Membran Potansiyeli ve İyon Kanalları

Membran Potansiyeli, Eşik Altı Uyarılarıyla Oluşturulan Membran Potansiyeli Değişimleri ve Aksiyon Potansiyeli, İyon Kanalları

• Dinlenim koşulları altında tüm hücrelerin plazma membranında membran potansiyeli adı verilen bir potansiyel farkı bulunur.
• Hücre içi, dışına göre daha negatif yüklüdür.
• Dinlenim membran potansiyelinin değeri, hücrenin tipine bağlı olarak -5mV ile -100 mV arasında değişir.
• İstirahat (Dinlenim) membran potansiyeli, hücre içinde negatif iyonların, hücre dışında ise pozitif iyonların küçük bir fazlalığıyla oluşur.
• Dinlenim potansiyelinin büyüklüğünü başlıca iki faktör belirler: intrasellüler ve ekstrasellüler sıvıların iyon konsantrasyonları arasındaki fark ve membranın farklı iyonlara geçirgenliğinin değişik olması.
• Membran dinlenim anında Na iyonlarına çok az miktarda geçirgenken K ve Cl iyonlarına geçirgendir.
• Dinlenim membran potansiyelini anlamak için en basit durum, membranın sadece tek bir çeşit iyona geçirgen olması örneğin potasyum olmasıdır.
• Bu durumda potasyum yüksek konsantrasyonda bulunduğu hücre içinden dışına doğru net bir difüzyon yapar.
• Pozitif yüklü potasyumun diğer tarafa geçmesi, hücre membranında bir elektrik potansiyeli oluşturur.
• Hücre içindeki potasyum konsantrasyonunun daha fazla olması potasyumu dışarıya iten bir kuvvet oluşturur.
• Membranda oluşan elektrik potansiyeli de potasyumu içeriye iten bir kuvvet oluşturur.
• Bu iki kuvvetin birbirine eşit olduğu noktada potasyumun hücreden net pasif hareketi durur.
• Bu durumun gözlendiği membran potansiyeline potasyum denge potansiyeli (Eₖ) denir.
• Sadece tek bir iyona geçirgen olduğu durumda dinlenim membran potansiyeli, o iyonun denge potansiyeline eşit olur.
• Biyolojik membranlar birden çok iyona geçirgenlik gösterir.
• Bir çok hücre için, önemli ölçüde geçirgenliği olan iyonlar sadece sodyum, potasyum ve klordür (Bazı dokularda kalsiyum geçirgenliği de önem taşır).
• Dinlenim membran potansiyeli sadece hücre içi ve dışı iyon konsantrasyonlarına değil, membranın bu iyonlara geçirgenliğinin büyüklüğüne de bağımlı olur.
• Dinlenim membran potansiyelini hesaplamak için Goldman-Hodgkin-Katz eşitliği kullanılır.
• Cl'un dinlenim potansiyeline etkisi düşük olduğundan bu terim ihmal edilebilir.
• Bir çok hücrenin dinlenim durumunda potasyuma geçirgenliği sodyuma geçirgenliğinden daha yüksektir.
• Dinlenim membran potansiyeli potasyum denge potansiyeline daha yakındır.
• Bazı hücrelere ait istirahat membran potansiyelleri şunlardır: sinir hücrelerinde -70 --80 mV, iskelet kasında -90 mV, kalp ve düz kasların uyarı doğuran hücrelerinde -50, -65 mV, salgı bezleri ve eritrositler gibi uyarılamayan hücrelerde -10, -20 mV.
• Na+, K+ ve Cl- iyonlarının denge potansiyelleri şöyledir: E= - 90 mV, E= - 98 mV, Eₙₐ= + 66 mV.
• Elektrokimyasal potansiyel fark AGi = z₁F (Em-E₁) ile ifade edilir.
• iyon sürdürücü kuvvet veya elektrokimyasal potansiyel farkı pasif geçişin sürdürücü etkenidir.
• E= -90-50 = -140 mV < 0, Na+, dıştan içe doğru hareket eder.
• İstirahat halinde Na+'nin hücre dışındaki mol başına serbest enerjisi hücre içindeki mol başına serbest enerjiden fazladır.
• İstirahat halinde Na+ için pasif akı içeri doğrudur.
• 8 mV >0, K+ + yönde içten dışa hareket eder.
• Sinir sisteminin temel birimi (birimleri) nöronlardır.
• Nöronlar, etrafını çeviren ve beslenme gelişmelerini sağlayan destek hücrelerine glial hücreler denir.
• İnformasyon iletiminde yalnızca nöronlar rol alır
• Merkezi sinir sistemi 1000 kadar farklı türden, 10¹² karmaşık sinir hücresi bağlantılarını içerir.
• Çevresel sinir sistemi duyusal (afferent) ve motor (efferent) sinirler ile otonom sinir sistemi gangliyonlarından oluşur.
• Komşu sinir hücreleri arasında ya da komşu bir sinir ile kas hücresi arasındaki iletişimin gerçekleştiği özelleşmiş bölgelere Sinaps (sinaptik aralık) adı verilir.
• Sinir liflerinin son uçlarında veziküller bulunur ve bu veziküller sinaptik iletimde aktif rol alan nörotransmitterleri içerir.
• Çoğu sinir hücresinde aksonlar Schwann hücrelerince çevrilmiştir.
• Bu hücre zarları aksonu kılıf gibi sararlar (Miyelin kılıf).
• Miyelin tabaka elektriksel bakımdan yalıtkandır, kas liflerinde ise miyelin tabakası yoktur.
• Akson içine molekül ve iyon giriş-çıkışları Ranvier boğumlarında gerçekleşir.
• Miyelin kılıflar akson boyunca 1-2 mm'de bir düzenli aralıklarla kesintiye uğrar (Ranvier boğumları, ≈1µm).
• Membran potansiyelinde geçici bir değişim meydana gelir.
• Uyarılabilir hücreler ısısal, kimyasal, mekanik elektriksel yollarla uyarılabilirler.
• Laboratuvar uygulamalarında uyarılabilirlik tercih edilir çünkü uygulama süresi, şiddeti, frekansı ayarlanabilir.
• Potansiyel değişiklik zar boyunca yayılır ve organlar arasında hızlı bir informasyon iletimi sağlanır.
• Uyarılabilen hücrelerde zar, istirahat durumunda polarize (2 kutuplu) halde iken, fiziksel, kimyasal veya elektriksel bir uyaran ile depolarize edilebilir.
• Sinir ve kas gibi uyarılabilen dokuların istirahatten, uyarılmış hale geçmesi aksiyon potansiyelleri ile gerçekleştirilir.
• Hücre boyunca yapılan ve bilgi iletiminin temel birimi olan potansiyel değişikliğine aksiyon potansiyeli denir.
• Uyaranın (stimulus), hücre zarında pozitif yüklü iyonlara ait ligand veya voltaj bağımlı kanalların açılmasına yetecek eşik şiddette olması gerekir.
• Hücre içine (+) yük girişiyle, membran potansiyeli ateşleme seviyesine kadar değiştirilebilirse Na+'un bütün voltaja bağlı kanalları açılacağından Na+ hızla hücre içine akar ve bir aksiyon potansiyeli başlar.
• Aksiyon potansiyeli hücre membranının bir uyaran ile (fiziksel, kimyasal veya elektriksel) uyarılması sonucunda zarın iki tarafındaki iyon dağılımının değişmesiyle ortaya çıkan elektriksel potansiyelin akson boyunca iletilmesidir.
• Uygun bir uyarı verildiğinde kondansatör boşalabilir veya kısa bir süre içinde ters kutuplanabilir (depolarizasyon).
• Zarın belirli bir bölgesinde 1 ms kadar süren bu potansiyel değişikliğinden sonra zar bu bölgede dinlenim durumuna dönerken potansiyel değişikliği yayılmaya devam eder.
• Aksiyon potansiyeli aksonun en uç noktasına kadar iletilen elektriksel ileti yani sinir uyarısıdır.
• Nörotransmitterler sinapslarda sentezlenerek veziküllerde depolanmaktadırlar.
• Sinapslarda nörotransmitterler aracılığı ile kimyasal iletiye çevrilmektedir.
• Bu kimyasal ileti, diğer sinir hücresinde elektriksel iletiyi başlatmaktadır.
• Ortasından uyarılan bir aksonda Aksiyon Potansiyeli her iki yönde de yayılabilir ancak sinaptik iletim tek yönlüdür.
• Uyarılabilir hücrelerde aksiyon potansiyelinin yayılma hızı hücrenin cinsine göre 1-100 m/s arasında değişir ve miyelinli aksonlarda daha hızlıdır.
• Dinlenim zar potansiyeli hücre tipine göre -60 mV ile - 95 mV arasında değişir.
• AP'nin tepe noktası ise +20 mV ile + 50 mV arasında değişir.
• AP'nin süresi ise 0,5 ms ile 500 ms arasında değişebilir
• AP akson boyunca sabit bir hız ve şiddette iletilir.
• Bir aksonu uyarmak için minimum bir elektrik yükü (AQ= leşik.At) hücreye bırakılmalıdır aksi takdirde uyarı oluşmaz.
• AP uyarının şiddetinden bağımsız bir otodalgadır ancak bir sinir ya iletim durumundadır ya da değildir (Ya hep ya Hiç İlkesi).
• Uyaran şiddeti eşik uyaran (leşik) şiddetine ulaşamadıkca hücre uyanlamaz ve AP oluşamaz.
• Akim uygulama süresi (At) küçük ise eşik değer (leşik) yükselir (AQ= leşik.At).
• Uyarı için gerekli akım şiddetinin altında At ne kadar büyük olursa olsun uyarı oluşmaz ve bu limit değere reobaz denir.
• Reobazin iki katı şiddetindeki bir akımın uyarı oluşturabilmesi için gerekli minimum süreye kronaksi denir.
• Kronaksi uyarılabilirliğin bir ölçüsüdür.
• Kronaksisi düşük aksonlar daha kolay uyarılır.
• Eşik altı uyarılar AP oluşturamazlar ancak yöresel depolarizasyona neden olurlar.
• Yanıtın büyüklüğü, uyaran şiddeti ile artar ancak kısa sürede sönümlenir.
• Uyaran akım şiddeti belli bir değere ulaşınca AP gelişir.
• Bu eşik değere 'Kritik Depolarizasyon Potansiyeli yada 'Eşik Potansiyel' denir.
• Membran potansiyeli kritik depolarizasyon potansiyeline ulaşınca voltaj kapılı Na+ kanalları açılır ve AP kendiliğinden gelişir.
• Kritik depolarizasyon potansiyeli AP oluşması için gerekli eşik potansiyeldir.
• Eşik değerlerin üzerindeki bir uyarı kritik depolarizasyon potansiyeline daha çabuk ulaştırır ancak AP'nin tepe noktasını değiştirmez
• Uyarılabilir bir hücrenin eşik altı uyaranlar etkisinde yöresel, dereceli yanıtları meydana gelir.
• Uyaranın verildiği andan aksiyon potansiyeli başlangıcına kadar geçen süreye latent dönem denir ve uyaran şiddeti arttıkça kısalır (t2<t₁).
• Eşik altı bir uyaranın neden olduğu depolarizayon henüz tam sönümlenmeden, bir hücre ikinci bir eşik altı uyaran daha uygulandığında ikinci uyaranın oluşturacağı yöresel depolarizasyon birinciden arta kalana eklenebilir.
• Toplamları (Sumasyon) eşik potansiyele ulaşarak AP'yi tetikleyebilir.
• Zamansal Toplama (Temporal Sumasyon): Aynı noktada farklı zamanlarda uygulanan eşik altı uyarıların toplanmasıyla AP oluşabilir ve Çevresel Sinir Sisteminde görülür
• Uzaysal Toplama (Spatial Sumasyon): Farklı noktalardan aynı zamanda uygulanan eşik altı uyarıların toplanmasıyla AP oluşabilir.ve Merkezi Sinir Sisteminde görülür
• Uzaysal toplama çoklu sinapsları içerirken, zamansal toplama tek sinaps içerir
• Zamansal toplamada EPSP'ler birbiri ardına hızlı bir şekilde meydana gelirken, uzaysal toplamada tüm ESPS'ler aynı anda meydana gelir.
• Ardışık eşik altı uyaranların etkisi sonucu A: Eşik altı bir uyaran etkisinde yöresel bir yanıt. B: Eşik altı iki uyaranın uygun aralıklarla uygulanması halinde zamansal toplama (temporal summation) gerçekleşir.
• Uyarılabilir bir hücre veya dokunun, şiddeti ağır ağır artan bir uyaran karşısında eşiğini yükseltmesine uyum (accomodation) denir.
• Zar potansiyeli repolarizasyonu izleyerek dinlenim zar potansiyelinin üstünde veya altında kalabilir buna 'Ard Potansiyel' denir.
• Depolarize Edici Ard Potansiyel dinlenime göre pozitif, Hiperpolarize Edici Ard Potansiyel ise dinlenime göre negatiftir.
• Hiperpolarizasyonun nedeni K+'nın akışıyla yeni gelen bir uyaranın daha zor uyarabilmesidir.
• Bir hücrenin uyarılabilirliği depolarize edici ard potansiyele sahip iken artarken hiperpolarize ard potansiyele sahip iken azalmaktadır.
• Mutlak Rekraktar Dönemde hücre kesinlikle uyarılmazken Bağıl Refraktar Dönemde hücre yüksek eşik değerde uyarılabilir.
• Absolut refrakter periyodun temel nedeni voltaja duyarlı sodyum kanalının inaktivasyon kapısının kapalı olmasıdır.
• Uyaran yani excitation olayı, tıpkı bir fitilin ateşlenmesinde olduğu gibi, yalnızca tetikler.
• Bundan sonra aksiyon potansiyeli zarda kendi kendini yineleyen bir süreçle iletilir.
• Uyartının oluşumu ve yayılması ile ilgili gözlenen olayları açıklamak için birbirini tamamlayan iki kuram (teori) ve model geliştirilmiştir: Pasif zar modeli ve kablo teorisi, Aktif zar modeli ve Hodgkin-Huxley kuramı.
• Pasif kanallardan iyon geçişlerine karşılık iyonik akım meydana gelir ve zardan geçirilmeye çalışılan akımın nedeni ile zar potansiyelinde de deşmeler oluşur.
• Ohm's Yasası'na göre V = IR'dir.
• Eşdeğer devre yalnızca direnç eleman ile temsil edilebilse idi zar potansiyelinin değişimi şekildeki (a-sabit) eğrisini izlerdi.
• Yalnızca kapasitif elemanla temsil edilebilseydi (b) eğrisini izleyecek 1-Membrana şekilde görülen dikdörtgen biçimli bir akım pulsu verildiğini düşünelim.
• ikisinin birlikte varlığında (c) eğrisini izlemektedir ve akım uygulandıktan sonra potansiyelin zamanla değişimi, Vm(t) = Im. Rm [1 - e-t/t] dir.
• Farklı nöronlarda zaman sabiti 1-20 ms arasındadır.
• Zaman sabiti küçük olan zarlar kolay ve çabuk depolarize olabilirler ve bu nedenle hızlı iletirler
• Voltaj değişikliğinin akson boyunca pasif olarak iletilmesi elektrotonik iletim olarak da adlandırılır
• Miyelinli kesimler, sığaları düşük, depolayabilecekleri yük miktarı daha az olacağından kısa sürede depolarize olurlar.
• Miyelinli kesimlerde akımlar zaman harcamadığı için depolarizasyon dalgası bir Ranvier boğumundan bir sonrakine sıçramalı olarak iletilir.
• Saltatorik iletim olarak adlandırılan bu iletim biçimi hem hızlı, hem de enerjetik açıdan daha ekonomiktir.
• Bu değerler ve konsantrasyonlar Goldman-Hodgkin-Katz denkleminde yerine konulduğunda, dinlenim zar potansiyeli -53 mV dolaylarında bulunur ve potasyumun denge potansiyeli yakınlarında olduğu anlaşılmaktadır.
• Aksiyon potansiyelinin yükselme evresinde PK/PNa/PCI= 1 / 20 / 0,45'tir.
• Bu da Na+ denge potansiyeline oldukça yakındır.
• Repolarizasyon evresinde zar potansiyelinin tekrar K+ denge potansiyeline yaklaşması ise bu evrede zarın sodyuma geçirgenliğinin azalıp potasyuma geçirgenliğinin artması ile mümkün görünmektedir.
• Elektrik yükü (AQ= leşik. At) hücreye bırakılmalıdır.
• Bu dev akson üzerinde yapılan ilk deneylerden, aksiyon potansiyeli sırasında zar iletkenliğinin arttığı, dış ortamda Na+ konsantrasyonu azaltılırsa aksiyon potansiyeli genliğinin azaldığı saptanmıştır.
• Bu sırada açılan K kanalları sayısı da artmaktadır.
• Tıpkı Na kanallarında olduğu gibi, K kanalları da depolarizasyonla aktive olurlar, ancak K kanal aktivasyonu daha yavaş bir süreçtir.
• Açılan kanallardan Na+ girişi zarın daha fazla depolarizasyonuna, bu ise daha fazla Na kanalı açılmasına ve zarın sodyuma geçirgenliğinin daha da artmasına neden olmaktadır.
• Böylece şekilde görülen ve Hodgkin çevrimi olarak adlandırılan pozitif geri beslemeli süreç, zar potansiyelini sodyum denge potansiyeline yaklaştırır.
• Zarın depolarizasyon hızı, sodyum giriş akımı ile doğru, zar sığası ile ters orantılı bulunmaktadır.
• Hodgkin-Huxley zar potansiyeli bulunur ve aktif elektriksel eşdeğer devre bulunur.
• Voltaj kenetleme tekniğinde ise zar potansiyeli aniden bir değere getirilip sabit tutulurken, yanıt olarak zardan geçen akımın değişimleri gözlenmiştir.
• İyonik akımı bileşenlerine ayırmak için günümüzde kanalları bloke eden maddeler kullanılmaktadır.
• Sodyum kanallarını bloke eden ajanlar tetrodotoxin (TTX) ve saxitoxin (STXdir.
• Hodgkin-Huxley modelinde K kanalı yavaş davranışlı dört adet n kapısı ile kontrol edilmektedir.
• Na kapısı hızlı davranışlı üç adet m kapısı ile kontrol edilmektedir.
• Bir Na kanalı, depolarizasyon sonucu açılıp aktivasyonu sağlayan, hızlı davranışlı üç adet m-kapısı ve yine depolarizasyon sonucu kapanarak inaktivasyonu sağlayan, yavaş davranışlı bir adet h-kapısı tarafından kontrol edilmektedir.
• Na kanalı 1) Dinlenme Potansiyeli - Aktivasyon kapısı KAPALI, İnaktivasyon kapısı AÇIK 2) Aktif olduğunda - Aktivasyon kapısı AÇIK, İnaktivasyon kapısı AÇIK 3) İnaktive olduğunda- Aktivasyon kapısı AÇIK, İnaktivasyon kapısı KAPALI
• Na kanalları, K kanallarına göre çok daha hızlı inaktif olurlar
• Potasyum kanalları da, yine rubidyum ve talyum iyonları gibi potasyum iyonlarına göre çok zayıf akım taşınmışlar.
• Aksiyon potansiyelinin çizimi:
• Mutlak etkisiz dönem
• Görece etkisiz dönem
• K kanallarının biraz daha geç aktive olması nedeniyle AP eğrisi hafif sağa doğru kaymıştır.
• İki değerlikli Ca2+ ve Mg2+ iyonları uyarılabilir zarların eşiklerini önemli ölçüde değiştirirler.
• Bu kanallardan geçen akımlar Ito(Transient Outward) akımları olarak adlandırılır.
• T-tipi Ca kanalı düşük voltajla aktive olur.
• L-tipi Ca kanalı Yüksek voltajla aktive olan olarak adlandırılır.
• Voltaj bağımlı iyon kanalları arasında en bol çeşidi olan potasyum kanallarıdır.
• Voltaj bağımlı iyon kanalları arasında en bol çeşidi olan potasyum kanallarıdır.
• İyon zarların geçmesini sağlayan kanal proteinleri hidrofobik bölgelerinden zarın sudan hazzetmeyen kısımlarına girerler.
• İç tarafa yüz eden yerlerinden içeri su dolabilir
• Kanalın direnci ya da geçirgenliğine göre sınıplandırılır
• Ohm kanalları Ohm yasası ile ölçülürdür
• Voltaj bağımlı kanallar Ohm yasası ile ölçülmezdür
• Kapıların tiplerine göre sınıflandırlama 4 çeşittir:
  • Dinlendirici Potasyum kanalları
  • Voltaj kapılı kanallar
  • Ligan kapılı kanallar
  • Sinyal kapılı kanallar
• 40 -mV'un altında tüm voltaj kapılı kanallar kapalıdır.
• Pozitif potansiyellerde ise hemen hemen tüm voltaj iyon kapılı kanalları açıktır.
• Sinir ve kas gibi uyarılabilir dokularda bilgi iletiminde sinir ve kas gibi görev alan bölgeler
• Voltaj bağımlı iyon kanallarının oluşturan her bir alt birimin zarı baştan sona 6 kez geçen sarmal kesimleri vardır.

Hücrelerin plazma membranında bulunan membran potansiyeli, hücre içi ve dışı arasındaki elektriksel potansiyel farkıdır. Bu potansiyel, hücre tipine göre -5mV ile -100 mV arasında değişir. İyon konsantrasyonları ve membranın iyonlara geçirgenliği, dinlenim potansiyelini etkiler.