Hücre Zarı İçin Elektriksel Eşdeğer Devre Modeli PDF

Membran ve Hücrenin Elektriksel Özellikleri Doç. Dr. Çağdaş Güdücü DEÜ Tıp Fakültesi Biyofizik AD. 1 SİNİR HÜCRESİ MODELİ 2  Aksiyon Hücrenin potansiyeli başlıca elektriksel özellikleri Membran dinlenim pota...

Membran ve Hücrenin Elektriksel Özellikleri Doç. Dr. Çağdaş Güdücü DEÜ Tıp Fakültesi Biyofizik AD. 1 SİNİR HÜCRESİ MODELİ 2  Aksiyon Hücrenin potansiyeli başlıca elektriksel özellikleri Membran dinlenim potansiyeli 3 DİNLENİM POTANSİYELİ Hücre zarının içi ve dışı arasında birbirinden farklı iyonların bulunması bir elektriksel potansiyel yaratır. Hücrede hiçbir aktivasyon olmadığı durumdaki elektriksel potansiyeline dinlenim potansiyeli denir (-70 mV). Dinlenim durumunda iyonlar dengesiz dağılım gösterir  İyon akışı, konsantrasyon farkı ve elektriksel potansiyel gradyanı oluşur. 4  Hücre dışında Na+, Cl- iyonları daha PASİF TAŞIMA  Kimyasal gradyen/Elektriksel yoğundur; bu yüzden hücre içine girmek ister. gradyen Hücre içinde K+ iyonları daha yoğundur; bu yüzden hücre dışına çıkmak ister. Her iyon için dengeye ulaştığında bir voltaj farkı Na+: Kimyasal gradyen + elektriksel oluşur. gradyen  aynı yönde K+: Elektriksel gradyen içeriye, kimyasal gradyen dışarıya doğru. Denge durumunda net iyon giriş çıkışı olmaz.. Denge var; ancak konsantrasyonlar eşit değil ise iyonun memrandaki voltaj farkı: Nernst denklemi 5  NK: pasif K + kanallarının sayısı γK: tek bir K + kanalının iletkenliği İyon kapıları Akım kaynağı İyon geçişi için iki koşul gerekir: 1.İyon üzerinde itici bir güç olmalı… 2.Zarda iyon için iletkenlik artmalı… Yani iyon kanallarının sayısı artmalı.. 6  K  Voltaj kaynağı Hücre zarındaki K iyonuyla oluşan denge potansiyeli Nernst eşitliği ile hesaplanır: E: Herhangi bir iyonun hücre potansiyeli R: gaz sabiti T: Kelvin cinsinden mutlak sıcaklık F: Faraday Z: iyon değeri Iono : Hücre dışı konsantrasyon Ioni : Hücre içi konsantrasyon 7  Ex= Belirli bir iyon için denge potansiyeli mV 2.3RT/F = Sabit (37oC için 60 mV) C(iç) = Hücre içi iyon konsantrasyonu (mmol/L) C(dış) = Hücre dışı iyon konsantrasyonu (mmol/L) R: gaz sabiti, T:Mutlak sıcaklık, F:Faraday Nernst sabiti, 2,3 Ln, Log10 dönüşümü Denklemi ENa+= +65 mV EK+ = -95 mV ECl-= -90 mV 8  + veya - Yük değerliği taşıyan, ve konsantrasyonları hücre içi ve dışında eşit olmayan bütün iyonların birlikte oluşturduğu, DİNLENİM MEMBRAN POTANSİYELİ Membranın iki tarafı arasındaki voltaj farkıdır. 9 Goldman-Hodgkin-Katz Denklemi V = Em : Zar potansiyeli Pi : Zarın i iyonu için geçirgenliği ECl = -90 mV PK : PNa : PCl ≈ 1 : 0,04 : 0,45 EK = -95 mV ENa = + 65 mV DİNLENİM MEMBRAN POTANSİYELİ Sinir hücrelerindeki dinleme potansiyelinin değeri K+ , Na+ ve Cl- iyon kanallarının dinlenme potansiyeli ile belirlenir. Hücre potansiyeli, iletkenlik değerinin en yüksek olduğu, K+ ve Cl- iyonların denge potansiyeline (Nernst) yakın değerdedir. Çünkü dinlenim durumunda bu iyonlara geçirgenlik fazladır. 11  Na-K ATPaz Pompası 3 Na+ iyonu hücrenin dışına ATP 2 K+ iyonu hücrenin içine Na-K ATPaz dinlenim potansiyeline her seferde bir + iyon azalması ile küçük bir katkı sağlar. ** İkinci ve daha önemli katkı ise, K+ gradyanını korumasıyla olur. K+ konsantrasyonunu bu seviyede tutarak K+ difüzyon potansiyelini korur, zar potansiyeli de K+ a uygun kalır. Na+ konsantrasyon gradyanı başka bir işe de yarıyor olabilir mi? 12 AKSİYON POTANSİYELİ “Voltaj kapılı iyon kanalları” Sinir ve iskelet kası ve kalp kası hücreleri  Hücre içine (EK ! ) net pozitif akım  Hipopolarizasyon/Depolarizasyon Hipopolarizasyon eşik voltaj seviyesine geldiğinde Na+ kapıları açılır  Eşik Potansiyel  büyük Depolarizasyon 13 Aksiyon Potansiyeli Depolarizasyon V_Na+ Kanalları açılır ve iyonları girer (Na aktivasyon kapıları) (Na inaktivasyon kapıları) Depolarizasyondan sonra V_K+ iyon kapıları açılır ve K hücre dışına akar. Hücre içi voltaj denge haline geri döner  Repolarizasyon Hiperpolarizasyon 14 Aksiyon potansiyelinin üç temel özelliği Şekil ve büyüklüğü basmakalıptır. Bütün AP’leri birbirinin tıpa tıp aynısıdır. Hücre zarında bir yerde ortaya çıkan AP zar boyunca yayılır. (Yan tarafta yükselen depolarizasyon değeri komşu kanalların etrafında da eşik voltajı aşar) Ya hep ya hiç. Hücre voltajı eşik değere kadar depolarize olursa AP doğar. Depolarizasyonun büyüklüğü eşik değere ulaşmazsa AP doğmaz. 15 Aksiyon potansiyeli nasıl yayılır? 16  Sinir hücrelerinde aksiyon potansiyeli iletimi Çap Hız Lif tipi Akson çapı İleti hızı 80-120 m/s I Aα miyelinli 12-20 μm II 35-75 m/s Aβ miyelinli 6-12 μm 5-30 m/s II Aδ miyelinli 1-6 μm IV C miyelinsiz < 1 μm 0.5-2 m/s Aksiyon potansiyeli oluşum basamakları gerçekleşir. Aksiyon potansiyelinin koşu hızı miyelin bulunup bulunmamasına göre farklılık gösterir. Miyelinsiz  < 1 m/s Miyelinli (Ranvier boğumlarından atlar)  10-100 m/s Sinir hücresinin çapı da iletim hızında önemlidir. 17  Sinaptik potansiyeller Aksiyon potansiyeli presinaptik nöron boyunca yayılarak terminal düğümden bir transmitter maddenin salınmasına neden olur. Duysal sinirlere uygulanan tek bir uyarı postsinaptik nöronda ilerleyici bir aksiyon potansiyelinin oluşumuna neden olmaz. Bunun yerine bu uyarı, ya geçici kısmi bir depolarizasyona (EPSP) ya da geçici bir hiperpolarizasyona (IPSP) yol açar. 18  Nörotransmiter yokken postsinaptik zarda iyon kanalı kapalıdır. Nörotransmiter kanalın dış bölgesinde bulunan özel bölgelere yapıştığında kanal açılır. Eğer açılan kanallar sodyum geçirgen kanallar ise postsinaptik bölge depolarize olur. Bu depolarizasyon zar potansiyelini eşik değerine kadar çekerse aksiyon potansiyeli oluşmasına sebep olur. Aksiyon potansiyeline sebep olduğu için bu etkiye eksitatör (uyarıcı) etki denir. Presinaptik bölgenin postsinaptik bölge üzerinde meydana getirdiği bu aksiyon potansiyeline de eksitator postsinaptik potansiyel (EPSP) denir. 19  Eğer bu kanal sodyum değil de klorür geçirgen bir kanalsa, kanallardan geçen klorürler zar potansiyelinin daha negatif olmasına sebep olurlar, bu ektiye de inhibitör (önleyici) etki denir. Presinaptik bölgenin postsinaptik bölge üzerinde meydana getirdiği bu depolarizasyona inhibitör postsinaptik potansiyel (IPSP) denir. 20 Sinaptik Ekleme (summasyon) Eksitator sinapslardan herhangi birinin (E1 veya E2) tek başına aktif olması EPSP’nin eşik değerini geçmesi için yeterli değildir (sarı çizgi), fakat ikisinin aynı anda aktif olması (E1 + E2) eşik değerinin aşılmasına ve aksiyon potansiyeli oluşmasını sağlar (mavi çizgi). Sadece inhibitör sinapsın aktif olması dinlenim potansiyelini daha da aşağı çeker (hiperpolarizasyon, kırmızı çizgi) ve IPSP oluşur. 21 Sinaptik Ekleme 4.sütunda  E1 ve I aktive olduğunda (kırmızı kesik çizgi) dinlenim potansiyelinin değeri turuncu kesik çizgi seviyesine iner. 5.sütun  E1 ve E2 aktive olduğunda eşik değerinin geçilmesine ve aksiyon potansiyeli oluşmasına sebep olur (sarı kesik çizgi), fakat inhibitör sinapsın aktifleşmesi (kırmızı kesik çizgi) bu E1 + E2 toplamını turuncu kesik çizgi seviyesine çekerek yine eşik değerinin altında kalmasına sebep olur ve aksiyon potansiyelini engeller. 22 EPSPlerin Birleştirilmesi Genelde iki tür ekleme vardır: Uzamsal (Spatial) Zamansal (Temporal) Uzamsal ekleme bir kaç dentritte eş zamanlı olarak gerçekleşen EPSPlerin toplanmasıdır. Zamansal ekleme de aynı sinaps tarafından peş peşe gerçekleştirilen hızlı EPSPlerin toplamıdır. 23 EPSPlerin Birleştirilmesi Birkaç EPSPnin toplamı da aksiyon potansiyelini oluşturmak için yeterli olmayabilir. Sinaptik birleşime giren akım dentritden somaya kadar inip akson konisindeki depolarizasyonu eşik değerine ulaştırması gerekir. Bundan dolayı eksitator sinapsın aksiyon potansiyeli oluşturma etkisi sinapsın akson konisinden (Hilux) olan uzaklığına ve dentrit zarının özelliğine de bağlıdır. 24 Ket Vurma (İnhibisyon) İnhibitör sinapslar genelde eksitator sinapslarla aynı iyon kanallarını kullanırlar. Aradaki temel fark ise kullandıkları nörotransmiterlerde (GABA ya da Glisin) ve geçirdikleri iyonlarda yatar. Çoğu inhibitör sinapsın transmiter-duyarlı kanalı sadece klorür geçirgendir. Kanallar açıldığında klorür iyonları içeri dolar ve membran potansiyelini - 65mv civarına çeker. 25  Ket Vurma (İnhibisyon) İnhibitör sinapslar somanın aksiyon potansiyeli oluşturma ihtimalini somanın dışında da düşürebilirler. bir dentrit üzerinde bulunan iki tane sinaps düşünürsek 1.nin eksitatör 2.nin de inhibitör olduğunu varsayalım. Eksitatör sinapsın aktivasyonu pozitif iyon akışına neden olur. Bu akış somaya doğru giden dentrit boyunca depolarizasyona sebep olur. Depolarizasyonun inhibitör sinapsın olduğu noktada eğer inhibitör sinaps aktif ise dentritten içeri klorür iyonları dolar ve depolarizasyon somaya girmeden yok olur. Bu olaya shunting inhibisyon denir. 26  İyon Kanalı http://jcb.rupress.org/content/jcb/206/2/151/F3.large.jpg Sınıflamaları Geçirdiği iyonlara göre: ○ Sodyum kanalı ○ Potasyum kanalı ○ Kalsiyum kanalı ○ Klor kanalı ○ Seçici olmayan katyon kanalı ○ … Seçici ama mutlak seçici değil Zamansal kontrole göre ○ Kapısız (pasif) ○ Kapılı (aktif) Voltaj bağımlı/kapılı Ligand bağımlı/kapılı Mekanik kapılı İçeriden kontrol edilen Voltaj Bağımlı/Kapılı İyon Kanalları Uyarılabilir hücrelerde aksiyon potansiyeli ○ Sinir hücresi ○ Kas hücresi ○ Kalp kası hücresi Na+, K+, Ca2+ İyonlaşmış amino asit yan grupları Zarın yüzeyleri arasındaki potansiyel fark Kimyasal engelleme ve kapı akımları ○ Tetrodotoksin (voltaj bağımlı sodyum kanalını kapatır) ○ Tetraetilamonyum (voltaj bağımlı potasyum kanalını kapatır) Bir iyon kanalında birbirinden farklı birden fazla kapı olabilir! ○ Örn. Voltaj kapılı sodyum kanalları https://78.media.tumblr.com/aeeff76d1fe07613e9af3133c 047e2fc/tumblr_o069a1CyZM1tpri36o1_400.gif Ligand Bağımlı/Kapılı İyon Kanalları Bir molekülün kanala bağlanması Tat ve koku molekülleri Nörotransmitterler Por çapı daha büyük Seçicilik daha az Nörotransmitterler Uyarıcı (eksitatör) Ketleyici (inhibitör)  Mekanik Kapılı İyon Kanalları Basınç Gerilme Titreşim İşitme Duyusu Almaçları (Reseptörleri) Dokunma Duyusu Almaçları Proprioseptif Duyular ○ Kas iğcikleri ○ Golgi organı https://s3-us-west-2.amazonaws.com/courses-images/wp-content/uploads/sites/1223/2017/02/07213411/Figure_36_01_01f-768x678.jpg https://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S0896627315007266-gr1_lrg.jpg İçeriden Kontrol Edilen İyon Kanallari G-proteini İkinci mesajcılar ve diğer moleküller http://droualb.faculty.mjc.edu/Course%20Materials/Physiology%20101/Chapter%2 0Notes/Fall%202007/figure_08_03_labeled.jpg  Kaynaklar: BİYOELEKTRİKSEL OLAYLAR, Fatma Latifoğlu, Gizem Yılmaz, Serpil Çeçen , Kemal S. Türker Erciyes Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Koç Üniversitesi Tıp Fakültesi, Marmara Üniversitesi, Pendik Eğitim ve Araştırma Hastanesi MEMBRAN POTANSİYELİ Bölüm 4 MEMBRAN BİYOFİZİĞİ, 139-147 Biyofizik, Ferit Pehlivan, Hacettepe T.A.Ş. https://www.academia.edu/22306285/ SİNİR_KAS_İLETİSİ_ÇİZGİLİ_KASDA_KASILMA 32 Teşekkürler 33  Hücre Zarı İçin Elektriksel Eşdeğer Devre Modeli İyonların elektriksel özelliğinden faydalanılarak modellenebilir. 34  Hücre Zarı İçin Elektriksel Eşdeğer Devre Modeli 3 Na iyonu hücrenin ATP dışına 2 K iyonu hücrenin içine 35 Pasif ve aktif akımın elektriksel eşdeğer devresi Akım elementleri  seçici geçirgen hücre zarı Kısa akım yolları  sitoplazma ve hücrelerarası sıvı ile sağlanır 36 Hücredeki her bir iyonun zamana bağlı olarak hücre zarı potansiyeli elektriksel eşdeğer akım devresi 37  Eşdeğer Devre Kullanılarak Hücre Zarı Dinlenme Potansiyelinin Hesaplanması 38 AKSİYON POTANSİYELİ NASIL OLUŞUR, NELER OLUR? Uyarı gelir (Başka hücreden aksiyon pot., fiziksel uyarı (hücre zarı gerilmesi), elektrik, lazer, kimyasal (asidite) Hipopolarizasyon  Eşik seviyesine gelir Na/K pompaları açılır  Depolarizasyon Dinlenme durumuna geri döner  Repolarizasyon 39  AKSİYON POTANSİYELİ NASIL İLETİLİR? 40  KALP KASINDA AKSİYON POTANSİYELİ Depolarizasyon  K kapıları yerine Ca kapıları açılır. Uzun süre Ca girişi olur ve bu olay depolarizasyonun 200 ms sürmesini sağlar (plato potansiyeli). 41 YA HEP YA HİÇ Uyarılar belli bir potansiyelin üzerinde çıkabildiği zaman aksiyon pot. oluşur. 42  Çizgili kas hücrelerinde aksiyon potansiyel iletimi İletim hızı sabit (3-5m/s) Membran dinlenim potansiyeli -80, -90 µV Her bir lifin ortalama iletim hızı (CV): CV = d/t formülünden hesaplanır Aksiyon potansiyelinin süresi 1-5ms Aksiyon potansiyel iletimi aşamalarından geçerek gerçekleşir. Aktif olarak dinlenme durumundaki zarda aksiyon potansiyeli yaratılır  aktif ileti 43 Düz kas ve kalp kasında aksiyon potansiyeli iletimi Aksiyon potansiyeli iletimi elektriksel yolla olur  hızlı Dinlenme durumundan sonra aksiyon potansiyeli sürekli oluşmaz (hücreler yakın bu yüzden iyonlar geçişi olur). 44  Elektriksel sinapslar Sinaps çeşitleri Kimyasal sinapslar 45  elektriksel sinapsların özellikleri İletileri doğrudan iletirler Bağlantı gap junction (yarık bağlantılar) adı verilen bölgede gerçekleşir. İletişim koneksin adı verilen özel protein grupları tarafından sağlanır. Altı koneksin birleşerek bir koneksonu oluşturur ve iki konekson üst üste gelerek bir protein kanalını oluştururlar. Böylece bu kanallardan iyon akışı sağlanarak iletişim sağlanmış olur. 46 Kimyasal sinaps Presinaptik ve postsinaptik bölge sinaptik aralık ile ayrılır (20-50nm.) Akson terminalinin olduğu bölge presinaptik bölgedir. Presinaptik bölgede içerisinde nörotransmitter bulunan 50 nm büyüklüğünde kesecikler vardır. Nörotransmiterler postsinaptik nöronla iletişimi gerçekleştiren kimyasallardır. Bu nörotransmiterler karşı taraftaki alıcılar (reseptörler) tarafından karşılanırlar. 47 Sinaps türleri Akso-somatik  Hücre gövdesi ile bağlantı kurulursa Akso-dentritik  Aksonlarla bağlantı kurulursa Akso-aksonik  Başka bir dendrit ile bağlantı kurulursa 48