Prokaryot ve ökaryot hücre

Bir kaşık yoğurtta milyonlarca bakteri vardır. Aynı kaşığı tutan elin bir tek deri hücresi, bu bakterilerden belki yüzlerce kat daha büyük bir hacme sahiptir. Bakteri hücresi bir odalı bir kulübeye, insan hücresi ise duvarlarla bölünmüş, her odasında başka bir işin yapıldığı büyük bir binaya benzer. İkisi de canlıdır, ikisi de zarla çevrilidir, ikisi de DNA'sını okuyup protein üretir; ama iç düzenleri birbirinden çok farklıdır. Bir önceki derste hücrenin keşif tarihini ve teorisini izledik. Bu derste önce hücreleri iki büyük gruba ayıran ölçüte, ardından bu iki grubun yapısındaki benzerlik ve farklılıklara bakıyoruz.

• Prokaryot ve ökaryot hücreleri ayıran temel ölçütü açıklarsın.
• İki hücre tipinde ortak olan ve farklılaşan yapıları sıralarsın.
• Bakterilerin hücre yapısındaki kamçı, plazmit, hücre duvarı gibi özellikleri tanırsın.
• Endosimbiyoz görüşünü ve hücre farklarının antibiyotik kullanımı gibi gündelik sonuçlarını değerlendirirsin.

Temel ölçüt: çekirdek zarı

Hücreler, kalıtım maddelerinin bir zarla kuşatılıp kuşatılmadığına göre iki büyük gruba ayrılır. DNA'sı bir zarın kuşattığı çekirdekte saklanan hücrelere ökaryot, böyle bir çekirdeği olmayan hücrelere prokaryot denir. Adlar da bu farkı anlatır: "karyon" çekirdek demektir; prokaryot "çekirdekten önce", ökaryot "gerçek çekirdekli" anlamına gelir. Bakteriler ve arkeler prokaryottur; protistler, mantarlar, bitkiler ve hayvanlar ökaryottur.

İki tipin ortak yapıları

İki hücre tipi de canlılığın temel gereklerini paylaşır. Her ikisinin çevresinde maddelerin giriş çıkışını denetleyen bir hücre zarı vardır. İçlerini dolduran sulu ortam sitoplazmadır. Her ikisinde de protein üreten ribozomlar bulunur. Kalıtım bilgisini ikisi de DNA'da saklar ve aynı genetik şifreyi kullanır. Bu ortaklıklar, bütün hücrelerin ortak bir kökenden geldiği görüşünü destekler.

Prokaryot hücrenin yapısı

Prokaryot hücrenin DNA'sı, sitoplazmanın nükleoit adı verilen bir bölgesinde toplanmıştır; ama bu bölge bir zarla ayrılmaz. Ana kalıtım maddesi genellikle tek bir halkasal DNA molekülüdür. Birçok bakteride bunun yanında plazmit denen küçük halkasal DNA parçaları da bulunur; plazmitler antibiyotik direnci gibi ek özellikler taşıyabilir. Prokaryotlarda mitokondri, Golgi, endoplazmik retikulum gibi zarla çevrili organeller yoktur. Ribozomları ökaryot ribozomlarından daha küçüktür.

Bakterilerin çoğunda zarın dışında koruyucu bir hücre duvarı bulunur. Bazı bakteriler bunun da dışında yapışkan bir kapsülle sarılıdır. Birçoğunun yüzeyinde dönerek hücreyi sıvı içinde ilerleten bir ya da birkaç kamçı ve yüzeylere tutunmaya yarayan kısa uzantılar vardır. Bakteriler biçimlerine göre de tanınır: küre biçimli olanlara kok, çubuk biçimli olanlara basil, sarmal biçimli olanlara spiril denir. Prokaryotlar genellikle ökaryot hücrelerden çok daha küçüktür ve DNA'larını eşleyip ikiye bölünerek çoğalırlar; mitoz ökaryotlara özgüdür.

Arkeler

Arkeler de prokaryottur; zarla çevrili çekirdekleri yoktur. Ama zar ve duvar kimyası gibi birçok özellik bakımından bakterilerden belirgin biçimde ayrılırlar. Bazıları kaplıcaların sıcak suları ya da çok tuzlu göller gibi çoğu canlının yaşayamayacağı ortamlarda yaşar.

Ökaryot hücrenin yapısı

Ökaryot hücrede DNA, çift katlı bir zarla çevrili çekirdeğin içindedir. DNA birden çok doğrusal molekül halindedir ve histon denen proteinlerin çevresine sarılarak paketlenir. Sitoplazmada çok sayıda zarla çevrili organel bulunur: enerji üreten mitokondri, protein ve yağ yapımında görev alan endoplazmik retikulum, maddeleri paketleyen Golgi, sindirim yapan lizozom ve bitkilerde fotosentez yapan kloroplast. Ökaryot hücreyi ayrıca protein liflerinden oluşan bir hücre iskeleti destekler; bu ağ hücreye biçim verir ve organellerin hücre içinde taşınmasını sağlar. Bitki ve mantar hücrelerinde zarın dışında bir hücre duvarı da bulunur; bu duvar bakterilerin duvarından farklı maddelerden yapılmıştır. Bu organeller sonraki derslerde ayrıntılı olarak ele alınacaktır.

Tek hücreli her canlı prokaryot değildir

Sık yapılan bir hata, tek hücreli canlıların hepsini prokaryot saymaktır. Amip, terliksi hayvan ve ekmek mayası tek bir hücreden oluşur, ama her birinin çekirdeği bir zarla kuşatılmıştır ve organelleri vardır; yani ökaryotturlar. Tersine, bütün prokaryotlar tek hücrelidir. Bir canlının prokaryot mu ökaryot mu olduğunu hücre sayısı değil, hücresinin iç düzeni belirler.

Prokaryotlar ve yeryüzü

Yeryüzündeki en eski yaşam izlerinin prokaryotlara ait olduğu düşünülür; ökaryot hücreler çok daha sonra ortaya çıkmıştır. Prokaryotlar bugün de hemen her ortamda yaşar: toprakta, denizde, buzulların altında, sıcak su kaynaklarında ve canlıların vücudunda. Fotosentez yapan siyanobakteriler, çok uzun bir zaman boyunca atmosfere oksijen vererek oksijenli solunum yapan canlıların ortaya çıkmasına zemin hazırlamıştır. Ayrıştırıcı bakteriler ise ölü canlıları parçalayarak maddelerin doğaya geri dönmesini sağlar.

Bölmelerin avantajı

Ökaryot hücrenin zarlı bölmeleri, farklı tepkimelerin birbirine karışmadan aynı anda yürümesini sağlar. Lizozomun asidik sindirim ortamı sitoplazmadan ayrı tutulur; mitokondri kendi tepkimelerini kendi bölmesinde yürütür. Bu düzen, ökaryot hücrelerin prokaryotlardan çok daha büyük olabilmesine de olanak tanır.

Endosimbiyoz görüşü

Mitokondri ve kloroplastın bazı özellikleri bakterilere benzer: her ikisi de çift zarla çevrilidir, kendilerine ait halkasal DNA'ları vardır, prokaryot ribozomlarına benzeyen ribozomlar taşırlar ve ikiye bölünerek çoğalırlar. Bu benzerlikler, iki organelin bir zamanlar serbest yaşayan prokaryotlardan türediğini ve başka bir hücrenin içine alınıp onunla birlikte yaşamaya başladığını düşündürür. Lynn Margulis'in güçlü biçimde savunduğu bu endosimbiyoz görüşü bugün geniş kanıtlarla desteklenmektedir.

Gündelik sonuçlar

Prokaryot ve ökaryot hücreler arasındaki farklar ilaçların tasarımında kullanılır. Bazı antibiyotikler yalnız bakterilerde bulunan hücre duvarını, bazıları bakterilere özgü küçük ribozomları hedef alır; insan hücrelerinde bu yapılar farklı olduğu için ilaç bakteriye zarar verirken insan hücrelerini büyük ölçüde etkilemez. Antibiyotikler virüslere etki etmez, çünkü virüslerin hücre yapısı yoktur. Prokaryotların hepsi zararlı da değildir: yoğurt yapımında sütteki şekeri laktik aside çeviren bakteriler kullanılır; bağırsaktaki yararlı bakteriler bazı vitaminleri üretir, toprak bakterileri ise azotun canlılar tarafından kullanılabilir hale gelmesinde görev alır.

Hangi tipte olursa olsun her hücreyi dış dünyadan ayıran bir sınır vardır. Sıradaki ders o sınırı, hücre zarının yapısını ele alıyor.

Örnek 1 — Temel ölçüt

Soru: Bir hücrenin prokaryot mu ökaryot mu olduğuna karar vermek için hangi özelliğe bakılır?

• A) Hücre zarının varlığına
• B) Ribozomun varlığına
• C) Zarla çevrili bir çekirdeğin varlığına
• D) DNA'nın varlığına
• E) Sitoplazmanın varlığına

Çözüm: Zar, ribozom, DNA ve sitoplazma iki tipte de vardır; ayırt edici olan çekirdek zarıdır. Cevap: C.

Örnek 2 — Ortak yapı

Soru: Hangisi hem bir bakteride hem bir hayvan hücresinde bulunur?

• A) Mitokondri
• B) Golgi aygıtı
• C) Lizozom
• D) Çekirdek zarı
• E) Ribozom

Çözüm: Protein sentezi her hücrede gerekli olduğu için ribozom iki tipte de bulunur. Cevap: E.

Örnek 3 — Tanımlama

Soru: İçinde hücre duvarı, ribozom ve halkasal DNA bulunan ama hiçbir zarlı organel bulunmayan bir hücre hangisidir?

• A) Bir bakteri
• B) Bir bitki hücresi
• C) Bir mantar hücresi
• D) Bir hayvan hücresi
• E) Bir amip

Çözüm: Zarlı organel yokluğu prokaryotu gösterir; hücre duvarı bakterilerde bulunur. Cevap: A.

Örnek 4 — Endosimbiyoz

Soru: Mitokondrinin bir zamanlar serbest yaşayan bir prokaryottan türediği görüşünü hangisi destekler?

• A) Çekirdeğin içinde bulunması
• B) Kendi DNA'sının ve bakteriye benzer ribozomlarının olması
• C) Fotosentez yapması
• D) Hücre duvarı taşıması
• E) Yalnız bitkilerde bulunması

Çözüm: Bu benzerlikler organelin bakteri kökenli olduğunu düşündürür. Cevap: B.

• Prokaryotlarda hiç DNA olmadığını sanmak. DNA vardır, ama zarla çevrili değildir.
• Ribozomun yalnız ökaryotlarda bulunduğunu düşünmek. Ribozom iki tipte de vardır.
• Bütün prokaryotları bakteri sanmak. Arkeler de prokaryottur.
• Bakterilerin mitozla çoğaldığını sanmak. Bakteriler ikiye bölünür.
• Antibiyotiklerin virüsleri öldürdüğünü sanmak. Virüslerin hedeflenecek hücre yapısı yoktur.