Membran Potansiyeli, İyon Kanalları - PDF

Membran Potansiyeli, Eşik Altı Uyarılarıyla Oluşturulan Membran Potansiyeli Değişimleri ve Aksiyon Potansiyeli, İyon Kanalları Dr. Öğr. Üyesi Güney GÜRSOY KAEÜ, Tıp Fakültesi, Dönem I – Kurul IV, 2023 Dinlenim koşulları altındaki tüm hücrelerin plazma membranında mem...

Membran Potansiyeli, Eşik Altı Uyarılarıyla Oluşturulan Membran Potansiyeli Değişimleri ve Aksiyon Potansiyeli, İyon Kanalları Dr. Öğr. Üyesi Güney GÜRSOY KAEÜ, Tıp Fakültesi, Dönem I – Kurul IV, 2023 Dinlenim koşulları altındaki tüm hücrelerin plazma membranında membran potansiyeli adı verilen bir potansiyel farkı vardır. İstirahat (Dinlenim) membran potansiyeli, Hücre içi dışına göre daha negatif yüklüdür. Hücre içinde negatif iyonların-Hücre dışında pozitif iyonların küçük bir fazlalığıyla oluşur. Dinlenim membran potansiyelinin değeri, hücrenin tipine bağlı olarak –5mV ve -100 mv arasında değişmektedir  Dinlenim potansiyelinin büyüklüğünü başlıca iki faktör belirler. 1) İntrasellüler ve ekstrasellüler sıvıların iyon 2) Membranın farklı iyonlara geçirgenliğinin değişik konsantrasyonları arasındaki fark olması Membran dinlenim anında; Na iyonlarına çok az miktarda geçirgen olması K iyonlarına geçirgen olması Cl iyonlarına geçirgen olması  Bu durumda potasyum yüksek konsantrasyonda Dinlenim membran potansiyelini anlamak için en bulunduğu hücre içinden dışına doğru net bir basit durumdan başlayalım. difüzyon yapar. Membranın sadece tek bir çeşit iyona geçirgen Pozitif yüklü potasyumun çok az bir kısmının bile olsun, örneğin potasyum. diğer tarafa geçmesi hücre membranında bir elektrik potansiyeli oluşturur Bu kuvvetlerin birbirine eşit olduğu noktada potasyumun hücreden net pasif hareketi durur. Hücre içindeki potasyum konsantrasyonunun daha fazla olmasının potasyumu dışarıya iten bir Bu durumun gözlendiği membran potansiyeline kuvvet oluşturması gibi, potasyum denge potansiyeli (EK) denir. membranda oluşan elektrik potansiyeli de Bu söylenenler ile Nernst eşitliği elde edilir potasyumu içeriye iten bir kuvvet oluşturur. Membranın sadece tek bir iyona geçirgen olduğu durumda, dinlenim membran potansiyeli, bu iyonun denge potansiyeline eşit olur.  Bu durumda dinlenim membran potansiyeli sadece Biyolojik membranlar birden çok iyona hücre içi ve dışı iyon konsantrasyonlarına değil, geçirgenlik gösterir. Bir çok hücre için, önemli membranın bu iyonlara geçirgenliğinin büyüklüğüne ölçüde geçirgenliği olan iyonlar sadece sodyum, de bağımlı olur. potasyum ve klordür (Bazı dokularda kalsiyum geçirgenliği de önem taşır). Bu durumda dinlenim membran potansiyelini hesaplamak için Goldman-Hodgkin-Katz eşitliği kullanılır Bir çok durumda Cl-’un dinlenim potansiyeline etkisi Bazı hücrelere ait istirahat membran potansiyelleri; düşük olduğundan bu terim ihmal edilir. Sinir hücrelerinde -70 --80 mV Bir çok hücrenin dinlenim durumunda potasyuma geçirgenliği sodyuma geçirgenliğinden daha İskelet kasında -90 mV yüksektir. Kalp ve düz kasların uyarı doğuran hücrelerinde -50, -65 mV Bu nedenle dinlenim membran potansiyeli potasyum denge potansiyeline daha yakındır Salgı bezleri, eritrositler gibi uyarılamayan hücrelerde bu -10, -20 mV Na+, K+ ve Cl- İyonlarının Denge Potansiyelleri ECl= - 90 mV EK = - 98 mV ENa= + 66 mV Elektrokimyasal Potansiyel Fark Na+ için: ΔGi = ziF (Em-Ei) ΔEi(elek) = Em-Ei Em-Ei= -90-50 = -140 mV < 0 Na+ dıştan içe doğru hareket eder (- yön). ΔEi(elek):iyon sürdürücü kuvvet (veya elektrokimyasal potansiyel fark): pasif geçişin sürdürücü etkeni İstirahat halinde Na+’nin hücre dışındaki mol başına serbest enerjisi hücre içindeki mol başına serbest Zarın içerisinden dışarısına doğru: + yön enerjiden fazladır. Zarın dışarısından içerisine doğru: - yön İstirahat halinde Na+ için pasif akı içeri doğrudur. K+ için itici kuvvet: 8 mV >0 K+ + yönde içten dışa hareket eder.  Nöronun etrafını çevrelerler, Glial hücreler beslenme gelişmelerini sağlayan destek hücreleridir. Sinir sisteminin temel birimi (birimleri)… Nöron İnformasyon iletiminde yalnızca nöronlar rol alır Merkezi Sinir Sistemi 1000 kadar farklı türden, 1012 karmaşık sinir İnformasyon Komşu sinir hücreleri arasında hücresi bağlantılarını ya da komşu bir sinir ile kas içerir. hücresi arasındaki iletişimin gerçekleştiği yapısal ve işlevsel Çevresel (periferal) olarak özelleşmiş bölgelere S.S. Sinaps (sinaptik aralık) adı verilir. Duyusal (afferent) ve motor (efferent) sinirler ile otonom s.s. Sinir liflerinin son uçlarında veziküller gangliyonlarından bulunur. Bu veziküller sinaptik iletimde oluşur. 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 Uygun Uyaran bir değişim meydana gelir. Uyarılabilir hücreler Isısal, kimyasal, mekanik, elektriksel yollarla uyarılabilirler. Bu değişim eşik değeri aşarsa… Laboratuvar uygulamalarında tercih edilirler. Potansiyel değişiklik zar boyunca yayılır ve….. Çünkü; uygulama süresi, şiddeti, frekansı bakımından Organlar arasında hızlı bir ayarlanabilirler informasyon iletimi sağlanır.  Uyarılabilen hücrelerde zar, istirahat durumunda polarize (2 kutuplu) halde iken, fiziksel, kimyasal veya elektriksel bir uyaran ile depolarize edilebilir. Bunun için uyaranın (stimulus), hücre zarında pozitif yüklü iyonlara ait ligand veya voltaj bağımlı kanalların açılmasına yetecek şiddette (eşik şiddet) olması gerekir. Hücre içine (+) yük girişiyle, membran potansiyeli ateşleme seviyesine kadar (-50, -60 mV) değiştirilebilirse, Na’un bütün voltaja bağlı kanalları açılacağından; Na+, hızla hücre içine akar ve bir aksiyon potansiyeli başlar. Sinir ve kas gibi uyarılabilen dokuların istirahatten, uyarılmış hale geçmesi aksiyon potansiyelleri ile gerçekleştirilir. Aksiyon potansiyeli, hücre membranının bir uyaran ile (fiziksel, kimyasal veya elektriksel) uyarılması sonucunda zarın iki tarafındaki iyon dağılımının değişmesiyle ortaya çıkan elektriksel potansiyelin Hücre boyunca yapılan ve bilgi iletiminin temel birimi akson boyunca iletilmesidir. olan potansiyel değişikliğine ‘Aksiyon Potansiyeli’ denir.. Sinir ve kas hücre membranlarının dış tarafları pozitif, iç tarafları ise negatif yüklü ortasında lipid çift tabakadan kaynaklanan iyi bir yalıtkan bulunan kutuplanmış bir kondansatörü andırır. Uygun bir uyarı verildiğinde Zarın belirli bir bölgesinde 1 ms kondansatör boşalabilir veya kısa kadar süren bu potansiyel bir süre içinde ters kutuplanabilir değişikliğinden sonra zar bu (depolarizasyon). bölgede dinlenim durumuna dönerken potansiyel değişikliği yayılmaya devam eder.  Nörotransmitterler sinapslarda Aksiyon potansiyeli olarak adlandırılan sentezlenerek veziküllerde ve aksonun en uç noktasına kadar depolanmaktadırlar. iletilen elektriksel ileti (sinir uyarısı) Sinapslarda nörotransmitterler aracılığı ile kimyasal iletiye çevrilmektedir. Bu kimyasal ileti, diğer sinir hücresinde elektriksel iletiyi başlatmaktadır.  Ortasından uyarılan bir aksonda Aksiyon Uyarılabilir hücrelerde Aksiyon Potansiyeli her iki yönde de yayılabilir. Potansiyelinin yayılma hızı hücrenin (Not:Sinaptik iletim ise tek yönlüdür). cinsine göre 1-100 m/s arasında değişir. İleti Hızımiyelinli > İleti Hızımiyelinsiz Dinlenim zar potansiyeli hücre tipine göre -60 mV ile - 95 mV arasında, AP'nin tepe noktası ise +20 mV ile + 50 mV arasında, AP'nin süresi ise 0,5 ms ile 500 ms arasında değişebilir  AP akson boyunca sabit bir hız ve şiddette iletilir. (Not: AP bir otodalgadır, şiddeti AP'nin büyüklüğü ve zamana göre değişmeden yayılır). değişimi; uyaranın şiddeti ve cinsinden bağımsızdır. Bir sinir ya iletim durumundadır ya da değildir (Ya hep ya Hiç İlkesi). Bir aksonu uyarmak için minimum bir Uyaran şiddeti, eşik uyaran (Ieşik) şiddetine elektrik yükü (ΔQ= Ieşik.Δt) hücreye ulaşamadıkca hücre uyarılamaz ve AP bırakılmalıdır. (ΔQ değerinin altında uyarı oluşamaz. oluşmaz). Akim uygulama süresi (Δt) küçük ise eşik değer (Ieşik) yükselir (ΔQ= Ieşik.Δt)  Eşik akım şiddetinin uygulama süresine bağlılığı, Şiddet-süre eğrisi Uyarı için gerekli akım şiddetinin altında Δt ne kadar büyük olursa olsun uyarı oluşmaz. Bu limit değere reobaz (R değeri) denir. Reobaz’in altında uyarı oluşmaz. Reobazin iki katı şiddetindeki bir akımın (2R) uyarı oluşturabilmesi için gerekli minimum süreye kronaksi denir. Kronaksi uyarılabilirliğin bir ölçüsüdür. Kronaksisi düşük aksonlar daha kolay uyarılır. Eşik altı şiddette uyarı Yöresel yanıt (local responce) Akson Yanıtın büyüklüğü, Kısa sürede uyaran şiddeti ile artar sönümlenir Eşik altı uyarılar; AP oluşturamazlar ancak yöresel depolarizasyona neden olurlar.  Uyaran akım şiddeti belli bir değere ulaşınca AP gelişir. Bu eşik değere ‘Kritik Depolarizasyon Potansiyeli yada ‘Eşik Potansiyel’ denir. Kritik Depolarizasyon Potansiyeli= AP oluşması için gerekli eşik potansiyel Membran potansiyeli kritik depolarizasyon potansiyeline ulaşınca voltaj kapılı Na+ Eşik değerlerin üzerindeki bir uyarı; kanalları açılır ve AP kendiliğinden gelişir. 1)Kritik depolarizasyon potansiyeline daha çabuk ulaştırır. 2) Ancak AP'nin tepe noktasını değiştirmez  Eşik altı bir uyaranın neden olduğu Toplama (Sumasyon) depolarizayon henüz tam sönümlenmeden, bir hücre ikinci bir eşik altı uyaran daha uygulandığında, ikinci uyaranın oluşturacağı Zamansal Toplama (Temporal Uzaysal Toplama (Spatial yöresel depolarizasyon birinciden arta Sumasyon) : Aynı noktada farklı Sumasyon) : Farklı noktalardan kalana eklenebilir. zamanlarda uygulanan eşik altı aynı zamanda uygulanan eşik uyarı (EPSP-IPSP)ların altı uyarı(EPSP-IPSP)ların Toplamları (Sumasyon, summation) eşik toplanmasıyla AP oluşabilir. toplanmasıyla AP oluşabilir. potansiyele ulaşarak AP’yi tetikleyebilir. Zamansal toplama Çevresel Uzaysal toplama Merkezi Sinir Sinir Sisteminde görülür. Sisteminde görülür. Uzaysal ve Zamansal Toplama Zamansal Toplama Uzaysal Toplama arasındaki fark nedir? 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. Uyarılabilir bir hücre veya dokunun, şiddeti ağır ağır artan bir uyaran karşısında eşiğini yükseltmesine uyum (accomodation) denir  Repolarizasyonu izleyerek zar potansiyeli dinlenim zar potansiyelinin üstünde veya altında kalabilir buna ‘Ard Potansiyel’ denir. Depolarize Edici Ard Potansiyel: Dinlenime göre Pozitif Ard Potansiyel Hiperpolarize Edici Ard Potansiyel: Dinlenime göre Negatif Ard Potansiyel Bir hücrenin uyarılabilirliği depolarize edici ard potansiyele sahip iken artmakta, hiperpolarize ard potansiyele sahip iken azalmaktadır. Mutlak Rekraktar Dönem: Depolarizasyon + Repolarizasyonun ilk 2/3'lük kısmıdır. Mutlak refraktar dönemde hücre kesinlikle uyarılamaz. Bağıl Refraktar Dönem: Repolarizasyonun son 1/3'lük kısmıdır. Bağıl refraktar dönemde hücre yüksek eşik değerde uyarılabilir. Uyaran, uyartı (excitation) olayını, 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: 1) pasif zar modeli ve kablo teorisi, 2) aktif zar modeli ve Hodgkin-Huxley kuramı. Pasif Zar Modeli ve Kablo Teorisi Pasif kanallardan Sinir lifleri zarlarının yüksek dirençleri ile, iyon geçişlerine birer kablo gibidir. Kablo kuramında zar karşılık iyonik pasif olarak ele alınır. akım Bu teoride hücre zarının direnç, sığa gibi elektriksel özelliklerinin zar potansiyeli ile değişmediği varsayılmaktadır. Zardan geçirilmeye çalışılan akım. Kuşkusuz zardan geçtiğini düşündüğümüz akım nedeni ile zar potansiyelinde de değişmeler olur. Kondansatörün dolup boşalması şeklinde geçen kapasitif akım; bağıntısından da anlaşılacağı gibi, ancak kondansatörün kutupları arasındaki potansiyel farkının değişmesi süresince geçer. 2-Eşdeğer devre yalnızca direnç 3-yalnızca kapasitif elemanla temsil eleman ile temsil edilebilse idi zar edilebilseydi (b) eğrisini izleyecek potansiyelinin değişimi şekildeki iken (a-sabit) eğrisini, 4-ikisinin birlikte varlığında (c) eğrisini izlemektedir. Akım uygulandıktan 1-Membrana şekilde görülen sonra potansiyelin zamanla dikdörtgen biçimli bir akım pulsu değişimi, verildiğini düşünelim. 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 Liflerde Saltatorik İletim Miyelinli kesimler, sığaları düşük, depolayabilecekleri yük miktarı daha az olacağından, kısa sürede depolarize olurlar. Bu nedenle bir Ranvier boğumundan kaynaklanan akım çizgilerinin çoğu bir sonraki Ranvier boğumundan geçerler ve bu yörede zar sığasını depolarize etmeye çalışırlar. Akımlar miyelinli kesimlerde zaman harcamadağından, depolarizasyon dalgası bir Ranvier boğumundan bir sonrakine sıçramalı olarak iletilir. Saltatorik iletim olarak adlandırılan builetim biçimi hem hızlı, hem de enerjetik açıdan daha ekonomiktir Aktif Zar Modeli ve Aksiyon Potansiyeli Aksiyon potansiyeli hakkında yapılan çalışmaların çoğunda bir cins mürrekkep balığının (squid) kalınlığı 1 mm ye kadar ulaşan dev aksonu kullanılmıştır. Bu dev akson üzerinde yapılan ilk deneylerden, aksiyon potansiyeli sırasında zar iletkenliğinin arttığı, dış ortamda Na+ konsantrasyonu azaltılırsa aksiyon potansiyeli genliğinin azaldığı saptanmıştır. Bu ve benzeri deneylerin yorumlanması için potansiyele bağımlı olarak açılıp kapanan kanallar düşüncesine götüren bir hipotez ileri sürülmüştür Bu değerler ve konsantrasyonlar Goldman-Hodgkin- Katz denkleminde yerine konulduğunda, dinlenim zar Dinlenim durumunda dev akson zarının üç iyona karşı potansiyeli -53 mV dolaylarında bulunur. Dinlenim zar geçirgenlik (veya iletkenlik) oranları aşağıdaki gibi potansiyelinin potasyumun denge potansiyeli yakınlarında belirlenmiştir. olduğu anlaşılmaktadır. Aksiyon potansiyelinin yükselme evresinde aynı zarın üç iyona karşı geçirgenlik oranları için ise aşağıdaki gibidir. Geçirgenliklerin bu değerleri denklemde yerine konulduğunda zar potansiyeli için E≈ +42 mVbulunur ki bu da Na+ denge potansiyeline oldukça yakındır. Aksiyon potansiyelinin yükselme (depolarizasyon) evresinde zar potansiyeli Na+ denge potansiyeline doğru değişmektedir. Repolarizasyon evresinde zar potansiyelinin tekrar K+ denge potansiyeline yaklaşması ise bu evrede zarın sodyuma geçirgenliğinin azalıp potasyuma geçirgenliğinin artması ile mümkün görünmektedir. Potansiyellerin, iletkenlik veya geçirgenliklerin bu değişimleri, zarda iyonların geçişleri için her zaman açık olan pasif kanallar yanında, belirli koşullarda açılıp kapanan aktif kanallar düşüncesini zorunlu kılmıştır. Voltaj Bağımlı Aktif Kanallar Düşüncesi ve Aksiyon Potansiyeli Zarda herhangi bir nedenle bir depolarizasyon gelişirse öncelikle sodyuma iletkenliğin aniden arttığını (bugünkü anlayışımızla, potansiyel bağımlı Na kanallarının açılmaya başladığını) göstermektedir. Bu sürece Na kanallarının aktivasyonu denir. Açılan kanallardan Na+ girişi zarın daha fazla depolarizasyonuna, bu durum 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 iyice yaklaştırır. Aksiyon potansiyeli tepe noktasına ulaşınca Na kanalları Zarın depolarizasyon hızı, sodyum giriş akımı ile kendiliğinden kapanmaya başlamaktadır ki bu sürece doğru, zar sığası ile ters orantılı bulunmaktadır. inaktivasyon denir. 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. Aktif Zar için Elektriksel Eşdeğer Devre Bir hücre zarının sığası iletim sırasında % 2 den daha az değişikliğe uğramaktadır ve değişmiyor kabul edilebilir. Zarın elektriksel direnci ise iletim sırasında 100 kattan fazla değişime uğradığına göre, zarın elektriksel eşdeğer devresi aktif direnç (potansiyele bağımlı olarak değeri değişen) elemanları içermelidir. Aktif elektriksel eşdeğer devre kararlı durum için çözüldüğünde, zar potansiyeli aşağıda verilen denklem ile bulunmaktadır. Voltaj Kenetleme Tekniği Aksiyon potansiyeli gözleminde zarı uyarmak için belirli bir akım uygulanırken, zarın yanıtı olan zar potansiyeli değişimleri gözlenir. Voltaj kenetleme tekniğinde ise zar potansiyeli aniden bir değere getirilip sabit tutulurken, yanıt olarak zardan geçen akımın değişimleri gözlenmiştir. Sodyum ve Potasyum Akımlarının Ayrılması İyonik akımı bileşenlerine ayırmak için günümüzde kanalları bloke eden maddeler kullanılmaktadır. Sodyum kanallarını bloke eden ajanlar tetrodotoxin (TTX) ve saxitoxin (STX). Potasyum kanalları içi ise 4-aminopyridine ve tetraetilamonyum kullanılır. Hodgkın-Huxley Aksiyon Potansiyeli Denklemi Bir Na kanalı, depolarizasyon sonucu açılıp aktivasyonu Sodyum ve potasyum iletkenliklerinin voltaj sağlayan, hızlı davranışlı üç adet m-kapısı ve yine kenetleme deneyleri ile belirlenen potansiyel depolarizasyon sonucu kapanarak inaktivasyonu ve zaman bağımlılığını açıklamak için, Hodgkin sağlayan, yavaş davranışlı bir adet h-kapısı tarafından ve Huxley kinetik bir model geliştirmişlerdir. kontrol edilmektedir. Her bir kanalın geçirgenliği, bugünkü anlayışımıza göre, seri çalışan dört kapı ile Herhangi bir m kapısının açık olma olasılığı m, h kapısının kontrol edilmektedir. açık olma olasılığı h ise, herhangi bir anda açık olan Na kanallarının sayısı m³h ile orantılı olur. K kanalı da yavaş davranışlı dört adet n-kapısı ile kontrol edilmektedir. Herhangi bir anda açık bulunan K kanallarının sayısı da n4 ile orantılı olur. Bütün sodyum ve potasyum kanallarının açık olmalarına karşılık iyonik akımlar aşağıdaki şekilde yazılır. Na kanalı Uyarılabilirlik ve İletim Hızına Etkili Faktörler Uyarılabilirlikler iyon konsantrasyonlarından etkilenir. İki değerlikli Ca2+ ve Mg2+ iyonları uyarılabilir zarların eşiklerini önemli ölçüde değiştirirler. Dış ortamda [Ca2+] konsantrasyonu azalırsa zar potansiyelinde sinüzoidal dalgalanmalar gözlenmekte, daha da azaldığında yüksek frekansta kendiliğinden aksiyon potansiyelleri oluşmaktadır. Dış ortamdaki [Ca2+] yükseldiğinde ise, tersine zar stabilize olmakta, eşik potansiyel yükselmektedir. Ancak dinlenim zar potansiyelinin Ca2+ değişikliğinden pek fazla etkilenmediği gösterilmiştir. Kalsiyum kadar etkili olmamakla birlikte, magnezyum da eşik değeri aynı şekilde değiştirmektedir (sinaptik iletimde kalsiyum ve magnezyum ters etkilere sahiplerdir). Genel olarak uyarılabilirliği (excitability) yüksek olan liflerin iletim hızı da büyüktür. Birim yüzey başına zar sığası Cm küçüldükçe hız artmaktadır. Miyelin tabakası sığayı küçülttüğünden iletim hızını artırıcı rol oynar. Akson yarıçapı arttıkça iletim hızı da artmaktadır. Miyelinsiz liflerde iletim hızı yarıçapın yaklaşık olarak kare kökü ile, miyelinli liflerde ise yarıçapla doğru orantılı bulunmaktadır. Örneğin miyelinli bir grup lif (A tipi) için iletim hızı, yaklaşık olarak v = 6.10^6. a (m/s) bağıntısına uyar. Sodyum iletkenliği büyüdükçe, yani birim yüzeydeki sodyum kanalları sayısı çoğaldıkça iletim hızı artmaktadır İletim hızı sıcaklıkla artmaktadır Aksiyon Potansiyeli ve Aktif Na-K Pompası Aktif Na-K pompası aksiyon potansiyeli oluşumunda ve iletiminde doğrudan rol almamaktadır. Pompanın temel işlevi zarı iletime hazır durumda tutmaya yöneliktir. Na ve K iyonlarI kanallardan serbest enerjinin azaldığı yönde (yokuş aşağı), aktif pompa ile ise serbest enerjinin arttığı yönde (yokuş yukarı) taşınırlar Enerji kaynağı, kanallardan geçiş için önceden var olan elektrokimyasal gradyent, pompa için ise ATP dir. Belirli konsantrasyonlarda tetrodotoksin (TTX) Na kanallarını, tetraetilamonyum (TEA) ise K kanallarını bloke ederlerken, bunların pompa üzerinde etkisi gözlenmemiştir. Ouabain ise pompayı durdururken kanal geçişlerinde etkisizdir. Dış ortamdaki [Ca2+] artması eşiği yükseltirken pompa üzerinde etkisizdir. Çeşitli zarlarda birim yüzeydeki Na kanalı sayısı 70-500 1/μm² olarak belirle nirken, aktif pompa sayısı 4 000 1/μm² dolayında bulunmaktadır. İyon Kanallarının Genel Özellikleri ve Kanalların Sınıflandırılması İyon kanalları hücre zarlarının fosfolipit çift tabakasına gömülü içsel veya integral proteinlerdir. Kanal proteininin hidrofobik yan kesimleri zarın fosfolipit molekülleri ile temasta bulunabilmekte, orta kısımda kalan hidrofilik kesimleri ise içi su dolu bir gözeneği andırmaktadır İyon kanalları farklı ölçütlere göre sınıflandırılabilir. En basit bir ölçüte göre, iyon kanalları; İyon kanallarının en karakteristik fiziksel özelliği kanalın elektriksel direnci (resistance) veya iletkenliğidir (conductance). Kapısız (pasif) ve kapılı (aktif) iyon kanalları olarak ikiye ayrılabilmektedir İyon kanalları mutlak olmasa bile seçici geçirgendir. Bir cins iyona karşı geçirgen olan bir kanal başka iyonlara geçirgen olmayabilir. Kapılanma Tiplerine Göre İyon Kanalları Voltaj Bağımlı (Voltaj kapılı) Kanallar Voltaj bağımlı kanallar zardaki potansiyel değişikliğine bağlı olarak açılıp kapanabilirler. - 40 mV'un altında hemen hemen tüm voltaj kapılı kanallar kapalıdır. Pozitif potansiyellerde ise hemen hemen tüm voltaj kapılı iyon kanalları açıktır. Sinir hücresi, kas hücresi, kalp kası hücresi gibi uyarılabilir hücrelerde aksiyon potansiyeli oluşumu ve yayılmasında rol alan Na+, K+, Ca²+ kanalları voltaj bağımlı veya voltaj kapılı kanallar adlandırılır. Voltaj bağımlı iyon kanallarını oluşturan proteinlerin kapılarında yüklü bölgeler vardır. Bu yüklü gruplar zardaki potansiyel farktaki değişimlere bağlı olarak ortaya çıkan Elektrik Alan'dan etkilenirler ve büyük kuvvetlere maruz kalırlar. Zarın her iki tarafındaki potansiyel fark değişince bu yüklü bölgelere etkiyen kuvvetler (elektriksel kuvvet) de değişir. Böylece açık bir kanal kapanabilir yada kapalı bir kanal açılabilir. Voltaj kapılı kanalların açılıp kapanması yüklü ve dipolar Voltaj bağımlı kanallar bloke edildiğinde ve voltaj değiştirildiğinde yapıdaki voltaj sensörüne etkiyen elektriksel kuvvetle olur. zardan çok zayıf bir akım geçer. Voltaj kapılı iyon kanalları ohm yasasına uymazlar. Bu akıma ‘Kapı Akımı’ denir. Kapı akımı kapasitif akıma eşdeğerdir. İletkenlikleri ve dirençleri sabit değildir, uygulanan voltaja bağlı olarak değişirler. Kapı akımının nedeni zar içerisine gömülü yüklü bölgelerin yer değiştirmesidir. Pasif kanallar ise ohm yasasına uyarlar. Dirençleri voltaja Voltaj bağımlı iyon kanallarını birden fazla kapı kontrol edebilir. bağlı olarak değişmez. Voltaj bağımlı iyon kanallarında 4 alt birim yan yana gelerek kanal seçiciliği yüksek bir yapı meydana gelir. Voltaj bağımlı kanallarının her bir alt birimin zarı baştan sona 6 kez geçen sarmal kesimleri vardır. Ligand Bağımlı (Ligan kapılı) Kanallar Kanal proteinlerine bir veya birden fazla molekülün bağlanmasıyla açılıp kapanabilirler. Ligand bağımlı kanallar; 1) sinir-sinir 2) sinir-kas kavşaklarında sinaptik iletimde rol alırlar. Tat ve koku reseptör hücrelerinde bulunan bazı iyon kanalları da ligand bağımlıdır. Ligand bağımlı kanalların por genişlikleri voltaj bağımlı kanalların por genişliklerinden büyüktür. Bu yüzden ligand bağımlı kanalların seçicilikleri düşüktür Ligand bağımlı iyon kanallarında 5 alt birim yan yana gelerek çapı voltaj bağımlı kanallara göre daha geniş seçiciliği ise pek iyi olmayan ligand bağımlı bir iyon kanalı meydana getirirler. Ligand bağımlı kanallarda her bir alt birimin zarı baştan sona 4 kez geçen sarmal kesimleri vardır. Mekanik Etkilere Bağımlı Kanallar Bazı kanallar gerilme ve basınç gibi mekanik etkilerle açılıp kapanabilirler. Örneğin, iç kulakta koklear kanal içinde bulunan tüy hücrelerinde mekanik etki ile açılan K+ kanalları vardır. Tüy hücreleri 1-2 derece yer değiştirdiğinde mekanik kapılı K+ kanalları açılır. Benzer şekilde dokunma duyusundaki kanallar mekanik etkilere bağımlı kanallardır. G-Protein ile Kontrol Edilen Kapılar G Proteinler ürettikleri ikinci mesajcılarla iyon kanallarına etkili oldukları gibi voltaj bağımlı kanallara da doğrudan etkili olarak açılma olasılıklarını değişitirebilmektedirler. Örneğin kalp hücrelerinde G proteinler voltaj bağımlı kalsiyum kanallarına doğrudan bağlanarak açılma olasılıklarını artırırken voltaj bağımlı sodyum kanallarına etkileyerek açılma olasılıklarını azaltmaktadır.  Patch Clamb Yöntemi Patch (yama) clamb yönteminde, voltaj clamb yönteminden farklı olarak tek bir kanaldan geçen akım gözlenir. Patch clamb da akım kaydı mikropipetler ile yapılır. Bir çözeltide hangi tip iyonlar var ise bunlardan birinin metal hali elektrot olarak tercih edilir-ve-tersinir elektrot olarak adlandırılır. Vücutta bol bulunan Na, K, Ca, Cl vb lyonların ne yazık ki metal hali yoktur. Ancak AgCl tabakası oluşturulur ve bu tabaka klor iyonları içeren biyolojik materyal için tersinir bir elektrot olarak davranır. Sulu ortamda K ve Cl iyonlarının difüzyon katsayıları ve elektriksel mobiliteleri birbirine yakın olduğu için mikropipetler içine KCl çözeltisi konması daima tercih edilir. Sealing Patch clamb yönteminin en önemli bir noktasıdır pipet ağzının zar parçasının yüzeyine çok sıkı bir şekilde yapıştırılabilmesidir. Zar ile pipetin değişik bitişme şekilleri vardır. İşlemlerin başlangıç noktasını pipet ağzının hafifçe emilerek pipet ucunun hücreye sıkı bir şekilde yapışması oluşturur (tight seal, giga seal). Bu durum, hücreye birleşik (cell attached) veya hücre üzerinde (on cell) olarak adlandırılır. Hücreye birleşik durumdan başlayarak, mikropipete bir çekme işlemi uygulanarak pipet ağzında kalan zar parçası hücrenin geri kalan kesimlerinden kopartılıp ayrılabilir. Pipet ağzına düşen zar parçasında bir veya birkaç kanal kalmış iken zarın geri kalan kesimi hidrofobik etkileşmelerle hücrenin bütünlüğünü koruyacak şekilde yine kapanır. Pipet ağzında kalan zar parçası içinde bulunan kanalların normal hücrede sitoplazmaya bakan kesimleri şimdi pipetin dışında, banyo çözeltisi ile temasta kalmıştır. Bu nedenle bu duruma içi-dışarda (inside-out) adı verilmiştir. Hücreye birleşik durumda iken pipet içinden şiddetli bir emme ile pipet ucundaki zar parçası kopartılabilmekte, mikropipet içi sıvı hücre içi sıvı ile doğrudan temas etmektedir. Bu durumda bir voltaj kenetlemesi tüm hücreye uygulanabilmekte, pipetten geçen akım, bütün hücreye ait kanallardan geçerek hücredışı ortamda devresini tamamlamaktadır. Bu durum tüm hücre (whole cell) olarak adlandırılır. Tüm hücre durumunda iken pipet aniden çekilince zar pipet ağzında kalan bir parça ile geri kalan kesimi olmak üzere iki parçaya ayrılmakta, hidrofobik etkileşmeler le iki parça da kendini onarmaktadır. Mikropipet ağzına denk gelen zar parçasının kendini onarması sonucu, normal hücre zarının dış kısmı mikropipetin dış kısmında konumlandığından bu duruma dışı-dışarda (outside out) adı verilmektedir. Dışı-dışardada düzenlemesi hücre dışından kanallara etkili maddelerin etkilerinin incelenmesinde önemli bir yol olmaktadır. Voltaj Bağımlı Kanallar ve İşlevleri Voltaj Bağımlı Na Kanalı Sinir ve kas gibi uyarılabilir dokularda bilgi iletiminde birinci rolü voltaj kapılı Na kanalları oynamaktadır. Moleküler biyolojik yöntemler bir sodyum kanalının ana yapısını 2000 dolayında amino asit içeren tek bir proteinin oluşturduğunu göstermektedir. Bu protein, her bir bölgesi zarı 6 kez geçen kesime sahip 4 bölgeden oluşmaktadır  P ile gösterilen küçük ilmiklerin Her bölgenin 4 ile gösterilen ve şekilde kırmızı renkli hidrofilik özelliğe sahip olup kanalın gösterilmiş kesimlerinin arjinin ve lizin gibi fizyolojik hidrofilik özellikte ve su ile temastaki iç pH koşullarında pozitif yüklü amino asit bölgesini oluşturur rezidülerinden oluştuğu, bu kesimlerin voltajdan etkilenip yerdeğiştirerek kanalın açık veya kapalı olmasını belirlediği anlaşılmıştır Sodyum kanallarının Hodgkin ve Huxley'in adlandırması ile aktivasyon kapısı veya m kapısı ile inaktivasyon kapısı veya h kapısı olarak adlandırılan kapıları vardır. 1) Dinlenim durumunda m aktivasyon kapısı kapalı, h inaktivasyon kapısı açıktır, sonuçta kanal kapalıdır ve iyonları geçirmemektedir. 2) Uyarılmayı izleyerek m aktivasyon kapısı açılır, kanal açık duruma geçer, sodyum iyonları hücre içine girmeye başlar, depolarizasyona katkı sağlarlar. Kanalın bu durumu, yani kanalın açık olması ancak 1 ms kadar surer. 3) Inaktivasyon kapısı h kendiliğinden kapanır ve içeri sodyum girişi durur. İnaktif durum Voltaj Bağımlı Kalsiyum Kanalları Voltaj bağımlı kalsiyum kanallarının ana iskeleti sodyum kanalları gibi 4 bölmeli, zarı 24 kez bir yandan diğer yana geçen sarmal kesimleri içeren tek bir protein molekünden oluşur. Bu ana proteine yardımcı olarak kanalın yapısında bir de b alt birimi olarak adlandırılan protein bulunur. Voltaj bağımlı kalsiyum kanallarının farklı hücrelerde farklı işlevleri olabilmektedir. Sinirden sinire, veya sinirden kasa bilgi aktarımı sırasında sinir son ucunda bulunan voltaj bağımlı kalsiyum kanallarının önemli işlevleri vardır. Bu kanallardan içeri Ca²+ girişi sonrası veziküllerden nörotransmitter salınmasını ve sinaptik iletimi gerçekleşir. Kalp hücrelerinin çoğunda aksiyon potansiyelinin oluşumu sodyum yerine kalsiyum kanallarının açılması ile başlar Depolarizasyon evresinde sodyum kanallarının rol aldığı sinir ve iskelek tası hücrlerinde aksiyon potansiyeli birkaç ms içinde tamamlanırken depolarizasyon evresindekalsiyum kanallarının da rol aldığı kalp hücrelerinde bir aksiyon potansiyeli 0,2-0,5 s arasında sürmektedir Düz kaslarda, kalpte pacemaker hücrelerinde, embriyonik kas ve sinirlerde Na kanalları çok az bulunur veya hiç bulunmaz. Bunun yerine Hodgkin çevrimine benzer bir çevrimi Ca kanalları başarmaktadır. Genel olarak Na kanalları çok kısa süreli ve hızlı yükselen aksiyon potansiyelleri verirken, Ca kanalları uzun süren ve yavaş yanıtlar verirler. Hücre içi düzeyinin kalsiyum düzeyinin ([Ca]) birçok biyolojik etkisinin olduğu bilinmektedir. Bunların başında kasılma, nörotransmitter salınması ve bazı Ca, K ve Cl kanal kapılarının etkilenmesi gelir. Kalsiyum kanal tipleri arasındaki en önemli farklılık depolarizasyona duyarlıklarıdır. T-tipi Ca kanalı Düşük voltajla aktive olan, hızlıca voltaj bağımlı inaktivasyon vermektedirler. İletkenliklerinin küçük (tiny) ve geçici (transient) akım verirler. L-tipi Ca kanalı Yüksek voltajla aktive olan (high-voltage activated, HVA) olarak adlandırılan diğer bir gruptaki Ca kanalları ise inaktivasyon göstermedikleri kabul edilir. Büyük (large) iletkenlikleri ve uzun süreli (long lasting) akım verirler Voltaj Bağımlı Potasyum Kanalları Voltaj bağımlı iyon kanalları arasında en bol çeşidi olan potasyum kanallarıdır. Aksonlarda aksiyon potansiyelinin repolarizasyon evresinde rol alan tek tipte K kanalı vardır. Aksonlardaki K kanalları bir potansiyel değişikliğinden sonra gecikerek açıldıkları için gecikmiş doğrultucu (delayed rectifier) kanal olarak anılırlar. Kalp kasında ise en az üç ayrı türden K kanalının varlığı kabul edilmektedir. Değişik tipteki K kanalları farklı hücrelerde pacemaker potansiyellerinin, hücre uyarılabilirliğinin düzenlenmesinde, kendiliğinden aksiyon potansiyelleri trenleri oluşmasında rol alırlar Aksonlarda en iyi bilinen K kanalları gecikmiş doğrultucu (delayed rectifier) olarak adlandırılır ve bu kanallardan geçen akımlar Ik şeklinde gösterilir. Doğrultucu deyimi, bir yöndeki akıma direncin çok küçük iken diğer yöndeki akıma büyük olduğunu anlatır. Bunlardan başka, bir yönlü açılan bir kapak veya bir diyot gibi çalışan, ancak anormal olarak zar hiperpolarize olduğunda açılan, depolarize olduğunda kapanan, içeri doğrultucu (Kir, inward rectifier) olarak adlandırılan zar potansiyelinin eşik altı bölgelerinde geçici (transient) olarak potasyum kanalları da vardır. aktive olan ve hızlı inaktive olan K kanalları vardır ki bunlara genellikle Ka kanalları, bu kanallardan dışarı akımlara da Ia Butür kanalların değişik alt tipleri ile iskelet kasında ve akımları adı verilir. kalp kasında karşılaşılmaktadır. Anormal doğrultucu (Ik1) adı da verilen bu tip kanalların temel işlevleri de zar Geçici dışarı (transient outward) adı da verilen bu kanallardan potansiyelini stabilize etmeye yöneliktir. geçen akım ito şeklinde de gösterilebilmektedir. Bu tür kanallar, zar bir hiperpolarizasyonu izleyerek depolarize olduğunda aktive olmaktadırlar İyon Kanallarının Seçicilikleri İyon kanallarının seçicilikleri (selectivity) oldukça yüksek ancak mutlak değildir. Bir cins iyon kanalı, göreceli olarak seçicilikleri çok farklı da olsa birçok farklı türden iyonu geçirebilmektedir. Sodyum kanallarının sodyum iyonu ile lityum iyonlarını, hidroksilamin iyonlarını ayırt edemediği anlaşılmaktadır. Bu nedenle hücre dışı ortamda Na* yerine Li* iyonlarının bulunması halinde bir sinir veya kas hücresi aksiyon potansiyeli iletebilmektedir. Ancak aktif Na-K pompası Nat ve Li +iyonlarını ayırt edebildiği için giren Li* iyonları içerde birikmekte, bir süre sonra hücre aksiyon potansiyeli iletemez duruma düşmektedir. Potasyum kanalları da, yine rubidyum ve talyum iyonlarını potasyum iyonlarından ayıramamaktadır. Hatta potasyum kanalları talyum iyonlarını potasyum iyonlarından çok daha iyi geçirmektedir. 1)Biyofizik, Prof.Dr. Ferit Pehlivan, Pelikan Kitapevi,2015, Ankara. 2)Biyofizik, Prof.Dr. Gürbüz Çelebi, Barış Yayınları, 2005, İzmir. 3)Biyomedikal Fizik, Prof. Dr. Gürbüz Çelebi, Barış Yayınları,2008, İzmir.