Hücre içi pH - Intracellular pH

Bir zar boyunca pH gradyanı, zara gömülü bir taşıyıcıdan geçen protonlarla.

Hücre içi pH ( pHi ), hücre içi sıvının asitlik veya bazlığının (yani pH ) ölçüsüdür . pHi, membran taşınmasında ve diğer hücre içi işlemlerde kritik bir rol oynar. Uygun olmayan pHi'ye sahip bir ortamda, biyolojik hücrelerin işlevi tehlikeye girebilir. Bu nedenle, uygun hücresel işlevi, kontrollü hücre büyümesini ve normal hücresel süreçleri sağlamak için pHi yakından düzenlenir. pHi'yi düzenleyen mekanizmalar genellikle iki ana türü bulunan plazma membran taşıyıcıları olarak kabul edilir - bağımlı olanlar ve bikarbonat konsantrasyonundan bağımsız olanlar ( HCO-
3
). Fizyolojik olarak normal hücre içi pH, dokular arasında değişkenlik olmasına rağmen en yaygın olarak 7,0 ile 7,4 arasındadır (örneğin, memeli iskelet kası pHi'si 6.8-7.1 arasında olma eğilimindedir). Ayrıca, farklı organeller arasında yaklaşık 4,5 ila 8,0 arasında değişebilen pH varyasyonu vardır . pHi bir dizi farklı yolla ölçülebilir.

homeostaz

Hücre içi pH, daha düşük HCO 3 konsantrasyonları nedeniyle tipik olarak hücre dışı pH'dan daha düşüktür . Hücre dışı bir artış (ör serumu ) kısmi basıncı bir karbon dioksit ( pCO 2 45 ile elde edilmiş)  mmHg oluşumuna yol açar karbonik asit o kadar pHi bir azalmaya neden olur, ayrışmaktadır :

H 2 O + CO 2 ⇌ H 2 CO 3 ⇌ H + + HCO 3

Biyolojik hücreler tampon görevi görebilecek sıvı içerdiğinden, pHi belirli bir aralıkta oldukça iyi tutulabilir. Hücreler genellikle CO yardımıyla, asitlik veya bazlık bir artış üzerine buna göre pHi ayarlamak 2 veya HCO 3 - sensörler hücre membranında mevcut. Bu sensörler, H+'nın buna göre hücre zarından geçmesine izin verebilir ve pHi'nin bu açıdan hücre dışı pH ile ilişkili olmasına izin verebilir.

Başlıca hücre içi tampon sistemleri, proteinleri veya fosfatları içerenleri içerir. Proteinler asidik ve bazik bölgelere sahip olduklarından, nispeten stabil bir hücre içi pH'ı korumak için hem proton vericileri hem de alıcıları olarak hizmet edebilirler. Bir fosfat tamponu durumunda, önemli miktarlarda zayıf asit ve eşlenik zayıf baz (H 2 PO 4 ve HPO 4 2 – ) hücre içi pH'ı korumak için protonları uygun şekilde kabul edebilir veya verebilir:

OH + H 2 PO 4 ⇌ H 2 O + HPO 4 2–
H + + HPO 4 2– ⇌ H 2 PO 4

organellerde

Bir hücre içindeki çeşitli organellerin yaklaşık pH'ları.

Belirli bir organel içindeki pH, özel işlevi için uyarlanmıştır.

Örneğin, lizozomların pH'ı nispeten düşük olan 4,5'tir. Ek olarak, floresan mikroskopi teknikleri, fagositlerin de nispeten düşük bir iç pH'a sahip olduğunu göstermiştir. Bunların her ikisi de diğer maddeleri içine alan ve parçalayan parçalayıcı organeller olduğundan, amaçlanan işlevlerini başarıyla yerine getirebilmeleri için yüksek iç asitliğe ihtiyaç duyarlar.

Lizozomların ve fagositlerin içindeki nispeten düşük pH'ın aksine, mitokondriyal matrisin iç pH'ı yaklaşık 8,0'dır, bu da iç zarlar arası boşluktan yaklaşık 0,9 pH birimi daha yüksektir. Oksidatif fosforilasyonun mitokondri içinde gerçekleşmesi gerektiğinden, bu pH farklılığı membran boyunca bir gradyan oluşturmak için gereklidir. Bu zar potansiyeli, mitokondrinin büyük miktarlarda ATP üretmesine izin veren şeydir.

Elektron taşıma zinciri çalışırken mitokondriyal matristen zarlar arası boşluğa pompalanan protonlar, zarlar arası boşluğun pH'ını düşürür.

Ölçüm

Bir mikroelektrot, pH'a duyarlı boya veya nükleer manyetik rezonans teknikleri dahil olmak üzere, hücre içi pH'ın (pHi) ölçülebileceği birkaç yaygın yol vardır. Organellerin içindeki pH'ı ölçmek için pH'a duyarlı yeşil flüoresan proteinleri (GFP'ler) kullanan bir teknik kullanılabilir.

Genel olarak, her üç yöntemin de kendi avantajları ve dezavantajları vardır. Boyaları kullanmak belki de en kolay ve oldukça kesin olanıdır, NMR ise nispeten daha az kesin olmanın zorluğunu sunar. Ayrıca, hücrelerin çok küçük olduğu veya hücre zarının sağlamlığının bozulmadan kalması gereken durumlarda bir mikroelektrot kullanmak zor olabilir. GFP'ler, farklı organeller içinde pH'ı belirlemenin invaziv olmayan bir yolunu sağlamaları bakımından benzersizdir, ancak bu yöntem, pH'ı belirlemenin kantitatif olarak en kesin yolu değildir.

mikroelektrot

pHi'yi ölçmek için mikroelektrot yöntemi, hücrenin plazma zarında çok küçük bir delik açarak hücrenin sitozolüne çok küçük bir elektrot yerleştirmekten oluşur. Mikroelektrot içinde elektrotun dışına göre yüksek H+ konsantrasyonuna sahip sıvı bulunduğundan, elektrotun içi ve dışı arasındaki pH farklılığından dolayı oluşan bir potansiyel vardır. Bu voltaj farkından ve elektrot içindeki sıvı için önceden belirlenmiş bir pH'dan, ilgili hücrenin hücre içi pH'ı (pHi) belirlenebilir.

Floresan spektroskopisi

Hücre İçi pH'ı (pHi) ölçmenin başka bir yolu, pH'a duyarlı ve çeşitli pH değerlerinde farklı şekilde floresan boyalar kullanmaktır. Floresan spektroskopisini kullanan bu teknik, bu özel boyanın bir hücrenin sitozolüne eklenmesinden oluşur. Hücredeki boyayı ışıktan gelen enerjiyle uyararak ve fotonun doğal enerji durumuna dönerken serbest bıraktığı ışığın dalga boyunu ölçerek, mevcut boyanın türü belirlenebilir ve bunu verilen hücre içi pH'ı ile ilişkilendirebilir. hücre.

Nükleer manyetik rezonans

pHi'yi ölçmek için pH'a duyarlı elektrotlar ve boyalar kullanmaya ek olarak, pHi'yi ölçmek için Nükleer Manyetik Rezonans (NMR) spektroskopisi de kullanılabilir. Tipik olarak NMR, hücreyi güçlü bir manyetik alana sahip bir ortama yerleştirerek hücrenin içi hakkında bilgi verir. Belirli bir hücredeki protonlanmış fosfat bileşiklerinin formlarıyla karşılaştırıldığında protonlanmış konsantrasyonları arasındaki orana dayanarak, hücrenin iç pH'ı belirlenebilir. Ek olarak, pHi hakkında da bilgi sağlayabilen hücre içi sodyumun varlığını ortaya çıkarmak için NMR kullanılabilir.

NMR Spektroskopisi kullanılarak, tüm hücreler gibi hücre içi pH'ın hücre dışı pH ile aynı yönde değişmesine rağmen, lenfositlerin 7.17± 0.06'lık sabit bir dahili pH'ı koruduğu belirlendi .

pH'a duyarlı GFP'ler

Organellerin içindeki pH'ı belirlemek için pH'a duyarlı GFP'ler genellikle invaziv olmayan ve etkili bir tekniğin parçası olarak kullanılır. Uygun primerler ile birlikte bir şablon olarak cDNA kullanılarak, GFP geni sitozolde eksprese edilebilir ve üretilen proteinler hücre içindeki mitokondri, golgi aygıtı, sitoplazma ve endoplazmik retikulum gibi spesifik bölgeleri hedefleyebilir. Bu deneylerde hücre içi ortamlarda pH'a oldukça duyarlı olan belirli GFP mutantları kullanılırsa, ortaya çıkan floresansın nispi miktarı, yaklaşık çevreleyen pH'ı ortaya çıkarabilir.

Referanslar