Keçi Bağırsağı Ters Çevrilmiş Kesecikler Kullanılarak Histidinin Membran Taşınımının Gösterilmesi: Lisans Öğrencileri İçin Deneyimsel Bir Pedagojik Araç

Biyolojik hücreler, hücre içi sitosollü hücre dışı içerikten ayıran bir zar lipid çift tabakası ile çevrilidir. Membran, çözünen maddelerin¹ hareketini düzenleyen yarı geçirgen bir bariyer görevi görür. Biyolojik zarlar boyunca taşıma, bir çözünen maddenin konsantrasyonu ve yükü dahil olmak üzere çeşitli faktörlere bağlı olan bir çözünen maddenin geçirgenlik katsayısından etkilenir. Genel olarak, çözünen maddeler üç mekanizma kullanarak zar boyunca hareket eder (Şekil 1): Pasif difüzyon, kolaylaştırılmış difüzyon ve aktif taşıma². Basit difüzyon, çözünür, yüksüz ve polar olmayan çözünen maddelerin konsantrasyon gradyanlarını yarı geçirgen bir zardan aşağı indirdiği süreçtir (Şekil 1A). Membran proteinleri, çözünen maddelerin daha yüksek konsantrasyonlu bir bölgeden daha düşük konsantrasyonlu bir bölgeye hareketini içerdiğinden bu sürece yardımcı olmaz. Difüzyon hızı Fick Yasası^3’e dayanmaktadır. Öte yandan, kolaylaştırılmış difüzyon, zarın enerji harcaması olmadan yalnızca seçici çözünen maddelerin bir konsantrasyon gradyanı boyunca geçmesine izin verdiği proteine bağlı bir taşımadır (Şekil 1B). Bu tür bir taşıma spesifiktir ve doygunluk kinetiği sergilemede basit difüzyondan farklıdır.

Aktif taşıma, moleküllerin konsantrasyon gradyanlarına karşı, yani ATP veya iyon gradyanları kullanılarak daha düşük konsantrasyon bölgesinden daha yüksek konsantrasyonlu bir bölgeye proteine bağlı bir taşınmasıdır (Şekil 1C). Taşıyıcı ATP’yi hidrolize ettiğinde, taşıma birincil aktif taşıma olarak adlandırılır (Şekil 1C; sol panel). Aktif taşımanın başka bir şekli ikincil aktif taşımadır (Şekil 1C; sağ panel). İkincil aktif taşımada, çözünen maddeler bir elektrokimyasal gradyana dayalı olarak hareket ettirilir. Bir taşıyıcı protein, bir iyonun (tipik olarak Na⁺) konsantrasyon gradyanından aşağı hareketini başka bir molekülün veya bir iyonun konsantrasyon gradyanına karşı hareketi ile birleştirdiğinde gerçekleşir. Bu tür bir çözünen madde hareketi, hem çözünen hem de iyonun aynı yönde hareket ettiği bir ortak taşıma (Symport) veya bir değişim (Antiport) olabilir, bu durumda çözünen ve iyon zıt yönlerde hareket eder.

Gıda kaynaklarından alınan diyet amino asitleri ve monosakkaritler ince bağırsakta emilir. İnce barsak fonksiyonel olarak Duodenum, Jejunum ve İleum olmak üzere üç segmente ayrılabilir (Şekil 2). Çözünen maddenin emilimi ince bağırsak boyunca gerçekleşir ve maksimum emilim jejunumda ve ileumun proksimal ucunda meydana gelir. Bağırsak enterositleri polarize hücrelerdir ve iki bitişik hücreyi birbirine bağlayan sıkı bağlantılar, bazolateral ve apikal membran bölgesi olmak üzere iki ayrı zar bölgesi oluşturur (Şekil 2). Sindirim tarafından üretilen luminal çözünen maddelerin emilimi, apikal membran bölgesinde⁴ meydana gelir.

Apikal membrandaki bağırsak enterositlerinde histidin taşınması, sodyuma bağımlı ikincil bir aktif semptom örneğidir. Bazolateral uçta, enterosit içine giren histidin, konsantrasyon gradyanından hepatik portal dolaşımına doğru hareket eder. Enterosit içindeki hücre içi sodyum konsantrasyonları, bazolateral membran üzerinde bulunan Na⁺ K⁺ATPaz tarafından sodyumun hücre dışına aktif olarak pompalanması nedeniyle hücre dışı/luminal konsantrasyonlardan daha düşük olan 12 mmole/L^1’de tutulur (Şekil 3). Enterositlerin apikal zarında, B⁰AT ve sodyum nötr amino asit taşıyıcı (SNAT) 5, sadece histidini değil, aynı zamanda asparagin ve glutamin gibi amino asitleri de sodyuma bağımlı bir birlikte taşımada taşıyan ana taşıyıcılardır ^5,6. Enterositlerin bazolateral zarında bulunan Büyük Amino asit Taşıyıcı (LAT)1 adı verilen başka bir taşıma proteini, lösin, triptofan, tirozin ve fenilalanin gibi büyük nötr amino asitleri zar⁷ boyunca taşır.

Deneyimsel öğrenme pedagojisi yoluyla spektrofotometri ve rutin biyokimyasal tahliller gibi tekniklerle entegre edilmiş membran taşınımı kavramının öğretilmesi amacıyla, kavramı sadece anlaşılması kolay terimlerle göstermekle kalmayıp aynı zamanda lisans öğrencileri için katılımcı öğrenmeyi de mümkün kılan metodolojilerin geliştirilmesi zorunludur. Şu anda, öğrencilerin bu tür biyokimya kavramlarını öğrenmek için uygulamalı katılım için sınırlı kaynaklar bulunmaktadır. Burada, lisans laboratuvarlarında çoğaltılması kolay olan ve diğer metabolitlerin taşınmasını değerlendirmek için de uyarlanabilen, keçi bağırsak zarı boyunca Histidin taşınmasını göstermek için basit bir protokol sunuyoruz. Daha da önemlisi, yöntem bir lisans laboratuvarında ucuz materyaller kullanır ve böylece en basit laboratuvar ortamlarında bile deneyimsel öğrenmeyi mümkün kılar.