Geçen yazımızda vücudumuzda bulunan iyonlardan bahsettik. Küçük inorganik iyonlar (sodyum (Na+), potasyum (K+), klorür (Cl), magnezyum (Mg+2), kalsiyum (Ca+2) ve fosfat (PO4 -3) gibi) kas hücrelerinin kasılması, sinir hücrelerinin iletişimi, pH ve osmotik basıncın dengelenmesi gibi oldukça önemli görevlerde rol alırlar. Bu iyonların hücre içinde ve dışında belli konsantrasyonlarda bulunması, aslında, hücrelerimizin dikkatle kontrol ettiği bir mekanizma. Çünkü hücrelerimiz, pek çok hücresel görevi yerine getirirken, iyonların konsantrasyon farkını elektrokimyasal enerji kaynağı olarak kullanıyor. Bu yüzden, hücrelerimiz iyon taşınımını oldukça dikkatli bir şekilde gerçekleştiriyor.

İyonlar, gerektiğinde hücre zarıdan içeri girecek veya dışarı çıkacak şekilde difüzyona uğrarlar. Difüzyon, yani moleküllerin içinde bulundukları hacmi kaplama eğilimi, pasif difüzyon ve aktif difüzyon olarak ikiye ayrılır. Pasif difüzyona sebep olan şey iyonların konsantrasyon farkı. Bu şekilde gerçekleşen bir taşınım olayı için hücrelerimiz enerji harcamaz. Yani pasif difüzyonla, bir iyon, konsantrasyonunun çok olduğu taraftan az olduğu tarafa doğru, enerji harcamadan geçer. Mesela, bulunduğunuz odanın bir köşesinde oda spreyi sıkarsanız, bir süre sonra koku odanın her yerine yayılır. Çünkü oda spreyindeki parfüm molekülleri, sıktığınız bölgede kalmaz, rastgele hareket eder ve oda içerisindeki konsantrasyon farkını yok edecek şekilde yavaşça dağılırlar. Benzer şekilde, mutfakta pişen leziz yemek kokusu sizi çalışma odanızdan çıkarabilir! Hücrede pasif difüzyona örnek verecek olursak, karbondioksit ve oksijen gazlarından bahsedebiliriz: bu moleküller küçük ve apolar (eşit yük dağılımına sahip) oldukları için, hücre zarından pasif difüzyonla geçebilir.

Fakat, iyonlar hücre zarından pasif difüzyonla kendi kendilerine geçemez. Hücre zarı hidrofobik yani su sevmeyen bir yapıya sahip olduğu için, net elektrik yükü olan bir iyona karşı enerji bariyeri oluşturur bu da i̇yonların hücreler arası sıvının içerisinde kendi başlarına gezinmesini engeller. Bir iyon, hücre içi veya dışında hareket ederken, elektrik yükü polar olan su molekülleri ile etkileşir ve kendi etrafına bir grup su molekülünden oluşan bir katman yaratır. Bu su katmanına iyonun hidrasyon küresi (solvasyon küresi olarak da bilinir) denir. Bir iyonun hidrasyon küresinde kaç tane su molekülü olacağı ve bu moleküllerin nasıl bir pozisyonda bulunacağı, iyonun boyutu ve elektrik yükü gibi fiziksel ve kimyasal özelliklere bağlıdır. Eğer iyon artı yüklü ise (yani elektronlarının sayısı protonlarının sayısından az ise) su moleküllerinde bulunan ve kısmi elektrik yükü negatif olan oksijen atomlarını kendilerine daha yakın tutar (Fizik derslerinizden hatırlarsanız; zıt yükler birbirini çeker!). Bu şekilde, iyonlar hücrelerin içinde ya da hücreler arasında bulunan sıvıda hareket ederler. Bir iyonun hidrasyon küresinden sıyrılıp, su sevmeyen dolayısıyla da polar hale getirilmesi zor olan bir ortama girmesi çok büyük bir enerji gerektirir. İşte tam da bu yüzden, iyonlar suyu sevmeyen hücre zarından pasif difüzyonla geçemez.


Hücre zarı aslında iki lipit (yağ) katmanından oluşur. Her lipit molekülü polar bir baş grubuna (ing. polar head group) ve apolar bir kuyruk grubuna (ing. nonpolar tail) sahiptir. Lipit molekülleri suda, polar gruplar su ile etkileşmeyi sevdigi için dışa döner, suyu sevmeyen, hidrofobik kuyruk kısımları sudan koruyacak, birbirleriyle etkinleştirecek şekilde bir araya gelirler.

Peki iyonlar gerektiği zaman hücre içine veya dışına pasif difüzyonla geçemiyor mu? Örneğin, bir beyaz kan hücresi düşünelim… Bu hücre aktif hale gelmek için kalsiyuma ihtiyaç duyar. Hücre dışında, hücre içine oranla daha çok oranda kalsiyum var. Dolayısıyla, kalsiyumun doğal eğilimi çok olduğu ortamdan az olduğu ortama diffüz etmek; yani, hücre dışından hücre içine doğru hareket etmek. Bir başka deyişle, pasif difüzyonla hücre içine girmek. Nasıl mı? Tabii ki hücrelerimizin akıllı, çalışkan, küçük kimyagerleri sayesinde! Evet evet, proteinlerden bahsediyoruz: proteinler hücrelerimizin akıllı kimyagerleri. Yukarıda resmini gördüğünüz hücre zarı aslında sadece lipit moleküllerinden oluşmuyor. Hücre zarında bir sürü protein de var. Proteinlerin hücre zarını oluşturan lipit molekülleri ile etkileşen başka bir deyişle hücre zarının bir parçası olanlarına membran proteinleri diyoruz. Bu membran proteinlerinin bazıları iyon taşınımında görev alır: pasif difüzyonla hücre içine veya dışına iyon taşıyan membran proteinlerine ise iyon kanalları denir. Bu proteinler başka bir protein veya hücre zarı tarafından uyarıldıklarında, kısa bir süre için iyonların geçiş yapabileceği bir kapı (aralık) oluşturur. Tipik bir iyon kanalı saniyede 107 i̇yon geçişi sağlayabilir ve belirli bir tip iyona karşı 1000 kat daha fazla seçicilik gösterebilir!


Hücre zarında pek çok protein bulunur. Bu proteinlerin bazıları (iyon kanalları) iyonların hücre içine veya dışına çıkmasına imkan veren, hücrenin ihtiyacına göre açılıp kapanabilen iyon delikleri oluşturur.

İyon taşınımı sadece pasif difüzyon aracılığıyla olmaz. İyonların konsantrasyon farkına zıt yönde taşınımına aktif difüzyon denir. Aktif difüzyon ise iyon taşıyıcıları (iyon pompaları) denilen membran proteinleri tarafından gerçekleştirilir. Bu proteinler, hücrelerimizin elektrokimyasal enerji olarak kullandığı hücre içi ve dışı iyon konsantrasyonlarını belirli bir değerde sabit tutar. Örneğin, hücrelerimizin içindeki potasyum konsantrasyonu hücre dışına göre daha yüksek tutan membran proteinlerine sodyum-potasyum taşıyıcısı denir. Benzer şekilde, kalsiyum pompası olarak görev yapan membran proteinleri ise hücre içindeki kalsiyum miktarını, hücre dışına oranla çok daha az (bazı hücrelerde 20000 kat daha az) bulunacak şekilde sabitler. Bu durum hücrelerimizi hücre içindeki kalsiyuma çok hassas hale getirir ve hücrelerimiz, beyaz kan hücrelerini aktif hale getirmek gibi çok önemli bağışıklık sistemi görevleri için kalsiyumu sinyal olarak kullanır. Aktif difüzyon enerji gerektirir: iyon taşıyıcıları, adenozin trifosfat (ATP) molekülünü hidroliz eder ve ortaya çıkan enerjiyi bir iyonu konsantrasyon farkına zıt yönde taşımak için kullanır.

İyon kanalları ve taşıyıcıları olarak görev alan membran proteinleri, her protein gibi, birbirine peptit bağı ile bağlanmış amino asit zincirinden oluşur. Bir protein 20 farklı amino asitin her birini içermek zorunda olmasa da, iyon kanalları veya taşıyıcıları olan proteinlerin bir takım ortak özellikleri var. Örneğin bazı bakteri membran proteinlerini saymayacak olursak, membran proteinleri genelde alfa sarmalı diye bilinen motifte bir veya birden fazla membran içinden geçen parçalara sahiptir. Ayrıca bu proteinler özel bir amino asit dizilimine sahiptir: hücre zarının içinden geçen, dolayısıyla da su sevmeyen hücre zarı ile etkileşen kısımlarında su sevmeyen amino asitler çoğunluktadır. Su seven diğer amino asit grupları ise çoğunlukla proteinlerin dış kısımlarında bulunur. Ayrıca, iyon geçiş kapısı olarak görev yapan kısımda, su ile etkileşmeyi seven kritik amino asitler bulunur. Bu amino asitler, iyon kanalının veya iyon taşıyıcısının hangi iyona seçici olacağına karar verir. İyon kanalları ve taşıyıcıları özel yapıları sayesinde, oldukça yüksek iyon seçiciliğine sahiptir; kalsiyum ve sodyum gibi boyutu benzer iyonları bile birbirinden ayırabilir. Bu proteinlerin iyon seçiciliği iyon geçiş kapısında yer alan amino asitlerle seçilecek iyon arasındaki çok özel kimyasal ve fiziksel dengeye bağlıdır.
Gelecek yazımızda, iyon kanallarının iyon seçiciliğini çalışmak için kullanılan hesaplamalı biyofizik yöntemlerinden bahsedeceğiz. Bizimle ve bilimle kalın:)

Kaynaklar:

  1. David Christopher Gadsby’nin 2009 yılında Nature Moleküler Hücre Biyolojisi dergisinde yayınlanan “İyon kanalları vs iyon Pompaları: Temel farklılıklar” başlıklı makalesi.
  2. Eğer biyoloji ilgi alanınız ise ve ingilizcenizi geliştirmek istiyorsanız, Youtube’daki Ameoba kardeşlerin biyoloji kanalını izlemenizi öneririz: https://youtu.be/Ptmlvtei8hw
  3. http://biyolojikutusu.com/dersnotlari/ATPneiseyarar.pdf

 

Yazan: Tuğba Nur Öztürk
Düzenleyen: Nazlı Ayhan