Hücre zarının yapısı

Kırmızı pancardan kesilmiş birkaç dilimi soğuk suya koyun; su saatlerce neredeyse renksiz kalır. Aynı dilimleri sıcak suya koyduğunuzda ise su birkaç dakikada pembeleşir, sonra koyu kırmızıya döner. Pancarın kırmızı boyası hücrelerin içindedir ve canlı, sağlam hücreler onu içeride tutar. Isı, bu boyayı içeride tutan ince sınırı bozmuş ve boya dışarı sızmıştır. O sınır, her hücreyi saran hücre zarıdır. Bir önceki derste hücreleri prokaryot ve ökaryot olarak ikiye ayırdık ve iki tipin de bir zarla çevrili olduğunu gördük. Bu derste önce bu zarın hangi moleküllerden kurulduğuna, ardından bu yapının zara hangi yetenekleri kazandırdığına bakıyoruz.

• Akıcı mozaik modelini ve zarın başlıca bileşenlerini açıklarsın.
• Zar proteinlerinin, kolesterolün ve karbonhidratların görevlerini eşleştirirsin.
• Hangi maddelerin zardan kolay, hangilerinin güç geçtiğini yapılarına göre tahmin edersin.
• Hücre zarını hücre duvarından ayırır, zar yapısıyla ilgili deney sonuçlarını yorumlarsın.

Sınırın önemi

Her hücre, içini dış ortamdan ayıran ince bir sınırla çevrilidir. Bu sınır hücrenin iç ortamını dışarıdan farklı tutar: hücrenin içinde bazı iyonlar dışarıdakinden çok daha yoğun, bazıları çok daha seyrek bulunur. Hücre bu farkı koruyamazsa canlılığını sürdüremez. Hücre zarı yalnız bir duvar değildir; neyin girip neyin çıkacağına karar veren, dışarıdan gelen mesajları algılayan ve komşu hücreleri tanıyan canlı bir yapıdır.

Akıcı mozaik modeli

Hücre zarının yapısını bugün en iyi açıklayan model, 1972'de S. J. Singer ve G. Nicolson'ın önerdiği akıcı mozaik modelidir. Modele göre zar, içinde farklı türde proteinlerin yüzdüğü akışkan bir lipit tabakasıdır. "Mozaik" kelimesi, proteinlerin bu tabakaya bir mozaiğin taşları gibi serpiştirilmiş olmasını anlatır. "Akıcı" kelimesi ise zardaki moleküllerin yerlerinde sabit durmadığını, tabaka boyunca yana doğru kayabildiğini anlatır.

Lipit iskelet

Zarın sürekli tabakasını iki sıra fosfolipit oluşturur. Yağlar dersinde gördüğümüz gibi her fosfolipidin suyla iyi anlaşan bir başı ve sudan kaçan iki kuyruğu vardır. Hücrenin hem içi hem dışı sulu olduğu için başlar iki yüze, kuyruklar tabakanın ortasına toplanır. Böylece zarın ortasında yağlı, suyu geçirmeyen ince bir katman oluşur. Bu katman, zarın seçici geçirgenliğinin temelidir. Zarın bütün kalınlığı yalnızca birkaç nanometredir; ışık mikroskobunda hücrenin çevresinde tek bir ince çizgi gibi görünür, katmanlı yapısı ancak elektron mikroskobuyla seçilebilir.

Zar proteinleri

Lipit tabakasına yerleşmiş proteinler, zarın işlerinin büyük kısmını üstlenir. Bazı proteinler zarın yalnız bir yüzüne tutunur; bazıları ise zarı boydan boya geçer ve iki yüze birden uzanır. Görevlerine göre birkaç grupta toplanabilirler:

• Kanal ve taşıyıcı proteinler: iyonların ve glikoz gibi moleküllerin zardan geçmesini sağlar.
• Reseptör proteinler: hormon gibi sinyal moleküllerini tanır ve hücreye haber iletir.
• Enzimler: zar yüzeyinde bazı tepkimeleri hızlandırır.
• Bağlantı proteinleri: hücreleri birbirine ve hücre iskeletine bağlar.

Kolesterol

Hayvan hücrelerinin zarında fosfolipitlerin arasına yerleşmiş kolesterol molekülleri bulunur. Kolesterol zarın akışkanlığını dengeler: sıcakta zarın aşırı akışkan olmasını, soğukta ise fazla katılaşmasını önler. Bitki hücrelerinin zarında kolesterol yerine benzer görevli başka steroidler bulunur.

Karbonhidratlar ve tanıma

Zarın dış yüzünde bazı proteinlere ve lipitlere kısa şeker zincirleri bağlıdır; bunlara glikoprotein ve glikolipit denir. Bu şeker zincirleri yalnızca zarın hücre dışına bakan yüzünde bulunur ve hücrenin kimlik kartı gibi çalışır. Bağışıklık sistemi bu işaretler sayesinde vücudun kendi hücrelerini yabancılardan ayırır. Kan gruplarını belirleyen işaretler de kırmızı kan hücrelerinin yüzeyindeki bu şekerli moleküllerdir; uygun olmayan kan naklinde ortaya çıkan tepki bu yüzdendir.

Akışkanlık

Zarın akışkanlığı sabit değildir. Sıcaklık arttıkça moleküller hızlanır ve zar daha akışkan olur. Fosfolipitlerin kuyruklarında doymamış yağ asitleri fazlaysa zincirlerdeki bükülmeler molekülleri birbirinden uzak tutar ve zar daha akışkan kalır. Zarın akışkan olması, proteinlerin hareket edebilmesi, zarın küçük yaralarını kendiliğinden kapatabilmesi ve hücre bölünürken ikiye ayrılabilmesi için gereklidir.

Zar ve sinyaller

Hormonlar dersinde hormonların yalnızca reseptörü olan hedef hücreleri etkilediğini görmüştük. Bu reseptörlerin yeri hormonun yapısına bağlıdır. İnsülin gibi protein yapılı hormonlar büyük ve polar oldukları için zardan geçemez; zarın dış yüzündeki reseptörlere bağlanırlar ve mesajları hücrenin içine zar proteinleri aracılığıyla iletilir. Östrojen gibi steroid hormonlar ise yağda çözündükleri için lipit tabakasından geçerek hücrenin içindeki reseptörlere ulaşabilir. Böylece zarın yapısı, bir hormonun hücreye nasıl ulaşacağını da belirler.

Seçici geçirgenlik

Zarın ortasındaki yağlı katman, maddeleri yapılarına göre ayırır. Küçük ve apolar moleküller, örneğin oksijen ve karbon dioksit, bu katmanda çözünerek kolayca karşıya geçer. Su küçük ama polar bir moleküldür; bir kısmı lipit tabakasından sızar, ama geçişinin büyük kısmını zardaki özel su kanalları hızlandırır. Yüklü iyonlar ve glikoz gibi büyük polar moleküller yağlı katmandan kendiliğinden geçemez; onlar için kanal ve taşıyıcı proteinler gerekir. Bu geçiş yollarının işleyişi sonraki iki dersin konusudur.

Pancar deneyi

Kanca'daki deney zarın bu yapısını doğrudan gösterir. Canlı pancar hücrelerinin zarı, kırmızı boyanın dışarı çıkmasını engeller. Sıcaklık yükseldikçe zar proteinlerinin biçimi bozulur ve lipit tabakasının düzeni dağılır; zar seçiciliğini kaybeder ve boya suya geçer. Deneyde bağımsız değişken sıcaklık, bağımlı değişken suyun rengidir.

Duvar ve zar

Bitkilerin, mantarların ve bakterilerin hücreleri, zarlarının üstünde ayrıca sağlam bir hücre duvarı taşır. Duvar hücreye destek verir ve onu korur, ama maddelerin geçişini seçmez; büyük ölçüde geçirgendir. Neyin hücreye girip çıkacağına zar karar verir. Hayvan hücrelerinde hücre duvarı yoktur. Bu yüzden hayvan hücreleri biçimlerini hücre iskeleti sayesinde korur ve çevredeki su miktarındaki değişimlere karşı daha savunmasızdır.

Organel zarları

Ökaryot hücrede çekirdek, mitokondri, endoplazmik retikulum ve Golgi gibi yapıları saran zarlar da aynı temel düzenle kurulmuştur. Bu zarlar hücreyi farklı işlerin yapıldığı bölmelere ayırır.

Zarın yapısını tanıdıktan sonra sıradaki ders, maddelerin bu zardan enerji harcanmadan nasıl geçtiğini, yani difüzyonu ve osmozu ele alıyor.

Örnek 1 — Model

Soru: Akıcı mozaik modelinde "mozaik" kelimesi neyi anlatır?

• A) Zarın renkli olmasını
• B) Zarın tek tabakalı olmasını
• C) Zarın yalnız proteinden oluşmasını
• D) Lipit tabakasına farklı proteinlerin serpiştirilmiş olmasını
• E) Zarın hiç hareket etmemesini

Çözüm: Proteinler lipit tabakasında mozaik taşları gibi dağınık yer alır. Cevap: D.

Örnek 2 — Geçirgenlik

Soru: Hangisi lipit tabakasından en kolay geçer?

• A) Sodyum iyonu
• B) Glikoz
• C) Oksijen
• D) Protein
• E) Nişasta

Çözüm: Küçük ve apolar oksijen yağlı katmanda çözünerek geçer. Cevap: C.

Örnek 3 — Tanıma

Soru: Kan nakli sırasında görülen uyuşmazlık tepkisi zarın hangi bileşeniyle ilgilidir?

• A) Kırmızı kan hücrelerinin yüzeyindeki şekerli işaretler
• B) Zarın ortasındaki yağlı katman
• C) Kolesterol
• D) Su kanalları
• E) Hücre duvarı

Çözüm: Kan grubunu belirleyen işaretler zarın dış yüzündeki glikoprotein ve glikolipitlerdir. Cevap: A.

Örnek 4 — Deney

Soru: Pancar dilimleri sıcak suya konunca suyun kırmızılaşmasının nedeni nedir?

• A) Suyun pancarı boyaması
• B) Yüksek sıcaklığın zarın yapısını bozup seçiciliğini ortadan kaldırması
• C) Hücre duvarının kalınlaşması
• D) Pancarın fotosentez yapması
• E) Boyanın sıcakta buharlaşması

Çözüm: Bozulan zar, içerideki boyanın dışarı sızmasını engelleyemez. Cevap: B.

• Zarı katı ve hareketsiz sanmak. Zar akışkandır; molekülleri yana kayabilir.
• Karbonhidratların zarın iki yüzünde de bulunduğunu sanmak. Şeker zincirleri yalnız dış yüzdedir.
• Hücre duvarını seçici sanmak. Seçici olan zardır; duvar büyük ölçüde geçirgendir.
• İyonların lipit tabakasından kendiliğinden geçtiğini düşünmek. İyonlar için protein yolu gerekir.
• Kolesterolün her hücre zarında bulunduğunu sanmak. Kolesterol hayvan hücre zarlarına özgüdür.