Membranlar Kimyasal bile im ve organizasyon

MEMBANLAR: KİMYASAL BİLEŞİM
VE ORGANİZASYON
Prof.Dr.Hafize Uzun
Hücre Membranlarının Özellikleri




Biyolojik membranlar hücre içini dış ortamdan ve hücre
içi organelleri sitoplazmadan ayıran ileri derecede
visköz, fakat esnek yapılardır.
Plazma membranı hücrelerin dış sınırlarını belirlemekte
ve bu sınırlar içindeki moleküler trafiği
düzenlemektedir.
İntrasellüler membranlar hücre içi boşluğu, hücresel
işlemleri ve elemanları ayırmak üzere kompartmanlara
böler ve böylece mitokondri, endoplazmik retikulum,
golgi aygıtı, lizozomlar, salgı vesikülleri, nukleus gibi
birbirinden yapısal olarak ayırt edilen organelleri
oluşturur.
Membranlar hücre ve organellere fonksiyonlarına uygun
yapı ve şekil kazandırırlar.
Hücre Membranlarının Özellikleri
Hücresel bütünlük: plazma membranı
 Hücre içi kompartmanlar: organeller
 Viskos, plastik, dinamik, asimetrik çift
tabaka
 Lipidler, proteinler, karbonhidratlar
 Termodinamik olarak stabil
 Metabolik olarak aktif
 Nonkovalan oluşum


Plazma membranının dış yüzünde peptid
hormonlar, nörotransmitterler gibi sinyal
molekülleri için spesifik reseptör proteinleri
bulunmaktadır.Bu reseptörler hücre dışı sinyalleri
hücre içine iletmekte ve hücre içi moleküler
değişiklikleri tetiklemektedir.
Plazma membranları endositoz ve eksositoz yolu ile
dış ortamla madde alışverişi yapmaktadır.
 Ayrıca birbirine bitişik komşu hücreler arasında
aralık kavşaklar(gap junctions) adı verilen spesifik
membran yapıları üzerinden madde alışverişi
sağlanmaktadır.

Membranlar hücre içinde lipid ve belirli proteinlerin
sentezi ve mitokondride enerji iletimi gibi hücresel
olayları organize etmektedirler.
 Adezyon molekülleri komşu hücreleri birbirine
bağlamaktadır. Plazma membranının dış yüzünde benzer
hücrelerin birbirlerini tanımasını ve bir araya gelmesini
sağlayan bileşikler bulunmaktadır
 Membranlar rijid veya impermeabl değil, oldukça mobil ve
dinamik yapılardır. Membranların yapısı, organizmalar
arası hücreler arası ve organeller arası farklılıklar
gösterir

Plazma Membranının Fonksiyonları
Bariyer
 Selektif permeabilite
 Endositoz, eksositoz, “gap junction”
 Reseptörler ve sinyal iletimi
 Tanıma ve hücreler arası etkileşim
 Hücrenin şekil ve hareketi (örn.amiboid hareket)
Bazı hücreler yalancı ayaklar(uzantılar) oluşturarak hareketlilik
sağlıyabilirler. Bu çıkıntılar ile yabancı maddeleri fagozite
ederler. Hareketleri sırasında yer değiştirmeleride
mümkündür. Bu hareketlere amiboid hareket denir.
Hücre yüzeylerindeki transport hareketleri ve
kontraktilite

Biyolojik membran yapısı , ‘sıvı akışkan mozaik model ‘


Lipitler ve proteinler membranda, Singer ve Nicolson ( 1972 )
tarafından önerilen, sıvı akışkan mozaik modeli olarak tanımlanan
bir düzende yerleşmektedir.
Bu modele göre, biyolojik membranların temel yapısını fosfolipid
çift tabakası oluşturmakta,
 Bazı proteinler (integral veya intrinsik proteinler) bu lipid
çift tabakayı bir veya birkaç kez katetmekte ve her iki
tarafta sulu çevre ile temas etmektedir, diğerleri ise kısmen
gömülmüş olarak bulunmaktadır.

Bazı proteinler (periferik veya ekstrinsik proteinler) lipid
çift tabakanın iç veya dış yüzeyine gevşek bir şekilde bağlı
bulunmaktadır
Membran lipidleri yapılarında hidrofilik ve hidrofobik
grupları içermeleri nedeniyle amfipatik bileşiklerdir.
 Amfipatik lipidlerin




hidrofilik polar baş kısımları su ile ilişkili ve
hidrofobik nonpolar kuyruk kısımları (yağ açil
zincirleri) ise sudan uzak olan membranın merkezinde
bir araya gelecek şekilde yerleşerek lipid çift tabakayı
oluştururlar.
Biyolojik membranların temel yapısını lipid çift
tabakası oluşturmaktadır. Lipid çift tabakanın
merkezi iç kısmında bulunan fosfolipid yağ açil
zincirleri sıvı, hidrofobik bölge oluşturur.
Membran düzlemi üzerinde protein ve lipid
moleküllerinin büyük kısmının lateral olarak hareket
etmeleri ve bir mozaik yapı oluşturmaları nedeniyle,
bu membran yapısına akışkan sıvı-mozaik adı
verilmiştir.
 Membran lipid çift tabakasında yer alan bazı protein
ve lipidler kovalent olarak bağlı karbonhidrat zincirleri
içerir.
 Glikoproteinler ve glikolipidlerin bir parçası olan bu
karbonhidrat zincirleri daima membranın hücre dışı
yüzeyinde, sulu ortama bakacak şekilde asimetrik
yerleşim gösterir.
 Hücrenin dış yüzeyindeki bu karbonhidrat katmanına
glikokaliks (hücre mantosu-örtüsü) adı verilir.

glikokaliks (hücre mantosu-örtüsü)
Hücreyi mekanik hasarlara karşı korur.
 İstenmeyen protein-protein etkileşimlerinden
korur (lektinler).
 Hücrelerin birbirine yapışmasına hizmet eder.
Örneğin kanın pıhtılaşması

Membranların kimyasal bileşimleri
Membran
Protein
( %)
 Miyelin
20
 Eritrosit
49
 Karaciğer(p.m)
54
 Dış mit.
50
 İç mit.
75
Lipid
( %)
75
43
39
46
23
Karbohidrat
(%)
5
8
7
4
2
Membran Lipidleri
Biyolojik membranların temel yapısını bimoleküler lipid
çift tabakası oluşturmaktadır.
 Lipid çift tabakanın amfipatik özellikteki temel lipid
bileşenleri:
 fosfolipidler (gliserofosfolipidler ve sfingomiyelin),
 kolesterol


glikosfingolipidler ( glikolipidler ) dir.



Lipid çift tabakanın oluşumundan hidrofobik
etkileşimler sorumludur;
 Membran lipidlerinin yapısındaki nonpolar
hidrokarbon yan zincirlerin bir araya gelmesi
suyun uzaklaşmasına yol açar ve hidrokarbon
zincirleri van der Waals kuvvetleri ile bir arada
tutulur.
Lipidlerin polar grupları ile su molekülleri arasında ise
elektrostatik etkileşimler ve hidrojen bağları oluşur.
Bu şekilde lipid tabakaları non-kovalent etkileşimlerle
bir arada tutulur.

Fosfolipidler :
Fosfogliseridler (gliserofosfolipidler)
 C16- C18 yağ asidleri, doymuş/doymamış (%50 doymamış), cis
 Hidrokarbon zinciri kısalırsa hidrofobik karakter ve hacim
azalır.
 Fosfatidik asid
 Etanolamin, kolin, serin, gliserol ve inositol
 Fosfatidilkolin(lesitin), fosfatidiletanolamin(sefalin),
fosfatidilserin, fosfatidilinozitol ve difosfatidilgliserol
(kardiyolipin),plazmalojen
 Kolin fosfogliseridleri: 16:0 , 18:2
 Etanolamin ve serin fosfogliseridler: 20:4 , C22 ÇDYA
•
Sfingofosfolipidler
 Sfingomiyelin: seramid, fosforilkolin
•

Fosfatidilinozitol 4-fosfat ve 4,5-bisfosfat plazma
membranlarında bulunur; bunlardan ikincisi “ikinci haberci” olarak
tanımlanan ve bazı hormonların etki mekanizmasında yer alan
inozitol trifosfat ve diaçilgliserol’ün kaynağıdır.




Sinyal iletisi
Kardiyolipin (difosfatidilgliserol), plazma membranının
yapısında bulunmaz ; az miktarda endoplazmik retikulum
membranında buna karşılık yüksek miktarda iç ve daha düşük
düzeyde dış mitokondri membranında bulunur.
Her bir hücre tipinin membran gliserofosfolipidleri farklı yağ asit
bileşimine sahiptir.
Ayrıca, gliserofosfolipidlerin yağ asit içeriği dokunun fizyolojik ve
patofizyolojik durumuna bağlı olarak değişiklik gösterebilir.
Membran akışkanlığını doymuş ve doymamış yağ
asitleri güçlü bir şekilde etkilemektedir.
 Doymuş yağ asitleri düz zincirlidir ve fosfolipid yapısında
düz kuyruklar oluşturur. Benzer şekilde doğal olarak
bulunmayan ve trans konfigürasyonda çift bağ içeren trans
yağ asitleri de düz zincirlidir.
 Doğal olarak bulunan doymamış yağ asitlerinde çift bağların
hemen hepsi cis konfigürasyonundadır ve molekül cis çift
bağda bükülmüştür. Bu hidrokarbon zincirlerinde kıvrımlar,
kırıklar oluşturur
 Membran fosfolipidlerinin yapısında doymamış yağ asid
miktarı ve doymamışlık derecesi ne kadar fazla ise, fosfolipid
kuyruk kısmını oluşturan bu yağ açil zincirleri o kadar çok
kıvrım içerir ve membranda o kadar az sıkı paketlenir,
böylece membran daha akışkan hal alır.

Sfingofosfolipidler
Sfingomiyelin: seramid, fosforilkolin
Nöron aksonlarının myelin membranlarında
çok !
Doymuş ve C24 yağ asidleri
•
Glikosfingolipidler
 Serebrozid
 Serebrozidler, seramid yapısında yer alan sfingozin’in primer alkol
grubuna -glikozidik bağ ile bağlanmış bir şeker içermektedirler.
Fosfat içermezler, elektriksel olarak nötral glikosfingolipidlerdir
 Galaktoserebrozid (Galaktozilseramid)
beyin ve sinir hücrelerinde çok !
 Glukoserebrozidler (Glukozilseramid)
 Globosit
 Sülfatid
Diglukoz, digalaktoz, N-asetilglukozamin ve N-asetilgalaktozamin
başlıca bulunan şekerlerdir.
 Gangliozid
Oligosakkarid zinciri içeren kompleks yapılı, asidik özellikte, Nasetil nöraminik asid içerir. Beyin, sinir dokusunda çobol
bulunur.
antijenik özellik: tanınma, adhezyon, reseptör
Kolesterol (serbest kolesterol)
 Akışkanlık
 Lipoid matriks ile fiziksel etkileşim
 Membrana giriş-çıkış serbest
 Plazma membranında yüksek oranda!
 Ters kolesterol transportu



Kolesterol lipid çift tabakada fosfolipid molekülleri arasına
yerleşmiştir. Yapıdaki tek polar grup olan hidroksil grubu sulu
ortama doğru yönelmiş ve fosfolipidlerin yüklü baş grupları
ile etkileşimdedir.Polar olmayan steroid çekirdeği ve
hidrokarbon zinciri ise fosfolipidlerin hidrokarbon kuyrukları
arasında bulunur.
Lipoid matriks ile fiziksel etkileşime girer.
Plazma membranındaki kolesterolün tamamı serbest
kolesteroldür.
Kolesterol lipid çift tabakaya kovalent bağlarla tutunmadığı
için, plazma membranından içeriye ve dışarıya serbestçe
hareket edebilir. Bu özelliği nedeniyle kolesterol plazma
lipoproteinlerine ya da lipoproteinlerden membrana
aktarılabilmektedir.
Kolesterol membran akışkanlığını düzenler; artırabilir ya da
azaltabilir.
Amfipatik lipidler
Hidrofilik:
 gliserofosfolipidlerin polar başları(fosfat ve alkol
grupları)
 Sfingofosfolipid(fosforilkolin)
 kolesterolün hidroksil grubu
 glikosfingolipidlerin şekerleri

Lipofilik (hidrofobik):
 gliserofosfolipidlerde yağ asidlerinin hidrokarbon
zincirleri
 Sfingomiyelinlerde,sfingozin+yağ asidi hidrokarbon
zinciri
 kolesterolün steran halkası

Amfipatik lipidler
Hidrofilik:
 gliserofosfolipidlerin polar başları(fosfat ve alkol
grupları)
 Sfingofosfolipid(fosforilkolin)
 kolesterolün hidroksil grubu
 glikosfingolipidlerin şekerleri

Lipofilik (hidrofobik):
 gliserofosfolipidlerde yağ asidlerinin hidrokarbon
zincirleri
 Sfingomiyelinlerde,sfingozin+yağ asidi hidrokarbon
zinciri
 kolesterolün steran halkası

Membran Proteinleri: Majör fonksiyonel moleküllerdir.
 Membran proteinleri, membranın spesifik
fonksiyonlarından ve yapısal bütünlüğünden sorumludur
 Enzim
 D--hidroksibütirat dehidrogenaz / fosfatidil kolin
 Na+K+ATPaz, Ca2+ATPaz / kolesterol
 Kanal,taşıyıcı protein
 Yapısal komponent
 Antijen
 Reseptör
 Asetil kolin reseptörleri / kolesterol
Plazma memb. >100 çeşit
Sarkoplasmik ret. memb. <12 çeşit
İntegral Proteinler-1
Lipid tabakalara gömülü/transmembran (alfa heliks
yapı!)
 Bazı transmembran integral proteinler membranı
bir kez kat eden tek bir hidrofobik bölge içerirken
(LDL reseptörü, glikoforin), diğer bazıları çift
tabakayı birden çok sayıda kateden birkaç
hidrofobik bölgeye sahiptir (anyon kanal proteini,
glukoz taşıyıcıları, G-proteine kenetli reseptörler).
 Fosfolipidlerle sıkı etkileşim !
 Lipidlerle ilişki bozulursa denatürasyon ve aktivite
kaybı !
 Glisin, alanin, valin, lösin, izolösin, metiyonin ve fenil
alanin, triptofan, prolin
 Deterjanlarla (SDS, deoksikolat, Triton X 100) veya
organik çözücülerle izolasyon
 SDS-PAGE elektroforezi

Eritrosit membranı
 anyon kanal proteini
 glikoforin : %60 karbohidrat içerir
16 oligosakkarid zinciri : 60-70 monosakkarid

Myelin(beyin)
 lipofilin: proteolipid (hidrofobik lipoprotein)
 hidrofobik amino a. ve kovalan bağlı yağ a. >%65,
organik çözücülerde çözünür, suda çözünmez

Lipidlere kovalan bağlı proteinler
Periferal proteinler olarak kabul
edilirler.
Protein palmitoil, miristoil, farnezil ve
fosfatidil inozitol glikan
(glikozilfosfatidil inozitol,GPI) gibi
yapılarla membrana bağlıdır.
Fosfolipaz C veya fosfolipaz D ile
membrandan uzaklaştırılabilirler.
Membranın Karbohidratları
Glikoproteinler, glikolipidler
 Glukoz, galaktoz, mannoz, fukoz,
N-asetil galaktozamin, N-asetil glukozamin, sialik
asid*
 Proteinin katlanması, hücre yüzeyine transportu ,
reseptör fonksiyonları
 Hücre yüzeyinin antijenik özelliği
 Hücrelerin birbirlerini tanımaları ve adhezyon

*(-) Yük nonspesifik agregasyonu engeller !
* Asialoglikoprotein varlığı (sialidaz) eritrositin yaşlı
olduğunu gösterir !
Akışkanlık
Lipid çift tabaka yapısı kararlı olmakla birlikte lipid
ve proteinlerin hareket edebileceği kadar akışkandır..
 Her bir yağ asidi hidrokarbon zincirinin –C–C− bağı
çevresinde dönmesi ile hidrokarbon zincirleri sürekli
hareket içindedir; bu hareket membrana akışkanlık
kazandırır.
 Hidrokarbon zincirlerinin lipid çift tabaka içindeki
hareket derecesi membran akışkanlığı olarak
adlandırılır.
 Akışkanlığın derecesi temperatüre ve membranın
lipid bileşimine bağlıdır

Lipid bileşimi (Diyet !)
 yağ a. hidrokarbon zinciri C sayısı  akışkanlık 
 doymamışlık derecesi  akışkanlık 
 cis konfigürasyonu akışkanlık 
 kolesterol: modülatör
doymamış yağ a. arasında: akışkanlık 
doymuş yağ a. arasında: akışkanlık 

temperatür
jel-kristallinlikid-kristallin: transisyon temp(Tm)
 vücut ısısında: likid zeminde jelöz bölgeler
 kolesterol, sfingomyelin, doymuş yağ asidi : jel
 aynı membranda özellikleri farklı olan bölgeler
 Permeabilite, transport ve reseptörler için akışkanlık
!
 akışkanlık  permeabilite 
 gap junction ve tight junction’lar: akışkanlık 






Düşük sıcaklıklarda hidrokarbon zincirleri düzgün sıralı halde
ve hareketleri kısıtlı olduğundan lipid çift tabaka hemen hemen
katı, jel-parakristalin durumdadır.
Belirli bir sıcaklığın üzerinde ise hidrokarbon zincirlerinin
termal hareket nedeni ile düzenleri bozulmakta ve membran
sıvı halde bulunmaktadır.
Membran lipid çift tabakasının katı halden sıvı hale geçtiği
sıcaklık (transisyon temperatürü,Tm) olarak tanımlanır
Biyolojik membranların heterojen bileşimlerinden dolayı Tm
değerleri değişkendir.
Tm, yağ asidi hidrokarbon zincirinin uzunluğuna ve
doymamışlık derecesine ve membranın kolesterol içeriğine bağlı
olarak değişmektedir.
Doymamış yağ asidi oranı arttıkça, membranın
Tm değeri düşmekte, dolayısıyla membranın
akışkanlığı artmaktadır.
 Buna karşılık doymuş yağ asidi oranı arttıkça
membranın Tm değeri artmakta ve akışkanlık
azalmaktadır.
 Fosfolipid yağ açil zincirlerinin uzunluğu da Tm
değerini etkilemektedir; yağ açil zincir
uzunluğunun artması ile akışkanlık
azalmaktadır.

Doymuş ve doymamış yağ asitleri içeriği yanı sıra Tm’
nin diğer önemli bir belirleyicisi membranın kolesterol
içeriğidir.
 Kolesterol membran akışkanlığını düzenleyen önemli
bir modülatördür; akışkanlığı artırabilir veya
azaltabilir.
 Yağ açil hidrokarbon zincirleri arasına girmiş olan katı
düzlemsel halkalı yapıdaki steroid çekirdeğin
akışkanlık üzerine iki etkisi vardır..





Membranın katı, jel-parakristalin halinde olması
durumunda (Tm değerinin altında) kolesterol iki komşu
fosfolipid yağ açil zincirleri arasına girerek van der Waals
çekim etkisini azaltmakta ve zincirlerin düzenli bir
şekilde paketlenmesini engelleyerek membran
akışkanlığını artırmaktadır.
Membranın sıvı-kristalin düzende olması durumunda
(Tm değerinin üzerinde) kolesterolün katı, halka sistemi
komşu yağ açil zincirlerinin C-C bağı çevresindeki dönme
hareketlerini azaltmakta ve bu şekilde çift tabakanın
merkezinde akışkanlığı azaltmaktadır
Bu nedenle kolesterol membranın aşırı katı veya akışkan
olmasını ılımlı hale getirmeye çalışan ve böylece
akışkanlığı artırıp azaltabilen önemli bir modülatördür
Ancak yüksek konsantrasyonlarda kolesterol varlığı
membran akışkanlığını azaltmaktadır
Membran asimetrisi
İç-dış (transvers) asimetri
Fosfolipidler :
 kolin içeren fosfolipidler: dış
 aminofosfolipidler: iç

 lateral mobilite
 yağ asidlerinin hidrokarbon zincirlerinin C-C bağları
etrafındaki rotasyonel mobilite
 transvers mobilite (flip-flop) yavaş !
Proteinler
Karbohidratlar (glikosfingolipidler ve glikoproteinler)
Fosfolipid asimetrisini sağlayan taşıyıcılar
Flippaz: aminogliserolipidlerin (PS, PE)
iç tabakaya transportu, ATP bağımlı
 Floppaz: nonspesifik, dış tabakaya transport
 Skramblaz: nonspesifik, hücre içi [Ca2+] artışı ile
aktive olur
Pıhtılaşma (ekstrinsik yol)
Hasarlı hücrelerin RES tarafından alınmaları

Bölgesel asimetri
 gap junction ve tight junction
protein-protein etkileşimi: protein matriks
 sinapslar
 mukoza hücrelerinde villuslar
 Fonksiyonel asimetri
 Na+K +ATPaz

TEŞEKKÜRLER...