Cell (Hücre) kelimesini ilk kez 1665 yılında Robert Hooke kullanmıştır. Işık mikroskobunda şişe mantarını incelerken ölü olan hücrelerin hücre duvarını görmüş ve bunlara “cell” demiştir. Evrim teorisinde dünyanın 4.6 milyar yıl önce, ilk hücrenin 3.8 milyar yıl önce, ökaryotik hücrelerin 3 milyar yıl önce ve multisellüler organizmaların 1.7 milyar yıl önce oluştuğu düşünülmektedir. 1950 yılında Stanley Miller ortamda H2, CH4 ve NH3 varken su buharı ve elektirik akımı verilerek ortamda organik moleküller oluştuğunu göstermiştir. Bunu nükleik asitlerin (genetik materyal) oluşumu izlemiştir.
Hücreler başlıca prokaryotik ve ökaryotik olmak üzere ikiye ayrılır. Prokaryotik hücrelerin en önemli özellikleri nükleik asitleri bir zar ile çevrili değil ve stoplazma içine dağılmış durumdadır. Çapları 1 µm’dir. Sitoskeletonları ve ribozom dışında organelleri yoktur. Nükleik asitleri 1-5 milyon baz çift arasındadır. Kromozomları sirküler tarzdadır. Bunun tersine ökaryotik hücrelerin genetik materyali bir zarla çevrilidir, sitoskeletonları ve hücre içi organelleri bulunur. Çapları 10-100 µm arasındadır. Kromozomları lineer yapıdadır ve genetik materyal 15 milyon-5 milyar baz çifti arasında değişir.
Günümüz prokaryotik hücreleri arkabakteri ve öbakteri olmak üzere ikiye ayrılır. Arkabakteriler çok uç ortamlarda yaşayabilir. Bazıları 80 °C ve PH 2’de yaşayabilirler. En tipik prökaryot E. Coli’dir. 2µm uzunluğunda 1µm genişliğinde ve hücre zarı, hücre duvarı ile çevrilidir. Genetik materyal stoplazmada dağılmış ve 30.000 kadar ribozom içerir. Ökaryotlarda enerji metobolizmasından mitekondri, protein sentezinden ribozom, sindirimden lizozom ve peroksizom, lipid sentezi ve protein transferinden endoplazmik retikulum, hücre içi transferlerden golgi cismi, hareketten ise sitoskeleton sorumludur.
İlk canlılarda oksijensiz enerji metobolizması kullanılırken gelişmiş sistemlerde oksidatif metoblizmalar kullanılmıştır.
Glikoliz →→ C6H12O6→ 2C3H6O3 + 2ATP
Fotosentez →→ 6CO2 + 6H2O → (Güneş) C6H12O6 + 6O2
Oksidatif Metobolizma →→ C6H12O6 + 6O2 → 6 CO2 + 6H2O + 38 (30) ATP
Işık mikroskobunun rezolüsyonu 0.2 µm veya 200 nm’dir.
Bright field mikroskop ve faz kontrast mikroskop hücre içi organellerin değişik çözünürlük özelliklerini kullanarak görüntü oluşturur.
Florosan mikroskobunda, florasan boyalarla ilgili maddelerin hücre içi dağılımı izlenir. Green fluorescence protein’in (GFP) bulunması ile bu konuda önemli gelişmeler yaşanmıştır. GFP’ye takılan moleküller ile bu moleküllerin hücrede nerelere gittiği kolaylıkla takip edilebilmektedir. Konfokal mikroskopta florosan mikroskop ile elektronik görüntü analizi birleştirilmiştir. Mikroskoba konulan santral açıklıklı filtre ile sadece fokus alanından gelen görüntüler net olarak alınmaktadır.
Elektron mikroskobu (EM) 1930-40 yılları içinde geliştirilmiş ve biyoloji alanında kullanılmaya başlanmıştır. Kullanılan ışığın dalga boyu 0.004 nm’dir yani görünür ışığın dalga boyundan 100.000 kat kısadır. Teorik olarak rezolüsyonun 0.002 nm olması beklenir, fakat NA değeri ve biyolojik dokuların rezolüsyon kısıtlılığından dolayı bu oran ancak 1-2 nm olarak alınabilir. Yine de bu değer ışık mikroskobu rezolüyonundan en az 100 kat fazladır. İki tür EM vardır; transmission ve scanning EM. Transmission EM de hücre içi yapılar ayrıntısı ile incelenebilirken, scanning EM de hücre üç boyutlu olarak görüntülenebilir.
Virüsler: Kendi başına çoğalamayan intrasellüler parazitlerdir. Genomik yapı olarak sirküer DNA veya RNA içerir. Kapsid adı verilen protein yapı ile çevrilidir. Bakteriyi enfekte eden virüslere bakteriofaj denir (bakteri virüsü).
Hücrenin en az % 70’ini su oluşturur, kalanın % 1’ini inorganik moleküller (Na, K, Mg, Ca, HPO4, Cl, HCO3), %29’unu da organik moleküller (karbon içeren) oluşturur. Organik moleküller 4 ana başlık altında incelenebilir: Karbonhidratlar, lipidler, proteinler ve nükleik asitler.
Karbonhidratlar (CH2O)n: Karbon ve su atomundan oluşur. Birinci karbon atomunun pozisyonuna göre alfa ve beta diye iki alt grubu vardır. En yaygın görülen polisakaridler glikojen ve nişastadır (starch). İki şeker grubu birbirine α (1-4) glikosidik bağ ile bağlanır. Yan dallanmalarda ise α (1-6) glikosidik bağ oluşur. Sellüloz bitkilerde hücre duvarının ana yapısıdır ve tamamı glikoz molekülünden oluşmuştur. Glikoz atomları arasında glikojenin aksine β (1-4) glikosidik bağ oluşur.
Lipidler: 3 ana fonksiyonu; enerji deposu, hücre sinyalizasyonu (steroid hormonlar) ve hücre zarı yapısına katılmadır. En basit lipidler yağ asitleridir. OOC-CH2……CH3 (16 veya 18 karbon palmitat, stearat veya oleat). Doymamış yağ asitlerinde karbon atomları arası çift bağ vardır ve bu bölgelerde yapısal kink oluşur. Yağ asitleri üçlü olarak gliserola bağlanarak depo edilir (triaçilgliserol).
Nükleik asitler: DNA ve RNA, pürin veya pirimidine bağlanmış fosforlanmış şeker içeren nükleotid polimerlerdir. DNA iki pürin (A-T) ve iki pirimidin (G-C) içerirken RNA’da T yerine U geçmiştir. Pürinler iki halkalı CHN molekülleridir. Pirimidinler ise tek halka içerirler. Her iki nükleik asit pentoz şekerleri içerir. DNA da iki numaralı karbon atomuna H (deoksi), RNA’da ise OH - grubu bağlıdır.
Nükleozid: Pentoz + Pürin/Pirimidin. Pürin halkasının azot atomu şeker halkasının C1’ine bağlıdır.
Nükleotid: Pentoz + Pürin/Pirimidin + P; fosfat atomu şeker halkasının C5’ine bağlıdır.
İki nükleotid arasındaki fosfodiester bağı 5’ fosfat atomu ile 3’ hidroksil atomu arasında olur. Reaksiyona H girer H2O çıkar. Polinükleotidler daima 5’→3’, yönünde olur. DNA çift sarmallıdır ve ters yönde giden iki zincirden oluşur. A ile T arasında iki, G ile C arasında ise üç adet hidrojen bağı vardır. Nükleotidler nükleik asitlerin yapısını oluşturmakla kalmaz enerji kaynağı (ATP) ve hücre sinyalizasyonunda (cAMP) kullanılır.
Proteinler: 20 farklı aa’ten oluşur. Cα atomuna bağlı COO, H3N, H ve bir yan zincirden oluşur.
R
I
H3N**--- Cα ---COO -
I
H
İki aminoasitten peptid oluşurken bir aa’in karboksil grubu ile öbür aa’ in azot grubu birleşir.
R1 O H R2
I II I I
H3N**--- Cα ---C—N—C--COO
I I
H H
16 karbonlu bir yağ asidinin metabolize edilmesiyle net 130 ATP üretilir. Glikozun oksidatif yıkımı ile 38, non oksidatif yıkımı ile 2 ATP kazanılır.
Fenilketonüride fenilalanini triptofona çeviren fenilalanin hidroksilaz eksiktir. Fenilalanin ve metabolitleri birikir ve mental reterdasyon yapar. Genetik terminolojide kullanılan kavramlar ve anlamları aşağıda belirtilmiştir:
DNA’nın yapısını ilk defa 1953 yılında James Watson ve Francis Crick ortaya koymuştur. Yapılan deneyler göstermiştir ki DNA bir heliks yapısına sahiptir ve bu heliks her 3.4 nm’de bir döner. Her iki baz arası 0.34 nm olduğuna göre DNA sarmalı her 10 bazda bir döner. Heliksin çapı ise 2 nm’dir ve bu heliksin bir değil iki sarmaldan oluştuğunu destekler. Bu veriler X-ray kristalografi ile açığa çıkarılmıştır. Heliks içinde şeker fosfat yapısı dışarıda, pürin baz’ı ise içeride yer alır. DNA molekülünde A her zaman T ile, G her zaman C ile eşleşir. Her DNA molekülünde eşit sayıda A ve T ve eşit sayıda G ve C vardır. Bu nedenle DNA molekülünün çift zinciri complemantary’dir. Her bir zincir diğer zinciri tanımak için gerekli olan tüm bilgiyi içerir.
Retrovirüslerde reverstranskriptaz enziminin saptanması ve RNA şablonu üzerinden DNA sentezlenmesi biyolojideki santral dogmayı bitirmiştır. Retrovirüs partikülü konak hücreyi enfekte edince tek sarmallı kendi RNA’sı üzerinden revers transkripsiyonla çift sarmallı DNA yapar. Bu DNA sitoplazmadan nükleusa geçerek konak DNA’sına entegre olur ve konak DNA’sına virüs RNA’sı ürettirir. Bu RNA’lar tekrar stoplazmaya geçer, kapsid ile çevrilir ve ekzositozla yeni hücreleri enfekte etmek için dışarı atılır.
Büyük miktarda DNA elde etmenin bir yolu PCR’dır. 1988 yılında Kary Mullis tarafından geliştirilmiştir. Ortama DNA sekansının önündeki ve arkasındaki primer’lar, dNTP, su ve Taq polimeraz (yüksek ısıda etkinliğini kaybetmeyen DNA polimeraz’dır; Thermus aquacticus’dan izole edilmiş ürün) gerektirir. Her siklus boyunca DNA iki katına çıkarılır ve 30 siklus sonrası 1 molekül DNA milyarlarca kez amplifiye edilir. Öncelikle 95 ºC’de DNA nin çift sarmalı birbirinden ayrılır, 55 ºC’ye soğutulur ve primer’ların DNA’ya bağlanması sağlanır, 72 ºC’ye çıkarılır ve Taq polimeraz çalışır, böylece iki molekül DNA oluşturulur.
Southern blotting: Sellüler DNAdaki spesifik genleri tesbit etmek için kullanılır.
Northern blotting: Gen ekspresyon çalışmalarında veya değişik hücre tiplerinde spesifik RNA olup olmadığını anlamak için kullanılır ve southern blottingde kullanılan DNA yerine burada RNA kullanılır.
Western blotting (SDS polyacrylamide gel – SDS-PAGE): Protein jel’e yüklenir, membrana aktarılır, primer ve sekonder antikor ile muamele edilir ve radyografik olarak bant izlenir.
DNA microarray’de bir gen yerine, onbinlerce gen aynı anda hibridize edilir. Bir cam üzerinde oligonükleotid veya cDNA fragmanları bulunur. İnsan genomunda bulunan onbinlerce gen aynı anda robotik olarak cama yerleştirilir. Kanser hücrelerinden ve normal hücreden alınan mRNA’lar farklı florasan boyalarla işaretlenir (kırmızı-kanser, yeşil-normal). Bu RNA’lardan cDNA oluşturulur ve karıştırılarak array’e konulur. Her sıra üzerinde oluşan hibridizasyon değişik bir renk oluşturur (yeşil, kırmızı veya tonları). Bu renk lazerde değerlindirilerek o spesifik genin o hücrede ne kadar eksprese edildiğini sayısal değer olarak verir.
İnsan genomu 3 milyar baz içerir, 30-40 bin gen yaklaşık 100 bin protein kodlar, protein coding sekans %1-1,5’dur. E.Coli 4.6 milyon baz içermesine rağmen bu bazlar 4 bin protein kodlar. Protein coding sekans %90’dır. Bir insan gen sekansında ortalama 9 exon ile 8 intron bulunur. Total 30kb’lık genin 2 kb’sını exonlar oluşturur. Yani bir genin %90’dan fazlası introndur. Tüm gen önce RNA’ya transkripte olur daha sonra intronlar atılır ve exonlardan oluşan mRNA sentezlenmiş olur. İntronlar herhangi bir ürüne dönüştürülmezler. En önemli fonksiyonları alternatif splicing ile değişik proteinlerin oluşturulması ve exon shuffling denen değişik genlerin protein kodlayan bölgeleri arasında rekombinasyonunu kolaylaştırarak yeni gen oluşumunu katkıda bulunmaktır. Total insan genomunun %25’i intronlardan, %55’i ise repetetif sekanslardan oluşur.
İnsan somatik hücrelerinde 23 çift kromozom bulunur. Bu kromozomlar hücre dinlenme halinde iken nükleus içinde dağılmış durumdadır. Hücre bölünmeye başladığında kromatin yani DNA ve proteinlerden oluşan kompleksler yoğunlaşır ve kardeş kromatidler sentromer ile bağlanarak kromozom çiftleri oluşturur. Bu hücrelerdeki DNA 2 metre uzunluğundadır ve 5-10 µm büyüklüğündeki hücreye sıkışmıştır. Kromatindeki ana proteinler histonlardır. Histonlar yüksek oranda bazik aa içeren (lysine, arginin) küçük proteinlerdir. Bu aa’ler negatif yüklü DNA’ya tutunmayı kolaylaştırır. 5 tip histon proteini vardır; H1, H2A, H2B, H3, H4. DNA’nın replikasyonunda histon dışında yer alan birçok başka protein vardır. Kromatinin ara yapısı nükleozomdur. Nükleozom 146 bp içeren ve DNA histon proteinin etrafında 1.65 kez dönmüştür. Eğer H1 klidi yapıya katılırsa bu yapıya kromatozom denir ve 166 bp içerir. Mitozda kalınlaşan 30 nm’lik kromatin loop’lar katlanarak metafaz kromozomlarını oluşturur. DNA giderek yoğunlaşır ve RNA sentezi durur.
Sentromer duplike olmuş kromozomların mitoz sırasında doğru dağılımını sağlar. Kardeş kromatidler sentromerde beraber tutulur. Mitoz başladığında mitotik spindle’lerin mikrotübülleri sentromere tutunur ve kardeş kromatidlerin pollere çekilmesini sağlar. Sentromer associated proteinler kinetekor denilen özel bir bölge oluşturarak kromozomların hareketlerini yönlendirir. Sentromer sonuç olarak spindle fiberler üzerinde kromozomların hareketini sağlar.
Kromozomların sonundaki sekanslara telomer denir. Telomer kromozomların replikasyonunda ve devamlılığında çok önemlidir. Kırılan kromozomlar yüksek derecede instabildir. Telomer zengin G sekansları içerir. İnsandaki telomer sekansı AGGGTT’dir. Bu sekans kromozomun sonunda binlerce kez tekrar edilir. Bu tekrarlayan sekans DNA’nın sonunda bir loop oluştrur ve bir takım proteinlere bağlanır. DNA polimeraz lineer DNA’yı replike ederken telomer replike olamaz bunun için revers transkriptaz kullanılır.
İnsan genomununda 24 çeşit kromozom vardır bu kromozomlar büyüklüklerine göre (45-280 megabaz) ve içerdiği bant paternine göre sınıflandırılır, en büyük kromozom 1, en küçük olan 22. kromozomdur. Kromozomun üzerinde bulunan kol p, altında bulun ise q olarak isimlendirilir. Genleri kromozom üzerinde lokalize edebilmek için FISH kullanılır.
Protein sentezi ribozomlarda mRNA şablonunun üzerinden 5’→3’ doğrultusunda olur. Polipeptid zinciri amino ucundan kaboksil ucuna doğru yapılır. Her aminoasit 3 bazdan oluşan kodonlarla kodlanır. mRNA şablonuna aa’lerin yerleştirilmesi tRNA ile olur. tRNA’nın bir ucunda CCA baz’ı, diğer ucunda antikodon şifresi bulunur. Aminoasitlerin spesifik tRNA’ya bağlanması aminoaçil tRNA sentetaz ile olur.
Proteinlere lipid eklenmesi 3 şekilde olur; N-mirsitoilasyon, penilasyon ve palmitoilasyon.
Endoplazmik retinakulum (ER), proteinlerin folding ve prossesing işlemlerinin (glikoz ve lipid eklenmesi) yapıldığı yerdir. Proteinler burada sınıflandırılır ve golgiye gönderilir. Sekretuar yolak; ER→golgi→sekretuar vezikül→hücre dışı olarak işler. Granüllü ve transizyonel ER’un aksine düz ER lipid sentezi ile görevlidir. Lipidler aşırı hidrofobik olduğundan sentezleri sitoplazma yerine kapalı zarların içinde olur. Membranlar arası geçiş cis tomurcuklanma ve füzyon ile olur.
Lizozomlar içindeki enzimlerle her türlü biyolojik polimerler kırılabilir. Özelliği hücrenin sindirim organı olmasıdır. DNA, RNA, proteinler, polisakkaridler ve lipidler lizozomal enzimlerle yıkılır. Bu enzimleri kodlayan genlerde mutasyon olursa lizozomal depo hastalıkları oluşur. Goucher hastalığında glikolipid yıkımını katalize eden glikoserebrosidaz eksiktir. Tüm lizozomal enzimler asit hidrolazdır ve pH 5’de çalışır. Sitozolun içindeki pH ise 7.2’dir. Dışarıdan alınan endostatik veziküller endozom içine füzyon olur. Hücre içi organeller de otofaji ile lizozomlarda sindirilir.
Mitekondri, karbonhidrat ve yağ asidinin oksidatif fosforilasyon ile yıkılıp enerjiye çevrildiği organellerdir. Kendi tRNA ve rRNA’larını kodlayan DNA’sı vardır. Kloroplast bitkilerdeki mitekondri görevini yüklenir. Leber herediter optik nöropatisi X-bağlı geçen ve mitekondriyal genlerde mutasyon sonucu oluşan bir hastalıktır. Vakaların çoğunda 11778’daki mutasyona bağlı His yerine Arg değişimi vardır. Bu mutasyon sonucu oksidatif metabolizma bozulur. Vakaların %10-50'sinde körlük olur.
Oksidatif fosforilasyondaki ana reaksiyon bir dizi basamak ve taşıyıcı ile elektronların moleküler oksijene transferi ve bunun sonucu enerji açığa çıkarılmasıdır.
Peroksizom enerji metobolizmasinda yer alan hücre içinde sayıları 500 kadar olan ve birçok enzimi içeren bir organeldir. Peroksizom içerdiği katalaz ile hidrojen peroksidazı katalize eder. Peroksizomlarda ürik asit, aa, pürin, metanol ve yağ asitleri yıkılır. Yağ asitleri hem mitekondride hem peroksizomlarda yıkılır. Peroksizomlarda ayrıca lipid, aa, lysine ve kolesterol sentezi de yapılır (ER’da oluğu gibi). KC’de safra asitlerinin yapımı da peroksizomlarda gerçekleşir.
Aktin proteini hücre iskeletinin temel proteinidir. Ökaryotik hücrelerde en çok bulunan protein aktindir, hücredeki tüm proteinlerin % 5-10’unu oluşturur. Aktin hücrenin şeklinin belirlenmesinde, hücre hareketinde ve hücreye mekanik destek sağlamada görev alır.
Miyozin moleküler motor olarak adlandırılıır. ATP’yi mekanik enerji haline çeviren bir proteindir. Bir kas lifi 50 µm çapındadır ve santimetreler uzunluğunda sitoplazmasında miyofibril (kalın miyozin ve ince aktin bantları) bulunur. Her miyofibril kontraktil ünite zinciri olarak organize olur ve bu ünitelere sarkomer denir. Sarkomer iki Z diski arasındaki A ve I bandını içerir. A bandı (koyu=anizotropik) miyozin içerirken, I bandı (açık=izotropik) aktin içerir. A bandının periferinde aktin ve miyozin lifleri birbirine karışırken orta alanda sadece miyozin bulunur (H zone). Kasılma aktin filamentlerinin miyozin filamentleri üzerinde kayıp Z disklerinin birbirine yaklaşması ile olur. Filament boyunda kısalma olmadan sarkomer boyu kısalır.
Silya ve flagella plazma membranının mikrotübüler-temelli uzantılarıdır. Ana yapısı aksonem’dir. Mikrotübül ve ilişkili proteinlerden oluşur. 9+2 klasik paterni vardır. Ortada iki mikrotübül periferde 9 mikrotübül çifti vardır.
Hücre membranları çift katlı fosfolipidden oluşur. Hidrofobik kuyruklar içte birbirine bakarken hidrofilik fosfat başları dış yüze ve stoplazmaya bakarlar. Plazma membranlarının diğer önemli komponenti proteinlerdir. Hücre membranında lipiler % 50 oranında, proteinler de %50 oranında bulunur. Hücrelerin yüzeyi glikokaliks denilen ve hücre-hücre tanımasında önemli karbonhidrat ile örtülüdür.
Karbondioksit ve oksijen gibi gazlar, benzen gibi hidrofobik moleküller, su ve etanol hücre zarından direk olarak geçerler. Yüklü her türlü iyon küçük moleküllü bile olsa hücre zarından direkt olarak geçemez. Glikoz gibi büyük moleküller hücre zarındaki kanallarda yapısal değişiklik sonucu kolaylaştırılmış diffüzyon ile geçerler.
Aksiyon potansiyeli oluşurken dinlenme halindeki hücrenin (-60mV) içine Na girişi olur ve hücre içi 30mV’a çıkar. Aksiyon potansiyeli oluştuktan sonra K kanallarından hücre dışına K çıkar. Sinir membranlarında oluşan uyarı sinaptik aralığa nörotransmitterlerin dökülmesini ve ligand-kapılı kanalların açılmasını sağlar. Kas sinir kavşağına bu uyarı kalsiyum kanalların açılması ve kaslarda kasılma olarak yansır. Eğer gradientin tersine iyon taşınması gerekiyorsa o zaman Na-K pompası kullanılır, bu işlem enerji gerektirir.
Kistik fibroziste etkilenmiş epitel hücresinde defektif Cl transpotu vardır. ABC transport ailesine bağlı CFTR (cystic fibrosis transmembran conductance regulator) mutasyonu vardır. Sonucunda aşırı koyu mukus ve amfizem gelişir.
Bakteriler hücre duvarı yapısına göre ikiye ayrılır (1884 Christian Gram). Gr(-) bakterilerde iki plazma membranı arasında ince bir hücre duvarı vardır. Gr(+)’lerde ise hücre membranı direk kalın bir hücre duvarı ile örtülüdür. İkinci bir hücre membran bulunmaz. Hücre duvarının ana yapısı uzun lineer polisakkaridler ve bunları çaprazlayan kısa peptidlerdir, yani peptidoglikanlardan oluşur. Penisilinler hücre duvarı yapısını bozarak etki gösterir.
Bütün hücreler çevrelerinden uyarı alır ve etrafa uyarı yayarlar. En basit hücreler bile amioasit ve glikoz gibi besinden zengin ortamlara doğru hareket ederler. Sinyal molekülleri en basit gazdan, proteinlere kadar değişen bir marjinal içinde yer alır. Hücre haberleşmesi temel olarak direk hücre-hücre bağlantısı ile veya sekrete edilen moleküller aracılığı ile kurulur. Sekrete edilen moleküllere göre haberleşme 3 tipte olabilir.
1) Endokrin sinyalizasyon: Bu tip haberleşmeye örnek olarak sirkülasyonda dolaşan hormonların hedef hücreleri etkilemesi verilebilir.
2) Parakrin sinyalizasyon: Bu haberleşme tipinde salgılanan moleküller sadece lokal olarak etki ederler. Örnek olarak sinaptik aralığa salınan nörotransmitterler ile sinir hücreleri arası iletimin yapılması verilebilir.
3) Otokrin sinyalizasyon: Hücre kendini stimüle eden bir yanıt alır. T lenfositlerinin antigen ile karşılaştığında kendi kendini aktive etmesi buna örnek olarak verilebilir.
Steroid hormonlar (testesteron, östrojen, progesteron, glikokortikoid ve minerokortikoidler) hidrofobik yapılarından dolayı plazma membranını aşarak hücre içindeki reseptörlerini aktive ederler. Bu hormonlar kolesterolden türemişlerdir. Tiroid hormon, vitD ve retinoik asit yapısal olarak steroidlerden farklı olmakla beraber steroid hormonlarla aynı etki mekanizmasını kullanırlar.
Nitrik oksit; santral sinir sistemi, immün sistem ve kardiovasküler sistemde parakrin sinyal oluşturan basit bir gazdır. Steroid hormonlar gibi plazma zarını kolayca geçerek intrasellüler hedef enzimini (steroidlerden farklı olarak reseptörü değil) etkiler. Nitrik oksit, nitrik oksit sentetaz ile argininden sentezlenir. Reaksiyon sonucu sitrüllin ve NO oluşur. Etkisini ancak lokal olarak gösterir. Sentezlendikten sonra plazma membranını geçerek lokal olarak komşu hücreler üzerinde etkisini gösterir. Yarı ömrü bir kaç saniye kadardır. Hücre içindeki ana hedefi guanil siklaz’dır. NO bu enzimin hem grubuna bağlanarak cGMPyi aktive eder.
Vazodilasyonda ilk olay damar duvarındaki serbest sinir uçlarından asetilkolin salınımıdır. Bu olay epitel hücrelerinde NO sentezini stimüle eder. NO komşu hücrelere sızar guanil siklazı aktive eder, cGMP aktive olur ve sonuç olarak kas lifleri gevşeyerek vazodilatasyon oluşur. Nitrogliserinin etki mekanizması bu şekildedir. CO de aynı NO gibi guanil siklaz üzerinden vazodilatasyona sebep olur.
Nörotransmitterler (asetilkolin, dopamin, adrenalin, serotonin, histamin, glutamat, glisin, GABA) nöron-nöron veya nöron-kas hücresi veya nöronlarla-diğer hücre tipleri arasında sinyalizasyona neden olurlar. Nörotransmitter salınımı aksiyon potansiyelinin akson terminaline ulaşması ile başlar. Buradan salınan NT’ler sinaptik aralığa bırakılır ve post sinaptik membran tarafından alınarak hedef reseptöre bağlanır. Adrenalin gibi maddeler hem nörotransmitter hem de hormon olarak davranır (glikojen yıkımı). Nörotransmitterler hidrofobik maddeler olduğu için steroid hormonlar gibi plazma zarını geçerek hücre içini direk etkileyemezler. Bunun yerine hücre yüzeyindeki reseptörlerine bağlanırlar. Birçok nörotransmitter reseptörü ligant-kapılı iyon kanallarıdır. Nörotransmitterler bu reseptörlere bağlandığında reseptörde yapısal değişiklik ve bunun sonucu olarak hücre içine iyon akışı meydana gelir. Bazı nörotransmitterler ise G proteinine bağlanarak etkilerini gösterirler.
Hedgehog, Notch ve Wnt yolakları embriyolojik gelişim sırasında kilit mekanizmaları oluştururlar.
Hücrelerin bölünme siklusu 4 temel aşamadan oluşur; hücre büyümesi, DNA replikasyonu, duplike kromozomların dağıtılması ve hücre bölünmesi. Tipik bir ökaryotik hücre, hücre kültüründe 24 saatte bir bölünür. Hücre siklusu iki temel aşamadan oluşur; mitoz ve interfaz. Mitoz (nükleer bölünme) hücre bölünmesi (sitokinezis) ile biter. Mitoz ve sitokinezis yaklaşık 1 saat sürer ve hücre siklusunun sadece % 5’ini oluştururken, interfaz hücre siklusunun %95’ini oluşturur. İnterfaz boyunca kromozomlar dekondanse durumdadır ve nükleusun her yerine dağılmıştır.
Hücre siklusu 4 fazdan oluşur; G1, S, G2 (interfaz) ve mitozdan oluşur. G1 faz 11 saat, S fazı 8 saat, G2 4 saat ve M fazı ise 1 saat sürer. Embriyolojik stem siklusunda durum bundan biraz farklıdır ve G1 ile G2 fazı bulunmaz. Hücreler DNA içeriğine göre flow sitometride (hücrelerdeki florasans yoğunluğunu ölçer) 2n, 4n ve ara yoğunluk diye 3 grupta incelenir. G1 fazındaki hücreler 2n, G2+M fazındakiler 4n, S fazındakiler ise bunların arasında DNA içeriğine sahiptir.
Tümör supressör yolaklar (RB-p53) cyclin ailesi üzerinden regülatör rol oynar. Bu yolakta p53 proteini cdk inhibitörü olarak bilinen p21 proteinini aktive eder. P21 cdk üzerinden hücre siklüsü inhibisyonu yapar ve proliferating cell nükleer antigen denen (pcna) proteini inhibe ederek DNA replikasyonunu önler.
Rb yolağında hücre iki yol izleyebilir. Birincisinde RB, E2F denilen transkripsyonel faktöre bağlanır bu kompleks direkt olarak transkripsyonu engeller. İkinci durumda ise Rb cdk4-6/cycD ile fosforlanır. Fosforlanmış Rb E2F’ye bağlanamaz. E2F direk transkripsyona neden olur.
M fazının temel olarak 4 aşaması vardır. Profazda kromozomlar kondanse olur ve sentrozom duplike olarak kutuplara çekilir. Nükleer kılıf yıkılır ve mitotik spindle’lar oluşur. Metafazda kromozomlar santral bölgede dizilir, anafazda kardeş kromozomlar karşı pollere çekilir ve telofazda hücre kontraktil köşeden ikiye bölünür ve nükleer kılıflar yeniden oluşur.
Mitoz somatik hücre siklusudur ve genetik komponenti ikiz iki kardeş hücre oluşmasını sağlarken, bunun tersine olacak şekilde mayoz bölünmede genetik materyal sayısı yarıya indirilerek haploid yavrular oluşturulur. Mayoz kendi içinde mayoz I ve mayoz II olarak iki kısıma ayrılır. Mayoz I’de mitoz bölünmede olduğu gibi homolog kromozom çiftleşmesi oluşur, farklı olarak metafaz sırasında kromozom kollarında segregasyon olur. Daha sonra mayoz II başlar iki diploid hücreden 4 haploid hücre oluşmuş olur. Mayoz bölünme sırasında iki kez arrest olur. Birincisi Mayoz I diplotende oosit büyür ve hormonal stimulasyon ile mayoz I tamamlanır, ikinci arrest mayoz II metafazdadır ve fertilizasyon ile tamamlanır.
Kök hücre bölünmesindeki en önemli özelliklerden birisi oluşan iki hücreden birinin self renewal olması yani tekrar kök hücre özelliği kazanması diğer hücrenin ise differensiye olarak farklılaşmasıdır. Örneğin kemik iliğindeki pluripotent kök hücreler miyeloid ve lenfoid seriye farklılaşan iki hücre oluştururlar. Miyeloid serideki hücreler (retikülosit) eritrosit, (megakaryosit) platelet, (monosit) makrofaj, nötrofil, eosinofil ve bazofile farklılaşırken, lenfoid seriden B ve T lenfositler oluşur.
Kontrolsüz hücre bölünmesi kanserdir. İnsan vücudunda 100’den çok kanser tipi tanımlanmıştır. Tümör gelişiminde klonal teori geçerlidir, yani tümörun tek bir hücreden başladığı düşünülmektedir. Çeşitli virüsler, radyasyon, sigara gibi maddeler kansere yol açarlar. Tümör supressör genlerin kaybı, protoonkogen ve onkogenler kanser oluşumuna katkı sağlar. Kromozom translokasyonları kanser oluşumuna sebep olabilir.
PTEN bir tümör suppressör gendir. Lipid fosfatazdır ve PIP3’ü defosforile eder. PIP2→PIP3→Akt yolağında PIP2’den PIP3 oluşumunu önleyerek hücre siklüsünü inhibe eder.
GPCR yolağını aktive eden growth faktörler hücrel proliferasyonuna sebep olur. Aynı growth faktörler Ras/Raf/MEK/ERK yolağını aktive ederek de kanser oluşumunu başlatırlar.