Vücudumuzda meydana gelen biyolojik olaylar, hücrelerimizim birbirlerine ilettiği haberler sayesinde gerçekleşir. Hücrelerin iletişimini sağlayan birçok yöntem vardır. Doğrudan iletişim, parakrin iletişim ve endokrin iletişim bu yöntemlere örnektir.
Ailenizle, arkadaşlarınızla ve çevrenizdeki diğer insanlarla iletişim kurmanın birden fazla yolu vardır. Örneğin ilkokul yıllarınızdaki derslerde sıra arkadaşınızla mektuplaşmış olabilirsiniz. Sonraki yıllarda telefonunuzdaki mesaj uygulamaları aracılığıyla veya insanlarla sözlü olarak doğrudan iletişime geçmiş olabilirsiniz. Bu iletişim yollarının ortak amacı, iletmek istediğiniz bir durumun karşınızdaki kişi tarafından da bilinmesidir. İletişim sonucunda muhatabınız ilettiğiniz mesaja bir tepki verir. Bu tepki yeni bir mesaj veya bir hareket olabilir. Tıpkı insanlar gibi hücrelerimizin de birbiriyle iletişim kurmak ve haberleşmek için kullandıkları yöntemler vardır.
Hücrelerin Haberleşme İçin Kullandığı Yöntemler Nelerdir?
Hücrelerin vücutta dolaşan sinyal moleküllerine cevap vermek için çeşitli metotları vardır. Bu metotlar: Hücreler arası doğrudan iletişim, temasa bağlı iletişim, parakrin iletişim ve endokrin iletişimdir.
Hücreler Arası Doğrudan İletişim: Bu iletişim yönteminde hücreler doğrudan bağ kurarlar. Hücreler yan yana gelerek bir haberleşme bağlantısı oluşturur. Bu bağlantıya yarık bağlantısı (gap junction) denmektedir. Yarık bağlantısıyla hücreler sanki bir yapıştırıcıyla birbirine yapıştırılmış gibi dururlar. Bir hücredeki su ve iyonlar, bu bağlantı yoluyla yapışık hücreye aktarılabilir. İnsanlarda kalp kası hücrelerinde bu tip iletişim görülmektedir. Günlük hayatta elden ele yazılı mesajlar, doğrudan iletişime örnek gösterilebilir.
Temasa Bağlı İletişim: Bu tip iletişim yönteminde bir sinyal molekülünün hücreden hücreye aktarımından ziyade bir hücreye bağlı sinyal, başka bir hücreye bağlı sinyal alıcıya bağlanır. Sinir hücreleri arasındaki etkileşim temasa bağlı iletişimin bir örneğidir. Günlük hayatta iletişim kurmak için mesaj uygulamalarını kullanmaya benzetilebilir. Mesafe engelinden ötürü kişiyle doğrudan temasımız yoktur ancak mesajımız başka yerlere gitmeden iletilmektedir.
Parakrin İletişim: Bu yöntemde belirli hücreler tarafından sinyaller üretilmektedir ve bu sinyaller yakın mesafede bulunan diğer hücreleri etkiler. Hayvanların sinir hücrelerinde genellikle parakrin iletişimi gözlemlenmektedir: Sinir hücreleri, nörotransmitter madde denilen ve sinyal taşıyan maddeler üretirler. Bu maddeler sinir hücresinin akson kısmından salgılanarak sinaptik boşluk adı verilen bir sonraki sinir hücresine kadar olan boşlukta birikirler. Buradan diğer sinir hücresinin reseptörüne bağlanırlar ve iletişimin ilk basamağı tamamlanmış olur. Günlük hayatta bir toplulukta kulaktan kulağa konuşmak parakrin iletişime örnek verilebilir. Etrafta birçok insan olmasına rağmen sesimiz yani mesajımız yalnızca fısıldadığımız kişiye iletilmektedir.
Endokrin İletişim: Parakrin iletişime göre uzun mesafeli haberleşmeyi sağlayan iletişim yöntemidir. Endokrin iletişimde sinyal molekülleri hormonlardır. Genel olarak hormonlar kan dolaşımına salgılanır ve hemen hemen tüm vücut hücrelerine iletilir. Ancak her hücre her hormona yanıt vermez. Günlük hayatta megafondan yapılan duyurular örnek verilebilir. Burada mesaj herkese iletilir ancak herkesi ilgilendirmek zorunda değildir ve sadece belli bir kesim mesaja yanıt oluşturur.
Hücrelerin doğru mesajı doğru adrese iletmeleri, doğru ve etkili bir yanıt almak için çok önemlidir. Bu anlamda alıcı (hedef) hücrelerin yüzeylerinde özel yapılar bulunmaktadır. Bu yapılara reseptör denmektedir. Sinyal molekülleri reseptörlere bağlanırlar ve birtakım değişiklikle birlikte yanıt oluşturulur. Hücreler sinyallere üç aşamada yanıt oluştururlar: reseptör aktivasyonu, sinyal dönüşümü ve hücresel yanıt.
Reseptör Aktivasyonu: Reseptörler, hücrenin dış ortamından gelen sinyalleri alan proteinlerdir. Sinyal moleküllerine genel olarak ligand denmektedir. Bir ligand reseptöre bağlandığı zaman reseptörün şeklinde bir değişikliğe neden olmaktadır. Üç çeşit hücre yüzeyi proteini vardır: ligand kapılı iyon kanalları, G proteini bağlı reseptörler ve enzim bağlı reseptörler
Ligand Kapılı İyon Kanalları: Bu tip reseptörler hayvan, bitki ve mantar hücrelerinin yüzeylerinde bulunur. Bir ligand bu reseptöre bağlandığı zaman açılıp kapanırlar. Ligand kapılı iyon kanalları örnek olarak sinir hücrelerinde bulunabilirler. Reseptörün açılan kapısından hücre içine iyonlar girer ve hücre içinde iyon yoğunluğunun değişmesine neden olurlar.
G Proteini Bağlı Reseptörler: Bu reseptörler yalnızca ökaryotik hücrelerde bulunabilirler. Yedi adet sarmala sahiptir ve hücre zarı boyunca uzanmış halde bulunurlar. Hücre içinde bulunan G proteinleriyle etkileşim halindedirler. Bu nedenle bu reseptörlere G proteini bağlı reseptörler (GPBR) denmektedir. G proteinlerinin GDP (guanozin difosfat) ve GTP (guanozin trifosfat) adı verilen moleküllere bağlanma yetenekleri vardır. Hücre içinde inaktif haldeki G proteini, GDP’ye bağlı halde bulunmaktadır. Hücreye sinyal olarak gelen bir ligand, GPBR’ye bağlanır ve reseptörün G proteinine bağlanmasını sağlayan bir değişim meydana gelir. G proteini bağlı olduğu GDP’yi bırakarak GTP’ye bağlanır. G proteini ve GTP arasında kurulan etkileşim, G proteininin üç alt birime ayrılmasına neden olur (alfa-beta-gama). Bu değişimin ardından ligand ve GPBR birbirinden ayrılır. G proteini bağlı reseptör artık aktif halde değildir. G proteininin de inaktif hale geçmesi için alfa alt birimi bağlı olduğu GTP’yi GDP ve fosfata dönüştürür. Son olarak alfa-beta-gama alt birimleri yeniden birleşir ve G proteini inaktif hale dönmüş olur.
Enzim Bağlı Reseptörler: Bu tip reseptörler her canlıda bulunabilir ve hücre zarı boyunca uzanmış proteinlerden oluşmaktadırlar. İnsanlarda pek çok hormon enzim bağlı reseptörlere bağlanarak ligand görevi görürler. Enzim bağlı reseptörlerin biri hücrenin içine diğeri de hücre zarının dışına uzanmak üzere iki kısmı vardır. Zar dışındaki bölgeye ligand bağlanmaktadır. Hücre içindeki kısım ise katalitik görev görmektedir yani kimyasal tepkimelerin hızını artırmaktadır. Bir ligand molekülü hücre dışındaki reseptör bölgesine bağlanarak reseptörün hücre içinde kalan kısmının aktifleşmesini sağlar. Enzim bağlı reseptörlerin çoğu, protein kinaz olarak görev görürler. Yani bir proteindeki amino aside ATP’den elde ettiği fosfat molekülünü bağlarlar. Enzim bağlı reseptöre bir ligand bağlandığında reseptör kendisine veya bir başka proteine fosfat ekleyerek o molekülün yapısının değişmesine neden olmaktadır. Yapısı değişen moleküllerin işlevleri de değişmektedir.
Sinyal Dönüşümü: Bir sinyal molekülünün (ligand/birincil mesajcı) reseptöre bağlanmasıyla başlar. Kimi zaman ikincil mesajcı adı verilen hücre içi sinyallerin oluşumuna neden olmaktadır. Sinyal dönüşümü GPBR ve enzim bağlı reseptörlerde farklı şekilde gerçekleşmektedir.
Enzim Bağlı Reseptörlerde Sinyal Dönüşümü Protein Kinazlar İle Gerçekleşir
Enzim bağlı reseptörlerde sinyal dönüşümü, hormonların hücrede oluşacak sonucu tetiklemesiyle sonuçlanmaktadır. Örneğin hücre bölünmesini kontrol eden epidermal büyüme faktörü hormonu, omurgalı hayvanların endokrin hücrelerinden salgılanarak kan dolaşımına aktarılır. Kan dolaşımı boyunca yol alan hormon, tirozin kinaz reseptörüne bağlanır. Tirozin kinaz reseptörü, enzim bağlı reseptörlere örnek olarak verilebilmektedir.
Epidermal büyüme faktörü hormonu tirozin kinaz reseptörüne bağlandıktan sonra sırasıyla üç aşama gerçekleşir ve sonuç olarak hormon yani sinyal molekülü hücre içinde bir dönüşüme uğramış olur. İlk aşama reseptöre bağlanan ligandın hücredeki özel bir proteine bağlanıp onu uyarmasıdır. Bu özel protein, hemen yanındaki proteini uyarır ve bu olay tıpkı domino taşlarının birbirine değip etkileşmesi gibi devam eder. Son uyarıyı alan protein GDP’ye bağlıdır ve uyarı geldiği zaman GDP’yi bırakıp GTP’ye bağlanır.
İkinci aşamada ise GTP’ye bağlı protein, hücre içindeki bir protein kinazı aktif hale getirir. Bu protein kinaz yanındaki proteine fosfat ekler, o da aktif hale gelerek bir başka proteine fosfat ekler derken bu aşama da domino etkisiyle devam etmektedir. Bu aşamanın genel adı protein kinaz basamağıdır. Büyüme faktörü hormonu (sinyal) dönüşümünden sonra hücre, bu sinyale cevap verecek ve hücre bölünmesini gerçekleştirecektir.
Sinyal dönüşümü GPBR’lerde farklı gerçekleşmektedir.
G Proteini Bağlı Reseptörlerde İkincil Mesajcılar Görev Almaktadır
G proteini bağlı reseptörlere birincil mesajcı yani ligand molekülü bağlandıktan sonra ikincil mesajcı oluşmaktadır. İkincil mesajcılar, gelen sinyali hücre içinde aktaran moleküllerdir.
G proteinlerinden bahsederken alt birimlere sahip olduğundan söz etmiştik. Ligand, G proteini bağlı reseptöre bağlandığında alfa alt birimi adenil siklaz adı verilen bir enzime bağlanır. Bu bağlanma, adenil siklaz enziminin ATP’den iki fosfat koparmasıyla siklik adenozin monofosfat (sAMP) molekülünü üretmesine neden olur. Bu durumda reseptör-ligand arasındaki etkileşimden sAMP oluştuğuna göre, sAMP’nin ikincil mesajcı olduğu sonucuna varılabilir.
G proteini bağlı reseptörlerde sinyal dönüşümünü, vücudumuzda “savaş ya da kaç” tepkisine neden olan epinefrin hormonu üzerinden ele alalım. Epinefrin hormonu stresli durumlarla karşı karşıya kalındığında salgılanan ve tehlikelere karşı savaş ya da kaç tepkilerini vermeyi sağlayan bir hormondur.
Epinefrin hormonu G proteini bağlı reseptöre bağlandığında, alfa alt birimi adenil siklaza bağlanır ve siklik adenozin monofosfat oluşur. Bu sayede reseptöre gelen sinyal dönüşerek ikincil mesajcı halini alır ve sinyal dönüşümü tamamlanmış olur.
Hem enzim bağlı reseptör hem de G proteini bağlı reseptör mekanizmalarında dönüşen sinyal, artık hücrenin bir yanıt oluşturmasına neden olacaktır.
Hücresel Yanıt, Hücreler Arası İletişimin Son Basamağıdır
Hücrelere reseptörler aracılığıyla ulaşan sinyal molekülleri, sinyal dönüşümü sayesinde hücrenin yanıt vermesine zemin hazırlamış olurlar. Reseptör ve sinyal dönüşüm çeşidi ne olursa olsun hücrenin gelen sinyale bir yanıt oluşturması beklenir. Hücrenin vereceği yanıt, elbette gelen mesaja bağlıdır ve bu yanıt hücre işlevi veya şeklinin değişmesi, hücrede yeni proteinlerin oluşması ya da hücre bölünmesi olabilir.
G proteini bağlı reseptörlere ve enzim bağlı reseptörlere gelen sinyallerin hücrede nasıl yanıtlar oluşturduğuna göz atalım.
Enzim Bağlı Reseptöre Bağlanan Epidermal Büyüme Faktörü Hücrenin Bölünmesini Sağlar
Enzim bağlı reseptörlere bağlanan ligandın, protein kinaz basamağında nasıl dönüştüğünü ele almıştık. Protein kinaz basamağında fosfat alan son protein, hücre çekirdeğine ulaşır ve DNA’dan hücre bölünmesi için gereken protein kodlarının (genlerin) okunmasını tetikler. DNA’dan alınan kodlarla mRNA üretilir ve gerekli protein oluşturulmuş olur. Bu durumda hücresel yanıt, protein sentezlemek olmuştur.
G proteini bağlı reseptörlere bağlanan ligand, kas hücrelerinde glikojen yıkımını tetiklemektedir.
G Proteini Bağlı Reseptöre Bağlanan Epinefrin Hormonu Kaslarda Glikojen Yıkımına Neden Olur
Epinefrin hormonunun G proteini bağlı reseptöre bağlanmasıyla, alfa alt biriminin adenil siklaza bağlanmasını ve ikincil mesajcı olarak sAMP oluşturmasını ele almıştık. Bu aşamalardan sonra hücre, kişinin savaş ya da kaç tepkisini oluşturmak için bir yanıt oluşturmaktadır.
sAMP molekülü, protein kinaz A adlı bir molekülü aktif hale getirir ve bu durum hücredeki enzim ve transkripsiyon faktörleri gibi bazı proteinlerin fosforlanmasına neden olur. Bu fosforlama işlemi (fosforilasyon), fosfat eklenen proteinlerin aktif hale gelmesini sağlar.
Transkripsiyon faktörleri, hücrede yeni bir protein üretmek için gerekli olan ve DNA’ya bağlanarak bu süreci başlatan proteinlerdir. Protein kinaz A aktif hale geldiğinde hücrede fosforilaz kinaz ve glikojen sentaz enzimlerini fosforlar. Her iki enzim de hücredeki glikojen metabolizmasında görev almaktadır. Fosforilaz kinaz enziminin fosforlanması, hücrede glikojenin parçalanmasıyla sonuçlanır. Glikojen sentaz enziminin fosforlanması ise bu enzimin aktif hale gelmesini değil, engellenmesine neden olur. Glikojen sentaz normalde glikojen üretimini sağlarken, bu durumda sAMP, glikojen sentazın glikojen üretmesini engellemektedir. Sonuç olarak epinefrin hormonunun reseptöre bağlanması sonucu hem glikojen yıkılır hem de glikojen sentezi engellenmiş olur, dolayısıyla hücrede glikojen miktarı giderek azalır. Glikojen, enerji depolayan glikoz moleküllerinin bir araya gelmesiyle oluşmuştur ve glikojen yıkımı sonucunda hücrede bol miktarda glikoz bulunmaktadır. Savaş ya da kaç tepkisine neden olan epinefrin hormonunun etkisi, kas hücrelerinde glikoz artışıyla tamamlanmış olur. Bu sayede bireyler savaş ya da kaç tepkisini göstermeye hazır hale gelirler.
İnsanların birbirleriyle iletişim kurmasındaki amaç nasıl karşı tarafla bir durumu paylaşmak ve karşı tarafın bir cevap oluşturmasını sağlamaksa hücreler arasındaki iletişimde de durum aynıdır. Hücreye gelen bir sinyal, alıcıya bağlanır (mesaj muhataba iletilir), sinyal dönüşümü gerçekleşir (muhatap mesajı zihin süzgecinden geçirir) ve hücresel yanıt oluşur (muhatap mesaja göre eyleme geçer).
