Page 1


T覺bbi H羹cre Biyolojisi


Tıbbi Hücre Biyolojisi Editör

Steven R. Goodman, PhD C.L. and Amelia A. Lundell Professor of Life Sciences The University of Texas at Dallas Richardson, Texas Adjunct Professor of Cell Biology University of Texas Southwestern Medical Center Dallas, Texas

Çeviri

Uzm. Dr. Rasim Özgür Rosti Tıbbi Genetik Uzmanı

12%(/7,3.Ĉ7$%(9/(5Ĉ


‹1REHO7×S.LWDEHYOHUL/WGĉWL 7×EEL+FUH%L\RORMLVL dHYLUL8]P'U5DVLPg]JU5RVWL ,6%1

0HGLFDO&HOO%LRORJ\ 7KLUG(GLWLRQ &RS\ULJKW‹(OVHYLHU,QF 6WHYHQ5*RRGPDQ3K' ,6%1

%XNLWDE×Q7UNoH\HoHYLULKDNN׋(OVHYLHU/LPLWHGWDUDI×QGDQ12%(/7,3.Ĉ7$%(9/(5Ĉ·QHYHULOPLċWLUYH VD\×O×)LNLUYH6DQDW(VHUOHUL\DVDV×JHUHĊLKHUKDQJLELUE|OPUHVPLYH\D\D]×V×\D]DUODU×QYH\D\×QOD \×F×V×Q×Q\D]×O×L]QLDO×QPDGDQWHNUDUODQDPD]EDV×ODPD]NRS\DV×o×NDU×ODPD]IRWRNRSLVLDO×QDPD]YH\DNRS\D DQODP×WDċ×\DELOHFHNKLoELULċOHP\DS×ODPD]

']HQOHPH 

1REHO7ÕS.LWDEHYOHUL +DQGH'DOVDOGÕdDoXU

.DSDN

g]NDQ.D\D

%DVNÕ&LOW 

1REHO0DWEDDFÕOÕN +DGÕPN|\ø67$1%8/


Tıbbi Hücre Biyolojisi 3. baskısını aileme Eşim, Cindy; kız kardeşim, Sue; ve çocuklarım, Laela, Gena, Jessie, David, Christie ve Laurie arkadaşlarıma Obe, Ian, Charlie, Lynn, Santosh, Sandi, Rocky, Steve L., Stephen, Da Hsuan ve birçok diğerler arkadaşıma bilimsel kahramanlarıma Britton, Chance, Aaron Cienchanover, Russell Hulse ve Alan MacDiarmid ve geçmişteki ve şimdiki öğrencilerime atfediyorum


İçindekiler Katkıda Bulunanlar Önsöz Bölüm 1 Hücre Biyoloğunun Araçları Mikroskopi: Hücre Biyoloğunun İlk Araçlarından Biri Floresan Mikroskobu İmmünetiketleme Genetik Etiketleme Elektron Mikroskobisi Transmisyon Elektron Mikroskobisi Tarayıcı Elektron Mikroskobisi Atomsal Kuvvetli Mikroskop Hücre Biyolojisinin Diğer Araçları Hücre Kültürü Flow Sitometri Subselüler Parçalanma Proteomiks ve Genomiks Tekniklerinden Daha Sonraki Bölümlerde Bahsedilecektir Özet Bölüm 2 Hücre Membranları Membran Lipidleri İnsan ve Hayvan Biyolojik Membranlarının Lipid Bileşimi Fosfolipid, Kolestrol ve Glikolipidleri İçerir Membran Lipidleri Devamlı Devirdaime Uğrar Membran Lipidleri Devamlı Olarak Hareket Halindedir Membran Protein-Lipid Etkileşimleri Fonksiyonun Önemli Mediyatörleridir İntegral ve Periferik Membran Proteinleri Yapı ve Fonksiyon Olarak Farklıdır Membran Protein Organizasyonu Mikroskopi ve Flow Sitometri gibi Optikal Teknolojiler Membran Araştırmalarında Devrim Yaratmıştır Orak Hücre Hastalığında Membran Fosfolipidlerinde Önemli Değişiklikler Oluşur Hücre Membranı Farklı İç ve Dış Hücresel Ortamın Devamını Sağlayan Seçici bir Geçirgenlik Bariyeridir Membranlar Boyunca Su Hareketi Osmoza Dayalıdır

xi xiii 1 5 7 9 14 15 15 18 18 19 19 22 23 25 25 27 29

29 30 33 36 36 38

38

41

43 44

Donnan Etkisi ve Su Akımı ile İlişkisi Kolaylaştırılmış Taşıma Aktif Taşıma Sekonder Aktif Taşıma İyon Kanalları ve Membran Potansiyelleri Membran Potansiyeli Plazma Membranının Her İki Tarafındaki Elektrik Yük Farkından Kaynaklanır Aksiyon Potansiyelleri Akson Tepesinden Yayılmaya Başlar Özet

46 47 48 48 49

Bölüm 3 Hücre İskeleti Mikrofilamentler Aktin Kökenli Hücre İskelet Yapıları İlk Önce Kas Dokusunda Gösterilmiştir İskelet Kası, Kas Lifi Demetlerinden Oluşmaktadır İskelet Kasının Fonksiyonel Ünitesi Sarkomerdir İnce Filamentler Aktin, Tropomiyozin, Troponin ve Tropomodülin Proteinlerinden Oluşur Kalın Filamentler Miyozin Proteininden Oluşur Aksesuvar Proteinler Miyofibril Mimarisinin Korunmasından Sorumludur Kas Kasılması Sarkomerde Kalın ve İnce Filamentlerin Birbirine Karşı Göreceli Olarak Kaymasını İçerir Adenozin Trifosfat Hidrolizi İnce Filamentler ile Çapraz –Bağ Etkileşimleri için Gereklidir İskelet Kası Kasılmasının Kalsiyum Düzenlenmesi Troponin ve Tropomiyozin Aracılığı ile Olur İskelet Kasındaki İntraselüler Kalsiyum Özelleşmiş bir Membran Kompartmanı olan Sarkoplazmik Retikulum ile Düzenlenir Üç Tip Kas Dokusu Bulunur Düz Kasın Kontraktil Aparatı Aktin ve Miyozini İçerir Düz Kas Kasılması Miyozine Bağlı Kalsiyum İyon Düzenleyici Mekanizmalar Aracılığı ile Oluşur Düz Kas Kasılması Bir Kaç Seviyede Etkilenebilir

59 59

52 54 56

59 60 60

60 64 64

66

67

68

69 70 73

74 75 vii


viii

údú1'(.ú/(5

Aktin-Miyozin Kontraktil Yapıları Kas Hücresi Dışında da Bulunur Miyozin Süpergen Ailesinin Üyeleri Veziküllerin ve Sitoplazmadaki Aktin Yolları Boyunca Diğer Kargoların Hareketinden Sorumludur F-Aktin Demetleri Epitelyal Hücrelerin Mikrovillusları için Yapısal Bir Destektir Kortikal Sitoplazmanın Gel-Sol Hali Aktin’in Dinamik Statüsü ile Kontrol Edilir Hücre Hareketi Aktin Dinanmiklerinde Koordineli Değişiklikler Gerektirir Aktin’e Dayalı Fonksiyonun İnhibitörleri Aktin Bağlayıcı Proteinler ERM Ailesi Aktin’in Plazma Membranının Sitoplazmik Yüzeyi ile Uçuca Bağlantısına Aracılık Eder Spektrin Membran İskeleti Eritrosit Spektrin Membran İskeletinin Yapı ve Fonksiyonu Detaylı bir Biçimde Anlaşılmıştır Spektrin Eritroid Seri Dışındaki Hücrelerde de Yaygın Bir Komponentdir Spektrin I ve II, α-aktinin ve Distrofin Spektrin Süpergen Ailesini Oluşturur Aktin Dinamiklerinin Düzenlenmesi İntermediyan Filamentler Heterojen bir Protein Grubu Çeşitli Hücrelerde İntermediyan Filamentler Oluşturur Bu Kadar Heterojen bir Protein Grubunun Tümü Nasıl İntermediyan Filament Oluşturuyor? Mikrotubüller Mikrotubüller Tubülinden Oluşan Polimerlerdir Mikrotubüller Hızlı Birleşme ve Ayrışım Geçirirler Sentrozom, Mikrotubüllerin Eksi Uçlarına Şapka Takarak Mikrotubül Organize edici Merkez Olarak Rol Alır Sitoplazmik Mikrotubüllerin Davranışı Kontrol Edilebilir Mikrotubüller Hücre içi Vezikül ve Organel Transportunda Rol Oynar Silia ve Flagella Mikrotubüllerden Oluşan Özelleşmiş Organellerdir Aksonemal Mikrotubüller Sabit Oluşumlardır Mikrotubül Kayması Aksonemal Motiliteye Neden Olur Mikrotubüller ve Motor Proteinler Mitotik İğin Fonksiyonundan Sorumludur Özet Bölüm 4 Organel Yapısı ve Fonksiyonu Çekirdek Endoplazmik Retikulum

75

77 78 78 79 81 81

81 82

82 85 86 88 89 89

90 91 91 91

92 94 95 95 97 97 98 100 101 103 104

Düz Endoplazmik Retikulum Granüllü Endoplazmik Retikulum Endoplazmik Retikulumu Terketmek: Veziküler Trafik için bir Örnek Vezikül Tomurcuklanma, Hedefleme ve Füzyonunun Özeti Endoplazmik Retikulumdan Golgi Vezikül Taşımasına ve COPII- Kaplı Veziküller Golgi Cisimciği Golgi Cisimciğinde Proteinlerin Glikolizasyon ve Kovalent Modifikasyonları Golgi Kompleksi Boyunca Retrograd Taşınma Golgi Kompleksinde Anterograd Transport Golgi Kompleksini Terketmek Konstitütif ve Kontrollü Sekresyon Lizozomal Enzimler bir Mannoz 6-Fosfat Sinyali ile Hedeflerine Gönderilir Endositozis, Endozomlar ve Lizozomlar Klatrine Bağımlı Endositoz Düşük Yoğunluklu Lipoprotein ve Transferrin’in Reseptör Aracılı Endositozu Multiveziküler Endozomlar Lizozomlar Ubikuitin-Proteazom Sistemi Lizozomal Olmayan Protein Degradasyonundan Sorumludur Mitokondri Oksidatif Fosforilasyon ile ATP üretimi Mitokondri Genetik Sistemi Mitokondriyel Fonksiyondaki Defektler Hastalığa Neden Olur Mitokondri Proteinlerinin Çoğunu Sitozolden Alır Peroksizomlar Özet Bölüm 5 Gen Ekspresyonunun Düzenlenmesi Hücre Çekirdeği Çekirdek Yapısı Çekirdek Fonksiyonu DNA Replikasyonu ve Tamiri Önemli Çekirdek İçi Fonksiyonlardır DNA Replikasyonu Hücre Döngüsünün Sentez (S) Fazında Olur DNA Tamiri Hücrenin Hayatta Kalması için Kritik bir Proçestir Gen Ekspresyonunun Düzenlenmesi Genomiks ve Proteomiks Restriksiyon Nükleazları: DNA’yı Özgün Nükleotid Dizilerinden Kesen Enzimler Gen Klonlama Herhangi bir DNA Dizisini Yüksek Miktarlarda Üretebilir Bir Genin Primer Yapısı DNA Dizilemesi ile Hızlı bir Şekilde Belirlenebilir Genomun Özgün Bölgeleri Polimeraz Zincir Reaksiyonu ile Çoğaltılabilir

104 107 118 118 121 121 122 123 125 125 125 126 128 128 129 131 132

132 134 134 140 140 143 145 147 149 149 149 155 156 156 159 165 165 165 167 167 168




údú1'(.ú/(5 Biyoinformatik: Genomiks ve Proteomiks Kişiselleşmiş Tıbbın Gelişimi için Ümit Vericidir Transgenik Fareler Eşsiz Genetik Hastalık Modelleri Sunarlar Gen Ekspresyonu: DNA’dan Proteine Bilgi Transferi Genetik Tedavi Etkin Gen Tedavisinin Geliştirilmesi için Bir Çok Engel Vardır Gen Bazlı Tedaviler için Bir Çok Strateji Olasıdır Özet

170 172 174 189 189 189 190

Bölüm 6 Hücre Yapışması (Adezyon) ve Ekstraselüler Matriks 191 Hücre Yapışması 192 Çoğu Hücre Yapışma Molekülü Dört Gen Ailesinden Birine Mensuptur 192 Kadherinler Kalsiyuma Bağlı Hücre-Hücre Yapışma Molekülleridir 192 İmmünglobulin Ailesi bir Çok Önemli Hücre Yapışma Molekülü İçerir 193 Selektinler Karbonhidrat Bağlayıcı Yapışma Reseptörleridir 194 İntegrinler Hücre-Hücre ve Hücre-Matriks Yapışmaları için Dimerik Reseptörlerdir 195 İnterselüler Bağlantılar 195 Sıkı Bağlantılar Paraselüler Geçirgenlik ve Hücre Polaritesini Düzenlerler 196 Adherens Bağlantıları Hücre-Hücre Yapışmaları için Önemlidir 198 Dezmozomlar Doku Bütünlüğünü Korur 200 Gap Junctionlar (Bağlantılar) Hücre-Hücre İletişimi için Kanal Görevi Yapar 203 Hemidezmozomlar Hücre-Matriks Yapışmasını Korur 203 Fokal Temaslar Kültür Hücreleri Tarafından Substratum ile Oluşturulmuş Bağlantılardır 206 Hücre Yapışmasının Doku Fonksiyonunda Birçok Önemli Rolü Vardır 207 Bağlantı Epitelyal Bariyer Fonksiyonu ve Polaritesini Korur 207 Lökositler, Enfeksiyon ve Hasarla Savaşmak için Yapışmak ve Göç Etmek Zorundadırlar 209 Trombositler Birbirlerine Yapışarak Pıhtı Oluştururlar 210 Embriyonik Gelişim Bir Çok Yapışmaya Bağlı Olay İçerir 212 Hücre Yapışma Reseptörleri Hücre Davranışını Kontrol Eden Sinyaller İletir 213 Hücre Büyümesi ve Hücre Sağkalımı Yapışmaya Bağlıdır 214 Hücre Yapışması Hücre Farklılaşmasını Düzenler 215

Ekstraselüler Matriks Kollajen Ekstraselüler Matrikste En Sık Görülen Proteindir Glikozaminoglikan ve Proteoglikanlar Su Emer ve Basıya Dayanır Elastin ve Fibrilin Doku Esnekliğini Sağlar Fibronektin Hücre Yapışması için Önemlidir Laminin Bazal Membranlarda Kilit bir Komponentdir Bazal Membranlar Hücre Yapışması için Özelleşmiş İnce Matriks Tabakalardır Fibrin Kan Pıhtılarının Matriksini Oluşturur ve Gerektiğinde Hızlıca Biraraya Gelir Normal ve Anormal Pıhtılaşmada Von Willebrand Faktör Özet Bölüm 7 İnterselüler Sinyal İletimi İnterselüler Sinyal İletiminin Genel Yolları İnterselüler Sinyal İletim Molekülleri Ligand gibi Davranırlar Hücreler Sinyal İletim Moleküllerine Değişik Yanıtlar Verir İnterselüler Sinyal İletim Molekülleri Multipl Mekanizmalarla Etkir Hormonlar Lipofilik Hormonlar Sitozolik Reseptörleri Aktive Ederler Lipofilik Hormon Reseptörleri Nükleer Reseptör Süperailesinin Üyeleridir Peptid Hormonları Membrana Bağlı Reseptörleri Aktive Eder Hipotalamik- Hipofiz Aksı Büyüme Faktörleri Sinir Büyüme Faktörü Büyüme Faktör Aileleri Büyüme Faktörü Sentezi ve Salınımı Büyüme Faktörü Reseptörleri Enzime Bağlı Reseptörlerdir Büyüme Faktörleri Parakrin ve Otokrin Sinyal İleticileridir Bazı Büyüme Faktörleri Uzun Mesafede de Etkilidir Bazı Büyüme Faktörleri Ekstraselüler Matriks Komponentleri ile Etkileşir Histamin Histamin Reseptör Alttipleri Mast Hücresi Histamin Salınımı ve Allerjik Reaksiyon Gazlar: Nitrik Oksit ve Karbon Monoksit Eikosanoidler Nörotransmiterler Elektrik ve Kimyasal Sinapslar Prototipik Kimyasal Sinaps: Nöromusküler Bileşke

ix

215 216 218 220 220 220 221 222 223 224 227 227 227 227 228 228 228 231 231 233 234 235 235 236 236 236 237 237 237 238 238 238 239 241 241 243


x

údú1'(.ú/(5 Nörotransmiterlerin Özellikleri, Sentezi ve Metabolizması Nörotransmiter Reseptörler Nörotransmiter Fonksiyonunun Dağılma ve Birleşmesi Spatiotemporal Toplama Özet

245 246 246 246 247

Bölüm 8 Hücre Sinyal İleti Olayları Sinyal İletimi Çoğunlukla Hücre Yüzeyi Reseptörleri Aracılığıyladır Tirozin Kinaz Reseptörleri ve Ras’a Bağlı Sinyal İletimleri Fibroblast Büyüme Faktörleri Neuregulin Katalitik Reseptörler/Serin-Treonin Kinazlar ile Sinyal İletimi Kemik Morfogenetik Proteinler Nodal Kinaz Dışı Reseptörlerle Sinyal İletimi Wnt’ler Hedgehoglar Notch Steroid Hormon Reseptörler ile Sinyal İletimi Sitoplazma veya Çekirdekte Ligand Etkileşimi Gerektirir G Protein ile Eşlenmiş Reseptörlerle Sinyal İletimi Guanozin Trifosfatın Guanozin Difosfata Dönüşümünü İçerir Renin-Anjiyotensin-Aldosteron Sistemi ile Sinyal İletimi Jak/ TSİA Yolağı ile Sinyal İletimi Kalsiyum/Kalmodulin Sinyal İletimi Kalsinörin/NFAT Yolağında Sinyal İletimi İyon Kanal Reseptörleri ile Sinyal İletimi Miyokardiyal Hipertrofide Sinyal İletimi Özet

249

Bölüm 9 Hücre Döngüsü ve Kanser Hücre Döngüsü: Tarih Hücre Döngüsü Siklin ve İlişkili Proteinler ile Düzenlenir Siklinler Siklin Bağımlı Kinazlar Sikline Bağlı Kinaz İnhibitörleri Cdc25 Fosfatazlar p53 pRB Mitoz Mitoz Nedir?

273 273

249 250 250 250 253 254 255 256 257 257 260

262

265 266 267 267 268 268 270 270

275 275 275 276 276 276 276 278 278

İnterfaz ve Mitoz Mitotik Evreler Hücre-Döngü Kontrol Noktaları DNA Hasar Kontrol Noktalarının Moleküler Komponentleri Mayoz Sensörler DNA Hasarının Olduğu Bölgeleri Tanır ATM ve ATR Düzenleyiciler, Sensörler ve Sinyal İleticilerle Eş Zamanlı Olarak Birleşir Sinyal İleticileri CHEK1 ve CHEK2 HücreDöngü Kontrolünde Görevli Kinazlardır p53 ve Cdc25 Fosfatazlar gibi Efektörler HücreDöngü Kontrolünde Önemlidir G1/S Kontrol Noktası S Faz içi Kontrol Noktası G2/M Kontrol Noktaları Hücre Döngü Değişiklikleri ve Kanser Kanserde G1’den S’ye Geçişi Kontroldeki Bozukluklar Kanserde pRb Yolağı Kanserde ATM Kanserde p53 Kontrol Noktası Kinazları ve Kanser CHEK1 ve Kanser CHEK2 ve Kanser Özet

278 278 279 280 280 282 282 283 284 284 285 285 286 286 286 287 287 288 288 288 289 289

Bölüm 10 Programlanmış Hücre Ölümü Programlanmış Hücre Ölümünün Belli Formları Doğal Olarak Gerçekleşen Nöronal Ölüm Diğer Hücreler Tarafından Sağlanan Faktörlerle Kontrol Edilir Nörotrofin Reseptörleri Apoptoz Hücre İçi Genetik bir Program ile Düzenlenir Kaspazlar Kaspaz İnhibisyonu BCL-2 Proteinleri Apoptotik Hücrenin Yutulması Hücre Sağkalımını Teşvik Eden Sinyal İletici Yolaklar Fosfatidilinozitol 3-Kinaz / Akt Sinyal İletimYolağı Raf/MEK/ERK Sinyal İletim Yolağı Apoptoz ve İnsan Hastalığı Özet

291 292

İndeks

309

292 295 296 296 299 300 302 302 302 303 305 306


Katkıda Bulunanlar Mustapha Bahassi, PhD (Bölüm 9) Hücre Biyolojisi, Nörobiyoloji ve Anatomi Bölümü Cincinnati Tıp Merkezi Üniversitesi Cincinnati, Ohio

Frans A. Kuypers, PhD (Bölüm 2) Kıdemli Bilimadamı Çocuk Hastanesi Oakland Araştırma Enstitüsü Oakland, Kaliforniya

Gail A.Breen, PhD (Bölüm 4) Moleküler ve Hücre Biyolojisi Bölümü Teksas Üniversitesi, Dallas Richardson, Teksas

Eduardo Mascereno, PhD (Bölüm 8)

John G.Burr, PhD (Bölüm 1) Doçent Moleküler ve Hücre Biyolojisi Bölümü Teksas Üniversitesi, Dallas Richardson, Teksas

Stephen Shohet, MD (Klinik Vakalar)

Santosh R.D’Mello, PhD (Bölüm 10) Profesör Moleküler ve Hücre Biyolojisi Bölümü Teksas Üniversitesi, Dallas Richardson, Teksas Rockford K. Draper, PhD (Bölüm 4) Profesör Moleküler ve Hücre Biyolojisi Bölümü ve Kimya Bölümü Teksas Üniversitesi, Dallas Richardson, Teksas David Garrod, PhD (Bölüm 6) Gelişim Biyolojisi Profesörü Hayat Bilimleri Fakültesi Manchester Üniversitesi Manchester, İngiltere Steven R.Goodman, PhD (Bölüm 3) Deneysel Biyoloji ve Tıp’ın Baş Editörü C.L. ve Amelia Hayat Bilimi Profesörü Moleküler ve Hücre Biyolojisi Profesörü Teksas Üniversitesi, Dallas Richardson, Teksas Hücre Biyolojisi Misafir Profesörü Teksas Southwestern Tıp Merkezi Üniversitesi Dallas, Teksas

Anatomi ve Hücre Biyolojisi Bölümü New York Devlet Üniversitesi-Downstate Brooklyn, New york

İç Hastalıkları San Francisco, Kaliforniya M.A.Q. Siddiqui, PhD (Bölüm 8) Anatomi ve Hücre Biyolojisi Bölümü New York Devlet Üniversitesi-Downstate Brooklyn, New York Peter J. Stambrook, PhD (Bölüm 9) Hücre Biyolojisi, Nörobiyoloji ve Anatomi Bölümü Cincinnati Tıp Merkezi Üniversitesi Cincinnati, Ohio Michael Wagner, Phd (Bölüm 8) Anatomi ve Hücre Biyolojisi Bölümü New York Devlwt Üniversitesi- Downstate Brooklyn, New York Danna B. Zimmer, PhD (Bölüm 7) Veteriner Patobiyoloji Doçenti Veteriner Tıp ve Biyomedikal Bilimler Koleji Veteriner Patobiyoloji Bölümü Teksas A&M Üniversitesi College Station, Teksas Warren E. Zimmer, PhD (Bölüm 3, 5) Sistem Biyolojisi ve Translasyonel Tıp Bölümü Tıp Fakültesi Sağlık Bilimi Merkezi, Teksas A&M Üniversitesi College Station, Teksas

xi


Önsöz Tıbbi Hücre Biyolojisinin uzun zamandır beklenen üçüncü baskısı çıktı. İlk iki baskıdaki benzer vizyonu koruyarak, yaklasık 300 sayfadan oluşan bu kitaptada ilişkili tıbbi tutumla hücre biyolojisini öğretmeye devam etmektedir. Biz insana ve hayvan hücre biyolojisine odaklanma ve temel bilimin insan hastalıklarına olan ilişkisini açıklığa kavuşturma ile bu işi tekrar başardık. Bu kitap için hedef okuyucularımız profesyonel sağlık öğrencileri (tıp, osteopatik, diş hekimi, vetener, hemşire ve ilişkili eğitim alanlar) ve ileride sağlık uzmanı olmayı planlayan üniversite öğrencileridir. Vizyonun aynı kalmasına rağmen, 3. baskı daha önceki baskılarına göre çok farklıdır. Dr. Warren Zimmer ve benim dışımda, tamamiyle yeni bir yazar grubumuz var. Bu baskıda, herbir bölüm Amerika Birleşik Devletlerinin farklı bölgelerinde ve İngiltere de ikamet eden kendi alanlarındaki uzmanlar tarafından yazılmıştır. Bu yüzden metin tamamen tekrardan yazılmış ve güncellenmiştir. Buna ek olarak, bu baskıya hücre ölümü gibi önemli bir yeni konu başlığıda eklenmiştir (Bölüm 10). Ayrıca, bölüm 2 den bölüm 10’a kadar herbir bölümdeki hücre biyolojisiyle ilgili tıbbi kısa hikayeler Dr. Stephen Shohet tarafından yazılmıştır. Modern hücre biyolojisi ve tıbbı anlamak için genomiks ve protemiksin önemine vurgu yaptık. Birçok bölümümüz

içinde sistem biyolojisi yaklaşımını ele aldık. Örneğin, Bölüm 8, hücre sinyal olaylarında sinyali açıklamak için kalp ve kardiyak hastalıkları kullandık; Bölüm 9, hücre döngüsü ve kanserde, kanser biyolojisine odaklanıldı; ve bölüm 10 programlanmış hücre ölümünde de hücre ölüm yolunu açıklamak için sinir bilimi ve nörolojik hastalıklardan bahsedilmiştir. Bütün bu şekiller ya yeni ya da düzenlemiş ve tamamiyle renkli olarak sunulmuştur. Sonuç olarak, Tıbbi Hücre Biyolojisinin 3. baskısını sunmaktan onur duyuyoruz. İlk iki baskı eğitim çevreleri tarafından çok iyi olarak kabul edilmiştir ve, bu üçüncü baskının daha iyi olacağını hissediyoruz. Ders konularının önemli eğitsel araçlar olarak bulunacağına ve öğrenciler harika konular öğrenirken, kitabımızın okunabilirliğinden zevk alacaklarını umuyoruz. Her zamanki gibi, yorumlarınızı değerlendiriyor ve içtenlikle karşılıyoruz; bütün bu yorumlarınız bize gelecek öğrenciler için her baskıyı daha iyi hazırlamamıza yardımcı olmaktadır. Tıbbi Hücre Biyolojisinin üçüncü baskısındaki tüm yazarlara, bu özgün ve güzel kitabı oluşturmak için gösterdikleri çabadan ötürü teşekkür ederim. STEVEN R. GOODMAN

xiii


Çevirenin Önsözü Hemen hergün yeni bir teknolojik devrimin yaşandığı ve artık elde edilen verileri yorumlamak için bilgisayarlara gereksinim duyulan çağımızda; işin temelinden -tek bir hücreden- yola çıkarak insan hastalıklarının nasıl ve neden oluştuğunun açıklığa kavuşturulmasının sağlık bilimleri ile ilgilenen herkes için gerekli olduğu kanaatindeyim. Umarım; bu eser bilgisayar yazılım programlarından elde edilen

aşırı -ve devamı gelmekte olan- bilginin yarattığı kafa karışıklığını, temel neden-sonuç ilişkilerini analiz etme yeteneğimizi arttırarak ortadan kaldırır. Uzm. Dr. R. Özgür Rosti Tıbbi Genetik Uzmanı Kadıköy, İstanbul 2011

xv


3. Bölüm

Hücre İskeleti

Ökaryotik hücrelerin hayret uyandıran bir özelliği; organellerden yoksun olup sitozol içeren ürünlerin kabaca hücrenin şeklini alması, hatta ürünlerin nasıl hazırlandığına göre hareket edip kasılmasıdır. Sitozolün yapısını devam ettirmesi, hücre iskeleti denen ve hücre sitoplazmasını boydan boya geçen kompleks protein filament ağı sayesindedir. Hücre iskeleti sadece yapısal bütünlük sağlayan pasif bir özellik değil, aynı zamanda hücre hareketi, hücre yapısındaki değişiklikler ve kas hücrelerinin kasılmasındanorganelleri sitoplazmada bir yerden diğerine hareket ettirmeyi sağlar- sorumlu dinamik bir yapıdır. Ek olarak, yakın zamanlı çalışmalar hücre iskeletinin bir zamanlar sitoplazmada serbestçe dolaştığı sanılan proteinler ve ribonükleik asitlerin (RNA) özgün lokalizasyonları için bağlanma bölgeleri oluşturduğunu göstermiştir. Şaşırtıcı şekilde hücre iskeletinin çoğu aktivitesi sadece üç ana tip protein topluluğuna bağlıdır: aktin filamentleri, mikrotubüller ve intermediyan filamentler (IF). Her tip filament veya mikrotubül protein monomerlerinin özgün birleşimiyle oluşmuştur. Hücre iskeleti yapılarının dinamik yapısı; protein topluluklarının uzunluklarını, hücre içindeki yerlerini ve protein kompleksleri, organeller ve hücre membranı ile birleşim için mikrotubül ve filamentler boyunca özgün bağlanma bölgelerini kontrol eden aksesuvar proteinlerden kaynaklanır. Protein filamentleri ve mikrotubüller hücre iskeletini oluşturmasına rağmen aksesuvar

veya düzenleyici proteinlerin katılımı çeşitli aktivitelerini olası kılar. Bu bölümde proteinlerin her bir hücre iskeleti birleşimi ile etkileşiminden doğan yapılar, aktin filamentlerinin incelenmesinden başlayarak, anlatılacaktır. Başlangıçta kas hücresi kasılmasındaki bilinen rolleri irdelenecek; daha sonra membran iskelet kompleksindeki katkıları ve kas dışı hücrelerde oluşturdukları yapılardan bahsedilecektir. Hücre motililtesinden bahsederken, hücre iskeletlerinin değişik komponentlerinin esansiyel hücresel fonksiyonlarını olası kılan birleşik bir ağ olarak nasıl beraber çalıştığını da değerlendireceğiz. Son olarak, IF’ler ve hücre iskeletinin mikrotubül komponentlerinden bahsedilecektir.

MİKROFİLAMENTLER Aktin Kökenli Hücre İskelet Yapıları İlk Önce Kas Dokusunda Gösterilmiştir İlk önce iskelet kasından izole edilen aktinin, önceleri sadece kas dokusuna özgü bir protein olduğu düşünülmekeydi. Ancak, aktin tüm hücrelerin bir komponenti olup kas dışı hücrelerdeki total proteinin %5-30’unu oluşturur. Tüm ökaryotik hücrelerde bulunmasına rağmen, kas dışı hücrelerden izole edilen aktin iskelet kasında bulunanlardan farklıdır. İnsan ve hayvan hücrelerinde altı değişik aktin izoformu mevcuttur: iskelet kasında α- iskelet; kalp 59


60

7,%%ú+h&5(%ú<2/2-ú6ú

kasında α- kardiyak; düz kas damarlarında α- vasküler; viseral düz kasta α- enterik; kas dışı hücrelerde çoğunlukla α- sitoplazmik ve β- sitoplazmik. Aktin oldukça korunmuş bir protein olup değişik izoformların amino asit dizilimleri %80’den fazla oranda aynıdır. Amino asit dizilimindeki en büyük fark, aktin izoformunun NH2 terminal ucundadır ve aktin monomerlerinin filamentlere polimerizasyon hızında çok fazla bir değişikliğe yol açmaz; ama özgün aktin bağlayan ve düzenleyici proteinlerin birleşimi için gereklidir (bölümün ilerleyen sayfalarındaki detaylı bilgilere bakınız). Bütün hücrelerdeki aktin kökenli hücre iskeleti yapılarında ortak bulunan diğer protein komponentleride ilk olarak kas dokusundan izole edilmiştir. Kas dokusunda, bu proteinler düzenli bir organizasyon göstererek kas hücresinin özgülleşmiş kasılma mekanizmasının meydana getirir. Bu yüzden, kas dışı hücrelerdeki aktin kökenli yapıları anlamak için ilk önce aktin filamentleri ve eşlik eden proteinlerin kas hücrelerindeki rollerini inceleyeceğiz.

İskelet Kası, Kas Lifi Demetlerinden Oluşmaktadır İskelet kasının organizasyonu moleküler seviyeden gros seviyeye kadar Figür 3-1’de gösterilmiştir. İskelet kası, bir kaç santimetre uzunlukta olabilen uzun, silindirik ve çok çekirdekli hücrelerden oluşmaktadır. Kas lifleri; endomisyum adı verilen ince, gevşek bağ dokusu ile sarılıdır ve bu tabaka kasa kan akımı sağlayan kapiller ağı bulundurur. Her kas lifinin demetleri beraber gruplanarak kas fasiküllerini oluşturur; bunlarda perimisyum denilen bağ dokusu tabakası ile çevrelenir. Fasiküllerde birleşerek nihai kas dokusunu oluşturur; bu da kalın, sıkı bir bağ dokusu olan epimisyum ile çevrelenmiştir. Kas dokusunun üç bağ dokusu tabakası kollajen ve elastin liflerini içerir ve birbirlerinden primer olarak kalınlıkları ile ayrılır. İskelet kası, genelde iskelet veya kemiğe bağlı tendonlara bağlanarak vücudun özgün hareketlerini olası kılar.

İskelet Kasının Fonksiyonel Ünitesi Sarkomerdir Her iskelet kas hücresi, veya miyofiber, miyofibril denilen düzgün sıralanmış filament demetleri içerir. İskelet kasına karakteristik çizgili görünümünü veren miyofibrillerdeki oldukça düzenli filament yerleşimidir. İskelet kası, mikroskoptan görüldüğü üzere, yapı ile fonksiyon ilişkisinin en iyi biyolojik örneğidir. Işık ve elektron mikroskoplarında izlenen iskelet kasının uzunlamasına kesitleri sıralı bir bantlı

patern gösterir (Figür 3-2). Bunlar; A bant, I bant ve Z diski veya Z çizgisidir. A bandı miyofilamentlerinin koyu boyanan bölgesidir ve protein miyozin II’den oluşan kalın filamentler ve örtüşen ince filamentleri içerir. Açık boyanan I bandı, ana protein komponenti aktin olan ince filamentleri içerir. Z diski I bandını ikiye ayıran kalın bir çizgi olarak görülür. İskelet kaslarının elektron mikrograflarında koyu boyanan A bandının H bant ve M çizgisi olarak tarif edilen ayrı bölgelerinin olduğu görülür. H bandı, A bandının merkezi bölgesinde daha açık boyanan bir bölge olup koyu boyanan M çizgisi ile ikiye ayrılır. A bandının bu bölgesi kalın miyozin filamentlerinin birleştiği bölgedir. Tüm bir A bant ve iki yarı I bant bölgesi içeren iki Z disk arası miyofibril segmentine sarkomer denir. Sarkomer; miyofibrilin fonksiyonel kontraktil ünitesidir. Kalın miyozin filamentleri sarkomerin iki Z diskinden eşit uzaklıkta olan A bandını belirler. Sarkomerin ince filamentleri Z diskiyle birleşir ve açık boyanan I bant bölgesinden parsiyel olarak A bant bölgesine uzanarak, burada kalın miyozin filamentleri ile birleşir. Z diski sarkomerin ince filamentlerini yapıştırma görevini üstlenir. Sarkomerin değişik bölgelerinden enine kesitler kalın ve ince filamentlerin organizasyonu hakkında ek bilgi verirler (Figür 3-1). I bantdan yapılan bir enine kesit heksagonal patern ile düzenlenmiş ince filamentleri gösterir. A bandın H zonundan yapılan enine kesit sadece kalın filamentleri gösterirken; A bandın M bant zonundan yapılan kesit bipolar kalın miyozin filamentlerinin birikimini gösteren döngülü filament ağını gösterir. İnce filamentlerin kalın miyozin filamentleri ile birleştiği A bant segmentinde her kalın filamentin altı ince filament ile çevrelendiği görülür. Kalın ve ince filamentlerin bu tip düzenlenmesi sarkomerin esansiyel yapısal bir özelliği olup kasılma sırasında filamentlerin kayması için gereklidir.

İnce Filamentler Aktin, Tropomiyozin, Troponin ve Tropomodülin Proteinlerinden Oluşur Tüm ökaryotik hücrelerde mikrofilament adı verilen 7-8 nm çapında protein aktin polimerleri olan filamentler vardır. Filamentöz veya F-aktin adı verilen bu filamentler, 43 kDa’lık göreceli moleküler kitleye sahip G-aktin denilen globüler aktin monomerin polimerizasyonundan oluşur. Her F-aktin mikrofilamentde, iki helikal olarak iç içe geçmiş G-aktin monomer zinciri bulunur. Heliksin bir tam turu 37 nm veya 14 G-aktin monomer uzunluğundadır (Figür 3-3).




+h&5(ú6.(/(7ú

61

Kas fasikülleri (kas liflerinden oluşmuş)

Kas lifi (miyofibrillerden oluşmuş)

Z diski

A bandı

I bandı

Miyofibril (miyofilamentlerden oluşmuş)

Sarkomer H bandı

Z diski

Sarkomerdeki miyofilamentler Aktin ince filamentler

M çizgisi

Miyozin kalın filamentleri

Figür 3-1. İskelet kasının organizasyonu. İskelet kası, fasikül denilen lif demetlerinden oluşur. Her fasikül; kas dokusu hücreleri olan uzun, çok çekirdekli kas lifi demetlerinden oluşur. Kas hücrelerindeki miyofibriller, oldukça organize halde olan miyozin II (kalın) ve aktin (ince) filamentlerden oluşur. Miyofilamentlerin hat safhada yapısal organizasyonu iskelet kasının çizgili görünümünün temelini oluşturur. Miyofilamentler; iskelet kasının fonksiyonel birimleri, sarkomer, şeklinde organize olmuştur ve bir Z diskinden ötekine uzanır. İnce aktin filamentler bir Z diskinden (açık boyanan I bant) sarkomerin merkezine uzanır ve burada kalın miyozin filamentleri (koyu boyanan A bant) ile birleşirler. Z diskine yakın bölgeden yapılan sarkomer enine kesitler (1) 8 nm’lik ince aktin filamentlerini gösterirken, A bandı bölgesindeki kesitler (4) her 15 nm’lik kalın filamentin altı ince aktin filamentlerin oluşturduğu heksagonal bir yapı ile çevrelendiğini gösterir. H bandı olarak adlandırılan A bandı segmentinin merkezi yakınındaki sarkomerden geçen kesitler kalın miyozin filamentlerinin organizasyonunu gösterirken (2), H bandının merkezinden geçen kesitler kalın filamentlerin birleşmesiyle oluşan M çizgisinin (3) oluşumuna katkıda bulunan filament ağını gösterir. (Bloom W, Fawcett D W. A Textbook of Histology, 10th ed. Philadelphia: WB Saunders, 1975’den modifiye edilmiştir.)

Her G-aktin monomerinde bir aktin filamentine polimerize etmek üzere bağlı bir adenozin trifosfat (ATP) molekülü bulunmaktadır. ATP hidrolizi aktin monomerleri için yavaştır ama monomer aktin filamentine bağlanınca oldukça hızlanır. Eğer ATP ve Mg2+ (fizyolojik tuz konsantrasyonları) yeterli konsantrasyonlarda G-aktin’e eklenirse, G-aktin spontan olarak F-aktin’e polimerize olur. Polimerizasyonun bir kaç evresi olacaktır (Figür

3-4). İlk evre üç G-aktin monomerinin bir aktin trimeri oluşturduğu lag fazı olacaktır. Bu yapı, polimerizasyon fazında aktin filamentine G-aktin monomerlerinin polimerizasyonu için çekirdek bölge olacaktır. Son olarak, G-aktin monomerlerinin filamente eklenme hızı ile bu monomerlerin filamentden ayrılma hızının eşit olduğu stabil faz gözlenir. Aktin mikrofilamentlerinde polarite; hızla büyüyen artı (+) uç ve yavaş büyüyen eksi (-) uç;


62

7,%%ú+h&5(%ú<2/2-ú6ú

Figür 3-2. İskelet kası elektron mikroskopisi. İskelet kas hücresinin uzunlamasına kesiti miyofibrillerden kaynaklanan düzenli çaprazçizgi paternini göstermekte. Bu düşük büyütmeli elektron mikrografta gösterildiği gibi iskelet kası hücresi paralel olarak dizilmiş bir çok miyofibrilden oluşmaktadır. Bu tekrar eden yapıda, Z diski kolayca ayırt edilebilir. A, I ve H bantları ve sarkomerin M çizgisi için scale bar = 0.3 μm. (iç resim) Sarkoplazmik retikulumun (SR) terminal sarnıcı ve ilişkili transvers tubül (T). (Dr. Phillip Fields’in izniyle.)

mevcuttur. Aktin filamentinin her iki ucunda kritik bir G-aktin konsantrasyonu vardır. Bir uca eklenme hızı ile aynı uçtan monomerin uzaklaştırılma hızı birbirine eşittir. Artı uç için bu G-aktin konsantrasyonu yaklaşık 1 μm iken eksi uçta 8 μm’dir. Bu yüzden, ATP ve Mg2+ varlığında 1 ve 8 μm arası G-aktin konsantrasyonlarında aktinin artı uca eklenip eksi uçtan çıkarıldığı bir döngü (koşu bandı) oluşur. Eğer bu sisteme enerji sağlanmasaydı, termodinamik olarak imkansız olan daimi hareketli bir mekanizma olacaktı. Ancak, her G-aktin monomerinin aktin filamentine eklenmesinden kısa süre sonra ATP adenozin difosfata (ADP) dönüşerek inorganik fosfat (Pi) açığa çıkarır. Bu durum bir kaç ilginç soruyu gündeme getirir. İlki, aktinin kas ve kas dışı hücre sitoplazmalarındaki konsantrasyonu 100 μm’den fazladır ve bu da vücudunuzdaki tüm hücrelerdeki aktinin neredeyse hepsinin filamentöz aktin olduğunu düşündürür (çünkü bu artı veya eksi uçtaki kritik konsantrasyondan çok daha yüksektir). Ancak, çoğu hücrenin G-aktin monomer havuzu sağlamak için bir mekanizması vardır. Peki neden böyledir? İkinci olarak, koşu bandı in vivo olarak görülür mü? Cevap, bu bölümde tartışacağımız gibi evettir. F-aktin, iskelet kası ince filamentinin ana proteini olmasına rağmen bu filamentler tropomiyozin, troponin ve tropomodülin gibi başka proteinlerde içerir (Figür 3-5). Tropomiyozin uzun ve çubuk şeklinde bir molekül (uzunluk olarak yaklaşık 41 nm) olup miyozin, özelliklede miyozinin çubuk benzeri kuyruk domaini, ile benzerlikleri yüzünden bu isim verilmiştir. Tropomiyozin iki eş alt ünite dimerinden oluşur. Alt ünite polipeptidleri α helikaldir ve iki α helikal zinciri birbiri etrafına sarmal şekilde dolanarak

Aktin monomeri

ATP (filamentte ADP)

Eksi uç

Figür 3-3. Globüler (G) ve filamentöz (F) aktinin yapısı. A: G-aktin, dört yapısal domaine sahip 43-kDa’lık bir monomerdir. ATP ve ADP, domain 1 ve 3’ü ayıran oluktaki G-aktin’e bağlanırlar. B: F-aktin, polimerize G-aktin monomerlerinden (küreler) oluşan helikal filamenttir. Bu filament her 14 G-aktin monomeri veya 37 nm’de bir tam bir tur atar.




+h&5(ú6.(/(7ú

katı ve çubuk şekilli bir molekül oluşturur. Tropomiyozin, aktin filamentine uzunluğu boyunca bağlanır; helikal F-aktin molekülünün oluklarını doldurur ve böylece filamenti stabilize edip sertleştirir.

63

İskelet kası ince filamentinin diğer bir majör aksesuvar proteini troponindir. Troponin üç polipeptid kompleksidir: troponin T (TnT), I (TnI) ve C (TnC). Bu polipeptidler troponin kompleksi içindeki belirgin fonksiyonları göz Figür 3-4. Aktin polimerizasyonu. Aktin polimerizasyonu üç evrede olur: (1) aktin nükleasyon bölgesinin oluştuğu gecikmiş faz; (2) G-aktin monomerlerinin aktin filamentini tercihen pozitif ucuna eklendiği polimerizasyon fazı; ve (3) aktin monomerlerinin pozitif uca eklendiği hızda negatif uçtan çıkarıldığı stabil faz.

Po li

m

er

iza

sy on

faz

ı

Polimer konsantrasyonu

Kararlı durum

Gecikme fazı Zaman

Monomerik veya globuler aktin Polimerizasyon

Filamentöz aktin

Tropomiyozin ve troponin

Troponin kompleksi Tropomiyozin

• Z Başlığı

Tropomodülin

İnce filament Z disk proteinleri • Z Başlığı • α-Aktinin Tropomodülin

α-Aktinin Tropomodülin

• Z Başlığı

Figür 3-5. Aktin ince filamentlerinin oluşumu ve sarkomerdeki dizilim. Globüler aktin monomerleri baş-kuyruk birleşimi yoluyla polimerize olarak aktinin helikal filamentöz formunu (F-aktin) oluşturur. İnce filamentler, F-aktin filamentlerinin aktin filamenti oluklarını çevreleyen çubuk benzeri tropomiyozin molekülü ve troponin polipeptid kompleksi ile özgün birleşimlerinden oluşur. Sarkomerde, ince filamentler Z diskine, özellikle Z başlığı ve αaktin gibi bağlayıcı proteinler ile olan etkileşimleri sonucu, tutunmuştur. Z diskinin kesin yapısı bilinmemekle birlikte bu diyagramda gösterilen protein etkileşimleri izole Z başlığı ve α- aktinin proteinlerinin in vitro yeteneklerine dayandırılmıştır. Gösterildiği gibi, Z diski üzerindeki özgün protein etkileşimleri ince filamentleri pozitif (+) ucundan immobilize ederek sarkomerdeki ince aktin filamentlerinin polaritesini sabit tutar. Negatif (-) uçlar ise tropomodülin ile kaplanmıştır.


64

7,%%ú+h&5(%ú<2/2-ú6ú

önünde bulundurularak adlandırılmıştır: TnT tropomiyozin bağlaması nedeniyle, TnI kasılmanın kalsiyum düzenlemesindeki inhibitör rolü nedeniyle ve TnC’de kalsiyum bağlayıcı aktivite nedeniyle. Troponin kompleks uzun bir yapıya sahip olup I ve C alt üniteleri globüler yapı bölgesini, T polipeptid ise uzun kuyruklu domaini oluşturur. T alt ünitesinden oluşan kuyruk domaini, ince aktin filament kompleksini sabitlediği düşünülen tropomiyozine bağlanır. Bir aktin filamentindeki her yedi aktin monomeri için sadece bir troponin kompleksi olduğundan T alt ünitesinin tropomiyozin molekülü ile özgün etkileşimi ile kompleksin sabitlenmesi kasılmayı düzenleme yeteneği için elzemdir. Tropomodülin (43 kDa’lık globüler protein) tropomiyozini bağlar ve aktin filamentlerin eksi ucunu kapatarak sarkomerdeki ince aktin filamentlerin uzunluğunu düzenler.

Kalın Filamentler Miyozin Proteininden Oluşur Miyozin ilk defa kas hücrelerinde tarif edilmesine rağmen artık kas dışı hücrelerde de bulunan bir komponent olduğu bilinmektedir. Çoğu hücrede, iskelet kası dahil, bulunan majör miyozin formuna iki globüler (baş) yapısı veya motor domaini içerdiği için miyozin II denir. Miyozin II’nin yaklaşık 460 kDa’lık Mr’si ve 200 kDa’lık iki eş Mr ağır zinciri vardır. Bu zincirler sarmal şekilli helikal kuyruk ve iki globüler baş yapısı oluştururlar (Figür 3-6). Sarmal helikal kuyruğun oluşması için ağır miyozin zincirlerinin heptad amino asit tekrar dizisi- a, b, c, d, e, f, g, a, b, c, d, e, f, g,- olmalıdır. Hidrofobik aminoasitler a ve d pozisyonlarında olmalıdır. Bir α-heliks her 3.5 aminoasitte bir tam tur yaptığı için bu tarz bir tekrar yavaşça heliks etrafında dolanan hidrofobik bir çizgi oluşturacak-

Motor domain

+ Papain

tır. Bu hidrofobik çizgiyi aköz çevreden uzaklaştırmak için iki α-heliks birbiri etrafına dolanacaktır. Miyozin molekülü aynı zamanda Mr’leri 18 ve 20 kDa olan iki hafif zincire daha sahiptir. Bu hafif zincirler miyozin baş yapıları ile ilişkili olarak bulunurlar. Eğer purifiye miyozin papain enzimi ile proteolitik olarak ayrışırsa, globüler baş yapıları (SF1 fragmentleride denir) miyozin kuyruklardan ayrılabilir (Figür 3-6). Fizyolojik iyonik ortam ve pH’ye getirilen miyozin kuyrukları spontan olarak, iskelet kasıında bulunanlara benzer, kalın filamentler oluşturacaktır. SF1 başları kas kasılması için gerekli olan tüm ATPaz aktivitesini içerirler. Eğer pürifiye baş yapıları önceden oluşmuş F-aktin’e eklenip elektron mikroskopisi ile incelendiğinde SF1 fragmentleri tümü bir yöne doğru olan ok başlarına benzer. Ok başlarının noktalı uçları filamentin eksi veya yavaş büyüyen, dikenli uçları ise artı veya hızlı büyüyen yöne bakar (Figür 3-7). Aktin filamentlerin miyozin SF1 fragmentleri ile etkileşiminin polaritesi kas kasılması için önemlidir (Figür 3-7). Kalın filament oluşumu miyozin molekülünün kuyruk veya çubuk segmentinin ilişkisinden oluşur. Miyozin II’nin proteolitik ayrışmasıyla oluşan izole kuyruk domainlerinin agregasyonu bu tezi destekler niteliktedir. Miyozin II ağır zincir dimerlerinin birleşimi çubuk benzeri kuyruk segmentlerin hidrofobik etkileşimleri nedeniyledir ve filamentlerin oluşumu sarmal miyozin II kuyruk domainleri arasındaki etkileşimlere bağlıdır. Kas dokusunda, 300-400 miyozin II dimerinin çubuk benzeri fibröz kuyrukları birleşerek 15 nm çapındaki bipolar kalın filamentleri oluşturur. Miyozin II kuyruk segmentlerinin birleşimi antiparalel miyozin II kuyruklarından oluşan santral zonu olan filament oluşumuna neden olur (Figür 3-8). Globüler miyozin II baş segmentleri filamentin terminal bölgesinde 14 nm aralıklarla helikal düzende öne doğru çıkıntı yaparlar. Daha sonra kalın filamentler daha yüksek bir yapı gösterir. Santral zon civarında simetrik olup filament polaritesi santral zonun her iki tarafında bulunan globüler baş yapılarının düzenlenmesi ile belirlenir.

Aksesuvar Proteinler Miyofibril Mimarisinin Korunmasından Sorumludur Miyozin başları

Miyozin çubuğu SF 1

Figür 3-6. Miyozin II’nin yapısı ve papain ile ayrışması. Miyozin II, iki globüler yapı içeren 150 nm uzunluğunda fibröz bir proteindir. Miyozin II’nin proteolitik enzim papain ile muamelesinden sonra iki miyozin yapı, veya SF1 fragmentleri, miyozin çubuğundan salınır.

Omurgalıların iskelet kasında ince ve kalın filamentlerin yapısal oryantasyonu kasılma için elzemdir. Bu yüzden bu yapının korunması kas fonksiyonu için önemlidir. Kalın ve ince filamentlerle etkileşimi olan ve miyofibril mimarisini korumada rol oynayan bir kaç protein (tahminen gerekli olanların tümü değil) günümüzde tariflenmiştir. İnce filamentler sonlanarak sarkomerin Z disk yapılarına yapışır. Bu, artı uçları Z diskinde ve eksi uçlarıda sar-




+h&5(ú6.(/(7ú

65

Sarkomer

Z-diski

Z-diski

Figür 3-7. Aktin filamentlerde polarite mevcuttur. Aktin filamentlerdeki polarite miyozin SF1 fragmentlerini işaretleyerek gözlenebilir. A: Bu görüntü miyozin SF1 fragmentleri içeren in-vitro oluşmuş aktin filamentlerinin elektron mikrografıdır. Miyozin fragmentleri aktin filamentlerine bağlanır; bu da polaritelerini gösteren bir olaydır. Miyozin yapıları tümü aktin filamentlerin eksi (-) uçlarına bakan ok uçlarına benzer; dikenli uçlarıda filamentlerin artı (+) uçlarına bakar. (Massachusetts Üniversitesi’nden Dr. Roger Craig’in izniyle). B: Sarkomerde, dikenli veya artı (+) uçlar Z diskine yapışmıştır. Aktin filamentleri plazma membranının sitoplazmik yüzeyine bağlı iken, membran ile ilişkili olan artı uçtur. Burada gösterilen örnek aktin filamentlerin mikrovillusların uçlarına yapışmasıdır.

Merkezi çıplak zon 160 nm

Kuyruk Başlar

Figür 3-8. Kalın miyozin filamentlerinin oluşumu. A: Kalın filament oluşumu, miyozin II moleküllerinin çubuk benzeri kuyruk domainlerinin uç uca bağlanması ile başlar. B: Bu bipolar kalın filamentin oluşumu ile sonuçlanır. Her iki uçta miyozin II kuyruk domainlerinden oluşan 160 nm santral zon ile ayrışmış globüler yapılar mevcuttur. Filament uçlarında, miyozin globüler yapı domainleri 10.7 nm çaplı santral çekirdekten 14 nm’lik aralıklarla dışarı doğru çıkıntı yaparlar. Birbirini takip eden miyozin yapılar lif çevresinde döner ve sarkomerin komşu ince filamentlerini birleştiren altı sıra miyozin yapı domainlerini içeren bir filament oluşturur.

komerin merkezi bölgesine uzanan ince filamentleri hareketsiz kılar. Bu yüzden, sarkomer ünitesi (iki komşu Z disk yapısı arasındaki mesafe olarak tarif edilir) her Z diskinden uzanan aktin filamentleri içerir ve sarkomerin merkezi bölgesinin her iki tarafında da zıt olan polarite gösterir. İki alt üniteli (Mr 32,000 ve 36,000) bir protein olan Z başlığı aktin filamentlerinin artı uçlarına seçici olarak bağlanır ve ince filamentlerin Z diskine yapışmasına yardım eden proteinlerden biridir. Aktin filamentinin hızlı büyüyen veya artı ucuna bağlandığı için F-aktinin depolimerizasyonunu ve büyümesini engellediği düşünülür bu da miyofibril filamentlerinin oldukça stabil yapılar olmasını sağlar. Z diskindeki lokalizasyonu Z başlığının Z diskindeki diğer proteinlerle etkileşim yoluyla ince filamentlerin immobilizasyonuna katkı sağladığını düşündürür (Figür 3-5). Z diskinin majör komponenti iki eş alt üniteden (Mr 190,000) oluşan fibröz bir protein olan α-aktinin’dir. α-aktinin’in NH2 terminal domaini aktin filamentleri bağlayan ve çaprazlaştıran diğer hücre iskeleti proteinlerinin (özellikle spektrin süpergen ailesinin üyeleri) NH2 terminal domainleri ile büyük benzerlik gösterir. Bu proteine aktin filamentlerinin yanına sıkıca bağlanma yeteneğini kazandıran ve Z diskindeki komşu ince filamentlerin demet oluşturmasını sağlayan α-aktinin’in NH2 terminal domainidir. Z diskinin kesin ya-


66

7,%%ú+h&5(%ú<2/2-ú6ú

pısı bilinmemekle birlikte, elimizdeki kanıtlar zıt polariteli, Z diskine komşu iki sarkomerden kaynaklanan, örtüşen iki aktin filament seti kapsadıklarına ve ince filamentlerin Z başlığı ve α aktinin gibi proteinlerle etkileşimler sonucu disk yapısına bağlandığına işaret etmektedir. Daha önceden belirtildiği gibi 43 kDa’lık bir protein olan tropomodülin aktin filamentlerin yavaş büyüyen eksi uçlarına bağlanıp bu bölgeleri kaplayarak uzunluklarını kontrol eder. İskelet kasında miyofilamentlerin göreceli yerlerini koruyan ve polimerize filamentlerin uzunluğunu kontrol eden mekanizmalar vardır. Titin ve nebülin proteinleri bu fonksiyonlar için önemlidir (Figür 3-9). Büyük fibröz bir protein olan titin kalın filamentleri Z diskine bağlar. Titin günümüzde tariflenmiş en büyük proteindir (yaklaşık 3,5 milyon dalton) ve uzun immünoglobulin benzeri domainler içerir. Kalın miyozin filamentlerini sarkomer yapısının merkezinde tutar. Elastik bir bant gibi davranıp filamentleri uygun oryantasyonda tutarken kasılma sırasında sarkomerin yapısal bozunmasını inhibe eder. Diğer bir geniş fibröz protein olan nebülin Z diskinden ince filamentlerin eksi uçlarına uzanan uzun ve bükülmeyen bir filament oluşturur. Nebülin tekrarlayan 35 amino asitli aktin bağlayıcı bir motif içerir. Uzunlukları ve aktin filamentleri ile olan tekrar eden ilişkilerinden dolayı, nebülin lifleri ince filamentlere polimerize olan aktin monomerlerinin sayısını kontrol edebilir ve kas oluşumunda ince filamentlerin düzgün geometrik paternler halinde oluşumunda yardımcı olabilir.

Kas Kasılması Sarkomerde Kalın ve İnce Filamentlerin Birbirine Karşı Göreceli Olarak Kaymasını İçerir Kasılmış ve gevşek haldeki kasın elektron mikrografilerinde sarkomer ve A ve I bantlarının ölçümleri kas kasılmasının mekanizmasını kesin olarak ortaya koymuştur: İnce aktin ve kalın miyozin filamentleri kayarak sarkomer ünitesi içinde birbirini paralel olarak geçmiştir. Bu ölçümler filament uzunluklarının kas kasıldığında değişmediğini göstermektedir; yine de iki komşu Z diski arasındaki uzaklığın kasılmış kasta gevşek kasa oranla kısaldığı gösterilmiştir. Kasılmış kasta sarkomer uzunluğu azalırken, I bant bölgesi kısalır. A bant uzunluğu değişmez (Figür 3-10). İnce ve kalın filamentlerin uzunlukları değişmediğinden, I bandının uzunluğundaki değişiklik sadece kısa filamentlerin kayarak kalın filamentlerin önünden geçmesiyle görülebilir. Bu yüzden, ince ve kalın filamentlerin sarkomerin merkezi çizgisine (M çizgisi) görece ters polariteleri kasılma sırasında, Z diskine bağlı ince filamentlerin ka-

Gevşek

Sarkomer H bandı

İnce filamentlerin hareketi Kasılmış

Titin Nebulin Z diski

Figür 3-10. Kas kasılmasının kayan filament modeli. Kas kasılması Figür 3-9. Titin ve nebülin: iskelet kası sarkomerinin aksesuvar proteinleri. Titin ve nebülin proteinlerinin sarkomer içindeki yerleşimleri gösterilmiştir. Elastik özellikleri olan ve Z disklerini kalın miyozin filamentlerine bağlayan büyük bir protein olan titin, sarkomerdeki yerlerini idame ettirmelerinde yardımcıdır. Z diskine bağlı büyük bir filamentöz protein olan nebülin, ince aktin filamentlerine yakın bir yerleşime sahiptir. İnce filamentler ile yakınlığı nebülin liflerinin sarkomerin aktin filamentlerini organize ettiğini düşündürmektedir.

sarkomerdeki miyofilamentlerin birbirlerine karşı göreceli olarak kayması ile oluşur. A: Gevşemiş kasta, ince filamentler kalın miyozin filamentleri ile tam olarak örtüşmez ve belirgin bir I bandı oluşur. B: Kasılma ile ince filamentlerin sarkomerin merkezine doğru hareketi gerçekleşir ve ince filamentler Z disklerine bağlı olduğu için hareketleri sarkomerin kısalmasına neden olur. İnce filamentlerin kayması bipolar kalın miyozin filamentlerinin globüler yapı domainleri ile temaslar sonucu kolaylaştırılır.




+h&5(ú6.(/(7ú

yarak kalın filamentleri sarkomer merkez tarafına doğru geçmeleri, kısalmaya yol açacaktır. Kayan filament modeli denilen bu kas kasılması modeli ilk defa 1954’de ortaya atılmış olup kasılmanın moleküler mekanizmalarının aydınlatılmasına yardımcı olmuştur.

Adenozin Trifosfat Hidrolizi İnce Filamentler ile Çapraz –Bağ Etkileşimleri için Gereklidir İskelet kası kasılması miyozin II baş gruplarının ince filamentler ile etkileşimini gerektirir. Bu etkileşimler, yüksek enerjili molekül ATP’nin globüler miyozin II baş domaininde bulunan ATPaz aktivitesi ile bağlanması ve hidrolizi ile kontrol edilir. Miyozin II ve aktin arası ATP’ye bağlı etkileşimler Figür 3-11’de gösterilmiştir. Miyozin II başı ATP molekülü bağladığında, miyozinaktin etkileşiminde zayıflama olur. Miyozin II baş grubunun ince filamentlere bağlanmasında bir ayrışma görülür (1. basamak). ATP’nin ADP ve Pi’ye ayrışması yapısal değişikliğe uğramış “aktive” bir miyozin II başı oluşturur. Bu oluşum miyozin II başının komşu ince aktin filamentine dik olmasını sağlayan molekülün esnek eklem bölgeleri tarafından kolaylaştırılır (2. basamak). Bu iki evre arasındaki değişim, ADP ve Pi’nin miyozin II başına bağlı kalması ve

67

ATP hidrolizi ile açığa çıkan enerjinin miyozin II baş grubunun rotasyonundan kaynaklanan bağlarda depolanması nedeniyle, geri dönüşümlüdür. Daha sonra aktive miyozin II molekülü komşu bir aktin alt ünitesi ile temas eder ve bu bağlanma Pi salgılanmasını tetikleyerek miyozin-aktin etkileşimini kuvvetlendirir (3. basamak). Bu kuvvetli bağlanma miyozin II başında konformasyonel bir değişikliğe yol açarak aktin filamentini fiks miyozin II filamentine göre göreceli olarak çeken ve kasılmaya yol açan bir “kuvvetli darbeye” yol açar (4. basamak). Aktin-miyozin bağlantısının esnek olmadığı ve ince ve uzun filamentlerin hareket ederek birbirini geçemeyeceği bu basamağın ürününe rigorkompleksi denir. Eğer kasın kullanabileceği ATP mevcut değilse (örneğin ölüm sonrası), kas sıkı aktin-miyozin etkileşimine bağlı olarak rijit halde kalacaktır. Bu duruma rigor mortis denir. Normal şartlar altında, ATP molekülü bağlanmış ADP’nin yerine geçerek aktin filamentinin miyozin baş grubundan ayrılmasını sağlayacak ve etkin bir biçimde kası gevşeterek döngünün 1. basamağına dönüşü olası kılacaktır. Yeni bağlanan ATP’nin hidrolizi kası daha sonraki miyozin-aktin etkileşimleri için hazır hale getirecektir. Her miyozin-aktin etkileşim döngüsü ince aktin filamentinin yaklaşık 10 nm’lik hareketi ile sonlanır. İntakt kas liflerindeki hızlı kasılma oranlarına erişmek için filamentlerin organize hareketini sağlayacak çoklu miyozin II baş grubu etkileşim koordinasyonu ve bu etkileşimleri kontrol

Figür 3-11. Kasılma sırasında ATP’ye Geri dönüşümlü reaksiyon ATP hidrolizi ADP ve Pi miyozin başına bağlı kalır

Miyozin başı 2. Basamak Miyozin kalın filament

1. Basamak

ATP ADP

ADP salınımı ATP bağlanması yeni siklus için hazırlık

Pi salınımı aktin filamentinin sıkı bağlanması

Konformasyonel değişim 3. Basamak 4. Basamak

bağlı miyozin-aktin etkileşimlerinin şeması. Miyozin baş grubuna ATP bağlanması aktin filamentinde ayrılmaya neden olur (1. basamak). ATP’nin ADP ve Pi’ye hidrolizi miyozin başını aktin filamenti ile temasa hazır hale getirir (2. basamak). Miyozinin aktin filamenti ile ilk teması Pi salınımına ve aktin filamentinin sıkı şekilde bağlanmasına neden olur (3. basamak). Bu sıkı bağlanma miyozin başının konformasyonunda bir değişikliğe neden olur; aktin filamentini güçlü olarak kendine doğru çeker (4. basamak). Konformasyondaki bu değişikliğe ADP salınımı eşlik eder. Ek ATP’nin bağlanması aktin filamentinde ayrışma ve miyozin başının başka bir döngü için hazır pozisyona dönmesini sağlar.


68

7,%%ú+h&5(%ú<2/2-ú6ú

edecek bir mekanizma olmalıdır. Her kalın filament çoklu miyozin II çubuk domainlerinin kümeleşmesiyle oluşur ve bu filamentin her iki tarafında yaklaşık 300-400 baş grubunun spiral şekilde öne çıktığı bipolar bir filament meydana gelir. Bu düzenleme kalın filamentin ince filament ile birden çok noktada temas etmesini (çapraz bağ etkileşimleri) sağlar. İnce filament boyunca, miyozin-aktin döngüsünün çeşitli noktalarında miyozin II çapraz- bağları olacaktır. Böylece kolektif aktin çapraz- bağ temasları ince filamentin kalın filamente göre daha düz ve hızlı hareketini sağlar (Figür 3-11). Her miyozin baş grubu saniyede beş kere döngüyü tamamlar; kalın miyozin filamentleri ile ince aktin filamentleri birbirine karşı yaklaşık 15 μm/saniyelik hızla kaydırır. Sarkomerler yaklaşık 20 milisaniye içinde uzunluklarının yaklaşık %10’u oranında kısalır. Filamentlerin miyofibril gruplarından kaymasını verimli olarak koordine edip mekanik iş üretmeye yeterli kas kasılmasını sağlamak için geçici bir kalsiyum artışı miyozin II baş grubu çapraz-bağ etkileşimini hücresel düzeyde düzenler. Kas kasılmasının kalsiyuma dayalı düzenlenmesi ince filamentteki troponin-tropomiyozin komplekslerinin neden olduğu miyozin-aktin etkileşim bloğunu ortadan kaldırarak oluşur. Bu düzenlemedeki özgün etkileşimler takip eden bölümlerde tartışılacaktır.

İskelet Kası Kasılmasının Kalsiyum Düzenlenmesi Troponin ve Tropomiyozin Aracılığı ile Olur Miyozin saflaştırılmış aktinden yapılan filamentlerle karıştırıldığında miyozin ATPaz aktivitesi, reaksiyona kalsiyum eklenmesinden bağımsız olarak, maksimal oranda uyarılır.

Eğer aktin içeren ince filamentler, tropomiyozin ve troponin, saflaştırılmış miyozine eklenirse miyozin ATPaz aktivitesinin uyarılması tamamen kalsiyumun varlığına dayalıdır. ATP’nin kalsiyuma bağlı hidrolizinin temeli ince filamentlerdeki tropomiyozin ve troponinin pozisyonu nedeniyle oluşan aktin-miyozin etkileşiminin innhibisyonunun geri döndürülmesidir (Figür 3-12). Çubuk benzeri her tropomiyozin molekülü yedi aktin monomeri ile temas halindedir ve F-aktin heliksinin oluklarında yer alır. Tropomiyozinin moleküllerinin özgün bölgesine bağlı troponin kompleksi üç polipeptid içerir: TnT, TnI ve TnC. Uzamış TnT molekülü (Mr 37,000) tropomiyozinin COOH- terminal bölgesine bağlanır ve hem TnI hem de TnC’yi tropomiyozine bağlar. TnI (Mr 22,000) TnT ve aktini bağlar ve tropomiyozinle birlikte F-aktinin konformasyonunda değişiklik yaratarak sadece miyozin baş gruplarıyla, onlarlada zayıfça, etkileşmesini mümkün kılar. Bu zayıf etkileşim miyozin ATPaz aktivitesini aktive edemez. TnI ile birlikte, TnC (Mr = 20,000) alt ünitesi troponin kompleksinin globüler bir domainini oluşturur. Kalsiyum bağlayan alt ünite TnC, intraselüler kalsiyum reseptör proteini kalmoduline benzer bir yapı ve fonksiyona sahiptir. TnC’nin kalsiyum bağlayan dört domaininin tümüne kalsiyum iyonlarının bağlanması miyozin ATPaz’ın aktin aktivasyonunun TnI tropomiyozin inhibisyonunu serbest bırakır, böylece miyofibril kasılması gerçekleşebilir. TnC tarafından kalsiyum bağlanması tropomiyozinin aktin heliksin merkezine doğru tropomiyozinin hareketlenmesine veya kaymasına neden olur. Buda aktin monomerinin bir bölümünün açığa çıkmasını ve miyozin baş gruplarının miyozin ATPaz aktivitesinin başlamasına olanak sağlayacak şekilde bağlanmasını olası kılar. ATP hidrolizi çapraz bağ etkileşimlerin döngüsüne ve filamentTroponin Tropomiyozin Ca2+ yok KAPALI AÇIK Aktin filamenti

Aktin

Aktin

Tropomiyozin KAPALI AÇIK

Figür 3-12. Troponin ve tropomiyozin filamentlerinin kas kasılması sırasındaki Ca bağımlı hareketlerinin diyagramı. A: Gevşemiş kasta, tropomiyozin filamneti aktin filamenti boyunca yedi aktin monomerinin dış domainlerine bağlıdır. Troponin kompleksi tropomiyozine çubuk şekilli troponin T (TnT) polipeptidi ile bağlıdır. B: Ca varlığında troponin C (TnC) kalsiyum bağlar ve troponin’in (TnC ve troponin I [ TnI]) globüler domaininin tropomiyozin filamentinden uzaklaşmasına neden olur. C: Bu hareket tropomiyozinin helikal aktin filamentinin oluğunun daha içlerine doğru ilerlemesine ve miyozin başlarının ilişkili aktin monomerleri ile temasa geçmesine olanak sağlar.


 lerin kaymasına olanak sağlar. F-aktin’in miyozin aktive edici bölgeleri istirahat halinde troponin-tropomiyozin kompleksi tarafından blokedir, ama miyofibrilin aktif olduğu dönemde durum farklıdır. Bu nedenle, iskelet kası kasılması intraselüler kalsiyum iyonlarının konsantrasyonu ile düzenlenir.

İskelet Kasındaki İntraselüler Kalsiyum Özelleşmiş bir Membran Kompartmanı olan Sarkoplazmik Retikulum ile Düzenlenir İstirahat veya gevşek halde iskelet kas hücrelerindeki kalsiyum iyon konsantrasyonu oldukça düşüktür. Bu yüzden, kasta kasılma ve gevşeme periyodlarının olması için internal kalsiyum iyon konsantrasyonunun düzenlendiği bir mekanizma olmalıdır. Dahası, iş yaratacak ortak kas kasılması tüm lif ve fibrillerinin eş zamanlı kasılmasına bağlıdır. Bu yüzden, kasılması için miyofibril boyunca gerekli olan kalsiyum iyon konsantrasyonundaki ani değişiklikler basit difüzyon dışında mekanizmalar tarafından kontrol edilmelidir. Basit difüzyon iskelet kas hücrelerindeki miyofibrillerin aynı anda kasılması için yavaş bir yöntemdir. Kas hücresine eşit kalsiyum yollamak için bu hücrelerde ER’den kaynak olan özelleşmiş, membranla çevrili tubül sistemi vardır. İskelet kasının elektron mikroskopisinde miyofibrilleri çevreleyen ve sarkoplazmik retikulum (SR) adı verilen düz membran ağı görülür. SR; her miyofibrilin A bandının dış bölgelerini çevreleyen membranla sınırlı tubül ve sisterna ağı oluşturur (Figür 3-13). Ek olarak, SR terminal kese veya terminal sisterna denilen daha düzenli bir yapı oluşturur ki bu membranla sınırlı ve her miyofibrilin A- I bileşkesini çevreleyen bir kanaldır. Terminal sisterna; sarkolemmanın (kas hücresinin plazma membranı) narin invajinasyonlarından oluşan ve transvers tubül (t-tubül) denilen özelleşmiş bir kanalın oldukça yakınındadır. T-tubülleri, komşu miyofibrillerden gelen terminal sisternalarla birlikte üçlü bir yapı oluşturur (Figür 3-13). Bu yapılar, eksternal stimulusun (motor nöronlardan gelen sinyaller) kas kasılmasına etki etmesi için önemlidir. SR, toplam kas hacminin %1-5’ini ihtiva eden membranöz bir kompartman oluşturur ve miyoplazma ve miyofibrillerden uzak bir kalsiyum iyon deposu olarak görev yapar. Kalsiyum iyon konsantrasyonunun korunmasındaki rolü; kalsiyum transportu için bir çok protein içermesi; sitozolden SR lümenine kalsiyum pompalayan bir Ca-ATPaz pompası dahil; nedeniyledir. Kalsiyum pompasının ATPaz aktivitesi ile hidrolize olan her 1 mol ATP için SR lüme-

+h&5(ú6.(/(7ú

69

Z diski

A bandı

I bandı

Sarkoplazmik retikulumun terminal sisternası Üçleme Transvers tubül

Figür 3-13. İskelet kası lifinin bir parçasının diyagramı. Sarkoplazmik retikulum (SR) ve transvers tubül (t-tubül) ağlarının organizasyonu gösterilmekte. SR özelleşmiş bir düz endoplazmik retikulumdur (ER) ve kaslarda Ca iyonu deposudur. SR, miyofibrilleri çevreleyen membranöz bir tubül ağı oluşturur. Sarkomerin A-I bant bileşiminde, SR daha düzgün bir kanal oluşturur; buna terminal sisterna denir. İki terminal sisterna ikinci bir tubül sistemi ve sarkolemmanın özel invajinasyonları olan tubüller ile ayrılır. Bu üç membranla çevrili tubüller triad (üçleme) denilen bir yapı oluşturur: Sarkomerin A-I bileşke bölgesinde SR terminal sisterna ile her iki taraftada yerleşik t-tubül. (Cormack DH. Ham’s Histology, 9. edisyon. Philadelphia: JB Lippincott, 1987’den uyarlanmış.)

ninde 2 mol kalsiyum birikir. Aktif transport mekanizması, istirahat halindeki kasta düşük kalsiyum iyon konsantrasyonunun korunmasından sorumludur. Aksiyon potansiyeli sarkolemma boyunca ilerlerken, depolanmış kalsiyum SR’den sarkoplazmaya salınır. Aksiyon potansiyeli, Ca salınımını stimüle ederek, t-tubül sistemi boyunca ilerler. T-tubül membranında yerleşik bir voltaja duyarlı protein sensörü olan dihidropiridin – duyarlı reseptör (DHDR), aksiyon potansiyelini hisseder ve varlığını ryanodin reseptörü denen bir SR kalsiyum kanalı ile direkt etkileşimle SR’ye bildirir. Bu proteinler, DHDR ve ryanodin reseptörü, IP3 reseptör yolağı (inositol 1,4,5-trifosfat) denen ve diğer hücrelerde depodan kalsiyum salan proteinlerin analoğudur (Bölüm 8). Bu proteinlerin kasta oluşturduğu büyük kompleks, elektron mikroskobu ile incelendiğinde genelde SR’nin “ayakları” olarak adlandırılır (Figür 3-14). Net etki, aksiyon potansiyeli geçişiyle kalsiyum akımının sarkoplazmaya salınımıdır. Salınan kalsiyum ince filamentlerdeki


70

7,%%ú+h&5(%ú<2/2-ú6ú Plazma membranı

Kalsekuestrin

Ekstraselüler boşluk Riyanodin reseptörü

Sitoplazma

Transvers tubül membranı

İki membran arası boşluğu dolduran SR Ca2+ kanalının “ayakları”

Ca2+ ATPaz

T-tubül

Sarkoplazmik retikulum membranı Sarkoplazmik retikulumun terminal sisternası

T-tubül voltaj duyarlı reseptör (DHSR)

SR Ca2+ kanal proteini (Riyanodin reseptörü)

Sarkoplazmik retikulum

Figür 3-14. Kasta sarkoplazmik retikulum ile Ca iyon düzenlemesinin örneği. A: SR’nin transvers tubül (t-tubül) ile terminal sisternalarının ilişkisinin bir şeması. SR Ca kanalı t-tubülün voltaja duyarlı Ca kanalı ile direkt temasta. Depolarize olduğunda, t-tubül voltaj duyarlı protein (DHDR) konformasyonel bir değişikliğe uğrar ve SR Ca kanalı ile yakın ilişkisi sonucu SR kanallarının açılması ve sitoplazmaya kalsiyum salınmasını sağlar. Bu Ca salınımı DHDR ve SR’nin Ca kanalı olan ryanodin reseptörünün direkt teması nedeniyle gecikme olmadan gerçekleşir. Sitoplazmadaki Ca iyonları SR lümenine membranındaki Ca-ATPaz pompası ile geri döner. B: T-tubül ve SR terminal sisterna ilişkisinin görünümü. T-tubül ve SR terminal sisterna birbirine çok yakınlar; SR kanal proteininin “ayakları” t-tubül ve SR membranları arasındaki aralığı doldururken gösterilmekte. SR lümeninde, intenalize Ca iyonlarını zayıfça bağlayan kalsekuestrin proteini vardır. Serbest Ca iyonlarının etkin internal konsantrasyonunu azaltır. (A: Agnew WS’den uyarlanmış. Nature 1988; 344: 299-303. B: Eisenberg BR, Eisenberg RS’den uyarlanmış. Gen Physiol 1982; 79:1-17.)

Üç Tip Kas Dokusu Bulunur troponin kompleksini bağlayarak kasılmayı stimüle eder. Kasılma sonrası, kalsiyum SR lümenine Ca-ATPaz tarafından aktif transportla taşınır ve kas istirahat haline döner (Figür 3-14). SR lümeninde içerideki kalsiyum iyonlarını bağlayıp depolayacak proteinler vardır (Figür 3-14). En iyi bilinen örnek kalsekuestrindir. Kalsekuestrinin kalsiyum bağlama afinitesi düşük olmasına rağmen, her molekülü 40-43 Ca iyonu bağlar. Bu yüzden, benzer özelliklere sahip diğer proteinlerle birlikte kalsekuestrin SR’deki luminal kalsiyum iyon konsantrasyonunu 20-30 mM’den (tüm kalsiyum iyonları solüsyonda serbest halde ise) 0.5 mM’ye kadar düşürür. SR lümenindeki kalsiyum iyonlarını bağlamanın amacı membran Ca pompasının karşılaşacağı konsantrasyon gradyentini düşürmektir.

Önceki bölümde, iskelet kaslarında bulunan kasılma aparatlarına yoğunlaştık. Omurgalılıarda iki majör kas tipi daha mevcuttur. Kardiyak kas kalbin duvarlarını oluşturur ve kalp komşuluğundaki majör damarların duvarlarında da bulunur. Düz kas vücuttaki içi boş viserada (örneğin bağırsaklar) ve çoğu kan damarında bulunur. Tüm üç kas tipi kayan filament mekanizması ile kasılan aktin-miyozin yapılarını kullanır. Ancak, kontraktil yapının yapısal organizasyonu ve değişik kas hücrelerinde kasılmanın düzenlenmesi ile ilgili temel farklılıklar mevcuttur.

Miyokardiyal Doku: Bireysel Hücrelerden Oluşmuş Çizgili Kas Kardiyak doku iskelet kası gibi ışık mikroskobu altında çapraz çizgiler gösteren uzun liflerden oluşmuştur. Kar-




+h&5(ú6.(/(7ú

diyak kasın çizgili görünümü kontraktil aparatustaki aktin ve miyozin filamentlerinin oldukça düzenli diziliminden kaynaklanır. Kardiyak kas görünüm olarak çizgili kasa benzesede bu iki kas tipini iki ana histolojik kriter ayırır. İlk kriter hücredeki çekirdeklerin yerleşim yeridir. İskelet kasında çekirdekler sarkolemmanın altında hücre periferinde yerleşmişken kardiyak kasta çekirdekler hücrenin merkezi bölgelerinde bulunur. Bu yüzden, kardiyak hücreler çekirdeği saran çıplak bir bölgeye, perinükleer boşluk, sahiptir. Bu alan nükleer kompartman çevresinde tur atacak şekilde kendilerini düzenleyen miyofilamentler nedeniyle oluşur. Kardiyak ve iskelet kaslarını ayıran ikinci majör kriter, kardiyak kasta intercalated disk denilen koyu boyalı disk yapılarının varklığıdır. Bunlar, bir kardiyak kas hücresini diğerinden ayıran özelleşmiş bağlantı kompleksleridir. Bu yüzden, kardiyak kas lifleri tek hücrelerin birleşmesinden oluşurken iskelet kas lifleri bireysel hücrelerin çok çekirdekli bir füzyonu ile oluşur. Işık mikroskobunda intercalated diskler düz çizgiler olarak görülse ve hücreler ayrı ayrı izlenebilir olsada, elektron mikroskobunda düzensiz bir yol olarak görülür- hücre hücre bağlantılarının bir kısmı yatay bir kısmı ise uzunlamasınadır. Yani, bireysel kas hücreleri birbirinin arasına geçerek miyokardiyal kas liflerini oluşturur (Figür 3-15). Hücre-hücre teması miyokardiyal kasların düz lifler ve boş bir organı kan pompalayacak hale getiren etkin dallanmalar yapan lifler içermesine olanak sağlar.

1. Hücre

Fasya adherens

71

İntercalated diskin değişik bölgeleri özgün bileşke kompleksleri içerir (Figür 3-15). İntercalated diskin transvers (veya vertikal) kesitlerinde iki bileşke kompleksi bulunur. İlki bazen makula adherens de denen desmozomlardır. Bu bileşkeler komşu kardiyak hücreleri birarada tutan “kaynak yerleri” olarak görev yapar. Plazma membranının bu bölgesinde fasya adherens denilen ikinci bir bileşke komplekside vardır. Komşu hücrelerin ince filamentlerini birleştirme ve miyozin kalın filamentlerle yapışık tutma görevi vardır (sonraki paragraflara bakınız). İntercalated disklerin uzunlamasına bölgelerinde gap bileşke denilen (neksus da denir) bileşke kompleksleri vardır. Bu temas noktaları kardiyak hücrelerin küçük sitoplazmik solüt değişimi yapmasına olanak sağlar. Gap bileşke kardiyak kas hücrelerinin elektriksel akım iletiminde görevli olup bu hücrelerde kasılma senkronizasyonu oluşturur. Kalpteki bazı kas hücreleri, Purkinje lifleri, elektriksel impulslar taşıma konusunda özelleşmiştir. Bu hücreler her biri bir ventriküle giden iki dal oluşturan demetler halinde gruplanmıştır. Histolojik olarak, bu hücreler çevresindeki kardiyak kas hücrelerine oranla daha büyük ve düzensiz şekillidir. Purkinje hücreleri büyük glikojen depolarına ve periferlerinde daha küçük miyofibril demetlerine sahiptir. Bu özel iletim lifleri elektriksel uyaranın miyokarda nihai dağılımından sorumludur.

Kardiyak Kasın Kontraktil Aparatı İskelet Kasınınkine Benzer Kardiyak kas çizgili görünümünü kontraktil aparatusu oluşturan ince ve kalın filamentlerin dizilişine borçludur. Kardiyak kasın elektron mikroskopisi iskelet kasına benzer

Figür 3-15. İki kardiyak kas hücresi arasındaki intercalated diskin diyagramı. İntercalated disk kardiyak kas hücrelerinin birbiri arasına girmesine olanak sağlayan bir yapıdadır. Bu yapının transvers kesitlerinde hücreleri birarada tutan dezmozomlar ve komşu hücrelerden aktin ince filamentleri çekecek Z disk yapıları olarak görev yapan fasya adherens vardır. İntercalated diskin uzunlamasına kesitlerinde gap bileşkeler vardır. Bu bileşkesel kompleksler komşu kardiyak hücrelerinde elektrik akımı alabileceği şekilde arada iletişim kurar.

Mitokondri Gap bileşke Dezmozomlar (maküla adherens)


72

7,%%ú+h&5(%ú<2/2-ú6ú

bir miyofibril band paterni ortaya koyar. İskelet kası gibi, bu bantlara A, I bandı ve Z diski denir. Koyu boyanan A bandı, miyozin ve örtüşen ince filamentlerden oluşan kalın filamentleri içeren miyofilament bölgesidir. I bant, ince aktin filamentleri içerir ve aktin filamentlerinin tutunduğu Z diski tarafından ikiye bölünür. Kardiyak hücrelerdeki miyofilament yapısındaki bir farklılık, iskelet kas hücreleriyle karşılaştırıldığında, intercalated disk bölgesindeki bazı aktin ince filamentlerin sonlanmasıdır (Figür 3-16). İntercalated diskin transvers segmentindeki fasya adherens kompleksi hücre periferinde aktin ince filamentleri tutmada görevlidir. Bu bileşke kompleksinin nasıl bağlandığı ve aktin ince filamentleri nasıl dizdiğinin moleküler detayları bilinmesede, bu kompleksler Z disk olarak görev yapar ve her miyozin kalın filamenti çevreleyen altı aktin filamentin dizilimini korur.

Kardiyak kas kalın filamentler miyozin II’nin kardiyak izoformundan yapılır; bu iskelet kaslarında bulunana benzer bir alt ünite yapısına sahiptir. Kardiyak miyozin II yaklaşık 200,000 Mr olan iki ağır zincire sahiptir, bunlar çubuk benzeri bir kuyruk domaini birlikteliği ile birleşir ve NH2 uçlarında globüler bir baş domaini biçiminde katlanır. Molekülün baş segmentine bağlı bir polipeptid ile 18,00020,000 Mr çiftleri olan dört hafif zincir içerir. Kardiyak miyozin II’nin globüler baş domaini ile ilişkili aktinin aktive ettiği ATPaz aktivitesi vardır ve çapraz bağ oluşumu ve kasılmada görevlidir. Ancak, kardiyak kasta eksprese olan miyozin izoenzimlerinin iskelet kasına göre daha düşük bir ATPaz aktivitesi vardır. Ailesel hipertrofik kardiyomiyopati kardiyak beta miyozindeki (baş veya motor domain veya yakınındaki) veya miyozin hafif zincirler, troponin veya tropomiyozindeki defektlerden kaynaklanır. Bu hastalık her 1000 kişiden ikisinde görülür ve klinik bulgu kalbin büyümesi ve kardiyak aritmilerdir. Kardiyak kasın ince filamentleri aktin, tropomiyozin, ve troponinden oluşur. Bu proteinler iskelet kasında bulunan kompleksin aynısını yapmalarına rağmen, iskelet kası benzerlerinde bulunanlardan farklıdırlar; kardiyak spesifik izoformlardır. Kardiyak kas ince filamentleri iskelet kası için bahsedilen aynı stokiometri ve yapıya sahiptir. Yani, kardiyak kasta, her kalın filamenti çevreleyen altı ince filament dizilimi vardır ve kardiyak kastaki kasılma veya çapraz bağlanma ince filamente bağlı troponin-tropomiyozin kompleksinin Ca’u ile düzenlenir. Kardiyak alfa aktindeki defektler ailesel dilate kardiyomiyopatiye neden olur. Dilate kardiyomiyopatili hastalar defektif bir sol ve/veya sağ sistolik pompa fonksiyonuna sahiptir ve bu da kardiyak genişleme ve hipertrofiye neden olur ki bu da erken kalp yetmezliği ile sonlanır.

Düz Kas Hücresi Sarkomer İçermez

Figür 3-16. Kardiyak kasın elektron mikroskobisi. Kardiyak kas hücrelerinin elektron mikroskobisi sarkomerlerdeki düzgün miyofibril dizilimlerini göstermekte. Bu dizilimde; Z diski, A, I ve H bantları, sarkomer yapısının M çizgisi kolayca izlenmektedir. İç resim intercalated diskin bileşke kompartmanlarının yüksek çözünürlükte görüntülerini gösterir: (1) makula adherens veya dezmozomlar, (2) fasya adherens, ve (3) gap bileşkeler. Fasya adherens kompleksine girip sonlanan ince filamentlere dikkat ediniz. Ölçek = 0.2 μm; (iç resimler) 0.05 μm. (Dr. Phillip Fields’in izniyle.)

Düz kaslar; küçük kan damarlarının duvarlarında 20 μm uzunluktan bağırsakta 200-300 μm uzunluğa kadar değişebilen bireysel hücrelerden oluşmuştur. Düz kas hücresi fusiform şekil ile karakterizedir. Hücreler orta bölümünde en kalındır ve uçlara doğru incelir. Düz kaslar; hücrehücre iletişim (gap bileşkeler) ve mekanik bileşkeler olarak görev yapan çeşitli bileşke temas noktaları ile birbirine bağlanan hücre tabakalarından oluşur. Düz kas hücreleri, bağ dokusu matriksinin birikimi ve sentezinde aktif olup hücreleri yapıştırma ve içi boş viseranın şişmesini engellemede yardımcıdır. Düz kas hücreleri düzenli kalın ve ince filamentler içermez; bu yüzden çizgili görünmezler. Düz kas hücre elektron mikrograflarında koyu cisimler olarak




+h&5(ú6.(/(7ú

adlandırılan sayıca çok koyu boyanan bölgeler hücre sitoplazmasında çokça bulunur. Koyu cisimciğin majör protein komponenti aktin bağlayan protein olan α-aktinin’dir. Buda iskelet kasındaki Z diski ile benzer bir fonksiyon gösterdiklerine işaret eder. Gerçektende ince aktin filamentleri koyu cisimlere yapışık olarak bulunur. Proteinlerin IF sınıfına dahil iki protein olan desmin ve vimentin, düz kas hücrelerinde yüksek derecede eksprese olurlar. Bu proteinlerden oluşan filamentler bu hücrelerde belirgindir ve koyu cisimler ile hücrenin iskelet ağı arasında bağlantı oluşturduğu düşünülmektedir. Bu bağlantılar koyu cismin yerini koruyarak kasılmada yardımcıdır ve plazma membranını içe doğru çekerek hücrenin hareket etmesini sağlar (Figür 3-17).

Düz Kasın Kontraktil Aparatı Aktin ve Miyozini İçerir Aktin ve miyozin düz kas hücrelerinden izole edilebilir ve in vitro olarak bu proteinler kasılmada kayan filament

İntermediyan filament

Mekanik birleşke eşli hücreler Yoğun cisimler

73

mekanizması örneği gösterirler. Ancak, düz kasta kasılma kontrolü çizgili kasta gözlenenden çok daha farklı bir yol izler. Düz ve çizgili kasın ince filamentleri benzer yapılara, kalsiyum düzenleyici protein olan troponinin düz kasta bulunmaması dışında, sahiptir. Aktin ve tropomiyozinin hücredeki yoğunluğu düz kasta (yaklaşık iki kat) daha fazladır. Düz kasta miyozinin daha az olduğuda göz önünde bulundurulduğunda düz kasta ince-kalın filament oranının (12/1) çizgili kasa oranla (6/1) çok daha fazla olduğu ortaya çıkar. Düz kas, hücrenin uzun ekseni boyunca yerleşmiş çok sayıda ince filament içerir. Bu ince filamentler koyu cisimlerde yerleşiktir ve eklenme bölgelerine göreceli olarak aynı polariteyi gösterir. İnce filamentlerin artı (+) uçları yoğun cisime, eksi (-) uçları ise hücresel sitoplazmaya doğrudur. Düz kas filamentleri çizgili kastaki kadar düzenli olmasada, ince aktin filamentlerinin düz kastaki polaritesi, miyozin çapraz bağ döngüsü ile kasılmanın yoğun cisimlerin birbirine yaklaşmasını sağlar. Bu durum, plazma membranının içe doğru çekilerek hücreyi yeniden şekillendirip enerji açı-

Membrandan yoğun alan

Kalın filament Kontraksiyon

İnce filament

Figür 3-17. Düz kastaki hücre iskeleti ve miyofilamentlerin organizasyonu. A: Düz kas hücreleri, çizgili kastaki gibi düzenli olmayan küçük kontraktil elemanlar içerir. Çok sayıda ince aktin filamenti, çizgili kastaki Z diski ile benzer fonksiyon gösteren koyu cisimciğe yapışık halde bulunur. Desmin ve vimentin ara filamentleri koyu cisimler ve hücre iskeleti arasında bağlantılar oluşturur. Bu bağlantılar, plazma membranını içe doğru çekerek hücre şeklini değiştirir ve kasılma için önemlidir. B: Düz kas hücre elektron mikroskopisinde koyu cisimler hücre genelinde ve sarkolemmaya yakın yerleşimde görülmektedir (SL). Büyütülmüş görüntüde (iç resim) miyofilamentler (küçük oklar) koyu cisimlerden dışarı çıkarken görülmekte (büyük oklar). Ölçüt barı = 0.29 pm. (B: Dr. Phillip Fields’in izniyle.)


74

7,%%ú+h&5(%ú<2/2-ú6ú

ğa çıkarması nedeniyle düz kas kasılması için elzemdir. Birkaç hücredeki şekil değişikliği düz kas kasılması için gerekli enerjiyi ortaya çıkaracaktır. Düz kastan izole edilen miyozin çizgili kastan elde edilenden farklı özelliklere sahiptir. İskelet kası gibi düz kas miyozinide iki ağır zincir ve dört hafif zincirden oluşur. Miyozin hafif zincirlerinin iki polipeptidide düz kas miyozininin globüler baş domainleri ile ilişkilidir. Ancak, düz kas miyozini sadece belirli şartlar altında filament oluşturur. Düz kastan izole edilen miyozin defosforile edildiğinde tamamen çözülebilir durumdadır. Çözülebilir miyozinin sedimentasyon testleri ve elektron mikroskopisi ile analizi defosforile miyozinin kuyruk domaininin globüler baş domainine doğru uzandığı kompakt bir birime dönüştüğü görülür. Bu konfigürasyonda, izole miyozin kalın filament oluşumunu engeller ve aktin aktive ATPaz aktivitesi bloke edilmiş durumdadır. Düz kas miyozininin 18-kDa’lık hafif zincirinin miyozin hafif zincir kinaz (MHZK) enzimi ile fosforilasyonu sonucu kuyruk segmenti baş segmentinden ayrışır (Figür 3-18). Ayrışmış miyozin kuyrukları bipolar kalın filamentler oluşturur. Ayrıca, kuyruk domaininin bi-

İnaktif durum: Hafif zincirler fosforile değil

polar filamentler oluşturmak üzere serbestleşmesi baş domain ATPaz’ın aktivasyonunu (çapraz bağ oluşumu) olası kılar.

Düz Kas Kasılması Miyozine Bağlı Kalsiyum İyon Düzenleyici Mekanizmalar Aracılığı ile Oluşur Düz kas hücrelerinde çizgili kasların ince filamentlerinde bulunan Ca düzenleyici protein olan troponin bulunmaz, yinede düz kas kasılması için hücre içi kalsiyum konsantrasyonunda mikromolar artışlar gereklidir. Düz kas kasılmasının Ca kontrolü miyozin molekülünün fosforilasyonundaki değişiklikler ile mümkündür. Düz kas kasılmasının kontrolünün miyozine bağlı olduğu söylenir. Stimüle edildiğinde, düz kas sitoplazmasındaki Ca konsantrasyonu artar ve salınan Ca ilk olarak Ca bağlayıcı protein olan kalmodülin ile karşılaşır. Kalmodülin tüm hücrelerde bulunur ve modülatör bir proteindir. Kalmodülin molekülünün enzimatik aktivitesi yoktur ama etkilerini

Aktif durum: Hafif zincirler fosforillenmiş

Miyozin hafif zincirler

Miyozin hafifzincir kinaz

Akitin-bağlayıcı bölge

Spontan birleşme

15-20 molekülün bipolar filamenti

Miyozin kuyruk salınmış durumda

Figür 3-18. Düz kas kalın miyozin filamenterinin birleşiminin modeli. Düz kas hücrelerinden izole edilen defosforile miyozin inaktif durumdadır ve globüler başı domaini ile bağlanmış kuyruk domainin yarattığı konfigürasyon nedeniyle kalın filamentler oluşturmaz. Miyozinin 18 kDa’lık hafif zincirinin fosforilasyonunun iki etkisi vardır: miyozin başının konformasyonunda değişikliğe yol açarak aktin bağlayan bölgesini açığa çıkarır ve miyozin kuyruğunu inaktif konformasyonundan serbest hale getirerek miyozin moleküllerinin bipolar kalın filamentler oluşturmasını sağlar. (Alberts B, Bray D, Lewis J, ve ark. Molecular Biology of the Cell, 2nd ed. New York: Garland Publishing, 1989’dan uyarlanmıştır.)


 Ca bağlayarak gösterir. Ca-kalmodülin komplekside daha sonra diğer proteinlere bağlanarak aktivitelerini kontrol edebilir. Kalmodülin tarafından düzenlenen proteinlerden biri düz kas miyozin hafif zincir kinazdır (SmMHZK). Cakalmodülin olmadan, SmMHZK inaktif bir durumdadır. Ca-kalmodülinin bağlanmasından sonra, SmMHZK aktifleşir ve düz kas miyozin II’nin 18 k-Da’lık düzenleyici hafif zincirini fosforile eder (Figür 3-19). Bu fosforilasyon miyozin II’nin kalın filamentler halinde birikimini ve kalın filamentlerin düz kasın ince filamentleri ile çapraz bağlar kurmasını sağlar. Yani, miyozin hafif zincirlerinin fosforilasyonu düz kasta siklus ve çapraz bağ oluşumu için gerekli bir olaydır. Gevşeme sırasında, Ca iyon konsantrasyonu azalır ve net defosforilasyon oluşur. İntraselüler Ca konsantrasyonundaki azalma SmMHZK’nin inaktivasyonuna neden olur (Ca-kalmodülin bağlanmasının geri dönüşümüyle). Miyozin hafif zinciri defosforile eden fosfataz enzimlerinin düzenleyici aktivitesi iyi bilinmemektedir.

Düz Kas Kasılması Bir Kaç Seviyede Etkilenebilir Değişik kaynaklarla- nöronal ve hormonal girdiler- stimüle edilebildiğinden düz kas kontraksiyonları bir kaç mekanizma ile düzenlenebilir. Bunlar; cAMP, diacilgliserol ve kaldesmon proteini ile düzenlemeyi içerir (Figür 3-19). Bu yolaklardan her biri negatif düzenleyicidir; düz kası gevşek durumda tutarlar. Örneğin; düz kas hücreleri üzerindeki beta adrenerjik reseptörlerin aktivasyonu intraselüler cAMP seviyelerinde artışa neden olur, bu da cAMP’ye bağlı protein kinazı aktive eder. cAMP’ye bağlı protein kinazın düz kastaki hedeflerinden biri SmMHZK’dır ve fosforilasyonu kinazın Ca-kalmodülin kompleksi için düşük afiniteye neden olur. Sonuç olarak, SmMHZK miyozini fosforillemez ve miyozin (ve düz kas) gevşek durumda kalır. Diğer hormonlar, düz kası Ca ve 1,2-diacilgliserol ile düzenlenen protein kinaz aktivitesi ile gevşetir. Protein kinaz C’nin aktivasyonu SmMHZK’yı fosforillemesini ve inaktif durumda kalmasını sağlar. Kontraksiyonun hormonal düzenlemesine ek olarak, düz kas hücreleri aktin ince filamentlerle etkileşerek kasılmayı etkileyen Ca bağlayıcı proteinler içerir. Kaldesmon uzamış bir kalmodülin bağlayıcı proteindir. Ca yokluğunda, kaldesmon düz kasın aktin filametlerine bağlanarak aktin ve miyozin etkileşim kabiliyetini sınırlayacaktır. Artmış Ca konsantrasyonu varlığında, Ca-kalmodülin kompleksi kaldesmona bağlanır ve proteinin ince filamentlerden salınmasına yol açar. Yani, Ca-kalmodülin kompleksi düz kasta kasılmayı; miyozin baş grubu fosforilasyonu ve ek

+h&5(ú6.(/(7ú

75

olarak aktin ince filamentlerdeki kaldesmon blokajını kaldırarak; düzenler. Ca-kalmodülin ile bu ikili kontrol hücrenin kasılmaların sıklığı ve uzunluğunu kontrol etmesini sağlar.

Aktin-Miyozin Kontraktil Yapıları Kas Hücresi Dışında da Bulunur Kas hücresi dışındaki hücrelerde, aktin/miyozin oranı 100’e 1’dir. Kalın filamentler ve mikrofilamentler sitoplazmada oluşur ama polimorize olmayan miyozin ve G-aktin havuzları ile dengededir. Kas dışı kalın filamentler iskelet kasındakinden daha kısa olmasına rağmen, aktin ve miyozin filamentleri iskelet kasındaki yüksek oranda düzenli yapıyı oluşturmazlar yinede kas dışı hücrelerde kasılmadan sorumludur. Figür 3-20’de iki örnek verilmiştir. Telofaz, mitozun son evresi, sırasında yarıklanma çizgisindeki sitoplazmik membran yüzeyinde kontraktil halka oluşur. Bu kontraktil halka kasılarak (bel etrafında sıkılmış bir kemer gibi) ayrılan iki hücre arasında bir yarık oluşturur. Telofazın hemen öncesinde yarıklanma çizgisi olacak yerde aktin filamentleri oluşmaya başlar. Ek olarak, aynı bölgede serbest miyozin polimerize olmaya başlar ve aktin ile aktin bağlayıcı protein alfa aktinin ile birlikte kontraktil halkayı oluşturur. Plazma membranına yapışık olan aktin filamentleri karışık polariteye sahip olduğundan, kısa miyozin filamentleri ATP hidrolizinden ortaya çıkan enerjiyi kullanıp bölünen hücreyi halter şekline sokan bir kasılmaya neden olur. Hücre bölünmesi öncesi, aktin ve miyozin filamentleri hızlıca depolimerize olurlar. Kas dışı kasılmanın ikinci bir örneği fibroblastlarda oluşan stres liflerinin meydana getirdiği plazma membran kasılmasıdır. Fibroblastlar, vücudunuzdaki organları çevreleyen ekstraselüler matriksi sentezleyen ve proteinleri ile temasta olan hücrelerdir. Fibroblast plazma membranı ekstraselüler matriks proteinleri ile fokal temas veya adezyon plakları; doku kültüründe ve bağ dokusunda; denilen yerlerde temas eder. Bu temas noktalarında, integrin ailesinin integral transmembran bir proteini fibronektin gibi bir ekstraselüler matriks proteinine dış hücre yüzeyinde bağlanır; bu etkileşim plazma membranını dışa doğru çeker. İntegrinler, çeşitli alfa ve beta alt üniteleri izoformaları içeren heterodimerlerdir ve kombinasyon çeşitli ekstraselüler matriks proteinlerini bağlama özgünlüğünü belirler. Fibroblast yapıştığı yerden çekilmez çünkü aynı integrin sitoplazmik membran yüzeyinde stres lifleri denilen aktin demetlerini bağlar. Stres lifleri karışık polariteye sahip birbirine geçmiş aktin demetleri içerir ve bunlar paralel bir şekilde birbirine bağlanmıştır. Stres lifleri, integrinleri talin


76

7,%%ú+h&5(%ú<2/2-ú6ú Ca+2 KALMODÜLİN DÜZENLENMESİ

DİACİLGLİSEROL-İLİŞKİLİ DÜZENLEME Gevşeme

Miyozin HZ kinaz inaktif Ca+2 -kalmodülin

Ca+2 Kalmodülin kompleksi

Miyozin HZ Ca+2 + diacilgliserol

Miyozin HZ kinaz Ca+2 kalmodülin (aktif )

Gevşeme

Miyozin HZ-Py (inaktif; aktine bağlanmayı inhibe eder)

Miyozin HZ (inaktifi aktine bağlanmaz)

Protein Kinaz C (aktif )

Protein kinaz C (inaktif )

Miyozin HZ (aktifi aktine bağlanabilir)

Kasılma

Miyozin HZ kinaz

Miyozin HZ- PCPD (inaktif; Ca2+ -kalmodülini bağlayamaz

Gevşeme

Fosfataz

KALDESMON DÜZENLEMESİ

cAMP-İLİŞKİLİ DÜZENLEME

Kasılma

Epinefrin

Protein kinaz •R (inaktif )

β-adrenerjik reseptör Kaldesmon

Aktin-tropomiyozin (aktif; miyozine bağlanabilir)

Adenilat siklaz

Ca+2 kalmodülin • kaldesmon

Protein kinaz (aktif )

Kasılma

Miyozin HZ kinaz (aktifi Ca2+ -kalmodüline kuvvetli bağlanır)

Miyozin HZ kinaz-PAPB (inaktif; Ca2+ -kalmodüline zayıf bağlanır

Fosfataz

Gevşeme

Aktin-tropomiyozin •kaldesmon (inaktif; miyozine bağlanmaz

Ca+2 kalmodülin

Gevşeme

Figür 3-19. Düz kas kasılması ve gevşemesini kontrol eden mekanizmalar. A: Ca-kalmodülin ile kontrol: Hücre içi Ca arttıkça, fazla Ca kalmodülin’e bağlanır ve bu kompleks miyozin hafif zincir kinaza (HZ) bağlanır ve bu enzimi aktif hale getirir. Aktive kinaz miyozini kontrol eden HZ’yi X bölgesinde fosforile eder ve bu da kasılmaya yol açar. Hücre içi kalsiyum konsantrasyonu 0.1 μm’ın altına düştükçe, Ca-kalmodülin kompleksi miyozin HZ kinazdan ayrışmaya başlar ve enzim inaktif hale gelir. Bu durumda, aktivite için Ca’a bağlı olmayan miyozin HZ fosfataz miyozini defosforile ederek gevşemeye neden olur. B: Siklik adenozin monofosfat (cAMP) ile kontrol: Epinefrin gibi beta adrenerjik reseptörlerinin katekolaminlerle uyarılması adenilat siklaz uyarılmasına ve hücre içi cAMP konsantrasyonlarında artışa neden olur. Bu da miyozin HZ kinazı molekülün kalmodülin bağlayan domainine yakın A ve B bölgelerinde fosforile eden cAMP’e bağlı protein kinazı uyarır. Böylece miyozin HZ kinazın kalmodülin afinitesi azalır; inaktif hale gelir ve miyozinin regülatör hafif zincirini fosforile edemez ve gevşeme gerçekleşir. Miyozin HZ kinaz defosforilasyon ile kasılma için Ca-kalmodülin bağlanma yeteneğini geri kazanır. C: Diacilgliserol ilişkili kontrol: Diacilgliserol ve Ca, miyozin HZ kinazı cAMP’e bağlı kinazdan farklı bölgelerde fosforilize eden (C ve D bölgesi) protein kinaz C’yi uyararır. Ek olarak, protein C kinaz miyozinin regülatör HZ’sini miyozin HZ kinazdan farklı bölgelerden fosforile eder. Bu olaylar proteinleri inaktif hale getirir ve gevşemeye neden olur. D: Kaldesmon kontrolü: Düşük Ca konsantrasyonlarında (> 1 μm), kaldesmon tropomiyozin ve aktin’e bağlanarak miyozinin bağlanmasını inhibe eder, böylece kası gevşek durumda tutar. Hücre içi Ca konsantrasyonu arttıkça, Ca kalmodüline bağlanır ve bu kompleks kaldesmon’a bağlanır ve aktin filamentten ayrışmasını sağlayarak kasılmayı mümkün kılar. (Adelstein RS, Eisenberg E. Annu Rev Biochem 1980; 49:92-125; ve Rasmussen H, Takuwa Y, Park S. FASEB J 1983;1:177-185’den uyarlanmıştır.)




+h&5(ú6.(/(7ú Figür 3-20. Kas dışı aktin ve miyozinin kontraktil fonksiyonları

Kontraktil halka

Sitozol

77

mevcuttur. Kas dışı aktin ve miyozinin kontraktil fonksiyonları için iki örnek gösterilmiştir. Aktin ve miyozin birleşimi, bölünmeye hazırlanan hücreler arasında kontraktil bir halka oluşturmuş durumda (üst). Fokal temas yerlerinde plazma membranı ile etkileşen stres liflerinin basitleştirilmiş şeması (alt). Aktomiyozinin kontraktil aktivitesi nedeniyle substrat-eklenmiş fibroblastlar yassılaşmış durumda.

α-aktin Aktin filament

Plazma membranı Matriks proteinlerini bağlayan

Adaptör kompleks vinkulin, talin

İntegrin heterodimer

Fokal adezyon

ve vinkulin denilen adaptör proteinler ve artı uçlu başlıklı proteinler aracılığıyla bağlar. Yinede, fokal temas noktasında plazma membranına ve fibroblastın substrata yapışmayan tarafındaki artı uç başlıklı proteinlere bağlanan aktin demetinin artı ucudur. Stres lifleri aynı zamanda kısa miyozin filamentleride içerir ve aktin demetleri üzerine kontraktil bir güç uygular. Buda ekstraselüler matriksin dışa çekmesine zıt bir biçimde membranı içe çeker ve kültürde fibroblastlarda yassılaşmaya neden olur. Fibroblastın bir substrata yapışmasına yanıt olarak stres lifleri hızla birleşir ve hücreler ayrıştığında hızla depolimerize olurlar. Aktin demetlerinin depolimerizasyonu hücrelerin toplanmasına yol açar. Üçüncü bir örnek yapışma kemeri ile birleşen aktin ve miyozin filamentleridir. Karakteristik olarak epitelyal hücrenin sıkı bağlantısının alt kısmında lokalizedirler. Epitelyal hücre tabakasındaki komşu hücreler; uvomorulin veya E-kadherin denilen Ca’a bağlı transmembran bir protein aracılığıyla 15-20 nm aralıklarla sabitlenmiştir. Uvomorulin; aktin bağlayan proteinler olan α-aktinin ve vinkulin aracılığıyla sitoplazmik membran yüzeyinde yapışma kemeri oluşturan aktin filament demetlerinin kenarlarınada bağlanır. Miyozin filamentleri ve çevresindeki F-aktin kasılarak insan gelişimindeki önemli bir proçesi kontrol ederler: epitelyal hücrelerin tüp şeklinde katlanması. Nöral

plakta bu kasılma apikal bir daralma yaratarak tabakanın katlanıp insan gelişimi sırasında nöral tüpü oluşturmasını sağlar.

Miyozin Süpergen Ailesinin Üyeleri Veziküllerin ve Sitoplazmadaki Aktin Yolları Boyunca Diğer Kargoların Hareketinden Sorumludur Günümüzde geniş bir miyozin ailesinin olduğunu bilmekteyiz. İnsan genomu 40 miyozin geni içermektedir. Tüm bu miyozinlerde ortak olan ise korunmuş bir motor domainidir. Tümünün kuyruk domainleri farklıdır ve bu özellik herbirine değişik fonksiyonlar kazandırmıştır. Dört miyozin tipini yakından incelemek öğretici olacaktır (I, II, III, IV) (Figür 3-21). Kasılmada görevli kas miyozinin (miyozin II) keşfinden sonra tarif edilen ilk miyozin, miyozin I’dir. Bu adı sadece bir motor baş grubu ve kısa bir kuyruğu olduğu için almıştır. Miyozin I’in; ATP hidrolizini enerji kaynağı olarak kullanarak; bir aktin filamenti boyunca pozitif uca doğru ilerleme özelliği vardır. Böylece, intraselüler organizasyona katkı sağlar ve sitoplazma içinde veziküler kargo taşır. Daha sonra bir çok miyozin tipi keşfedilmiş ve keşif sırasına göre isimlendirilmiştir (miyozin III’den XVIII’e). Miyozin V’in


78

7,%%ú+h&5(%ú<2/2-ú6ú

Plazma membranı

Mikrovillus

Aktin Motor domain Villin

Miyozin tipine bağlı genel yapı

Figür 3-21. Miyozin ailesinin dört üyesi. Miyozin I, II, III ve IV’ün domain yapıları gösterilmiştir. Hepsinde ortak olan mavi ile gösterilmiş N-terminal motor domainidir. Değişik fonksiyonlar kazandıran değişken C-terminal domain ise kırmızı ile gösterilmiştir. Eksi uca doğru hareket eden miyozin VI dışında tüm miyozinler aktin filamentlerinin artı ucuna doğru hareket eder. Bu motor domainindeki küçük kopma (aminoasit dizi değişikliği) nedeniyledir (beyazla gösterilmiş).

Miyozin I ve kalmodulin

Fimbrin

Spektrin II

iki başı vardır ve veziküler ve organel transportunda görevlidir. Miyozin VI; motor domaininin korunmuş dizisindeki bir kopmadan dolayı; miyozin ailesinin aktin filamentinin eksi ucuna doğru yol alan tek üyesidir. Yönsel hareketler ve kuyruk domainlerindeki çeşitlilik hücre sitoplazması içinde aktin yollarında değişik kargoların taşınmasını mümkün kılar.

F-Aktin Demetleri Epitelyal Hücrelerin Mikrovillusları için Yapısal Bir Destektir Vücut, iç organlar, vücut boşlukları, tüp ve kanalların yüzeylerini kaplayan epitelyal doku, apikal yüzeyinde mikrovillus denilen çok sayıda parmak benzeri çıkıntılara sahip emici hücreler içerir. Bu mikrovilluslar, epitelyal hücrenin apikal plazma membranının yüzey alanını arttırır ve önemli besinlerin emilimini kolaylaştırır. Yaklaşık 80 nm genişliğinde ve 1 μm uzunluğunda olan mikrovillusların şekillerini ve dik postürlerini korumak için stabil bir hücre iskeletine ihtiyaçları vardır. Mikrovilluslara paralel uzanan ve plazma membranının sitoplazmik yüzeyine yapışan 2030 aktin filament demetli stabil ve düzenli bir çekirdek bu ihtiyacı karşılar (Figür 3-22). Aktin filamentleri fimbrin ve villin adlı iki protein ile demet haline getirilir. Aktinleri demet haline getiren proteinler F-aktin için iki bağlanma noktalarına sahip olmaları ile karakterizedir. Aktin filamentlerinin kenarlarına yukarı çıkan helikal bir merdiven tarzında bağlanırken filamentleri paralel demetler olarak gruplandırırlar. Villin’in ilgi çekici ikinci bir fonksiyonu vardır: 10-6 M’den fazla Ca konsantrasyonlarında, aktine zarar verici bir özelliğe bürünür (Bu protein grubundan ilerleyen bölümlerde bahsedilecektir). Aktin demetleri artı uçlarından mikrovillus plazma membranının ucuna tanımlanmamış proteinler aracılığı ile bağlanmıştır. Aktin demetlerinin mikrovillusların plazma membranının

Terminal ağ

Miyozin II

İntermediyan filamentler

Figür 3-22. Demet halindeki aktin filamentlerinin mikrovilluslarda yapısal bir fonksiyonu vardır. Aktin demetleri mikrovillusların ucuna artı uçları ile bağlanmıştır. Aktin filamentleri villin ve fimbrin proteinleri aracılığıyla demetler haline getirilmiş ve miyozin I ve kalmodülin aracılığıylada mikrovillus plazma membranının kenarlarına yapışmıştır. Terminal ağda, eritroid dışı spektrin (spektrin II) ve miyozin II komşu aktin demetlerini birbirine ve intermediyan filamentlere bağlar.

yan duvarına lateral bağlantıları kalmodülin ve miyozin I’i (minimiyozin) içeren bir kompleks aracılığıyla gerçekleşir. Mikrovillar aktin filamentlerinin çekirdek demetleri, apikal plazma membranının; iç içe geçmiş aktin filamentler, aktin bağlayıcı proteinler ve IF’ler nedeniyle terminal ağ denilen epitelyal hücre bölgesinin hemen altında biter. Aktin, çapraz bağlayıcı protein, spektrin II (veya eritroid olmayan spektrin), veya kısa miyozin filamentleri komşu aktin çekirdek demetlerine dik uzanır ve bunlara bağlanır. Çekirdek demetlerinin spektrin II ve miyozin ile olan bağlantıları mikrovillusların dik durmasını sağlar. Spektrin II aynı zamanda aktin çekirdek demetlerini IF’lere çapraz olarak bağlar.

Kortikal Sitoplazmanın Gel-Sol Hali Aktin’in Dinamik Statüsü ile Kontrol Edilir İnsan ve hayvan hücrelerinin sitoplazması psödoplastik bir jelin karakteristiklerine sahip bölgelere ve sol haline like-




+h&5(ú6.(/(7ú

fiye olacak diğer bölgelere sahiptir. Sitoplazmanın gel-sol değişimleri hücrelerin şeklini değiştirmek ve hareketlerini kontrol etmek için gereklidir. Sitoplazmadaki gel-sol değişimi aktinin dinamik durumu ve aktin bağlayıcı proteinler ile etkileşimi ile düzenlenir. Örneğin, plazma membranının tam altındaki kortikal sitoplazmada, hücre sitoplazmasının bu bölümünden organelleri uzak tutan kalın ve üç boyutlu bir aktin filament matriksi vardır. Uzun aktin filamentleri birleşme eğiliminde olup oldukça visköz bir solüsyon oluşturur. Ancak, kortikal sitoplazmada bu aktin filamentleri uzun, fibröz aktin çapraz bağlayıcı proteinlerle üç boyutlu bir şebekeye dönüşür. En sık görülen aktin çapraz bağlayıcı proteinler, her ikiside uçlarında iyi ayrışmış aktin bağlama bölgeleri içeren uzun fibröz proteinler olan, spektrin II (eritroid olmayan spektrin) ve filamindir. Bazen, kortikal sitoplazmanın bir bölgesinin sıvılaşması gereklidir. Örneğin, bir makrofaj bakteri hücresi ile karşılaştığında kortikal aktin ağı hücre yüzeyinin mikroorganizmayı içine hapsetmesi için yeniden yapılanmalıdır. Bu, sitoplazmik Ca konsantrasyonunda lokal bir artış (10-6 M’ye) ile gerçekleşir. Gelsolin denilen Ca’a duyarlı, aktin parçalayan bir protein stimüle olur ve aktin filamentleri kısa protofilamentlere keser. İşlem sırasında, gelsolin molekülü kesilmiş aktin filamentlerinin artı ucuna bağlanır ve o ucu kaplar. Gelsolin, fosfatidilinositol-4,5bifosfat (PIP2) ile etkileşim sonucu aktin filamentlerinin artı ucundan ayrılır. (Bu daha sonra Aktin Dinamik Düzenlenmesi adlı bölümde tartışılacaktır.) Aktin filamentlerini farklı bir mekanizma ile kesen bir diğer protein kofilindir. Kofilin; aktin depolimerizan faktörler denilen protein ailesinin bir üyesidir. Kofilin, G-aktin’e ve heliksi sıkılaştıran ve torku arttıran aktin filamentlerin yanlarına bağlanır. Sonuç olarak, bu kasılı aktin filamentleri mekanik stresle daha kolay parçalanır ve aktin büyümesini hızlandırmak için yeni artı uçlar meydana getirir. Kas dışı hücrelerde aktin konsantrasyonu 50-200 μM olup F-aktinin artı ve eksi uçları için gereken kritik konsantrasyondan çok daha fazla isede çoğu hücrelerde aktinin sade-

AKTİN-PROFİLİN KOMPLEKSİ

Serbest aktin monomeri

Timozin

AKTİN-TİMOZİN KOMPLEKSİ

ce %50’si polimerize formdadır. Kas dışı hücrelerdeki aktin dinamik halde olup gerektiğinde polimerize ve depolimerize olabilir. Kas dışı hücrelerdeki G-aktin havuzunun varlığının nedeni ise timozin ailesinin küçük aktin bağlayıcı proteinlerinin bir grubudur. Timozin β4 G-aktine bağlanan 5-kDa’lık bir proteindir. Timozine bağlanan G aktin ATPsini hidrolize edemez veya değiştiremez ya da F-aktinin artı veya eksi uçlarına bağlanamaz. Aktinin hızlı polimerizasyonu gerektiğinde; örneğin motil bir hücrenin öndeki ucunda; aktive profilin G-aktini bağlamak için timozinle yarışır. Profilin-aktin kompleksi daha sonra aktin filamentlerin artı ucuna bağlanır ve bu profilinin dağılmasıyla sonlanır. Profilin; ATP bağlayıcı yarığın ters tarafından G-aktinin ikinci ve dördüncü domainlerine bağlanır. Profilinin bağlanması G-aktinde konformasyonel bir değişiklik oluşturur ve yarıklanma bölgesi iyice açılarak daha hızlı ATP-ADP değişimi yaratır. ATP’nin bağlı olduğu G-aktinin lokalize salınımı hızlı polimerizasyona olanak sağlar. Profilin fosforilasyon ile ve inositol fosfolipidlere bağlanarak aktive olur. Figür 3-23 timozin ve profilin fonksiyonunun bir özetini sunar.

Hücre Hareketi Aktin Dinanmiklerinde Koordineli Değişiklikler Gerektirir Hücrelerin hareketi veya hücre hareketi insan gelişimi için gereklidir. Çoğu hücre embriyogenez sırasında hareket eder. Hareketli aksonların önde giden uçlarındaki büyüme külahı sinaptik hedeflerine doğru hareket ederler; makrofaj ve nötrofiller enfeksiyon bölgesine doğru hareket ederler; fibroblastlar ise bağ dokusuna doğru göç ederler. Hücre hareketi kanser biyolojisinde de önemlidir. Primer tümörlerdeki kanser hücreleri primer tümör bölgelerinden hareketle komşu dokulara invaze olup kan damarlarına girebilir. Bu yüzden, hücrelerin nasıl hareket ettiğini anlamak önemlidir. Hücre hareketindeki evreler; plazma membranının öndeki ucunun ileri doğru çıkıntı yapması, substrata yapışması, aktin filamentlerinin gerilmesi ve hücrenin kuyruğunun beraberinde çekilmesidir (Figür 3-24).

Figür 3-23. Timozin ve profilinin aktin polimerizasyon ve depolimerizasyon dinamiklerindeki rolü. Timozin ve profilinin aktinle olan ilişkilerinin rolü. Aktin filamenti

Profilin

79


80

7,%%ú+h&5(%ú<2/2-ú6ú HAREKETSİZ: Polimerizasyon ve retrograd akım dengeli

Hareketin yönü Lamellipod

Miyozin F-aktin

G-aktin

Substratum Adezyon lifleri Lamellipod Arkada giden uç

Önde giden uç

Miyozinin desteklediği aktinin retrograd akımı

Substrat

ÖNE HAREKET: Hücre yapışması retrograd akıma dayanır, ve bu uzama ile sonlanır

Çekilen “kuyruk”

Yeni adezyon noktası

Figür 3-24. Hücre hareketi evreleri. Soldaki hücre (1) sağa doğru hareket etmektedir. Hücre, ilk önce plazma membranından düz, kağıt benzeri bir uzantı çıkarır (lamellipod; [2]). Uzantı daha sonra substrata bağlanır veya hücre gövdesine geri döner (3). Uzantılar daha sonra substrata yapışır ve fokal temas için aktin filamentlerine uygun bağlantı bölgeleri oluşturur (4). Aktin filamentlerindeki gerilim hücreyi ileriye doğru çeker ve kuyruk bölgesinin kalıntıları geride kalır.

Plazma membranının çıkıntıları arasında; kağıt benzeri projeksiyonlar olan lamellipod, hücrenin ileri ucunda dik ve dar projeksiyonlar olan filopod veya mikrodikenler vardır. Lamellipod ve filopodlarda, iki proçes meydana gelmektedir. Artı uçta, membran ile ilişkili olan ve onu öne iten, aktin filamentinin hızlı polimerizasyonu gerçekleşirken hücrenin arka tarafında miyozin II’ye dayalı kasılma proçesine dayalı aktin filamentler retrograd akımı gerçekleşir. Artı uçtaki polimerizasyon retrograd akımdan daha hızlı ise hücre ileri doğru hareket eder. Her ikisi dengedeyse hücre sabit kalır (Figür 3-25). Lamellipod, artı uçları plazma membranı ile ilişkili olan dallanmış aktin filamentleri içerir. Plazma membranının sitoplazmik yüzeyi formin denilen protein ailesi ile etkileşim içindedir. Forminlerin iki aktin bağlayıcı domainleri olup yeni aktin monomerleri eklendikçe artı uca ilerlerken aktin filamentine bağlı kalır. Dallanma Arp 2/3 kompleksine bağlıdır. Bu kompleks, aktinle karşılaştırıldığında %45 dizi benzerliği olan iki aktinle ilişkili protein (Arp 2 ve 3), beş daha küçük protein ve nükleasyon-teşvik edici faktör içerir. Arp 2/3 kompleksi var olan aktin filamentlerinin yanlarına bağlanıp yeni aktin filamentinin artı uç büyümesini hızlandırır. Arp 2/3 kompleksi tarafından oluşturulan dallar, orijinal filamente göre 70 derecelik açıdadır. Bu sa-

İntegrin ile substrata stabil yapışma

Substrat

Figür 3-25. Hareketli hücredeki çıkıntı, ileri uçtaki aktin polimerizasyonu ve arkadaki aktin filamentlerinin retrograd akımı arasındaki dengeye bağlıdır. (Becker ve ark. The World of The Cell, 6th ed. Pearson, Benjamin Cummings, 2006’dan modifiye.)

yede, lamellipod artı uçları plazma membranından dışarı doğru çıkan dallanmış aktin ağı tarafından ileri doğru itilmektedir (Figür 3-26). Bunun aksine filopod, artı uçları filopod ucu ile ilişkili olarak polimerize olan demet halindeki paralel aktin filamentlerinden oluşur. Aktin filamentleri filopodun içinde aktin demetleyen protein olan faskin tarafından demetlenmiştir. Bunun sonucunda, hücre ilerlerken dokungacı olarak görev yapacak sert bir mikrodiken ortaya çıkar. Lamellipod yüzeye hücrenin dışındaki ekstraselüler matriks ile integrinlerin ve sitoplazmik yüzdeki bağlayıcı veya adaptör proteinlerin etkileşimi ile bağlanmalıdır. Bu bağlayıcı proteinler (talin, vinkulin, α-aktinin), aktin filamentlerini fokal temas noktalarına bağlarlar. Hücre hareketinin alternatif bir formu amibik harekettir. Bu hareket formu; amibler, küf ve lökositler tarafından kullanılmaktadır. Amibik harekette, hücreler psödopodlar (Yunanca “yalancı ayak”) oluşturur. Hareketin temelinde sitoplazma periferinde kalın, jelatinöz, aktin çapraz-bağlı ektoplazmanın çıkıntı yönünde sıvı bir endoplazmaya döndürülmesi yatar. Daha sonra endoplazma katılaşarak ektoplazmaya döner ve böylece psödopodun ucu psödoplastik bir jele dönüşür. Bu tarz gel-sol-gel-sol değişim kuvvetleri hücreyi ileri doğru hareketlendirir. Öte yandan, gel-sol etkileşimi hücrenin arka tarafının retrakte olması-




+h&5(ú6.(/(7ú

81

sağlayacak reseptörler bulunmaktadır. N-terminal metiyonine sahip proteinleri sadece prokaryotlar üretebildiğinden, bu peptidler sadece bakteriyal kaynaklıdır. Nötrofil yüzeyindeki reseptörler lökositin bakteriyel enfeksiyona doğru hareketini mümkün kılar.

Plazma membranı

Aktin-ADP

Aktin-ATP

Formin ARP 2/3 kompleksi

Aktin’e Dayalı Fonksiyonun İnhibitörleri Değişik küfler tarafından salınan bir kimyasal grubu olan sitokalazinler hücre hareketini engeller. Sitokalazinler mikrofilamentlerin artı ucuna bağlanır ve hücre motililtesi, fagositoz, mikrofilamentlere dayalı organel ve vezikül ulaşımı ve lamellipod ve mikrodiken oluşumunu inhibe eder. Bir deniz süngeri ekstresi olan lantrunkulin aktin monomerlerine bağlanarak stabilizasyon sağlar. Sonuç olarak aktin filamentleri depolimerizasyona uğrar. Lantrunkulin’in aktine bağlı fonksiyonlarda sitokalazinlerinkine benzer etkileri vardır. Zehirli bir mantar olan Amanita phalloides’den izole edilen bir alkoloid olan falloidin mikrofilamentleri stabilize eder ve depolimerizasyon oluşumunu engeller. Bu kimyasallar hücre hareketinide inhibe ederler; bu da aktin filament birleşimi ve dağılımının hücre motilitesi için gerekli olduğunu gösterir.

AKTİN BAĞLAYICI PROTEİNLER

Figür 3-26. Formin ve Arp 2/3’ün lamellipod içindeki aktin filamentlerinin membranla ilişkileri, dallanması ve polimerizasyonundaki rolleri.

Figür 3-27 ve Tablo 3-1’de aktin ile etkileşime giren değişik proteinlerin fonksiyonları özetlenmiştir. Hücre içi aktine dayalı birleşimlerden (hücrenin sitoplazmasındaki) bahsetmiştik; şimdi aktin filamentlerinin hücre membranının sitoplazmik yüzeyine bağlandığı iki tip mekanizmadan bahsedeceğiz. İlk önce, ERM ailesi aracılığıyla bağlanma ve daha sonra spektrin membran iskeletinde bulunan ilişkiler.

ERM Ailesi Aktin’in Plazma Membranının nıda sağlar. Artmış lokal kalsiyum konsantrasyonlarına Sitoplazmik Yüzeyi ile Uçuca Bağlantısına bağlı olarak, aktin filamentlerinin gelsolin tarafından zarar Aracılık Eder görmesi gel-sol dönüşümüne neden olur. Bu işlemin tersi olan sol-gel dönüşümüde aktin polimerizasyonu ve çaprazbağlanma ile oluşur. Vücut ve embryo hücreleri yönsel hareket özelliği gösterir. Bu hareket, hücre yüzeyi tarafından tanınan difüzyon özelliği olan moleküllere bağlıdır. Bu moleküllere, hücrenin istenen yöne doğru veya uzağına hareket etmesine göre, kemoatraktan (kemoçekici) veya kemorepelan (kemoitici) denir. Kimyasal gradyanlara dayalı hareket proçesine ise kemotaksis denir. Kemotaksisin bir örneği nötrofilin bakteriyel enfeksiyona doğru hareketidir. Nötrofillerin yüzeyinde düşük seviyelerde N-formüle peptidleri algılamasını

Protein 4.1 ilişkili proteinlerden ERM ailesi (ezrin, radiksin ve moesin), aktin filamentlerini bir çok hücre tipinin plazma membranına bağlar. Aktive ERM proteinlerinin C-terminal domaini önceden oluşmuş aktin filamentlerinin kenarına bağlanır ve N terminal domainide CD44 gibi transmembran proteinlerinin sitoplazmik domainine (hyaluronan reseptörü) bağlanır (Figür 3-28). ERM proteinindeki merlin denilen defektler; duyu sinirlerinde ve sinir sisteminin diğer bölgelerinde birden çok benign tümörün görüldüğü nörofibromatozis hastalığına neden olur. ERM etkileşimleri fosforilasyon veya PIP2’ye bağlanma ile kontrol edilir.


82

7,%%ú+h&5(%ú<2/2-ú6ú

Polimerizasyon inhibe edici protein

Aktin alt üniteleri Kaplayıcı proteinler

Stabilize edici protein

Kasılma yaratan protein Aktin flamentler

Kesici protein Çapraz bağ yapan protein

Demet yapan protein

Dallandırıcı protein

Figür 3-27. Aktin bağlayıcı proteinlerin çeşitli rolleri. Değişik aktin bağlayıcı proteinlerin aktin’in hücresel organizasyonunu nasıl kontrol ettiğinin özeti. (Widnell CC, Pfenninger KH. Essential Cell Biology. Baltimore: Williams&Wilkins, 1990’dan modifiye.)

TABLO 3-1. Aktin Bağlayıcı Proteinler

SPEKTRİN MEMBRAN İSKELETİ

Protein

Fonksiyonlar

Tropomiyozin

Filamentleri stabilize eder

İlk önce eritrositlerde tarif edilen ama günümüzde eritroid seride olmayan hücrelerde de var olduğu bilinen spektrin membran iskeleti hücre şekli ve membran stabilitesini idame ettirmede ve lateral mobiliteyi ve biyolojik membranlar içerisindeki transmembran proteinlerinin pozisyonunu kontrol etmede gereklidir.

Fimbrin, α-aktinin, villin Filamentleri demet haline getirir Formin, Arp 2/3 Filamin Spektrin I/II

Polimerizasyonu arttırır ve dallanma oluşturur Filamentleri çapraz olarak bağlar

Gelsolin

Membran iskeletindeki filamentleri çapraz olarak bağlar Filamentleri parçalar

Miyozin II

Kastaki filamentleri kaydırır

Miyozin I Z başlığı

Veziküldeki filamentleri hareketlendirir Filamentlerin artı ucunu sarar

Profilin, timozin

Aktin monomerlerini bağlar

Eritrosit Spektrin Membran İskeletinin Yapı ve Fonksiyonu Detaylı bir Biçimde Anlaşılmıştır Spektrin membran iskeleti ilk olarak memeli eritrositinde tanımlanmış ve en iyi biçimde bu ortamda anlaşılmıştır. İnsan eritrositinin spektrin membran iskeleti




+h&5(ú6.(/(7ú

83

Transmembran protein Plazma membranı

Sitozol

ERM-ilişkili bağlanma

PIP2 bağlanmasının fosforilasyonu İnaktif katlı konformasyon

Membran bağlayıcı domain α-Helikal domain Aktin-bağlayıcı domain

Aktif uzamış konformasyon Sinyal kaskatları

Aktin flamenti

Figür 3-28. ERM proteinlerinin görevi aktin filamentlerinin artı uçlarını plazma membranına bağlamaktır. Katlanmış inaktif formlarındayken, ERM proteinleri aktin filamentlerinin artı uçlarını veya sitoplazmik domainlerini CD44 gibi transmembran proteinlerle bağlayamazlar. Ancak, fosforilasyon veya PIP2 ile bağlanarak aktive olduklarında ve katlanmamış aktif hale döndüklerinde transmembran proteinler ve aktin filamentlere bağlanmayı mümkün kılarlar.

eritrositin bikonkav şeklini korur, elastisite ve esneklik özelliklerini kazandırır, plazma membranını stabilize eder ve integral membran proteinlerinin lateral hareketini kontrol eder. Bunlar 2 μm kadar küçük çaplı kapillerlerden geçerken sürekli şekli bozulan 8 μm çaplı bikonkav bir disk için önemli özelliklerdir. İskeletin majör proteinleri spektrin I, protein 4.1 (sodyum dodesil sülfat-poliakrilamid jel elektroforezindeki [SDS-PAGE] göçe dayalı isimlendirme) ve aktindir. Spektrin I, yaklaşık 280 (α) ve 246 (β) kDa’lık iki büyük alt üniteden oluşur. Spektrinin en basit formu antiparalel bir αβ heterodimerdir; ancak, eritrosit membranının sitoplazmik yüzeyinde iki heterodimerin baş gruplarıyla etkileşimi ile oluşan (αβ)2 tetrameridir. Spektrin tetramerinin her ucu bir aktin bağlayıcı bölge içerir ve spektrin I, aktin filamentlerini plazma membranının sitoplazmik yüzeyini örtecek iki boyutlu ağ şeklinde çapraz bağlar. Aktin filamentleri kısa, yaklaşık 14 aktin monomeri (33 nm) uzunluğundadır; bu yüzden aktin protofilamentleri adını alırlar. Aktin protofilamentleri tropomiyozin ile stabilize edilmiş olup eksi uçları tropomodulin ile kaplanmıştır. Her protofilament heksagonal düzende altı spektrin tetrameri bağlar. Spektrin-F-aktin kompleksi, aynı zamanda spektrin tetramerinin uçlarınada bağlanan protein 4.1 ve addusin ile stabilize edilir. Spektrin iskeleti ikili tabakaya iki tip bağla bağlıdır. Ankrin denilen periferal bir protein spektrin β alt ünitesine heterodimerlerin bileşkesel uçlarından bağlanır ve spektrini bant 3’ün sitoplazmik NH2-terminal domainine bağlar. Protein 4.1, spektrin-aktin etkileşimini stabilize etmesinin yanısıra, glikoforin ailesinin bir üyesine bağlanır ve çiftli tabakaya bir link olarak işlev kazanır. Membran iskeletinin yapısı Figür 3-29’da gösterilmiştir.

Protein 4.1 ve addusin’in sırasıyla A kinaz ve C kinaz ile fosforilasyonu, spektrin-4.1-aktin ve spektrinaddusin-aktin üçlü komplekslerinin oluşumunu azaltır. Yakın zamanlı bir çalışmada, Goodman ve arkadaşları α-spektrinin E2/E3 ubikitini ve diğer başka proteinleri, tetramerin kuyruk bölgelerinin yakınlarında, konjüge edici ve bağlayıcı aktiviteleri olduğunu göstermiştir. α-spektrinin C-terminal kuyruk bölgesinin ubikinasyonu bu üçlü komplekslerin afinitesinide azaltır. Daha sonradan anlatılacağı gibi, bu olay, spektrin ubikinasyonunun seviyesinin oldukça düşük olduğu, orak hücreli anemili hastaların eritrositlerinde önemlidir. Spektrin membran iskeleti eritrositin normal bikonkav şeklinden sorumlu olduğu için bu proteinlerdeki genetik defektler anormal eritrosit şekli ve stabilitesine yol açar. Herediter sferositoz (HS), beyaz ırkta sık görülen bir hemolitik anemi olup eritrositler küresel ve frajildir (Figür 3-30). HS’nin sık görülen dominant formundan etkilenmiş tüm hastalarda spektrin veya bant 3 veya herikisininde içeriğinde, ankrindeki genetik defektlerden dolayı, hafiforta bir düşüklük vardır. Az sayıda HS hastasında protein 4.1’e bağlanamayan defektif spektrin molekülü olup stabil spektrin-4.1-aktin kompleksi oluşturulamaz. Klinik Olgu 3-1 Douglas Richmond, prestijli bir doğu yakası yatılı okuluna giden 16 yaşında Birtanyalı bir öğrencidir. Futbol takımı seçmelerine girmek istesede, okul hemşiresi “gözleri sarı” olduğu için bir doktora görünmesi gerektiğini söylemiştir. Douglas, doktora GHYDP×


84

7,%%ú+h&5(%ú<2/2-ú6ú

Spektrin

Ankirin Addüsin Anyon transport kanalı

Aktin

Ankirin

Bant 4.1 ve aktin

Spektrin tetrameri

Addusin ve aktin

Figür 3-29. Eritrosit spektrin membran iskeletinde protein etkileşimleri. A: Sağda eritrosit proteinlerinin SDS-PAGE verilerinin renkli kodlamasının verildiği, membran iskeleti ile protein etkileşimlerinin şematik çizimi. B: Negatif boyama elektron mikroskopisi ile incelenen yayılmış haldeki membran iskeletinin şematik çizimi. Spektrin tetramerleri (Sp4), üç kollu spektrin molekülleri (Sp6) ve çift spektrin filamentleri (2Sp4) ile çapraz bağlanmış aktin protofilamentleri ve protein 4.1 içeren bağlantı komplekslerinin heksagonal örgüsü görülmekte. Ankrin, spektrin filamentlerine distal uçlarından 80 nm uzaklıktan bağlanmıştır. (A: Goodman SR, Zagon IS, Brain Res Bul 1984;13:813-832’den modifiye; B: Liu SC, Derick LH, Palek J. J Cell Biol 1987; 104:527-536.)

tamamen iyi olduğunu ve hiç bir semptomu olmadığını söyledi- sadece Amerikan futbolu oynamak istiyordu Gözlerinin bir kaç yıldır biraz sarı olduğunu itiraf ettiysede kız ve erkek kardeşlerinin gözleride biraz sarı olduğu için bu konu üstüne hiç kafa yormamıştı. Fizik muayenede; doktor “bütün bu kargaşının” neden olduğunu anlamayan, gelişimi iyi, zekası normal genç bir erkekle karşı karşıyaydı. Evde aktif olarak futbol oynamaktaydı. Douglas’ın vital bulguları normal, skleraları ve avucundaki çizgiler hafif sarıydı. Kalbi ve akciğerleri normaldi. Karın muayenesinde, hafif sağ üst kadran hassasiyeti mevcuttu ki, bir kaç yıldır böyle olduğunu kendide itiraf etti. Doktor sol üst kadranda, Douglas derin nefes aldığında kot altı iki parmak aşağıya doğru uzanan belirgin bir kitle saptadı. Doktor, bunun Douglas’ın dalağı olduğundan emindi ve normalin iki katı büyümüş olduğunu tahmin ediyordu. Muayenenin geri kalanında ayak bileği medialindeki

dermatit dışında ek bir bulgu saptanmadı. Douglas, bunun futbol oynamaya bağlı minör travmalar nedeniyle olduğunu düşünüyordu. Doktor, Douglas’a büyümüş bir dalağı olduğunu bilip bilmediğini sordu. Douglas bu konuda bilgisi olmadığını ancak abisinin “üç yıl önce araba kazası sonrası patlayan” dalağının çıkarıldığını ve bu yüzden bu durumun ilginç olduğunu söyledi. Anamnez derinleştikçe, Douglas abla ve abisinin her zaman anemik olduğunu itiraf etti. Ebeveynlerinin sağlık durumlarının iyi olduğunu ama babasının altı yıl yani 40. doğumgününden hemen önce safra kesesinin çıkarıldığını söyledi. Douglas’ın ilk laboratuvar sonuçları; hemoglobin seviyesinde hafif oranda azalma (11.8), %16’lık bir retikülosit ve normal beyaz hücre ve trombosit sayımını gösterdi. İlginç bir şekilde, otomatik olarak laboratuvar hücre sayma makinesinde hesaplanan




+h&5(ú6.(/(7ú

85

Sferositoz’un Hücre Biyolojisi, Tanı ve Tedavisi

Figür 3-30. Normal eritrositlerin ve Herediter sferositoz’lu (HS) bir hastanın eritrositlerinin tarama elektron mikroskobu altındaki görünümü. A: Normal insandaki bikonkav eritrositler. B: HS’li bir bireyden bir sferosit ve stomatosferosit. (Goodman SR, Shiffer K. Am J Physiol 1983; 244;C134-141’in izniyle.)

ortalama hücre hemoglobin konsantrasyonu (MCHC) artmış (39) bulundu. Periferik yaymada, merkezdeki olağan solukluk olmayan bir çok küçük, koyu ve yoğun eritrosit görüldü. Serum bilirubin (3.2) artmıştı ve artışın çoğunluğu indirekt bilirubin idi. İdrarda bilirubin saptanmadı. İmmünoloji laboratuvarı hepatit ve Coombs testlerinin negatif olduğunu bildirdi. Bu sonuçlar nedeniyle, doktor Douglas’dan ek bir osmotik inkübasyon testi istedi. Bu test, osmotik frajilite eğrisinin sağa kaymış olduğunu ve eritrositlerinin %50’sinden fazlasının %0.5 g’lık salin solüsyonunda hemolize uğradığını gösterdi. Douglas raporunu almaya geldiğinde doktor ona batı Avrupalılarda en sık görülen herediter hemolitik anemiden- Herediter Sferositoz (HS)- etkilenmiş olduğunu anlattı. Kompanse durumda olduğunu ve anemisinin az düzeyde olduğunu anlattı. Her gün ek folik asit aldığı sürece sağlığının iyi olacağı konusunda içini rahatlattı. Babasındaki gibi, artmış eritrosit döngüsü nedeniyle, muhtemelen kendisininde safra kesesi taşları olduğunu ama şu anda ek bir işleme gerek olmadığını anlattı. Ancak, temas içeren sporlar yapmaması konusunda Douglas’ı uyardı. Büyümüş olan dalağını zedelemesi halinde acil cerrahi gereksinimi olacağını söyledi. Douglas doktora teşekkür etti ve satranç takımı seçmelerine katılmayı seçti.

HS, otozomal dominant bir hemolitik bozukluktur. Primer fizyolojik defekt, normal eritrositin oldukça esnek olmasını sağlayan bol lipid membranının kaybıdır. Bu esneklik, eritrositlerin mikrodolaşımdaki labirentimsi boşluklara girmesini sağlar. Eritrosit membran iskeletinin, ki normalde lipid membranı destekler ve stabilize eder, proteinlerindeki özgün genetik defektler membran kaybından sorumludur. Hücreler vücutta dolaştıkça membranlarını ilerleyici bir şekilde kaybeder ve giderek daha küresel bir görünüm alırlar. Bu durum hücreleri daha az esnek yapar ve mikrodolaşımda takılmaya, özellikle dalakta, açık olurlar. In vitro olarak, membran kaybı osmotik frajilite testi ile gösterilebilir, çünkü hücreler mükemmel osmometrelerdir ve azalmış membran yapıları hipotonik salin ile oluşan şişmeyi kaldıramaz. Bu bozuklukta görülen artmış MCHC değeri benzeri olmayan bir bulgudur. Koyu, küçük hücreler mikroskop altında yoğun gözükürler ve bu görünüm yoğunluk gradyan santrifüjü ile konfirme edilir Bu ilginç fenomen tam anlaşılmış değildir ama muhtemelen bozulmuş membran transport proçesi ile ilişkilidir. Eritrositlerin eliptik ve frajil olduğu herediter eliptositozda, en sık görülen defekt tetramer oluşturamayan spektrin dimeridir. Orak hücreli anemideki primer genetik defekt hemoglobin molekülündedir. Orak hücrelerin bazılarının dönüşümsüz olarak oraklaşmaları, orak hücre krizine yol açan majör faktörlerden biridir. Geri dönüşümsüz olarak oraklaşmış hücrenin moleküler bulguları: (1) β aktin’de disülfit köprüsünün oluştuğu posttransyonel modifikasyon- yavaş depolimerize olan aktin filamentlerine yol açar; ve (2) spektrinin azalmış ubikinasyonu- spektrin-4.1-aktin ve spektrin-addusin-aktin üçlü komplekslerinin yavaş dağılmasına neden olur. Sonuç, şekil değiştiremeyen bir hücreye yol açan “kilitli” membran iskeletine yol açar (Figür 3-31).

Spektrin Eritroid Seri Dışındaki Hücrelerde de Yaygın Bir Komponentdir 1981 yılına kadar, spektrin ve membran iskeletinin sadece eritrositlerde bulunan komponentler olduğu düşünülmekteydi. 1981 yılında, Goodman ve arkadaşları spektrin ile ilişkili moleküllerin eritroid seri dışındaki hücrelerde de yaygın olarak bulunduğunu gösterdi. Bu buluş, eritrosit dışı spektrin moleküllerinin fonksiyonu hakkında önemli bir soruyu beraberinde getirdi. Eritroid dışı hücrelerde,


86

7,%%ú+h&5(%ú<2/2-ú6ú Normal eritrosit

Figür 3-31. Geri dönüşümsüz orak hücrenin

Geri dönüşümsüz orak hücre

(GDOH) moleküler temeli. GDOH ve membran iskeletinin şekil değiştirmedeki problemi aktin profilamentlerinin ayrışması (yeşil monomerlerin koyulaşması ile açığa çıkar) ve sıkılaşmış üçlü komplekslere neden olan α spektrin ubikinasyon kaybı (kırmızı spektrin kuyruklarının koyulaşması ile açığa çıkar) nedeniyledir. (Goodman SR. Cell Mol Biol 2004; 50:53-58, izniyle.)

Aktin α-spektrin Ubikuitin β-spektum Addusin Protein 4.1 Ubikuitin Alpha-Sp21

Beta aktin

spektrinin yanı sıra ankrin ve protein 4.1’inde membranlarda bulunduğu ortaya kondu. İki memeli α spektrin geni ve beş β spektrin geni tanımlanmıştır. Dahası, iki eritroid dışı spektrin izoformu ayrıntılı biçimde tanımlanmıştır. İzoformlardan biri eritroid β spektrin’in alternatif olarak kırpılmış bir formuna bağlanmış α spektrin içerir (β-spektrin 1Σ2). Bu izoform; beyin, iskelet kası ve kardiyak kasta bulunur. İkinci izoform ise eritroid spektrini ile %60 oranında eş dizi içeren eritroid dışı α ve β spektrin içerir. Spektrin II denilen izoform, belirgin gen gruplarının ürünü olup en sık rastlanan spektrin formudur. Eritroid dışı hücrelerde bulunan spektrin I ve II, plazma ve organel membranlarının sitoplazmik yüzeyinde bulunur ve muhtemelen membran konturlarını ve stabilitesini kontrol eder. Ancak, eritroid dışı spektrinler, bu tarz hücrelerin sitoplazmasındaki multi fonksiyonel çapraz bağ yapıcılarıdır. Spektrin II, aynı zamanda epitelyal hücre sitoplazmasının terminal ağ bölgesindeki aktin köklerini çapraz bağlar. Nöronlarda, spektrin I ve II aktin filamentlerinin sitoplazmadaki sinaptik veziküllere, organellere, nörofilamentlere ve mikrotubüllere bağlar. Presinaptik terminaldeki sinaptik vezikül-spektrin etkileşimi sinaptik ileti için merkezidir. Spektrinler ve eritroid dışı hücrelerdeki bağlantı eşleri; küçük küresel sinaptik vezikülleri presinaptik plazma memb-

ISC beta aktin

ranının aktif zonuna bağlamak, internal depolardan kalsiyum salınımını kontrol etmek, ER-golgi kompleksi-plazma membranı arası membran trafiğini kontrol etmek ve DNA tamir enzimlerini hasarlı DNA ile temasa geçirmek gibi çok farklı fonksiyonlarda rol alır.

Spektrin I ve II, α-aktinin ve Distrofin Spektrin Süpergen Ailesini Oluşturur Spektrin I ve II’nin dizileri artık bilinmektedir. Hem α hem β alt üniteleri yaklaşık 106 aminoasitlik üçlü-helikal tekrar üniteleri içerir. Bunlar dizinin çoğunda helikal olmayan esnek bölgeler ile ayrılmıştır. Bu tekrarlar, yaklaşık %20-40 dizi benzerliği gösterir. α ve β spektrin I ve II’nin NH2 ve COOH terminal uçlarının tipik tekrar yapısını içermemeleri ilgi çekicidir. Ayrıca, β alt ünitesinin NH2 ucundaki 140 amino asitlik bir uzantının spektrinin aktin bağlayıcı domainini temsil ettiği gösterilmiştir (Figür 3-32). Spektrin I ve II, α ve β dizileri boyunca sadece %60 benzerlik göstermesine karşın, aktin bağlayıcı domainlerinde %90’dan fazla benzerlik gösterir. α- Aktinin (aktin demetleyici bir protein) ve distrofin’in (Duchenne musküler distrofili [DMD] hastalarda eksik




+h&5(ú6.(/(7ú

Aktin

Ankirin

87

α-Bileşke

β-spektrin II

Heliks B’ Heliks C’

Heliks A’

Bağlantı bölgesi Heliks B

Heliks C Heliks A

Figür 3-32. β-spektrin II’nin yapısı. A: β spektrin II, spektrin süpergen ailesinin üyelerinin yapısına bir örnek olarak gösterilmiştir. β spektrin II’nin NH2 ucunda helikal olmayan bir aktin bağlayıcı domaini vardır. Esnek menteşe bölgeleriyle ayrılmış 17 üçlü helikal spektrin tekrarları bulunmaktadır. COOH ucu, α spektrin alt ünitesinin bağlanmasında rol oynayan helikal olmayan bir bölge barındırır. B: Üçlü helikal tekrarının detaylı yapısı gösterilmiştir. (A: Ma Y, Zimmer WE, Riederer BM ve arkadaşları. Mol Brain Res 1993; 18: 87-99’un izniyle.)

Klinik Olgu 3-2 Robbie Franklin, hastaneye tekerlekli iskemleyle getirilen, dispne şikayeti olan 11 yaşında bir çocuktur. Son 3 gün içinde ağrılı balgamlı öksürük ve 39.7 dereceyi bulan ateşi mevcuttu. Fizik muayenesinde, yaşına göre genç görünen, zayıf ama gelişimi normal bir çocuktu. Ayak bileklerinden kalçalarına kadar çelik ateller ve torasik vertebrada ağır kifoskolyozu mevcuttu. Tansiyonu normal olmasına rağmen nabzı 112 mm Hg idi. Akciğer muayenesinde perküsyona yanıtsız bir bölge, oskültasyonla raller ve inspirasyonda sağ alt lobda kaba bir friksiyon sesi mevcuttu. Dizartri ve olası sınır zeka nedeniyle hastadan anamnez almak zordu. Annesi, Robbie’nin 3 yaşına

kadar normal olduğunu söylüyordu. Daha sonra, kız kardeşleri ile oynarken sık sık düşmeye başlamıştı ve bacak kasları o kadar güçsüzleşmişti ki doğrulmak için kendisini “yukarı itmek” zorunda kalıyordu. Dört yıl önce bacaklarında ağrılı kontraktürler gelişti ve 2 yıl önce bu kontraktürleri kontrol altına almak için atele ihtiyacı oldu. Bir yıl önce, ilerleyen güçsüzlüğünü kontrol altına almak için oral prednizon tedavisi (40 mg/gün) başlandı. Daha önce hiç akciğer sorunu yaşamamıştı. Laboratuvar incelemeleri; %85’lik PNL dominansının olduğu sola kaymanın gerçekleştiği 19.000 beyaz hücre varlığını gösterdi. Beyaz hücrelerin çoğunda Dohle cisimleri mevcuttu. Eritrosit ve trombosit sayımı normaldi. Serum kreatinin kinaz değeri ise – ağır, inatçı kas nekrozu ile uygun olarak- 3400 idi. GHYDP×DUNDVD\IDGD


88

7,%%ú+h&5(%ú<2/2-ú6ú

Duchenne Musküler Distrofisinin Hücre Biyolojisi, Tanısı ve Tedavisi Robbie’nin hastalığı DMD’dir. Bu, genç erkeklerde proksimal ekstremite kaslarında ilerleyici güçsüzlük ile seyreden X’e bağlı resesif bir bozukluktur. Sarkolemmal protein distrofindeki genetik bir anomaliye bağlıdır. Distrofin; normalde ekstraselüler matriksteki laminini sitoplazma membran iskeletindeki F-aktine bağlayan geniş, uzamış spektrin benzeri bir proteindir. Kas membran yapısı ve fonksiyonunun korunması için elzemdir. Duchenne distrofisindeki anormal distrofin bu önemli transmembran bağlantıyı tamamen yapmaz, bu yüzden membran stabilitesi bozulur ve belirgin kas kreatin kinaz artışı ile nihai kas lif nekrozu tabloya hakim olur. Nörolojik yapılardaki membranların benzer instabilitesinin hastalardaki mental zorluklarla ilişkili olduğu söylenebilir. Robbie aynı zamanda akut bakteriyel lober pnömoni geçirmektedir. Bu Duchenne hastalarında, skolyoz (spinal kord etrafındaki kasların dengesizliği nedeniyle olur) ve güçsüz interkostal kasların solunum fonksiyonu üzerindeki etkisi nedeniyle sık görülür. Kas güçsüzlüğünü geciktirmek için verilen steroidin bakteriyel enfeksiyona yatkınlığını arttırmış olmasıda muhtemeldir. Robbie’nin prognozu kötüdür. İlerleyici güçsüzlük, kötüleşen kontraktürler ve rekürran pnömoniler geçireceği olasıdır. Muhtemelen 20’li yaşlarda pnömoni ataklarından birine yenilecektir. olan protein) spektrin I ve II ile dizileri oldukça benzerdir. 190 k-Da’lık bir dimer olan α- Aktinin iki eş antiparalel alt üniteden oluşur. Distrofin; iki antiparalel 400-kDa alt ünitesi olan 800-kDa’lık bir homodimerdir. Hem α- aktinin hemde distrofin spektrin tekrarlarda %10-20 benzerlik olan spektrin üçlü helikal tekrar üniteleri içerirler. Her iki proteinde NH2 uçlarında helikal olmayan bir bölge içerir; bu bölge beta spektrinin aktin bağlayan domaini ile %6080 benzerlik gösterir. Bu bulgu, distrofinin fonksiyonunu ve DMD’nin nedenini anlamada çok önemliydi. Spektrinin aktin bağlayıcı domaini ile dizi benzerliği nedeniyle distrofin ortaya atıldı ve aktin filamentleri iskelet kasındaki plazma membranına yapıştırdığı gösterildi. Spektrinler I ve II, α- aktinin ve distrofindeki ortak yapı ortak bir ata genden geldikleri yönünde yorumlandı ve spektrin süpergen ailesi adı altında toplandılar.

nin fosforilasyonu olduğu kadar kırmızı hücre membran iskeletindeki spektrinin ubikuitasyonu ilede düzenlendiğinden bahsetmiştik. Sitoiskelet içeren hücrelerdeki aktin dinamiklerinin düzenlenmesi çok daha komplekstir. Bölüm 8’de tartışıldığı gibi fosfatidil inositol ve türevleri hücre sinyal ileti kaskatları ile ilişkilidir. Bir kaç aktive kinaz fosfatidil inositolü PIP2’ye çevirir. PIP2; aktin mikrofilament polimerizasyonu, depolimerizasyonu, aktin bağlayıcı proteinlerin yapışması ve gelsolin ile yarıklanma için anahtar düzenleyicidir. PIP2 plazma membranının sitoplazmik yüzeyinde profilin ile birleşir ve aktin ile birleşimini engeller. PIP2’nin sinyal aktive fosfalipaz C ile hidrolizi membrandan profilin salgılar ve G-aktin bağlamasına olanak sağlar. Bu ADP-ATP değişimini hızlandırır ve G-aktin, F-aktine polimerize olur (Figür 3-33). Aktin filamentlerini kesen gelsolin ve kofilin PIP2 ile inhibe olurlar. PIP2 bu proteinlerden salındığında veya hidrolize olduğunda filamentler kesilir ve artı uçların sayısı artar böylece aktin polimerizasyonu stimüle olur. WASP (Wiskott-Aldridge sendrom proteini; WASP düşük trombosit ve lökosit sayısı ile karakterize kalıtımsal bir immün sistem bozukluğudur) ve Scar (veya WAVE) Arp 2/3’e bağlanır, aktive eder ve aktin polimerizasyonunu hızlandırır. WASP ve Scar aynı zamanda PIP2 ve Rho aile proteinlerine bağlanır. Rho protein ailesi; monomerik G proteinleri olan Cdc42, Rac ve Rho’yu içerir. Bu GTPazlar aktif GTP bağlı form ve inaktif GDP bağlı form arasında gidip gelir. Cdc42’nin aktivasyonu Scar’ın aktive olmasına ve ARP 2/3 kompleksine bağlanmasına, hızlı aktin polimerizasyonu ve demetlenmeye neden olur. Bu da filopodia veya mikroçıkıntıların oluşmasına neden olur. Rac aktivasyonu WASP ve PI (4)P 5-kinazın aktivasyonuna neden olur ve lamellipod ve membran tırtıklarının oluşmasına neden olur. Kinaz; F-aktinin artı uçlarının şapkasını çıkaracak bir PIP2

PIP2 YARIKLANMASI İLE PROFİLİN SALINIMI Plazma membranı

Profilin Aktin profilin kompleksi Sitozol

AKTİN DİNAMİKLERİNİN DÜZENLENMESİ Spektrin ve aktin arasındaki temasın protein 4.1 ve adusi-

Figür 3-33. PIP2 ile profilin-aktin etkileşmesinin düzenlenmesi.




+h&5(ú6.(/(7ú

formu oluşturur, bu da polimerizasyona yol açar. Rho’nun aktivasyonu aktin filamentlerinin demet haline gelmesini sağlar, miyozin II kalın filamentleri ile stres lifleri oluşturarak fokal temaslarla etkileşir. Rho, ROCK’ı (Rho kinaz) aktive eder ve miyozin II hafif zincirlerin fosforillenmesini sağlar. Bu fosforilasyon miyozin başlarının aktin filamentleri ile birleşimini stimüle eder ve kasılma ile sonlanır. Bu yüzden, GTPazların Rho ailesi aktinin durumunu kontrol eder ve aktine bağlı hücre motilitesinde kritiktir. Rac, Rho ve Cdc42’nin bir fibroblast üzerindeki etkisi Figür 3-34’de gösterilmiştir.

İNTERMEDİYAN FİLAMENTLER İntermediyan filamentler (IF) 10 nm çapında olup; kalınlık açısından mikrofilamentler ve miyozin kalın filamentler arasında veya mikrofilamentler ve mikrotubüller arasında ortadadır. Bu ip benzeri filamentin fonksiyonlarını belirlemek için bir çok çalışmaya gerek olsada, rollerinin primer olarak yapısal olduğu düşünülmektedir. Majör fonksiyonları, hücrelere uygulanan mekanik streslere karşı direnç göstermektir. Kas hücreleri içindeki IF’ler komşu miyofibrillerin Z disklerini birbirine bağlar. Aksondaki nörofilamentler, bu uzun ve ince yapıların kırılmasına karşı yapısal bir destek sağlar ve gelişimde aksonun çapı arttıkça sayıca çoğalırlar. Epitelyal hücrelerin IF’leri dezmozomları birleştirerek epitelyal tabakaları sabitler.

Heterojen bir Protein Grubu Çeşitli Hücrelerde İntermediyan Filamentler Oluşturur IF’leri oluşturan protein monomerler, mikrofilament ve mikrotubülleri (ilerleyen sayfalarda anlatılacak) oluşturan

89

komponentlerden bir kaç önemli noktada ayrılırlar. Çeşitli insan ve hayvan hücrelerindeki IF’ler heterojen bir grup proteinden oluşur ama mikrofilamentler her zaman aktinler ve mkirotubüller ise her zaman tubulinlerden oluşur. IF alt üniteleri fibröz proteinlerdir, ancak hem G-aktin hem tubulin globülerdir. Neredeyse tüm IF alt üniteleri çeşitli hücrelerdeki stabil IF’lerle birleşir. Aynı hücreler oldukça çok miktarda polimerize olmamış G-aktin ve tubulin havuzu içerir. IF polimerizasyonu için ATP veya GTP hidrolizi formunda bir enerji gerekli değildir. IF’lerde polarite yoktur; mikrofilament ve mikrotubüllerde ise artı ve eksi uçlar bulunur. IF’ler heterojen bir alt ünite grubuna sahiptir (Tablo 3-2). Epitelyal hücrelerde bulunan keratin filamentleri, her zaman eşit miktarda asidik (tip I) ve nötral bazik (tip II) sitokeratin alt üniteleri içerir. İnsanlarda, epidermisin bazal hücre tabakasında eksprese olan keratin genlerindeki mutasyonlardan kaynaklanan epidermolizis bulloza simpleks adı verilen bir genetik hastalık mevcuttur. Bu durum hücrelerdeki normal keratin filament ağını bozar ve bu mutasyonu taşıyan bireyler mekanik hasara karşı oldukça duyarlıdır. Hafif bir sıkma bile hücre tabakasının bozulmasına ve bül oluşumuna neden olabilir. Vimentin, dezmin, glial fibriller asidik protein (GFAP) ve nörofilament hafif zincir (NFL) homopolimerik IF’ler oluşturma yeteneğine sahiptir; ama bir hücrede hep beraber bulunduklarında (kas hücresi, glial hücre) kopolimerizasyon oluşabilir. Ancak, sitokeratinlerin vimentin ile koeksprese olduğu bir epitel hücresinde kopolimerize olmak yerine birbirinden ayrı IF’ler oluşturabilirler. Akson ve dendritlerde; NFL, nörofilament hafif zincir; NFM, nörofilament orta zincir; NFH, nörofilament ağır zincirler kopolimerize olarak nörofilamentleri oluşturabilirler. IF proteinlerinin hücre tipi özgünlüğü patologlar açısından yararlı olmuştur. Metastatik kanser hücrelerinin kaynaklandığı TABLO 3-2. İnsan Hücrelerindeki İntermediyan Filamentler İntermediyan Filament Keratin filamentleri

Pasif hücre

Rac aktivasyonu

Nörofilamentler

Vimentin içeren filamentler

Rac aktivasyonu

Cdc 42 aktivasyonu

Figür 3-34. Rho ailesi aktivasyonunun fibroblastlardaki aktin organizasyonuna etkisi.

Nükleer lamina

Altüniteler (Mr) Tip I asidik keratinler Tip II nötral / temel keratinler (40-65 kDa) NFL (70 kDa) NFM (140 kDa) NFH (210 kDa) Vimentin (55 kDa) Vimentin + glial fibriller asidik protein (50 kDa) Vimentin + dezmin (51 kDa) Laminler A, B ve C (65-75 kDA)

Hücre Tipi Epitelyal hücreler

Nöronlar

Fibroblastlar Glial hücreler Kas hücreleri

Tüm çekirdekli hücreler

NFL, nörofilament hafif zincir; NFM, nörofilament orta zincir; NFH, nörofilament ağır zincir.


90

7,%%ú+h&5(%ú<2/2-ú6ú

dokuyu belirlemek için floresan IF tipi özgün monoklonal antikorlar kullanılmaktadır.Nükleer lamina; IF ilişkili proteinler olan lamin A, lamin B ve lamin C’den oluşmaktadır. Bu proteinler ve iç çekirdek zarfında oluşturdukları kare örgü 5. bölümde anlatılacaktır (Çekirdek ile ilgili bölüme bakınız).

Bu Kadar Heterojen bir Protein Grubunun Tümü Nasıl İntermediyan Filament Oluşturuyor? 40-210 kDA arası Mr’ye sahip IF sınıfı proteinlerin tümünün IF oluşturma yeteneğine sahip olması kayda değerdir. Bu morfolojinin moleküler temeli Figür 3-35’de gösterilmiştir. Tüm IF proteinleri boyut olarak değişken alt üniteye özgün NH2 ucu, yaklaşık 310 aminoasitlik homolog sant-

ral alfa helikal bölge (3 helikal olmayan gapli), ve değişken boyutlarda alt üniteye özgün COOH ucu taşır. Sadece 310 amino asit, alfa helikal bölge homologu 10 nm IF korunun bir parçasıdır. Çeşitli bölgeler kordan uzantı gösterir ve IF’leri diğer hücre iskeleti yapılarına bağlamadan sorumludur. IF’lerin oluşmasında ilk basamak iki monomerin 310 aminoasitlik alfa helikal bölgesinin birbiri etrafına dolanarak paralel bir halka oluşturmasıdır. Daha sonra, iki dimer yan yana bağlanarak antiparalel bir şekilde tetramer oluşturur. Tetramerler antiparalel bir konformasyona sahip olduğundan, IF’lerin polaritesi bulunmaz. IF tetramerler birbirine lateral olarak, IF’nin duvarını oluşturacak 8 tetramer olana kadar, tutunurlar. Sekiz tetramer IF’nin ip benzeri yapısını oluşturacak şekilde birbirine dolanır. Mikrofilamentler, diğer hücre iskeleti yapıları ile ilişkilerini olası kılacak aktin bağlayıcı proteinler içerir ve mikrotubül ilişkili proteinler (MAP’ler) mikrotubüller için benzer bir işleve sahiptir. IF’ler için özgün çapraz-bağlayıcı proteinlerde

Helezonlaşmış dimer Tüm intermediyan filamentlerle paylaşılan α-Helikal bölgeler

Protofilament = iki helezonlaşmış dimer tetrameri

Aksiyal tekrar

10 nm

Figür 3-35. İntermediyan filamentlerin (IF) birleşimi. A: IF monomerleri. B: İki monomer paralel halkalı dimer oluşturur. C: İki dimer yan yana etkileşimle antiparalel bir tetramer oluşturur. D: Tetramer oluşturan iki dimer engellenir; bu da daha karmaşık yapıların oluşmasına imkan sağlar. E: Tetramerler, helikal düzende sekiz tetramer (protofilamentler) genişliğinde birleşmeye devam eder. F: İntermediyan filamentler uzar ve ip benzeri bir yapıya sahip olurlar (Alberts B, Bray D, Lewis J ve ark.dan modifiye. Molecular Biology of The Cell, 3rd ed. New York: Garland Publishing, 1994.)


 vardır. Örneğin, filagrin keratin filamentlerini demet haline sokar; plektin vimentin içeren IF’leri demet haline sokar ve birbirlerine ve mikrotubül ile mikrofilamentlere yapışıp demetler oluşturan nörofilamentlerde örnekler arasında sayılabilir. NF ağır ve orta alt ünitelerin değişken COOH terminal bölgeleri nörofilamentleri demet haline getirir ve akson ve dendritlere yapısal olarak stabil bir kor kazandırır. Bu IF bağlantılarının önemi plektin mutasyonu olan insanlarda gösterilmiştir. Böyle bir mutasyonun sonucu epidermolizis bulloza simpleks, musküler distrofi ve nörodejenerasyon fenotiplerini kombine eden bir hastalıktır. Anafaz hücrelerinde, IF’ler çekirdek çevresinde sıkı bir bağ oluşturur ve dalgaya benzer bir tarzda plazma membranına doğru yayılmaya başlarlar. Eğer bir anafaz hücresinin mikrotubülleri kolşisin (ColBenemid) veya demekolşisin (Colcemid) ile depolimerize edilmişse IF’ler çekirdek çevresinde çöker; belli ki IF’ler mikrotubüllerle oldukça entegredir. Spektrin II’ye yönelik antikorlar fibroblastlara mikroenjekte edildiğinde, IF ağı gene çekirdek etrafında çökmüştür- mikrotubül veya mikrofilament stres liflerine belirgin bir etki olmadığı halde. Buda spektrin II’nin IF’ler diğer sitoiskelet yapılarına bağlamada bir rol oynadığı anlamına gelir. Gerçektende, immünoelektron mikroskopisi epitelyal hücre terminal ağında ve memeli nöronlarının akson ve dendritlerinde spektrin II için bu tarz bir rol ortaya koymuştur. Önceden bahsedilen çalışmaların çoğu IF’lerin nükleer zarfla ilişkisini ortaya koymaktadır. Ek olarak, IF’ler plazma membranına ankrin ve spektrin II ile etkileşimler sonucu tutunur.

+h&5(ú6.(/(7ú

91

gösterir. Mikrotubüller biraraya gelirken büyüyen mükrotubüle eklenen tubülin molekülleri 13 protofilamenti oluşturur. Bağımsız protofilamentler alfa ve beta alt ünitelerinin protofilament boyunca karşılıklı olduğu bir tarzda organize olmuştur buda mikrotubüle kalıcı bir polarite sağlar. Her protofilament için tubülin dimer alfa alt üniteleri eksi yavaş büyüyen uca bakar. Beta alt üniteler ise pozitif uca doğru bakar (Figür 3-36). Tubülin bilinen en iyi korunmuş proteinlerden biridir. Bunun önemi günümüzde belli değildir, ama bunun tubülin molekülü içindeki bir çok gerekli fonksiyonel alt domainlerden kaynaklandığı düşünülmekledir. Mikrotubül toplanması sırasında alt ünite etkileşimleri için gerekli bölgeler dışında tubülin GTP bağlama, MAP’lerle etkileşim için ve bir kaç farklı ilaca bağlanma için bölgeler içerir. Tubülin ile bağlanan kolşisin, vinblastin sülfat (Velban), nokodazol ve paclitaksel (Taksol) gibi farmakolojik ajanlar mikrotubüllerin normal dinamik davranışını engeller. Düzgün mikrotubül fonksiyonu mekik oluşumu ve hücre bölünmesi için gerekli olduğundan mikrotubül inhibitörleri sıklıkla kanser kemoterapisinde kullanılırlar.

Mikrotubüller Hızlı Birleşme ve Ayrışım Geçirirler Sitoplazmik mikrotubüller hızlı birleşme ve ayrışım geçirme kapasitesine sahip labil yapılardır. Bu özellik bir çok mikrotubül fonksiyonu için önemlidir. Örneğin, sitoplazmik mikrotubüller hücre mitoza girerken hızla yıkılmalıdır. Benzer bir şekilde ayrışmış mikrotubüller mitotik iği

MİKROTUBÜLLER Mikrotubüller Tubülinden Oluşan Polimerlerdir Mikrotubüller üçüncü tip sitoiskelet yapılarıdır ve siliyer ve flagellar motilite, mitotik ve mayoz kromozomal hareketler, intraselüler vezikül transportu, sekresyon ve bir kaç diğer hücresel proçes gibi farklı hücresel fenomende adları geçmektedir. Baş yapıtaşları tubülin proteini, benzer olmayan alfa ve beta alt ünitelerden oluşan bir heterodimer, olup her alt ünitesi yaklaşık 50 kDa’lık bir Mr’ye sahiptir. Ek olarak, mikrotubüllerle bir kaç farklı protein ilişki gösterir ve mikrotubüle dayanan motilitenin bir çok karakteristiğinden sorumlu olan bu aksesuvar proteinlerdir. MAP’ler bu bölümde daha sonra anlatılacaktır. Elektron mikroskobunda, mikrotubüller dış çapları 24 nm olan boş silindirler olarak görülmektedir. Enine kesitte görüntülendiğinde, her mikrotubülün duvarı 13 tubülin dimerinden oluşmuştur. Bunlar 13 tubülin alt ünitesinden oluşan 13 protofilamenti

Tubülin molekülü

Figür 3-36. Sitoplazmik mikrotubüllerin morfolojisi. Mikrotubüllerin enine ve boyuna kesitinin görünümü.


92

7,%%ú+h&5(%ú<2/2-ú6ú

oluşturmak için yeniden oluşturulmalıdır. İğ mikrotubüllerinin hücre tarafından mitoz sırasında yıkılma becerisi kromozomal ayrım için gereklidir. Eğer bölünen hücreler Taxol (mikrotubül ayrışımını bloke eden bir ilaç), varlığında kültüre edilirse, kromozomal ayrışım bloke olur. Mikrotubül sitoiskeletinin hızla yeniden organize olma yeteneği hücre göçü ve hücresel polaritenin oluşması gibi diğer bir çok hücresel olay için önemli olabilir. Aktin filamentlerine benzer olarak, gelişen mikrotubüllerde kalıcı bir yapısal polarite vardır. Bu polarite mikrotubül polimerindeki tubülin alt ünitelerinin oryantasyonu nedeniyle oluşur. Gelişmekte olan mikrotubüller in vitro olarak analize edildiğinde alt ünitelerin uzayan polimerin bir ucuna (artı uç) diğer uçtan (eksi uç) daha hızlı eklendiği görülür (Figür 3-37). Hücre içinde, mikrotubüllerin eksi ucu şapkalıdır- sentrozom kompleksi ile olan ilişkisine bağlı olarak. Bu yüzden, sadece artı uçta gerçekleşen olaylar tartışılacaktır. Mikrotubül dinamiği ile ilgili güncel fikirler mikrotubül toplanması sırasında tubülin alt ünitelerinin GTP bağlaması üzerine ve bağlı GTP’nin GDP’ye hidrolizine odaklanmıştır (Figür 3-37). Tubülin dimerinin uzayan bir mikrotubül polimerine eklenmesi için tubülin alfa ve beta alt ünitelerinin GTP

bağlaması gereklidir. GTP-tubülin daha sonra mikrotubülün büyüyen ucuna eklenebilir ve bir süre sonra beta alt ünitesi ile ilişkili bağlı GTP GDP’ye hidrolize olur. Sonuç olarak, mikrotubülün ucunda ya küçük bir GTP veya GDP tubülin şapkası vardır ve kalan mikrotubül polimeri GDPtubülinden oluşur. Mikrotubül hızla büyümeye devam ettikçe tubülin alt üniteleri nükleotidlerin hidrolize edilmelerinden daha hızlı bir şekilde tubüle eklenecektir ve GTP şapkası intakt olarak kalacaktır. Bu, tubülin alt ünitelerinin GTP- şapkalı mikrotubüllere GDP tubüllerinden çok daha etkin biçimde eklenmesi nedeniyle önemlidir. Eğer mikrotubül oluşum hızı azalırsa, GTP hidrolizi yetişebilir ve GTP şapkası kaybolabilir ve mikrotubül polimer boyunca GDP-tubülin görülebilir. GDP-şapkalı mikrotubüller stabil değildir ve mikrotubüllerin ucundan GDP-tubülin alt ünitelerini kaybetmeye meyillidir ve buda mikrotubül kısalması ile sonlanır. Ayrıca, bu kayıp hızlıdır ve bir felaket olarak adlandırılır. GTP-tubülinin hidrolizi GTP-tubülin eklenmesine göre yavaşlarsa mikrotubül büyümesi devam edebilir ve bu duruma “kurtarma” denir. Bu oluşum ve mikrotubüllerin feci şekilde yıkımına dinamik instabilite denir. Dinamik instabilite, bir hücrenin nasıl mikrotubül sitoiskeletini hızlıca reorganize ettiğinin parsiyel bir açıklamasıdır.

Sentrozom, Mikrotubüllerin Eksi Uçlarına Şapka Takarak Mikrotubül Organize edici Merkez Olarak Rol Alır

Figür 3-37. Mikrotubüllerin dinamik instabilitesi. Dinamik instabiliteyi gösteren şema. Mikrotubüllerin GDP-tubülin bölgeleri sarı, GTP-tubülin mikrotubül şapkaları ise mor olarak gösterilmektedir. Sentrozomdan oluşan mikrotubüller GTP şapkası içerirken, ayrışmakta olanlar sadece GDP-tubülin içerir.

Çekirdek içeren ve sitoplazmada dağınık şekilde bulunan diğer sitoiskelet filamentlerinin aksine sitoplazmik mikrotubüllerin tümü sentrozom kompleksi ile çekirdeklidir. Eğer kültüre hücreler fikse ise ve antitubülin immünfloresan mikroskopisi için işlenmişse sitoplazmaya dağılan ve çekirdek yanından başlayan yıldız benzeri mikrotubül dizisi görülür (Figür 3-38). Astral mikrotubül dizisinin fokal noktasında sentrozom vardır. Yapısal olarak, sentrozom bir sentriyol çifti ve sentriyolleri çevreleyen perisentriyolar materyal denilen amorfoz materyal osmiofilik bulutundan oluşur (Figür 3-39). Sentriyol çiftinin bağımsız sentriyolleri birbirine dik açıdadır ve her bir sentriyol dokuz kısa mikrotubül üçlemesinden oluşur (0.4-0.5 μm uzunlukta). Deneysel analizler, sentrozom kompleksinin mikrotubül oluşturma kapasitesinin sentriyol çiftinde değil perisentriyoler materyalde olduğunu ortaya koymuştur. Mikrotubül oluşturan sentrozom komponenti perisentriyoler materyalde bulunan bir gama tubülin halka kompleksidir. Gama tubülin halka kompleksi gama tubülin artı bir kaç aksesuvar proteinden oluşur. Gama tubülin perisent-




+h&5(ú6.(/(7ú

93

Figür 3-38. Sentrozom, hücresel mikrotubülleri arttırır. Kültüre edilmiş memeli hücrelerinin antitubülin immünofloresan boyaması sentrozomun memeli hücrelerindeki mikrotubül-organize edici merkez olduğunu göstermekte. A: Memeli hücreleri tüm mikrotubüllerin dağılacağı tarzda deneysel olarak muameleye tabii tutulmuştur. Sadece mikrotubül içeren sentrozomlar görülebilinmekteydi. B: Deneysel tedavi durdurulduğunda sentrozomdan yıldız benzeri bir mikrotubül düzeni oluşmaya başladı. C: Zamanla, mikrotubüller sitoplazmayı dolduracak şekilde uzadılar. (R. Balczon’un izniyle) Figür 3-39. Sentrozom kompleksinin morfolojisi. A: Sentrozom kompleksinin elektron mikrografi. Sentriyol çifti birbirine dik açıyla durmaktadır. Sentriyoller dokuz kısa-üçlü mikrotubüllerden oluşmuş ve zayıf boyanan perisentriyolar materyal ile çevrilmiştir. B: γ- Tubülin halka kompleksi sentrozomdan mikrotubül polimerizasyonunu arttırır. (A: R. Balczon’un izniyle)

Çoğaltıcı bölgeler (γ-tubülin kompleksleri)


94

7,%%ú+h&5(%ú<2/2-ú6ú

riyoler materyalde lokalize tubülin süperaile proteinlerinin özelleşmiş bir üyesidir. Gama tubülinin sentrozom içinde nükleasyon kompleksi oluşturduğu ve mikrotubül oluşturduğu gösterilmiştir. Ayrıca, mikrotubüllerin eksi uçlarına bağlanarak sentrozomdaki gama tubülin bu mikrotubül uçları kapatır. Bu tüm birleşim ve ayrışım fenomeninin artı uçlarda olması gerektiğini gösterir. Ek olarak, mikrotubüllerin eksi uçlarının kaplanması mikrotubül oluşumunun nasıl bir hücre içinde oluşabileceğini açıklar. Aktin mikrofilamentleri gibi, in vitro ortamdaki serbest mikrotubüller birleşir veya artı uca sahiptir veya ayrışabilir veya eksi uca sahiptir. Mikrotubüller in vitro olarak sadece uca eklenen tubülin alt ünitelerinin ayrışma ucundan ayrışanlardan daha hızlı eklenmesine yetecek kadar yüksek tubülin konsantrasyonları mevcutsa birleşir. Göründüğü gibi hücre içindeki tubülin konsantrasyonu spontan birleşme için gerekli kritik seviyenin altındadır. Bu yüzden, sitoplazmada serbest olan mikrotubülün eksi ucundan tubülin kaybının hızı artı uca tubülin alt ünitelerinin eklenme hızını geçecektir. Son uç olarak, mikrotubüller sitoplazmada serbest olarak oluşamaz ve sentrozomdan kaynaklanmalıdır. Mikrotubülün eksi ucunu kapatarak sentrozomun varlığı hücrenin sitoplazmik tubülin konsantrasyonlarını spontan mikrotubül birleşmesine olanak sağlayacak seviyenin altında tutmasına olanak sağlar. Tubülin seviyeleri çok düşük olduğundan, fizyolojik şartlar altında hücrede oluşabilecek tek mikrotubüller sentrozomla ilişkileri nedeniyle eksi uçlarından kapatılmış olanlardır.

Sitoplazmik Mikrotubüllerin Davranışı Kontrol Edilebilir Dinamik instabiliteyi değerlendirirken ortaya çıkan resim mikrotubüllerin hızlı devirdaimi nedeniyle devamlı değişim içinde olan bir sitoplazmadır. Herhangi bir anda, bir çok mikrotubül hızla büyürken diğerleri hızlıca ayrışır. Bir dereceye kadar doğru olsada, gerçekte sitoplazmik mikrotubüllerin ortalama yaşam ömrü yaklaşık 10 dakikadır. Mikrotubüller beklenenden çok daha uzun süreler boyunca varolabilir çünkü sitoplazmik mikrotubülleri stabilize etmek için hücrenin bir kaç mekanizması vardır. Hücelerin mikrotubülleri stabilize etmek için kullanabileceği bir adaptasyon artı ucu kapatmaktır. Sitoplazmik mikrotubüller sentrozomla eksi uçlarından kapandığı için ayrışma için serbest bir uçları vardır. Bu mekanizma mitotik iğ birleşmesi sırasında hücreler tarafından kullanılır. Hücre mitoza girerken bir çok mikrotubül sentromerlerde oluşmaya başlar. Bu mikrotubüllerin çoğu dinamik instabilite yüzünden hızlıca ayrışır. Ancak, gelişmekte

olan mikrotubüllerden bazıları mitotik kromozomların kinetokor bölgeleriyle temas eder ve artı uçları kinetokor proteinleri ile kaplanır. Bu mikrotubüle şapka takma olayı mikrotubülleri seçici olarak stabilize eder ve iğ morfogenezinde önemli bir olaydır. Diğer moleküler ve biyokimyasal modifikasyonlar sitoplazmik mikrotubüllerin artmış stabilitesinde rol oynar. Mikrotubül davranışındaki bu değişiklikler ya tubülinin posttranslasyonel modifikasyonları ile ya da mikrotubüllerin bir kaç MAP’lerden biriyle etkileşmesi ile oluşur. Hücresel mikrotubüllerdeki tubülinin ana posttranslasyonel modifikasyonu alfa tubülin alt ünitesinin COOH terminal tirozininin hücrelerde bulunan detirozinleştiren enzim ile uzaklaştırılmasıdır. Bu detirozinasyon tubülin mikrotubüle birleştirildikten sonra oluşur ve sitoplazmik mikrotubüllerin stabilizasyonu ve matürasyonu ile sonlanır. Ancak, detirozinasyon mikrotubül kinetiği üzerine direkt bir etkide bulunmayabilir; tirozine veya detirozine tubülin kullanarak in vitro oluşan mikrotubüller stabilitelerinde farklılık göstermez. Bu yüzden, detirozinasyonun mikrotubüllere ikinci bir protein bağlanmasını indükleyen bir sinyal olarak rol alabileceği düşünülmektedir. Bu detirozinize sitoplazmik mikrotubüllerde gözlemlenebilecek artmış bir stabilite ile sonlanır. Detirozinize mikrotubül ayrıştığında, hücresel sitoplazmik enzim alfa tubülin polipeptidin COOH ucuna tirozin eklemeden sorumludur. Tubülinin MAP’lerle etkileşimide mikrotubül davranışında büyük modifikasyonlara neden olur. Bir protein hücresel homojenatlardan izolasyonları sırasında mikrotubüllere bağlanma ve beraber pürifiye olup olmadığına göre MAP olarak adlandırılır. MAP tipleri hücrelere göre değişiklik gösterir. Ancak, MAP’lerin fonksiyonları ile ilgili hatırı sayılır bilgi nöral dokudan izole edilenlerde yapılan deneylerle sağlanmıştır. Nöronlarda iki majör MAP sınıfı belirlenmiştir: 200-300 kDA’lık küçük bir protein ailesi olan yüksek M’ler ve 40-60 kDa’lık bir polipeptid ailesi olan tau proteinler. Deneysel analizler bu proteinlerin tubülin monomerlerine bağlanarak mikrotubül oluşmasında yardımcı görev aldığını göstermiştir. Ek olarak, sinir aksonlarında ve diğer seçilmiş hücre bölgelerinde görülen mikrotubüler konfigürasyonlar için karakteristik olan sıkı mikrotubül demetlenmesiyle ilişkili oldukları düşünülmektedir (Figür 3-40). Diğer MAP tipleri mikrotubül uzunluğu ve polimerizasyon hızını düzenleyebilir. Hücrelerde serbest tubülin dimer havuzu görülebilir. Bunun bir nedeni tubülin dimerlerine bağlanarak mikrotubüllere eklenmesini engelleyen statmin proteinidir. Statmin tubülin etkileşimi statminin fosforilasyonu ile ayrışır. Katanin mikrotubül kesen bir proteindir ve mikrotubül organize edici merkezden mik-




+h&5(ú6.(/(7ú

Mikrotubüller

95

Mikrotubüller

Figür 3-40. Yüksek moleküler ağırlıklı mikrotubül ile ilişkili proteinler (MİP) ve tau demet mikrotubülleri. MİP2’nin tau’dan daha uzun bir çapraz-bağ domaini olduğu için daha sıkı mikrotubül demetleri oluşturur.

rotubülleri uzaklaştırır. Kataninin kesme aktivitesi ATP’ye bağlıdır ve salınan mikrotubüllerin hızlı depolimerizasyonu ile sonlanır.

Mikrotubüller Hücre içi Vezikül ve Organel Transportunda Rol Oynar Mikrotubüllerin önemli fonksiyonlarından biri organel ve veziküllerin hücre içi transportudur. Mikrotubül hücre iskeletinin bu fonksiyonunu yerine getirmesi için mikrotubüllerin motil hareketi oluşturacak bir güç üretmesi gereklidir. Deneysel analizler, güç üretiminde rol alan ATPazların belirlenmesi ve saflaştırılmasına olanak sağlamıştır. Sitoplazmik transportta önemli mikrotubüle bağlı iki ATPaz ailesi bildirilmiştir. Bu ailelerden biri kinezin ve kinezin-ilişkili proteinlerdir (KİP). Mürekkep balığı aksonundan izole edilen orijinal kinezin, vezikülleri mikrotubüller boyunca eksi, veya sentrozom, uçtan distal artı uca doğru taşımada görevli büyük ve birden çok alt ünitesi olan bir proteindir. Bu, sitoplazmanın derinliklerinde Golgi aparatı tarafından üretilen veziküllerin sekresyonun gerçekleştiği hücre korteksine transportunu sağlar. Nöronlarda da, kargonun gövdeden aksonların presinaptik terminaline transportunu sağlar. Tek ortak noktalarının korunmuş motor domaini olduğu bir çok kinezin ve KİP ailesinin olduğunu artık bilmekteyiz. Orijinal kinezinde motor domainin N terminaline yakın olduğu iki ağır zincir ve iki hafif zincir bulunmaktadır. Yapısı miyozin II’ye oldukça benzerdir. N terminalinde veya N terminaline yakın olan motor domainleri olan kinezin ve KİP ailesinin diğer üyeleri vezikülleri mikrotubüllerin artı uçlarına doğru taşır (bir örnek KIF 1B). Motor domainleri C terminaline yakın olan kinezin ve KİP ailesi üyeleri ise kargoyu mikrotubüllerin eksi ucuna doğru taşır (örnek KIF C2). KIF2; motor domainleri ağır zincirin

merkezine doğru olan ve mikrotubüller boyunca taşıma yapamayan olağandışı bir kinezin ailesinin üyesidir. Katastrofin adı verilen bu aile mikrotubüllerin uçlarına bağlanır ve dinamik instabiliteye neden olur. KIF1B, kargoyu mikrotubüllerin artı ucuna doğru taşıyan monomerik kinezin ailesinin bir üyesidir (Figür 3-41). Hücresel motilite olaylarında rol alan diğer enzim ailesi siliyer enzim dynein’in sitoplazmik formudur. Sitoplazmik dynein, yapıları mikrotubüller boyunca artı uçtan eksi uca doğru taşıyan yüksek Mr’li bir çok alt üniteye sahip protein kompleksidir (Figür 3-42). Mikrotubüller çoğu hücre içi harekette göreceli olarak pasif bir rol oynar; aktif roller ise mikrotubüle bağlı ATPazlar tarafından gerçekleştirilir. Bu olayları görselleştirmek için iyi bir analoji bir demiryolunu düşünmektir: mikrotubüller raylar iken veziküler kargoyu taşımadan sorumlu lokomotor kuvvetleri üretenler kinezin ve dynein gibi ATPazlar olacaktır. Kargo kinezin veya dynein’e nasıl bağlanır? Membran ile ilişkili motor reseptörler (MİMR) kinezin ailesi üyelerinin kuyrukları ile etkileşir. MİMR’nin bir örneği amiloid prekürsör proteindir (APP). APP’nin anormal işlenmesi Alzheimer hastalığı ile ilişkilidir. Sitoplazmik dynein, dynein kompleksi aracılığıyla membran vezikülleri ile etkileşir (Figür 3-43).

Silia ve Flagella Mikrotubüllerden Oluşan Özelleşmiş Organellerdir Silia ve flagella, değişik hücre tiplerinin yüzeylerinden dışarı doğru uzayan özelleşmiş hücresel eklerdir. Silia; ovidukttaki epitelyal hücrelerin apikal yüzeylerinde ve solunum yolunda belirgindir. Solunum yolunda, silialar solunum ve nazal pasajlardan mukusu temizlemek ile görevliyken ovidukttakiler ova’yı uterusa taşımada yardımcıdır. İnsanlardaki majör flagellalı hücre spermatozoon’dur.


96

7,%%ú+h&5(%ú<2/2-ú6ú

Vezikül

Anterograd transport

Terminal

Kinezin Dynein Mikrotubül

Miyozin

Retrograd transport

Mikrofilament

Figür 3-41. Mikrotubül yolları boyunca vezikül transportu. Veziküllerin sitoplazmik mikrotubüller boyunca mikrotubüle bağlı ATPazlar tarafından nasıl iletildiğini gösteren şema. Mikrotubüller artı ve eksi uçları olan polar yapılardır. Veziküllerin kinezin ailesinin belirli üyeleri tarafından anterograd (mikrotubulün eksi ucundan artı ucuna) yönde taşındığı düşünülmektedir. Sitoplazmik dynein ve diğer kinezin ile ilişkili proteinler ile de retrograd yönde (artı uçtan eksi uca) taşındığı düşünülmektedir.

Motor domain

Kinezin Vezikül (kargo) Membran glikoprotein

Ankirin

Spektrin

Dynectin kompleksi

Arp1 filamenti Dynein

Mikrotubül

Figür 3-43. Dynectin kompleksi kargoyu sitoplazmik dynein’e Figür 3-42. Kinezin ve kinezin ile ilişkili proteinler.

bağlar. Dynein kuyruk bölgesi aksesuvar proteinler aracılığıyla; ankrin ile kargoya bağlanmış spektrin membran iskeleti içindeki aktin protofilamentleri ile ilişkili Arp 1 filamentine bağlıdır.

Erişkin sperm hücresi için flagellum spermin yüzmesini sağlayan enerjiyi üretir. Silia ve flagella yapısal olarak benzerdir. Bu organellerin çekirdek bölümünde mikrotubüllerden ve siliar ve flagellar bükülmeyi mümkün kılan çeşitli proteinlerden oluşan kompleks bir yapı, aksonem,

vardır. Enine kesitte görüntülendiğinde aksonemal mikrotubüller belirgin bir dokuz-artı-iki dizilimine sahiptir (Figür 3-44). Dokuz-artı-iki terimi aksonemi oluşturan mikrotubüllerin oryantasyonu ile ilişkilidir. Aksonemde, iki tam sant-

500 Amino asit




+h&5(ú6.(/(7ú

97

İç dynein kolu Dış dynein kolu Neksin Plazma membranı

Radiyal tekerlek İç kılıf Tek mikrotubüllerin merkezi çifti

B Tubül A Tubül

Dış çift mikrotubül

Figür 3-44. Mikrotubül ve diğer aksonem proteinlerinin aksonemal dokuz-artı-iki düzeni. A: Aksonemdeki mikrotubüllerin dokuz-artı-iki düzenini gösteren elektron mikrografı. B: Aksonemdeki proteinlerin organizasyonunu gösteren şema. (A: Dr. W. L. Dentler’in izniyle; B: Alberts B, Bray D, Lewis J ve ark. Molecular Biology of the Cell, 2nd ed. New York: Garland Publishing, 1989’dan modifiye edilmiştir.)

Aksonemal Mikrotubüller Sabit Oluşumlardır ral mikrotubül (santral çift) dokuz çift mikrotubül halkası ile çevrilidir. Dıştaki çiftler, her bir çiftin 13 protofilamentten oluşan bir komplet mikrotubül (A tubülü) ve 11 protofilamentten oluşan bir inkomplet mikrotubül (B tubülü) içerdiği şekilde düzenlenmiştir. B tubülü ile A tubül duvarının bir bölümü ortaktır. Mikrotubüllerin dokuz-artı-iki düzenlenmesi aksonemi baştan başa; bazal cisimler denilen ve siliyum veya flagellumun tabanında yer alan özelleşmiş sentriyollerden siliyum veya flagellumun ucuna kadar; geçer. Mikrotubüllere ek olarak, aksonemlerde bir kaç önemli protein daha bulunur. Bu aksesuvar proteinler normal siliyer fonksiyon için elzemdir. Her çiftin A tubülünden komşu çiftin B tubülüne uzanan iki proteinöz kol vardır (Figür 3-43). Bu kollar aslında dynein, siliyer ve flagellar motiliteden sorumlu ATPaz proteinidir. Komşu çiftin A ve B tubülleri arasında uzayan neksin adı verilen bir proteinde mevcuttur. Bu komşu çiftleri birbirine bağlar. Son olarak, her çiftin A tubülünden radiyal bir uzantı çıkar ve santral mikrotubül çiftini saran elektrondan yoğun bir kılıf ile temas ederek mikrotubül çiftlerini santral çifte bağlar. Dynein kolları, neksin bağlantıları ve uzantı proteinleri aksonem boyunca belli aralıklarla bulunur. Bu sık görülen proteinlere ek olarak, aksonemde sayıca çok minör proteinde mevcuttur.

Çoğu hücre mikrotubülleri hızlı şekilde yıkılıp yapılabilen labil yapılardır. Ancak, aksonemal mikrotubüller yıkıma dirençli sabit yapılardır. Artmış stabiliteye katkıda bulunan aksonemal mikrotubüllerin modifikasyonlarından biri α-tubülin alt ünitelerindeki bir lizin rezidüsünün enzimatik asetilasyonudur. Hızlı devirdaim gösteren sitoplazmik mikrotubüller asetile değildir. Detirozine tubülin gibi asetile tubülinde modifiye olmamış tubüline benzer in vitro kinetik davranışlar gösterir. Bu, aksonemal α-tubülin alt ünite asetilasyonunun aksonemal tubülleri stabilize etmek için mikrotubül duvarına bağlanan diğer proteinlere bir sinyal olduğuna işaret eder.

Mikrotubül Kayması Aksonemal Motiliteye Neden Olur Aksonemler bir kaç kaynaktan kolaylıkla izole edilebilir. Bu, hücrelerden silia ve flagellaları ayırarak; aksonemleri çevreleyen rezidüel plazma membranını selektif olarak uzaklaştırıp hafif deterjanlı bir tamponda aksonemleri ekstrakte ederek; gerçekleştirilir. İzole sperm flagellar aksonemleri ATP içeren bir tamponda inkübe edildiklerinde göreceli olarak normal bir şekilde hareketlerine devam edeceklerdir. Böylece siliyer ve flagellar hareket için gerekli tüm bilginin aksonem yapısında depolandığı ortaya çıkar. Aksonemal motilitenin mekanizmasını incelemek için biyokimyasal ve genetik çalışmalar yapılmaktadır.


98

7,%%ú+h&5(%ú<2/2-ú6ú

İzole aksonemler proteolitik bir enzimle muamele edildiğinde neksin çapraz bağları ve radiyal uzantılar seçici olarak sindirilirken mikrotubüller ve dynein kolları zarar görmez. Eğer proteazla muamele edilmiş aksonemler ATP ile inkübe edilirse aksonem orijinal uzunluğunun dokuz katına kadar uzar. Mikroskobik analizler, bu durumun dıştaki dokuz mikrotubül çiftinin aktif olarak birbirinin üzerinden kayması nedeniyle oluştuğunu göstermiştir. Muamele edilmiş bu aksonemlerin çapraz bağ ve uzantılardan yoksun olması dynein kollarının aksonemal motiliteyi sağlayan ATPazlar olduğunu göstermiştir. Dahası, bu sonuç neksin ve uzantı proteininin dynein aktivitesini siliyer ve flagellar motililteye neden olan bükülmeye çevirebileceğini göstermiştir. Aslında, bu doğrudur. İzole aksonemler düşük tuzlu ortamda ekstrakte edildiğinde; dynein kolları serbestleşirken mikrotubüller, neksin bağlantıları ve uzantı proteinleri intakt halde kalırlar. Bu tarz ekstrakte edilmiş aksenomlar, ATP ilave edildiğinde fonksiyon göstermeyeceklerdir. Ancak, eğer ATP dynein kollarını ihtiva eden tuzlu ekstrata eklenirse, aktif olarak hidrolize uğrar. Bu yüzden, siliyer ve flagellar aktivite için şu mekanizma öngörülebilir (Figür 3-45). ATP varlığında dynein konformasyonel değişikliğe uğrar. Bu değişimin net etkisi komşu mikrotubül çiftinin B tubulünden dynein kolunun ayrılması ve yine aynı çifte bu sefer daha aşağıdaki bir bölgesinden bağlanmasıdır. Bu döngü, dynein koluna başka bir ATP bağlandığında tekrar eder. Ancak, dynein kollarının mikrotubülün aşağı noktalarına olan bu “yürüyüşüne” neksin çapraz bağları ve radiyal uzantılar direnç gösterir ve bu iki yapı komşu mikrotubül çiftlerinin kayma hareketini eğilme hareketine çevirir. Siliyer ve flagella hareketin oluşması için, herhangi bir anda aksonemin bir bölgesindeki dynein kolları aktif, diğer yerlerdekiler ise gevşemiş olmak zorunda olduğundan bu tarz kompleks bir yolağın çok iyi kontrol edilmesi gereklidir. Aksonemal proteinleri kodlayan genlerden birindeki mutasyon insanlarda hastalığa neden olur. Beklendiği gibi etkilenmiş erkekler spermleri hareketsiz olduğu için sterildirler. Ek olarak, bu tablolardan herhangi birine sahip hastalarda, solunum yolundaki siliyalar bronşiyal ve nazal pasajlardan mukus temizleyemediği için kronik solunum yolu hastalıkları gözlenir.

Mikrotubüller ve Motor Proteinler Mitotik İğin Fonksiyonundan Sorumludur Mitoz ve mitotik iğ hücre döngüsü ile ilişkili olarak Bölüm 9’da anlatılacaktır. Burada; mikrotubül, MİP ve motor proteinlerin mitotik iğin düzenli işlemesindeki rolleri tartışılacaktır. Mitoz başlarken sentrozomlar ve kromozomlar

A Tubül B Tubül Dynein molekülü

Figür 3-45. Dynein çapraz bağ döngüleri silia ve flagellanın bükülmesine neden olur. A: ATP’nin bağlanmasının dynein ATPaz’ında nasıl konformasyonel bir değişikliğe neden olduğunu gösteren şema. B: ATP bağlanması dynein’in mikrotubül çiftinin komşu tubülünün duvarından serbestleşip daha aşağıdaki bir bölgeden yine aynı mikrotubül çiftine tekrar bağlanmasına neden olur. C: ATP’nin ADP’ye ayrışması iki mikrotubül çiftinin birbiri üzerinde kaymasını mümkün kılan bir enerji açığa çıkarır. In vivo, mikrotubül çiftlerinin göreceli olarak kayması neksin çapraz bağları ve uzantı proteinleri tarafından bükülmeye dönüştürülür.

duplike olmuştur. Profaz sırasında; çekirdek parçalanır, kromozomlar kondanse hal alır ve daha sonra ayrışırlar. İnterfaz mikrotubülleri; artmış katastrofik mikrotubül depolimerizasyonu ve azalmış kurtarma olaylarına dayalı olarak ayrışırlar. Sonuç olarak, artı uçları yeni kondanse hale gelmiş kromozomlarla ilişkili yeni mikrotubüller oluşur. Prometafazda, iki sentrozomdan çıkan yeni oluşmuş mikrotubüller mikrotubül diziliminin merkezine doğru hareket eden kondanse kromatidlerin kinetokoruna yapışırlar. Karşılıklı iki sentrozomdan çıkan mikrotubüllerin zıt polariteleri vardır veya polarite açısından antiparaleldirler. Metafazda, kromozomlar bu antiparalel mikrotubül setinin merkezinde dizilirler. İkinci bir mikrotubül grubu iğin ortasında birbiriyle örtüşen interpolar mikrotubüller iken üçüncü grupta sentrozom veya iğ kutuplarından po-




+h&5(ú6.(/(7ú

limerize olarak kinetokor ve interpolar mikrotubüllerden uzaklaşan astral mikrotubüllerdir. Anafaz A’da kardeş kromozomlar ayrılarak iğ kutuplarına doğru hareket ederler ve anafaz B’de merkez iğ oluşumuyla birlikte iğ kutupları daha da ayrışır. Telofazda, sitokinez meydana gelir ve nükleer zarf yeniden oluşur.

Figür 3-46’da gösterildiği gibi; mikrotubül, MİP ve motor proteinlerin önceden tariflenmiş proçesteki rolleri anlaşılmaya başlanmıştır. Bu bölümde daha önce tartışıldığı gibi, mikrotubüller γ-tubülin halka kompleksinden kaynaklanır ve artı uçta GDP başlığı içerirken katastrofik büzüşme görülürken GTP başlığı varlığında büzüşmeden

Depolimerizasyon, sekuestrasyon: Kinl, Op18

Kesilen katanin

Ko-polimerizasyon ve artı-uç bağlanma

Nükleasyon γ-TURC

Stabilizasyon MAP’ler

Artı-uç KRP’ler

99

Eksi-uç KRP’ler Sitoplazmik dynein

Kromozom ekli KRP artı ucu

Figür 3-46. Mikrotubüller, mikrotubül ilişkili proteinlerin (MAP) ve motor proteinlerin mitozdaki rolü. A: Mitotik ağın mikrotubüllerindeki dinamiğin farklı MAP sınıflarındaki rolü. B: Mitozda sitoplazmik dynein ve kinezin ilişkili proteinlerin farklı sınıflardaki rolü. (Gadde, S. ve Heald, R.’den modifiye. Current Biology 2004; 14: R797-R805.)


100

7,%%ú+h&5(%ú<2/2-ú6ú

kurtulur. KRP ailesi üyesi katastrofinler (KinI gibi) katastrofik büzüşmeyi stimüle ederken MAP-2 ve tau proteini gibi MAP’ler mikrotubülleri stabilize eder. EB1 ve CLIP 170 gibi uç bağlayıcı MAP’lerin mikrotubülleri APC ve CLASP adlı proteinlere bağlanarak kinetokorlar ve hücre membranlarına bağladığı düşünülmektedir. Katanin (önceki bölümler) mikrotubülleri keserek yeni GDP kaplı uçlar yaratır ve mikrotubülleri sentrozomdan uzaklaştırır. Stathmin/Op18 tubülin dimerlerine bağlanır ve GTP hidrolizini stimüle ederek polimerize olmayan tubülin havuzunu korur. Figür 3-46B’de gösterildiği gibi motor proteinler mitotik süreçte bir kaç önemli rol oynarlar. Tetramerik artı uç kinezin aile üyeleri (Bim C ve Eg5 ailesi) zıt polariteye sahip mikrotubüllere bağlanır ve iğ kutbu ayrışmasına neden olur. Eksi uç KRP’ler mikrotubülleri çapraz bağlar ve astral mikrotubül eksi uçları iğ kutuplarında odaklar. Kromozoma bağlı artı uç KRP’ler mikrotubüllere kromozom bağlanması ve kromozomların metafaz plağına doğru hareketlenmesinde rol oynar. Eksi uç sitoplazmik dynein mikrotubülleri “yiyici” KinI aile üyelerine doğru iğ kutuplarına hareket ettiren bir “besleyicidir”. Bu yiyiciler Pacman gibi mikrotubüllerin artı uçlarını yemektedirler. Sitoplazmik dyneininde kinetokor mikrotubülleri yiyiciye doğru artı uç yönünde hareket ettirdiği düşünülmektedir. Ortaya konacak daha çok oyuncu olmasına rağmen, artık mikrotubül dinamiği, MAP’ler ve motor proteinlerin nasıl beraber çalışarak mitozda görülen detaylı hareketlere neden olduğunu anlamaktayız.

ÖZET Sitoiskelet; kasılma, hücre hareketi, sitoplazmada organel ve vezikül hareketi, sitokinez, sitoplazmanın intraselüler organizasyonunun oluşması, hücre polaritesinin oluşması ve hücresel homeostaz ve sağkalım için gerekli bir çok diğer fonksiyondan sorumludur. Bu görevleri üç basit yapı ile gerçekleştirir: aktinden oluşan 7-8 nm çaplı mikrofilamentler, hücreye özgü içerikli 10 nm’lik IF’ler ve tubülin dimerlerinden oluşan 24 nm dış çaplı mikrotubüller. Sitoiskelet; üç majör filamentin ve tubüllerin uzunluklarını, polimerizasyon durumlarını ve çapraz bağlanma seviyelerini düzenleyen proteinlerin etkisinde olduğu dinamik bir yapıdır. Miyozin ailesinin üyeleri aktin mikrofilamentler boyunca özgün yöne sahip vezikülleri hareketlendirirken kinezin/KRP ve dynein aileleri mikrotubül yolları boyunca kargo taşır ve mitotik iğin oluşumu ve fonksiyonunda önemli rollere sahiptir. Her iki translokasyon formuda ATP hidrolizine ihtiyaç duyar. Miyozin başları ile aktin filamentlerinin etkileşmesinden kaynaklanan kasılmada enerjisini ATP hidrolizinden alır. Membran iskeleti ilk önce eritrositlerde tanımlanmış olup hücresel bikonkav yapıyı korur ve hücreye esneklik ve elastikiyet kazandırır. Spektrinlerin artık tüm ökaryot hücrelerde olduğu bilinmektedir ve bu membran iskeletleri membran yük trafiği, DNA tamiri, internal depolardan kalsiyum salınımı ve sinaptik bağlantı gibi farklı roller oynar.

Okunması Önerilenler İntermediyan Filamentler

Mikrotubüller

Herrmann H, Aebi U. Intermediate filaments and their associates: multi-talented structural elements specifying cytoarchitecture and cytodynamics. Curr Opin Cell Biol 2000;12:79.

Bornens M. Centrosome composition and microtubule anchoring mechanisms. Curr Opin Cell Biol 2002;14:25-34. Endow SA. Kinesin motors as molecular machines. Bio Essays 2003;25: 1212-1219. Gadde S, Heald R. Mechanisms and molecules of the mitotic spindle. Curr Biol 2004;14:R797. Gundersen GG, Gomes ER, Wen Y. Cortical control of microtubule stability and polarization. Cum Opin Cell Bid 2004;16:1-7.

Mikrofilamentler Etienne-Manneville S, Hall A. Rho GTPases in cell biology. Nature 2002;420:629-635. Pollard TD, Borisy GG. Cellular motility driven by assembly and disassembly of actin filaments. Cell 2003;112:453-455. Spudich JA. The myosin swinging cross-bridge model. Nat Rev Mol Cell Biol 2001;2:387-392. Yin HL, Janmey PA. Phosphoinositide regulation of the actin cytoskeleton. Annu Rev Physiol 2003;65:761-789.

Spektrin Membran İskeleti Hsu YJ, Goodman SR. Spectrin and ubiquikihakioh: a review. Cell Mol Biol 2005;(suppl 51):OL801-OL807.

Tibbi Hucre Biyolojisi  

Goodman'in yazmis oldugu Tibbi Hucre Biyolojisi kitabinin TURKCE cevirisidir.

Tibbi Hucre Biyolojisi  

Goodman'in yazmis oldugu Tibbi Hucre Biyolojisi kitabinin TURKCE cevirisidir.

Advertisement