Konu anlatımı
Hücre yaşamak için çevresinden besin ve oksijen almak, atıklarını ise dışarı vermek zorundadır. Bu alışverişi denetleyen yapı hücre zarıdır. Zar bazı maddelerin geçişine izin verir, bazılarını engeller; bazı maddeleri ise enerji harcayarak, derişim farkına karşı taşır.
Bu sayfada hücre zarının yapısını, enerji harcanmadan gerçekleşen difüzyon ve osmozu, enerji gerektiren aktif taşımayı, büyük moleküllerin endositoz ve ekzositozla taşınmasını, madde geçişini etkileyen etkenleri ve bu etkenlerin kontrollü bir deneyle nasıl sınanacağını göreceksin.
Hücre zarının yapısı
Hücre zarı, iki sıra hâlinde dizilmiş fosfolipit moleküllerinden ve bu tabakaya gömülü ya da yüzeyine tutunmuş proteinlerden oluşur. Fosfolipitlerin suyu seven baş kısımları zarın iç ve dış yüzeylerine, suyu sevmeyen kuyrukları ise zarın ortasına yönelir. Hayvan hücrelerinin zarında ayrıca kolesterol bulunur. Zarın dış yüzeyinde proteinlere ve lipitlere bağlı karbonhidrat zincirleri vardır; bu zincirler hücrelerin birbirini tanımasında rol oynar. Zardaki moleküller yerinde sabit değildir, yan yana kayarak hareket edebilir; bu yüzden zar esnektir.
Seçici geçirgenlik
Hücre zarı seçici geçirgendir. Oksijen ve karbon dioksit gibi küçük ve yüksüz moleküller ile yağda çözünen maddeler lipit tabakadan kolayca geçer. Su molekülleri lipit tabakadan az miktarda, zardaki su kanallarından ise hızla geçer. İyonlar ve glikoz gibi suda çözünen maddeler lipit tabakadan geçemez; ancak kanal ve taşıyıcı proteinlerin yardımıyla geçer. Proteinler ve nişasta gibi büyük moleküller zardan doğrudan geçemez. Ölü hücrenin zarı seçici geçirgenliğini kaybeder.
Pasif taşıma: difüzyon ve kolaylaştırılmış difüzyon
Maddelerin çok yoğun oldukları yerden az yoğun oldukları yere, yani derişim farkı yönünde ve enerji harcanmadan taşınmasına pasif taşıma denir. Difüzyonda moleküller derişim farkı ortadan kalkıncaya kadar yayılır; denge kurulunca iki yöne de geçiş sürer ama net geçiş durur. Oksijen ve karbon dioksit zardan bu yolla geçer. Glikoz ve bazı iyonlar gibi lipit tabakadan geçemeyen maddeler ise zardaki kanal ve taşıyıcı proteinlerle, yine derişim farkı yönünde ve enerji harcanmadan geçer; buna kolaylaştırılmış difüzyon denir. Taşıyıcı proteinlerin sayısı sınırlı olduğu için kolaylaştırılmış difüzyonun hızı belirli bir değerin üstüne çıkamaz.
Osmoz
Suyun seçici geçirgen bir zardan, çözünen derişimi düşük olan ortamdan yüksek olan ortama geçmesine osmoz denir. Hücre içine göre çözünen derişimi aynı olan ortama izotonik, düşük olana hipotonik, yüksek olana hipertonik ortam denir. İzotonik ortamda hücre hacmi değişmez. Hipotonik ortamda hücre su alır ve şişer; hücre duvarı olmayan alyuvarlar saf suda patlayabilir, bitki hücreleri ise hücre duvarı sayesinde patlamaz. Hipertonik ortamda hücre su kaybeder ve büzülür.
Aktif taşıma
Maddelerin az yoğun oldukları yerden çok yoğun oldukları yere, yani derişim farkına karşı taşınmasına aktif taşıma denir. Aktif taşıma zardaki taşıyıcı proteinlerle gerçekleşir ve ATP harcanır; bu yüzden yalnızca canlı hücrelerde görülür. Hayvan hücrelerinin çoğu sodyum iyonlarını dışarı, potasyum iyonlarını içeri pompalayarak bu iyonların hücre içi ile dışı arasındaki derişim farkını korur. Hücrede ATP üretimi durursa aktif taşıma da durur, ama difüzyon ve osmoz sürer.
Endositoz ve ekzositoz
Proteinler ve besin parçacıkları gibi zardan geçemeyecek kadar büyük maddeler zarın kendi hareketiyle taşınır. Hücre zarının içe doğru çökerek dışarıdaki maddeyi sarması ve bir kesecik içinde hücreye almasına endositoz denir; amip besinlerini, akyuvarlar bakterileri bu yolla alır. Hücre içindeki bir keseciğin hücre zarıyla kaynaşarak içeriğini dışarı bırakmasına ekzositoz denir; salgılar ve sindirilemeyen artıklar bu yolla atılır. İki olayda da ATP harcanır. Endositozda hücre zarının yüzeyi küçülür, ekzositozda ise keseciğin zarı hücre zarına katıldığı için yüzey genişler.
Etkenler ve kontrollü deney
Difüzyonun hızı derişim farkı, sıcaklık ve yüzey alanı arttıkça artar; molekül büyüdükçe azalır. Programda bu etkenlerden biri üzerinde kontrollü bir deney yapılması istenir. Kontrollü deneyde yalnızca sınanan etken (bağımsız değişken) değiştirilir, ölçülen sonuç (bağımlı değişken) kaydedilir ve diğer bütün koşullar (kontrol edilen değişkenler) aynı tutulur. Deneyden önce bir problem belirlenir ve bu probleme sınanabilir bir hipotezle cevap önerilir; deneyin sonucu hipotezi destekler ya da desteklemez.
Çözümlü örnekler
Örnek 1. Bir hücrede X maddesi derişim farkı yönünde, taşıyıcı proteinle ve ATP harcanmadan; Y maddesi derişim farkına karşı, taşıyıcı proteinle ve ATP harcanarak; Z maddesi ise lipit tabakadan doğrudan ve derişim farkı yönünde geçiyor. Taşıma biçimlerini adlandırınız. Zardaki taşıyıcı proteinleri bozan bir madde verilirse hangi geçişler durur?
Çözüm. X maddesi taşıyıcı proteinle ama enerji harcanmadan ve derişim farkı yönünde geçtiği için kolaylaştırılmış difüzyonla taşınır. Y maddesi derişim farkına karşı ve ATP harcanarak taşındığı için aktif taşımayla geçer. Z maddesi proteine ihtiyaç duymadan lipit tabakadan geçtiği için difüzyonla geçer. Taşıyıcı proteinler bozulursa X ve Y'nin geçişi durur; Z'nin geçişi ise taşıyıcıya bağlı olmadığı için sürer.
Örnek 2. Tuzlu suda bekletilen marul yaprakları pörsüyor; aynı yapraklar sonra bir süre saf suda bekletilince yeniden diriliyor. Bu değişimleri açıklayınız.
Çözüm. Tuzlu su, yaprak hücrelerinin içine göre hipertoniktir. Hücrelerden dışarı osmozla su çıkar, hücreler su kaybeder, gerginliklerini yitirir ve yaprak pörsür. Saf su ise hücre içine göre hipotoniktir; hücreler osmozla su alır ve şişer. Sağlam hücre duvarı hücrelerin patlamasını önler, su alan hücreler gerginleşir ve yaprak yeniden dik ve diri görünür.
Örnek 3. Derişim farkının osmozla su geçişine etkisini sınamak için seçici geçirgen zardan yapılmış eşit büyüklükte üç torbaya %5, %10 ve %20'lik şeker çözeltileri konuyor; torbalar ağızları bağlanarak saf su dolu kaplara bırakılıyor. Bir saat sonra torbalar tartılıyor. Değişkenleri belirtiniz ve sonucu tahmin ediniz.
Çözüm. Bağımsız değişken torbalardaki şeker çözeltisinin derişimi, yani torba içi ile dış ortam arasındaki derişim farkıdır. Bağımlı değişken torbaların kütle artışıdır. Torba büyüklüğü, çözelti hacmi, su miktarı, sıcaklık ve süre kontrol edilen değişkenlerdir. Saf su torbalara göre hipotonik olduğu için üç torbaya da su girer; derişim farkı en büyük olan %20'lik torbaya en çok su girer ve onun kütlesi en çok artar.
Sık yapılan hatalar
- Osmozda suyun çözünen derişimi yüksek ortamdan düşük ortama geçtiğini sanmak; su, çözünen derişimi düşük ortamdan yüksek ortama geçer.
- Kolaylaştırılmış difüzyonda ATP harcandığını düşünmek; taşıyıcı protein kullanılır ama enerji harcanmaz.
- Dengeye ulaşınca moleküllerin zardan geçişinin tamamen durduğunu sanmak; geçiş sürer, yalnızca net geçiş durur.
- Bitki hücrelerinin saf suda patladığını düşünmek; hücre duvarı patlamayı önler.
- Endositoz ve ekzositozu pasif taşıma saymak; ikisinde de ATP harcanır.
- Pasif taşıma: çok yoğun → az yoğun, enerji harcanmaz (difüzyon, kolaylaştırılmış difüzyon, osmoz).
- Aktif taşıma: az yoğun → çok yoğun, taşıyıcı protein ve ATP gerekir.
- Osmozda su, hipotonik ortamdan hipertonik ortama geçer.
- Endositoz içeri, ekzositoz dışarı; ikisi de ATP harcar.
- Kontrollü deneyde yalnızca bağımsız değişken değiştirilir.