Hücre Zarından Madde Geçişi Nasıl Gerçekleşir?

Hücre zarının seçici geçirgenliği

Hücre zarı, hücrenin iç ortamını dış çevreden ayıran fosfolipit çift tabakalı bir sınırdır. Seçici geçirgenlik, bazı maddelerin zardan geçmesine izin verilirken bazı maddelerin geçişinin sınırlandırılmasıdır. Böylece hücre; iyonların, besinlerin, gazların ve atık maddelerin içeriye girip çıkışını belirli ölçüde düzenler.

Bu özelliğin temelinde zarın iç kısmındaki hidrofobik, yani suyla kolay etkileşmeyen lipit kuyrukları bulunur. Küçük ve polar olmayan maddeler bu tabakadan yardım almadan geçebilir. Oksijen ve karbondioksit gazları ile bazı lipitler buna örnektir. Buna karşılık glikoz, amino asitler ve elektrolitler suda çözünen maddeler oldukları için hidrofobik bölgeden kolayca geçemez; geçişleri kanal veya taşıyıcı gibi zar proteinleriyle sağlanır.

Örneğin hücreler oksijeni kullandığında hücre içindeki oksijen yoğunluğu dış ortama göre azalabilir. Bu durumda oksijen zardan hücre içine doğru basit difüzyonla geçer. Karbondioksit hücre içinde üretildiği için yoğunluğu içeride arttığında ters yönde, yani hücre dışına doğru geçebilir. Bu iki örnek, bir maddenin geçiş yönünün yoğunluk farkıyla ve maddenin zarla etkileşme özelliğiyle belirlendiğini gösterir. Taşınan maddelerin büyüklüğü ve özellikleri, hangi geçiş yolunun kullanılacağını anlamada ilk ipucudur.

Difüzyon ve kolaylaştırılmış difüzyon

Difüzyon, bir maddenin yoğunluğunun fazla olduğu bölgeden az olduğu bölgeye doğru kendiliğinden yayılmasıdır. Hücre bu geçiş için ATP harcamaz; çünkü hareket, maddelerin sürekli ve düzensiz hareketlerinin oluşturduğu yoğunluk farkına bağlıdır. Yoğunluk farkı sürdüğü sürece net geçiş yüksek yoğunluktan düşük yoğunluğa doğrudur.

Küçük ve polar olmayan oksijen ile karbondioksit, fosfolipit tabakadan doğrudan geçerek basit difüzyon yapabilir. Hücrelerin oksijeni sürekli kullanması, oksijenin dışarıdan içeriye doğru geçmesini kolaylaştıran bir fark oluşturur. Hücrede oluşan karbondioksit ise yoğunluğu daha düşük olan dış ortama doğru yayılır. Bu geçişlerde kanal veya taşıyıcı kullanılmaz.

Büyük, polar ya da yüklü maddeler lipit tabakadan doğrudan geçemez. Bu maddeler, zar proteinlerinin oluşturduğu kanal veya taşıyıcılar aracılığıyla yine yoğunluk farkı yönünde taşınır; bu yönteme kolaylaştırılmış difüzyon denir. Örneğin glikoz hücre dışında daha yoğun olsa bile büyük ve polar olduğu için doğrudan zardan geçemez. Özel bir taşıyıcı protein glikozun hücre içine, yani yoğunluğunun daha az olduğu yöne geçmesine yardım eder. Sodyum iyonları da yüklü olduklarından doğrudan geçemez; uygun kanallar açıldığında yoğunluk farkı yönünde hareket edebilir. Her iki difüzyon türünde de enerji harcanmaması, onları aktif taşımadan ayırır.

Osmoz ve suyun hücre zarından geçişi

Osmoz, suyun seçici geçirgen bir zardan geçişidir. Zar suya geçit veriyor, fakat çözünmüş maddelerden en az birini geçirmiyorsa su; su yoğunluğunun fazla olduğu taraftan az olduğu tarafa doğru hareket eder. Çözünmüş madde yoğunluğu arttıkça su yoğunluğu azalacağı için su, geçemeyen çözünen maddenin daha yoğun olduğu tarafa yönelme eğilimi gösterir.

Su hücre zarından doğrudan geçebileceği gibi su kanalları aracılığıyla da geçebilir. Örneğin hücre dışındaki çözeltide hücre içine göre daha fazla, zardan geçemeyen çözünen madde varsa dış ortam hipertoniktir. Su hücreden dışarı çıkar ve hücre büzüşebilir. Tersine, dış ortam hipotonik olduğunda dışarıda çözünen madde yoğunluğu daha düşüktür; su hücre içine girer. Hayvan hücrelerinde fazla su girişi hücrenin şişmesine yol açabilir.

Dış ortam ile hücre içindeki çözünen madde yoğunluğu eşitse ortam izotoniktir. Bu durumda su molekülleri iki yönde de hareket etse bile net su geçişi oluşmaz ve hücre normal biçimini korur. Örneğin hücre ile aynı yoğunluğa sahip bir ortamda hücre belirgin biçimde su almaz veya kaybetmez. Osmozda yönü belirlemek için yalnızca “su nerede fazla?” sorusu değil, zarın geçirmediği çözünen maddenin iki taraftaki yoğunluğu da dikkate alınmalıdır.

Çözelti yoğunluğunun hücre su dengesi üzerindeki etkileri

Bir çözeltinin tonikliği, çözünmüş maddelerin hücreye göre yoğunluğunu ve bunun su hareketi üzerindeki etkisini ifade eder. Hipertonik ortamda hücre dışındaki çözünen madde yoğunluğu hücre içinden fazladır. Su osmozla hücre dışına çıktığı için hücre su kaybeder ve büzüşür. Hipotonik ortamda ise dışarıdaki çözünen madde yoğunluğu daha düşüktür; su hücre içine girer ve hücre şişer. İzotonik ortamda iki tarafın çözünen madde yoğunluğu eşit olduğundan net su hareketi ve hücre hacminde belirgin değişim olmaz.

Örneğin bir hücre yoğun tuz çözeltisine bırakılırsa dış ortam hipertonik olabilir ve su hücreden dışarı çıkar. Hücre daha az yoğun bir çözeltiye bırakıldığında su içeri girme eğilimi gösterir. Bitki hücresinde hipertonik ortam, hücre zarının hücre duvarından ayrılmasına ve hücrenin büzüşmesine neden olabilir. Bu nedenle bir hücrenin su dengesi değerlendirilirken ortamın hücre içine göre hipotonik, hipertonik veya izotonik olduğu belirlenmelidir.

Aktif taşıma

Aktif taşıma, maddelerin hücre zarından ATP gibi hücresel enerji kaynakları kullanılarak taşınmasıdır. Genellikle madde, yoğunluğunun düşük olduğu bölgeden yüksek olduğu bölgeye, yani yoğunluk farkına karşı hareket ettirilir. Bu yön, pasif taşımadaki kendiliğinden yüksek yoğunluktan düşük yoğunluğa geçişin tersidir. Aktif taşıma çoğunlukla maddeye bağlanan ve çalışma biçimini değiştirerek onu zarın öteki tarafına geçiren protein pompalarıyla gerçekleşir.

Bir pompa, ATP’den aldığı enerjiyi kullanarak iyonları belirli bir yönde taşır. Sodyum-potasyum pompası bunun önemli bir örneğidir: sodyum iyonlarını hücre dışına çıkarırken potasyum iyonlarını hücre içine alır. Böylece iki iyon, kendi yoğunluk farklarına karşı zıt yönlerde taşınır. Bu mekanizma, hücrenin iyon dağılımını korumasına yardım eder. Aktif taşıma ile oluşturulan yoğunluk farkı, bazı maddelerin daha sonra pasif biçimde taşınmasına da zemin hazırlayabilir.

ATP’nin aktif taşımadaki rolü, taşınan maddeyi doğrudan “itmekten” çok, pompanın çalışmasını sağlayan enerjiyi sunmaktır. Bu nedenle ATP kullanımı, bir geçişin aktif taşıma olduğunu belirleyen temel işaretlerden biridir. Aktif taşımanın moleküler ayrıntıları ve ATP ile ilişkisi ayrı bir başlıkta incelenebilir. Elektrokimyasal gradyan ve membran potansiyeli de bu konuyla ilişkili daha ileri kavramlardır; böbreklerde ve diğer organlarda zar taşınması ise özel bir uygulama alanıdır.

Endositoz ve ekzositoz

Endositoz ve ekzositoz, büyük maddelerin veya çok sayıda küçük maddenin zarın içinden tek tek geçmesi yerine keseciklerle taşınmasını sağlayan enerji gerektiren taşıma biçimleridir. Endositozda hücre zarı dışarıdaki maddeyi sarar, içeri doğru çöker ve koparak hücre içinde bir kesecik oluşturur. Böylece madde hücre içine alınır. Büyük parçacıkların alınmasına fagositoz, sıvı ve sıvıda çözünmüş maddelerin alınmasına pinositoz denir. Bazı endositoz olaylarında zar üzerindeki alıcılar belirli maddeleri tanır; örneğin demir, taşıyıcı bir proteine bağlı hâlde bu tür seçici endositozla hücre içine alınabilir.

Ekzositozda ise hücre içinde bulunan madde bir keseciğe paketlenir. Kesecik hücre zarıyla birleştiğinde içeriğini hücre dışına bırakır ve kesecik zarı hücre zarının bir parçası hâline gelir. Sindirim enzimi üreten mide ve pankreas hücreleri bu maddeleri ekzositozla dışarı salgılar. Böylece endositozun temel yönü hücre içine, ekzositozun temel yönü hücre dışına doğrudur; her ikisinde de zar keseciklerinin oluşması veya birleşmesi söz konusudur.