Hücre Zarının Yapısı, Madde Taşınması ve Elektriksel

Erciyes Üniversitesi
Halil Bayraktar Sağlık Hizmetleri Meslek
Yüksekokulu
Fizyoloji Ders Notu
20.7.2017
1
Hücre Zarının (Membranının) Yapısı,
Madde Taşınması ve Elektriksel
Özellikleri
20.7.2017
2
Hücre Zarının Yapısı
Hücre zarı;
 Hücreyi dış ortamdan
ayıran
 Hücreye şeklini veren
 Hücrenin bütünlüğünü
sağlayan
 Seçici- geçirgen, canlı
bir yapıdır.
20.7.2017
Zarın Genek Özellikleri:
 Kalınlığı 75 – 100
angstrom (7.5 – 10 nm)
arasında değişmektedir.
 Canlıdır
 Saydamdır
 Esnektir
 Akışkandır
 Seçici geçirgendir
3
• Yaşam için çok önemlidir; çünkü bir hücre iki
sebepten dolayı kendisini dışarıdaki ortamdan
ayırmak zorundadır:
1. DNA, RNA ve benzeri yaşamsal moleküllerini dağılmaktan
korumalıdır.
2. Hücre molekül yada organellerine zarar verebilecek yabancı
molekülleri uzak tutmalıdır.
20.7.2017
4
Çift katmanlı olan hücre zarı başlıca üç temel
bileşenden oluşur;
Proteinler (%55)
Lipitler (%42)
Karbonhidratlar (%3)
20.7.2017
5
PROTEİNLER
• Proteinler hücre zarında, perifrik ve integral proteinler
olarak gruplandırılar
Periferik Proteinler;
– Zarın iç ve dış yüzey kısımlarında bulur,
– Reseptör olarak görev yaparlar.
İntegral Proteinler;
– Zarda boydan boya uzanır
– İyon kanalı ya da taşıyıcı olarak görev yaparlar.
20.7.2017
6
İyon Kanalları
• Hücre zarında bulunurlar,
• Hidrofilik (suyu seven) yapıda olduğu için hücre
zarının lipid kısmından geçiş yapamayan iyonların
taşınması ile görevli kanallardır.
20.7.2017
7
• İyonların geçişini düzenleyerek sinir ve kas gibi
hücrelerde membran potansiyelinin hızlı değişimi ve
aksiyon potansiyelinin oluşumuna aracılık ederler .
• Seçici geçirgendirler ve her biri belli iyonların
taşınması ile görevlidir.
• Bu seçicilik ise iyonun hacimsel büyüklüğüne
bağlıdır.
20.7.2017
8
• Kanallar seçicidir; açılıp kapanma özellikleri ve
oranları açısından farklı özellikler gösterirler
• Anyon-seçici kanallar da, katyon seçici kanallar da
genellikle tek bir iyon için seçicidir
• Bazı katyon-seçici kanallar Na+ , K+, Ca2+ ve Mg2+
gibi katyonların tümünün geçişine izin verir
20.7.2017
9
Kapılı Kanallar
• Ligand Kapılı Kanallar
• Voltaj Kapılı Kanallar
• Mekanik Kapılı Kanalları (mekanosensitif)
Sızma Kanalları
20.7.2017
10
Ligand Kapılı Kanallar
• Özel kimyasal habercilerin
bağlanması sonucu,
konformasyonu değişerek iyon
geçişine izin veren kanallardır.
(ligand: nörotransmitterler ya
da kimyasal ajanlar olabilir)
20.7.2017
11
Voltaj Kapılı Kanallar
• Zarda meydana gelen
potansiyel değişiklik ile
açılan kanallardır
• Voltaj bir tetik değerde ise
açılır ve voltaj tetik
değerine tekrar
döndüğünde kapanırlar.
• Ör: Voltaj-kapılı Na+
kanallarının iyon seçiciliği
20.7.2017
12
Mekanik Kapılı Kanalları
(mekanosensitif)
• Zarda meydana gelen
gerim ile açılan
kanallardır.
• Dokunma işitme ve denge
gibi duyuların
oluşumunda görev alan
kanallardır.
• Kardiyovaskular
regülasyon önemli roleri
vardır.
20.7.2017
13
Sızma kanalları
• Her zaman açıktırlar
• En iyi bilineni bazı K
kanallarıdır.
• K+ bu kanallar vasıtasıyla
hücre içinden dışına sızar.
Böylece membran
kapasitörü yüklenir.
• Hücre içindeki negatifliğin
artmasını sağlar ve NaK
pompası için gerekli
gradyanı oluşturular.
20.7.2017
14
Membran Lipitleri
• Fosfolipitler
• Kolestrol
20.7.2017
15
FOSFOLİPİTLER
• Hücre zarı iki tabakalı bir
fosfolipid yapıdan oluşur.
• Her bir fosfolipid tabaka,
hidrofilik (suyu seven) baş
ve hidrofobik (suyu
sevmeyen) kuyruk içerir.
• Fosfolipid tabakanın
hidrofilik baş kısımları,
zarın dış tabakasını
oluştururken;
• Hidrofobik kuyruk kısımları
iç kısımlarını oluştururlar.
20.7.2017
16
Kolestrol
•Zar lipidleri, büyük oranda
fosfolipidlerden oluşsa da, daha az
oranda kolesterol ve diğer lipid
tiplerini de içerir.
•Zarda bulunan kolesterolün en
önemli görevi; yüksek ısı gibi iç ya da
dış etkenlerin zar akışkanlığını
artırmasını engelleyerek, zar
dayanıklılığının sürdürülmesini
sağlamaktır.
20.7.2017
17
LİPİT TABAKADAN GEÇEN VE
GEMEYEN MADDELER
Yağda çözünen;
Suda çözünen;
•
•
•
•
• Na+
• K+
• Cl• Glukoz
• Amino asit gibi maddeler
• ve SU
zardaki kanallar, porlar yada
taşıyıcı proteinler aracılığı
ile geçerler.
O2
CO2
Steroid hormonlar ve
Vitaminler (A,D,E ve K)
lipit tabakadan rahatlıkla
geçer.
20.7.2017
18
KARBONHİDRATLAR
Zar yapısındaki karbonhidratlar;
• Lipitlere bağlı olarak glikolipit yapısında
• Proteinlere bağlı olarak glikoprotein yapısında
bulunurlar
Başlıca görevleri;
• Hücrelerin birbirini tanımasını sağlar,
• Antijenik özellik kazanmasını sağlamaktır.
20.7.2017
19
20.7.2017
20
HÜCRE ZARINDAN MADDE TAŞINMA
YOLLARI
1. Pasif Taşıma
Enerji gerektirmeyen taşıma mekanizmalarıdır ki bunlar;
– Basit Difüzyon(sızma,yayılma)
– Kolaylaştırılmış Difüzyon
– Ozmoz
– Filtrasyon
20.7.2017
21
HÜCRE ZARINDAN MADDE TAŞINMA
YOLLARI
2. Aktif Taşıma
Enerji gerektiren taşıma mekanizmalarıdır ki bunlar ise;
– Aktif Transport
– Endositoz
– Ekzositoz
20.7.2017
22
Pasif Taşıma Mekanizmaları
Basit Difüzyon(sızma,yayılma)
 Lipit tabakasında
eriyebilen molekül yada
maddelerin (O2, CO2,
steroid hormonlar ve
A,D,E,K gibi yağda
eriyebilen vitaminler vb.)
zar aralığından
20.7.2017
23
Bu tabakada eriyemeyen molekül ya da
maddelerin (Na+ , K+,Cl-, Ca+2,üre ve su vb.
maddeler) protein kanallardan kinetik
enerjileri yoluyla az yoğun ortamdan çok
yoğun ortama geçmesi olayıdır.
20.7.2017
24
MEMBRANLARDAN DİFÜZYON
•
Hücre zarında difüzyon, aynı molekülün sudaki
difüzyonundan çok daha yavaştır
•
Membranda difüzyonu sınırlayan esas faktör çift katlı
lipid tabakadır.
•
Polar (yüklü) ve iyonize moleküller ya hiç ya da çok
az difüze olur
•
Bir maddenin lipidlerde eriyebilirliğinin yüksek
olması membranlardan daha kolay geçmesini sağlar
20.7.2017
25
20.7.2017
26
• Birim zamanda zarı geçen maddenin difüzyon
hızı aşağıdaki formülle hesaplanmaktadır;
F= P. A / d. (C1-C2)
P= Geçirgenlik sabiti (permabilite mmol/sn)
A= Yüzey alan (cm2)
d= Zar (membran) kalınlığı
C1 ve C2 zarın iki tarafı arasındaki konsantrasyon farkı.
20.7.2017
27
Biyolojik membranda basit diffüzyonu belirleyen
faktörler

Eğer difüzyon, bir zardan geçerek olacak ise membranın geçirgenlik
sabiti difüzyonu etkiler
– Permeabilite (P), geçirgenlik
(cm/sn)
• Maddeye ait değişkenler
– Maddenin yağda erirlik kat
sayısı
– Molekül ağırlığı: molekül
ne kadar büyükse o
kadar yavaş
– Elektrik yükü: Yüklü
moleküllerin düfüzyonu
durur.
• Maddenin geçeceği kanala ait
değişkenler
– Kanal sayısı
– Kanalın direnci
– Kanalın uzunluğu
– Kanalın elektrik yükü
• Sıcaklık
– Maddenin geçeceği yüzey alanı (A,
cm2)
– Maddelerin geçeceği mesafe (x,
biyolojik membranda 10 -6 cm)
20.7.2017
28
20.7.2017
29
Kolaylaştırılmış Difüzyon
• Glikoz ve amino asitler gibi büyük ve lipid
içinde çözünmeyen bazı molekül ve iyonların
membranın lipid tabakasından geçememesi bir
taşıyıcı protein (UNİPORT, transporter) ile
“kolaylaştırılır”.
• Taşıma derişim (yoğunluk) farkı yönündedir.
• Metabolik enerji tüketimi olmaz.
• Taşıyıcı belli bir doygunluğa ulaşabilir.
• Taşıma sırasında taşıyıcı proteinin zar
içerisindeki yerleşimi değişir. Taşımadan sonra
taşıyıcı, zardaki orjinal durumuna geri döner.
20.7.2017
30
• Taşıyıcı özgüldür.
– Glikoz ve monosakkaridleri taşıyan hekzos
taşıyıcısı
– Bikarbonat ve Cl gibi anyonları taşıyan
Band2 taşıyıcısı
• Basit difüzyondan daha hızlıdır,
• Sınırlı taşıyıcı protein olduğu için
taşıma olayının maksimum bir hızı
vardır,
• Nedeni taşıyıcı protein miktarının
sayılı olması nedeni ile doyurulabilir
olmasıdır.
• Barsak ve böbreklerden glikoz ve
amino asit emilimi bu yolla
gerçekleşmektedir.
20.7.2017
31
Osmoz, Osmolarite ve Osmolalite
• Seçici geçirgen bir zardan suyun derişiminin az
olduğu taraftan çok olduğu tarafa difüzyonudur.
• Bir çözeltinin osmolar derişimi Kilogram su başına
çözülmüş madde olarak hesaplanırsa (örn: 30 mOsm /
kg) osmolalite;
• Litre su başına çözünmüş madde olarak hesaplanırsa
(örn: 50 mOsm /L) osmolarite ile ifade edilir.
20.7.2017
32
Osmotik Basınç
• Suyun yarı geçirgen bir zardan geçişini
durdurmak için gerekli karşı basınca
osmotik basınç denir.
• Suyun geçerken zara uyguladığı basınç da
denebilir.
• Bir çözeltide parçacıkların oluşturduğu
osmotik basınç, sıvının birim hacmindeki
parçacık kütlesi tarafından değil, parçacık
sayısı tarafından belirlenir.
20.7.2017
33
Osmol
• Osmol derişimin parçacık sayısı olarak ifade edilmesidir.
• Bir osmol, ayrışmadan çözünen bir maddenin bir mol
gramıdır.
• 1 mol glikoz (180 gr) = 1 osmol glikoz
Çünkü: glikoz çözündüğü zaman parçalanmaz, molekül
sayısı aynı kalır.
Örn:
1 mol glikoz + 1 L sudan oluşan çözeltinin osmolaritesi
1 osmol dür.
20.7.2017
34
• Sodyum Klorür (NaCl) gibi bileşiklerde ise durum farklıdır. Bu tür
iyonik bileşikler çözündüklerinde iyonlarına ayrılır ve eğer NaCI
örneğindeki gibi tamamen iyonlarına ayrılıyorlarsa osmolaliteleri
molar kütlelerinin iki katıdır.
• 1 mol NaCI + 1 L su = 2 osm/kg çözelti.
Çünkü :
NaCl çözüldüğünde Na ve Cl olmak üzere iyonlarına ayrışarak
ortamdaki partikül sayısının 2 katına çıkmasına sebep olur.
(osmolalite kütleye değil partikül sayısına bağlıdır.)
20.7.2017
35
• 1 L suda çözünmüş olan 1/1000 osmol katı maddenin
osmolaritesi 1 miliosmol dür ve 1 mOsm olarak ifade edilir.
• Hücre içi ve hücre dışı sıvıların normal osmolaliteleri
yaklaşık 300 mOsm/kg dir.
• %1-2 lik bir değişmede vücuttaki homeostazisin korunması
için osmoreseptörler bu duruma yanıt verir.
• 1 mOsm/kg lik derişim farkı 19,3 mmHg lik osmotik basınç
yaratır. Bu nedenle vücut sıvıların yaklaşık osmotik basıncı
1 mOsm
300 mOsm
20.7.2017
19,3 mmHg
X
5790 mmHg olur
36
İzoozmotik, Hiperozmotik ve
Hipoozmotik Kavramları
• Eğer yarıgeçirgen bir zar ile ayrılmış iki solusyonunun,
suda çözünen madde konsantrasyonları eşit ise bu tür
solusyonlara izoozmotik,
• Bu iki solusyonun konsantrasyonu farklı ise;
ozmolaritesi yüksek olan solusyona hiperozmotik,
• Düşük yoğunluklu olan hipoozmotik solüsyondur
20.7.2017
37
• Çeşitli tıbbi durumlar sebebiyle, insan vücuduna
genellikle damar yolu ile sıvı vermek gerekebilir.
• Ancak bu verilecek solusyon canlı vücudundaki
hücreler ile aynı osmotik basınca sahip olmalıdır.
20.7.2017
38
• Hücrenin içine bırakıldığı solusyonlar;
• hücrenin hacmini değiştirmiyorsa izotonik (eş yoğun)
• Hücrenin şişmesine hatta patlamasına sebep oluyorsa
hipotonik (az yoğun)
• Hücrenin büzülmesini sağlıyorsa hipertonik (çok
yoğun) solusyon olarak adlandırılır.
20.7.2017
39
20.7.2017
40
Hemoliz ?
• Eritrositlerin
sonucu
hücre
hemoglobin
zarının
parçalanması
molekülünün
dışarı
çıkmasına verilen isimdir. Çeşitli nedenleri
olabilir. Ortaya çıkış nedenleri bakımından iki
farklı hemoliz tipi tanımlanmıştır:
• Ozmotik hemoliz ve hemositoliz.
20.7.2017
41
• Ozmotik Hemoliz: Başka bir dış
etken olmaksızın
(ozmoz nedeniyle) eritrosit
hücrelerinin fazla su almaları
sonucu oluşan hemolize, ozmotik
hemoliz denir.
Hemolize uğramış
eritrosit
• Çeşitli kimyasal, fiziki veya
mekanik faktörler
dolayısıyla eritrositlerin hücre
zarlarındaki lipid tabakasının
erimesi sonucu oluşan
hemolize hemositoliz denir.
20.7.2017
42
Örneğin;
• Serum fizyolojik denilen % 0,9 luk NaCl
solüsyonu,
• %5 lik Glikoz solusyonu vücut hücrelerimizle
eş yoğunluktaki maddelerdir
20.7.2017
43
%0,9 luk NaCl nasıl Hazırlanır?
1 mol NaCl (58,5 gr)
2 osmol partikül ise içeriyorsa
X gram
1 osmol
29,25 gr
O Halde vücudumuzla eş yoğunlukta olması için
0,3 osmole denk gelen NaCl miktarı hesaplanarak 1kg
suda çözünürse izotonik bir solüsyon elde edilmiş olur.
( yaklaşık 8,775 gr NaCl yi 1 kg suda çözerek elde edebiliriz)
20.7.2017
44
Aktif Taşınma (Transport)
• Maddenin konsantrasyon
(yoğunluk) farkına karşı
enerji (ATP) harcanarak
taşınması, yani az yoğun
ortamdan çok yoğun
ortama maddenin
taşınması olayı olarak
ifade edilmektedir.
20.7.2017
45
Aktif Transport Tipleri
1. Primer aktif transport
Taşıyıcı protein, taşınacak maddeyi ATP den elde ettiği
enerjiyi kullanarak, madde yoğunluğunun az olduğu
ortamdan çok olduğu ortama doğru taşımaktadır. Bu
taşıyıcı proteinler şunlardır;

Na+-K+ ATPaz (tüm hücrelerde)

Ca+2 ATPaz (sarkoplazmik retikulum)

H+ ATPaz (mide hücrelerinde)

H+-K+ ATPaz (böbrek ve bazı salgı hücre organellerinde)
20.7.2017
46
…Na+-K+ ATPaz pompasının önemi…
• Bu protein pompa gece
gündüz hiç durmaksızın
hücre dışına 3 sodyum
(Na+) iyonu
pompalarken,bunların
yerine 2 potasyum (K+)
iyonunu içeri çeker.
• Bu işi yaparken ATP
enerjisi kullanır
• Hücrenin toplam enerji
üretiminin üçte birini
yakıt olarak kullanır
20.7.2017
47
• Vücuttaki bütün hücrelerde bulunan bu
pompalar, hücre içinde iyon yoğunluğunu
sağlamak ve hücre hacmini kontrol etmek
için kullanılır.
• Hücre zarının sodyuma (Na+) olan geçirgenliği
potasyuma (K+) olan geçirgenliğinden 20 kat
daha azdır.
20.7.2017
48
Ca+2 ATPaz
H+ ATPaz
H+-K+ ATPaz
20.7.2017
49
2. Sekonder aktif transport
•
•
Yine az yoğun ortamdan çok yoğun ortama
madde taşınması söz konusudur ancak burada
enerji olarak doğrudan ATP değil, iyon
konsantrasyon gradyenti kullanılır
Taşıyıcı protein üzerinde iki bağlanma bölgesi
vardır, bu bölgelerden;
–
–
20.7.2017
biri asıl taşınacak madde
diğeri ise enerjiyi sağlayacak olan iyonu bağlayan
bölgedir.
50
•
Enerjiyi sağlayacak olan iyon genellikle Na+
dur.
•
Eğer iki madde aynı yönde taşınır ise bu olaya
ko-transport veya simport taşıma denir,
•
Ör Glikoz ve birçok aminoasit bu şekilde
taşınır.
20.7.2017
51
• Bu iki madde zıt yönde taşınırsa counter
transport veya antiport taşıma olarak
adlandırılır.
• Na+-Ca+2, Na+ H+ taşımaları örnek olarak
verilebilir
20.7.2017
52
Antiport Taşıma
20.7.2017
Simport Taşıma
53
Endositoz
• Hücre zarından difüzyonla veya aktif taşımayla
geçemeyecek büyüklükteki moleküllerin hücre
içine alınma yöntemidir.
• Madde hücreye alınırken enerji harcanır.
İki çeşit endositozdan bahsetmek mümkündür:
• Fagositoz: Katı moleküllerin alınması.
• Pinositoz: Sıvı veya sıvıda çözülmüş moleküllerin
alınması. Hormonların hücre içine alınmasında da
bu yöntem büyük ölçüde kullanılır.
20.7.2017
54
Fagositoz
20.7.2017
Pinositoz
55
Ekzositoz
• Hücre içindeki büyük moleküllerin hücre dışına
atılmasını sağlayan taşıma şeklidir.
• Hücre içindeki moleküllerin sindirlemeyen
atıkları, koful içinde hücre zarına getirilip, koful
zarı ve hücre zarının birleşmesi yoluyla atılır.
• ATP enerjisi harcanır.
20.7.2017
56
Ekzositoz
20.7.2017
57
MEMBRAN DİNLENİM POTANSİYELİ
(MDP)
• Vücuttaki bütün hücreler membranlarının iç yüzü ile dış yüzü
arasında bir elektriksel potansiyel farkına sahiptir. B una
membran dinlenim potansiyeli denir.
• Uyarılamayan hücrlerede MDP (epitel hücresinde); -20, -40 mV
• Uyarılabilir hücrelerden çizgili kas ve kalp kasının MDP si
-90mV,
• düz kas hücrelerinin -65 mV
• sinir hücrelerinde -70, -90 mV arasında değişmektedir.
20.7.2017
58
• Hücrelerimiz iç ve
dışında Na+, K+, Cl-, Mg+2,
Ca+2, H+, HCO3-, HPO4-, SO4-2 gibi
pek çok yüklü iyon
vardır.
• Bu iyonlar hücrenin içi
ve dışında eşit
derişimde dağılmazlar.
• Na+ ve Cl- iyonları hücre
dışında, K+ iyonu ise
hücre içinde çok daha
fazladır.
20.7.2017
59
• MDP’i sadece K+ iyonlarının diffüzyonu ile
oluşsa idi –94 mV (membran dinlenim potansiyelinin
•
oluşumunda esas sorumlu iyondur),
Sadece Na+ iyonlarının diffüzyonu
ile oluşsa
idi +60 mV,
• Na+ ve K+’un birlikte oluşturduğu potansiyel
fark –86 mV,
• Buna –4 mV’luk Na+-K+ pompa etkisi
eklenirse sinir hücresindeki MDP değerini
vermiş olacaktır.
20.7.2017
60
• Na+ devamlı hücre içine diffüze oluyorsa,
• K+ devamlı hücre dışına diffüze oluyorsa ,
neden hücre içi Na+ yada hücre dışı K+
konsantrasyonu artmıyor?
• Na+-K+ ATP aze pompası
20.7.2017
61
AKSİYON POTANSİYELİ (AP)
• Uyarılabilme özelliği olan (sinir ve kas
hücreleri) membranın, bir uyarı ile dinlenim
potansiyelinden eşik potansiyele doğru
yükselmesi ve membran potansiyelinde bir
dizi değişiklik oluşumuna denir.
AP’ lerin yayılması
• sinir sisteminin uzun mesafelerde
haberleşmek için kullandığı mekanizmadır.
• Kas hücrelerinde ise kasılma olayını başlatır.
20.7.2017
62
Hücre zarının uyarılması sonucu
meydana gelen AP olayları
• Depolarizasyon; Zar potansiyelinde hücre içinin
dışa göre pozitif değer kazandığı durumdur.
• Repolarizasyon; Zar potansiyelinin
depolarizasyondan tekrar dinlenim potansiyeline
geri dönüşüdür.
• Hiperpolarizasyon; Repolarizasyondan sonra zar
potansiyeli, dinlenimde olduğundan biraz daha
negatif hale gelmesidir.
20.7.2017
63
hiperpolarizasyon
20.7.2017
64
20.7.2017
65
Aksiyon potansiyellerinin özellikleri
A. Eşik değer: Aksiyon potansiyeli oluşturan
uyaran şiddetine eşik değer denir.
B. Hep- ya da- Hiç ilkesi: Aksiyon potansiyeli eşik
ve üstü uyaran şiddetleri ile uyarıldığında
oluşan aksiyon potansiyelinin büyüklüğü hep
aynıdır; eşik altı uyaran şiddetleri ise aksiyon
potansiyeli oluşturmaz. Buna hep-ya da- hiç
ilkesi denir.
20.7.2017
66
C. Refrakter dönem: Uyaran şiddeti ne olursa
olsun, bir aksiyon potansiyelinin oluştuktan
sonra ikinci bir AP nin oluşmadığı bir dönem
vardır ki buna mutlak refrakter dönem denir,
• Ancak çok şiddetli uyaranlar, AP
tamamlanmadan yeni bir aksiyon potansiyeli
oluşturabilir; bu döneme bağıl refrakter
dönem denir.
D. Aksiyon potansiyeli hücre zarında yayılırken,
büyüklüğünde bir azalma olmaz.
20.7.2017
67