Erciyes niversitesi Halil Bayraktar Salk Hizmetleri Meslek Yksekokulu

Erciyes Üniversitesi Halil Bayraktar Sağlık Hizmetleri Meslek Yüksekokulu Fizyoloji Ders Notu 11/30/2020 1

Hücre Zarının (Membranının) Yapısı, Madde Taşınması ve Elektriksel Özellikleri 11/30/2020 2

Hücre Zarının Yapısı Hücre zarı; Ø Hücreyi dış ortamdan ayıran Ø Hücreye şeklini veren Ø Hücrenin bütünlüğünü sağlayan Ø Seçici- geçirgen, canlı bir yapıdır. 11/30/2020 Zarın Genek Özellikleri: Ø Kalınlığı 75 – 100 angstrom (7. 5 – 10 nm) arasında değişmektedir. Ø Canlıdır Ø Saydamdır Ø Esnektir Ø Akışkandır Ø 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. 11/30/2020 4

vÇift katmanlı olan hücre zarı başlıca üç temel bileşenden oluşur; ØProteinler (%55) ØLipitler (%42) ØKarbonhidratlar (%3) 11/30/2020 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. 11/30/2020 6

İyon Kanalları • Hücre zarında bulunurlar, • Hidrofilik (suyu seven) yapıda olduğu için hücre zarının lipid kısmından geçiş yapamayan iyonların taşınması ile görevli kanallardır. 11/30/2020 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. 11/30/2020 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+, Ca 2+ ve Mg 2+ gibi katyonların tümünün geçişine izin verir 11/30/2020 9

Kapılı Kanallar • Ligand Kapılı Kanallar • Voltaj Kapılı Kanallar • Mekanik Kapılı Kanalları (mekanosensitif) Sızma Kanalları 11/30/2020 10

Ligand Kapılı Kanallar • Özel kimyasal habercilerin bağlanması sonucu, konformasyonu değişerek iyon geçişine izin veren kanallardır. (ligand: nörotransmitterler ya da kimyasal ajanlar olabilir) 11/30/2020 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 11/30/2020 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. 11/30/2020 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 Na. K pompası için gerekli gradyanı oluşturular. 11/30/2020 14

Membran Lipitleri • Fosfolipitler • Kolestrol 11/30/2020 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. 11/30/2020 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. 11/30/2020 17

LİPİT TABAKADAN GEÇEN VE GEMEYEN MADDELER Yağda çözünen; Suda çözünen; • O 2 • CO 2 • Steroid hormonlar ve • Vitaminler (A, D, E ve K) lipit tabakadan rahatlıkla geçer. • Na+ • K+ • Cl • Glukoz • Amino asit gibi maddeler • ve SU zardaki kanallar, porlar yada taşıyıcı proteinler aracılığı ile geçerler. 11/30/2020 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. 11/30/2020 19

11/30/2020 20

HÜCRE ZARINDAN MADDE TAŞINMA YOLLARI 1. Pasif Taşıma Enerji gerektirmeyen taşıma mekanizmalarıdır ki bunlar; – Basit Difüzyon(sızma, yayılma) – Kolaylaştırılmış Difüzyon – Ozmoz – Filtrasyon 11/30/2020 21

HÜCRE ZARINDAN MADDE TAŞINMA YOLLARI 2. Aktif Taşıma Enerji gerektiren taşıma mekanizmalarıdır ki bunlar ise; – Aktif Transport – Endositoz – Ekzositoz 11/30/2020 22

Pasif Taşıma Mekanizmaları Basit Difüzyon(sızma, yayılma) Ø Lipit tabakasında eriyebilen molekül yada maddelerin (O 2, CO 2, steroid hormonlar ve A, D, E, K gibi yağda eriyebilen vitaminler vb. ) zar aralığından 11/30/2020 23

Ø 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. 11/30/2020 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 11/30/2020 25

11/30/2020 26

• Birim zamanda zarı geçen maddenin difüzyon hızı aşağıdaki formülle hesaplanmaktadır; F= P. A / d. (C 1 -C 2) P= Geçirgenlik sabiti (permabilite mmol/sn) A= Yüzey alan (cm 2) d= Zar (membran) kalınlığı C 1 ve C 2 zarın iki tarafı arasındaki konsantrasyon farkı. 11/30/2020 27

Biyolojik membranda basit diffüzyonu belirleyen faktörler l 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, cm 2) – Maddelerin geçeceği mesafe ( x, biyolojik membranda 10 -6 cm) 11/30/2020 28

11/30/2020 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. 11/30/2020 30

• Taşıyıcı özgüldür. – Glikoz ve monosakkaridleri taşıyan hekzos taşıyıcısı – Bikarbonat ve Cl gibi anyonları taşıyan Band 2 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. 11/30/2020 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 m. Osm / kg) osmolalite; • Litre su başına çözünmüş madde olarak hesaplanırsa (örn: 50 m. Osm /L) osmolarite ile ifade edilir. 11/30/2020 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. 11/30/2020 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. 11/30/2020 34

• Sodyum Klorür (Na. Cl) gibi bileşiklerde ise durum farklıdır. Bu tür iyonik bileşikler çözündüklerinde iyonlarına ayrılır ve eğer Na. CI örneğindeki gibi tamamen iyonlarına ayrılıyorlarsa osmolaliteleri molar kütlelerinin iki katıdır. • 1 mol Na. CI + 1 L su = 2 osm/kg çözelti. Çünkü : Na. Cl çözüldüğünde Na ve Cl olmak üzere iyonlarına ayrışarak ortamdaki partikül sayısının 2 katına çıkmasına sebep olur. (osmolalite kütleye değil partikül sayısına bağlıdır. ) 11/30/2020 35

• 1 L suda çözünmüş olan 1/1000 osmol katı maddenin osmolaritesi 1 miliosmol dür ve 1 m. Osm olarak ifade edilir. • Hücre içi ve hücre dışı sıvıların normal osmolaliteleri yaklaşık 300 m. Osm/kg dir. • %1 -2 lik bir değişmede vücuttaki homeostazisin korunması için osmoreseptörler bu duruma yanıt verir. • 1 m. Osm/kg lik derişim farkı 19, 3 mm. Hg lik osmotik basınç yaratır. Bu nedenle vücut sıvıların yaklaşık osmotik basıncı 1 m. Osm 19, 3 mm. Hg 300 m. Osm X 5790 mm. Hg olur 11/30/2020 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 11/30/2020 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. 11/30/2020 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. 11/30/2020 39

11/30/2020 40

Hemoliz ? • Eritrositlerin hücre zarının parçalanması sonucu hemoglobin molekülünün dışarı çıkmasına verilen isimdir. Çeşitli nedenleri olabilir. Ortaya çıkış nedenleri bakımından iki farklı hemoliz tipi tanımlanmıştır: • Ozmotik hemoliz ve hemositoliz. 11/30/2020 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. 11/30/2020 42

Örneğin; • Serum fizyolojik denilen % 0, 9 luk Na. Cl solüsyonu, • %5 lik Glikoz solusyonu vücut hücrelerimizle eş yoğunluktaki maddelerdir 11/30/2020 43

%0, 9 luk Na. Cl nasıl Hazırlanır? 1 mol Na. Cl (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 Na. Cl miktarı hesaplanarak 1 kg suda çözünürse izotonik bir solüsyon elde edilmiş olur. ( yaklaşık 8, 775 gr Na. Cl yi 1 kg suda çözerek elde edebiliriz) 11/30/2020 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. 11/30/2020 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) § § H+ ATPaz (mide hücrelerinde) 11/30/2020 Ca+2 ATPaz (sarkoplazmik retikulum) H+-K+ ATPaz (böbrek ve bazı salgı hücre organellerinde) 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 11/30/2020 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. 11/30/2020 48

Ca+2 ATPaz H+-K+ ATPaz 11/30/2020 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; – – 11/30/2020 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. 11/30/2020 51

• Bu iki madde zıt yönde taşınırsa counter transport veya antiport taşıma olarak adlandırılır. • Na+-Ca+2, Na+ H+ taşımaları örnek olarak verilebilir 11/30/2020 52

Antiport Taşıma 11/30/2020 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. 11/30/2020 54

Fagositoz 11/30/2020 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. 11/30/2020 56

Ekzositoz 11/30/2020 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 m. V • Uyarılabilir hücrelerden çizgili kas ve kalp kasının MDP si -90 m. V, • düz kas hücrelerinin -65 m. V • sinir hücrelerinde -70, -90 m. V arasında değişmektedir. 11/30/2020 58

• Hücrelerimiz iç ve dışında Na+, K+, Cl-, Mg+2, Ca+2, H+, HCO 3 -, HPO 4 -, SO 4 -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. 11/30/2020 59

• MDP’i sadece K+ iyonlarının diffüzyonu ile oluşsa idi – 94 m. V (membran dinlenim potansiyelinin • oluşumunda esas sorumlu iyondur), Sadece Na+ iyonlarının diffüzyonu ile oluşsa idi +60 m. V, • Na+ ve K+’un birlikte oluşturduğu potansiyel fark – 86 m. V, • Buna – 4 m. V’luk Na+-K+ pompa etkisi eklenirse sinir hücresindeki MDP değerini vermiş olacaktır. 11/30/2020 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 11/30/2020 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. 11/30/2020 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. 11/30/2020 63

hiperpolarizasyon 11/30/2020 64

11/30/2020 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. 11/30/2020 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. 11/30/2020 67