyse her koşulda sürekli olduğunu ve bu tür bir söndürmede ışığın bütün ER'den çekilebildiğini yazar.

Yaprakların içi yalnız bir depo değildir. Yeni zincirler lümende katlanır; yanlış katlananı ayırıp geri tutan ilk denetim de burada kurulur ve iki dersi, Protein Katlanması ile Katlanmamış Protein Yanıtı'nı dolduracak.

İpteki iki baskı

Ediz kâğıt şeridi defterine yapıştırıyor, sekiz çentiğin yanına "125 nm, en az 108" yazıyor. Altına bir otopark çiziyor: üç kat, aralarında sarmal bir rampa, katların altına ve üstüne dizili noktalar. Fibroblastın yanına tek satır düşüyor: "Aynı zar, az iş."

Suzan Hanım iki baskıyı kurusun diye masanın üstündeki ipe mandallarken dolaptan üçüncü bir zarf çıkarıyor: bir karaciğer hücresi kesiti. Baskının bir köşesinde noktasız, ince, kıvrım kıvrım bir ağ seçiliyor. "Çarşamba noktaları olmayana bakarız," diyor.

Kendini sına

1. Bir baskıda bir mikrometrelik uzunlukta on yaprak sayılıyor. Tekrar uzunluğu kaç nanometredir ve iki komşu yaprak arasına birer ribozom katı sığması için bulduğumuz alt sınırla bağdaşır mı?
2. Ribozom izini 28 nanometrelik bir kare alırsan bir mikrometrekareye en fazla kaç ribozom sığar? İki milyon ribozom için bu tavanda kaç mikrometrekare zar gerekir?
3. Climp63 azaltılınca yapraklar neden kaybolmaz, yalnız daralır? Cevabında retikülonların yaprak kenarındaki yerini kullan.
4. Bir baskıda üst üste duran yaprakların birbirinden kopuk olup olmadığını tek bir kesitle neden anlayamazsın? Terasaki ekibinin yöntemi bu soruyu nasıl çözdü?
5. Lümene yerleştirilen floresan proteinin tek bir noktadan söndürülmesi hücrenin bütün ER'sini karartıyorsa bu, "ER ayrı ayrı keselerin topluluğudur" görüşünü nasıl sınar?

Bir sonraki derse köprü

Suzan Hanım'ın karaciğer baskısındaki ağda ribozom yok. Düz Endoplazmik Retikulum dersi bu kesime bakacak: ribozomsuz borucuklardan kurulu ağ lipitleri ve steroid hormonları nasıl yapar, karaciğer hücresinde yabancı maddeleri dönüştüren enzimler neden bu zarda oturur? Kas hücresinde aynı ağ sarkoplazmik retikulum adıyla bir kalsiyum deposuna dönüştüğünde, düz zarın işini ne belirler: biçimi mi, taşıdığı proteinler mi?