Tbbi Biyoloji Hcre skeleti Do Dr Hasan DOAN

Tıbbi Biyoloji Hücre İskeleti Doç. Dr. Hasan DOĞAN Atatürk Universitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyoloji AD. 1

Hücre İskeleti • Ökaryotik hücrelerin değişik şekillere adapte olabilmeleri, hareketlerini yönlendirip koordine etmeleri sitoplazmanın her tarafına yayılmış olan protein yapıda flamenlerin oluşturduğu kompleks ağ sayesinde gerçekleştirir. Bu ağ hücre iskeleti olarak isimlendirilir. • Devamlı olarak hücrenin şeklinin değişmesini, bölünmesini, çevreye cevap vermesini organize eder. • Organellerin sitoplazmada hareketini sağlar. • Mitozda kromozomların ayrılmasını sağlar. • Hücre iskeleti bakterilerde bulunmaz. 2

• Hücre içersinde bulunuş şekilleri ve yerleri farklıdır. • İntermediate filamentler • Mikrotübüller • Mikroflamentler (Aktin flamentler) 3

Hücre İskeletinin Fonksiyonları 1. Sitoplazmaya yapısal destek 2. Hücre şeklini belirlemek, gerekirse değiştirmek 3. Hücre bölünmesinin kolaylaştırılması 4. Hücre hareketi ve göçünün sağlanması 5. Kas kasılmasının sağlanması 6. Organellerin yerinin kontrolu 7. Organeller arası transportun sağlanması 8. Hücrelerin birbirlerine ve eksternal yapılara tutunması 9. Metabolik olaylara katılma 4

Hücre İskeleti - Nedir ? Genel Bakış Hücre iskeleti; sitoplazma içerisinde uzanan protein yapısındaki filamentlerin girintili çıkıntılı bir ağıdır. – İntermediate filamentler • fonksiyon - dezmozom – Mikrotubuller • yapısı- assembly/disassembly • fonksiyon – hücre bölünmesi – organel transportu – hücre hareketi – Aktin Flamentleri/mikrofilamentleri • yapısı- assembly/disassembly • fonksiyon – hücre şekli – hücre hareketi – kasılma 5

Hücre iskeletinin üç ana bileşeni • İntermediate filamentler – ~10 nm filamentler – Farklı proteinlerin polimeridir – Omurgalılarında dahil olduğu metazoanlara özgüdür – Hücre tipine özgü (tüm hücrelerde her çeşidi yok) • Mikrotubuller – ~25 nm çapında büyük içi boş tüpler – a- ve b-tubulin dimerleri mikrotubulleri meydana getirir. çap 10 nm 25 nm 7 nm • Mikrofilamentler (Aktin filamentleri) – 5 -9 nm çapında F-aktinlerin iki zincirinin polimeridir – F-aktin = filamentöz aktin – G-aktin = globular (monomerik) aktin 6

7

İntermediate (ara) filamentler desmozom • Yüksek gerilme direnci – Halat şeklinde • Hayvan hücrelerinin çoğunda bulunur, hepsinde bulunmaz • Sitoplazmada bir ağ örgüsü şeklinde, çekirdeğin içinde ve çevresinde, hücre membranına bağlı haldedir • Filamentler hücreler arasında indirekt bağlantıyı sağlayan desmosom olarak adlandırılan yapıya katılır 8

• İntermediate flamentler; • Mekanik olarak basıya maruz kalan Kas hücrelerinde, epitel hücrelerde sinir aksonlarında bolca bulunur. • Fibröz proteindir. Globüler protein olan aktin ve tübulinin aksine fibröz proteindir • Nuclear laminler; nüklear zarla sarılı çekirdek içerisinde bulunan intermediate flament ailesine ait proteinlerdir. 9

İntermediate flamentler Merkezi bölge yaklaşık 310 aa den oluşur. Alfa heliks sarmal yapıdadır ve birbiri ardına tekrarlayan farklı aa tekrar dizileri bulunur. Bu yapıya Yedili tekrarlar (heptat repeat) denir 10

Model IF’in yapısı MONOMER DİMER TETRAMER PROTOFLAMENT İNTERMEDİATE FLAMENT YAPI 11

IF mekanik strese karşı hücreyi genişleterek korur • Nöronlarda ve epitel hücrelerinde bulunurlar. • Intermediate filamentler; hücre hareketi veya büyümesinin sebep olduğu stresden hücreleri korur intermediate filamentler ve desmosomlar desmosomes alone desmosomes 12

IF ‘nin ana sınıfları • Vimentin; Mezenşim orjinli hücrelerde (kas ve bağ dokusu) • Desmin; Kaslarda • Glial; Glial hücrelerde • Peripherin; Nöron hücrelerinde • Keratinler; Epitel hücreleri ve onlardan türeyen saç tırnak vb. • Nöronal; Nöronlarda • Aksonal; Nöronlarda • Nükleer laminler; Ökaryotik hücrelerin nüklear laminasında 13

İntermediate filamentlerin 4 ana çeşidi 14

15

Mikrotubüllerin Temel Özellikleri • Yapı: – Tubulin proteinin içi boş tüpleri şeklinde • Fonksiyonları: – Bölünmeyen hücrelerde: membranlı organellerin pozisyonunu belirler ve hücre içi transporta rehberlik eder, demiryolu rayları gibi. – Bölünen hücrelerde: mitotik iplikçikleri oluştururlar ve kromozomları hareket ettirirler. – Silli hücrelerde: cilia ve flagella olarak adlandırılan saça benzeyen yapıları ritmik bir şekilde kasılır, itici bir güç verir (ör. sperm) veya sıvıların yüzeyden kayması (ör. Epitel hüc. ). 16

Mikrotubul yapısı a/alfa-tubulin ve b/beta-tubulin proteinlerinin çeşitli alt birimlerinden yapılmışlardır • 13 protofilament’ten meydana gelmiş içi boş bir tüp şeklindedir dimer rows = + • Protofilamentler yapısal polariteye sahiptir (+ uç & - uç), bu da mikrotubullere yapısal bütünlük, fonksiyonel polarite sağlar 17

Mikrotubul oluşumu sentrozom • Mikrotubuller çok dinamik yapılıdır. • Her zaman mikrotubullerdeki tubulinin %50 si alt birimlerin polimerizasyonu için havuz olarak saklanır. • Bu da ihtiyaç duyulduğunda hücre iskeletinin yeni modellemesinde kullanılır. • Sentrozom: mikrotubul oluşumunda çekirdek bölgesi rolü oynayan tubuline yüzlerce yeni halka ilave eder. 18

Mikrotubul oluşumu • -tubulin moleküllerinin halka yapmasıyla polimerizasyon başlar. • Polimerizasyon tubulinin a ve b-dimerlerinin birer eklenmesiyle devam eder, yavaş içi boş tüp oluşumu sağlanır. • Dimerler tüpün her iki ucuna da eklenir fakat (+) uca daha hızlı eklenir. a b Nucleating ring of tubulin - uç + uç 19

Dinamik instabilite Dinamik değişkenlik: Nukleasyondan sonra mikrotubuller organizasyon merkezinin dışına doğru büyürler ve sonra serbest uçtaki alt birimlerin kaybı ile hızlı bir şekilde büzülürler. red = growing blue = shrinking dinamik instabiliteye sebep olan nedir? . . . 20

Dinamik instabilitenin görevi nedir? • Mikrotubuller sürekli sentrozomlardan uzanırlar Mikrotubulun (-) ucu organizasyon merkezi (sentrozom) tarafından korunmuştur fakat (+) ucu bir moleküle veya yapıya tutunarak depolimerizasyonu engeller. • Aynı balık kancası (misina) ve balıkçı gibi - kanca ısırılmadığında, mikrotubul içine kapanıktır - balık ısırırsa, gerilir, ipi sallar balıkta balıkçıda çeker • Bu selektif stabilizasyon hücre polaritesinin temelini oluşturur 21

GTP hidrolizi dinamik instabiliteyi kontrol eder dimer red = bound GTP dark green = GDP • GTP ile bağlı Tubulin dimerleri (kırmızı), GDP ile bağlı olanlara göre (koyu yeşil) birbirlerine daha sıkı bağlıdırlar böylece GTP ile bağlı olanlar GTP cap ile büyümeyi sağlarlar • Büyüme yavaşladığında alt birimlerde GTP cap hidroliz edilir, GTP ler - GDP’ye dönüşür • GDP-li alt birimler yapıya daha gevşek bağlıdırlar, salınımları küçülmeye büzülmeye sebep olur 22

Mikrotubul oluşumu ve yıkımı fonksiyon için gereklidir Örnek: bölünen bir hücrede mitotik iplikler • Colchicine, colcemid, vinblastin, vincristin ve nocodazol ilavesi -> serbest tubuline bağlanır ve polimerizasyonu önler • Taxol ilavesi -> mikrotubullere bağlanır ve subunitelerin kaybını önler kromozomlar ayrışamaz. Yeni subuniteler eklenebilir fakat mikrotubuller küçülmez dağılmaz • Kanser tedavisinde kullanılan antimitotik ilaçlar taxol ve colchicinden türetilir. 23

Polarize mikrotubuller = polarize hücre fonksiyonu dendrites • Çoğu farklılaşmış hayvan hücreleri polarizedir (ör. Sinir hücreleri) • Axon mikrotubulleri: (-) uç hücre gövdesinde, (+) uç axon terminalinde • Proteinler hücrede yapılır fakat axon terminalinde ihtiyaç vardır (membrane vesicles and proteins for secretion) mikrotubuller ile oraya terminale gönderilir (tren yolu gibi) • Diğer proteinler ara nakliyeci taşıyıcı mikrotubuller ile hücre gövdesine taşınır. 24

Selektif direksiyonal transport nasıl olur? • Kinesinler ve dyneinler mikrotubuller üzerinde hareket eden motor proteinlerdir 25

Kinesinler ve dyneinler zıt yönde taşıma yaparlar Kinesinler kargoyu pozitif uca doğru taşır Kargo (proteinler, membran vezikülleri vs. ) uygun motor proteinlere bağlanır Dyneinler ise kargoyu negatif uca doğru taşırlar Böylece mikrotubuller; hücre polarizasyonu ve hücre içinde taşınacak kargoların taşınmasında çok önemlidir. 26

Ö Z E T • Hücre iskeleti; intermediate filamentler, mikrotubuller ve mikrofilamentlerden meydana gelmiştir • Intermediate filamentler hücreyi mekanik stresten korur • Mikrotubuller; tubulin proteinlerinden yapılmış olup doğal polariteye sahiptirler. • Mikrotubuller ortaklık (birleşme) ve dağılma arasındaki sabit dengeyi ayarlarlar • Dinamik değişkenlik mikrotubullerin yeni fonksiyonlarına izin verir Ör. mitotik ipliklerin birlikteliği ve kararlı hücre polaritesi • Mikrotubuller ile ilgili olan Motor proteinler polarite oluşturarak hücresel kargoları taşır, sil ve kamçı hareketini üretirler (oluştururlar) 27

28

Aktin mikrofilamentleri- nedir/ nerededir? • Mikrofilamentler: – filamentler aktin proteininden, meydana gelirler çapraz bağlı destelerde ve ağ yapısında bulunurlar – hücre hareketinden sorumludurlar – hücre içerisinde çeşitli yapılanmaları vardır: Mikrovilli: ince Kontraktil desteler: bağırsak hücresi sitoplazma Lamellipodia ve filopodia: göç eden hücre ucunda filopodium Kontraktil halka: bölünen hücrenin arasında lamellipodium 29

Aktin mikrofilamentlerinin yapısı actin molecule - end twist • Aktin filamentleri: iki zincirli helix yapısında her 37 nm’ de tekrarlayan twist’leri (büklümleri) vardır. • Zincir yapısındaki kuvvetli etkileşimler separasyonu engellemektedir. • Aktin filamentleri mikrotubuller gibi yapısal polariteye sahiptirler. + end 30

Aktin ve tubulinin enzimatik aktivitesi var; ATP Actin microfilament assembly • Filamentler aktin monomerlerinin uçlara ilavesiyle büyürler fakat, + uca doğru daha hızlı büyürler • Aktin filamentleri; yardımcı proteinlerin yokluğunda daima unstable’dir (aynı mikrotubuller gibi) her iki uçtan dissosiye olurlar • Enzimatik aktivite: • Serbest aktin monomerlerine bağlı ATP aktinler birbirlerine bağlandıklarında ADP’ye hidroliz olur (tubulindeki GTP hidrolizi gibi), filamentin bağlanma mukavemetini azaltıp stabilitesini artırırlar. 31

Çeşitli fonksiyonların temelinde hızlı yapılıp yıkılma rol oynar Birleşip dağılma kabiliyetinin çabuk olması hücre hareketi gibi birçok fonksiyonda önemlidir Actin dinamiği ilaçlardan etkilenir: phalloidin: depolimerizasyonu engeller cytochalasin: Aktin polimerizasyonunu engeller Her iki ilaçta hücre bölünmesini ve yürümesini engeller. Aktin filamentlerinin fonksiyonu polimerizasyon ile depolimerizasyon arasındaki dengeye bağlıdır, aynı mikrotubuller gibi. 32

Filament polymerization can be altered by drugs 33

Birleşme hızı aktin bağlayıcı proteinler tarafından kontrol edilir Sitoplazmadaki aktinin yarısı filament, geri kalan kısmı serbest monomer halinde bulunur Polimerizasyonun uzunluğunu ne kontrol eder? thymosin ve profilin proteinleri; serbest aktin monomerlerine bağlanarak filament yapısına katılmalarını engellerler -> böylece monomer havuzu rezerv olarak saklanır Diğer aktin bağlayıcı proteinler filamentlere bağlayarak fonksiyonlarını düzenlerler. 34

Filamentler protein subunitlerinin reversible polimerizasyonu ile oluşurlar. Reversible polymerization; büyüme, hücre ve organel hareketinde gerekli olan esnekliği sağlar. 35

Hücre korteksinde Aktin filamentleri Aktinin büyük bir kısmı plazma membranının tam altında bulunur, bu bölgeye hücre korteksi denir. Aktin filamentleri networkün (ağın) 3 boyutlu yapısına çapraz bağlıdır - Hücre hareketinde/yürümesinde önemlidir - Hücrenin mekanik mukavemetini sağlar - Hücrenin şeklini belirler 36

Hücre Yürümesinde Aktinin Rolü… new cortex • Actin hücrenin apikalinde polimerize olur, plazma membranını ileri iter ve plazma kortexinde yeni bir bölge oluşturur – öncü uç. • Aktin filamentleri ile yüzeydeki integrinler arasında yeni yapışma noktaları oluşur. • Cortical tension (gerilim) hücreyi ileriye iter. • Aktin filamntleri depolarize olur, gevşer ve tekrar öncü ucu oluşturmak için ileirye doğru hareket ederler • Döngü yeniden başlar. . . 37

Aktin motor proteinleri - myosinler Bütün aktin motor proteinleri myosin ailesine aittir. Mikrofalmentler üzerindeki myosin hareketini ATP sağlar. ATP-binding head muscle myosin Her zaman negatif uçtan (- end) pozitife (+ end) doğru hareket ederler. Çeşitli tipleri vardır: myosin-I and myosin-II en yaygınlarıdır. aggregate of myosin -II molecules with heads pointing in opposite directions 38

Myosin-I ve myosin-II’nin Rolleri • myosin-I: moves vesicles Along microfilaments by repeated ATP hydrolysis at the globular head region • myosin-I: moves an actin filament relative to the plasma membrane via ATP hydrolysis • myosin-II: small myosin-II filaments can slide actin filaments across each other, thus shortening an actin bundle (yığın) heads point in opposite directions 39

Actin filaments can bind to proteins called myosin Myosin can convert ATP to mechanical work Myosin binds and moves along an actin filament, driven by the breakdown of Net result: movement of organelles ATP and mixing of cytoplasm (carrier) (nutrients, O 2, ions, etc. ) 40

Skeletal muscle contraction: • Kas kasılması aktin filamentlerinin myosin-II filamentleri arasına kaymasıyla oluşur. + ends myofibril 41

Mikrofilament Özet • Mikrofilmentler aktin’in helikal polimerleridirler • Aktin filamentlerinin yapısı polarizedir ve yıkılıp yapılmaları dinamik bir olaydır ve aktin monomerlerine bağlı ATP hidroliziyle kontrol edilir. • Çeşitli aktin bağlayıcı proteinler mikrofilamentlerin fonksiyonlarını kontrol ederler • Kortikal aktin filamentlerinin networkü hücre yüzeyinin şekli ve hareketinden sorumludur, hücre yürümesi gibi • Kas kasılması aktin filamentlerinin myosin-II filamentleri arasına kaymasıyla oluşur. 42