Endositoz
Endositoz, hücrelerin zarlarından geçemeyecek büyüklükteki maddelerin içeri alınma şekli. Enerji gerektiren bir alınımdır. Bakteri ve mantar hücrelerinde hücre duvarı endositozu engeller . Monomerler, hücre zarından geçebilir. Ancak polimer maddeler hücre zarından geçemeyecek kadar büyüktür. Bu maddeleri içeri alırken hücre endositoz yapar. Polimer maddelere örnek olarak nişasta, glikojen ve protein verilebilir. Temelde endositoz iki ana başlıktan oluşur. Bunlar fagositoz ve pinositozdur. ⓘ
Tarihçe
Bu terim 1963 yılında De Duve tarafından önerilmiştir. Fagositoz 1882 yılında Élie Metchnikoff tarafından keşfedilmiştir. ⓘ
Endositoz yolları
Endositoz yolları dört kategoriye ayrılabilir: reseptör aracılı endositoz (klatrin aracılı endositoz olarak da bilinir), kaveolalar, pinositoz ve fagositoz. ⓘ
- Klatrin aracılı endositoz, sitozolik protein klatrinden oluşan morfolojik olarak karakteristik bir kaplamaya sahip küçük (yaklaşık 100 nm çapında) veziküllerin üretimine aracılık eder. Klatrin kaplı veziküller (CCV'ler) hemen hemen tüm hücrelerde bulunur ve plazma zarının klatrin kaplı çukurlar olarak adlandırılan alanlarını oluşturur. Kaplı çukurlar, düşük yoğunluklu lipoprotein, transferrin, büyüme faktörleri, antikorlar ve diğerleri gibi ligandların reseptör aracılı endositozundan sorumlu farklı reseptörlere sahip büyük hücre dışı molekülleri konsantre edebilir.
- Memeli hücrelerinde yapılan çalışma, artan gerilim ortamında klatrin kaplama boyutunda bir azalma olduğunu doğrulamaktadır. Buna ek olarak, deneysel araştırmalarda gözlemlenen kaplanmış çukurlar ve kaplanmış plaklar olmak üzere görünüşte farklı iki klatrin birleşme modunun plazma zarındaki çeşitli gerilimlerin bir sonucu olabileceğini öne sürmektedir. ⓘ
- Kaveolalar, tüm hücre tiplerinde olmasa da birçok hücre tipinin yüzeyinde bulunan ve en yaygın olarak bildirilen klatrin kaplı olmayan plazma membran tomurcuklarıdır. Kolesterol bağlayıcı protein kaveolin (Vip21) ile kolesterol ve glikolipidlerce zenginleştirilmiş bir çift tabakadan oluşurlar. Kaveolalar, zardaki küçük (yaklaşık 50 nm çapında) şişe şeklindeki çukurlardır ve bir mağara şeklini andırırlar (dolayısıyla kaveolalar olarak adlandırılırlar). Bazı dokulardaki hücrelerin plazma membran alanının üçte birini oluşturabilirler, özellikle düz kas, tip I pnömositler, fibroblastlar, adipositler ve endotelyal hücrelerde bol miktarda bulunurlar. Hücre dışı moleküllerin alımının da özellikle kaveoladaki reseptörler aracılığıyla gerçekleştiğine inanılmaktadır.
- Potositoz, çeşitli boyutlardaki molekülleri hücreye getirmek için kaveol veziküllerini kullanan reseptör aracılı bir endositoz şeklidir. Veziküllerin içeriğini lizozomlara veya diğer organellere iletmek için kaveolaları kullanan çoğu endositozun aksine, potositoz yoluyla endositoz edilen materyal sitozole salınır.
- Genellikle plazma membranının oldukça karışık bölgelerinden meydana gelen pinositoz, hücre membranının bir cep oluşturmak üzere invajinasyonudur ve bu cep daha sonra büyük hacimde ekstraselüler sıvı ve içindeki moleküllerle (~100 CCV'ye eşdeğer) dolu bir vezikül (0,5-5 µm çapında) oluşturmak üzere hücre içine doğru kıstırılır. Cebin dolması spesifik olmayan bir şekilde gerçekleşir. Vezikül daha sonra sitozole gider ve endozomlar ve lizozomlar gibi diğer veziküllerle birleşir. ⓘ
- Fagositoz, hücrelerin küçük boyutlu toz partikülleri, hücre döküntüleri, mikroorganizmalar ve apoptotik hücreler gibi çapı yaklaşık 0,75 µm'den büyük partiküllü maddeleri bağlayıp içselleştirdiği bir süreçtir. Bu süreçler, klatrin aracılı endositoz ve kaveolae yolundan daha geniş membran alanlarının alınmasını içerir. ⓘ
Daha yeni deneyler, endositik olayların bu morfolojik tanımlarının yetersiz olabileceğini ve daha uygun bir sınıflandırma yönteminin, klatrin bağımlı ve klatrin bağımsız endositozun çoklu alt tipleri ile belirli yolların klatrin bağımlılığına dayanabileceğini öne sürmüştür. Fagositik olmayan, klatrinden bağımsız endositoza ilişkin mekanik kavrayış eksiktir, ancak yakın tarihli bir çalışma Graf1'in CLIC/GEEC yolu olarak bilinen oldukça yaygın bir klatrinden bağımsız endositik yolu nasıl düzenlediğini göstermiştir. ⓘ
Endositik yolağın temel bileşenleri
Memeli hücrelerinin endositik yolu, plazma zarından molekülleri içselleştiren ve onları yüzeye geri dönüştüren (erken endozomlar ve geri dönüşüm endozomlarında olduğu gibi) veya onları parçalanmaya ayıran (geç endozomlar ve lizozomlarda olduğu gibi) farklı membran bölmelerinden oluşur. Endositik yolun başlıca bileşenleri şunlardır:
- Erken endozomlar endositik yolun ilk bölmesidir. Erken endozomlar genellikle hücrenin periferinde bulunur ve hücre yüzeyinden gelen çoğu vezikül türünü alır. Karakteristik tübülo-veziküler bir yapıya (yaklaşık 50 nm çapında bağlı tübüllerle çapı 1 µm'ye kadar olan veziküller) ve hafif asidik bir pH'a sahiptirler. Bunlar esas olarak endositozla alınan birçok ligandın kompartımanın asit pH'ında reseptörlerinden ayrıştığı ve reseptörlerin çoğunun hücre yüzeyine (tübüller yoluyla) geri döndüğü organellerdir. Aynı zamanda transveziküler kompartmanlar (multiveziküler cisimler (MVB) veya endozomal taşıyıcı veziküller (ECV'ler) gibi) aracılığıyla transsitotik yolla daha sonraki kompartmanlara (geç endozomlar veya lizozomlar gibi) ayrılma yeridir.
- Geç endozomlar, genellikle endositik yoldaki erken endozomlardan, biyosentetik yoldaki trans-Golgi ağından (TGN) ve fagositik yoldaki fagozomlardan lizozomlara giden yolda endositoz materyali alır. Geç endozomlar genellikle nükleozomların, mitokondrinin ve lizozomal membran glikoproteinleri ve asit hidrolazlar dahil mRNA'ların karakteristik proteinlerini içerir. Asidiktirler (yaklaşık pH 5.5) ve mannoz-6-fosfat reseptörlerinin kaçakçılık yolunun bir parçasıdırlar. Geç endozomların, materyalin lizozomlara iletilmesinden önce son bir dizi ayırma olayına aracılık ettiği düşünülmektedir.
- Lizozomlar endositik yolun son bölmesidir. Başlıca işlevleri hücresel atık ürünleri, yağları, karbonhidratları, proteinleri ve diğer makromolekülleri basit bileşiklere parçalamaktır. Bunlar daha sonra yeni hücre yapıcı malzemeler olarak sitoplazmaya geri gönderilir. Bunu başarmak için lizozomlar, hepsi endoplazmik retikulumda üretilen, Golgi aparatında modifiye edilen ve asidik bir ortamda işlev gören yaklaşık 40 farklı hidrolitik enzim türü kullanır. Bir lizozomun yaklaşık pH değeri 4.8'dir ve elektron mikroskobu (EM) ile genellikle elektron yoğun materyal içeren büyük vakuoller (1-2 µm çapında) olarak görünürler. Yüksek miktarda lizozomal membran proteinleri ve aktif lizozomal hidrolazlar içerirler ancak mannoz-6-fosfat reseptörleri yoktur. Genellikle hücrenin başlıca hidrolitik bölmesi olarak kabul edilirler. ⓘ
Yakın zamanda bir eizozomun mayada bir endositoz portalı olarak hizmet ettiği bulunmuştur. ⓘ
Clathrin aracılı endositoz
Çoğu hücrede endositoz için ana yol ve en iyi anlaşılmış olanı, klatrin molekülünün aracılık ettiği yoldur. Bu büyük protein, hücrenin plazma zarının iç yüzeyinde kaplanmış bir çukur oluşmasına yardımcı olur. Bu çukur daha sonra hücrenin sitoplazmasında kaplanmış bir vezikül oluşturmak üzere hücre içine doğru tomurcuklanır. Bunu yaparken, hücre içine sadece hücre yüzeyinin küçük bir alanını değil, aynı zamanda hücre dışından küçük bir hacimde sıvı da getirir. ⓘ
Katlar, bir vezikül üretmek için donör membranı deforme etme işlevi görür ve ayrıca vezikül kargosunun seçiminde de işlev görürler. Şimdiye kadar iyi karakterize edilmiş olan kat kompleksleri arasında kat protein-I (COP-I), COP-II ve klatrin bulunmaktadır. Klatrin katları iki önemli taşıma adımında yer alır: (i) plazma zarından erken endozoma reseptör aracılı ve sıvı fazlı endositoz ve (ii) TGN'den endozomlara taşıma. Endositozda, klatrin kaplama plazma membranının sitoplazmik yüzüne monte edilir, kıstırmak için invajine olan çukurlar oluşturur (scission) ve serbest CCV'ler haline gelir. Kültürlenmiş hücrelerde, bir CCV'nin bir araya gelmesi ~ 1 dakika sürer ve her dakika birkaç yüz ila bin veya daha fazla CCV oluşabilir. Klatrin tabakasının ana iskele bileşeni, klatrin ağır zinciri (CHC) adı verilen 190 kD'luk proteindir ve klatrin hafif zinciri (CLC) adı verilen 25 kD'luk bir proteinle ilişkilendirilerek triskelion adı verilen üç bacaklı trimerler oluşturur. ⓘ
Veziküller, oluşum sırasında belirli proteinleri seçici olarak yoğunlaştırır ve dışlar ve bir bütün olarak membranı temsil etmez. AP2 adaptörleri, plazma membranında bu işlevi yerine getiren çok alt birimli komplekslerdir. Memeli hücrelerinin kaplanmış veziküllerinde yoğunlaşmış olarak bulunan en iyi anlaşılmış reseptörler LDL reseptörü (LDL'yi dolaşımdaki kandan uzaklaştırır), transferrin reseptörü (transferrin tarafından bağlanan ferrik iyonları hücre içine getirir) ve bazı hormon reseptörleridir (EGF için olan gibi). ⓘ
Herhangi bir anda, bir fibroblastın plazma zarının yaklaşık %25'i kaplanmış çukurlardan oluşur. Kaplanmış bir çukurun hücre içine tomurcuklanmadan önce yaklaşık bir dakikalık ömrü olduğundan, bir fibroblast yüzeyini bu yolla yaklaşık her 16 dakikada bir alır. Plazma zarından oluşan kaplanmış veziküllerin çapı yaklaşık 36 nm'dir ve ömürleri birkaç saniye ile ölçülür. Kaplama döküldükten sonra, kalan vezikül endozomlarla birleşir ve endositik yolda ilerler. Bir çukurun veziküle dönüştürüldüğü gerçek tomurcuklanma süreci, dynamin ve adaptin gibi adaptörleri içeren bir dizi sitoplazmik protein tarafından desteklenen clathrin tarafından gerçekleştirilir. ⓘ
Kaplanmış çukurlar ve veziküller ilk olarak Matt Lions ve Parker George tarafından elektron mikroskobunda ince doku kesitlerinde görülmüştür. Bunların LDL'nin kandan temizlenmesindeki önemi 1977 yılında Richard G. Anderson, Michael S. Brown ve Joseph L. Goldstein tarafından keşfedilmiştir. Kaplanmış veziküller ilk olarak 1976 yılında klatrin kaplama molekülünü keşfeden Barbara Pearse tarafından saflaştırılmıştır. ⓘ
Kaveola aracılı endositoz - Süreçler ve bileşenler
Kaveolin-1 (CAV1), kaveolin-2 (CAV2) ve kaveolin-3 (CAV3) gibi kaveolin proteinleri, kaveolar oluşum sürecinde önemli roller oynar. Daha spesifik olarak, CAV1 ve CAV2 kas dışı hücrelerde kaveol oluşumundan sorumluyken, CAV3 kas hücrelerinde işlev görür. Süreç, CAV1'in ER'de sentezlenmesi ve burada deterjana dirençli oligomerler oluşturmasıyla başlar. Daha sonra bu oligomerler Golgi kompleksinden geçerek hücre yüzeyine ulaşır ve kaveolar oluşumuna yardımcı olur. Kaveol oluşumu, plazma membranı gerginliğinin artması gibi belirli koşullar altında sökülme yoluyla da tersine çevrilebilir. Bu belirli koşullar daha sonra kaveolar işlevi ifade eden dokuların türüne bağlıdır. Örneğin, kaveolar proteinlere sahip olan tüm dokular kaveolar yapıya, yani kan-beyin bariyerine sahip değildir. Kaveolalar arasında korunan birçok morfolojik özellik olmasına rağmen, her bir CAV proteininin işlevleri çeşitlidir. Kaveolinler arasındaki ortak özelliklerden biri, α-helikslerden oluşan potansiyel saç tokası yapılarının hidrofobik uzantılarıdır. Bu saç tokası benzeri α-helikslerin yerleştirilmesi, membran eğriliğine yol açan bir kaveolae kaplaması oluşturur. Yerleştirmeye ek olarak, kaveolinler ayrıca membran eğriliğinde rol oynayan oligomerizasyon yeteneğine de sahiptir. Son çalışmalar polimeraz I, transkript salım faktörü ve serum yoksunluğu protein yanıtının da kaveolaların birleşmesinde rol oynadığını keşfetmiştir. Araştırmacılar, kaveol montajının yanı sıra, CAV1 proteinlerinin diğer endositik yolları da etkileyebileceğini keşfetmişlerdir. CAV1 Cdc42'ye bağlandığında, CAV1 onu inaktive eder ve membran kaçakçılığı olayları sırasında Cdc42 aktivitesini düzenler. ⓘ
Caveolae Aracılı Endositoz Mekanizmaları
Hücre alımı süreci, membran tomurcuklanmasını indüklemek için bileşen moleküllerin eğimine ve kiralitesine bağlıdır. Bu tür kiral ve eğimli lipid moleküllerinin bir "sal" formunda olması muhtemel olduğundan, araştırmacılar kaveol oluşumunun da bu mekanizmayı takip ettiğini öne sürmektedir, çünkü kaveoller de sal bileşenleri bakımından zenginleşmiştir. Kaveolin proteinleri kolesterol aracılığıyla iç yaprakçığa bağlandığında, zar bükülmeye başlar ve kendiliğinden eğriliğe yol açar. Bu etki, kaveolin oligomeri membrana bağlandığında oluşan kuvvet dağılımından kaynaklanmaktadır. Kuvvet dağılımı daha sonra membranın gerilimini değiştirerek tomurcuklanmaya ve nihayetinde vezikül oluşumuna yol açar. ⓘ
Galeri
- Endositoz. Örneğin, koronavirüs SARS-CoV-2 epitel hücresinin ACE2 reseptörüne bağlanır.
Aşama 1
Aşama 2
Aşama 3
Endositoz animasyonu (1)
Endositoz animasyonu (2) ⓘ
Fagositoz
Hücre zarından geçemeyecek kadar büyük katı maddelerin, hücre zarı tarafından yalancı ayak oluşturulduktan sonra organik maddeyi sararak hücrenin içine alınmasıdır. Fagositozda ATP harcanır. Fagositoz yapabilen canlılara örnek olarak amip, öglena ve insan akyuvar hücreleri verilebilir. Hücre çeperine sahip canlılar fagositoz yapamazlar. Bir hücrenin fagositoz yapma sıralaması şu şekildedir:
- Fagositoz yapılacak olan molekülün etrafı sarılır ve hücre zarının çıkıntıları sayesinde yalancı ayaklar oluşturulur.
- Hücre besini koful oluşturarak içeri alır. Bu aşamadan sonra sitoplazmada boş halde bulunan lizozomlar gelip bu koful ile birleşirler.
- Bu yapıya besin kofulu denir. Lizozom besin kofulundaki maddeyi sindirdikten sonra madde difüzyon ya da aktif taşıma ile hücre içine alınır.
- Geri kalan artık maddeler ekzositoz, aktif taşıma ya da difüzyon ile dışarı verilir. ⓘ
Pinositoz
Hücre zarından geçemeyecek kadar büyük olan sıvı maddelerin içeri alınma şeklidir. Tıpkı fagositozda olduğu gibi canlı bu alımı yaparken enerji harcar. Fagositozun aksine hücre çeperine sahip canlılar da pinositoz yapabilir. ⓘ
Bir hücre şu şekilde pinositoz yapmaktadır:
- Hücre organik besinin etrafını sarar ve hücre zarı içine doğru çökerek organik besinle beraber hücre zarından içeri girer.
- Koful oluşturulduktan sonra maddeler yine lizozom yardımıyla sindirildikten sonra monomerler hücre sitoplazmasına geçer.
- Kalan artıklar hücrenin dışına atılır. ⓘ