Hücre
12 Temmuz 2007
HÜCRE
Canlıların temel yapı ve işlevsel birimi hücredir. Bütün canlılar bir yada daha fazla hücreden meydana gelmiştir. Kalıtım materyali hücrede bulunur. Yeni hücreler var olan hücrelerin çoğalması ile oluşur.(Modern Hücre Teorisi)
Bu teoriyi şöyle açıklayabiliriz. Canlılarda gördüğümüz her türlü yapısal ve işlevsel faaliyeti hücrede görebiliriz. Yani bir hücre büyüme, boşaltım, üreme, hareket vs. gibi canlılığa özel işlevleri tek başına yerine getirebilir.
Bütün canlılar hücrelerin bir araya gelmesiyle oluşmuştur. Tek bir hücreden meydana gelen amip,terliksi hayvan ve milyarlarca hücreden meydana gelen insan. Canlılığın en büyük özelliklerinden birisi hücresel yapıya sahip olmalarıdır.
Her türlü özelliğimizin oluşmasını sağlayan kromozomlar hücrede bulunur. Kromozomlar prokaryot (ilkel çekirdekli) canlılarda stoplazma içerisine dağılmış olarak bulunurken ökaryot (gerçek çekirdekli) canlılarda çift kat zarla çevrili çekirdek organelinin içerisindedir. Kromozomlar sayesinde ana babadaki özellikler genç hücrelere ve tabiki yavrularına geçer.
Anorganik ve organik evrim süreci dışında hiçbir hücre durduk yerde ortaya çıkmaz. Ancak var olan hücrelerin mitoz veya mayoz bölünme geçirmesiyle oluşur.
MİTOZ BÖLÜNME: Bir hücreden aynı özellikleri taşıyan iki yavru hücrenin meydana gelmesidir. Büyüme ve gelişme sırasında vücut hücrelerimiz bolca mitoz bölünme geçirerek çoğalırlar.
MAYOZ BÖLÜNME: Bir hücreden dört yavru hücrenin meydana gelmesidir. Üreme hücrelerinde görülen bir bölünme şeklidir. Canlıların çeşitlenmesine ve farklı özellikler kazanmasına olanak sağlar.
HÜCRENİN BÖLÜMLERİ: Hücre genelde zar (membran), stoplazma ve çekirdek olmak üzere üç kısımda incelenir.
Hücre zarı: Singer-Nicholson adlı iki bilim adamı tarafından ortaya atılan akıcı-mozaik zar modeli ile açıklanır. Bu modele göre hücre zarı çift katlı lipid tabakasından meydana gelmiş, karbonhidrat ve protein molekülleri lipid tabakasına gömülü durumdadır. Lipid tabakası sürekli hareket halindedir.
Stoplazma: Hücre zarı ile çekirdek arasını dolduran canlı sıvıdır. Büyük bir kısmı sudur. Içerisinde organel denilen çeşitli görevleri üstlenmiş ve özelleşmiş yapılar bulunmaktadır.
Endoplazmik Retikulum: Çekirdek zarı ile stoplazma ya da hücre zarı arasında uzanan iletimle görevli kanal ve borucuklar sistemidir.
Golgi aygıtı: Hücrenin bazalında bulunan iç içe geçmiş tabak görünümünde zar sistemidir. Yağ sentezi ve lizozomların paketlenmesinde görevlidir.
Lizozom: tek katlı zarla çevrili içerisinde sindirim enzimleri bulunduran organeldir.
Mitokondri: Hücrenin enerji santralidir. Oksijenli solunumun gerçekleştiği yerdir.
Kloroplast: Sadece bitki hücrelerinde bulunan bu organel fotosentezin yani besin üretiminin gerçekleştiği yerdir.
Sentrozom: Bu organelde sadece hayvan hücrelerinde bulunur ve bölünme esnasında kromozomların kutuplara taşınması börevini üstlenmiştir.
ÇEKİRDEK: Hücrenin en önemli organeli ve yöneticisi konumundadır. Dış tarafı çift kat zarla çevrili içerisi ise karyoplazma denilen sıvı madde ile doludur. Ayrıca kromozomlar ve çekirdekçik te burada bulunur.
BİTKİ VE HAYVAN HÜCRESİ
Işık mikroskobunda yapılan gözlemlerde bile bitki ve hayvan hücresi arasındaki farklar izlenebilir.
Aşağıdaki tablodan da görülebileceği gibi bitki hücresinin çeperinde selüloz vardır. Hayvan hücresi ise selüloz çeper içermez. Selüloz bitki hücresine belli bir dayanıklılık ve şekil verir. Hücre çeperi vakuolleşen protoplastların yüksek osmotik basıncına karşı koyar. Turgor ve hücre zarı arasındaki dengeyi sağlar ve hücrenin patlamasını önler. Hayvan hücresi ise değişken şekillidir.
Bitki ve hayvan hücresi genelde aynı organellere sahiptir. Bunlardan çekirdek ve mitokondriler çift tabakalı membran taşır.
Plastid membranı da çift tabakalıdır ve sadece bitki hücresinde vardır. Bitki hücresinde olupta hayvan hücresinde olmayan bir diğer organel de merkezi vakuol (büyük koful) dür. Tek tabakalı membran taşıyan endoplazmik retikulum (ER), diktiyozom, lizozom ve küçük vakuoller hem bitki hemde hayvan hücresinde görülür. Ribozom membransız olup her iki hücre tipinde de görülür. Sentriyoller hayvansal hücrelerin çoğunda bulunur fakat bitkilerde bulunmaz.
BİTKİ HÜCRESİ
MANTAR HÜCRESİ
HAYVAN HÜCRESİ
Hücre çeperi
Selüloz
Genellikle kitin
Yoktur
Merkezi vakuol (koful)
var
var
yok
Plastid
var
yok
yok
Tipik depo karbonhidratı
nişasta
Glikojen
Glikojen
Sentrozom
Yok
Yok
Var
HAYVAN HÜCRESİ BİTKİ HÜCRESİ
HÜCRE BÖLÜNMELERİ
Hücreler ya canlıların büyüyüp gelişmesi, rejenerasyonu ve dokularının yenilenmesi ya da üreme faaliyetlerinin gerçekleştirilmesi amacıyla bölünür. Bölünmelere detaylarıyla geçmeden önce hücrelerin niçin bölündükleri konusundaki görüşlere yer verelim. Hücre, büyüklük bakımından belirli bir sınıra ulaştığı zaman, kuramsal olarak ikiye bölünmesi gereklidir. Çünkü hücre genel olarak bir küre şeklinde düşünülürse, büyümede hacim yüzey orantısı r3 / r2 ‘dir. Yani hacim yarıçapın küpüyle artarken, yüzeydeki büyüme yarıçapın karesine bağımlı kalır ve bir süre sonra hücrenin yüzeyi gerek besin alış verişini gerek artık maddelerin atılımını ve gerekse gaz alış verişini bütün hücreye sağlayamayacak duruma gelir ve hücre, yüzeyini artırmak amacıyla bölünmeye başlar. Ayrıca büyüyen hücrede sitoplazma çekirdek oranı arttığından ve çekirdeğin etki alanı sınırlı olduğundan bu durum hücreyi ölüme sürükleyebilir, dolayısıyla hücreyi bölünmeye zorlar. (Bu fikri 1908 yılında ilk defa HERTWIG ortaya atmıştır.) hücrenin içine yapay olarak iki çekirdek yerleştirildiğinde ya da çekirdek içindeki kromozom sayısı iki katına çıkarıldığında, hücrenin hacmi normal büyüklüğünün iki misli olabilir. Bu, çekirdeğin sınırlı bir etkiye sahip olduğunu kanıtlar. Uygun x-ışınına tutulan hücrelerde kalıtsal materyal çoğalması olur; fakat bölünme meydana gelmez ve sonuçta hücre büyümesiyle birlikte hızlı hücre çoğalması da görülür (kanserleşmede olduğu gibi). Bölünecek büyüklüğe ulaşan amipin (normal olarak iki günde bir bölünür) protoplazmasından bir miktar kesersek (100 gün süreyle) bölünme durur ve tekrar büyümeye başlar. Bu uygulama sonsuz olarak sürdürülürse, amip, bölünmeden hayatta kalabilir.
Bölünmeye başlayan bağ doku hücrelerinin çapı yaklaşık % 12 kadar artar. Buna karşın büyüklüğü sınırlandırılmış hücrelerde büyüme durur.
Bir hücreli canlılarda mitoz aynı zamanda üremeyi sağlar. Her canlıda ve aynı bireyin farklı dokularındaki hücrelerin mitozla bölünme hızı tamamen farklıdır. Örmeğin bağırsak mukozasındaki, epidermisteki, kan hücrelerini üreten dokulardaki hücrelerin sürekli bölünmesine karşılık, diğer dokuların hücreleri belirli zamanlarda, sinir ve retina hücreleri ise 20-25 yaşın üstünde (insanda çoğunluk ana karnında 4. aydan itibaren sonra) hiç bölünmez.
Mitoz bölünmenin amacı ana hücredeki kalıtım materyalinin eşit şekilde yavru hücrelere verilmesidir. Bir hücrelilerdeki amitoz bölünmede, hem iğ iplikleri işe karışmaz hem de kalıtım materyali yavrulara büyük bir olasılıkla eşit verilmez. Mitoz bölünme sürekli bir olay olmasına karşılık, izlemede ve anlamada kolaylık olsun diye evrelere ayrılarak incelenir. Dinlenme sırasında, kromozomlar boyanmaz. DNA miktarı 2n’dir (G1-Evresi). Daha sonra DNA kendini eşler. DNA miktarı 4n’dir. İnce kromatid iplikler şeklinde boyanırlar (S-Evresi). Üçüncü evre koyu boyanan kromozomlara sahip, 4n’li evredir (G2-Evresi). Son evre ise mitoz bölünmeni gerçekleştiği ve kromozom sayısının 2n’e indiği evredir (M-Evresi). Hücredeki tüm yapıların birleşerek, daha sonra iki yavru hücreye verilmesini sağlayan bu döngüye hücre döngüsü denir.
Bitki ve hayvanlarda hücre döngüsünün tamamlanması yaklaşık 20 saat kadar sürer. Bu sürenin yaklaşık bir saati mitoz bölünmeye ayrılmıştır. Geri kalan süre interfazdaki büyüme için kullanılır. en uygun beslenme ve sıcaklık koşullarında dahi, herhangi bir hücre çeşidinin bölünme süresi sabittir. Uygun olmayan koşularda bu süre uzayabilir. Fakat her hücrenin optimumdan daha hızlı büyümesini hem de optimumdan daha hızlı döngüsünü sağlamak olanaksızdır. bundan şu sonuca varabiliriz; her hücrenin döngü süresi kusursuz bir zamanlamayla gelişecek şekilde programlanmıştır. Bu program iki aşamada yürütülür. İlkinde kromozomlardaki kalıtsal materyal iki katına çıkarılır, ikincisinde ise hücrenin diğer organelleri çoğaltılır.
Döllenmiş yumurtalarda bölünme, alışılmışın tersine bir saatte ya da daha az bir süre içerisinde tamamlanır. Çünkü yumurta hücresine, yumurtanın olgunlaşması sırasında her çeşit molekülden bol miktarda verilmiştir. Böylece yumurta hücresi hızla bölünerek gittikçe daha küçük hücreleri yapar. Bunlardaki hücre döngüsünde büyüme evresi yoktur, yalnız bölünme için hazırlık yapılır. Bu nedenle yaklaşık bir saatte bir bölünebilir.
MİTOZ BÖLÜNME
Mitoz bölünmenin başlangıcını saptamak olanaksızdır. Fakat hücrede bazı değişiklikler olur; hücre içeriği jel haline geçer, metabolizma durur, çekirdeğin hacmi hızla büyür. Kromatid iplikleri belirginleşir ve boyanmaya başlar. G2 evresinin tamamlanması, kromozomların türlere özgü şekil ve sayıyı kazanmasıyla mitoz bölünmeye geçilir. Işık mikroskobunda kromozomlar artık rahatlıkla görülebilir. Bu süre yaklaşık bir saat sürer. Bu evredeki hücreler küre şeklindedir ve etrafındaki cisimlere kuvvetle bağlanmamıştır. Mitoz bölünme; profaz, metafaz, anafaz ve telofaz diye dört evreye ayrılır.
Profaz
Başlangıcında çekirdek içinde ince uzun kromatid iplikleri halinde görünen kromozomlar, yavaş yavaş helozon şeklinde kıvrılarak kalınlaşmaya başlar ve görülebilir duruma geçer. kalınlaşma ve kısalma anafaza kadar devam edebilir. Bu arada eş kromozomlar birbirlerinden fark edilemeycek kadar sıkıca bağlıdırlar. Bu evrede birbirine sentromerlerle bağlanmış olarak duran kromozomların her birine kromatid denir. Sentrozomlar ayrılarak her biri bir kutba gitmeye başlar ve aralarında iğ iplikleri oluşur. Profazın sonuna doğru iğ iplikleri ile kromozomlar arasında bağlantı kurulurken, sentrozomlardan hücre zarına uzanan iğ iplikleri de oluşur ve çekirdek zarı eriyerek kaybolur, kromozomlar sitoplazma içerisine dağılır.
Metafaz
Kromozomlar çok kere bir çember gibi, bazen de karışık olarak ekvatoral düzlem üzerinde dizilirler. Genellikle küçük kromozomlar merkezde, büyükler çevrededir. Diziliş türlere özgü bir özellik gösterir. Kromozomlar eşit olarak kutuplara çekileceğinden, ortada belirli bir denge kurulana kadar beklenilir.
Profaz 30-60 dakika sürmesine karşılık, metefaz ancak 2-6 dakika sürer. her bir kromozomun sentromeri belirgin olarak ikiye bölünür ve kromatidler tam olarak birbirinden ayrılır.
Anafaz
Ekvatoral düzlemdeki kardeş kromozomlar kutuplara bu evrede taşınırlar. Kasılma özelliği olan sentrozomların iğ iplikleri sayesinde kromozomların yarısı bir kutba, diğer yarısı öbür kutba gider. Kromozomların kutuplara ulaşmasıyla bu evre sona erer.
Bitki hücrelerinde sentrozom bulunmadığı için kromozomların taşınması sitoplazma hareketleriyle ve sitoplazma kökenli iğ ipliklerinin yardımıyla olur. Bu evre de yaklaşık olarak 3-15 dakika sürer.
Telofaz
Kromozomlar daha az boyanmaya başlar. Çekirdek zarı yavaş yavaş oluşur. Kromozomlar uzayıp incelmeye başlar. Bölünme açısından çekirdek dinlenmeye geçerken, hücre metabolizması aktif hale geçer.
Bu evrenin oluşumu sürerken bir yandan da sitoplazma boğum yapmaya başlar. İğ ipliklerine dik olarak boğumlanan sitoplazmanın o bölgede jel hale geçerek iki oğul hücrenin stoplazmasını ayırdığını ileri süren görüşlerde vardır. Stoplazmanın boğumlanarak ayrılması sürecine sitokinez denir. Telofazın başlangıcından iki yeni hücrenin oluştuğu ana kadar geçen süre 30-60 dakikadır.
MAYOZ BÖLÜNME
Bütün döllerde kromozom sayısının değişmez kalabilmesi için (sperm ve yumurtanın birleşmesinden kromozom sayısı iki katına çıkacağından dolayı) farklı bir hücre bölünmesi gelişmiştir. Mayoz bölünme ismini alan bu tip bölünmede, kromozom sayısı yarıya indirgenir. Mayoz bölünmenin sonunda meydana gelen gametler diğer vücut hücrelerinin aksine n sayıda kromozom taşır (bazı bitkilerde ve bir hücrelilerde bireyin kendisi yaşantısı boyunca haploid kromozomlu olduğundan mayoz bölünmeye gerek kalmaz). Normal olarak soma hücrelerinde 2n kromozomlardan homolog olanlar, boyuna, sinaps dediğimiz aralıklarla birbirinin yakınında uzanırlar. Bu homolog kromozomların her biri ayrı bir kutba giderek, yalnız bir tanesinin bir gamete verilmesi sağlanır. Homolog kromozomlar aynı büyüklüğe ve şekle, keza benzer kalıtsal faktörlere sahiptir. Gerek yumurta gerekse sperm oluşumu son iki hücre bölünmesine kadar aynı kurallara göre yürütülür. Daha sonra spermatogenezis (sperm oluşumu) ve oogenesiz (yumurta oluşumu) farklı şekilde meydana gelir.
Mayozda da mitoz gibi profaz, metafaz, anafaz ve telofaz diye dört evre vardır. Bu evreler arada interfaz olmaksızın peş peşe iki kez gerçekleşir ve sonuçta dört yavru hücre meydana gelir. Mayoz bölünme ile mitoz bölünme arasındaki en büyük farka profazda rastlanır.
İnterfaz
Bölünmeye hazırlık evresidir. Mitozdaki interfaza benzemekle birlikte hücrelerin mitozdaki gibi büyüklüklerinin ve hacimlerinin artması gerçekleşmez.
Profaz-I
Kromozomlar kısalıp kalınlaşmaya başlarken, anadan ve babadan gelen homolog kromozomlar sinaps halinde ya yan yana parelel uzanırlar ya da birbirinin üzerine kıvrılırlar. Kısalma sonucunda kromozomlar mitozdaki gibi görülmeye başlar. Her kromozom iki kromatitten yapıldığından, homolog kromozomlar dörtlü demetler halinde görülür, bu görünüşe tetrat denir. Canlının vücudunda homolog kromozom kadar tetrata rastlanılır (insanda 23 tane). Kromozomların sentromerleri ayrılmamıştır. 4 kromatid için iki sentromer vardır.
Ayrıca mitozdan farklı olarak bu evrede tetratlar arasında parça değişimi gerçekleşir. Krossing-over denilen bu parça değişimi tür içinde çeşitliliği sağlar. Bu evrenin sonunda çekirdek zarı parçalanarak kaybolur.
Metafaz-I
Çekirdek zarının parçalanması sona ermiş, sentrozomlar kutupulara çekilmiş ve iğ iplikleri ortaya çıkmıştır. Sentromerleri çift olan tetratlar ekvatoral düzlem üzerine dizilir.
Anafaz-I
Bu evrede tetratlar ikiye ayrılarak kutuplara giderler. Ana ve babadan gelen kromozomlar rasgele olarak birbirlerinden ayrılırlar (özelliklerimizin bazılarının anadan bazılarının babadan geçmesinin nedeni). Bu evrede kromozom sayısı indirgendiğinden kutuplara taşınan yani oğul hücrelere geçecek olan kromozom sayısı vücut hücrelerinin kromozom sayısının yarısı kadardır.
Telofaz-I
Hücrenin iki kutbunda bulunan kromozomlar uzayıp incelmeye başlar. Etraflarında çekirdek zarı oluşur. Sitoplazmanın boğumlanmasıyla da haploid sayıda kromozoma sahip iki yavru hücre oluşur.
Buraya kadar geçen olaylar mayoz-I olarak adlandırılır. Bundan sonra mitozdakinin aksine arada interfaz evresi olmaksızın profaz-II’nin başlamasıyla mayoz-II başlar. Mayoz-II mitoz bölünmenin hemen hemen aynısıdır. Hücrelerdeki haploid kromozom sayısı korunarak profaz-II, metafaz-II, anafaz-II ve telofaz-II gerçekleşerek mayoz bölünmenin sonunda n kromozom sayısına sahip 4 yavru hücre meydana gelir.
HÜCRE FİZYOLOJİSİ
Hücreler yaşayan organizmaların yapısal ve fonksiyonel birimleridir. Hücreler küçük fakat kompleks yapılardır. Yaşamın bu temel birimi hakkında ayrıntılı bilgiler ilk kez 17. Yüzyılda ışık mikroskobunun geliştirilmesi ile edinildi. Bir müze müdürü olan İngiliz Robert Hooke 1663 yılında mantar ve diğer bitki örneklerini bir jiletle keserek mikroskop altında 30 kat büyüterek inceledi. Bu incelemeler sonucunda bitkilerin “hücre” adını verdiği küçük bölmelerle dolu olduğunu buldu. Anton van Leeuwenhoek isimli bir Alman dükkancı ise doku örneklerini 300 kat büyüterek, bakteri, kan hücresi, sperm hücresi gibi tek hücreli organizmaları inceledi. Bu organizmalara hayvancık anlamına gelen “animalcules” adını verdi.
Hücrelerin Genel Özellikleri:
Hücreler hem morfolojik (şekilsel) hem de metabolik olarak çok büyük farklılıklar gösterirler. E.coli isimli bakteri 1m m (m m=mikrometre= 1 metrenin milyonda biri) uzunluğundayken, aksonları 1 metre uzunluğunda olan sinir hücreleri vardır. Ama yine de hücrelerin çok büyük bir çoğunluğu 1-30 m m arasındadır. Hücreler küçük olmak zorundadırlar, çünkü metabolizmalarında diffüzyon çok önemlidir. Diffüzyon, termal hareketle moleküllerin rasgele hareket etmesidir. Diffüzyon moleküllerin, yüksek konsantrasyon bölgesinden düşük konsantrasyon bölgesine doğru, her yerde eşit dağılıncaya kadar olan, rastgele hareketleridir. Diffüzyon termodinamiğin 2. Kanuna bir örnektir. Bu kanuna göre entropi (düzensizlik ya da rasgelelik) sürekli olarak artar. Evrendeki düzensizliğin derecesi sadece ve sadece artabilir. Hücrelerin çoğu aktivitelerinin büyük bir bölümünü diffüzyon ile düzenlerler. Diffüzyon, molekülün özelliğine (büyüklük gibi) ve çevreye (vizkozite, membran gibi) bağlıdır. Bir partikül (madde parçası) tarafından katedilen mesafe zamanın karekökü ile doğru orantılıdır. Yani bir partikül 1 saniyede 1 m m gidiyorsa, 4 saniyede 2 m m ve 100 saniyede 10 m m ve 3 saatte (10.000 saniye) 100 m m gidecek demektir.
Hücrelerin Fonksiyonel Özellikleri:
Hücreler ortamdan ham materyali alırlar.
Enerji üretirler: Bu enerji iç ortam dengesini sağlamak, ve sentez reaksiyonlarını yürütmek için gereklidir. Termodinamiğin 2. Kanununa karşı koymak ancak enerji ile mümkündür.
Kendi moleküllerini sentez ederler.
Organize bir şekilde büyürler.
Çevreden gelen uyarılara cevap verirler.
Çoğalırlar (bazı istisnalar haricinde).
Hücrelerin Yapısal Özellikleri:
Kalıtsal bilgiler DNA içinde saklanır.
Genetik kod temelde aynıdır.
Bilgi DNA dan proteinlere RNA aracılığı ile geçer.
Proteinler ribozomlar tarafından yapılır.
Proteinler hücrenin fonksiyon ve yapısını düzenlerler.
Bütün hücreler seçici geçirgen bir zar olan plazma membranı ile çevrilmiştir.
HÜCRELERİ BİRBİRİNDEN AYIRAN ÖZELLİKLER
Hücreler arasında pek çok benzerlik olmasına rağmen, çok belirgin farklılıklar da vardır. Bu farklılıklar hücreleri çeşitli ana guruplara ayırmamıza yardımcı olur. İki yaygın ana gurup şunlardır.
Prokaryotlar
Eukaryotlar
(Karyot=nükleus, Pro=önce, Eu=gerçek anlamına gelmektedir.)
Prokaryotlarla Eukaryotlar arsındaki farklılıklar ise Tablo 1. de gösterilmiştir.
ÖZELLİKLER
PROKARYOT
EUKARYOT
ÇEKİRDEK ZARI
YOK
VAR
ÇEKİRDEKCİK
YOK
VAR
HİSTONE PROTEİNLERİ
YOK
VAR
DNA İÇERİĞİ
KÜÇÜK
BÜYÜK
İNTRONLAR
YOK
VAR
BÜYÜKLÜK
KÜÇÜK
BÜYÜK
Prokaryotlarla Eukaryotlar arasındaki en temel farklar prokaryotların bir nükleusa (çekirdek) ve membrana bağlı organellerinin (birkaç istisna haricinde) olmamasıdır. Her ikisinin de DNA sı, hücre zarı, ribozomları vardır.
HÜCRE ORGANELLERİNİN YAPI VE FONKSİYONLARI
Hücreler ışık mikroskopu ile incelendiği zaman, sitoplazma ve çekirdek adı verilen iki bölümden oluştuğu görülür. Ancak daha büyük büyütme sağlayan elektron mikroskopuyla yapılan incelemeler, hücrenin bir takım alt birimlerden, hücre organellerinden oluştuğunu ortaya koymuştur. Hücre şunlardan oluşmuştur.
Hücre zarı
Sitozol
Organeller
Çekirdek
Hücre Zarı: Zar ya da membranlar yaşam için çok önemlidir, çünkü bir hücre 2 sebebten dolayı kendisini dışarıdaki ortamdan ayırmak zorundadır.
DNA, RNA ve benzeri yaşamsal moleküllerini dağılmaktan korumalıdır.
Hücre molekül yada organellerine zarar verebilecek yabancı molekülleri uzak tutmalıdır.
Ancak hücre bu iki kurala uyarken bir taraftan da çevreyle haberleşmeli, dış ortamı sürekli olarak izlemeli ve ortam değişikliklerine ayak uydurmak zorundadır. Ayrıca hücre besin maddelerini dışarıdan almalı ve metabolizması sonucunda ürettiği toksik (zehirli) maddeleri dış ortama vermelidir.
Biyolojik membranlar Şekil 1 de görüldüğü gibi bilipit katmandan oluşur. Şekildeki her
bir fosfolipiti temsil eder. Daire ya da baş negatif yüklü fosfat gurubudur, ve iki kuyruk da çok hidrofobik (hidrofobik=suyu iten) olan hidrokarbon zincirlerini temsil eder. Fosfolipit zincirlerinin Şekil 1. De görüldüğü düzenlenmesi sonucu hidrofobik kısımlar membranın içinde kalır. Membran yaklaşık 5 nanometre (1 nanometre = 1 metrenin milyarda biri) kalınlığındadır. Membran semipermeabledır (yarı geçirgen), yani bazı maddelerin membrandan serbestçe geçmesine (diffüze olmasına) izin verir. Membran büyük moleküllere geçirgen değilken, yüklü iyonları çok az geçirir, ve yağda eriyen küçük moleküllere oldukça geçirgendir.
Şekil 1: Bilipit tabaka
Tüm biyolojik membranlar gibi hücre zarı (membranı) da lipit, protein ve az miktarda karbonhidrattan oluşmuştur.
Hücre zarı, hücre içinde ve dışında bazı uzantılarla devam eder. Hücre dışına doğru olan uzantılar hücrenin yüzeyinden interstisiyel mesafeye doğru uzanırlar, bu uzantılara mikrovillus denir. Hücre içine doğru devam eden zar sistemi ise dış ortamın hücre içiyle daha yakın ilişki kurmasını sağlar. Bu sisteme endoplazmik retikulum denir.
Endoplazmik Retikulum: Endoplazmik retikulum lipid, protein (ribozomlar aracılığı ile) ve kompleks karbonhidratların yapım yeridir. Endoplazmik retikulum hücredeki toplam membranların yarısından fazlasını oluşturur. Endoplazmik retikulum iki membrandan oluşur, iki membran arasında kalan boşluğa endoplazmik retikulum lümeni denir. İki tip endoplazmik retikulum vardır.
Granüllü Endoplazmik Retikulum: Üzerinde ribozomlar vardır. Sisterna denilen yassılaşmış keseler şeklindedir.
Düz Endoplazmik Retikulum: Ribozomları yoktur, tüplerden oluşan bir ağ şeklindedir.
Golgi Kompleksi: Golgi kompleksi hem yapı hem de fonksiyon yönünden endoplazmik retikulum ile yakından ilişkilidir. Bu organel birbirine paralel bir dizi membranöz kanaldan oluşur ve salgı yapan hücrelerde iyi gelişmiştir. Golgi kompleksinin fonksiyonu endoplazmik retikulumda sentezlenen maddelere son şeklini vermek ve bu maddeleri bir membranla çevrelemektir. Ayrıca hücre zarının yenilenmesi ve yüzeyinin genişletilmesi görevini de üstlenir.
Lizozom: Lizozomlar 0,2 ila 2 m m çapında organellerdir. Hücreiçi sindirimi sağlamak üzere yaklaşık 40 civarında enzim içerirler. Lizozom membranı lizozomun hücreyi tümüyle sindirmesini önler. Bu enzimler için optimal pH 5 civarıdır. Lizozomlarda ATP hidrolizi ile çalışan H+ pompası vardır. Bu sayede lizozomun pH I düşük tutularak enzimlerin etkin hale geçmesi önlenir.
Peroksizom: Peroksizom membranında spesifik proteinler ve oksidasyon enzimleri vardır. Karaciğerdeki peroksizomların ana görevi detoksifikasyondur (bir maddeyi zararsız hale getirme).
Ribozom
Ribozom: Ribozomlar proteinlerin sentez edildikleri yerdir. Protein sentezi için gerekli bilgi DNA dadır, bu bilgi RNA ya transfer edilir, ve ribozomlarda RNA daki bu bilgiyle protein yapılır. Bir hücre için protein sentezi çok önemlidir, bu yüzden de hücrede binlerce ribozom bulunur. Ribozomlar ya sitoplazmada serbestçe yüzerler ya da endoplazmik retikuluma bağlı olarak bulunur. Ribozomların membranı yoktur. Protein sentezlemedikleri zaman 2 alt gurup halinde bulunurlar. Alt guruplar ribozomal RNA (rRNA) ve ribozomal proteinlerden oluşur.
Mitokondri: Mitokondriler eukaryotik hücrelerde ana enerji üretim merkezleridir. Biri iç diğeri dış olmak üzere iki membranı vardır. İç membranda çok sayıda katlanmalar vardır, bu membranın yüzey alanını genişleterek, membran bağımlı raksiyonların daha fazla sayıda olamasını sağlar. Mitokondrilerin kendi DNA ve ribozomları vardır.
Çekirdek (Nükleus): Nükleus DNA nın bulunduğu ve DNA daki bilginin RNA ya aktarıldığı yerdir. Çift katlı bir membranla sarılmıştır, bu membranda çok sayıda büyük porlar bulunur. Çekirdeğin içini dolduran esas madde DeoksiriboNükleik Asit ve protein molekülleridir. Bu DNA molekülleri nükleus içinde rastgele dağılmış olamayıp kromozom denilen yapılar içinde protein molekülleri ile birlikte organize olmuşlardır. İnsanda 46 adet (23 çift) kromozom bulunur. DNA molekülleri hücrede mevcut bütün proteinlerin nasıl yapılacağının genetik bilgisini içerirler. Bilgi nükleusdadır fakat proteinler sitoplazmada yapılır, bu sebeple bilginin sitoplazmaya aktarılması gereklidir. Bu amaçla DNA kalıp gibi kullanılarak, bu kalıptan RNA yapılır, oluşan RNA sitoplazmaya geçerek, protein yapım yeri olan ribozomlara protein sentezi için gerekli bilgiyi aktarır. Çekirdek hücrenin kontrol merkezidir, buradaki genetik mekanizmalar yoluyla sadece hücre içindeki kimyasal olaylar değil, aynı zamanda hücrenin özelliklerinin yeni hücre nesillerine aktarılması da sağlanır.
Hücre İskeleti: Aslında hücre iskeleti terimi yanlış bir deyimdir. Hücre iskeleti transparan olduğu için hem ışık hem de elektron mikroskobu preperatlarında görülmez. Hücre çizimlerinde de gösterilmemesine rağmen önemli bir hücre komponenttidir. Hücre iskeleti hücrenin şeklini, hücre organellerinin yerinde durmasını sağlar, ve hücre hareketinden sorumludur.
Hücre iskeleti şunlardan oluşmuştur.
Sentriyoller
Mikrotübüller
Aktin filamentleri
Sentriyoller çekirdeğe yakın olarak yer alan bir çift silindirik yapıdır. Her biri üçerli guruplar halinde dokuz tübülden oluşmuştur. Sentriyoller hücre bölünmesi sırasında kromozomların hücre kutuplarına çekilmesini sağlarlar. Mikrutübüller tübülin denilen alt birimlerden oluşmuştur. Görevi hücreyi yerinde tutmaktır, aynı zamanda silya ve flagellanın da ana bileşenidir. Aktin filamentleri ise hücrenin şeklini değiştirmesinde görev alırlar.
SOLUNUM
Canlılar yaşamlarını devam ettirebilmek için sürekli enerji elde etmek zorundadır. Enerjiyi de ancak besin maddelerini yıkarak yani daha küçük moleküllere parçalayarak elde eder. Canlıların besin maddelerini yıkarak onlardan enerji elde etmelerine solunum denir.
Bazı canlılar hücrelerinde bulunan yapılar sayesinde ortamda da oksijen varsa besinleri CO2 ve H2O’ya kadar yıkabilirler. Oksijen kullanmayan canlılar ise glikoz molekülünü ancak pürivata kadar yıkabilir. Pürivak molekülü henüz tam olarak yıkılmadığından bağları arasında hala enerji vardır. Bu yüzden pürivata kadar yıkabilen canlılar yani oksijen kullanamayan canlılar 1 mol glikozdan daha az enerji elde edebilirler. Buradan çıkan sonuç şudur. Bazı canlılar besinlerin yıkılmasında okasijen kullanırlar; yani oksijenli solunum yaparlar.
Bazıları ise oksijen kullanamaz yada yeterli oksijen bulamaz; yani oksijensiz solunum yaparlar. oksijenli ve oksijensiz solunumları incelemeden önce bilinmesi gereken bir şey vardır ve bu hiç unutulmamalıdır. Canlılar ister oksijenli ister oksijensiz solunum yapsın başlangıç reaksiyonları hücrenin stoplazmasında gerçekleşir ve hep aynıdır.
Aşağıdaki şekilde de görülen bu reaksiyon dizisi glikozun pürivata kadar parçalandığı süreçtir ve GLİKOLİZ olarak adlandırılır.
GLİKOLİZ: Her iki tip solunumunda başlangıç reaksiyonlarının aynı olduğunu ve hücrenin stoplazmasında gerçekleştiğini belirtmiştik. Şimdi bu glikoliz reaksiyonlarının nasıl oluştuğunu inceleyelim.
Bu reaksiyon dizini enzimlerin yardımıyla ve ortamda yeterli enerji var ise başlayabilir. Bu enerji aktivasyon enerjisi olarak kullanılan enerjidir. yukarıdaki şekilden de takip ederek açıklamaya devam edelim. Glikozun parçalanmaya başlaması için yani glikoliz reaksiyonlarının (dolayısı ile de solunum reaksiyonlarının ) başlaması için stoplazmada bulunan 2 ATP’nin harcanması gerekir.
Glikoz molekülüyle tepkimeye giren ATP molekülleri son fosfatlarını glikoza vererek tepkimeden ADP olarak ayrılır. Bu arada Glikoz da Fruktoz’a dönüşür. Şu an aktifleşmiş durumdaki molekülümüz Fruktoz di fosfattır.
İkiye ayrılan 6 C’lu 2 P’lı molekülümüzden iki tane PGAL (Fosfo Gliser Aldehit) oluşur. Bundan sonra reaksiyon iki PGAL üzerinden yani iki koldan devam eder. Biz sadece birini anlatıp diğerinde de aynı şeylerin olduğunu söyleyelim.
PGAL ortamda bulunan NAD (Nikotin Amid Dinukleotid) ile reaksiyona girerek bir çift hidrojenini NAD ye verir. NADH2 oluşur. Bu arada PGAL nin bağlarında bir boşluk oluşur. Bu boşluk ortamda bulunan fosfat ile doldurulur.
Şimdi 3 C’lu 2 P’li bir molekülümüz oluşmuştur. Bu molekül ortamda bulunan ADP’ler ile reaksiyona girerek sırasıyla 2 ATP oluşur. Geriye kalan molekül ise PÜRİVAT olarak adlandırılır.
Diğer PGAL’de de aynı şeyler olacağı için toplam 4 ATP sentezlenmiş olur. Bundan sonra ortamda oksijen yoksa yada kullanılamıyor ise oksijensiz solunum gerçekleşir.
OKSİJENSİZ SOLUNUM
Bakteriler ve bazı mayalar oksijen kullanamazlar. Fakat onlarda doğal olarak enerjiye ihtiyaç duyarlar. Glikoz molekülünü glikoliz reaksiyonu ile parçaladıktan sonra elde ettikleri pürivattan bir molekül CO2 çıkararak ASETALDEHİToluştururlar. Daha sonra bu asetaldehit NADH2 ile reaksiyona girerek onun hidrojenlerini alır. Son ürün Etil Alkol’dür.
Aşağıdaki reaksiyonda da görülen bu oksijensiz solunum tipine ETİL ALKOL FERMANTASYONU denir.
Çizgili kaslarımızda bulunan hücreler normalde oksijenli solunum yaparlar. Ancak ortamda yeteri kadar oksijen yoksa bu hücreler oksijensiz solunumuda gerçekleştirebilir ve enerji ihtiyaçlarını karşılamaya çalışır. Oksijene ihtiyaç duyulmadan gerçekleşen glikoliz reaksiyonlarından sonra oluşan pürivatlar mitokondriye geçemediğinden glikolizde NAD’ye verdiği hidrojenleri geri alarak Laktik asite dönüşür.
Çizgili kaslarda görülen bu oksijensiz solunum tipinede LAKTİK ASİT FERMANTASYONU denir.
OKSİJENLİ SOLUNUM
Canlı hücrelerde karbonhidrat, yağ ve proteinlerin oksijen kullanarak parçalanması ve ATP sentezlenmesi olayına oksijenli solunum denir.
Karbonhidratlar monosakkaritlere, yağlar yağ asitleri ve gliserole, proteinler amino asitlere dönüştürüldükten sonra solunum tepkimelerine katılırlar.
oksijenli ve oksijensiz solunum besinlerde depolanmış enerjiyi açığa çıkarır. Fakat oksijen kullanılınca enerjinin büyük bir bölümü açığa çıkar. Çünkü glikoz kendini meydana getiren bileşenlerine tam olarak parçalanır. oksijensiz solunumda ise az enerji açığa çıkar. Çünkü glikoz kendini meydana getiren bileşenlerine tam olarak parçalanmaz. Fermantasyonda son ürünlerin bazıları organik molekül olup, belli oranda enerji depo etmektedirler.
oksijenli solunumun genel denklemi:
Glikoz + 6O2 ———-> 6CO2 + 6H2O + 38ATP şeklindedir.
Oksijenli solunum üç kadenede gerçekleşir.
Glikoliz evresi
Kerbs devri
Oksidatif fosforilasyon evresi (ETS)
a. Glikoliz Evresi
Tıpkı oksijensiz solunumda olduğu gibidir. (yukarıda anlatılmıştı)
b. Kebs Devri
Glikoliz sonucu oluşan ürün pirüvattır. Ortamda oksijen bulunması durumunda pirüvatlar mitokondriye geçerler. Her bir pirüvat molekülünden 1 mol CO2 ve 2H ayrılır. 2C’lu 1 molekül aktif asetik asit oluşur. Bu olay mitokondri zarındaki enzimlerle gerçekleşir.
Krebs devrini başlatan ilk molekül aktif asetik asit olup, 4C’lu bir molekülle birleşerek 6C’lu sitrik asiti oluşturur. Bu reaksiyonun başlaması ortamda oksijen bulunmasına bağlıdır.
krebs devrinde gerçekleşen reaksiyonlar aşağıda özetlenmiştir.
İki karbonlu aktif asetik asit, dört karbonlu bir molekülle birleşerek altı karbonlu sitrik asiti oluşturur.
Sitrik asit beş karbonlu bir bileşiğe dönüşürken bir molekül karbondioksit açığa çıkar.
Beş karbonlu bileşikten bir molekül daha karbondioksit ayrılır ve dört karbonlu bileşik oluşur.
En son oluşan dört karbonlu molekül bir kaç defa ortama H+ verdikten sonra tekrar başlangıçtaki dört karbonlu bileşiğe dönüşür.
Krebs devri reaksiyonları sonucunda iki molekül asetik asitten 8NADH2, 2FADH2, 4CO2 ve 2ATP üretilir. Yine mitokondriye geçiş esnasında ise 2NADH2 ve 2CO2üretilir.
c. Oksidatif Fosforilasyon (ETS Olayları)
Oksijenli solunumun Glikoliz ve Krebs devrinde hazırlanan NADH2, FADH2′deki H atomlarına ait elektronlar ETS’den (elektron taşıma sistemi) geçtikten sonra O2 ile birleşir. Bu sırada ATP üretilir ve sonuçta H2O molekülleri oluşur. Bu devreye hidrojen yolu reaksiyonları denir. En çok enerji (ATP) hidrojen yolunda üretilir.
Solunumda oluşan son ürünler: CO2, H2O ve ATP’dir. Ancak proteinler solunumda kullanılmışsa; NH3, üre, ürik asit, H2S gibi farklı ürünlerde oluşabilir.
Elektron Taşıma Sistemi (ETS)
Bir hidrojen atomu bir proton (H+) ve bir elektrondan meydana gelmektedir. Hidrojen taşınmasının bazı basamaklarında her hidrojen atomunun proton ve elektronu birlikte taşınır. Fakat bazı basamaklarda proton ve elektron birbirinden ayrılır. Protonlar çözelti içinde kalırken, elektronlar bir taşıyıcıdan başka bir taşıyıcıya aktarılır.
Enerjinin açığa çıkması bu elektronların aktarılması sırasında gerçekleşir. En son kademede elektron oksijen atomuna taşınır, orada protonlarla birleşerek hidrojen atomunu oluşturmakta sonuçta su meydana gelmektedir.
Elektronların oksijene taşınması sırasında solunum zincirini oluşturan enzimler görev yapar. Bu enzimlerin her birinin elektronu tutan bir bölgesi vardır. Bu aktif bölge protonla birlikte veya tek başına gelen elektronu bir önceki taşıyıcıdan alarak, bir sonraki taşıyıcının aktif bölgesine aktarır.
Bu aktarma sırasında elektronların ortama yaydığı (bıraktığı) enerjiyle ADP molekülüne ortamda bulunan fosfork asit (P) bağlanarak ATP üretlir.NADH2 üzerinden ETS’ye giren 2 elektronun oksijene taşınması sırasında 3 ATP üretilir. (Eğer 2 elekron FADH2 üzerinden ETS’ye katlırsa üretilen enerji miktarı 2ATP’dir.)
Burada ATP sentezi oksitlenme (yükseltgenme) ve redüklenme (indirgenme) reaksiyonlarıyla sağlandığı için bu devreye ve ATP üretim şekline oksidatif fosforilasyon denir.
Ancak elektronun her aktarılışında ATP oluşmaz. bunun için ortama verilen enerjinin belli bir değeri (7300 cal) aşması gerekir.
Bir glikoz molekülünün bağları arasındaki enerjinin ancak yaklaşık % 40′ı ATP sentezinde kullanılır. Geriye kalan enerjinin çok az bir kısmı ısı olarak yayılırken, henüz %60′ı oksijenli solunumumun son ürünleri olan su ve karbondioksit moleküllerinin bağları arasıdadır.
{ÖNEMLİ NOT: Bazı araştırılmadan ve düşünülmeden yazılmış kaynaklarda (haftalık ÖSS hazırlık dergileri ve dersane kitapları) glikoz molekülünde bulunan enerjinin %40′ı ATP sentezinde kullanılırken %60′ı ısı olarak yayılır denilmektedir. Böyle bir şeyin olması mümkün değildir. O kadar enerjinin ısıya dönüşmesi canlının kömürleşmesine neden olur. Doğrusu bir önceki paragrafta açıklanmıştır }
Oksijenli Solunumda Enerjinin Hesaplanması:
Glikoliz reaksiyonlarında 4 ATP (enzim-substrat düzeyinde)
Krebs devrinde 2 ATP (enzim-subsrat düzeyinde)
ETS de 34 ATP (oksidatif fosforilasyonla)
Toplam: 40 ATP
Glikolizde harcanan 2 ATP (aktifleşme enerjisi olarak)
Net Kazanç: 38 ATP
Oksijenli Solunumun Fermantasyondan Farkları
Glikoz + 6O2 ————> 6CO2 + 6H2O + 38ATP
O2 kullanılır
İnorganik yapıda (CO2 ve H2O) son ürünler oluşur.
40 ATP üretilir (toplam)
Mitokondri görev yapar.
Canlıların çoğunda gerçekleşir.
ETS enzimleri görev yapar.
Krebs devri vardır.
Fermantasyonun Oksijenli Solunumdan Farkları
Glikoz ——–> 2CO2 + 2 Etil Alkol + 2ATP (veya Glikoz ——–> 2 Laktik asit + 2ATP)
O2 kullanılmaz
Etil alkol, Laktik asit ve Asetik asit gibi organik ürünler oluşur.
4 ATP üretilir (toplam)
Tamamı stoplazmada gerçekleşir.
O2’siz solunum yapan az sayıda canlıda ve O2 bulunmadığı veya yetersiz olduğu durumlarda kas hücrelerinde görülür.
Fermantasyon ve Oksijenli Solunumun Ortak Yönleri
CO2 oluşumu olabilir.
ATP oluşur ve ATP harcanır.
Glikoz kullanılır.
Enzimler görev yapar.
Glikoliz gerçekleşir.
Kategori: Biyoloji