Siteye Giriş-Kayıt

Hesabınız ile giriş yapın veya kayıt olarak şifre edinin.



Kelimeler

Ara.24 Pirokinesis
Ağu.02 Cadı Tahta
Ağu.02 Zombi
Ağu.02 Zener Kartları
Ağu.02 Yoga ( Yoga )

Ayın Evreleri

İstatistikler

Üye Sayımız : 14705
Makale sayısı : 269
Web Bağlantıları : 51
İçerik Tıklama : 2295418
Designed by:

Tüm Site İçeriği » Sinir Sistemi Bilimi » Anatomi ve Fizyoloji


Sinir Sisteminde Biyoelektriksel Aktivite PDF Yazdır e-Posta
Sultan Tarlacı tarafından yazıldı.   
Pazartesi, 18 Şubat 2013 12:16
1.8/5 (6 oy)

Luigi Galvani (1737-1798) sinir biliminin kurucusu olarak kabul edilir. Bir yıldırımdaki elektriği tel ile taşıyıp, bir kurbağanın bacak sinirini bu elektrikle uyararak kurbağa ayağında hareket oluşturmuştur. Bu nedenle Galvani, biyolojik elektrik ve hareket etme/canlılık arasında ilk bağlantıyı gösteren kişi olarak tarihte yerini almıştır. Herman von Helmholtz (1821-1894) 1852’de ilk olarak sinir iletisi hızını 27 metre/saniye olarak ölçen kişidir. Ardından 1860’ta Julius Bernstein, biyoelektriksel sinir iletisini aksiyon potansiyeli (AP) olarak adlandırdı ve sinir hücresi zarında kendiliğinden ilerleyen biyoelektriksel uyarılmadan (depolarizasyon) kaynaklandığını öne sürdü.

Alan Hodgkin (1914–1998) ve Andrew Huxley (1917-) mürekkep balığı sinir hücresi ana uzantısı olan akson üzerinde çalışarak sinir iletilerinin iletiminin iyonların değişimine bağlı, elektriksel bir akım olduğunu tespit ettiler (1952). Bu çalışmalarında iyon kanalı kavramını da keşfedilmesinden 10 yıl önce tahmin eden ikili, 1963’de “sinaps” kavramını öne süren John Eccles (1903–1997) ile birlikte Nobel ödülü aldı. Buna göre, uyarılmayan yani istirahat halindeki zarda, potasyum (K+) iyonuna karşı belirgin bir geçirgenlik vardır. Hücre zarı üzerindeki voltaja duyarlı sodyum (Na+) kanallarından dolayı AP oluşturabilir. Bu kanallar delikçik benzeri protein kapılarıdır ve zar uyarılması yani depolarizasyon (DP) esnasında açılırlar. Uyarım belli bir eşiğe yükseldiği zaman elektrik akımı oluşur. Eşiğe ulaşamaz ise iyonik elektrik akımı oluşamaz. Buna “hep ya da hiç kuralı” denir. Uyarılan zarın normal durumuna dönmesi repolarizasyon (RP) olarak adlandırılır ve voltaja duyarlı K+ kanallarının açılmasıyla oluşur. Na+ kanallarının açılmasının ardından K+ kanallarının açılması, zar içinde K+ iyonlarının kalmasına yol açar. Böylece zar polarize olur, yani hücre içi negatif yüklü hale gelir.[1]

 

Tablo. Bilinen ve günlük yaşamda kullanılan bazı voltajlar (V: volt)

Normal erişkin günlük enerji kullanımı

20 Watt

Sinir hücresi ateşlemesi

10 mili V

Tek bir pil (AAA veya AA)

1.5 V

Otomobil

12 V

Ev elektriği                            

250 V

Sanayi elektriği

600-700 V

Yüksek voltaj

110 kiloV

Yıldırım çakması

100 megaV

 

İyonik Elektriksel Akım ve İyonlar

Potasyum (K+) kanalları

Sinir hücresi zarındaki K+ kanallarının belirgin iyon seçicilikleri ve yüksek ileti hızları vardır. Saniyede yaklaşık 10 bin K+ iyonu geçirirler. İstirahat halinde uyarılabilir hücrelerde zar voltajı, K+ kanalları kapalıyken yaklaşık –80 mV’tur. Uyarılma (depolarizasyon) esnasında, kanal proteinlerinde yapısal değişiklikle kanalın ortasındaki geçiş yeri açılır. Birçok K+ kanalının eşik değeri yaklaşık –40 mV’tur.[2],[3]

 

Klor (Cl-) kanalları

Sinir hücresi dışında klor en önemli negatif iyonik yüktür. Memelilerde hücre dışı klor yoğunluğu yaklaşık 100 mmol/L’dir. Hücre içindeki klor yoğunluğu değişkendir. İstirahat durumunda zar elektrik potansiyeli hücre içinde daima negatiftir ve –30 ile –90 mV arasında değişir. Bundan dolayı, iyon yoğunluğu Cl- iyonunu hücre içine itmeye çalışırken, elektrik potansiyeli Cl- hücre dışına göndermeye çalışır. Bu iki kuvvet arasındaki denge Cl- akımının yönünü belirler. Cl- hücre dışına doğru hareket edince, hücre uyarılır duruma geçer, yani depolarize olur. Bu durumda hücre içinde negatif elektrik potansiyeli azalır. Diğer bir yönden, eğer hücre içinde Cl- yoğunluğu azsa, bu dışarıdaki yoğunluk fazlalığıyla iyonun içeri akımına neden olur ve elektrik potansiyelinin etkisini baskılar. Böylece, hücre içi negatiflik Cl- ile artarak uyarılma (depolarize olma) daha da zorlaşır. Buna hiperpolarizasyon denir.[4]

 

 

Şekil. Bir sinir hücresindeki elektriksel akımın doğuşu, ilerlemesi ve sönmesi. Uyarı gelmesi ile genellikle, ana sinir hücre uzantısı olan akson boynunda sodyum (Na+) ve potasyum (K+) iyonları, akson zarında hücre içine ve dışına doğru yer değiştirir (a). Bu yer değiştirmeden kaynaklanarak, hücre dışında negatiflik ve içerde pozitiflik hakim olur (b). Ancak, bu iyon değişimi ileriye doğru devam ederken, arkadan Na+ tekrar dışarı çıkartılır, ileti geride söndürülür (c). Bu basit gibi görünen olay, tüm beynin enerji kullanımının %70’ini oluşturur.

 

 

 

 

Şekil. İyon kanalları, belli iyonların geçişine izin veren “kapı”lardır. Kapılar hücre içi ve dışını birbirine seçici olarak bağlar. Her iyon kanalı, uygun uyarıcı sinir ileticisi geldiğinde, genelde kendi iyonunun geçişine izin verir. İyon kanalları özellik açısından üç farklı tipte gruplanırlar: seçicilik, kondüktans ve kapılanma (gating). Seçicilik kanalın geçiş verdiği iyon (anyon-katyon) tipi olarak kabul edilir. Genellikle Cl- kanalları tek bir anyona az seçicilik gösterir. Kondüktans kanal içinden geçen iyon yer değiştirmesinin hızıdır. Ortalama olarak saniyede 107-108 iyon kadardır. Kapılanma, kanalın kapalı durumdan açık duruma geçerkenki iyon geçirgenliğidir.

 

Sodyum (Na+) kanalları

Sodyum kanalları hücre ve akson zarı üzerinde her bölgede aynı yoğunlukta bulunmaz. Aksonun Ranvier boğumu denen kısımlarında µm2’de 103-104 Na+ kanalı bulunurken, aradaki kısımlarda µm2’de 25 kadar Na+ kanalı bulunur. Tipik bir sinir hücresinde, hücre dışında Na+ yoğunluğu 145 mmol/L ve hücre içi K+ yoğunluğu 10 mmol/L’dir. Bu yüksek fark, aktif olarak enerjiye bağlı çalışan sodyum-potasyum pompası tarafından sağlanır. Hücre içinde Na+ varlığında enerji kaynağı olan ATP’in (adenozin tri fosfat) yıkılması ile açığa çıkan enerji kullanılarak, içerideki Na+ dışarıdaki K+ ile yer değiştirir. Bu yer değiştirme Na+ ve K+ kendilerinin daha yoğun bulunduğu yere doğru, enerji harcanarak pompalanır. Beynin kullandığı enerjinin %70’i, iyon değişimini düzenleyen sodyum-potasyum-ATPaz pompası tarafından kullanılır. Kalsiyum pompası da benzer şekilde çalışır. Ca+2 iyonu hücre dışına çıkararak, içerideki Ca+2 seviyesini hücre dışının 10 binde birine indirir.

İyonların yükleri ve hücre içi-dışındaki yoğunluklarından yararlanılarak hücrenin iyonik elektriksel yükü hesaplanabilir. Bunlardan birisi Nernst eşitliğidir ve bu denklem ile iyon seçici bir zarda Na+ denge potansiyeli +67 mV olarak bulunur. Nernst eşitliği, herhangi bir iyon için:

Eiyon=2.303 şeklindedir.

Burada R gaz sabiti, T ısı (37 santigrat), z iyon yükü, F Faraday sabiti, iç (o) ve dış (i) yoğunluklarını milimol olarak gösterir (1 mol=6,02•1023 moleküle eşdeğerdir. 1 molar ise litre başına 1 molun yoğunluğudur. 1 mM=litre başına 0,001 mole eşittir). Denklem, difüzyonla ilişkili olduğundan ısıdan, yoğunluk farkından ve iyonların yüklerinden etkilenir.

Tablo. Yaklaşık olarak iyon yoğunlukları ve Eiyon değerleri

İyon

Hücre Dışı (mM)

Hücre İçi (mM)

Dış/İç oranı

Eiyon (370C)

K-potasyum

5

100

1:20

-80

Na-sodyum

150

12

10:1

62

Ca-kalsiyum

2

0,0002

10000:1

123

Cl*klor

150

13

11.5:1

-65

 

K+ iyonu için (hücre içinde 140 mmol/L ve dışarıda 5 mmol/L) -84 mV’luk bir denge potansiyeli oluşturur. İyon yoğunlukları, istirahat halindeki bir hücrede K+ yanında Na+ geçirgenliğine de bağlı olduğundan, şu denklemden yararlanılarak hesaplanabilir. Na+, K+ geçirgenliği için zar potansiyelini yazılabilir.  Eğer zar, Na+’dan 20 kat daha fazla K+ geçirgen olursa (b=0.05) zar potansiyeli –61 mV olarak hesaplanır. Dinlenme halindeki zar K+ iyonuna karşı Na+’a göre daha geçirgendir. Eğer, zar K+’dan 10 kat daha fazla Na+ geçirgenliği gösterirse (b=10) Em +51 mV olarak çıkar. Bu değer bir zarda sinir uyarımının (aksiyon potansiyeli) oluşma eşik değeridir. Son olarak, eğer Na+ geçirgenliği istirahat seviyesine dönerse, bu durumda K+ geçirgenliği istirahatta 5 kat fazla olduğundan (b=0.01) Em –78 mV olarak bulunur.

Günümüzde tek tek Na+ ve K kanallarını zardan ayrıştırmak, mümkün olmuştur. Sinir iletisi sırasındaki rollerini, geliştirilen voltaj-klamp tekniği tam olarak ortaya koymuştur. İzole edilmiş Na+ akım aktivitesi hızlıdır ve 1 msan’den daha kısa sürede sıfır mV’tan tepe noktasına yükselir ve sonra sıfıra doğru azalır. Na+ akımı farklı yöntemlerle ölçülebilir. Klasik Ohm kanunu denklemi I=G.V kullanarak (I; akım, G; kondüktans) akım ve kondüktansı hesaplayabiliriz. Kondüktans, elektrik yükünün bir noktadan başka bir noktaya gidebilmesinin ölçüsüdür. Kondüktans, elektrik yükü taşıyan parçacıkların sayısına bağlıdır. Direnç, hareket sırasında elektrik akımına karşı oluşan güçtür, R ile gösterilir ve birimi Ohm’dur (W). Direnç, kondüktansla ters orantılıdır: R=1/G.

Tipik istirahat (uyarılmamış) zar potansiyeli birkaç açık Na+ kanalına bağlı olarak –60 ile -80 mV arasındadır. Zar uyarıldığında, kısa bir gecikmeden sonra sinir uyarısı oluşur. Bu gecikme zamanı, sinir uyarımı için yeterli Na+ kanalının açılması ve K+ kanalını kapatma için harcanır. Daha büyük potansiyelli uyarımlarda daha çok Na+ kanalı devreye girer (GNa). Daha büyük GNa ve daha hızlı uyarılma bir arada olduğunda, sinir iletisi oluşum süresi daha da kısalır. Sinirsel uyarının ortaya çıkışıyla Na+ kanalları uyarılmakla birlikte, devam eden sinir iletisi Na+ kanallarını devreden çıkarmaya doğru gider. Bu devreden çıkma, sinir iletisinin sönümlenmesi (repolarizasyon) için önemlidir. Sinir iletiminin üst noktasında Na+ akımı en üst seviyededir.

Na+ kanallarının devreden çıkması ve K+ kanallarının çalışmaya başlaması ile hızla zarın sinir ileti potansiyeli sönümlenir (aksiyon potansiyeli repolarize olur). Sönme sonrası, Na+ kanallarının devre dışı olması yavaşça olur. K+ kanalları ise Na+ kanallarına göre daha da yavaş kapanır. Sinir uyarımı esnasında Na+ kanallarının %80-90’i hızlı bir Na+ geçişine izin verir ve ardından iyon geçirmez olur. Bu sırada, ikinci bir sinir uyarımı meydana getirilemez ve sinir hücresi uyarıya direnç göstererek yanıt vermez. Açık Na+ kanalları sayısı, K+’un dışa akımının üstesinden gelecek yeterli Na+ akımı sağlayamaz. Bu dönem “kesin dirençli” dönem olarak adlandırılır. Bu uyarılamaz sürenin ne kadar süreceği Na+ kanallarının devre dışından çıkma süresine bağlıdır. Bunun ardından “nispi dirençli” dönem gelir. Bu dönemde yeni bir sinir uyarısı oluşabilir, ancak büyük bir eşik uyarımı gerektirir.

 

 

Şekil. Bir sinir uyarımının başlaması, devam etmesi, sönümlenmesi ve iyonlarla olan zamansal ilişkisi. Normal durumda yani uyarılmamış bir sinir hücresinin, içerdiği negatif yüklü iyonlardan dolayı, istirahat potansiyeli yaklaşık -80 miliVolt’tur. Uyarımla içeriye pozitif yüklü sodyum (Na+) iyonları girerek, hücre içindeki iyon yükü ağırlığını pozitifleştirir ve -80 mV’dan sıfır mV’a doğru bir gidiş olur. Devam eden Na+ girişi hücre içi yükü +40 mV’a kadar çıkarır. Buraya kadar olan süreç bir sinir uyarımının başlamasıdır (depolarizasyon). Na+ içeri girişi, tepe noktasında, Na+ kanallarının hızla kapanmasıyla durur. Bu durmadan kısa bir süre önce, hücre içindeki pozitif yüklü K+ iyonlarının kanalları açılır ve dışarıya çıkarlar. Bu Na+ girişine göre daha yavaş seyirlidir. Bu şekilde sinir iletimi sönümlenmesi (repolarizasyon) oluşur. Depolarizasyon ve repolarizasyon dönemlerinde, iyon kanallarının durumu nedeni ile bir sinir hücresi ne kadar uyarılırsa uyarılsın yeni bir sinir uyarımı oluşmasına izin vermez (kesin=absolute dirençli dönem). Uyarımla oluşan bu iyon yer değiştirmesinin tekrar eski haline gelmesi, Na/K-ATPaz pompası ile olur.  



[1] Waxman SG. Axons. Embryonic ELS. Macmillan Publishers Ltd. 1999 

[2] Antz C, Geyer M, Fakler B et al. NMR structure of inactivation gates from mammalian voltage-dependent potassium channels. Nature 1997;385:272–275

[3] Doyle DA et al., The structure of the potassium channel: molecular basis of K+ conduction and selectivity. Science 1998;280: 69–77.

[4] Jentsch TJ and Gunther W. Chloride channels: an emerging molecular picture. Bioessays 1997;19:117–126.

Son Güncelleme: Cumartesi, 23 Şubat 2013 14:03