Hcre Zar ve Su Kanallar D 1 M

Hücre Zarı ve Su Kanalları D 1 M 2 S 2 Prof. Can Akçalı akcali@ankara. edu. tr

Ökaryotik Hücre Zarı

Hücre Zarı • Hücreler kendilerini çevreleyen biyolojik zarlar tarafından dış ortamdan ayrılır. • Zar genetik materyali, yapısal proteinleri, metabolitleri ve yaşam için gerekli molekülleri koruyarak hücrenin yapısal bütünlüğünü sağlar. • Zara yerleşik proteinler ise hücreyle dış ortam arasındaki madde değişimini kontrol eder. • Hücre hacminin ve gerekli iç ozmolaritenin düzenlemesi birçok durumda suyun ve tuzların hücre zarından geçişinin kontrol edilmesine bağlıdır.

§ Hücreyi oluşturan farklı maddeler protoplazma adını alır § Protoplazma temel olarak 5 maddeden oluşur: 1. Su 2. Elektrolitler (iyonlar) 3. Proteinler 4. Lipidler 5. Karbonhidratlar

Suyun taşınması (Kronoloji) • 1920’ler; çift katmanlı lipid tabakanın tanımlanmasıyla hücrelerin iç ortamlarındaki özgün koşulları dış ortamdaki koşullara rağmen nasıl muhafaza edebildikleri anlaşıldı. • 1950’ler; taşıyıcı kanalların keşfiyle moleküllerin transmembran hareketlerinin moleküler temelleri gösterildi. Ancak lipid zardan suyun difüzyonu üzerine tartışılmalar uzun süre devam etti. • 1960’lar; amfibi deri epiteli ve eritrositler gibi su geçirgenliği yüksek olan hücrelerde suyun lipid zardan difüzyon dışında başka bir yolla da geçmesi gerektiği öne sürüldü. Taşıyıcı birçok kanal proteini su kanalı özelliği göstermediği için eritrositlerde ve Xenopus oositlerinde bulunan Glikoz taşıyıcısı 1 (Glucophorin 1), su taşıyıcı kanal için öncelikli aday olarak ortaya atıldı.

Su Geçişi Osmoz Ko-transport Su kanalları (Aquaporin)

Suyun taşınması • 1992; ilk aquaporin, ‘aquaporin-1’, Peter Agre tarafından gösterildi. Bazı epitelyal hücrelerde görülen yüksek miktarda su geçirgenliği bulgusu başka mekanizmalar da olabileceğini düşündürtmekteydi. • Agre bu buluşu Rh kan grup antijenleri üzerinde çalışırken gerçekleştirdi. Rh molekülünün yanısıra 28 k. D boyutunda ikinci bir molekül daha gördüler. İlk başta Rh molekülünün bir parçası olarak düşünülen bu molekülün memeli eritrositlerinde, böbrek tübül hücrelerinde, göz lensinde, sinek beyinleri ve birçok bitki hücresinde varlığı saptandı. • Bu buluşu ile Agre 2003 yılında kimya dalında Nobel ödülü kazandı.

Aquaporinler • Aquaporinler hücre zarı proteinleridir. • Dört tanesi biraraya gelerek (tetramer) su kanalı oluşturmaktadır. • Saniyede 3 x 109 su molekülü taşıyabilen aquaporinler proton geçişine izin vermezler. • Aquaporin ailesi aynı zamanda gliserol, üre, arsenit ve bazı iyonların taşınmasına da yardımcı olur. • Aquaporinlerin oluşturduğu kanallarda su geçişi doğrudan ATP kullanımını gerektirmemektedir.

Aquaporin Kanalı Yapısı • Aquaporin proteinlerinde altı TM α-helix yapısı bulunmaktadır ve amino ve karboksil uçları hücre içine bakmaktadır. • Hidrofobik B ve E kavisleri yüksek oranda korunmuş olan asparagine–proline–alanine (NPA) motifi içermektedir. Lipid tabakasının ortasında ‘Kum saati’ şeklinde bir yapı oluşturmakta ve suyun geçişini sağlamaktadır.

Aquaporin Kanalı Yapısı (Kum Saati Modeli)

Aquaporinler • Difüzyonda su geçişi çift taraflı olmasına rağmen aquaporinler ozmotik gradient veya hidrolojik gradient tarafından kontrol edilen tek taraflı geçişe izin verirler. • Asn 76, Asn 192 su geçirgenliğinde büyük öneme sahiptir. • Su kanallarının civaya olan duyarlılığı da önemlidir. Mutasyonel stratejileri kullanan çalışmalar ile civanın bağlandığı bölge tanımlanmıştır. • Belirli moleküllerin aquaporinlere bağlanarak geçirgenlik özelliklerini düzenlendiği belirlenmiştir. • AQP 0 aktivitesi Ca+2 konsantrasyonu ile denetlenmektedir. Ca+2, kalmodulin aracılığıyla oositlerde ve veziküllerde dört kata kadar su geçirgenliğinde artışa sebep olmaktadır

İnsanda bilinen Aquaporinler Aquaporin-0 Aquaporin-1 Aquaporin-2 * Aquaporin-3 Aquaporin-4 Aquaporin-5 Aquaporin-6 * Aquaporin-7 Major Sites of Expression Comments Eye: lens fiber cells Fluid balance within the lens Red blood cells Osmotic protection Kidney: proximal tubule Concentration of urine Eye: ciliary epithelium Production of aqueous humor Brain: choriod plexus Production of cerebrospinal fluid Lung: alveolar epithelial cells Alveolar hydration state Kidney: collecting ducts Mediates antidiuretic hormone activity Kidney: collecting ducts Reabsorbtion of water into blood Trachea: epithelial cells Secretion of water into trachea Kidney: collecting ducts Reabsorbtion of water Brain: ependymal cells CSF fluid balance Brain: hypothalamus ? Osmosensing function Lung: bronchial epithelium Bronchial fluid secretion Salivary glands Production of saliva Lacrimal glands Production of tears Kidney ? Very low water permeability; function Fat cells Transports glycerol out of adipocytes Testis and sperm Aquaporin-8 Testis, pancreas, liver, others * Aquaporin-9 Leukocytes

Aquaporinler • Aquaporin ailesinden 0, 1, 2, 4, 5, 6 ve 8 sadece su kanalı olarak işlev görürler. • Her ne kadar aminoasit dizilimi olarak diğerlerine benzese de AQP 6 anyon, AQP 8 ise üre kanalı olarak iş görmektedir. • AQP 3, 7, 9 ise aquagliseroporindir. • Son zamanlarda tanımlanan AQP 11 ve AQP 12 ise superaquaporinlerdir.

Aquaporinlerin hücresel düzeyde rolü A. Hücre Göçü. AQP hücrenin ilerleme yapan bölümünde polarize olur ve lamellipodium oluşumunu kolaylaştırır. B. Hücre çoğalması. AQP byosentez için gerekli olan gliserolun hücre içine girişini kolaylaştırır. AQP bazı onkojenlerle de direkt olarak etkileşimdedir. C. Hücre yapışması AQP 0–AQP 0 veya AQP 4–AQP 4 bağlanması hücreler arası bağlanmayı artırır. AQP aynı zamanda hücre ve ekstrasellüler matriks arasındaki bağlanmayı da artırır. D. Doku-su dengesi. Örneğin beyinde AQP 4 beyin ve major sıvı kompartmanları arasında su akımını kontrol eder: 1) glia limitans (brain–subarachnoid cerebrospinal fluid), 2) ependyma (brain–ventricular cerebrospinal fluid), 3) astrocyte foot processes (brain –blood). A, astrocyte; csf, cerebrospinal fluid; V, ventricle. . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes, 2014

Aquaporinin klinik önemi • Aquaporin proteini kullanılarak kalp hastalıklarında sıvı toplanması ve inmelerden sonraki beyin ödemi tedavi edilebilir. • Aquaporin mutasyonları ile karakterize iki hastalık vardır: • Aquaporin-2 mutasyonu: kalıtsal diabet insipidus • Aquaporin 0 geni yok edilen fareler: Kalıtsal katarakt. • Aquaporin 4: Sinir kılıfını tutan otoimmun hastalık (Devic)

Aquaporinin klinik önemi • AQP 1 eksikliğinde böbreklerle atılan idrar konsantrasyonunda anormallikler görülür. • AQP 3 geni yok edilmiş farelerde yara iyileşmesi keratinositlerdeki azalmış gliserol içeriğinden dolayı bozulmuştur. • Epidermisde AQP 3 ifadesi ile cilt kanseri arasında bir bağlantı olabileceği düşünülmektedir (Nemlendirici kremler)

İnsan tümörleri ve Aquaporinler Tumor type Astrocytoma Breast cancer Cholangiocarcinoma Aquaporins AQP 1, 4, ? 8, 9 AQP 5 AQP 1 AQP 4 AQP 1 Colorectal cancer AQP 1, 3, 5 AQP 8 Cervical cancer AQP 1, 3 AQP 5 Choroid plexus tumor AQP 1 Hemangioblastoma AQP 1 Laryngeal cancer AQP 1 Leukaemia AQP 5 Liver cancer AQP 3, 5 AQP 8, 9 AQP level high low high high (CML) high low Tumor type Lung cancer Meningioma Nasopharyngeal cancer Oesophageal cancer Ovarian cancer Renal Skin, SCC Stomach cancer Thyroid cancer Tongue cancer Urinary bladder Aquaporins AQP 1, 3, 5 AQP 1, 4 AQP 1 AQP level high AQP 3, 5 AQP 1, 5, 9 AQP 3 AQP 5 AQP 4 AQP 3, 4 AQP 7 AQP 3, 5 AQP 3 high high low high (papillary) low (undifferentiated) high (SCC) low

• Birçok canlı türünde ifade edilen ve işlevlerinin tamamı henüz anlaşılamayan aquaporinler su dışında farklı moleküllere de seçici geçirgenlik gösterir. • Her ne kadar aquaporinlerin ifadelenme ve işlev bozuklukları çeşitli patolojik süreçlerde rol oynasa da seçici geçirgenlik özellikleri farklı hastalıklar için tedavi olanakları sunabilir. • Ancak günümüzde bu proteinleri inhibe edici moleküller henüz bilinmemektedir.

Aquaporin İfadesinin kontrolü • Farklı aquaporinlerin dokularda ve gelişim sırasında farklı ifade profilleri bulunmaktadır. • Böbrek toplayıcı kanal epitel hücrelerinde aquaporin-aracılı su taşınması mekanizması iyi bilinmektedir. • Toplayıcı kanal epitel hücreleri en az iki farklı aquaporin ifade etmektedir. • AQP 2 ve AQP 3 • Anti Diüretik Hormon (ADH)

Aquaporin İfadesinin kontrolü • Aquaporin-2 sentezlendikten sonra ADH yokluğunda sitoplazma içersinde veziküllerde depolanır. • ADH reseptörüne bağlandığında ise hem AQP 2 geni aktive olmakta hem de veziküllerdeki AQP 2 epitel hücre apikal membranına yerleşmektedir. Bu sayede lümenden etkili bir biçimde su alımına başlar. • Aquaporin-3 basolateral membranda sabit bir şekilde bulunmaktadır. AQP 2 ile giren su AQP 3 ile hızlı bir şekilde çıkmakta ve kana geçmektedir.

Su ve Hücrelerde Hedefler • Su yaşayanlarda en çok bulunan kimyasaldır. Hemen hemen tüm kimyasal reaksiyonlar suda gerçekleşmektedir. • Su uzaklaştırılması (Dehidratasyon) • Su eklenmesi (Hidroliz)

Dehidratasyon • Suyun uzaklaştırılması ile moleküler düzeyde : • Basit şeker olan Glukoz, komplex karbonhidrat olan nişasta • Glycerol ve yağ asitleri, yağ • Amino asidler, protein oluşturur.

Hidroliz • Büyük moleküllerin su kullanılarak küçük moleküllere yani monomerlere ayrıldığı kimyasal reaksiyonlara denir • Karbonhidratlar, yağlar ve proteinler bu yolla küçük moleküllere ayrıştırılır. • Nişasta----Glukoz • Yağ---- Glycerol ve yağ asitleri • Protein----Amino asidler oluşur.

Su Hedefleri • Protein katlanması • Protein yapısı • Protein aktivitesi • Protein–ligand etkileşimleri • DNA yapısı ve DNA-Protein etkileşimi. • Bazı proteinler güçlü bir şekilde DNA’ya bağlanmaktadır. Proteinler bu bağlanmayı gerçekleştirirken su etkisine ihtiyaç duymaktadır.

Su ve kanser • Kanser hücreleri normal hücrelerden daha fazla serbest su içermektedir. • Malignansinin artması da hücre hidrasyonu ile ilgilidir. • Neden olarak ise su miktarının artmasının kanserli hücrelerde intraselluler olayları (metabolizma ve çoğalma gibi) hızlandırmakta ve normal hücrelere oranla avantaj sağlamasına neden olduğu düşünülmektedir.

Lizozom proteinleri (mor) ve su damlacıkları (mavi) Proteinler bir hücrede belli bir konsantrasyona eriştiğinde (Dolayısıyla aralarındaki mesafe azaldığında) etraflarındaki su hareketi ve miktarı dramatik olarak azalmaktadır. Bu Alzheimer hastalığı gibi hastalıklarda proteinlerin neden bir araya geldiğini açıklayabilir.