Ünite 2: Hücre Yapısı

Giriş

Canlılığın temel yapı ve fonksiyon birimi hücredir. Hücre, dışarıdan aldığı maddeleri ihtiyacı doğrultusunda işleyip, yeniden sentezleyebilen, gerektiği zaman bu maddeleri parçalayıp enerjisini sağlayabilen, bir üreme birimi olarak da kendisinin aynısını meydana getirebilen ve kendi özelliklerini sonraki kuşaklara aktarabilen en küçük yaşam birimidir.

Hücreler zarla çevrili bir çekirdeğe sahip olup olmamalarına göre prokaryot ve ökaryot hücreler olarak iki gruba ayrılır. Prokaryota terimi eski Yunancadaki pros, ilk; karyon, çekirdek anlamına gelmektedir. Prokaryot hücrelerin genetik materyali DNA molekülü nükleoid olarak adlandırılır ve hücre içinde nukleus oluşumu görülmez. Eukaryota (Ökaryot), Yunancada eu, iyi, gerçek; karyon, çekirdek anlamına gelmektedir. Ökaryot hücrelerin genetik mateyali zarla çevrili ve kendine has matriksi olan çekirdek (nukleus) içinde yer alır.

Prokaryot Hücre

Prokaryot hücreler zarla çevrili bir çekirdekleri olmayan hücre tipleridir. Çekirdek materyalleri serbest olarak protoplazma ile karışmıştır. Prokaryot hücrelerde endoplazmik retikulum, golgi cisimciği ve mitokondri gibi çift zarla çevrili organeller yoktur. Protein sentezinin yapıldığı ribozom granülleri sitoplazmada dağınık olarak bulunur. Solunum enzimleri hücre zarı çevresinde bulunurlar. Bir çekirdek zarı bulunmadığından bunların dışında kalan molekül içermeyen, yarı katı sıvı da sitosol olarak isimlendirilir.

Prokaryot hücreler çeşitli biçimlerde olabilirler (çubuk, küre, spiral gibi). Boyları 1-10 mikron kadardır. Işık mikroskobu ile görülebilir, kolayca üretilebilirler. Prokaryotlar tek veya koloniler halinde yaşarlar. Bu özellikteki hücrelere en iyi örnekler bakteriler ve siyanobakteriler (mavi-yeşil algler)’dir.

Ökaryot Hücre

Ökaryot hücreler belirlenmiş bir çekirdeğe sahip hücrelerdir. Prokaryotlardan farklı olarak çift zarla çevrili organellere sahiptirler. Hücre büyüklüğü açısından, gözle görebileceğimiz boyutta hücreler olabildiği gibi, göremeyecek kadar küçük olanları da vardır.

Ökaryot hücrelerde üç temel bölüm ayırt edilir. Bunlar hücre zarı, çekirdek ve sitoplazmadır. Sitoplazma içinde özel görevleri olan ve organel adını verdiğimiz yapılar yer almaktadır. Ökaryot hücrelerin bitki ve hayvan hücresi olmak üzere iki temel tipi vardır ve bunları farklı kılan bazı özelliklere sahiptirler. Bitki hücrelerinde plazma zarının dışında birde selülozdan oluşmuş hücre duvarı bulunur. Ayrıca fotosentez görevi yürüten kloroplast ve çeşitli maddelerin sentezi ve depolanmasından sorumlu plastidler de vardır. Bitki hücrelerinde ayrıca fonksiyonel vakuol (koful) adı verilen boşluklar da bulunur. Buna karşılık hayvan hücrelerindeki sentriol ve aster iplikleri bitki hücrelerinde bulunmaz. Bitki hücrelerinin bölünürken oluşan hücre plağı denilen bir yapı da bitkilere özgüdür.

Hücreler bulundukları yere ve görevlerine göre belirli biçimlere sahiptirler. Ancak amip ve lökositler gibi özel bazı hücreler değişebilen şekillere sahiptirler. Benzer görevleri yapan hücreler dokuları meydana getirirler. Bu yapıları oluşturan hücreler büyüklük bakımından canlıdan canlıya pek farklılık göstermezler, ancak sayı bakımından çok farklıdırlar.

Hücre Membranı (Hücre Zarı)

Bütün hücreler sitoplazmalarının çevresinde bütünlüğü korumak için hücre zarı ile çevrelenmişlerdir. Hücre zarı, protein ve lipitlerden az miktarda da karbonhidratlardan oluşmuştur. Zarlarda yer alan karbonhidratlar, lipitlere bağlı halde bulunan ya glikolipit ya da glikoprotein halindedirler. Hücre membranında ayrıca kolesterol molekülünün yanında potasyum, sodyum, magnezyum, kalsiyum gibi iyonlar da bulunmaktadır.

Hücre membranı hücrenin şeklini korumada, madde alışverişinde, harekette ve diğer hücrelerle iletişim kurulmasında da önemli görevleri üstlenmiştir. Zar kalınlığı ortalama 60-100 angstron kadardır. Membran katı, hareketsiz bir yapı olmayıp, aksine asimetrik ve sıvı yapıdadır. Membranların fonksiyonlarını yerine getirebilmesi için bu sıvı yapısını koruması gereklidir. Hücre zarı ortada lipit ve iki tarafında protein tabakalarından oluşmuştur. Lipitler iki tabaka halinde ve çoğunlukla fosfolipitlerden oluşmuşlardır. Yağların hidrofil grupları dışa, hidrofob olan tarafları ise içe, birbirine dönüktür.

Zar proteinleri çift lipit tabakasının arasına yer yer boydan boya uzanarak yerleşmişlerdir. Ancak yerleri sabit değildir ve görevleri sırasında hareket ederek yer değiştirebilmektedirler. Buna akıcı mozayik zar modeli adı verilmektedir. Zar üzerinde yer yer porlar mevcuttur ve buraları da protein molekülleri ile çevrelenmiştir. Suda çözünmeyen moleküller ancak lipitte çözünüp hücreye girebilirler.

Hücre kendisi için gerekli olan su, oksijen besin vb. gibi gereksinim duyduğu molekülleri çevresinden alır. Atık maddeleri ve kendisine gerekli olmayanları da dışarı verir. Bu şekilde iç ortamının iyon dengesini korur. Zar böylece seçici olarak bazı molekülleri içeri alır, bazılarını dışarı verir. Bu zarın seçici geçirgen özelliğinden ileri gelir. Bu alışverişte zarın iki tarafındaki konsantrasyon farkı çok önemlidir.

Küçük moleküllerin hücre zarından geçişi difüzyon, osmoz, kolaylaştırılmış difüzyon, aktif transport; makromoleküllerin geçişi ise endositoz (fagositoz, pinositoz) ve ekzositoz ile olmaktadır. Membrandan iyonların geçişi iyon kanalları=transport proteinleri sayesinde gerçekleştirilir.

Sitoplazma

Hücrenin içinde bulunan zar sisteminin arasındaki boşlukları dolduran kısım sitoplazmadır. Sitoplazma, heterojen yapıda, ne katı, ne sıvı bir kolloid sistemdir. Sitoplazmaya, sitoplazmik matriks de denilir. Hücredeki metabolik ve biyosentetik olaylar için uygun bir yer olduğu kadar hücre iskeletini oluşturan keratin teller, miyofibriller, mikrotüpçükler, mikrofilamentler de sitoplazmada yer alır. Sitoplazmik matriks içerisinde serbest ribozom granülleri gibi pek çok granüllü yapı da bulunur. Ribozom ve zarlı organellerden başka sitoplazmada hücre inklüzyonları denen tanecikler ve damlacıklar da bulunur.

Sitoplazma içerisinde ağ yapısında, lifsi yapıda, hücreyi mekanik olarak destekleyip biçimini koruyan, hücre iskeleti yer alır. Bu yapıların içinde dağıldığı sitoplazmanın sıvı, partikülsüz kısmına ise sitosol adı verilir.

Hücrede özelleşmiş işlevler ve kimyasal reaksiyonlar organel adını verdiğimiz özelleşmiş yapılarda gerçekleştirilir. Ayrıca bir hücre içi zar sistemi oluşmuştur. Bu zar sistemi ile hücrenin içinde birbirinden bağımsız çalışan bölümler oluşturulur. Bu sistem içinde endoplazmik retikulum, golgi kompleksi ve çekirdek zarı yer alır.

Hücre içi zar sisteminin büyük bir kısmını endoplazmik retikulum oluşturur. Eritrositler hariç tüm ökaryot hücrelerde bulunur. Endoplazmik retikulum membran sistemi, hücrenin içinde her yönde dallanmış, yassılaşmış keseler şeklinde bir ağ şeklindedir. Endoplazmik retikulum genelde çekirdek ve golgi aygıtı arasında yer alır. Hücreden hücreye ve fizyolojik durumlarına göre kanal ve keselerin diziliş ve miktarları değişebilir. Çok fazla protein sentezi yapan hücrelerde kanallar genişlemiş olarak gözlenir. Endoplazmik retikulum zarları ile çevrili olan yapılara sisterna adı verilir. İki tip Endoplazmik retikulum vardır. Protein sentezinin yapıldığı ribozomları üzerinde taşıyan Granüllü ER (GER) ve ribozom taşımayan düz endoplazmik retikulum (DER).

Hem prokaryot hem de ökaryotlarda bulunurlar. Ribozomlar ribonükleik asit ve protein ünitelerinden yapılmıştır, lipit ve polissakkaritleri içermezler. Görevi protein sentezinde mRNA’daki bilgiyi aminoasit dizisi şekline dönüştürmektir. Ribozomlar ayrıca kloroplast ve mitokondride de bulunurlar. Prokaryotik ve ökaryotik ribozomların işlevleri aynı olup, büyüklükleri farklılık göstermektedir. Ribozomlar biri büyük, birisi küçük olan iki alt birimden oluşmuşlardır.

DNA’nın kendi kopyasını yapmasına replikasyon adı verilir. DNA kendisinde bulunan bilgileri RNA molekülüne aktarmaktadır, bu işleme de tercüme yani transkripsiyon adı verilir ve protein sentezlenmesinde kullanılır. Bu RNA molekülüne çevrilen genetik şifrenin protein üretimi için kullanılmasına translasyon adı verilir.

Hücrede çekirdeğin üst tarafında yer alan ve ağ şeklinde olan organele golgi kompleksi adı verilmektedir. Yapısının ve görevinin karmaşıklığından dolayı golgi kompleksi adı verilmiştir. Bütün omurgalı hayvan hücrelerinde vardır. Bitki hücrelerinde de golgiyozom veya diktiyozom adını alır. Elektron mikroskobunda çift olarak uzanan yassılaşmış keselerden meydana geldiği gösterilmiştir. Her golgi kompleksi 3–8 kadar birbirine paralel uzanan yassı keselerden oluşmuştur. Büyüklüğü hücre işlevine ve çeşidine göre değişiklik gösterir.

Lizozomlar, kırmızı kan hücreleri hariç bütün ökaryotik hücrelerde bulunur. Zarla çevrili yuvarlak veya oval biçimli, yerleri, sayıları ve büyüklükleri hücreden hücreye ve hücrenin farklı evrelerinde değişen bir organeldir. Esas görevi sindirmektir. Bu görevi de içlerinde bulundurdukları enzimlerle yaparlar. Belli başlı lizozomal enzimler asit fosfatazlar, asit ribonukleazlar, asit deoksiribonukleazlar, hyaluronidaz, lizozimlerdir. Lizozom zarı bu litik enzimlere dayanıklıdır. Hücre ölürse ya da lizozom zarı yırtılırsa litik enzimler dışarı sızar hücrenin tüm protein yapılarına parçalanır. Bu olaya otoliz denir.

Peroksizom, tek zarla çevrili mikrobadi olarak da isimlendirilen, yuvarlak ya da oval şekilli sayıları hücre içinde farklılık gösteren organellerdir. Peroksizomlarda katalaz enzimi ve hidrojen peroksit bol miktarda bulunur. Hücre içerisinde oluşan zararlı oksijeni kullanarak oksijen konsantrasyonunu ayarlar. Ayrıca hücredeki hidrojen peroksiti içerdiği katalaz enzimi ile yıkıma uğratarak zararsız hale getirir.

Mitokondriler membran proteinlerini kendi ribozomları ile veya sitosolde bulunan serbest ribozomlar ile yapabilen kendine ait DNA molekülleri olan, memeli eritrositleri hariç tüm ökaryotik hücrelerde bulunan bir organeldir. Hücrenin bulunduğu fizyolojik duruma göre sayıları da değişmektedir. Kendileri büyüyüp, bölünebilirler. Oval ya da elips biçimindedirler. Dış membran ve iç membran olarak adlandırılan iki membrandan oluşur. Dış membran düz, iç membran ise içe doğru katlanmalar gösteren ve krista adı verilen uzantılara sahiptir. Mitokondri içi proteinlerce zengin bir matrix kısmı ile doludur. Solunum olayının bazı aşamaları matrikste olur. ATP üreten diğer proteinler ise iç membranda yer alırlar. İç zarın üzerinde bir takım partiküller bulunur. Kristaların üzerinde bulunan bu partiküllere elementer partikül ve ya F1 partikülleri denir. Bu partiküller ATP sentetaz enzimini içerirler.

Mitokondriler ATP’nin depolanıp, hücre içi solunumunda görevli olan enerji dönüşümünün sağlandığı bir organeldir. Bu nedenle trikarboksilik asit çevrimi (TCA), solunum zinciri olayı ve oksidatif fosforilasyon olayları mitokondrilerde gerçekleşir. Hücre metabolizmasında ATP üretimi en önemli katabolik mekanizmadır. Hücre kendisine gerekli olan enerjiyi glikozdan sağlar. İnsanlar ve diğer memeliler glikozun dışında yağ ve proteinleri de parçalayarak enerji elde etmede kullanabilirler. Glikozun oksijenli veya oksijensiz ortamda parçalanmasına ve bundan elde edilen enerjinin ATP moleküllerinde depolanmasına glikoliz olayı adı verilir. Glikozun oksijen yokluğunda parçalanması anaerobik glikolizdir.

Koful, sitoplazmada bulunan içi sıvı dolu boşluklardır. Koful hayvan hücresinde çok fakat küçük, bitki hücresinde az fakat büyüktür. Yaşlı bitkilerde kofullar daha büyüktür. Kofullar; hücre zarı endoplazmik retikulum, golgi cisimciği veya lizozomdan köken alabilirler. Bitkilerde kofullarda bulunan su turgor basıncı yaratır. Bazıları ise organik ve inorganik maddeler ile atık maddeleri biriktirir. Hayvan hücrelerinde içlerinde besin bulunanlara besin kofulu adı verilir. Bazı kofullar ise salgı maddeleri biriktirir. Tatlısularda yaşayan birhücreli protistlerde ise boşaltım görevi yaparlar.

Sentrozom ilkel bitki hücrelerinde ve hayvan hücrelerinde bulunan bir organeldir. Çiçekli bitkilerde sentrozom yoktur. Sentrozom hücre bölünmesinin başlangıcında yani interfaz safhasında görülür. Sentrozomun yapısı incelendiğinde dairesel bir hat üzerinde yanyana dizili 3’lü (triplet) mikrotübüller görülür. 3’lü yapıdaki bu mikrotübül yapılara sentriol denir. Sentrozom ya da sentrioller hücre bölünmesinde iğ ipliklerini oluştururlar.

Nukleus (Çekirdek)

Tüm ökaryotik hücrelerde bulunan ve kalıtsal maddeyi içeren, çoğalma olayının merkezidir. Hücreler genellikle tek çekirdeklidir. Çekirdek bir çekirdek zarı ile (karyoteka, karyolemma) ile sitoplazmadan ayrılmıştır.

İç ve dış çekirdek zarları çekirdeği çevreler. Dış çekirdek zarı endoplazmik retikulum ile devam eder ve bu şekilde endoplazmik retikuluma bağlanmıştır. Çekirdek zarı da seçici geçirgendir. Polar olmayan küçük moleküller geçer diğer moleküller geçemez.

Çekirdeğin içi çekirdek plazması (nükleoplazma veya karyoplazma) ile doludur. Çekirdek sıvısı içerisinde daha koyu bir alan gözlenir. Bu alan bir ya da birkaç tane olabilen çekirdekçik=nukleolusdur. Çekirdekçik ribozomların işlendiği ribozom, DNA, RNA ve çeşitli proteinlerin bulunduğu yerdir. Ribozomlara ait ribonükleik asitlerin, rRNA’ların yapım yeridir. Çekirdekçik etrafında zar bulunmaz. Çekirdekçiklerin oluşumlarında nukleolus organizatör denen bölgelere sahip nükleolar kromozomların etkisi vardır.

Çekirdeğin asıl özelliğini veren yapılar kromatin ipliklerinden oluşmuş kromozomlardır. Kromozomlarda gen dediğimiz ve saç rengimiz gibi görünüşümüzdeki karakterlerimizi belirleyen kısımları içerirler.

Kromozomlar kromatinlerden yapılmışlardır. Kromatinler hücrenin bölünmesi sırasında yoğunlaşıp, kromozomlar şeklinde mikroskop ile görülebilirler. Hücrenin bölünmesi sırasında interfaz safhasında kromatin iplikleri daha yoğun gözükürler, bu bölgelere heterokromatin yumakları, daha az yoğun kromozom bölgelerine ise ökromatin adı verilir. Kromozomlardaki önemli yapılardan biri sentromer yani kinetekorlardır. Kromozomlar histon proteinler ile bireşerek kromatid adı verilen iki DNA ipliğinden oluşurlar. Bir kromozom bir çift kardeş kromatidden oluşur. Kromozomlar, kromatinlerin yoğunlaşmış biçimleri olup, her iki kromatinin birleştiği noktaya sentromer adı verilmektedir.

Ökaryotik hücreler telomer adı verilen kromozomların her iki ucunda yer alan özel bölgeler içerirler. Kromozomların kendilerini eşlemesinde telomerlerin rolleri vardır. Kromozomların üzerlerinde bir ya da birden çok boğum olabilir. Her canlının kromozom sayısı, şekli ve büyüklüğü türüne özgü ve sabittir. Anneden ve babadan gelen kromozomlar zigotta çiftler oluşturup homolog kromozomları meydana getirirler. Dişi ve erkekten gelen n sayıdaki kromozomlar zigotta 2n sayıda olurlar. İnsan hücrelerinde 23 çift yani 46 (2n) kromozom bulunur.