Hücre Zar Modelinin Tarihsel Gelişimi

Hücrenin dış ortamdan neyin ayırdığı ve bu yapının özellikleri, hücrenin keşfedilmesinden yaklaşık 200, hücre teorisinden ise yaklaşık 100 yıl sonra anlaşılmıştır.  1800’lü yılların sonuna kadar hücreye yönelik bilinen bilgiler hücrelerin sıvı (stoplazma) içerdiği ve bu sıvının bir zar ile dış ortamdan ayrılmış olduğuydu. Ancak bu zarın nasıl bir yapıya sahip olduğu ve hücrede ne gibi fonksiyonlara sahip olduğu gizemini korumaktaydı.

Plazmoliz-deplazmoliz…

Tüm bu bilgiler hücre zarının yapısı hakkında nasıl bir bilgi sağlar?

Farklı tip moleküllerin hücre zarından geçişinde ne gibi farklılıklar vardır ve neden?

1890’lı yıllarda Overton’in araştırmalarını ilerletebilmesi için yaptığı deneyler, tesadüf eseri hücre zarının oldukça önemli bir özelliğini keşfetmesini sağlamıştı. Overton, çalışması için hücre içerisine nüfus edecek boyar bir maddeye ihtiyaç duyuyordu. Aldığı hücre örneğini çeşitli boya maddelerinin bulunduğu çözeltilere koyarak denemeye başladığında çözeltilerin yapısına göre hücrelerin farklı tepkiler verdiğini fark etti.  %7.5’lik derişime sahip çözeltiye koyduğu hücrenin süratle büzüldüğünü, %6’lık çözeltide ise su alarak şiştiğini gözlemledi. O halde hücrenin etrafında bir zar vardı ve su bu zardan geçmesine karşın pek çok madde geçemiyordu. Hücrenin içerisindeki sıvının (stoplazmanın) derişimi ile çözeltinin derişimi arasında bir bağlantı olabileceğini fark eden Overton, yaptığı pek çok denemenin ardından %7’lik derişime sahip çözeltide hücrenin ne su aldığı ne de büzüldüğünü gözlemlediğinde hücrenin derişiminin %7 olduğu sonucuna vardı. Tüm bu veriler hücre zarının çözünen maddeleri geçirmeyen bir yapı içerdiğini düşündürmekteydi. Deneylerine devam eden Overton, çeşitli hücre tiplerinde yaptığı deneyler sonucunda zarın geçirgenliğinin, çözünen maddenin boyutu, yağda çözülebilirliği ve yoğunluğuna göre sistematik bir şekilde farklılık gösterdiğini fark etmişti.

Bu durumun hücre zarının biyokimyasal yapısını tahmin etmede faydalı olabileceğini düşündü.  Yağda çözülebilen maddelerin suda çözülebilenlere oranla daha kolay bir şekilde zardan geçtiğini belirlemesinin ardından deney sonuçlarına dayanarak hücre zarında yağ asitlerinin olması gerektiğini belirtti.  Ernest Overton,  hücre zarının yapısını doğru bir şekilde tahmin eden ilk kişiydi ancak hipotezi bu dönem için oldukça tartışmalıydı. Dönemin mevcut bilimsel kanı Overton’ın sonuçlarının tersini söylemekteydi. Bu nedenle zara yönelik bu hipotezi destekleyecek çok daha fazla veriye ve kanıta ihtiyaç duyuluyordu.

Yağ asitlerinin doğası…

Şekil: Yağ asidi tabakası

Overton’ın çalışmasının ardından yağ asitlerinin yapısı ve hücredeki varlığına yönelik çalışmalar hız kazanmaya başlamıştır. Bu dönemde, yağ asitlerinin su ile temas eden ve etmeyen olmak üzere iki uca sahip olduğu keşfedilmiştir. Bu bilgi, ilerleyen yıllarda hücre zarının yapısını anlamak için anahtar noktayı oluşturacaktır. Yağ asitlerinin polar ucu  (su ile bağ yapabilen) ile apolar bir kuyruk kısmı bulunmaktadır. Hücre zarında, yağların suyu seven olarak da adlandırılabilen (hidrofil) polar uçlarının dışa dönük, suyu sevmeyen (hidrofobik) apolar kuyruklarının ise birbirine dönük olarak sıralanarak tabaklanabileceği belirlenmiştir.

Hidrofobik ve hidrofiik molekküler hakkında ne biliyorsunuz?

Hücre zarında bu iki tip molekül bir arada bulunacaksa sence nasıl bir düzenlemede olmalıdır?

İlk hücre zar modeli …

Şekil: İlk hücre zarı modeli

Danielli- Davson Modeli

Tüm bu bilgilerin elde edilmesinin ardından 1935 yılında ilk kez hücre zarına ilişkin model geliştirilmiştir. Daniell ve Davson modeli olarak adlandırılan bu model sandviç modeli olarak adlandırılmıştır. Modelde, hücre zarı ortasında yağ asitleri ve her iki yanında protein bulunan tabakalardan oluşmuş bir yapı olarak çizilmiştir. Yağ asitlerinin yüzey geriliminin düşük olmasından dolayı yüzey gerilimi yüksek olan bir molekülün zarın dışında olması gerektiği düşüncesi oluşmuştur. Bu nedenle proteinlerin dış yüzeyini kaplaması gerektiğini düşünmüşlerdir.

Bu model, hangi zar fonksiyonlarına olanak tanımaktadır?

Bu model daha sonra gelişecek modeller için bir temel oluşturmuştu. Pek çok bilim insanı model üzerinde çeşitli incelemeler ve sorgulamaların ardından ekledikleri her bir yeni bilgi ve eleştiri ile modeli geliştirmişlerdir. Örneğin modele ilk ekleme 1957 yılında olmuştur. Robertson isimli bilim insanı, elektron mikroskobunda yaptığı dolaylı gözlemlerin ardından hücre zarında modeldeki gibi bir boşluk görülmediğini öne sürerek hücre zarının düz bir hat izlediğini öne sürmüştür.

Şekil: Revize edilmiş Danielli-Davson modeli

Bu model’de neler eksik?

Sıvı mozaik zar modeli…

Artık hücre zarı ile ilgili az da olsa bilgi bulunmaktaydı. Yapısında protein ve yağ asidi vardı. Ancak proteinlerin yapısına ilişkin hiçbir araştırma henüz yapılmamıştı. Protein kimyası üzerine uzman olan Singer ve Nicholson,  Davson modelini incelemeye başladılar. Modelde proteinler sulu çevreye yani ya stoplazmaya ya da doku arası sıvı ile temas halinde görünüyordu.

Hangi tip kanıtlar, proteinlerden ziyade yağ asitlerinin temel matrix’i oluşturduğunu desteklemiş olabilir?

Protein çalışmalarından edindikleri bilgilere göre proteinlerin temel yapı taşı olan aminoasitlerin apolar yapıda oldukları bilmekteydiler. Kimya bilgilerine göre polar-polar veya apolar- apolar çözücüler arasında kimyasal olarak oluşan bir etkileşim söz konusudur.

Eğer proteinler Davson modelindeki gibi zarın üstünde değilse neredeydiler?

Singer ve Nicholson,  hücre zarı etrafındaki çözücü çevrenin, protein tabakası üzerindeki etkisini anlamak için çalışmaya başlarlar. Modelde hücre zarının dış yüzeyinde bulunan zar proteinlerindeki aminoasitler apolar yapıdaki çözeltiler yani sitoplazma veya dokular arası sıvı ile temas halinde kalmaktaydı. Ancak kimyasal olarak böyle bir etkileşim,  moleküller arası bir çekime ve dolayısı ile su moleküllerinin aminoasit moleküllerini zardan çekerek küresel bir şekle bürünmesine, düz bir yapıda durmamalarına neden olmalıydı. Bu nedenle hücre zarında su ile etkileşime girmeyecek hidrofobik yapıda bir molekülün yani yağ asitlerinin apolar uçlarının hücrenin dışında bulunması gerektiği sonucuna varmıştı.

 

Şekil:  Akıcı- mozaik zar modeli

Daha önce yapılan çeşitli kimyasal analizler hücre zarında proteinlerin var olduğunu gösteriyordu. Eğer zar modeli Davson’ın öngördüğü gibi değilse o zaman proteinler neredeydi. Singer ve Nicolson’a göre proteinler iki formda bulunuyordu. Sitoplazmada çözünmüş ve zar yüzeyi ile göreceli olarak yakından ilgili yüzey proteinleri ile yağ tabakası içerisinde gömülü olarak bulunan modelin mozaik yapısını oluşturan Gömülü proteinler şeklindeydi. Singer ve Nicholson, proteinlerin modellerindeki düzenine ilişkin kabullerini destekleyebilmek için hem fiziksel hem de biyokimyasal kanıtlar ile desteklemeleri gerekiyordu.

Modelin desteklenmesi…

Daha önceki çalışmalar, zarda bulunan yağ asitlerinin fizyolojik koşullar altında akıcı bir davranışa sahip olduğunu göstermişti. Eğer proteinler, yağ asitlerinin içerisinde gömülü ise zaman içerisinde, suya damlatılan mürekkebin yüzey boyunca yayılması gibi zar yüzeyi boyunca hareket edebilecekti. Bu oldukça dinamik bir modeldi. Eğer proteinler, matriks içerisinde dağınık bir şekile serpiştirilmiş gibi ise o zaman oluşan kovalent bağlar dolayısı ile zaman içerisinde değişmeyen çok daha sabit bir yapı alacaktı. 1972 yılındaki çalışmasında, Singer, laboratuvarda geliştirmiş oldukları bir teknik ile bu tahminlerini test ettiler. Sonuçlar iki tip proteininde hücre zarında yer aldığını göstermekteydi. 1972 yılından bugüne kadar biyoloji alanındaki tüm çalışmalarda halen kullanılmakta olan model her geçen gün elde edilen bilgiler ile revize edilerek geliştirilmekte ve daha iyi açıklama gücüne sahip olmaktadır.  Mozaik modelin kullanılıyor olması açıklama gücünün yüksek olmasından dolayı ileri gelmektedir.

Öğretmenler için öneriler

Biyolojik dünyanın en genel özelliklerinden biri hücre zarıdır.  Bazı virüsler haricinde tüm canlılarda bir veya birden fazla zar bulunmaktadır. Hücrenin etrafını sararak onu dış ortamdan ayıran zara ilişkin bugün pek çok bilgiye sahip olmamıza karşın biyoloji tarihi incelendiğinde bugünkü bilgimizin birikimsel bir ilerlemenin sonucu olduğu görülmektedir.  Yukarıda yer alan küçük hikâyeler aracılığı ile hücre zarı modelinin elde edilen bilimsel bilgiler ile zaman içerisinde değişim gösterdiği görülmektedir. Öğrencilere ilk önce bilim insanlarını düşüncelerinin dayandığı veriler ya da deneyler sunulmalıdır. Tarihi süreçte ilk gelen düşüncenin bu olaylara getirdiği açıklama anlatıldıktan sonra öğrencilere açıklamaların yetersiz kaldığı yerleri göstermek için sorular sorulabilir. Öğrencilerin cevapları dinlenildikten sonra, daha sonra gelen bilim insanının bir önceki bilim insanının açıklamasının yetersiz kaldığı yerleri nasıl açıkladığı anlatılır. Bu şekilde öğrenciler öğrendikleri kavramın neden ve nasıl ortaya çıktığını ve bilimin değişime açık olduğunu anlayabilirler. Bu sayede hem bilimin sınanabilir, sorgulanabilir ve yanlışlanabilir yapısı hakkında hem de yeni bir bulgunun elde edilmesi ile mevcut bilginin test edilerek sınandığı ve değiştirilebilindiği üzerine yönelik kazanımlar öğrencilere aktarılabilecektir. Ayrıca hikayelerde, zar modeline ilişkin bilgilerin kimya alanındaki çalışmalardan elde edilen bilimsel bilgilerin değerlendirilmesi ile ilerlediği görülmektedir. Bu bilgi aracılığı ile biyolojinin diğer bilim dalları ile olan ilişkisine değinilmesine olanak vermektedir.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir