Hücre, vücudun temel yapısal ve işlevsel birimidir. Hücreler, canlı organizmaların en küçük yapı taşlarıdır. Çok sayıda farklı hücre bulunur ve bunların hepsi farklı görevleri yerine getirir. Hücrelerin yapısı ve işlevlerini inceleyen bilim dalı ise hücre biyolojisidir.
Hücre biyolojisi, hücrelerin içindeki yapıları, metabolik süreçleri, çoğalma mekanizmalarını ve farklılaşmalarını inceler. Bu bilim dalı, yaşamın temel ilerleyişini anlamamız, hastalıklar için tedavi oluşturabilmemiz ve sportif performansı geliştirmemiz için bize yardımcı olur. Bu yazımızda çeşitli bileşenleri içeren ve kompleks bir yapıya sahip olan hücrenin ana bileşenleri ve görevlerini anlatıyoruz.
GÖRSEL - Hücre ve yapısındaki bileşenler
Hücre Zarı (Plazma Membran)
Hücreyi dışarıdaki ortamdan ayıran ince ve esnek zar yapısıdır. Çift tabaka fosfolipitten ve düşük oranda kolesterolden oluşur. Hücre zarı, hücrenin içindeki yapıları dış tehlikelerden korurken, çeşitli moleküllerin de giriş-çıkışını düzenleyen yapıdır.
Bunlara ek olarak hücreye şekil verir ve hücreye dışarıdan gelen sinyalleri algılayarak hücre iletişimini sağlar. Yapısına gömülü çeşitli protein yapılar bulunur. Bunlar taşıyıcı, algılayıcı, destekçi veya mesajcı görevi olan yapılardır. Hücre kimliğinin belirlenmesinde önemli olan glikoproteinler yine hücre zarının yapısında yer alır.
GÖRSEL - Hücre zarının yapısı
Sitoplazma
Sitoplazma, hücre çekirdeği dışında kalan kısmı ifade eder. Bütün organelleri çevreleyen bir ortamdır. Sitoplazma sıvısı yani sitozol, hücre zarının içinde yer alan jelimsi sıvıdır. Birçok metabolik reaksiyonun gerçekleştiği ve hücre içi taşımanın yapıldığı yer sitoplazmadır.
Görselde gördüğünüz iç yapıların hepsinin etrafında sitozol bulunmaktadır. Kas hücresi sitoplazmasına sarkoplazma, hücre çekirdeği içerisindekine ise nükleoplazma denir. Sitoplazmaya ilişkin daha detaylı bilgi edinmek için tıklayın.
GÖRSEL - Sitoplazma ve sitozol
Çekirdek
Çekirdek ya da nükleus, hücrenin kontrol merkezidir çünkü genetik kodlar (DNA) burada saklanır. Nükleus, genetik bilgiyi depolamanın yanında hücrenin büyümesi, bölünmesi ve diğer işlevlerinin düzenlenmesi süreçlerini de kontrol eder. Seçici geçirgen özellikli çift zara sahiptir.
Bu iki katmanlı zar bazı kısımlarda birleşerek por olarak isimlendirilen delikler oluşturur. Bu sayede sitoplazma ve nükleus arasında madde giriş-çıkışı sağlanır. Nükleusun en merkezinde ise nükleolus bulunur. Nükleolusun bir zarı bulunmaz ve hücre için ribozom üretiminden görevlidir.
Hücrenin genetik bilgisi nükleusun sitoplazması olan nükleoplazmaya yayılmış haldedir. DNA her yere dağılmış olsa da burada bir karışıklık yoktur. Çünkü DNA'nın bütün yapısı dikkatli bir şekilde histon proteinlerine bağlıdır. Makaraya sarılmış bir ipi düşünebilirsiniz.
Genetik materyal, hücre bölünme halinde değilken kromatin iplikleri olarak her yere dağınık haldedir. Kromatin iplikleri, lise yıllarında adını çok duyduğumuz X benzeri kromozom yapısına yalnızca hücre bölünmesi gerçekleşeceği zaman geçer.
GÖRSEL - Nükleus ve nükleolus
Mitokondri
Mitokondri, SSPS'in en sevdiği organeldir. Hücrenin enerji üretiminden sorumlu olan yapıdır. Bezelyeye benzer ve yapısında çift zar bulunur, bu çift zarlı yapı onu enerji üretiminde çok ama çok önemli kılar.
Mitokondrinin iç zarında krista adı verilen katlantılar bulunur, bu katlantılar sayesinde yüzey alanı genişletilir ve daha çok enzimin daha çok maddeye etki etmesi sağlanır. İçerisinde bulunan sıvıya ise matriks ismi verilmektedir. İki zar arasında kalan boşluk ise intermembran boşluk olarak ifade edilir.
Aerobik solunum sürecinde, mitokondrilerde glukoz ve yağ asitleri gibi moleküllerin parçalanmasıyla ATP yani enerji üretilir. Adenozin trifosfat (ATP), hücresel faaliyetler için gerekli olan yüksek enerjili moleküldür. Kas liflerimiz bol ATP üretimi için bol miktarda mitokondri barındırır. Mitokondrinin detaylı yapısı için tıklayınız.
GÖRSEL - Mitokondrinin yapısı ve mikroskobik görüntüsü
Endoplazmik Retikulum (ER)
Endoplazmik retikulum, kısaca ER, karmaşık bir taşıma sistemidir. Bazı hücrelerde çekirdekten hücre zarına kadar uzanabilir. ER iki farklı türde hücrelerimizde bulunur. Granüllü ve granülsüz endoplazmik retikulum.
Granüllü ER yapısındaki ribozomlardan ötürü bu şekilde isimlendirilir ve ribozomların sentezlediği primer yapıdaki proteinlerin şekillendirilmesi için önemlidir. (Porteinlerde yapısal organizasyon yazısına gitmek için tıkla.) Granülsüz ER ise lipid sentezi, hormon metabolizması ve toksinlerin detoksifikasyonunda yani uzaklaştırılmasında görev alır.
GÖRSEL - Endoplazmik retikulum
Golgi Aygıtı
Golgi aygıtı ya da cisimciği, yassılaşmış zarımsı keseciklerden oluşur. Bu organel proteinlerin son fonksiyonel yapılarını almalarını sağlayan ve onları hedeflenen yerlere gönderen organeldir. Hormon salgısı yapan hücrelerde bol miktarda golgi aygıtı ve granüllü endoplazmik retikulum bulunur.
Bu organelin ER yakınında alıcı yüzü (cis face) ve tam ters ucunda ise taşıyıcı/iletici yüzü (trans face) bulunur. Golgi aygıtı, ER'den gelen proteinleri ve lipidleri alır, modifiye eder, bunları paketler ve taşıma kesecikleri ya da veziküller aracılığıyla sitozole veya hücre dışına gönderir.
GÖRSEL - Golgi aygıtı (cisimciği)
Lizozom
Lizozomlar içerisinde sindirim enzimleri barındıran keseciklerdir. Ribozomda üretilen sindirim enzimleri ER ile golgiye taşınır. Golgi bu enzimleri kesecikler içinde sitozole yollar. Lizozom enzimleri karbonhidrat, lipid, protein ve nükleik asitleri hidrolize uğratabilen yapılardır.
En basit ifadeyle, hücrenin sindirim sistemi olarak işlev gören organelidir. Lizozomlar 4 makromolekülden farklı olarak hücre içindeki atık maddeleri, zararlı mikroorganizmaları ve hasarlı yapıları sindirebilir. Bunu yapmak için maddeyi kesecik içine alırlar ve sindirirler.
GÖRSEL - Lizozomlar
Ribozom
Ribozom, protein sentezinin gerçekleştiği yapıdır. Yapısal olarak incelediğimizde iki alt birimden oluştuklarını görürüz. Bu yapılar sitoplazmada serbest halde veya granüllü endpolazmik retikulum ve nükleus üzerinde bulunabilirler.
Protein sentezlemek üzere sitoplazmaya taşınmış olan gen kopyasının barındırdığı bilgiyi kullanarak amino asitleri proteinlere dönüştüren organellerdir. Hücrenin ihtiyaç duyduğu ribozom sentezinden ise nükleus içindeki nükleolus sorumludur.
GÖRSEL - Ribozom ve iki alt birimi
Hücre İskeleti
Hücre iskeleti, sitozol boyunca uzanan protein filamentlerinden oluşmuş bir ağdır. Hücre şeklini belirlemeye, hücresel içeriği düzenlemeye ve hücrelerin/hücre içindeki bileşenlerin hareketine yardımcı olan bir yapısal çerçeve sağlar. Mikrofilamentler, ara filamentler ve mikrotübüller, hücre iskeletinin bileşenleridir.
Sentrozomlar, mikrotübüllerden oluşan yapılar içerir. Hücre bölünmesi sırasında kromozomların doğru bir şekilde ayrılmasını sağlayan önemli organellerdir. Sentrozomlar genellikle iki sentriyolden oluşan bir çift halinde bulunur.
Hücre bölünmesi başladığında, sentrozomlar hücrenin karşı uçlarında yer alır ve mikrotübüllerden oluşan bir ağ oluştururlar. Bu mikrotübül ağı kromozomların zıt kutuplara doğru hareket etmelerini sağlayarak hücre bölünmesinin doğru ve düzenli bir şekilde gerçekleşmesine olanak tanır.
GÖRSEL - Hücre iskeletini oluşturan yapılar
Peroksizomlar ve Proteazomlar
Peroksizomlar, hücre içindeki oksidatif reaksiyonları katalizleyen küçük kesecikler şeklindeki organellerdir. Özellikle yağ asidi metabolizmasında ve reaktif oksijen türlerinin ya da serbest radikallerin zararsız hale dönüştürülmesinde önemli rol oynarlar. Proteazomlar ise işlevlerini tamamlamış veya hücresel süreçlerin bir parçası olarak ortadan kaldırılması gereken proteinlerin hücreden uzaklaştırılmasından sorumludur.
Proteazomların istenmeyen protein birikimini engelleme, hücresel sinyal iletimini sağlama, DNA onarımı ve bağışıklık tepkileri gibi çok çeşitli hücresel süreçleri düzenleme gibi görevleri bulunur. Açlık dönemlerinde önemleri artar çünkü gerekli proteinlerin yapılması için amino asitlere ihtiyaç duyulur. Bu amino asitler protein yapıların hidrolizi yani proteoliz sonucu ortaya çıkar.
Sonuç olarak, hücreler canlı organizmaların en küçük yapı taşlarıdır. Hücre biyolojisi hücrelerin yapısı ve işlevlerini inceler. Hücre, birçok bileşeni bulunan kompleks bir yapıdır. Hücre zarı, dış ve iç ortamı birbirinden ayıran seçici geçirgen özellikli ince ve esnek zar yapısıdır. Sitoplazma, hücre çekirdeği dışında kalan kısmı ifade eden ve çoğunluğu jelimsi bir sıvı olan hücre bölümüdür. Nükleus, genetik materyali ve nükleolusu yapısında barındıran, hücrenin kontrolünü sağlayan çift zarlı yapıdır. Mitokondri, hücrenin enerji üretiminden sorumlu olan organeldir. Endoplazmik retikulum protein ve lipid sentezini gerçekleştiren golgi aygıtı ise bu yapılara son şeklini veren ve keseciklerde depolanmasını sağlayan organeldir. Lizozomlar, hücre içinde istenmeyen yapıların sindirimini sağlar. Ribozomlar, protein sentezinin gerçekleşmesini sağlayan ana yapılardır. Miktrotübüller hücre iskeletini oluşturan filamentleri ifade eder. Sentrozomlar, hücre bölünmesinde kromozomların doğru bir şekilde ayrılmasını sağlayan önemli organellerdir. Peroksizomlar oksidatif reaksiyonların, proteazomlar ise proteoliz reaksiyonlarının gerçekleşmesini sağlayan yapılardır.
Hücre Zarı
Hücrenin bölümlerinden biri olan plazma membran, hücreyi dışarıdan çevreleyen ince bir zar yapısıdır. Plazma zarı, hücrenin içini dış ortamdan ayırarak hücre içi yapıların işleyişinin sağlıklı bir düzende devam etmesini sağlar. Temel fonksiyonları ise şu şekilde sıralanabilir:
1. Selektif Geçirgenlik: Plazma zarı, hücreye giren ve hücreden çıkan maddelerin kontrolünü sağlar. Bu zar, bazı maddelerin serbestçe geçmesine izin verirken diğerlerini engeller. Bunu yaparken, zar içindeki proteinler ve lipitler arasındaki etkileşimler önemli bir rol oynar. Plazma zarı, bu selektif geçirgenlik özelliği sayesinde hücre içi homeostazın (dengenin) korunmasını sağlar.
2. Tanıma ve İletişim: Plazma zarı, hücreye dışarıdan gelen sinyalleri algılar ve hücre içine ileterek hücreler arası iletişimi sağlar. Bu sinyaller, hormonlar, nörotransmitter maddeler ve diğer moleküller aracılığıyla iletilir. Ayrıca, plazma zarı üzerinde bulunan proteinler hücrelerin tanınmasını sağlar ve immünolojik tepkilerde önemli bir rol oynar.
3. Hücre Şeklini ve Bütünlüğünü Koruma: Plazma zarı, hücrenin şeklini ve bütünlüğünü korur. Zarın esnekliği, hücrenin çevresel koşullara uyum sağlamasına ve çeşitli hücre hareketlerine olanak tanır. Aynı zamanda, plazma zarı hücre içindeki yapıları bir arada tutarak hücrenin yapısal bütünlüğünü sağlar.
4. Madde Alışverişi: Plazma zarı, hücre içine besin, su, oksijen ve diğer gerekli moleküllerin alınmasını sağlar. Aynı şekilde, hücre içinde oluşan atık maddelerin dışarı atılmasına da izin verir. Bu madde alışverişi, plazma zarı üzerinde bulunan özel proteinler ve taşıyıcılar aracılığıyla gerçekleşir.
Plazma zarı, çift katmanlı bir lipit tabakasından oluşur. Bu lipit tabakasının arasında bulunan proteinler, zarın işlevlerinde önemli bir rol oynar. Zarın lipit tabakasının içinde bulunan hidrofobik ve dışında bulunan hidrofilik bölgeler, zarın yapısını ve işlevlerini belirler.
Plazma zarı, hücrenin hayati süreçlerini düzenlemek ve hücrenin içini dış ortamdan izole etmek için önemli bir yapıdır. Bu zar, hücrenin yaşamsal fonksiyonlarını sürdürebilmesi için gerekli olan maddelerin geçişini düzenlerken, aynı zamanda hücre içi ve dışı arasında iletişimi sağlar.
Hücre Zarında Madde Taşınımı
Hücre zarında madde taşınımı, hücrenin iç ve dış ortamı arasında gerçekleşen önemli bir süreçtir. Bu süreç, hücre zarının yapısı ve özellikleri sayesinde kontrol edilir. Hücre zarı, lipid tabakası ve çeşitli proteinlerden oluşur. Hücre zarının temel bileşeni olan fosfolipidler, çift katlı bir tabaka oluşturarak zarın yapısını oluşturur. Bu fosfolipid tabakasının içerisinde yer alan proteinler ise çeşitli görevleri yerine getirir.
1. Pasif Taşıma Mekanizmaları:
a. Difüzyon:
- Basit Difüzyon: Maddelerin, konsantrasyon gradyanına bağlı olarak yüksek konsantrasyondan düşük konsantrasyona doğru hareket ettiği bir süreçtir. Hücre zarından geçebilen küçük ve hidrofobik moleküller için geçerlidir.
- Kolaylaştırılmış Difüzyon: Zarın protein kanallarını veya taşıyıcı proteinlerini kullanarak maddelerin geçişini sağlar. Hidrofilik veya büyük moleküllerin hücre zarını aşmasına yardımcı olur.
2. Aktif Taşıma Mekanizmaları:
a. Aktif Taşıma:
- Primer Aktif Taşıma: Hücre, ATP (adenozin trifosfat) gibi bir enerji kaynağını kullanarak madde taşınımını gerçekleştirir. Madde, konsantrasyon gradyanına karşı hareket eder.
- Sekonder Aktif Taşıma: Bir madde, başka bir maddenin konsantrasyon gradyanını kullanarak taşınır. Örneğin, sodyum iyonları konsantrasyon gradyanını kullanarak glukozun hücre içine taşınmasını sağlar.
b. Endositoz:
- Fagositoz: Hücre zarının çevresinden katı maddelerin veya mikroorganizmaların içine alınmasıdır. Fagositoz, özellikle bağışıklık sistemi hücreleri tarafından yabancı maddelerin temizlenmesinde önemli bir rol oynar.
- Pinositoz: Hücre zarının çevresinden sıvı ve çözünmüş maddelerin içine alınmasıdır. Pinositoz, hücreye besin alımı veya moleküler taşıma için kullanılır.
c. Eksositoz:
- Hücre içinde oluşan büyük moleküllerin veya atık maddelerin hücreden dışarıya atılmasıdır. Eksositoz, hücre zarının kıvrılması veya kesilmesiyle gerçekleşir ve enerji gerektirir.
Hücre zarında madde taşınımı, hücrenin homeostazını sağlamak ve işlevlerini sürdürebilmek için önemlidir. Bu mekanizmalar, hücrenin iç ve dış ortamlar arasındaki dengenin korunmasını sağlar. Hücre zarı, seçici geçirgenlik özelliği sayesinde belirli maddelerin serbestçe geçmesine izin verirken diğerlerini engeller. Bu şekilde hücre, ihtiyaç duyduğu besinleri alır, atık maddeleri dışarı atar ve hücre içindeki homeostazı sağlar.
Sitoplazma
Sitoplazma, hücre zarı ve çekirdek arasındaki tüm hücresel içeriği kapsar ve iki bileşene sahiptir: sitosol ve organeller.
Sitozol
Sitozol, hücre içindeki sıvı kısmıdır ve organeli çevreler. Toplam hücre hacminin yaklaşık %55'ini oluşturur. Sitosol, hücrenin farklı bölgelerinde bileşimi ve yapısı değişebilen, genellikle %75-90 oranında su ve çeşitli çözünmüş ve askıda kalmış maddeler içerir. Bunlar arasında iyonlar, glukoz, amino asitler, yağ asitleri, proteinler, lipitler, ATP ve atık ürünler bulunur. Ayrıca bazı hücrelerde depolama için organik moleküller bir araya gelerek lipid damlacıkları ve glikojen granüllerini oluşturur.
Sitosol, hücrenin hayatta kalması için gereken birçok kimyasal reaksiyonun gerçekleştiği yerdir. Örneğin, sitosolda bulunan enzimler, glikoz molekülünden ATP üretimini sağlayan glikoliz gibi 10 kimyasal reaksiyonu katalizler. Ayrıca sitosolda gerçekleşen diğer reaksiyonlar, hücre yapılarının korunması ve büyümesi için gerekli olan yapı taşlarını sağlar.
Hücre iskeleti, hücre içindeki protein tellerinin oluşturduğu bir ağdır. Bu ağ, sitoplazmanın her yerine yayılmış durumdadır. İskeletin yapısına katkıda bulunan üç farklı tür tel vardır. İnce olanlara mikrofilamentler, orta kalınlıkta olanlara ara filamentler ve kalın olanlara mikrotübüller denir.
Hücre iskeleti, hücrenin şeklini koruması, yapısal destek sağlaması ve çeşitli hücresel fonksiyonları gerçekleştirmesi açısından önemlidir. İşte hücre iskeletinin bazı görevleri:
1. Şekil ve Yapısal Destek: Hücre iskeleti, hücrenin şeklini korur ve mekanik dayanıklılığını sağlar. İskelet, hücre zarının gerilmesini önler ve hücrenin sağlam bir yapıya sahip olmasını sağlar.
2. Hücre Hareketi: Hücre iskeleti, hücrenin hareket etmesini sağlar. Mikrofilamentler, hücre zarının altında yer alır ve hücrenin kontraksiyonu ve genişlemesiyle hücre hareketini sağlar. Mikrotübüller ise hücre içindeki organellerin hareketini düzenler.
3. Organellerin Yerleşimi ve Desteklenmesi: Hücre iskeleti, hücre içindeki organellerin yerleşimini düzenler ve onları destekler. İskelet, organellerin doğru yerlerde kalmasını sağlar ve hücre içinde düzenli bir yapı oluşturur.
4. Hücre Bölünmesi: Hücre iskeleti, hücre bölünmesi sırasında önemli bir rol oynar. Mikrotübüller, hücre bölünmesi sırasında kromozomların doğru şekilde dağılmasını sağlar ve hücrenin bölünmesini tamamlar.
5. Hücre İçi Sinyal İletimi: Hücre iskeleti, hücre içi sinyal iletiminde de önemli bir rol oynar. İskelet, sinyal moleküllerinin hücre içinde iletilmesini sağlar ve hücrenin çevresel sinyallere yanıt vermesini mümkün kılar.
Hücre iskeletinin bu görevleri, hücrenin sağlıklı işleyişini ve uyumlu bir şekilde çalışmasını sağlar. Aynı zamanda hücre iskeleti, hücreler arası etkileşimlerde de önemli bir rol oynar ve dokuların ve organların düzgün bir şekilde işlev görmesine katkıda bulunur.
Nükleus (Çekirdek)
Çekirdek, genellikle bir hücrenin en belirgin özelliği olan yuvarlak veya oval şekilli bir yapıdır. Çoğu hücrenin tek bir çekirdeği vardır, ancak olgunlaşmış kırmızı kan hücreleri gibi bazı hücrelerde çekirdek bulunmaz. Bununla birlikte, iskelet kas lifleri ve birkaç diğer hücre tipi birden fazla çekirdeğe sahiptir. Çekirdeği sitoplazmadan ayıran çift zarlı bir yapı olan çekirdek zarı bulunur. Çekirdek zarının her iki tabakası da plazma zarıyla benzerlik gösteren lipidik bir çift zar yapısına sahiptir. Çekirdek zarının dış tabakası pürüzlü endoplazmik retikulumla sürekli bir yapı oluşturur ve ona benzer bir yapıya sahiptir. Çekirdek zarı boyunca uzanan çok sayıda açıklık, nükleer gözenekler olarak adlandırılır. Her bir nükleer gözenek, merkezi bir açıklığın etrafında dairesel bir düzenlemeye sahip proteinlerden oluşur ve plazma zarındaki bir kanal proteininin gözenekten 10 kat daha geniş olan büyük bir merkezi açıklığı içerir.
Nükleer gözenekler, çekirdek ve sitoplazma arasında madde hareketini kontrol eder. Küçük moleküller ve iyonlar, difüzyon yoluyla gözeneklerden pasif olarak hareket eder. RNA'lar ve proteinler gibi çoğu büyük molekül, difüzyon yoluyla nükleer gözeneklerden geçemez. Bunun yerine, bu moleküllerin geçişi, tanınması ve seçici olarak çekirdek gözeneklerinden içeri veya dışarı taşınmasını içeren aktif bir taşıma sürecini gerektirir. Örneğin, çekirdek fonksiyonları için gerekli olan proteinler sitoplazmadan çekirdeğe taşınırken, yeni oluşan RNA molekülleri bu şekilde çekirdekten sitoplazmaya taşınır.
Çekirdek içinde, nükleol adı verilen bir veya daha fazla küresel yapı bulunur. Nükleoller, ribozomların üretiminde görev yapar. Her bir nükleol basitçe bir protein, DNA ve RNA kümesidir; bir zarla çevrili değildir. Nükleoller, rRNA'nın sentezinin ve rRNA ve proteinlerin ribozomal alt birimlere montajının gerçekleştiği yerlerdir. Protein miktarı yüksek olan hücrelerde, örneğin kas ve karaciğer hücrelerinde nükleoller oldukça belirgin görülür. Nükleoller hücre bölünmesi sırasında dağılır ve kaybolur ve yeni hücreler oluşturulduktan sonra yeniden düzenlenir.
Çekirdeğin içinde, hücrenin kalıtsal birimlerinin çoğu olan genler bulunur. Genler, kromozomlar boyunca düzenlenmiştir. İnsan somatik (vücut) hücreleri, her bir ebeveynden 23 olmak üzere toplam 46 kromozoma sahiptir. Her bir kromozom, DNA'nın birkaç proteiniyle birlikte kıvrılmış uzun bir moleküldür. Bu DNA, proteinler ve bazı RNA'nın bir araya geldiği komplekse kromatin denir. Bir hücre veya organizmanın taşıdığı toplam genetik bilgi, genom olarak adlandırılır.
Bölünmeyen hücrelerde, kromatin, yayılmış, tanecikli bir kütle olarak görünür. Elektron mikrografiler, kromatinin bir boncuk dizisi yapısına sahip olduğunu gösterir. Her bir boncuk, histon adı verilen sekiz proteinin bir çekirdeğinin iki kez sarmaladığı çift sarmallı DNA'dan oluşan bir nükleozomdur. Boncuklar arasındaki ip, yan yana olan nükleozomları bir arada tutan bağlayıcı DNA olarak adlandırılır. Bölünmeyen hücrelerde, başka bir histon nükleozomları daha büyük bir çapta kromatin fiberine sarmalar ve daha sonra büyük halkalar oluşturur. Ancak hücre bölünmesi gerçekleşmeden hemen önce DNA replike olur (çoğalır) ve halkalar daha da yoğunlaşarak bir çift kromatid oluşturur. Yakında göreceksiniz ki, hücre bölünmesi sırasında bir çift kromatid bir kromozom oluşturur.
Protein Sentezi
Hücreler, homeostazı sürdürmek için birçok kimyasal bileşik sentezler. Bununla birlikte, hücrelerin büyük bir kısmı, çeşitli proteinlerin sentezini yapmak için kullanılır. Bu proteinler, hücrelerin fiziksel ve kimyasal özelliklerini ve dolayısıyla onlardan oluşan organizmaların özelliklerini belirler. Bazı proteinler hücre yapılarının, plazma zarının, sitoskeletonun ve diğer organellelerin oluşumuna yardımcı olur. Diğerleri hormonlar, antikorlar ve kas dokusundaki kontraktil unsurlar olarak görev yapar. Bazıları enzim olarak işlev görerek hücrelerde gerçekleşen birçok kimyasal reaksiyonun hızını düzenler veya taşıyıcı olarak kan yoluyla çeşitli maddeleri taşır. Genom bir organizmadaki tüm genleri ifade ederken, proteom (PRŌ-tē-ōm) bir organizmadaki tüm proteinleri ifade eder.
Gen ifadesi olarak adlandırılan bir süreçte, bir genin DNA'sı belirli bir proteinin sentezi için bir şablon olarak kullanılır. İlk olarak, uygun bir şekilde transkripsiyon adı verilen bir süreçte, DNA'nın belirli bir bölgesinde kodlanmış bilgi, bir molekül RNA (ribonükleik asit) üretmek üzere transkribe edilir (kopyalanır). İkinci bir süreç olan translasyonda, RNA bir ribozoma bağlanır ve RNA'da bulunan bilgi, yeni bir protein molekülü oluşturmak için amino asitlerin karşılık gelen bir sırasına çevrilir. DNA ve RNA, genetik bilgiyi üç nükleotid seti olarak saklar. DNA'daki üç nükleotidlik bir diziye baz triplet denir. Her bir DNA baz tripleti, kodon adı verilen üç nükleotid dizisinin tamamlayıcı bir sırası olarak transkribe edilir. Belirli bir kodon, belirli bir amino asidi belirtir. Genetik kod, DNA'nın baz triplet dizisini RNA'nın ilgili kodonlarına ve belirttikleri amino asitlere bağlayan kurallar kümesidir.
Transkripsiyon
Transkripsiyon, çekirdek içinde gerçekleşen bir olaydır. Bu süreçte, DNA'nın baz tripletlerinden oluşan genetik bilgi, kodon dizilerinin tamamlayıcısı olan RNA'ya kopyalanır. Üç farklı türde RNA üretilir:
1. Mesajcı RNA (mRNA), protein sentezinin yönlendirilmesinde görev alır.
2. Ribozomal RNA (rRNA), ribozomal proteinlerle birleşerek ribozomları oluşturur.
3. Transfer RNA (tRNA), bir amino asidi bağlar ve translasyon sırasında ribozom üzerinde tutarak proteinin bir parçası haline gelmesini sağlar. tRNA'nın bir ucunda belirli bir amino asit bulunurken, diğer ucunda ise bir antikodon adı verilen üç nükleotitten oluşur. Antikodon, mRNA'daki kodona tamamlayıcı bazlarla eşleşerek bağlanır. Yaklaşık 20 farklı türde tRNA, 20 farklı amino aside bağlanır.
RNA polimeraz enzimi, transkripsiyon sürecini başlatır ve DNA'nın bir şeridini kullanarak RNA'yı sentezler. Ancak enzimin nerede başlayacağını ve nerede sonlanacağını bilmesi gerekir. DNA'da transkripsiyonun başladığı özel bir nükleotid dizisi olan promotere bağlanır. Transkripsiyon sırasında bazlar tamamlayıcı olarak eşleşir: DNA şeridindeki sitozin (C), guanin (G) ve timin (T) bazları, RNA şeridinde sırasıyla guanin, sitozin ve adenin (A) ile eşleşir. Transkripsiyon, genin sonunu belirleyen bir terminatör adı verilen başka bir özel nükleotid dizisinde sona erer. RNA polimeraz terminatöre ulaştığında, RNA molekülünden ayrılır ve DNA şeridi ile bağlantısı kesilir.
Bir genin tüm kısımları proteinin bir parçasını kodlamaz. Kodlama yapmayan bölgelere intron denir. Bu intronlar, proteinin bir segmentini kodlayan eksonlar arasında bulunur. Transkripsiyon sonrasında, transkript hem intronlardan hem de eksonlardan oluşur ve bu pre-mRNA olarak adlandırılır. Pre-mRNA'dan intronlar küçük çekirdek ribonükleoproteinler (snRNP'ler) tarafından çıkarılır ve eksonlar birleştirilir. Sonuçta işlevsel bir mRNA molekülü elde edilir ve translasyonun gerçekleştiği sitoplazmaya ulaşmak için çekirdek zarındaki gözeneklerden geçer.
İnsan genomunda yaklaşık 30.000 gen bulunmasına rağmen, muhtemelen 500.000 ila 1 milyon insan proteini bulunmaktadır. Bu, bir genin farklı şekillerde splice edilerek birden fazla mRNA üretmesiyle açıklanabilir. Farklı mRNA'lar daha sonra farklı proteinlere çevrilebilir. Ayrıca, translasyondan sonra proteinlere kimyasal değişiklikler yapılabilir. Örneğin, Golgi kompleksinden geçerken proteinlere kimyasal modifikasyonlar eklenebilir ve bu, bir translasyon sonucunda tek bir proteinden daha fazla farklı proteinin oluşmasına yol açabilir.
Translasyon
Translasyon sürecinde, bir mRNA molekülü bir proteinin amino asit dizisini belirler. Sitoplazmada bulunan ribozomlar bu işlemi gerçekleştirir. Ribozomun küçük alt birimi mRNA için bir bağlanma bölgesine sahipken, büyük alt birimi üç farklı tRNA molekülü için bağlanma bölgelerine sahiptir: P (peptidil) bölgesi, A (aminoasil) bölgesi ve E (çıkış) bölgesi (Şekil 3.28). P bölgesi, büyüyen polipeptit zincirini taşıyan tRNA'ya bağlanır. A bölgesi, büyümekte olan polipeptide eklenmek üzere olan bir sonraki amino asidi taşıyan tRNA'ya bağlanır. E bölgesi ise tRNA'nın ribozomdan çıkışından hemen önce bağlandığı bölgedir. Translasyon aşağıdaki şekilde gerçekleşir:
1. Bir mRNA molekülü, küçük ribozomal alt birimine mRNA bağlanma bölgesine yerleşir. İnitiatör tRNA olarak adlandırılan özel bir tRNA, translasyonun başladığı AUG başlangıç kodonuna bağlanır. tRNA'nın antikodonu (UAC), mRNA kodonu (AUG) ile komplementer bazlar arasında eşleşir. AUG, hem başlangıç kodonu hem de metiyonin amino asidi için bir kodondur. Bu nedenle, metiyonin her zaman büyüyen polipeptitteki ilk amino asittir.
2. Ardından, büyük ribozomal alt birimi küçük ribozomal alt birimi-mRNA kompleksi ile birleşerek işlevsel bir ribozom oluşturur. İnitiatör tRNA, içindeki amino asit (metiyonin) ile birlikte ribozomun P bölgesine uyum sağlar.
3. Bir sonraki tRNA'nın antikodonu, üzerindeki amino asitle birlikte ribozomun A bölgesindeki ikinci mRNA kodonuna eşleşir.
4. Büyük ribozomal alt birimindeki bir bileşen, metiyonin ile A bölgesindeki tRNA tarafından taşınan amino asit arasında bir peptit bağının oluşumunu katalizler.
5. Peptit bağı oluştuktan sonra, iki-peptitlik protein tRNA ile A bölgesine bağlanır.
6. Peptit bağı oluştuğunda, ribozom mRNA dizisini bir kodon ileri kaydırır. P bölgesindeki tRNA E bölgesine girer ve ardından ribozomdan serbest bırakılır. A bölgesindeki iki-peptitlik protein taşıyan tRNA, P bölgesine kayar ve yeni ortaya çıkan bir kodona bağlanmak üzere başka bir tRNA ile amino asit bağlanmasına izin verir. 3 ila 6 arasındaki adımlar tekrarlanır ve protein giderek uzar.
7. Protein sentezi, ribozomun A bölgesinde bir durma kodonuna ulaştığında sona erer. Bu durum tamamlanan proteini son tRNA'dan ayırır. Ayrıca, tRNA P bölgesinden ayrılır ve ribozom büyük ve küçük alt birimlere ayrılır.
Protein sentezi, yaklaşık olarak saniyede 15 peptit bağı oluşturacak şekilde ilerler. Ribozom mRNA üzerinde ilerledikçe ve tüm proteinin sentezini tamamlamadan önce, başka bir ribozom aynı mRNA dizisine bağlanabilir ve translasyona başlayabilir. Aynı mRNA'ya bağlı birkaç ribozom, bir poliribozom oluşturur. Aynı mRNA molekülü boyunca birkaç ribozomun aynı anda hareket etmesi, bir mRNA'nın aynı anda birkaç aynı proteine çevrilmesine olanak sağlar.
Hücre Bölünmesi
Canlı organizmaların büyümesi, onarımı ve üremesi için hayati bir süreç olan hücre bölünmesi, hücrelerin kendilerini ikiye böldüğü ve iki yeni hücre oluşturduğu bir süreçtir. Bu süreç, büyük ve karmaşık organizmaların hücrelerinin çoğalmasını sağlar.
1. Somatik Hücre Bölünmesi:
Somatik hücre bölünmesi, vücut hücrelerinin bölünmesini ifade eder. Bu tür bölünme, büyüme, onarım ve yenilenme için gerçekleşir. İki ana aşamadan oluşur: mitoz ve sitokinez.
a. Mitoz: Mitoz, somatik hücre bölünmesinin ilk aşamasıdır. Bu aşamada, bir hücrenin çekirdeği bölünerek iki ayrı çekirdek oluşturur. Mitoz, ayrı aşamalardan oluşur: profaz, metafaz, anafaz ve telofaz. Bu aşamalar sırasında kromozomlar düzenlenir, hücre çekirdeği ve çekirdek zarı da bölünür.
b. Sitokinez: Sitokinez, hücrenin sitoplazmasının bölünmesini sağlar. Mitozun ardından, hücrenin ortasında bir çizgi oluşur ve sitoplazma ikiye ayrılır. Bu şekilde, iki ayrı hücre oluşur.
2. Hücre Kaderinin Kontrolü:
Hücre bölünmesi sırasında, hücrenin kaderiyle ilgili önemli olaylar gerçekleşir. Bu olaylar, hücrenin belirli bir doku veya organa özgü özellikler kazanmasını sağlar.
a. Diferansiyasyon: Diferansiyasyon, hücrelerin belirli fonksiyonları yerine getirmek üzere farklılaşması sürecidir. Örneğin, bir hücrenin sinir hücresine veya kas hücresine dönüşmesi, differansiyasyon sürecine bağlıdır. Bu süreçte, gen ifadesi, hücre içindeki sinyaller ve etkileşimlerin karmaşık bir ağı tarafından düzenlenir.
b. Epigenetik Kontrol: Hücre kaderinin kontrolünde epigenetik faktörler de önemli rol oynar. Epigenetik değişiklikler, gen ifadesini etkileyen, ancak DNA dizisinde kalıcı bir değişiklik yapmayan mekanizmalardır. Metilasyon ve histon modifikasyonları gibi epigenetik mekanizmalar, belirli genlerin aktive veya baskılanmasını sağlar, böylece hücrenin farklılaşmasını yönlendirir.
3. Üreme Hücreleri Bölünmesi:
Üreme hücreleri bölünmesi, üreme süreci için özelleşmiş hücrelerin bölünmesini ifade eder. Bu süreç, sperm hücreleri ve yumurta hücrelerinin oluşumunu içerir.
a. Mayoz Bölünme: Üreme hücrelerinin bölünmesi mayoz adı verilen özel bir süreçle gerçekleşir. Mayoz, iki ardışık bölünme aşamasından oluşur: mayoz I ve mayoz II. Bu süreç, kromozom sayısının yarıya indirildiği ve genetik çeşitliliğin sağlandığı bir süreçtir.
Hücre bölünmesi, canlıların büyümesi, onarımı ve üremesi için hayati bir süreçtir. Somatik hücre bölünmesi, vücut hücrelerinin çoğalmasını sağlar ve büyüme, onarım ve yenilenme için önemlidir. Hücre kaderinin kontrolü, hücrelerin farklılaşmasını ve belirli dokuları oluşturmasını sağlar. Bu süreçte gen ifadesi ve epigenetik faktörler önemli rol oynar. Üreme hücreleri bölünmesi ise yeni bireylerin oluşumunu sağlar ve genetik çeşitlilik sağlar. Mayoz bölünme, üreme hücrelerinin özelleşmiş bölünme şeklidir ve kromozom sayısının yarıya indirilmesini sağlar. Hücre bölünmesi, organizmaların büyümesi ve devamlılığı için temel bir süreçtir ve hücre düzenleme ve kontrol mekanizmaları tarafından sıkı bir şekilde yönetilir.
Hücresel Çeşitilik
Hücreler gerçekten de farklı boyutlarda olabilir. Hücrelerin boyutları mikrometre (μm) olarak ölçülür. Bir mikrometre, bir metrenin milyonda birine denk gelir yani 10^-6 metredir. En küçük hücreleri görebilmek için güçlü mikroskoplar kullanmamız gerekiyor. En büyük hücre olan bir tek yumurta hücresi, çapı yaklaşık 140 μm olan bir hücredir ve çıplak gözle neredeyse görülemez. Bir kırmızı kan hücresinin çapı ise 8 μm'dir. Daha iyi bir görsel elde etmek için, başınızdaki bir saç teli yaklaşık olarak 100 μm çapındadır.
Hücrelerin şekilleri de oldukça farklılık gösterir. Yuvarlak, oval, düz, küp şeklinde, sütun şeklinde, uzun, yıldız şeklinde, silindirik veya disk şeklinde olabilirler. Hücrenin şekli, vücuttaki işleviyle ilgilidir. Örneğin, sperm hücresinin uzun kamçılı bir kuyruğu vardır ve bu kamçı hareket etmesine yardımcı olur. Sperm hücreleri, önemli mesafeleri katetmek için hareket etmeleri gereken tek erkek hücreleridir. Kırmızı kan hücresinin disk şekli, oksijeni diğer hücrelere taşıma yeteneğini artırır. Rahatlatılmış düz kas liflerinin uzun ve iğ şekli, kasıldıkça kısalır. Bu şekil değişikliği, düz kas liflerinin kan damarlarından geçen kan akışını daraltması veya genişletmesi için kullanılır. Böylelikle, farklı dokular arasındaki kan akışı düzenlenir. Ayrıca, bazı hücrelerin mikrovillus adı verilen küçük uzantıları vardır. Bu uzantılar, ince bağırsağı kaplayan epitelyal hücrelerde yaygındır ve sindirilen yiyeceklerin daha hızlı emilimini sağlar. Sinir hücreleri ise büyük uzantılara sahiptir ve sinir impulsunu uzun mesafeler boyunca iletmek için kullanılır. İlerleyen bölümlerde göreceğimiz gibi, hücre çeşitliliği aynı zamanda hücrelerin daha karmaşık dokular ve organlar oluşturabilmesini sağlar.
Yaşlanma
Yaşlanma, vücudun evrimsel uyum tepkilerinde ilerleyici değişikliklere sahne olan normal bir süreçtir. Bu süreçte, yapısal ve işlevsel değişiklikler gözlemlenir ve vücut çevresel streslere ve hastalıklara karşı daha hassas hale gelir. Yaşlı insanların sağlık sorunları ve bakımlarıyla ilgilenen tıp dalına geriatri adı verilir, gerontoloji ise yaşlanma süreci ve yaşlanma ile ilgili bilimsel çalışmaları kapsar.
Normalde, vücut her dakika milyonlarca yeni hücre üretirken, bazı hücre tipleri (örneğin, iskelet kas hücreleri ve sinir hücreleri) bölünme yeteneğini kaybeder ve G0 fazında kalıcı olarak dururlar. Diğer hücre tipleri ise sınırlı bir bölünme yeteneğine sahiptir. Vücut dışında yetiştirilen normal hücreler belirli bir sayıda bölünür ve daha sonra dururlar. Bu gözlemler, mitozun normal bir şekilde sonlandığını ve genetik olarak programlandığını göstermektedir. Bu görüşe göre, "yaşlanma genleri" doğumda genetik yapımızda bulunur. Bu genler normal hücrelerde önemli bir rol oynar, ancak zamanla aktiviteleri yavaşlar. Yaşlanma, yaşam için hayati olan süreçleri yavaşlatarak veya durdurarak meydana gelir. Telomerler ise yaşlanmanın başka bir yönünü oluşturur. Telomerler, kromozomların uçlarında bulunan özel DNA dizileridir ve kromozomların erozyondan ve birbirine yapışmasından korunmasını sağlar. Ancak, çoğu normal hücrede her bölünme döngüsü telomerleri kısaltır. Birçok bölünme döngüsünden sonra telomerler tamamen kaybolabilir ve hatta bazı işlevsel kromozomal materyal kaybedilebilir. Bu gözlemler, kromozomların uçlarındaki DNA erozyonunun yaşlanma ve hücre ölümüne büyük ölçüde katkıda bulunduğunu gösterir. Ayrıca, yüksek düzeyde stres yaşayan bireylerin telomerlerinin önemli ölçüde kısaldığı gözlemlenmiştir.
Glukoz, vücutta en yaygın olarak bulunan şekerdir ve yaşlanma sürecinde rol oynar. Glukoz, hücre içinde ve dışında proteinlere rastgele olarak eklenerek, bitişik protein molekülleri arasında geri dönüşü olmayan çapraz bağlar oluşturur. Yaş ilerledikçe, bu çapraz bağların sayısı artar ve bu da yaşlanan dokularda sertleşme ve elastikiyet kaybına katkıda bulunur.
Yaşlanma teorileri, bazıları hücresel düzeyde süreci açıklarken diğerleri ise tüm organizma içindeki düzenleyici mekanizmalara odaklanır. Örneğin, bağışıklık sistemi, vücudun kendi hücrelerine karşı saldırabilir. Bu otoimmün tepki, hücre yüzeyindeki proteinlerdeki değişikliklerden kaynaklanabilir ve antikorların hücrelere yapışarak onları imha etmesine neden olabilir. Hücre zarındaki proteinlerdeki değişiklikler arttıkça, otoimmün tepki de artar ve yaşlanmanın bilinen belirtileri ortaya çıkar.