Tıbbi Hücre Biyolojisi

Tıbbi HücreBiyolojisi

Editör

Steven R. Goodman, PhDC.L. and Amelia A. Lundell Professor of Life Sciences

The University of Texas at DallasRichardson, Texas

Adjunct Professor of Cell BiologyUniversity of Texas Southwestern Medical Center

Dallas, Texas

����������� �������

Çeviri

Uzm. Dr. Rasim Özgür RostiTıbbi Genetik Uzmanı

������������ ��������������������

� �����������������

������������������������������ �!�

"����#$%&#$'&()*&%++&$

������!��������"��#����$�����%, -.���/!�0�)**%1��2�������34�"!���3����5 6��31�/�"����#$%&*&7)&+$*('%&*

�8�9�!�:;3����9<�.��<������/�99;�0��2�����������!�6�!���=;36�3������������ �������>3������2��?!����'%(@����)#+@���.;2;�A�9������"�3�!�����2����.����;�����B��/��/�3���:���:C2���1���������.��.��;�;1�.����2��;3����.�.;32�&.;4;�;3;3�.��;2;� ��3���2;3��6�3�!�9���2�3����1�:��;2����1�9 -.��;�<;9��;2����1�= ! 9 -�����2;3�������.��9 -.���32��;�!�?;.�:�2�4�9�/�<:����?2���.�-;2�����

���������� ���������� ��������� ��������������������� ���� ��������������������� �������� ��������� ��� �!�"#$�%�&'(

Tıbbi Hücre Biyolojisi 3. baskısınıaileme

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 arkadaşımabilimsel kahramanlarıma

Britton, Chance, Aaron Cienchanover, Russell Hulse ve Alan MacDiarmidve geçmişteki ve şimdiki öğrencilerime

atfediyorum

İçindekiler

Katkıda Bulunanlar xiÖnsöz xiii

Bölüm 1 Hücre Biyoloğunun Araçları 1 Mikroskopi: Hücre Biyoloğunun İlk Araçlarından Biri 5 Floresan Mikroskobu 7 İmmünetiketleme 9 Genetik Etiketleme 14 Elektron Mikroskobisi 15 Transmisyon Elektron Mikroskobisi 15 Tarayıcı Elektron Mikroskobisi 18 Atomsal Kuvvetli Mikroskop 18 Hücre Biyolojisinin Diğer Araçları 19 Hücre Kültürü 19 Flow Sitometri 22 Subselüler Parçalanma 23 Proteomiks ve Genomiks Tekniklerinden Daha Sonraki Bölümlerde Bahsedilecektir 25 Özet 25

Bölüm 2 Hücre Membranları 27 Membran Lipidleri 29 İnsan ve Hayvan Biyolojik Membranlarının Lipid Bileşimi Fosfolipid, Kolestrol ve Glikolipidleri İçerir 29 Membran Lipidleri Devamlı Devirdaime Uğrar 30 Membran Lipidleri Devamlı Olarak Hareket Halindedir 33 Membran Protein-Lipid Etkileşimleri Fonksiyonun Önemli Mediyatörleridir 36 İntegral ve Periferik Membran Proteinleri Yapı ve Fonksiyon Olarak Farklıdır 36 Membran Protein Organizasyonu 38 Mikroskopi ve Flow Sitometri gibi Optikal Teknolojiler Membran Araştırmalarında Devrim Yaratmıştır 38 Orak Hücre Hastalığında Membran Fosfolipidlerinde Önemli Değişiklikler Oluşur 41 Hücre Membranı Farklı İç ve Dış Hücresel Ortamın Devamını Sağlayan Seçici bir Geçirgenlik Bariyeridir 43 Membranlar Boyunca Su Hareketi Osmoza Dayalıdır 44

Donnan Etkisi ve Su Akımı ile İlişkisi 46 Kolaylaştırılmış Taşıma 47 Aktif Taşıma 48 Sekonder Aktif Taşıma 48 İyon Kanalları ve Membran Potansiyelleri 49 Membran Potansiyeli Plazma Membranının Her İki Tarafındaki Elektrik Yük Farkından Kaynaklanır 52 Aksiyon Potansiyelleri Akson Tepesinden Yayılmaya Başlar 54 Özet 56

Bölüm 3 Hücre İskeleti 59 Mikrofilamentler 59 Aktin Kökenli Hücre İskelet Yapıları İlk Önce Kas Dokusunda Gösterilmiştir 59 İskelet Kası, Kas Lifi Demetlerinden Oluşmaktadır 60 İskelet Kasının Fonksiyonel Ünitesi Sarkomerdir 60 İnce Filamentler Aktin, Tropomiyozin, Troponin ve Tropomodülin Proteinlerinden Oluşur 60 Kalın Filamentler Miyozin Proteininden Oluşur 64 Aksesuvar Proteinler Miyofibril Mimarisinin Korunmasından Sorumludur 64 Kas Kasılması Sarkomerde Kalın ve İnce Filamentlerin Birbirine Karşı Göreceli Olarak Kaymasını İçerir 66 Adenozin Trifosfat Hidrolizi İnce Filamentler ile Çapraz –Bağ Etkileşimleri için Gereklidir 67 İskelet Kası Kasılmasının Kalsiyum Düzenlenmesi Troponin ve Tropomiyozin Aracılığı ile Olur 68 İskelet Kasındaki İntraselüler Kalsiyum Özelleşmiş bir Membran Kompartmanı olan Sarkoplazmik Retikulum ile Düzenlenir 69 Üç Tip Kas Dokusu Bulunur 70 Düz Kasın Kontraktil Aparatı Aktin ve Miyozini İçerir 73 Düz Kas Kasılması Miyozine Bağlı Kalsiyum İyon Düzenleyici Mekanizmalar Aracılığı ile Oluşur 74 Düz Kas Kasılması Bir Kaç Seviyede Etkilenebilir 75

vii

viii� ���������

Aktin-Miyozin Kontraktil Yapıları Kas Hücresi Dışında da Bulunur 75 Miyozin Süpergen Ailesinin Üyeleri Veziküllerin ve Sitoplazmadaki Aktin Yolları Boyunca Diğer Kargoların Hareketinden Sorumludur 77 F-Aktin Demetleri Epitelyal Hücrelerin Mikrovillusları için Yapısal Bir Destektir 78 Kortikal Sitoplazmanın Gel-Sol Hali Aktin’in Dinamik Statüsü ile Kontrol Edilir 78 Hücre Hareketi Aktin Dinanmiklerinde Koordineli Değişiklikler Gerektirir 79 Aktin’e Dayalı Fonksiyonun İnhibitörleri 81 Aktin Bağlayıcı Proteinler 81 ERM Ailesi Aktin’in Plazma Membranının Sitoplazmik Yüzeyi ile Uçuca Bağlantısına Aracılık Eder 81 Spektrin Membran İskeleti 82 Eritrosit Spektrin Membran İskeletinin Yapı ve Fonksiyonu Detaylı bir Biçimde Anlaşılmıştır 82 Spektrin Eritroid Seri Dışındaki Hücrelerde de Yaygın Bir Komponentdir 85 Spektrin I ve II, α-aktinin ve Distrofin Spektrin Süpergen Ailesini Oluşturur 86 Aktin Dinamiklerinin Düzenlenmesi 88 İntermediyan Filamentler 89 Heterojen bir Protein Grubu Çeşitli Hücrelerde İntermediyan Filamentler Oluşturur 89 Bu Kadar Heterojen bir Protein Grubunun Tümü Nasıl İntermediyan Filament Oluşturuyor? 90 Mikrotubüller 91 Mikrotubüller Tubülinden Oluşan Polimerlerdir 91 Mikrotubüller Hızlı Birleşme ve Ayrışım Geçirirler 91 Sentrozom, Mikrotubüllerin Eksi Uçlarına Şapka Takarak Mikrotubül Organize edici Merkez Olarak Rol Alır 92 Sitoplazmik Mikrotubüllerin Davranışı Kontrol Edilebilir 94 Mikrotubüller Hücre içi Vezikül ve Organel Transportunda Rol Oynar 95 Silia ve Flagella Mikrotubüllerden Oluşan Özelleşmiş Organellerdir 95 Aksonemal Mikrotubüller Sabit Oluşumlardır 97 Mikrotubül Kayması Aksonemal Motiliteye Neden Olur 97 Mikrotubüller ve Motor Proteinler Mitotik İğin Fonksiyonundan Sorumludur 98 Özet 100

Bölüm 4 Organel Yapısı ve Fonksiyonu 101 Çekirdek 103 Endoplazmik Retikulum 104

Düz Endoplazmik Retikulum 104 Granüllü Endoplazmik Retikulum 107 Endoplazmik Retikulumu Terketmek: Veziküler Trafik için bir Örnek 118 Vezikül Tomurcuklanma, Hedefleme ve Füzyonunun Özeti 118 Endoplazmik Retikulumdan Golgi Vezikül Taşımasına ve COPII- Kaplı Veziküller 121 Golgi Cisimciği 121 Golgi Cisimciğinde Proteinlerin Glikolizasyon ve Kovalent Modifikasyonları 122 Golgi Kompleksi Boyunca Retrograd Taşınma 123 Golgi Kompleksinde Anterograd Transport 125 Golgi Kompleksini Terketmek 125 Konstitütif ve Kontrollü Sekresyon 125 Lizozomal Enzimler bir Mannoz 6-Fosfat Sinyali ile Hedeflerine Gönderilir 126 Endositozis, Endozomlar ve Lizozomlar 128 Klatrine Bağımlı Endositoz 128 Düşük Yoğunluklu Lipoprotein ve Transferrin’in Reseptör Aracılı Endositozu 129 Multiveziküler Endozomlar 131 Lizozomlar 132 Ubikuitin-Proteazom Sistemi Lizozomal Olmayan Protein Degradasyonundan Sorumludur 132 Mitokondri 134 Oksidatif Fosforilasyon ile ATP üretimi 134 Mitokondri Genetik Sistemi 140 Mitokondriyel Fonksiyondaki Defektler Hastalığa Neden Olur 140 Mitokondri Proteinlerinin Çoğunu Sitozolden Alır 143 Peroksizomlar 145 Özet 147

Bölüm 5 Gen Ekspresyonunun Düzenlenmesi 149 Hücre Çekirdeği 149 Çekirdek Yapısı 149 Çekirdek Fonksiyonu 155 DNA Replikasyonu ve Tamiri Önemli Çekirdek İçi Fonksiyonlardır 156 DNA Replikasyonu Hücre Döngüsünün Sentez (S) Fazında Olur 156 DNA Tamiri Hücrenin Hayatta Kalması için Kritik bir Proçestir 159 Gen Ekspresyonunun Düzenlenmesi 165 Genomiks ve Proteomiks 165 Restriksiyon Nükleazları: DNA’yı Özgün Nükleotid Dizilerinden Kesen Enzimler 165 Gen Klonlama Herhangi bir DNA Dizisini Yüksek Miktarlarda Üretebilir 167 Bir Genin Primer Yapısı DNA Dizilemesi ile Hızlı bir Şekilde Belirlenebilir 167 Genomun Özgün Bölgeleri Polimeraz Zincir Reaksiyonu ile Çoğaltılabilir 168

� ���������� ix

Biyoinformatik: Genomiks ve Proteomiks Kişiselleşmiş Tıbbın Gelişimi için Ümit Vericidir 170 Transgenik Fareler Eşsiz Genetik Hastalık Modelleri Sunarlar 172 Gen Ekspresyonu: DNA’dan Proteine Bilgi Transferi 174 Genetik Tedavi 189 Etkin Gen Tedavisinin Geliştirilmesi için Bir Çok Engel Vardır 189 Gen Bazlı Tedaviler için Bir Çok Strateji Olasıdır 189 Özet 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 215 Kollajen Ekstraselüler Matrikste En Sık Görülen Proteindir 216 Glikozaminoglikan ve Proteoglikanlar Su Emer ve Basıya Dayanır 218 Elastin ve Fibrilin Doku Esnekliğini Sağlar 220 Fibronektin Hücre Yapışması için Önemlidir 220 Laminin Bazal Membranlarda Kilit bir Komponentdir 220 Bazal Membranlar Hücre Yapışması için Özelleşmiş İnce Matriks Tabakalardır 221 Fibrin Kan Pıhtılarının Matriksini Oluşturur ve Gerektiğinde Hızlıca Biraraya Gelir 222 Normal ve Anormal Pıhtılaşmada Von Willebrand Faktör 223 Özet 224

Bölüm 7 İnterselüler Sinyal İletimi 227 İnterselüler Sinyal İletiminin Genel Yolları 227 İnterselüler Sinyal İletim Molekülleri Ligand gibi Davranırlar 227 Hücreler Sinyal İletim Moleküllerine Değişik Yanıtlar Verir 227 İnterselüler Sinyal İletim Molekülleri Multipl Mekanizmalarla Etkir 228 Hormonlar 228 Lipofilik Hormonlar Sitozolik Reseptörleri Aktive Ederler 228 Lipofilik Hormon Reseptörleri Nükleer Reseptör Süperailesinin Üyeleridir 231 Peptid Hormonları Membrana Bağlı Reseptörleri Aktive Eder 231 Hipotalamik- Hipofiz Aksı 233 Büyüme Faktörleri 234 Sinir Büyüme Faktörü 235 Büyüme Faktör Aileleri 235 Büyüme Faktörü Sentezi ve Salınımı 236 Büyüme Faktörü Reseptörleri Enzime Bağlı Reseptörlerdir 236 Büyüme Faktörleri Parakrin ve Otokrin Sinyal İleticileridir 236 Bazı Büyüme Faktörleri Uzun Mesafede de Etkilidir 237 Bazı Büyüme Faktörleri Ekstraselüler Matriks Komponentleri ile Etkileşir 237 Histamin 237 Histamin Reseptör Alttipleri 238 Mast Hücresi Histamin Salınımı ve Allerjik Reaksiyon 238 Gazlar: Nitrik Oksit ve Karbon Monoksit 238 Eikosanoidler 239 Nörotransmiterler 241 Elektrik ve Kimyasal Sinapslar 241 Prototipik Kimyasal Sinaps: Nöromusküler Bileşke 243

x� ���������

Nörotransmiterlerin Özellikleri, Sentezi ve Metabolizması 245 Nörotransmiter Reseptörler 246 Nörotransmiter Fonksiyonunun Dağılma ve Birleşmesi 246 Spatiotemporal Toplama 246 Özet 247

Bölüm 8 Hücre Sinyal İleti Olayları 249 Sinyal İletimi Çoğunlukla Hücre Yüzeyi Reseptörleri Aracılığıyladır 249 Tirozin Kinaz Reseptörleri ve Ras’a Bağlı Sinyal İletimleri 250 Fibroblast Büyüme Faktörleri 250 Neuregulin 250 Katalitik Reseptörler/Serin-Treonin Kinazlar ile Sinyal İletimi 253 Kemik Morfogenetik Proteinler 254 Nodal 255 Kinaz Dışı Reseptörlerle Sinyal İletimi 256 Wnt’ler 257 Hedgehoglar 257 Notch 260 Steroid Hormon Reseptörler ile Sinyal İletimi Sitoplazma veya Çekirdekte Ligand Etkileşimi Gerektirir 262 G Protein ile Eşlenmiş Reseptörlerle Sinyal İletimi Guanozin Trifosfatın Guanozin Difosfata Dönüşümünü İçerir 265 Renin-Anjiyotensin-Aldosteron Sistemi ile Sinyal İletimi 266 Jak/ TSİA Yolağı ile Sinyal İletimi 267 Kalsiyum/Kalmodulin Sinyal İletimi 267 Kalsinörin/NFAT Yolağında Sinyal İletimi 268 İyon Kanal Reseptörleri ile Sinyal İletimi 268 Miyokardiyal Hipertrofide Sinyal İletimi 270 Özet 270

Bölüm 9 Hücre Döngüsü ve Kanser 273 Hücre Döngüsü: Tarih 273 Hücre Döngüsü Siklin ve İlişkili Proteinler ile Düzenlenir 275 Siklinler 275 Siklin Bağımlı Kinazlar 275 Sikline Bağlı Kinaz İnhibitörleri 276 Cdc25 Fosfatazlar 276 p53 276 pRB 276 Mitoz 278 Mitoz Nedir? 278

İnterfaz ve Mitoz 278 Mitotik Evreler 278 Hücre-Döngü Kontrol Noktaları 279 DNA Hasar Kontrol Noktalarının Moleküler Komponentleri 280 Mayoz 280 Sensörler DNA Hasarının Olduğu Bölgeleri Tanır 282 ATM ve ATR 282 Düzenleyiciler, Sensörler ve Sinyal İleticilerle Eş Zamanlı Olarak Birleşir 283 Sinyal İleticileri CHEK1 ve CHEK2 Hücre- Döngü Kontrolünde Görevli Kinazlardır 284 p53 ve Cdc25 Fosfatazlar gibi Efektörler Hücre- Döngü Kontrolünde Önemlidir 284 G1/S Kontrol Noktası 285 S Faz içi Kontrol Noktası 285 G2/M Kontrol Noktaları 286 Hücre Döngü Değişiklikleri ve Kanser 286 Kanserde G1’den S’ye Geçişi Kontroldeki Bozukluklar 286 Kanserde pRb Yolağı 287 Kanserde ATM 287 Kanserde p53 288 Kontrol Noktası Kinazları ve Kanser 288 CHEK1 ve Kanser 288 CHEK2 ve Kanser 289 Özet 289

Bölüm 10 Programlanmış Hücre Ölümü 291 Programlanmış Hücre Ölümünün Belli Formları 292 Doğal Olarak Gerçekleşen Nöronal Ölüm Diğer Hücreler Tarafından Sağlanan Faktörlerle Kontrol Edilir 292 Nörotrofin Reseptörleri 295 Apoptoz Hücre İçi Genetik bir Program ile Düzenlenir 296 Kaspazlar 296 Kaspaz İnhibisyonu 299 BCL-2 Proteinleri 300 Apoptotik Hücrenin Yutulması 302 Hücre Sağkalımını Teşvik Eden Sinyal İletici Yolaklar 302 Fosfatidilinozitol 3-Kinaz / Akt Sinyal İletimYolağı 302 Raf/MEK/ERK Sinyal İletim Yolağı 303 Apoptoz ve İnsan Hastalığı 305 Özet 306

İndeks 309

Katkıda Bulunanlar

Mustapha Bahassi, PhD (Bölüm 9) Hücre Biyolojisi, Nörobiyoloji ve Anatomi BölümüCincinnati Tıp Merkezi ÜniversitesiCincinnati, Ohio

Gail A.Breen, PhD (Bölüm 4)Moleküler ve Hücre Biyolojisi BölümüTeksas Üniversitesi, DallasRichardson, Teksas

John G.Burr, PhD (Bölüm 1)DoçentMoleküler ve Hücre Biyolojisi BölümüTeksas Üniversitesi, DallasRichardson, Teksas

Santosh R.D’Mello, PhD (Bölüm 10)ProfesörMoleküler ve Hücre Biyolojisi BölümüTeksas Üniversitesi, DallasRichardson, Teksas

Rockford K. Draper, PhD (Bölüm 4)ProfesörMoleküler ve Hücre Biyolojisi Bölümü ve Kimya

BölümüTeksas Üniversitesi, DallasRichardson, Teksas

David Garrod, PhD (Bölüm 6)Gelişim Biyolojisi ProfesörüHayat Bilimleri FakültesiManchester ÜniversitesiManchester, İngiltere

Steven R.Goodman, PhD (Bölüm 3)Deneysel Biyoloji ve Tıp’ın Baş EditörüC.L. ve Amelia Hayat Bilimi ProfesörüMoleküler ve Hücre Biyolojisi ProfesörüTeksas Üniversitesi, DallasRichardson, TeksasHücre Biyolojisi Misafir ProfesörüTeksas Southwestern Tıp Merkezi ÜniversitesiDallas, Teksas

xi

Frans A. Kuypers, PhD (Bölüm 2)Kıdemli BilimadamıÇocuk Hastanesi Oakland Araştırma EnstitüsüOakland, Kaliforniya

Eduardo Mascereno, PhD (Bölüm 8)Anatomi ve Hücre Biyolojisi BölümüNew York Devlet Üniversitesi-DownstateBrooklyn, New york

Stephen Shohet, MD (Klinik Vakalar)İç HastalıklarıSan Francisco, Kaliforniya

M.A.Q. Siddiqui, PhD (Bölüm 8)Anatomi ve Hücre Biyolojisi BölümüNew York Devlet Üniversitesi-DownstateBrooklyn, New York

Peter J. Stambrook, PhD (Bölüm 9)Hücre Biyolojisi, Nörobiyoloji ve Anatomi BölümüCincinnati Tıp Merkezi ÜniversitesiCincinnati, Ohio

Michael Wagner, Phd (Bölüm 8)

Anatomi ve Hücre Biyolojisi BölümüNew York Devlwt Üniversitesi- DownstateBrooklyn, New York

Danna B. Zimmer, PhD (Bölüm 7)Veteriner Patobiyoloji DoçentiVeteriner Tıp ve Biyomedikal Bilimler KolejiVeteriner Patobiyoloji BölümüTeksas A&M ÜniversitesiCollege Station, Teksas

Warren E. Zimmer, PhD (Bölüm 3, 5)Sistem Biyolojisi ve Translasyonel Tıp Bölümü Tıp

FakültesiSağlık Bilimi Merkezi, Teksas A&M ÜniversitesiCollege Station, Teksas

Önsöz

xiii

Tıbbi Hücre Biyolojisinin uzun zamandır beklenen üçüncü baskısı çıktı. İlk iki baskıdaki benzer vizyonu koruyarak, yaklasık 300 sayfadan oluşan bu kitaptada ilişkili tıbbi tu-tumla hücre biyolojisini öğretmeye devam etmektedir. Biz insana ve hayvan hücre biyolojisine odaklanma ve temel bilimin insan hastalıklarına olan ilişkisini açıklığa kavuş-turma ile bu işi tekrar başardık. Bu kitap için hedef okuyu-cularımız 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 be-nim dışımda, tamamiyle yeni bir yazar grubumuz var. Bu baskıda, herbir bölüm Amerika Birleşik Devletlerinin farklı bölgelerinde ve İngiltere de ikamet eden kendi alanların-daki 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 bö-lüm 10’a kadar herbir bölümdeki hücre biyolojisiyle ilgili tıbbi kısa hikayeler Dr. Stephen Shohet tarafından yazılmış-tır. Modern hücre biyolojisi ve tıbbı anlamak için genomiks ve protemiksin önemine vurgu yaptık. Birçok bölümümüz

içinde sistem biyolojisi yaklaşımını ele aldık. Örneğin, Bö-lüm 8, hücre sinyal olaylarında sinyali açıklamak için kalp ve kardiyak hastalıkları kullandık; Bölüm 9, hücre döngü-sü ve kanserde, kanser biyolojisine odaklanıldı; ve bölüm 10 programlanmış hücre ölümünde de hücre ölüm yolunu açıklamak için sinir bilimi ve nörolojik hastalıklardan bah-sedilmiştir. 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, yorumları-nızı değerlendiriyor ve içtenlikle karşılıyoruz; bütün bu yo-rumlarınız bize gelecek öğrenciler için her baskıyı daha iyi hazırlamamıza yardımcı olmaktadır.

Tıbbi Hücre Biyolojisinin üçüncü baskısındaki tüm ya-zarlara, bu özgün ve güzel kitabı oluşturmak için gösterdik-leri çabadan ötürü teşekkür ederim.

STEVEN R. GOODMAN

Çevirenin Önsözü

xv

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. Uma-rım; bu eser bilgisayar yazılım programlarından elde edilen

aşırı -ve devamı gelmekte olan- bilginin yarattığı kafa karı-şıklığını, temel neden-sonuç ilişkilerini analiz etme yetene-ğimizi arttırarak ortadan kaldırır.

Uzm. Dr. R. Özgür RostiTıbbi Genetik Uzmanı

Kadıköy, İstanbul2011

3. Bölüm

Hücre İskeleti

Ökaryotik hücrelerin hayret uyandıran bir özelliği; orga-nellerden yoksun olup sitozol içeren ürünlerin kabaca hüc-renin şeklini alması, hatta ürünlerin nasıl hazırlandığına göre hareket edip kasılmasıdır. Sitozolün yapısını devam ettirmesi, hücre iskeleti denen ve hücre sitoplazmasını boy-dan boya geçen kompleks protein filament ağı sayesinde-dir. Hücre iskeleti sadece yapısal bütünlük sağlayan pasif bir özellik değil, aynı zamanda hücre hareketi, hücre ya-pısındaki değişiklikler ve kas hücrelerinin kasılmasından- organelleri sitoplazmada bir yerden diğerine hareket ettir-meyi sağlar- sorumlu dinamik bir yapıdır. Ek olarak, yakın zamanlı çalışmalar hücre iskeletinin bir zamanlar sitoplaz-mada serbestçe dolaştığı sanılan proteinler ve ribonükleik asitlerin (RNA) özgün lokalizasyonları için bağlanma böl-geleri oluşturduğunu göstermiştir.

Şaşırtıcı şekilde hücre iskeletinin çoğu aktivitesi sadece üç ana tip protein topluluğuna bağlıdır: aktin filamentle-ri, mikrotubüller ve intermediyan filamentler (IF). Her tip filament veya mikrotubül protein monomerlerinin özgün birleşimiyle oluşmuştur. Hücre iskeleti yapılarının dinamik yapısı; protein topluluklarının uzunluklarını, hücre içinde-ki yerlerini ve protein kompleksleri, organeller ve hücre membranı ile birleşim için mikrotubül ve filamentler bo-yunca özgün bağlanma bölgelerini kontrol eden aksesuvar proteinlerden kaynaklanır. Protein filamentleri ve mikro-tubüller 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 filament-lerinin incelenmesinden başlayarak, anlatılacaktır. Başlan-gıçta kas hücresi kasılmasındaki bilinen rolleri irdelenecek; daha sonra membran iskelet kompleksindeki katkıları ve kas dışı hücrelerde oluşturdukları yapılardan bahsedilecek-tir. Hücre motililtesinden bahsederken, hücre iskeletlerinin değişik komponentlerinin esansiyel hücresel fonksiyonları-nı 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 sa-dece kas dokusuna özgü bir protein olduğu düşünülme-keydi. 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 bulunan-lardan farklıdır. İnsan ve hayvan hücrelerinde altı değişik aktin izoformu mevcuttur: iskelet kasında α- iskelet; kalp

59

60� �� ������� ��������

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 ör-tüşen 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 boya-nan 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 miyo-zin filamentlerinin birleştiği bölgedir.

Tüm bir A bant ve iki yarı I bant bölgesi içeren iki Z disk arası miyofibril segmentine sarkomer denir. Sarko-mer; miyofibrilin fonksiyonel kontraktil ünitesidir. Ka-lın miyozin filamentleri sarkomerin iki Z diskinden eşit uzaklıkta olan A bandını belirler. Sarkomerin ince fila-mentleri Z diskiyle birleşir ve açık boyanan I bant bölge-sinden parsiyel olarak A bant bölgesine uzanarak, burada kalın miyozin filamentleri ile birleşir. Z diski sarkomerin ince filamentlerini yapıştırma görevini üstlenir. Sarko-merin 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 ban-dın H zonundan yapılan enine kesit sadece kalın filament-leri 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 sarkome-rin esansiyel yapısal bir özelliği olup kasılma sırasında fi-lamentlerin 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 var-dır. 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 geç-miş G-aktin monomer zinciri bulunur. Heliksin bir tam turu 37 nm veya 14 G-aktin monomer uzunluğundadır (Figür 3-3).

kasında α- kardiyak; düz kas damarlarında α- vasküler; vi-seral 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 hı-zında çok fazla bir değişikliğe yol açmaz; ama özgün aktin bağlayan ve düzenleyici proteinlerin birleşimi için gerekli-dir (bölümün ilerleyen sayfalarındaki detaylı bilgilere ba-kınız).

Bütün hücrelerdeki aktin kökenli hücre iskeleti yapı-larında ortak bulunan diğer protein komponentleride ilk olarak kas dokusundan izole edilmiştir. Kas dokusunda, bu proteinler düzenli bir organizasyon göstererek kas hücresi-nin özgülleşmiş kasılma mekanizmasının meydana getirir. Bu yüzden, kas dışı hücrelerdeki aktin kökenli yapıları an-lamak için ilk önce aktin filamentleri ve eşlik eden protein-lerin kas hücrelerindeki rollerini inceleyeceğiz.

İskelet Kası, Kas Lifi Demetlerinden Oluşmaktadır

İskelet kasının organizasyonu moleküler seviyeden gros se-viyeye kadar Figür 3-1’de gösterilmiştir. İskelet kası, bir kaç santimetre uzunlukta olabilen uzun, silindirik ve çok çekir-dekli 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 oluş-turur; 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, mikros-koptan görüldüğü üzere, yapı ile fonksiyon ilişkisinin en iyi biyolojik örneğidir. Işık ve elektron mikroskoplarında izle-nen iskelet kasının uzunlamasına kesitleri sıralı bir bantlı

� ������������� 61

3-4). İlk evre üç G-aktin monomerinin bir aktin trimeri oluşturduğu lag fazı olacaktır. Bu yapı, polimerizasyon fazında aktin filamentine G-aktin monomerlerinin po-limerizasyonu 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;

Her G-aktin monomerinde bir aktin filamentine po-limerize etmek üzere bağlı bir adenozin trifosfat (ATP) molekülü bulunmaktadır. ATP hidrolizi aktin monomer-leri için yavaştır ama monomer aktin filamentine bağla-nınca 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

Kas fasikülleri(kas liflerinden oluşmuş)

Kas lifi (miyofibrillerden oluşmuş)

Z diski

Sarkomerdeki miyofilamentler

Aktin ince filamentler

A bandı

H bandı

M çizgisi

Sarkomer

I bandı

Z diski

Miyozin kalın filamentleri

Miyofibril (miyofila-mentlerden oluşmuş)

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.)

62� �� ������� ��������

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 sağlanmasay-dı, termodinamik olarak imkansız olan daimi hareketli bir mekanizma olacaktı. Ancak, her G-aktin monomeri-nin 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 sitoplazmaların-daki konsantrasyonu 100 μm’den fazladır ve bu da vücu-dunuzdaki tüm hücrelerdeki aktinin neredeyse hepsinin filamentöz aktin olduğunu düşündürür (çünkü bu artı veya eksi uçtaki kritik konsantrasyondan çok daha yük-sektir). Ancak, çoğu hücrenin G-aktin monomer havuzu sağlamak için bir mekanizması vardır. Peki neden böyle-dir? İkinci olarak, koşu bandı in vivo olarak görülür mü? Cevap, bu bölümde tartışacağımız gibi evettir.

F-aktin, iskelet kası ince filamentinin ana proteini ol-masına 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

Figür 3-2. İskelet kası elektron mikroskopisi. İskelet kas hücresinin uzunlamasına kesiti miyofibrillerden kaynaklanan düzenli çapraz-çizgi 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.)

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.

Aktin monomeri

ATP(filamentte ADP)

Eksi uç

� ������������� 63

İskelet kası ince filamentinin diğer bir majör aksesuvar proteini troponindir. Troponin üç polipeptid kompleksi-dir: troponin T (TnT), I (TnI) ve C (TnC). Bu polipeptid-ler troponin kompleksi içindeki belirgin fonksiyonları göz

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

Gecikme fazı

Zaman

Kararlı durum

Polimer

izasy

on fazı

Polim

er k

onsa

ntra

syon

u

Polimerizasyon

Monomerik veya globuler aktin

Filamentöz aktin

Tropomiyozin ve troponin Troponin kompleksi

TropomiyozinTropomodülin

İnce filament

• Z Başlığı

Z disk proteinleri• Z Başlığı• α-Aktinin

Tropomodülin

Tropomodülinα-Aktinin

• Z Başlığı

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.

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 α- aktin 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� �� ������� ��������

tır. Bu hidrofobik çizgiyi aköz çevreden uzaklaştırmak için iki α-heliks birbiri etrafına dolanacaktır. Miyozin mole-külü aynı zamanda Mr’leri 18 ve 20 kDa olan iki hafif zin-cire 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 ayrılabi-lir (Figür 3-6). Fizyolojik iyonik ortam ve pH’ye getirilen miyozin kuyrukları spontan olarak, iskelet kasıında bulu-nanlara benzer, kalın filamentler oluşturacaktır. SF1 başları kas kasılması için gerekli olan tüm ATPaz aktivitesini içe-rirler. Eğer pürifiye baş yapıları önceden oluşmuş F-aktin’e eklenip elektron mikroskopisi ile incelendiğinde SF1 frag-mentleri tümü bir yöne doğru olan ok başlarına benzer. Ok başlarının noktalı uçları filamentin eksi veya yavaş büyü-yen, dikenli uçları ise artı veya hızlı büyüyen yöne bakar (Figür 3-7).

Aktin filamentlerin miyozin SF1 fragmentleri ile et-kileşiminin polaritesi kas kasılması için önemlidir (Figür 3-7). Kalın filament oluşumu miyozin molekülünün kuy-ruk veya çubuk segmentinin ilişkisinden oluşur. Miyozin II’nin proteolitik ayrışmasıyla oluşan izole kuyruk domain-lerinin agregasyonu bu tezi destekler niteliktedir. Miyozin II ağır zincir dimerlerinin birleşimi çubuk benzeri kuyruk segmentlerin hidrofobik etkileşimleri nedeniyledir ve fila-mentlerin oluşumu sarmal miyozin II kuyruk domainleri arasındaki etkileşimlere bağlıdır. Kas dokusunda, 300-400 miyozin II dimerinin çubuk benzeri fibröz kuyrukları bir-leşerek 15 nm çapındaki bipolar kalın filamentleri oluştu-rur. Miyozin II kuyruk segmentlerinin birleşimi antiparalel miyozin II kuyruklarından oluşan santral zonu olan fila-ment oluşumuna neden olur (Figür 3-8).

Globüler miyozin II baş segmentleri filamentin termi-nal bölgesinde 14 nm aralıklarla helikal düzende öne doğru çıkıntı yaparlar. Daha sonra kalın filamentler daha yüksek bir yapı gösterir. Santral zon civarında simetrik olup fila-ment polaritesi santral zonun her iki tarafında bulunan glo-büler baş yapılarının düzenlenmesi ile belirlenir.

Aksesuvar Proteinler Miyofibril Mimarisinin Korunmasından SorumludurOmurgalıların 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 yapıla-rına yapışır. Bu, artı uçları Z diskinde ve eksi uçlarıda sar-

önünde bulundurularak adlandırılmıştır: TnT tropomiyo-zin bağlaması nedeniyle, TnI kasılmanın kalsiyum düzen-lemesindeki inhibitör rolü nedeniyle ve TnC’de kalsiyum bağlayıcı aktivite nedeniyle. Troponin kompleks uzun bir yapıya sahip olup I ve C alt üniteleri globüler yapı bölge-sini, T polipeptid ise uzun kuyruklu domaini oluşturur. T alt ünitesinden oluşan kuyruk domaini, ince aktin filament kompleksini sabitlediği düşünülen tropomiyozine bağla-nır. 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) tropomi-yozini bağlar ve aktin filamentlerin eksi ucunu kapatarak sarkomerdeki ince aktin filamentlerin uzunluğunu düzen-ler.

Kalın Filamentler Miyozin Proteininden Oluşur

Miyozin ilk defa kas hücrelerinde tarif edilmesine rağmen artık kas dışı hücrelerde de bulunan bir komponent oldu-ğu bilinmektedir. Çoğu hücrede, iskelet kası dahil, bulunan majör miyozin formuna iki globüler (baş) yapısı veya mo-tor domaini içerdiği için miyozin II denir. Miyozin II’nin yaklaşık 460 kDa’lık Mr’si ve 200 kDa’lık iki eş Mr ağır zin-ciri 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 ami-noasitte bir tam tur yaptığı için bu tarz bir tekrar yavaşça heliks etrafında dolanan hidrofobik bir çizgi oluşturacak-

Motor domain

+ Papain

Miyozin çubuğu

Miyozinbaşları

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.

� ������������� 65

komerin merkezi bölgesine uzanan ince filamentleri hare-ketsiz 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 böl-gesinin 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 protein-lerden biridir. Aktin filamentinin hızlı büyüyen veya artı ucuna bağlandığı için F-aktinin depolimerizasyonunu ve büyümesini engellediği düşünülür bu da miyofibril fila-mentlerinin oldukça stabil yapılar olmasını sağlar. Z diskin-deki lokalizasyonu Z başlığının Z diskindeki diğer prote-inlerle etkileşim yoluyla ince filamentlerin immobilizasyo-nuna 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 ter-minal domaini aktin filamentleri bağlayan ve çaprazlaştıran diğer hücre iskeleti proteinlerinin (özellikle spektrin süper-gen ailesinin üyeleri) NH2 terminal domainleri ile büyük benzerlik gösterir. Bu proteine aktin filamentlerinin yanı-na sıkıca bağlanma yeteneğini kazandıran ve Z diskindeki komşu ince filamentlerin demet oluşturmasını sağlayan α-aktinin’in NH2 terminal domainidir. Z diskinin kesin ya-

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

KuyrukBaşlar

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.

66� �� ������� ��������

Kas Kasılması Sarkomerde Kalın ve İnce Filamentlerin Birbirine Karşı Göreceli Olarak Kaymasını İçerir Kasılmış ve gevşek haldeki kasın elektron mikrografilerin-de sarkomer ve A ve I bantlarının ölçümleri kas kasılma-sının mekanizmasını kesin olarak ortaya koymuştur: İnce aktin ve kalın miyozin filamentleri kayarak sarkomer üni-tesi içinde birbirini paralel olarak geçmiştir. Bu ölçümler fi-lament uzunluklarının kas kasıldığında değişmediğini gös-termektedir; 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 değişmediğin-den, I bandının uzunluğundaki değişiklik sadece kısa fila-mentlerin kayarak kalın filamentlerin önünden geçmesiyle görülebilir. Bu yüzden, ince ve kalın filamentlerin sarko-merin merkezi çizgisine (M çizgisi) görece ters polariteleri kasılma sırasında, Z diskine bağlı ince filamentlerin ka-

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 pro-teindir (yaklaşık 3,5 milyon dalton) ve uzun immünoglo-bulin benzeri domainler içerir. Kalın miyozin filamentle-rini 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 diskin-den ince filamentlerin eksi uçlarına uzanan uzun ve bü-külmeyen 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 mo-nomerlerinin sayısını kontrol edebilir ve kas oluşumunda ince filamentlerin düzgün geometrik paternler halinde olu-şumunda yardımcı olabilir.

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.

Figür 3-10. Kas kasılmasının kayan filament modeli. Kas kasılması 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.

Sarkomer

H bandı

TitinNebulinZ diski

Gevşek

İnce filamentlerin hareketi

Kasılmış

� ������������� 67

ATP hidrolizi ile açığa çıkan enerjinin miyozin II baş gru-bunun 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 et-kileşimini kuvvetlendirir (3. basamak). Bu kuvvetli bağlan-ma miyozin II başında konformasyonel bir değişikliğe yol açarak aktin filamentini fiks miyozin II filamentine göre gö-receli olarak çeken ve kasılmaya yol açan bir “kuvvetli dar-beye” yol açar (4. basamak). Aktin-miyozin bağlantısının esnek olmadığı ve ince ve uzun filamentlerin hareket ede-rek birbirini geçemeyeceği bu basamağın ürününe rigor-kompleksi denir. Eğer kasın kullanabileceği ATP mevcut değilse (örneğin ölüm sonrası), kas sıkı aktin-miyozin etki-leşimine bağlı olarak rijit halde kalacaktır. Bu duruma rigor mortis denir. Normal şartlar altında, ATP molekülü bağ-lanmış ADP’nin yerine geçerek aktin filamentinin miyozin baş grubundan ayrılmasını sağlayacak ve etkin bir biçimde kası gevşeterek döngünün 1. basamağına dönüşü olası kıla-caktır. Yeni bağlanan ATP’nin hidrolizi kası daha sonraki miyozin-aktin etkileşimleri için hazır hale getirecektir.

Her miyozin-aktin etkileşim döngüsü ince aktin fila-mentinin yaklaşık 10 nm’lik hareketi ile sonlanır. İntakt kas liflerindeki hızlı kasılma oranlarına erişmek için filament-lerin organize hareketini sağlayacak çoklu miyozin II baş grubu etkileşim koordinasyonu ve bu etkileşimleri kontrol

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

Adenozin Trifosfat Hidrolizi İnce Filamentler ile Çapraz –Bağ Etkileşimleri için Gereklidir İskelet kası kasılması miyozin II baş gruplarının ince fila-mentler ile etkileşimini gerektirir. Bu etkileşimler, yüksek enerjili molekül ATP’nin globüler miyozin II baş domai-ninde bulunan ATPaz aktivitesi ile bağlanması ve hidrolizi ile kontrol edilir. Miyozin II ve aktin arası ATP’ye bağlı et-kileşimler Figür 3-11’de gösterilmiştir.

Miyozin II başı ATP molekülü bağladığında, miyozin-aktin etkileşiminde zayıflama olur. Miyozin II baş grubu-nun ince filamentlere bağlanmasında bir ayrışma görülür (1. basamak). ATP’nin ADP ve Pi’ye ayrışması yapısal de-ğişikliğe uğramış “aktive” bir miyozin II başı oluşturur. Bu oluşum miyozin II başının komşu ince aktin filamentine dik olmasını sağlayan molekülün esnek eklem bölgeleri ta-rafından kolaylaştırılır (2. basamak). Bu iki evre arasındaki değişim, ADP ve Pi’nin miyozin II başına bağlı kalması ve

Figür 3-11. Kasılma sırasında ATP’ye 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.

Geri dönüşümlü reaksiyon ATP hidrolizi ADP ve Pi miyozin başına bağlı kalır

Miyozin başı

Miyozin kalın filament

ATP

ADP

Pi salınımı aktin filamentinin sıkı bağlanması

ADP salınımı ATP bağlanması yeni siklus için hazırlık

Konformasyonel değişim

1. Basamak2. Basamak

3. Basamak4. Basamak

68� �� ������� ��������

Eğer aktin içeren ince filamentler, tropomiyozin ve tro-ponin, saflaştırılmış miyozine eklenirse miyozin ATPaz aktivitesinin uyarılması tamamen kalsiyumun varlığına dayalıdır. ATP’nin kalsiyuma bağlı hidrolizinin temeli ince filamentlerdeki tropomiyozin ve troponinin pozisyonu ne-deniyle oluşan aktin-miyozin etkileşiminin innhibisyonu-nun geri döndürülmesidir (Figür 3-12).

Çubuk benzeri her tropomiyozin molekülü yedi aktin monomeri ile temas halindedir ve F-aktin heliksinin oluk-larında yer alır. Tropomiyozinin moleküllerinin özgün bölgesine bağlı troponin kompleksi üç polipeptid içerir: TnT, TnI ve TnC. Uzamış TnT molekülü (Mr 37,000) tro-pomiyozinin 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 akti-ve edemez. TnI ile birlikte, TnC (Mr = 20,000) alt ünitesi troponin kompleksinin globüler bir domainini oluşturur. Kalsiyum bağlayan alt ünite TnC, intraselüler kalsiyum re-septör proteini kalmoduline benzer bir yapı ve fonksiyona sahiptir. TnC’nin kalsiyum bağlayan dört domaininin tü-müne kalsiyum iyonlarının bağlanması miyozin ATPaz’ın aktin aktivasyonunun TnI tropomiyozin inhibisyonunu serbest bırakır, böylece miyofibril kasılması gerçekleşebi-lir. TnC tarafından kalsiyum bağlanması tropomiyozinin aktin heliksin merkezine doğru tropomiyozinin hareket-lenmesine veya kaymasına neden olur. Buda aktin mo-nomerinin 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 filament-

edecek bir mekanizma olmalıdır. Her kalın filament çoklu miyozin II çubuk domainlerinin kümeleşmesiyle oluşur ve bu filamentin her iki tarafında yaklaşık 300-400 baş grubu-nun spiral şekilde öne çıktığı bipolar bir filament meydana gelir. Bu düzenleme kalın filamentin ince filament ile bir-den 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 (Fi-gür 3-11). Her miyozin baş grubu saniyede beş kere dön-güyü tamamlar; kalın miyozin filamentleri ile ince aktin filamentleri birbirine karşı yaklaşık 15 μm/saniyelik hızla kaydırır. Sarkomerler yaklaşık 20 milisaniye içinde uzun-luklarının yaklaşık %10’u oranında kısalır.

Filamentlerin miyofibril gruplarından kaymasını ve-rimli olarak koordine edip mekanik iş üretmeye yeterli kas kasılmasını sağlamak için geçici bir kalsiyum artışı miyo-zin 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 karış-tırıldığında miyozin ATPaz aktivitesi, reaksiyona kalsiyum eklenmesinden bağımsız olarak, maksimal oranda uyarılır.

Troponin

Tropomiyozin

KAPALI

AÇIK

AÇIK

Ca2+ yok

Aktin

Aktin

Tropomiyozin

KAPALI

Aktin filamenti

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.

� ������������� 69

ninde 2 mol kalsiyum birikir. Aktif transport mekanizması, istirahat halindeki kasta düşük kalsiyum iyon konsantras-yonunun korunmasından sorumludur. Aksiyon potansi-yeli 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 re-septörü 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 analoğu-dur (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 sarkoplaz-maya salınımıdır. Salınan kalsiyum ince filamentlerdeki

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

İskelet Kasındaki İntraselüler Kalsiyum Özelleşmiş bir Membran Kompartmanı olan Sarkoplazmik Retikulum ile Düzenlenir

İstirahat veya gevşek halde iskelet kas hücrelerindeki kal-siyum iyon konsantrasyonu oldukça düşüktür. Bu yüzden, kasta kasılma ve gevşeme periyodlarının olması için inter-nal kalsiyum iyon konsantrasyonunun düzenlendiği bir mekanizma olmalıdır. Dahası, iş yaratacak ortak kas kasıl-ması tüm lif ve fibrillerinin eş zamanlı kasılmasına bağlı-dır. 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 mi-yofibrillerin 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 invajinasyonla-rından oluşan ve transvers tubül (t-tubül) denilen özelleş-miş bir kanalın oldukça yakınındadır. T-tubülleri, komşu miyofibrillerden gelen terminal sisternalarla birlikte üçlü bir yapı oluşturur (Figür 3-13). Bu yapılar, eksternal stimu-lusun (motor nöronlardan gelen sinyaller) kas kasılmasına etki etmesi için önemlidir.

SR, toplam kas hacminin %1-5’ini ihtiva eden memb-ranöz bir kompartman oluşturur ve miyoplazma ve mi-yofibrillerden uzak bir kalsiyum iyon deposu olarak görev yapar. Kalsiyum iyon konsantrasyonunun korunmasındaki rolü; kalsiyum transportu için bir çok protein içermesi; si-tozolden SR lümenine kalsiyum pompalayan bir Ca-ATPaz pompası dahil; nedeniyledir. Kalsiyum pompasının ATPaz aktivitesi ile hidrolize olan her 1 mol ATP için SR lüme-

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.)

Z diski

A bandı

I bandı

Sarkoplazmik retikulumun terminal sisternası

ÜçlemeTransvers tubül

70� �� ������� ��������

Üç Tip Kas Dokusu Bulunur Önceki bölümde, iskelet kaslarında bulunan kasılma apa-ratlarına 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 orga-nizasyonu ve değişik kas hücrelerinde kasılmanın düzen-lenmesi ile ilgili temel farklılıklar mevcuttur.

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

troponin kompleksini bağlayarak kasılmayı stimüle eder. Kasılma sonrası, kalsiyum SR lümenine Ca-ATPaz tarafın-dan 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 pro-teinlerle 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 konsantras-yon gradyentini düşürmektir.

Plazma membranı

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.)

Sitoplazma

Ekstraselüler boşluk

Transvers tubülmembranı

Sarkoplazmik retikulum membranı

Sarkoplazmik retikulumun terminal sisternası

T-tubül voltaj duyarlı reseptör (DHSR)

SR Ca2+

kanal proteini (Riyanodin reseptörü)

Sarkoplazmikretikulum

Ca2+

ATPaz T-tubül

Kalsekuestrin

Riyanodinreseptörü

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

� ������������� 71

İntercalated diskin değişik bölgeleri özgün bileşke kompleksleri içerir (Figür 3-15). İntercalated diskin trans-vers (veya vertikal) kesitlerinde iki bileşke kompleksi bulu-nur. İlki bazen makula adherens de denen desmozomlar-dır. 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 de-ğişimi 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 BenzerKardiyak kas çizgili görünümünü kontraktil aparatusu oluşturan ince ve kalın filamentlerin dizilişine borçludur. Kardiyak kasın elektron mikroskopisi iskelet kasına benzer

diyak kasın çizgili görünümü kontraktil aparatustaki ak-tin ve miyozin filamentlerinin oldukça düzenli dizilimin-den kaynaklanır. Kardiyak kas görünüm olarak çizgili kasa benzesede bu iki kas tipini iki ana histolojik kriter ayırır.

İlk kriter hücredeki çekirdeklerin yerleşim yeridir. İs-kelet kasında çekirdekler sarkolemmanın altında hücre periferinde yerleşmişken kardiyak kasta çekirdekler hüc-renin 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 çekir-dekli bir füzyonu ile oluşur. Işık mikroskobunda intercala-ted 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 hüc-releri 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.

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.

Fasya adherens1. Hücre

Mitokondri

Gap bileşke

Dezmozomlar (maküla adherens)

72� �� ������� ��������

Kardiyak kas kalın filamentler miyozin II’nin kardi-yak 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 çu-buk benzeri bir kuyruk domaini birlikteliği ile birleşir ve NH2 uçlarında globüler bir baş domaini biçiminde katlanır. Molekülün baş segmentine bağlı bir polipeptid ile 18,000-20,000 Mr çiftleri olan dört hafif zincir içerir. Kardiyak mi-yozin 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 kardiyomiyopa-ti 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 bulu-nan 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 fila-ment dizilimi vardır ve kardiyak kastaki kasılma veya çap-raz bağlanma ince filamente bağlı troponin-tropomiyozin kompleksinin Ca’u ile düzenlenir. Kardiyak alfa aktindeki defektler ailesel dilate kardiyomiyopatiye neden olur. Di-late 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

Düz kaslar; küçük kan damarlarının duvarlarında 20 μm uzunluktan bağırsakta 200-300 μm uzunluğa kadar deği-şebilen bireysel hücrelerden oluşmuştur. Düz kas hücresi fusiform şekil ile karakterizedir. Hücreler orta bölümün-de en kalındır ve uçlara doğru incelir. Düz kaslar; hücre-hücre 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 engelle-mede yardımcıdır. Düz kas hücreleri düzenli kalın ve ince filamentler içermez; bu yüzden çizgili görünmezler. Düz kas hücre elektron mikrograflarında koyu cisimler olarak

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 ak-tin filamentleri içerir ve aktin filamentlerinin tutunduğu Z diski tarafından ikiye bölünür. Kardiyak hücrelerdeki mi-yofilament yapısındaki bir farklılık, iskelet kas hücreleriyle karşılaştırıldığında, intercalated disk bölgesindeki bazı ak-tin ince filamentlerin sonlanmasıdır (Figür 3-16).

İntercalated diskin transvers segmentindeki fasya ad-herens kompleksi hücre periferinde aktin ince filamentleri tutmada görevlidir. Bu bileşke kompleksinin nasıl bağlan-dığı 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.

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.)

� ������������� 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 yapıla-ra, kalsiyum düzenleyici protein olan troponinin düz kasta bulunmaması dışında, sahiptir. Aktin ve tropomiyozinin hücredeki yoğunluğu düz kasta (yaklaşık iki kat) daha faz-ladır. 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 cisim-lerde 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 birbi-rine yaklaşmasını sağlar. Bu durum, plazma membranının içe doğru çekilerek hücreyi yeniden şekillendirip enerji açı-

adlandırılan sayıca çok koyu boyanan bölgeler hücre sitop-lazmasında çokça bulunur. Koyu cisimciğin majör prote-in komponenti aktin bağlayan protein olan α-aktinin’dir. Buda iskelet kasındaki Z diski ile benzer bir fonksiyon gös-terdiklerine işaret eder. Gerçektende ince aktin filament-leri koyu cisimlere yapışık olarak bulunur. Proteinlerin IF sınıfına dahil iki protein olan desmin ve vimentin, düz kas hücrelerinde yüksek derecede eksprese olurlar. Bu protein-lerden oluşan filamentler bu hücrelerde belirgindir ve koyu cisimler ile hücrenin iskelet ağı arasında bağlantı oluştur-duğu 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 Membrandan yoğun alan

Kalın filament

KontraksiyonMekanik birleşke eşli hücreler

Yoğun cisimler

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� �� ������� ��������

polar filamentler oluşturmak üzere serbestleşmesi baş do-main 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 kon-santrasyonunda mikromolar artışlar gereklidir. Düz kas kasılmasının Ca kontrolü miyozin molekülünün fosfori-lasyonundaki değişiklikler ile mümkündür. Düz kas ka-sılmasının kontrolünün miyozine bağlı olduğu söylenir. Stimüle edildiğinde, düz kas sitoplazmasındaki Ca kon-santrasyonu artar ve salınan Ca ilk olarak Ca bağlayıcı pro-tein olan kalmodülin ile karşılaşır. Kalmodülin tüm hüc-relerde bulunur ve modülatör bir proteindir. Kalmodülin molekülünün enzimatik aktivitesi yoktur ama etkilerini

ğa çıkarması nedeniyle düz kas kasılması için elzemdir. Bir-kaç hücredeki şekil değişikliği düz kas kasılması için gerekli enerjiyi ortaya çıkaracaktır.

Düz kastan izole edilen miyozin çizgili kastan elde edi-lenden farklı özelliklere sahiptir. İskelet kası gibi düz kas miyozinide iki ağır zincir ve dört hafif zincirden oluşur. Miyozin hafif zincirlerinin iki polipeptidide düz kas miyo-zininin globüler baş domainleri ile ilişkilidir. Ancak, düz kas miyozini sadece belirli şartlar altında filament oluştu-rur. Düz kastan izole edilen miyozin defosforile edildiğinde tamamen çözülebilir durumdadır. Çözülebilir miyozinin sedimentasyon testleri ve elektron mikroskopisi ile anali-zi 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-

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.)

İnaktif durum:Hafif zincirler fosforile değil

Aktif durum:Hafif zincirler fosforillenmiş

Miyozinhafif zincirler

Akitin-bağlayıcı bölge

Miyozin hafif-zincir kinaz

Spontanbirleşme

15-20 molekülün bipolar filamenti

Miyozin kuyruk salınmış durumda

� ������������� 75

olarak aktin ince filamentlerdeki kaldesmon blokajını kal-dırarak; düzenler. Ca-kalmodülin ile bu ikili kontrol hüc-renin 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 sitoplaz-mada oluşur ama polimorize olmayan miyozin ve G-aktin havuzları ile dengededir. Kas dışı kalın filamentler iskelet kasındakinden daha kısa olmasına rağmen, aktin ve mi-yozin 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 çiz-gisindeki sitoplazmik membran yüzeyinde kontraktil halka oluşur. Bu kontraktil halka kasılarak (bel etrafında sıkılmış bir kemer gibi) ayrılan iki hücre arasında bir yarık oluştu-rur. 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 mi-yozin filamentleri ATP hidrolizinden ortaya çıkan enerjiyi kullanıp bölünen hücreyi halter şekline sokan bir kasılma-ya 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 çev-releyen ekstraselüler matriksi sentezleyen ve proteinleri ile temasta olan hücrelerdir. Fibroblast plazma membranı ekstraselüler matriks proteinleri ile fokal temas veya adez-yon plakları; doku kültüründe ve bağ dokusunda; denilen yerlerde temas eder. Bu temas noktalarında, integrin aile-sinin integral transmembran bir proteini fibronektin gibi bir ekstraselüler matriks proteinine dış hücre yüzeyinde bağlanır; bu etkileşim plazma membranını dışa doğru çe-ker. İntegrinler, çeşitli alfa ve beta alt üniteleri izoformaları içeren heterodimerlerdir ve kombinasyon çeşitli ekstrase-lüler 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 bir-birine geçmiş aktin demetleri içerir ve bunlar paralel bir şekilde birbirine bağlanmıştır. Stres lifleri, integrinleri talin

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). Ca-kalmodülin olmadan, SmMHZK inaktif bir durumdadır. Ca-kalmodülinin bağlanmasından sonra, SmMHZK aktif-leşir 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 zin-cirlerinin fosforilasyonu düz kasta siklus ve çapraz bağ olu-şumu için gerekli bir olaydır. Gevşeme sırasında, Ca iyon konsantrasyonu azalır ve net defosforilasyon oluşur. İnt-raselüler Ca konsantrasyonundaki azalma SmMHZK’nin inaktivasyonuna neden olur (Ca-kalmodülin bağlanma-sının geri dönüşümüyle). Miyozin hafif zinciri defosforile eden fosfataz enzimlerinin düzenleyici aktivitesi iyi bilin-memektedir.

Düz Kas Kasılması Bir Kaç Seviyede Etkilenebilir

Değişik kaynaklarla- nöronal ve hormonal girdiler- stimüle edilebildiğinden düz kas kontraksiyonları bir kaç meka-nizma ile düzenlenebilir. Bunlar; cAMP, diacilgliserol ve kaldesmon proteini ile düzenlemeyi içerir (Figür 3-19). Bu yolaklardan her biri negatif düzenleyicidir; düz kası gev-şek durumda tutarlar. Örneğin; düz kas hücreleri üzerin-deki 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 fosforilas-yonu kinazın Ca-kalmodülin kompleksi için düşük afinite-ye neden olur. Sonuç olarak, SmMHZK miyozini fosforil-lemez 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 ak-tivasyonu SmMHZK’yı fosforillemesini ve inaktif durumda kalmasını sağlar.

Kontraksiyonun hormonal düzenlemesine ek olarak, düz kas hücreleri aktin ince filamentlerle etkileşerek kasıl-mayı etkileyen Ca bağlayıcı proteinler içerir. Kaldesmon uzamış bir kalmodülin bağlayıcı proteindir. Ca yokluğun-da, kaldesmon düz kasın aktin filametlerine bağlanarak ak-tin ve miyozin etkileşim kabiliyetini sınırlayacaktır. Artmış Ca konsantrasyonu varlığında, Ca-kalmodülin kompleksi kaldesmona bağlanır ve proteinin ince filamentlerden sa-lınmasına yol açar. Yani, Ca-kalmodülin kompleksi düz kasta kasılmayı; miyozin baş grubu fosforilasyonu ve ek

76� �� ������� ��������

Ca+2 KALMODÜLİN DÜZENLENMESİ DİACİLGLİSEROL-İLİŞKİLİ DÜZENLEME

KALDESMON DÜZENLEMESİ

Miyozin HZ kinaz inaktif

Ca+2

Kalmodülinkompleksi

Ca+2 -kalmodülin

Miyozin HZ kinaz - Ca+2 kalmodülin

(aktif )

Gevşeme KasılmaMiyozin HZ

(inaktifi aktine bağlanmaz)

Miyozin HZ(aktifi aktine bağlanabilir)

Fosfataz

Fosfataz

cAMP-İLİŞKİLİ DÜZENLEME

Epinefrin

Protein kinaz •R(inaktif )

β-adrenerjikreseptör

Adenilatsiklaz

Protein kinaz(aktif )

Kasılma Gevşeme

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

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

Gevşeme

Miyozin HZ

Ca+2 +diacilgliserol

Miyozin HZ-Py (inaktif; aktine bağ-

lanmayı inhibe eder)

Protein kinaz C (inaktif )

Miyozin HZ kinaz

Gevşeme

Kasılma

Kaldesmon

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

Protein Kinaz C(aktif )

Aktin-tropomiyozin (aktif; miyozine bağlanabilir)

Aktin-tropomiyozin •kaldesmon (inaktif; miyozine bağlanmaz

Ca+2 kalmodülin •kaldesmon

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.)

� ������������� 77

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 SorumludurGünümüzde geniş bir miyozin ailesinin olduğunu bilmek-teyiz. İnsan genomu 40 miyozin geni içermektedir. Tüm bu miyozinlerde ortak olan ise korunmuş bir motor domain-idir. Tümünün kuyruk domainleri farklıdır ve bu özellik herbirine değişik fonksiyonlar kazandırmıştır. Dört miyo-zin 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 sade-ce bir motor baş grubu ve kısa bir kuyruğu olduğu için al-mıştır. 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

ve vinkulin denilen adaptör proteinler ve artı uçlu başlıklı proteinler aracılığıyla bağlar. Yinede, fokal temas noktasın-da plazma membranına ve fibroblastın substrata yapışma-yan tarafındaki artı uç başlıklı proteinlere bağlanan aktin demetinin artı ucudur. Stres lifleri aynı zamanda kısa mi-yozin filamentleride içerir ve aktin demetleri üzerine kont-raktil 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 ak-tin ve miyozin filamentleridir. Karakteristik olarak epitel-yal hücrenin sıkı bağlantısının alt kısmında lokalizedirler. Epitelyal hücre tabakasındaki komşu hücreler; uvomorulin veya E-kadherin denilen Ca’a bağlı transmembran bir pro-tein aracılığıyla 15-20 nm aralıklarla sabitlenmiştir. Uvo-morulin; aktin bağlayan proteinler olan α-aktinin ve vin-kulin aracılığıyla sitoplazmik membran yüzeyinde yapışma kemeri oluşturan aktin filament demetlerinin kenarlarına-da bağlanır. Miyozin filamentleri ve çevresindeki F-aktin kasılarak insan gelişimindeki önemli bir proçesi kontrol ederler: epitelyal hücrelerin tüp şeklinde katlanması. Nöral

Figür 3-20. Kas dışı aktin ve miyozinin kontraktil fonksiyonları 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.

Kontraktil halka

α-aktin

Adaptör kompleks vinkulin, talin

İntegrin heterodimer

Matriks proteinlerini bağlayan

Fokal adezyon

Plazmamembranı

Sitozol

Aktinfilament

78� �� ������� ��������

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 spekt-rin), veya kısa miyozin filamentleri komşu aktin çekirdek demetlerine dik uzanır ve bunlara bağlanır. Çekirdek demet-lerinin spektrin II ve miyozin ile olan bağlantıları mikrovil-lusların 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-

iki başı vardır ve veziküler ve organel transportunda görev-lidir. 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 için-de aktin yollarında değişik kargoların taşınmasını müm-kün kılar.

F-Aktin Demetleri Epitelyal Hücrelerin Mikrovillusları için Yapısal Bir Destektir Vücut, iç organlar, vücut boşlukları, tüp ve kanalların yü-zeylerini kaplayan epitelyal doku, apikal yüzeyinde mikro-villus denilen çok sayıda parmak benzeri çıkıntılara sahip emici hücreler içerir. Bu mikrovilluslar, epitelyal hücre-nin 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 20-30 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 pro-teinler 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 konsantras-yonlarında, aktine zarar verici bir özelliğe bürünür (Bu pro-tein grubundan ilerleyen bölümlerde bahsedilecektir). Aktin demetleri artı uçlarından mikrovillus plazma membranının ucuna tanımlanmamış proteinler aracılığı ile bağlanmıştır. Aktin demetlerinin mikrovillusların plazma membranının

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).

Motor domain

Miyozin tipine bağlı genel yapı

MikrovillusPlazma membranı

Aktin

Villin

Miyozin I ve kalmodulin

Fimbrin

Spektrin II

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.

� ������������� 79

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 proteinle-rinin 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 uçla-rına bağlanamaz. Aktinin hızlı polimerizasyonu gerektiğin-de; örneğin motil bir hücrenin öndeki ucunda; aktive profi-lin 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 doma-inlerine bağlanır. Profilinin bağlanması G-aktinde konfor-masyonel bir değişiklik oluşturur ve yarıklanma bölgesi iyice açılarak daha hızlı ATP-ADP değişimi yaratır. ATP’nin bağlı olduğu G-aktinin lokalize salınımı hızlı polimerizasyona ola-nak sağlar. Profilin fosforilasyon ile ve inositol fosfolipidlere bağlanarak aktive olur. Figür 3-23 timozin ve profilin fonksi-yonunun bir özetini sunar.

Hücre Hareketi Aktin Dinanmiklerinde Koordineli Değişiklikler GerektirirHücrelerin hareketi veya hücre hareketi insan gelişimi için gereklidir. Çoğu hücre embriyogenez sırasında hare-ket eder. Hareketli aksonların önde giden uçlarındaki bü-yüme 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 bölgelerin-den hareketle komşu dokulara invaze olup kan damarla-rına 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 hüc-renin kuyruğunun beraberinde çekilmesidir (Figür 3-24).

fiye olacak diğer bölgelere sahiptir. Sitoplazmanın gel-sol değişimleri hücrelerin şeklini değiştirmek ve hareketlerini kontrol etmek için gereklidir. Sitoplazmadaki gel-sol deği-şimi aktinin dinamik durumu ve aktin bağlayıcı proteinler ile etkileşimi ile düzenlenir.

Örneğin, plazma membranının tam altındaki kortikal sitoplazmada, hücre sitoplazmasının bu bölümünden or-ganelleri uzak tutan kalın ve üç boyutlu bir aktin filament matriksi vardır. Uzun aktin filamentleri birleşme eğilimin-de olup oldukça visköz bir solüsyon oluşturur. Ancak, kor-tikal sitoplazmada bu aktin filamentleri uzun, fibröz aktin çapraz bağlayıcı proteinlerle üç boyutlu bir şebekeye dönü-şür. 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 lo-kal 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-4,5-bifosfat (PIP2) ile etkileşim sonucu aktin filamentlerinin artı ucundan ayrılır. (Bu daha sonra Aktin Dinamik Dü-zenlenmesi 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 fila-mentlerin yanlarına bağlanır. Sonuç olarak, bu kasılı aktin filamentleri mekanik stresle daha kolay parçalanır ve aktin büyümesini hızlandırmak için yeni artı uçlar meydana ge-tirir.

Kas dışı hücrelerde aktin konsantrasyonu 50-200 μM olup F-aktinin artı ve eksi uçları için gereken kritik konsant-rasyondan çok daha fazla isede çoğu hücrelerde aktinin sade-

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

AKTİN-PROFİLİN KOMPLEKSİ

AKTİN-TİMOZİN KOMPLEKSİ

Serbest aktin monomeri

Profilin

Timozin

Aktin filamenti

80� �� ������� ��������

yede, lamellipod artı uçları plazma membranından dışarı doğru çıkan dallanmış aktin ağı tarafından ileri doğru itil-mektedir (Figür 3-26).

Bunun aksine filopod, artı uçları filopod ucu ile ilişkili olarak polimerize olan demet halindeki paralel aktin fila-mentlerinden oluşur. Aktin filamentleri filopodun içinde aktin demetleyen protein olan faskin tarafından demetlen-miştir. Bunun sonucunda, hücre ilerlerken dokungacı ola-rak 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 fila-mentlerini fokal temas noktalarına bağlarlar.

Hücre hareketinin alternatif bir formu amibik hareket-tir. 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 psö-doplastik 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-

Plazma membranının çıkıntıları arasında; kağıt ben-zeri projeksiyonlar olan lamellipod, hücrenin ileri ucunda dik ve dar projeksiyonlar olan filopod veya mikrodikenler vardır. Lamellipod ve filopodlarda, iki proçes meydana gel-mektedir. Artı uçta, membran ile ilişkili olan ve onu öne iten, aktin filamentinin hızlı polimerizasyonu gerçekleşir-ken hücrenin arka tarafında miyozin II’ye dayalı kasılma proçesine dayalı aktin filamentler retrograd akımı gerçek-leşir. Artı uçtaki polimerizasyon retrograd akımdan daha hızlı ise hücre ileri doğru hareket eder. Her ikisi dengedey-se 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 etkile-şim içindedir. Forminlerin iki aktin bağlayıcı domainleri olup yeni aktin monomerleri eklendikçe artı uca ilerlerken aktin filamentine bağlı kalır. Dallanma Arp 2/3 kompleksi-ne 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 büyüme-sini hızlandırır. Arp 2/3 kompleksi tarafından oluşturulan dallar, orijinal filamente göre 70 derecelik açıdadır. Bu sa-

Hareketin yönü

Lamellipod

SubstratumAdezyon lifleri

Arkada giden uç

Önde gidenuç

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.

HAREKETSİZ:Polimerizasyon ve retrograd akım dengeli

Miyozin

F-aktinG-aktin

Lamellipod

Miyozinin desteklediği aktinin

retrograd akımı

Substrat

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

Substratİntegrin ile substrata

stabil yapışma

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.)

� ������������� 81

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

Aktin’e Dayalı Fonksiyonun İnhibitörleri Değişik küfler tarafından salınan bir kimyasal grubu olan sitokalazinler hücre hareketini engeller. Sitokalazinler mik-rofilamentlerin artı ucuna bağlanır ve hücre motililtesi, fa-gositoz, mikrofilamentlere dayalı organel ve vezikül ulaşımı ve lamellipod ve mikrodiken oluşumunu inhibe eder. Bir deniz süngeri ekstresi olan lantrunkulin aktin monomer-lerine bağlanarak stabilizasyon sağlar. Sonuç olarak aktin filamentleri depolimerizasyona uğrar. Lantrunkulin’in ak-tine bağlı fonksiyonlarda sitokalazinlerinkine benzer etki-leri 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 ge-rekli olduğunu gösterir.

AKTİN BAĞLAYICI PROTEİNLERFigür 3-27 ve Tablo 3-1’de aktin ile etkileşime giren de-ğişik proteinlerin fonksiyonları özetlenmiştir. Hücre içi aktine dayalı birleşimlerden (hücrenin sitoplazmasındaki) bahsetmiştik; şimdi aktin filamentlerinin hücre membra-nının sitoplazmik yüzeyine bağlandığı iki tip mekanizma-dan bahsedeceğiz. İlk önce, ERM ailesi aracılığıyla bağlan-ma ve daha sonra spektrin membran iskeletinde bulunan ilişkiler.

ERM Ailesi Aktin’in Plazma Membranının Sitoplazmik Yüzeyi ile Uçuca Bağlantısına Aracılık Eder Protein 4.1 ilişkili proteinlerden ERM ailesi (ezrin, radik-sin ve moesin), aktin filamentlerini bir çok hücre tipinin plazma membranına bağlar. Aktive ERM proteinlerinin C-terminal domaini önceden oluşmuş aktin filamentleri-nin kenarına bağlanır ve N terminal domainide CD44 gibi transmembran proteinlerinin sitoplazmik domainine (hya-luronan reseptörü) bağlanır (Figür 3-28).

ERM proteinindeki merlin denilen defektler; duyu si-nirlerinde ve sinir sisteminin diğer bölgelerinde birden çok benign tümörün görüldüğü nörofibromatozis hastalığına neden olur. ERM etkileşimleri fosforilasyon veya PIP2’ye bağlanma ile kontrol edilir.

nıda sağlar. Artmış lokal kalsiyum konsantrasyonlarına bağlı olarak, aktin filamentlerinin gelsolin tarafından zarar görmesi gel-sol dönüşümüne neden olur. Bu işlemin tersi olan sol-gel dönüşümüde aktin polimerizasyonu ve çapraz-bağlanma ile oluşur.

Vücut ve embryo hücreleri yönsel hareket özelliği gös-terir. Bu hareket, hücre yüzeyi tarafından tanınan difüzyon özelliği olan moleküllere bağlıdır. Bu moleküllere, hücre-nin 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 bak-teriyel enfeksiyona doğru hareketidir. Nötrofillerin yüze-yinde düşük seviyelerde N-formüle peptidleri algılamasını

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

Plazma membranı

Aktin-ADP Aktin-ATP

Formin

ARP 2/3kompleksi

82� �� ������� ��������

SPEKTRİN MEMBRAN İSKELETİİlk önce eritrositlerde tarif edilen ama günümüzde eritroid seride olmayan hücrelerde de var olduğu bilinen spektrin membran iskeleti hücre şekli ve membran stabilitesini ida-me ettirmede ve lateral mobiliteyi ve biyolojik membran-lar içerisindeki transmembran proteinlerinin pozisyonunu kontrol etmede gereklidir.

Eritrosit Spektrin Membran İskeletinin Yapı ve Fonksiyonu Detaylı bir Biçimde AnlaşılmıştırSpektrin membran iskeleti ilk olarak memeli eritrosi-tinde tanımlanmış ve en iyi biçimde bu ortamda anla-şılmıştır. İnsan eritrositinin spektrin membran iskeleti

Polimerizasyon inhibe edici protein

Aktin alt üniteleri

Aktin flamentler

Stabilize edici protein

Kasılma yaratan protein

Çapraz bağ yapan protein

Demet yapan protein

Kesici protein

Kaplayıcı proteinler

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.)

Protein Fonksiyonlar

Tropomiyozin Filamentleri stabilize ederFimbrin, α-aktinin, villin Filamentleri demet haline getirirFormin, Arp 2/3 Polimerizasyonu arttırır ve

dallanma oluştururFilamin Filamentleri çapraz olarak bağlarSpektrin I/II Membran iskeletindeki

filamentleri çapraz olarak bağlarGelsolin Filamentleri parçalarMiyozin II Kastaki filamentleri kaydırırMiyozin I Veziküldeki filamentleri

hareketlendirirZ başlığı Filamentlerin artı ucunu sararProfilin, timozin Aktin monomerlerini bağlar

TABLO 3-1. Aktin Bağlayıcı Proteinler

Dallandırıcı protein

� ������������� 83

Protein 4.1 ve addusin’in sırasıyla A kinaz ve C ki-naz ile fosforilasyonu, spektrin-4.1-aktin ve spektrin-addusin-aktin üçlü komplekslerinin oluşumunu azaltır. Yakın zamanlı bir çalışmada, Goodman ve arkadaşları α-spektrinin E2/E3 ubikitini ve diğer başka proteinle-ri, tetramerin kuyruk bölgelerinin yakınlarında, konjü-ge edici ve bağlayıcı aktiviteleri olduğunu göstermiştir. α-spektrinin C-terminal kuyruk bölgesinin ubikinasyonu bu üçlü komplekslerin afinitesinide azaltır. Daha sonra-dan anlatılacağı gibi, bu olay, spektrin ubikinasyonunun seviyesinin oldukça düşük olduğu, orak hücreli anemili hastaların eritrositlerinde önemlidir.

Spektrin membran iskeleti eritrositin normal bikon-kav şeklinden sorumlu olduğu için bu proteinlerdeki ge-netik 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, hafif-orta bir düşüklük vardır. Az sayıda HS hastasında protein 4.1’e bağlanamayan defektif spektrin molekülü olup sta-bil spektrin-4.1-aktin kompleksi oluşturulamaz.

eritrositin bikonkav şeklini korur, elastisite ve esneklik özelliklerini kazandırır, plazma membranını stabilize eder ve integral membran proteinlerinin lateral hareke-tini kontrol eder. Bunlar 2 μm kadar küçük çaplı kapil-lerlerden geçerken sürekli şekli bozulan 8 μm çaplı bi-konkav bir disk için önemli özelliklerdir. İskeletin ma-jör proteinleri spektrin I, protein 4.1 (sodyum dodesil sülfat-poliakrilamid jel elektroforezindeki [SDS-PAGE] göçe dayalı isimlendirme) ve aktindir. Spektrin I, yak-laşık 280 (α) ve 246 (β) kDa’lık iki büyük alt üniteden oluşur. Spektrinin en basit formu antiparalel bir αβ he-terodimerdir; 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 yüze-yini 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 kap-lanmıştır. Her protofilament heksagonal düzende altı spektrin tetrameri bağlar. Spektrin-F-aktin kompleksi, aynı zamanda spektrin tetramerinin uçlarınada bağla-nan protein 4.1 ve addusin ile stabilize edilir. Spektrin iskeleti ikili tabakaya iki tip bağla bağlıdır. Ankrin de-nilen periferal bir protein spektrin β alt ünitesine hete-rodimerlerin bileşkesel uçlarından bağlanır ve spektrini bant 3’ün sitoplazmik NH2-terminal domainine bağlar. Protein 4.1, spektrin-aktin etkileşimini stabilize etme-sinin yanısıra, glikoforin ailesinin bir üyesine bağlanır ve çiftli tabakaya bir link olarak işlev kazanır. Membran iskeletinin yapısı Figür 3-29’da gösterilmiştir.

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.

Plazma membranı

Sitozol

İnaktif katlı konformasyon

PIP2 bağlanmasının fosforilasyonu

ERM-ilişkili bağlanma

Membran bağlayıcı domainα-Helikal domain

Sinyalkaskatları

Aktif uzamış konformasyon

Transmembran protein

Aktin-bağlayıcı domain

Aktin flamenti

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

������

84� �� ������� ��������

Spektrin

Ankirin

Addüsin

Anyon transport

kanalı

Aktin

Ankirin Spektrintetrameri

Addusin ve aktinBant 4.1

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

� ������������� 85

Eritrositlerin eliptik ve frajil olduğu herediter eliptosi-tozda, en sık görülen defekt tetramer oluşturamayan spekt-rin dimeridir.

Orak hücreli anemideki primer genetik defekt hemog-lobin molekülündedir. Orak hücrelerin bazılarının dönü-şümsüz olarak oraklaşmaları, orak hücre krizine yol açan majör faktörlerden biridir. Geri dönüşümsüz olarak orak-laşmış hücrenin moleküler bulguları: (1) β aktin’de disülfit köprüsünün oluştuğu posttransyonel modifikasyon- ya-vaş depolimerize olan aktin filamentlerine yol açar; ve (2) spektrinin azalmış ubikinasyonu- spektrin-4.1-aktin ve spektrin-addusin-aktin üçlü komplekslerinin yavaş dağıl-masına 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 sade-ce eritrositlerde bulunan komponentler olduğu düşünül-mekteydi. 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 önem-li bir soruyu beraberinde getirdi. Eritroid dışı hücrelerde,

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.

Sferositoz’un Hücre Biyolojisi, Tanı ve Tedavisi

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.

86� �� ������� ��������

ranının aktif zonuna bağlamak, internal depolardan kalsi-yum 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 es-nek 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 içermeme-leri 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 ben-zerlik 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

spektrinin yanı sıra ankrin ve protein 4.1’inde membran-larda bulunduğu ortaya kondu. İki memeli α spektrin geni ve beş β spektrin geni tanımlanmıştır. Dahası, iki eritro-id dışı spektrin izoformu ayrıntılı biçimde tanımlanmış-tır. İzoformlardan biri eritroid β spektrin’in alternatif olarak kırpılmış bir formuna bağlanmış α spektrin içerir (β-spektrin 1Σ2). Bu izoform; beyin, iskelet kası ve kardi-yak 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 muhte-melen membran konturlarını ve stabilitesini kontrol eder. Ancak, eritroid dışı spektrinler, bu tarz hücrelerin sitop-lazmasındaki multi fonksiyonel çapraz bağ yapıcılarıdır. Spektrin II, aynı zamanda epitelyal hücre sitoplazmasının terminal ağ bölgesindeki aktin köklerini çapraz bağlar. Nö-ronlarda, spektrin I ve II aktin filamentlerinin sitoplazma-daki sinaptik veziküllere, organellere, nörofilamentlere ve mikrotubüllere bağlar. Presinaptik terminaldeki sinaptik vezikül-spektrin etkileşimi sinaptik ileti için merkezidir. Spektrinler ve eritroid dışı hücrelerdeki bağlantı eşleri; kü-çük küresel sinaptik vezikülleri presinaptik plazma memb-

Normal eritrosit Geri dönüşümsüz orak hücre

Aktin

α-spektrin

Ubikuitin

Addusin

Beta aktin ISC beta aktin

Ubikuitin

Alpha-Sp21

β-spektum

Figür 3-31. Geri dönüşümsüz orak hücrenin (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.)

Protein 4.1

� ������������� 87

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.)

Aktin Ankirin α-Bileşke

Heliks B’

Heliks A’

Heliks B

Heliks A

Heliks C

Heliks C’

Bağlantı bölgesi

β-spektrin II

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.

������������� ���

88� �� ������� ��������

nin fosforilasyonu olduğu kadar kırmızı hücre membran iskeletindeki spektrinin ubikuitasyonu ilede düzenlendi-ğinden bahsetmiştik. Sitoiskelet içeren hücrelerdeki aktin dinamiklerinin düzenlenmesi çok daha komplekstir.

Bölüm 8’de tartışıldığı gibi fosfatidil inositol ve türev-leri hücre sinyal ileti kaskatları ile ilişkilidir. Bir kaç aktive kinaz fosfatidil inositolü PIP2’ye çevirir. PIP2; aktin mikro-filament polimerizasyonu, depolimerizasyonu, aktin bağla-yıcı proteinlerin yapışması ve gelsolin ile yarıklanma için anahtar düzenleyicidir. PIP2 plazma membranının sitop-lazmik yüzeyinde profilin ile birleşir ve aktin ile birleşimi-ni engeller. PIP2’nin sinyal aktive fosfalipaz C ile hidrolizi membrandan profilin salgılar ve G-aktin bağlamasına ola-nak sağlar. Bu ADP-ATP değişimini hızlandırır ve G-aktin, F-aktine polimerize olur (Figür 3-33).

Aktin filamentlerini kesen gelsolin ve kofilin PIP2 ile in-hibe olurlar. PIP2 bu proteinlerden salındığında veya hidro-lize 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 bağ-lı 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 mikroçı-kıntıların oluşmasına neden olur. Rac aktivasyonu WASP ve PI (4)P 5-kinazın aktivasyonuna neden olur ve lamel-lipod ve membran tırtıklarının oluşmasına neden olur. Kinaz; F-aktinin artı uçlarının şapkasını çıkaracak bir PIP2

olan protein) spektrin I ve II ile dizileri oldukça benzer-dir. 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- akti-nin 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 %60-80 benzerlik gösterir. Bu bulgu, distrofinin fonksiyonunu ve DMD’nin nedenini anlamada çok önemliydi. Spektrinin aktin bağlayıcı domaini ile dizi benzerliği nedeniyle distro-fin ortaya atıldı ve aktin filamentleri iskelet kasındaki plaz-ma 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.

AKTİN DİNAMİKLERİNİN DÜZENLENMESİSpektrin ve aktin arasındaki temasın protein 4.1 ve adusi-

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.

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

PIP2 YARIKLANMASI İLE PROFİLİN SALINIMI

Plazmamembranı

Profilin

Sitozol

Aktinprofilinkompleksi

� ������������� 89

komponentlerden bir kaç önemli noktada ayrılırlar. Çeşit-li insan ve hayvan hücrelerindeki IF’ler heterojen bir grup proteinden oluşur ama mikrofilamentler her zaman aktin-ler 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 ha-vuzu içerir. IF polimerizasyonu için ATP veya GTP hid-rolizi 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 sahip-tir (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 ba-zal hücre tabakasında eksprese olan keratin genlerindeki mutasyonlardan kaynaklanan epidermolizis bulloza simp-leks 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 bozulma-sına 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 bera-ber bulunduklarında (kas hücresi, glial hücre) kopolime-rizasyon oluşabilir. Ancak, sitokeratinlerin vimentin ile koeksprese olduğu bir epitel hücresinde kopolimerize ol-mak yerine birbirinden ayrı IF’ler oluşturabilirler. Akson ve dendritlerde; NFL, nörofilament hafif zincir; NFM, nöro-filament orta zincir; NFH, nörofilament ağır zincirler kopo-limerize olarak nörofilamentleri oluşturabilirler. IF prote-inlerinin hücre tipi özgünlüğü patologlar açısından yararlı olmuştur. Metastatik kanser hücrelerinin kaynaklandığı

formu oluşturur, bu da polimerizasyona yol açar. Rho’nun aktivasyonu aktin filamentlerinin demet haline gelmesini sağlar, miyozin II kalın filamentleri ile stres lifleri oluştu-rarak fokal temaslarla etkileşir. Rho, ROCK’ı (Rho kinaz) aktive eder ve miyozin II hafif zincirlerin fosforillenmesini sağlar. Bu fosforilasyon miyozin başlarının aktin filament-leri 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 FİLAMENTLERİntermediyan filamentler (IF) 10 nm çapında olup; kalın-lık açısından mikrofilamentler ve miyozin kalın filamentler arasında veya mikrofilamentler ve mikrotubüller arasında ortadadır. Bu ip benzeri filamentin fonksiyonlarını belirle-mek için bir çok çalışmaya gerek olsada, rollerinin primer olarak yapısal olduğu düşünülmektedir. Majör fonksiyon-ları, hücrelere uygulanan mekanik streslere karşı direnç göstermektir. Kas hücreleri içindeki IF’ler komşu miyofib-rillerin Z disklerini birbirine bağlar. Aksondaki nörofila-mentler, bu uzun ve ince yapıların kırılmasına karşı yapısal bir destek sağlar ve gelişimde aksonun çapı arttıkça sayıca çoğalırlar. Epitelyal hücrelerin IF’leri dezmozomları birleş-tirerek epitelyal tabakaları sabitler.

Heterojen bir Protein Grubu Çeşitli Hücrelerdeİntermediyan Filamentler OluştururIF’leri oluşturan protein monomerler, mikrofilament ve mikrotubülleri (ilerleyen sayfalarda anlatılacak) oluşturan

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

Pasif hücre

Rac aktivasyonu

Rac aktivasyonu

Cdc 42 aktivasyonu

İntermediyan Filament Altüniteler (Mr) Hücre TipiKeratin

filamentleriTip I asidik keratinlerTip II nötral / temel

keratinler (40-65 kDa)

Epitelyal hücreler

Nörofilamentler NFL (70 kDa)NFM (140 kDa)NFH (210 kDa)

Nöronlar

Vimentin içeren filamentler

Vimentin (55 kDa)Vimentin + glial

fibriller asidik protein (50 kDa)

Vimentin + dezmin (51 kDa)

FibroblastlarGlial hücreler

Kas hücreleri

Nükleer lamina Laminler A, B ve C (65-75 kDA)

Tüm çekirdekli hücreler

NFL, nörofilament hafif zincir; NFM, nörofilament orta zincir; NFH, nö-rofilament ağır zincir.

TABLO 3-2. İnsan Hücrelerindeki İntermediyan Filamentler

90� �� ������� ��������

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 sorumlu-dur. IF’lerin oluşmasında ilk basamak iki monomerin 310 aminoasitlik alfa helikal bölgesinin birbiri etrafına dolana-rak paralel bir halka oluşturmasıdır. Daha sonra, iki dimer yan yana bağlanarak antiparalel bir şekilde tetramer oluş-turur. Tetramerler antiparalel bir konformasyona sahip ol-duğundan, IF’lerin polaritesi bulunmaz. IF tetramerler bir-birine lateral olarak, IF’nin duvarını oluşturacak 8 tetramer olana kadar, tutunurlar. Sekiz tetramer IF’nin ip benzeri yapısını oluşturacak şekilde birbirine dolanır. Mikrofila-mentler, diğer hücre iskeleti yapıları ile ilişkilerini olası kı-lacak aktin bağlayıcı proteinler içerir ve mikrotubül ilişkili proteinler (MAP’ler) mikrotubüller için benzer bir işleve sahiptir. IF’ler için özgün çapraz-bağlayıcı proteinlerde

dokuyu belirlemek için floresan IF tipi özgün monoklonal antikorlar kullanılmaktadır.Nükleer lamina; IF ilişkili pro-teinler 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 ProteinGrubunun Tümü Nasıl İntermediyanFilament Oluşturuyor? 40-210 kDA arası Mr’ye sahip IF sınıfı proteinlerin tümü-nün IF oluşturma yeteneğine sahip olması kayda değerdir. Bu morfolojinin moleküler temeli Figür 3-35’de gösteril-miştir.

Tüm IF proteinleri boyut olarak değişken alt üniteye özgün NH2 ucu, yaklaşık 310 aminoasitlik homolog sant-

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.)

Tüm intermediyan filamentlerle paylaşılan α-Helikal bölgeler

Helezonlaşmış dimer

Protofilament = iki helezonlaşmış dimer tetrameri

Aksiyal tekrar

10 nm

� ������������� 91

gösterir. Mikrotubüller biraraya gelirken büyüyen mük-rotubüle eklenen tubülin molekülleri 13 protofilamenti oluşturur. Bağımsız protofilamentler alfa ve beta alt ünite-lerinin protofilament boyunca karşılıklı olduğu bir tarzda organize olmuştur buda mikrotubüle kalıcı bir polarite sağ-lar. 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 tubü-lin molekülü içindeki bir çok gerekli fonksiyonel alt doma-inlerden kaynaklandığı düşünülmekledir. Mikrotubül top-lanması 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 mikrotubül-lerin normal dinamik davranışını engeller. Düzgün mikro-tubül fonksiyonu mekik oluşumu ve hücre bölünmesi için gerekli olduğundan mikrotubül inhibitörleri sıklıkla kanser kemoterapisinde kullanılırlar.

Mikrotubüller Hızlı Birleşmeve Ayrışım GeçirirlerSitoplazmik mikrotubüller hızlı birleşme ve ayrışım geçir-me kapasitesine sahip labil yapılardır. Bu özellik bir çok mikrotubül fonksiyonu için önemlidir. Örneğin, sitoplaz-mik mikrotubüller hücre mitoza girerken hızla yıkılmalı-dır. Benzer bir şekilde ayrışmış mikrotubüller mitotik iği

vardır. Örneğin, filagrin keratin filamentlerini demet hali-ne 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 nö-rodejenerasyon fenotiplerini kombine eden bir hastalık-tır.

Anafaz hücrelerinde, IF’ler çekirdek çevresinde sıkı bir bağ oluşturur ve dalgaya benzer bir tarzda plazma memb-ranına doğru yayılmaya başlarlar. Eğer bir anafaz hücresi-nin mikrotubülleri kolşisin (ColBenemid) veya demekol-şisin (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 an-lamına gelir. Gerçektende, immünoelektron mikroskopisi epitelyal hücre terminal ağında ve memeli nöronlarının ak-son 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 etkile-şimler sonucu tutunur.

MİKROTUBÜLLER

Mikrotubüller TubülindenOluşan PolimerlerdirMikrotubüller üçüncü tip sitoiskelet yapılarıdır ve siliyer ve flagellar motilite, mitotik ve mayoz kromozomal hare-ketler, intraselüler vezikül transportu, sekresyon ve bir kaç diğer hücresel proçes gibi farklı hücresel fenomende adları geçmektedir. Baş yapıtaşları tubülin proteini, benzer ol-mayan 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 karakteristi-ğinden sorumlu olan bu aksesuvar proteinlerdir. MAP’ler bu bölümde daha sonra anlatılacaktır. Elektron mikrosko-bunda, 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

Tubülinmolekülü

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

92� �� ������� ��������

bağlaması gereklidir. GTP-tubülin daha sonra mikrotu-bülün 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 GDP-tubülinden oluşur. Mikrotubül hızla büyümeye devam et-tikçe tubülin alt üniteleri nükleotidlerin hidrolize edilme-lerinden 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 mik-rotubül oluşum hızı azalırsa, GTP hidrolizi yetişebilir ve GTP şapkası kaybolabilir ve mikrotubül polimer boyunca GDP-tubülin görülebilir. GDP-şapkalı mikrotubüller sta-bil değildir ve mikrotubüllerin ucundan GDP-tubülin alt ünitelerini kaybetmeye meyillidir ve buda mikrotubül kı-salması 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 açık-lamasıdır.

Sentrozom, Mikrotubüllerin Eksi Uçlarına Şapka Takarak Mikrotubül Organize edici Merkez Olarak Rol Alır Çekirdek içeren ve sitoplazmada dağınık şekilde bulunan diğer sitoiskelet filamentlerinin aksine sitoplazmik mik-rotubüllerin tümü sentrozom kompleksi ile çekirdeklidir. Eğer kültüre hücreler fikse ise ve antitubülin immünflore-san mikroskopisi için işlenmişse sitoplazmaya dağılan ve çekirdek yanından başlayan yıldız benzeri mikrotubül di-zisi görülür (Figür 3-38).

Astral mikrotubül dizisinin fokal noktasında sentro-zom vardır. Yapısal olarak, sentrozom bir sentriyol çifti ve sentriyolleri çevreleyen perisentriyolar materyal deni-len amorfoz materyal osmiofilik bulutundan oluşur (Figür 3-39). Sentriyol çiftinin bağımsız sentriyolleri birbirine dik açıdadır ve her bir sentriyol dokuz kısa mikrotubül üçleme-sinden oluşur (0.4-0.5 μm uzunlukta).

Deneysel analizler, sentrozom kompleksinin mikrotu-bül oluşturma kapasitesinin sentriyol çiftinde değil peri-sentriyoler materyalde olduğunu ortaya koymuştur. Mik-rotubül oluşturan sentrozom komponenti perisentriyoler materyalde bulunan bir gama tubülin halka kompleksi-dir.

Gama tubülin halka kompleksi gama tubülin artı bir kaç aksesuvar proteinden oluşur. Gama tubülin perisent-

oluşturmak için yeniden oluşturulmalıdır. İğ mikrotubül-lerinin hücre tarafından mitoz sırasında yıkılma becerisi kromozomal ayrım için gereklidir. Eğer bölünen hücreler Taxol (mikrotubül ayrışımını bloke eden bir ilaç), varlığın-da kültüre edilirse, kromozomal ayrışım bloke olur. Mikro-tubül 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 mikrotubül-lerde kalıcı bir yapısal polarite vardır. Bu polarite mikro-tubül 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- sent-rozom kompleksi ile olan ilişkisine bağlı olarak. Bu yüzden, sadece artı uçta gerçekleşen olaylar tartışılacaktır. Mikrotu-bül 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

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.

� ������������� 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� �� ������� ��������

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 morfoge-nezinde önemli bir olaydır. Diğer moleküler ve biyokim-yasal modifikasyonlar sitoplazmik mikrotubüllerin artmış stabilitesinde rol oynar. Mikrotubül davranışındaki bu değişiklikler ya tubülinin posttranslasyonel modifikasyon-ları ile ya da mikrotubüllerin bir kaç MAP’lerden biriyle etkileşmesi ile oluşur. Hücresel mikrotubüllerdeki tubü-linin ana posttranslasyonel modifikasyonu alfa tubülin alt ünitesinin COOH terminal tirozininin hücrelerde bu-lunan detirozinleştiren enzim ile uzaklaştırılmasıdır. Bu detirozinasyon tubülin mikrotubüle birleştirildikten sonra oluşur ve sitoplazmik mikrotubüllerin stabilizasyonu ve matürasyonu ile sonlanır. Ancak, detirozinasyon mikro-tubül kinetiği üzerine direkt bir etkide bulunmayabilir; tirozine veya detirozine tubülin kullanarak in vitro oluşan mikrotubüller stabilitelerinde farklılık göstermez. Bu yüz-den, detirozinasyonun mikrotubüllere ikinci bir protein bağlanmasını indükleyen bir sinyal olarak rol alabileceği düşünülmektedir. Bu detirozinize sitoplazmik mikrotu-büllerde gözlemlenebilecek artmış bir stabilite ile sonlanır. Detirozinize mikrotubül ayrıştığında, hücresel sitoplazmik enzim alfa tubülin polipeptidin COOH ucuna tirozin ekle-meden sorumludur.

Tubülinin MAP’lerle etkileşimide mikrotubül davra-nışında büyük modifikasyonlara neden olur. Bir protein hücresel homojenatlardan izolasyonları sırasında mikro-tubüllere 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 sını-fı 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 yar-dımcı görev aldığını göstermiştir. Ek olarak, sinir aksonla-rında ve diğer seçilmiş hücre bölgelerinde görülen mikro-tubüler konfigürasyonlar için karakteristik olan sıkı mik-rotubül demetlenmesiyle ilişkili oldukları düşünülmektedir (Figür 3-40).

Diğer MAP tipleri mikrotubül uzunluğu ve polimeri-zasyon hızını düzenleyebilir. Hücrelerde serbest tubülin dimer havuzu görülebilir. Bunun bir nedeni tubülin dimer-lerine bağlanarak mikrotubüllere eklenmesini engelleyen statmin proteinidir. Statmin tubülin etkileşimi statminin fosforilasyonu ile ayrışır. Katanin mikrotubül kesen bir proteindir ve mikrotubül organize edici merkezden mik-

riyoler materyalde lokalize tubülin süperaile proteinleri-nin özelleşmiş bir üyesidir. Gama tubülinin sentrozom içinde nükleasyon kompleksi oluşturduğu ve mikrotu-bül 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 mikro-tubül 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 ayrış-ma 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 ünite-lerinin eklenme hızını geçecektir. Son uç olarak, mikro-tubüller sitoplazmada serbest olarak oluşamaz ve sent-rozomdan kaynaklanmalıdır. Mikrotubülün eksi ucunu kapatarak sentrozomun varlığı hücrenin sitoplazmik tu-bülin konsantrasyonlarını spontan mikrotubül birleşme-sine olanak sağlayacak seviyenin altında tutmasına olanak sağlar. Tubülin seviyeleri çok düşük olduğundan, fizyolo-jik şartlar altında hücrede oluşabilecek tek mikrotubüller sentrozomla ilişkileri nedeniyle eksi uçlarından kapatılmış olanlardır.

Sitoplazmik MikrotubüllerinDavranışı Kontrol EdilebilirDinamik instabiliteyi değerlendirirken ortaya çıkan resim mikrotubüllerin hızlı devirdaimi nedeniyle devamlı deği-şim içinde olan bir sitoplazmadır. Herhangi bir anda, bir çok mikrotubül hızla büyürken diğerleri hızlıca ayrışır. Bir dereceye kadar doğru olsada, gerçekte sitoplazmik mik-rotubüllerin ortalama yaşam ömrü yaklaşık 10 dakikadır. Mikrotubüller beklenenden çok daha uzun süreler boyun-ca varolabilir çünkü sitoplazmik mikrotubülleri stabilize etmek için hücrenin bir kaç mekanizması vardır.

Hücelerin mikrotubülleri stabilize etmek için kullana-bileceği bir adaptasyon artı ucu kapatmaktır. Sitoplazmik mikrotubüller sentrozomla eksi uçlarından kapandığı için ayrışma için serbest bir uçları vardır. Bu mekanizma mi-totik iğ birleşmesi sırasında hücreler tarafından kullanılır. Hücre mitoza girerken bir çok mikrotubül sentromer-lerde oluşmaya başlar. Bu mikrotubüllerin çoğu dinamik instabilite yüzünden hızlıca ayrışır. Ancak, gelişmekte

� ������������� 95

merkezine doğru olan ve mikrotubüller boyunca taşıma ya-pamayan olağandışı bir kinezin ailesinin üyesidir. Katast-rofin adı verilen bu aile mikrotubüllerin uçlarına bağlanır ve dinamik instabiliteye neden olur. KIF1B, kargoyu mik-rotubüllerin 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 prote-in 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 üyele-rinin kuyrukları ile etkileşir. MİMR’nin bir örneği amiloid prekürsör proteindir (APP). APP’nin anormal işlenme-si Alzheimer hastalığı ile ilişkilidir. Sitoplazmik dynein, dynein kompleksi aracılığıyla membran vezikülleri ile et-kileşir (Figür 3-43).

Silia ve FlagellaMikrotubüllerden OluşanÖzelleşmiş OrganellerdirSilia ve flagella, değişik hücre tiplerinin yüzeylerinden dışarı doğru uzayan özelleşmiş hücresel eklerdir. Silia; ovidukttaki epitelyal hücrelerin apikal yüzeylerinde ve so-lunum yolunda belirgindir. Solunum yolunda, silialar so-lunum ve nazal pasajlardan mukusu temizlemek ile görev-liyken ovidukttakiler ova’yı uterusa taşımada yardımcıdır. İnsanlardaki majör flagellalı hücre spermatozoon’dur.

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

Mikrotubüller Hücre içiVezikül ve OrganelTransportunda Rol Oynar Mikrotubüllerin önemli fonksiyonlarından biri organel ve veziküllerin hücre içi transportudur. Mikrotubül hücre is-keletinin bu fonksiyonunu yerine getirmesi için mikrotu-büllerin motil hareketi oluşturacak bir güç üretmesi gerek-lidir. Deneysel analizler, güç üretiminde rol alan ATPazla-rın 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 akso-nundan izole edilen orijinal kinezin, vezikülleri mikrotu-büller 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 ger-çekleştiği hücre korteksine transportunu sağlar. Nöronlar-da da, kargonun gövdeden aksonların presinaptik termina-line transportunu sağlar.

Tek ortak noktalarının korunmuş motor domaini oldu-ğu bir çok kinezin ve KİP ailesinin olduğunu artık bilmek-teyiz. Orijinal kinezinde motor domainin N terminaline yakın olduğu iki ağır zincir ve iki hafif zincir bulunmakta-dır. Yapısı miyozin II’ye oldukça benzerdir. N terminalin-de veya N terminaline yakın olan motor domainleri olan kinezin ve KİP ailesinin diğer üyeleri vezikülleri mikrotu-büllerin 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 ta-şır (örnek KIF C2). KIF2; motor domainleri ağır zincirin

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.

MikrotubüllerMikrotubüller

96� �� ������� ��������

vardır. Enine kesitte görüntülendiğinde aksonemal mik-rotubüller belirgin bir dokuz-artı-iki dizilimine sahiptir (Figür 3-44).

Dokuz-artı-iki terimi aksonemi oluşturan mikrotubül-lerin oryantasyonu ile ilişkilidir. Aksonemde, iki tam sant-

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

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.

Vezikül Anterogradtransport

Mikrotubül

Retrogradtransport

Mikrofilament

Kinezin

Dynein

Miyozin

Figür 3-42. Kinezin ve kinezin ile ilişkili proteinler.

500 Amino asit

Motor domain Kinezin

Figür 3-43. Dynectin kompleksi kargoyu sitoplazmik dynein’e bağlar. Dynein kuyruk bölgesi aksesuvar proteinler aracılığıyla; ankrin ile kargoya bağlanmış spektrin membran iskeleti içindeki aktin protofilamentleri ile ilişkili Arp 1 filamentine bağlıdır.

Vezikül(kargo)

Membranglikoprotein

Ankirin

Spektrin

Arp1 filamenti

Dynein

Mikrotubül

Dynectinkompleksi

Terminal

� ������������� 97

Aksonemal Mikrotubüller Sabit Oluşumlardır

Çoğu hücre mikrotubülleri hızlı şekilde yıkılıp yapılabilen labil yapılardır. Ancak, aksonemal mikrotubüller yıkıma dirençli sabit yapılardır. Artmış stabiliteye katkıda bulu-nan aksonemal mikrotubüllerin modifikasyonlarından biri α-tubülin alt ünitelerindeki bir lizin rezidüsünün enzima-tik asetilasyonudur. Hızlı devirdaim gösteren sitoplazmik mikrotubüller asetile değildir. Detirozine tubülin gibi ase-tile 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 AksonemalMotiliteye Neden OlurAksonemler bir kaç kaynaktan kolaylıkla izole edilebilir. Bu, hücrelerden silia ve flagellaları ayırarak; aksonemle-ri çevreleyen rezidüel plazma membranını selektif olarak uzaklaştırıp hafif deterjanlı bir tamponda aksonemleri ekstrakte ederek; gerçekleştirilir. İzole sperm flagellar ak-sonemleri ATP içeren bir tamponda inkübe edildiklerin-de 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 bi-yokimyasal ve genetik çalışmalar yapılmaktadır.

ral mikrotubül (santral çift) dokuz çift mikrotubül halkası ile çevrilidir. Dıştaki çiftler, her bir çiftin 13 protofilament-ten oluşan bir komplet mikrotubül (A tubülü) ve 11 pro-tofilamentten oluşan bir inkomplet mikrotubül (B tubülü) içerdiği şekilde düzenlenmiştir. B tubülü ile A tubül duva-rının bir bölümü ortaktır. Mikrotubüllerin dokuz-artı-iki düzenlenmesi aksonemi baştan başa; bazal cisimler deni-len ve siliyum veya flagellumun tabanında yer alan özelleş-miş sentriyollerden siliyum veya flagellumun ucuna kadar; geçer.

Mikrotubüllere ek olarak, aksonemlerde bir kaç önem-li 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 pro-teinde 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 prote-inde mevcuttur.

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.)

İç dynein kolu

Dış dynein kolu

Neksin

Plazma membranı

Radiyal tekerlekİç kılıf

Tek mikrotubüllerin merkezi çifti

B TubülA Tubül

Dışçiftmikrotubül

98� �� ������� ��������

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 olu-şur. Prometafazda, iki sentrozomdan çıkan yeni oluşmuş mikrotubüller mikrotubül diziliminin merkezine doğru hareket eden kondanse kromatidlerin kinetokoruna yapı-şırlar. Karşılıklı iki sentrozomdan çıkan mikrotubüllerin zıt polariteleri vardır veya polarite açısından antiparalel-dirler. 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-

İzole aksonemler proteolitik bir enzimle muamele edil-diğinde neksin çapraz bağları ve radiyal uzantılar seçici ola-rak sindirilirken mikrotubüller ve dynein kolları zarar gör-mez. Eğer proteazla muamele edilmiş aksonemler ATP ile inkübe edilirse aksonem orijinal uzunluğunun dokuz katı-na kadar uzar. Mikroskobik analizler, bu durumun dıştaki dokuz mikrotubül çiftinin aktif olarak birbirinin üzerinden kayması nedeniyle oluştuğunu göstermiştir. Muamele edil-miş 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 göster-miştir. Aslında, bu doğrudur. İzole aksonemler düşük tuzlu ortamda ekstrakte edildiğinde; dynein kolları serbestleşir-ken mikrotubüller, neksin bağlantıları ve uzantı proteinleri intakt halde kalırlar. Bu tarz ekstrakte edilmiş aksenomlar, ATP ilave edildiğinde fonksiyon göstermeyeceklerdir. An-cak, 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 nokta-larına olan bu “yürüyüşüne” neksin çapraz bağları ve radi-yal uzantılar direnç gösterir ve bu iki yapı komşu mikrotu-bül 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 gerek-lidir.

Aksonemal proteinleri kodlayan genlerden birindeki mutasyon insanlarda hastalığa neden olur. Beklendiği gibi etkilenmiş erkekler spermleri hareketsiz olduğu için ste-rildirler. 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 Bö-lüm 9’da anlatılacaktır. Burada; mikrotubül, MİP ve motor proteinlerin mitotik iğin düzenli işlemesindeki rolleri tar-tışılacaktır. Mitoz başlarken sentrozomlar ve kromozomlar

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.

A Tubül

B TubülDyneinmolekülü

� ������������� 99

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

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

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.)

Kesilenkatanin

Depolimerizasyon,sekuestrasyon:

Kinl, Op18

Ko-polimerizasyon veartı-uç bağlanma

Nükleasyonγ-TURC

StabilizasyonMAP’ler

Artı-uç KRP’ler Eksi-uç KRP’ler

Sitoplazmikdynein

Kromozom ekliKRP artı ucu

100� �� ������� ��������

ÖZETSitoiskelet; 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 di-ğer fonksiyondan sorumludur. Bu görevleri üç basit yapı ile gerçekleştirir: aktinden oluşan 7-8 nm çaplı mikrofila-mentler, hücreye özgü içerikli 10 nm’lik IF’ler ve tubülin dimerlerinden oluşan 24 nm dış çaplı mikrotubüller. Si-toiskelet; üç majör filamentin ve tubüllerin uzunluklarını, polimerizasyon durumlarını ve çapraz bağlanma seviyele-rini 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 boyun-ca 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 iskeletle-ri membran yük trafiği, DNA tamiri, internal depolardan kalsiyum salınımı ve sinaptik bağlantı gibi farklı roller oy-nar.

kurtulur. KRP ailesi üyesi katastrofinler (KinI gibi) katast-rofik 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 hüc-re membranlarına bağladığı düşünülmektedir. Katanin (önceki bölümler) mikrotubülleri keserek yeni GDP kaplı uçlar yaratır ve mikrotubülleri sentrozomdan uzaklaştırır. Stathmin/Op18 tubülin dimerlerine bağlanır ve GTP hid-rolizini stimüle ederek polimerize olmayan tubülin havu-zunu korur. Figür 3-46B’de gösterildiği gibi motor protein-ler mitotik süreçte bir kaç önemli rol oynarlar. Tetramerik artı uç kinezin aile üyeleri (Bim C ve Eg5 ailesi) zıt polari-teye sahip mikrotubüllere bağlanır ve iğ kutbu ayrışmasına neden olur. Eksi uç KRP’ler mikrotubülleri çapraz bağlar ve astral mikrotubül eksi uçları iğ kutuplarında odaklar. Kro-mozoma bağlı artı uç KRP’ler mikrotubüllere kromozom bağlanması ve kromozomların metafaz plağına doğru hare-ketlenmesinde rol oynar. Eksi uç sitoplazmik dynein mik-rotubülleri “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 kona-cak daha çok oyuncu olmasına rağmen, artık mikrotubül dinamiği, MAP’ler ve motor proteinlerin nasıl beraber çalı-şarak mitozda görülen detaylı hareketlere neden olduğunu anlamaktayız.

Mikrotubüller

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.

Spektrin Membran İskeleti

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

İntermediyan Filamentler

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

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 di-sassembly 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 cytoske-leton. Annu Rev Physiol 2003;65:761-789.

Okunması Önerilenler