Hücreler ve bulundukları ortam arasında sürekli bir madde ve enerji akışı söz konusudur. Çünkü daha önce de değindiğimiz gibi canlılar açık sistemlerdir.
Hücre, ihtiyacı olan maddeleri ortamdan alırken, metabolizması sonucu oluşturduğu atık ürünleri de dış ortama verir.
Bütün bu düzenlemeler hücre zarı tarafından sağlanır.
Hücre zarındaki porlardan geçebilecek kadar küçük moleküllerin hücre içine veya dışına hareketi aktif ve pasif olmak üzere iki farklı yoldan gerçekleşir.
Pasif taşıma yolunda moleküller yoğun olarak bulundukları bölgeden daha az bulundukları bölgeye ATP enerjisi harcanmadan geçerken, aktif taşımada ATP enerjisi kullanılarak geçirilir.
O halde pasif taşıma canlı ve cansız hücrelerde gerçekleştirilebilirken, aktif taşıma için hücrenin canlı olma şartı vardır.
Hücre zarındaki porlardan geçemeyecek kadar büyük moleküller ise mutlaka ATP enerjisi harcanarak hücre içine alınır ya da hücreden atılır. Porlardan geçemeyen büyük moleküllerin hücre içine alınmasına endositoz, atılmasına ise ekzositoz denir.
Pasif taşıma
Her molekülün kendine ait bir kinetik enerjisi vardır. Bundan dolayı moleküller sürekli hareket halindedir.
Moleküllerin, çok yoğun oldukları ortamdan az yoğun oldukları ortama kendi kinetik enerjilerini kullanarak geçişlerine pasif taşıma denir.
Pasif taşımanın hızı,
molekülün büyüklüğüne,
iki ortam arasındaki konsantrasyon farkına ve
sıcaklığa
bağlı olarak değişir.
Pasif taşımanın hızı molekülün büyüklüğü ile ters, diğer iki faktörle doğru orantılıdır.
Poşet çaydaki moleküllerin sıcak suda daha hızlı yayılması veya çöplerin yazın daha fazla kokması sıcaklık ile pasif taşıma arasındaki ilişkiye örnek verilebilir.
Pasif taşımanın özellikleri şöyle sıralanabilir.
- Enerji harcanmadan gerçekleşir.
- Taşıma, madde derişiminin fazla olduğu ortamdan az olduğu ortama doğru olur ve derişim eşitleninceye kadar devam eder. ( konsantrasyon farkı sıfır oluncaya kadar )
- Hem canlı hem de cansız hücrelerde görülür.
- Ortam sıcaklığının ve taşınacak maddenin derişim farkının yüksek olması pasif taşımayı hızlandırır.
Pasif taşımanın difüzyon ve ozmoz olmak üzere iki farklı çeşidi söz konusudur.
Difüzyon
Bir çözeltideki çözünen moleküllerin derişimlerinin fazla olduğu ortamdan az olduğu ortama doğru yayılmasına difüzyon denir.
Hücreler difüzyondan yararlanarak bazı maddelerin geçişini sağlayabilir.
Örneğin hücrelere O2 ve CO2 giriş çıkışı difüzyonla gerçekleşen olaylardır.
Difüzyon pasif bir olay olduğundan hücrenin enerji harcamasını gerektirmez.
Difüzyon, basit ve kolaylaştırılmış olmak üzere iki farklı şekilde gerçekleşir.
Kolaylaştırılmış difüzyonda taşınacak madde ( madde kendi kinetik enerjisi ile taşıyıcı proteine bağlanır ) hücre zarında yerleşmiş bulunan taşıyıcı proteinler yardımıyla hücre içine ya da dışına taşınır.
Bu açıdan basit difüzyondan farklılık gösteren kolaylaştırılmış difüzyon, madde geçişinin çok yoğundan az yoğuna olması ve enerji gerektirmemesi yönünden basit difüzyonla benzerdir.
Zardaki taşıyıcı proteinler taşıdıkları moleküle özeldir. Örneğin glikoz taşıyan bir protein onun izomeri olan galaktozu taşımaz.
Hücre zarından, O2, CO2 ve alkol difüzyonla geçerken, monosakkaritler ve aminoasitler kolaylaştırılmış difüzyonla geçer.
Kolaylaştırılmış difüzyonda, taşıyıcı protein ya özel bir kanal oluşturarak ya da şekil değişikliğine uğrayarak madde taşınmasını sağlar.
Kolaylaştırılmış difüzyonda canlılık şartı olmayıp, taşıyıcı proteinler görev yaparken enzimler bu süreçte görev yapmaz.
Ozmoz
Suyun, çok yoğun bulunduğu ortamdan, az yoğun bulunduğu ortama yarı geçirgen bir zardan basit difüzyonuna ozmoz denir.
Ozmoz olayını anlayabilmemiz için yoğunluk kavramını bilmemiz gerekir.
Yoğunluk, birim hacim çözeltideki çözünen madde miktarıdır. Çözünen maddenin ( tuz glikoz vb ) çok olması durumunda çözelti çok yoğun, çözünen madde miktarının az olması durumunda çözelti az yoğundur.
Bu nedenle yüksek yoğunluklu çözeltilerde su oranı az, düşük yoğunluklu hücrelerde su oranı fazladır.
Yukarıdaki örnekte, yarı geçirgen zar ile ayrılmış iki çözelti farklı yoğunluklara sahiptir.
Düşük yoğunluklu yani yüksek su oranına sahip taraftan, yüksek yoğunluklu yani su oranı az olan tarafa ozmozla su geçişi olmuştur.
Ozmoz olayı iki çözeltinin yoğunlukları arasındaki farkı azaltıcı etki yapar.
Hücreler bulundukları ortamın yoğunluğuna göre su alır ya da verirler. Hücre için 3 farklı ortam yoğunluğundan bahsetmek mümkündür.
Yoğunluğu hücre içi madde yoğunluğuyla aynı olan ortamlara izotonik, ( izo = eş )
Yoğunluğu hücre içi madde yoğunluğundan düşük olan ortamlara hipotonik ( hipo = düşük )
Yoğunluğu hücre içi madde yoğunluğundan yüksek olan ortamlara hipertonik ( hiper = yüksek )
İzotonik ortama konulan bir hücrede dış ortamla su ve madde alışverişi devam eder ancak hücreye birim zamanda giren su kadar su çıkışı olduğundan hücrenin şeklinde bir değişim olmaz.
Hipertonik ortama konulan hücre zaman içerisinde su kaybederek büzüşürken, hipotonik ortama konulan hücreye zaman içinde su girişi olur.
Ozmotik basınç
Hücrenin içerisinde bulunan çözünmüş maddelerin oluşturduğu su alma isteğine ozmotik basınç denir.
O halde hücre içerisinde özünmüş madde miktarı ne kadar çok ( yani su miktarı ne kadar az )ise, hücrenin ozmotik basıncı o kadar yüksektir.
Turgor basıncı
Hücrenin içerisindeki suyun hücre zarına yapmış olduğu basınçtır.
Bir hücredeki su miktarı ne kadar çok ise zara uygulanan turgor basıncı da o kadar yüksektir.Turgor basıncı otsu bitkilerde dik durmayı sağlayan kuvvetlerden biri olduğu gibi, stoma açıklıklarının açılıp kapanmasında ve böcekçil bitkilerin nasti hareketlerinde de etkilidir.
Emme kuvveti
Hücrelerde ozmotik basınç ile turgor basıncı ters orantılı olarak değişir. Çünkü başlangışta su oranı az olan hücrede ozmotik basınç ( yani su alma isteği )yüksek, hücrede az miktarda bulunan suyun zara yaptığı basınç olan turgor basıncı düşüktür.
Hücre zaman içerisinde ozmotik basıncının etkisiyle su aldıkça, hücre içerisindeki su oranı artacak yani su içme isteği olan ozmotik basıncında bir düşme meydana gelecektir. Ancak aynı zaman diliminde hücrede artan suyun zara uyguladığı basınç, yani turgor basıncı artacaktır.
Ozmotik basınç ile turgor basıncı arasındaki fark, emme kuvveti olarak adlandırılır.
Emme kuvveti = Ozmotik basınç – Turgor basıncı
Hipertonik yani yüksek yoğunluklu ortama konulan hücrenin su kaybederek büzüşmesine plazmoliz denir.
Plazmolize uğrayan bitki hücrelerinde zar ile çeper arasındaki mesafe artar, aynı zamanda merkezi koful su kaybettiğinden küçülür.
Zaman içerisinde hücre su kaybettiğinden ozmotik basıncında artma görülür.
Plazmolize uğramış bir hücre, hipotonik yani düşük yoğunluklu bir ortama konulursa, yüksek ozmotik basıncından dolayı dış ortamdan su emer.
Daha doğrusu su, yüksek oranda bulunduğu yerden düşük oranda bulunduğu yere ozmozla geçer.
Bunun neticesinde su alan hücre zaman içerisinde şişmeye başlar. Bu olaya deplazmoliz denir.
Bu hücre bir bitki hücresi ise, zar ile çeper arasındaki mesafe azalır, merkezi koful büyür.
Hücrenin turgor basıncı artar.
Hipotonik ortama konulan hücre, eğer bir hayvan hücresi ise hücre duvarına sahip olmadığından zaman içerisinde hücrede artan turgor basıncına dayanamaz ve patlar. Bu olaya hemoliz denir.
İzotonik, yani eş yoğunluklu ortama konulan hücrelere zaman içerisinde giren su miktarı ile hücreden çıkan su miktarı eşit olduğundan hücrede bir değişiklik oluşmaz.
Aktif taşıma
Pasif taşıma olayında, hücre zarından geçebilecek maddenin hareketinin gücü moleküllerin sahip olduğu kinetik enerjiden ve ortamlar arasındaki konsantrasyon farkından sağlanıyordu.
Pasif taşıma ile hücre içi ile hücre dışı ortamlar arasındaki konsantrasyon farkı sıfır oluncaya kadar devam eder.
Ancak hücreler canlılıklarını devam ettirebilmek için bazı maddeleri dış ortama göre daha fazla oranda tutmak, bazı maddeleri ise yüksek oranda uzaklaştırmak zorundadır.
Örneğin denizdeki balıkların içerdikleri fosfor, sudaki fosforun iki milyon katıdır.
Bütün bunlar pasif taşımayla sağlanamaz.
Aktif taşımada ise maddelerin zardan geçmesi için kullanılan kuvvet, hücrenin kendi metabolizması sonucunda ürettiği enerjidir.
Bu da enerji içeren ATP molekülünün parçalanmasıyla elde edilir.
Aktif taşıma olayında, taşınacak maddeler pasif taşımanın tersine az yoğun bulundukları ortamdan çok yoğun bulundukları ortama hücre zarındaki taşıyıcı proteinler ve enzimler yardımıyla enerji harcanarak taşınırlar.
Aktif taşımada görev alan taşıyıcı proteinler, zarı boydan boya geçerler.
Taşıyıcı proteinler taşıyacakları moleküllere özeldirler.
Bir taşıyıcı protein,
- farklı iki molekülden birini hücre içine, diğerini hücre dışına
- farklı iki molekülü aynı anda aynı istikamette
- sadece belli bir molekülü belli bir yönde taşıyabilir.
Örneğin, hücrelerin canlılıklarını devam ettirebilmelerinin bir koşulu, hücre zarının iki yanındaki Na+ ve K+ iyonları derişimini ayarlamalarıdır. Hücreler Homeostazinin devamı için sodyumu hücre dışına atarken aynı zamanda potasyumu da hücre içine almak zorundadır.
Burada Na ve K iyonları aynı taşıyıcı protein tarafından ters istikametlerde taşınmaktadır.
Glikozun hücre zarlarından aktif taşınmayla alınması da bir taşıyıcı proteinin 2 farklı molekülü aynı istikamette taşımasına örnek olarak verilebilir.
Hücrelerde glikozun alınması için öncelikli olarak sodyum iyonları hücre dışına doğru aktif olarak pompalanır.
Bu sayede sodyumun hücre dışı konsantrasyonu hücre içi konsantrasyonundan yüksek hale gelir.
Pasif taşıma kuralları gereğinde Na+ iyonları hücre içerisine dönmek ister. Na+ iyonlarını hücre içerisine alan taşıyıcı protein aynı anda başka bir bölgesine bağlanan glikozu da hücre içerisine alır.
Bu sayede Na+ iyonları ve glikoz aynı zaman diliminde aynı taşıyıcı protein tarafından ve aynı istikamette birlikte taşınmış olurlar.
Proteinler, polinükleotidler ve polisakkarit gibi büyük moleküller, hücre zarındaki porlardan geçemeyecek kadar büyük oldukları için aktif ve pasif taşıma ile hücre içine alınamaz veya hücreden atılamazlar.
Bu şekildeki büyük moleküllerin enerji harcanmak suretiyle hücre içerisine alınmasına endositoz, hücre dışına bırakılmasına ise ekzositoz adı verilir.
Endositoz
Yukarıda bahsettiğimiz gibi porlardan geçemeyecek kadar büyük olan makromoleküllerin, hücre içerisine enerji harcanarak alınması olayıdır.
Endositoz olayında hücre zarının bir kısmı alınacak molekülün sarılması için kullanılacağından endositoz sonucunda hücre zarının yüzeyi azalmaktadır.
Başlangıçta, endositozun sadece hayvan hücreleri tarafından gerçekleştirilebildiği, bitki hücrelerinde ise zarın dışında yer alan çeper dolayısıyla gerçekleştirilemediği düşünülüyordu.
Ancak son yıllarda yapılan çalışmalarla bitki hücrelerinde de bu faaliyetin gerçekleştirildiği ispatlanmıştır.
Endositoz da alınan maddenin sıvı ya da katı olmasına göre iki farklı şekilde isimlendirilmektedir.
Fagositoz
Kısaca hücrenin yutması anlamına gelir.
Büyük moleküllü katı maddelerin hücre içerisine alınmasıdır.
Katı madde hücre zarında oluşturulan yalancı ayaklar ile sarılır. Daha sonra bu ayaklar birleşerek zardan kopar ve zar ile çevrelenmiş katı madde besin kofulu olarak sitoplazmaya alınır.
Besin kofulu, hücrenin sindirimden sorumlu organeli olan lizozomla kaynaşır ve sindirim kofulu oluşmuş olur.
Sindirim faaliyeti sonucu oluşturulan monomerler sitoplazmaya geçerken, atık maddeler ekzositoz ile dışarı atılır.
Amip gibi tek hücrelilerin beslenmesi ve akyuvarların mikroorganizmaları yutması fagositoz olayına örnek verilebilir.
Pinositoz
Kısaca hücrenin içmesi anlamına gelir.
Büyük moleküllü sıvı maddelerin hücre içerisine alınmasıdır.
Sıvı moleküllerin zara değmesiyle, hücre zarı içe doğru çökerek pinositoz cebini oluşturur.
Sıvı moleküller bu cebe dolar ve hücre zarının boğumlanmasıyla oluşan pinositik kofulu sitoplazmaya geçer.
Endokrin bezler tarafından salgılanan bir çok hormon, bazı enzimler ve antikorların hücreye giriş şekli bu sayede olmaktadır.
Ekzositoz
Hücre içinde üretilen enzim, hormon, salgı maddeleri gibi makromoleküllerin enerji harcanarak hücre dışına bırakılması olayıdır.
Bu olayda koful zarı hücre zarı ile birleştiğinden endositozun aksine ekzositozla madde atılması sonrası hücre zarının yüzeyi artar.