Hücre zarı; hücreyi dış ortamdan ayıran, canlı, esnek, ince, seçici geçirgen bir yapıdır. Hücreye şekil verir. Hücreyi korur, sarar ve hücrenin dağılmasını engeller. Hücre zarının yapısını açıklayan görüşe akıcı-mozaik zar modeli denilmektedir. 1972 yılında Seymour Jonathan Singer (Seymur Canıtın Singır) ve Garth L. Nicolson (Gart Nikılsın) tarafından önerilen bu modele göre hücre zarı protein, lipit ve karbonhidrat moleküllerinden oluşmaktadır. Hücre zarındaki lipitler çoğunlukla fosfolipit yapıdadır.
Çift katlı fosfolipit tabakası esnek olup sürekli hareket halindedir. Bu durum hücre zarının akıcı olmasını sağlar. Fos-folipitlerin baş kısmı fosfat-gliserol içerir ve dışa dönüktür. Yağ asitlerinden oluşan kuyruk kısmı ise içe dönüktür. Fosfolipitlerin hücre dışına ve sitoplazmaya bakan baş kısımları suda çözünür (hidrofilik-suyu seven), iç tarafa bakan kuyruk kısımları suda çözünmez (hidrofobik-suyu sevmeyen) yapıdadır. Bu nedenle fosfolipit tabaka, suyun hücreye giriş ve çıkışını büyük oranda engeller.
Hücre zarında bulunan fosfolipit moleküllerinin arasında düzenli biçimde dağılmış ve yer değiştirebilen protein molekülleri bulunur. Bu proteinler çoğu zaman yağ tabakası içinde zarı boydan boya kateden kanallar oluşturur, Bunlara kanal proteinleri denir. Bu kanallar hücrenin dış ortamla madde alışverişini Sağlar ve sitoplazmanın homeostazisini düzenler. Ayrıca hücre zarı yüzeyine tutunmuş çoğunlukla enzim görevi yapan proteinler vardır. Hücre zarının yapısında bulunan karbonhidratlar, zarın diş kısmında protein ve lipitlere bağlı olarak bulunur. Glikoproteinler ve glikolipitler hücre zarında uyarıları algilayan reseptör olarak görev yapan, hücrelerin birbirini tanımasını sağlayan ve hücre zarının seçici geçirgenliğini denetleyen moleküllerdir.
Bu moleküllerin her hücrede farklı miktar ve dağılımda bulunması ile biyokimyasal özellikleri hücrenin özgüllüğünü sağlar ayrıca kimliğini belirler ve hücreye antijenik özellik kazandırır. Hayvan hücrelerinin zarında zara sağlamlık ve esneklik veren, steroit olan kolesterol molekülü de bulunur. Bitki ve mantar hücreleri ile prokaryot canlıların hücre zarının dış kısmında koruyucu bir duvar vardır. Bu duvar bakteri ve arkelerde farklı farklı maddelerden; bitkilerde selüloz, mantarlarda ise kitinden yapılmıştır. Hücreyi dış ve iç etkilere karşı koruyan duvar, cansızdır ve üzerindeki geçitler sayesinde tam geçirgendir.
Hücre Zarından Madde Geçişleri
Hücre zarından madde geçişlerinde; maddenin büyüklüğü, elektrik yükü, yağda veya suda çözünebilme özelliği ve konsantrasyonu maddenin taşınma şeklini belirler.
Glikoz, fruktoz, galaktoz, amino asit, yağ asiti, gliserol gibi küçük organik moleküller ile su, mineral, iyonlar gibi inorganik moleküller diğer büyük moleküllere göre hücre zarından daha Kolay geçer. Nötr atomlar negatif iyonlara, negatif iyonlar da pozitif iyonlara göre zardan daha kolay geçer. Yağı çözen ve yağda çözünen maddelerin zardan geçiş hızı, suda çözünen maddelerin geçiş hızından daha yüksektir. Örneğin A, D, E, K vitaminleri gibi yağda çözünen maddeler B, C vitaminleri gibi suda çözünenlere göre; alkol, eter, benzen gibi yağı çözen maddeler ise yağda çözünenlere göre zarı daha kolay geçer.
I. Küçük Moleküllerin Zardan Geçişi
1) Pasif Taşıma
Küçük moleküllerin çok yoğun oldukları ortamdan az yoğun oldukları ortama doğru hücre zarından geçişine pasif taşıma denir. Pasif taşıma, hem canlı hem de cansız ortamlarda gerçekleşebilir. Hücrenin ATP harcamasına gerek yoktur. Pasif taşıma için gerekli enerji, moleküllerin kendi kinetik enerjilerinden sağlanır. Moleküller, zarda bulunan fosfolipit tabakasından ya da protein kanallarından iki taraftaki yoğunluk eşitleninceye kadar geçiş yapar.
A) Difüzyon
Küçük moleküllerin yüksek yoğunlukta bulundukları ortamdan düşük yoğunlukta bulundukları ortama doğru yaptıkları yer değiştirme hareketine difüzyon denir. Difüzyon, hem canlı hem de cansız ortamlarda gerçekleşebilir.
Basit Difüzyon: Moleküller, zarda bulunan fosfolipit tabakasından zarın her iki tarafındaki yoğunlukları eşitleninceye kadar geçiş yapar. Enerjinin harcanmadığı ve taşıyıcı proteinlerin kullanılmadığı bu olayda yağda çözünen ve yağı çözen maddeler ile gazlar fosfolipit tabakadan doğrudan geçer. Maddelerin zardan bu şekilde geçişine basit difüzyon denir.
Kolaylaştırılmıs Difüzyon: Su ve suda çözünen bazı maddeler, hücre zarındaki fosfolipit tabakadan genelde geçemez ancak protein yapıtı özel taşıyıcılar üzerinden veya proteinlerin oluşturduğu kanallardan geçebilir. Moleküllerin bu şekilde zardan geçişine kolaylaştırılmış difüzyon denir. Kolaylaştırılmış difüzyonda enerji harcanmaz, madde sahip olduğu kinetik enerji ile yer değiştirir. Glikoz, fruktoz, galaktoz, amino asitler, iyonlar, tuzlar gibi suda çözünebilen maddeler bu yolla hücre içine alınır. Sıcaklık, yoğunluk farkı ve difüzyon yüzeyi arttıkça difüzyon hızı artar. Molekül büyüklüğü arttıkça difüzyon hızı azalır.
Diyaliz
Seçilmiş moleküllerin seçici geçirgen zardan difüzyonuna diyaliz denir. Diyaliz, bir çözeltideki çözünmüş belirli maddelerin, seçici geçirgen zarın diğer tarafına konulan farklı bileşime sahip bir çözelti aracılığı ile değiştirilme işlemidir. Diyaliz genellikle çözünebilen maddelerin konsantrasyonunu düşürmeyi amaçlar. Böbrek hastalarında, böbrekler tarafından süzülüp anlamayan zararlı maddeler ile suyun fazlası seçici geçirgen bir zardan geçirilerek madde yoğunlukları özel olarak ayarlanmış diyaliz sıvısına alınır. Hemodiyaliz denilen bu işlem sırasında hastadan alınan kan, diyaliz makinesi yardımıyla kanın içeriği düzenlenir ve hastaya geri verilir.
B) Osmoz
Suyun çok yoğun olduğu ortamdan az yoğun olduğu ortama doğru seçici geçirgen zardan geçişine osmoz denir. Osmoz suyun difüzyonudur. Görsel 2.12.a’daki düzenekte başlangıçta Z kolundaki sükroz yoğunluğu yüksek, Y kolundaki sükroz yoğunluğu düşüktür. Sükroz, seçici geçirgen zardan geçemeyecek kadar büyüktür; daha küçük olan su molekülleri çok bulunduğu Y kolundan daha az bulunduğu Z koluna doğru geçer. Hücrede çözünmüş maddelerin yoğunluğuna bağlı olarak ortaya çıkan su alma isteğine osmotik basınç denir. Osmotik basıncın fazla olduğu yerde emme kuvveti oluşur. Görsel 2.12.b’de görüldüğü gibi Z kolundaki sükrozun oluşturduğu osmotik basıncın etkisiyle emme kuvveti sıfır oluncaya kadar su, Y kolundan Z koluna geçer.
Osmotik basınç, çözünen madde miktarı ile doğru orantılı; çözücü madde miktarı ile ters orantılıdır. Çözeltideki çözünmüş madde miktarı ne kadar fazla ise osmotik basınç o kadar yüksek ya da çözeltideki çözücü madde miktarı ne kadar fazla ise osmotik basınç o kadar düşüktür. Su, daima osmotik basıncın yüksek olduğu yere doğru hareket eder. Hücre içindeki suyun hücre zarına yaptığı basınca turgor basıncı denir. Bitki hücrelerinde bulunan duvar, hücre zarının turgor basıncı ile parçalanmasını engeller. Hayvan hücreleri, bu basınca dayanamaz ve parçalanır. Bitkilerin yapraklarındaki gözeneklerin (stoma) açılıp kapanması, küstüm otunda yaprakların ve böcekçil bitkilerde kapanların hareketi, otsu bitkilerde dikliğin sağlanması gibi olaylar turgor basıncının etkisiyle gerçekleşir. Uzun süre susuz kalan bitki hücrelerinde turgor basıncı azalır, bitkilerin yaprakları ve çiçekleri solar.
Turgor basıncı ile osmotik basınç birbiriyle ters orantılıdır. Osmotik basınç ile turgor basıncı arasındaki fark emme kuvvetini verir.
Emme Kuvveti = Osmotik Basınç – Turgor Basıncı
Hücreler yoğunluk bakımından üç çeşit çözelti ortamında bulunur:
İzotonik Ortam: Yoğunluğu hücrenin sitoplazma yoğunluğuna eşit olan çözeltidir. Böyle bir ortamda hücre içi osmotik basınç ile turgor basıncı birbirine eşit olduğundan emme kuvveti sıfırdır. Kan plazması, lenf sıvısı ve serum fizyolojik hayvan hücreleri için izotonik ortamdır.
Hipertonik Ortam: Yoğunluğu hücrenin sitoplazma yoğunluğundan fazla olan çözeltidir. Bu tür ortamların osmotik basıncı yüksek olduğundan hücreler, su kaybeder ve büzülür; bu olaya plazmoliz denir. Plazmoliz, hücrenin turgor basıncın’ azaltır: osmotik basıncını artırır. Hipotonik Ortam: Yoğunluğu hücre yoğunluğundan az olan ortamlardır. Hipotonik ortamlarda bitki hücreleri su alarak şişer ve turgor haline geçer. Su kaybederek plazmoliz durumuna geçmiş bir hücre, hipotonik bir ortama konursa su alarak eski haline döner; bu olaya deplazmoliz denir.
Hayvan hücreleri, hipotonik ortamda su alıp şiştiğinde hücre zarı içeri giren suyun basıncına dayanamaz ve parçalanır; bu olaya hemoliz denir. Saf su hayvan hücreleri için hipotonik ortamdır.
2) Aktif Taşıma
Küçük moleküllerin az yoğun olduğu ortamdan çok yoğun olduğu ortama doğru enerji (ATP) harcanarak enzim ve taşıyıcı proteinler yardımıyla taşınmasına aktif taşıma denir. Aktif taşıma, difüzyonun tersi yönünde işler. Örneğin bir tatlı su algi olan Nitella’da (Nitella) potasyum iyonlarının hücre içinde dış ortamdan 1.000 kat daha fazla bulunması aktif taşıma ile gerçekleşir. Sinir hücrelerinde uyartı iletimi sırasında sodyum ve potasyum ‘yanları aktif taşıma ile yer değiştirir. Su, hiçbir zaman aktif yolla taşınmaz; sadece osmozla yer değiştirir.
II. Büyük Moleküllerin Zardan Geçişi
Büyük moleküllerin zardan geçişi, taşınma yönüne göre iki şekilde olur.
1) Endositoz
Büyük moleküllerin hücre zarının içeriye doğru çökmesiyle oluşan cepler yardımıyla enerji harcanarak hücre içine alınmasına endositoz denir. Bakteri ve mantar hücrelerinde hücre duvarı endositozu engeller.
Endositoz sırasında hücre zarının bir kısmı koparak koful oluşumuna katıldığı için hücre zarı yüzeyi küçülür. Endositoz olayında enzimler görev alır ve ATP harcanır. Endositoz, fagositoz ve pinositoz olmak üzere iki şekilde gerçekleşir:
a) Fagositoz
Büyük moleküllü katı partiküllerin hücre zarının uzaması ile oluşan yalancı ayaklar yardımıyla hücre içine alınmasıdır. Yalancı ayakların sardığı besin molekülü, zarın oluşturduğu bir cep içine alınır ve cep koparak sitoplazmaya geçer. Oluşan keseye besin kofulu denir. İnsan vücudundaki akyuvarlar, yabancı mikroorganizmaları bu yolla yok eder. Amip, öglena, paramesyum gibi tek hücreli ökaryot canlılar besinleri fagositoz ile hücre içine alır.
b) Pinositoz
Hücre zarındaki porlardan geçemeyecek kadar büyük moleküllü ve suda çözünebilen maddelerin alınmasına pinositoz denir. Pinositoz hücre zarından gelişen cepler yardımıyla gerçekleşir. Madde, pinositoz cebinin iki ucunun birleşmesiyle oluşan besin kofulu içerisinde sitoplazmaya alınır. Pinositoz cepleri fagositoz ceplerinden daha küçüktür.
2) Ekzositoz
Hücre içinde bulunan büyük moleküllü maddelerin enerji harcanarak kofullar yardımıyla endositozun tersi bir yöntemle hücre dışına verilmesine ekzositoz denir. Hücrede üretilen enzim, hormon, tükürük, süt gibi salgılar ve atık maddeler ekzositoz ile hücre dışına verilir, Ekzositozda koful zarı, hücre zarı ile birleştiğinden hücre zarının yüzeyi büyür. Bakteriler ve arkeler, zarlı organeller oluşturmadığı için endositoz ve ekzositoz yapamaz. Mantar ve bitki hücreleri, ekzositoz yapabilir. Örneğin sindirim enzimleri, böcekçil bitkilerde ve ayrıştırıcı (çürükçül) mantarlarda bu yolla hücre dışına verilir.