3-Aksiyon Potansiyeli PDF

MUĞLA SITKI KOÇMAN ÜNİVERSİTESİ TIP FAKÜLTESİ BİYOFİZİK DERSİ 3-AKSİYON POTANSİYELİ Her hücre için dinlenim zar potansiyelinin karakteristik bir değeri vardır. Sinir ve kas hücreleri uygun bir uyaranla uyarıldıklarında zar potansiyelinde geçici bir değişme olur. Bir kritik değeri aşarsa, zar boyunca...

MUĞLA SITKI KOÇMAN ÜNİVERSİTESİ TIP FAKÜLTESİ BİYOFİZİK DERSİ 3-AKSİYON POTANSİYELİ Her hücre için dinlenim zar potansiyelinin karakteristik bir değeri vardır. Sinir ve kas hücreleri uygun bir uyaranla uyarıldıklarında zar potansiyelinde geçici bir değişme olur. Bir kritik değeri aşarsa, zar boyunca yayılabilen bu potansiyel değişiklikleri aracılığıyla organlar arasında hızlı bir bilgi iletimi sağlanmaktadır. Canlının iç ve dış ortamlarındaki her türlü değişiklik, özelleşmiş reseptör hücrelerinde elektriksel sinyallere dönüştürülerek sinirler yolu ile beyne iletilir, burada algılanır, yorumlanır ve saklanır. Beyinden kas, bez gibi uygulayıcı (efektör) organlara gönderilen emirler de yine sinir hücrelerinde potansiyel değişiklikleri şeklinde iletilir. Sinir ve kas hücre zarlarının dinlenim durumu, dış tarafı + iç tarafı – yüklü, ortasında lipid çift tabakasından kaynaklanan iyi bir yalıtkan bulunan, kutuplanmış bir kondansatöre benzer. Uygun bir uyaran etkisinde bu kondansatör boşalabilir, hatta çok kısa bir süre için ters kutuplanabilir (depolarizasyon). Zarın belirli bir bölgesinde 1 ms kadar süren bir potansiyel değişikliğinden sonra, zar bu bölgede dinlenim durumuna dönerken, potansiyel değişikliği zar boyunca yayılmasına devam eder. Lif boyunca iletilen informasyonun temel birimi olan bu potansiyel değişikliğine AKSİYON POTANSİYELİ (AP) denir. Zar potansiyelinin dinlenimden daha pozitif potansiyellere doğru her türlü değişim süreci depolarizasyon, dinlenim potansiyeline dönüş repolarizasyon, dinlenimden daha negatif potansiyellere doğru gidiş ise hiperpolarizasyon olarak adlandırılır. Uyarılabilir uyarılabilirler. hücreler çok değişik yollarla Isısal, kimyasal, mekanik, elektriksel etkiler aynı bir hücreyi uyarabilir, zarda aynı tür olayları başlatabilirler. Laboratuvarlarda yapay uyaranlardan elektriksel uyaranlar tercih edilir. Özel elektronik devrelerle elde edilen bu elektriksel uyaranları uygulama süresi, şiddeti, frekansı bakımından kolaylıkla ayarlamak, değiştirmek, dokuya zarar vermeden deneyleri istenildiği kadar yinelemek olanaklıdır. HEP YA DA HİÇ DAVRANIŞI Uyarılabilir hücrelerde AP’nin yayılma hızı, hücre cinsine göre, 1 ile 100 m/s arasında değişir. Miyelinli aksonlarda iletim hızı miyelinsizlere göre daha büyüktür. Ortasından uyarılan bir aksonda, AP’leri iki yönde de yayılabilir. - Faklı uyarılabilir hücrelerde, Dinlenim zar potansiyelinin hücreden hücreye -60 mV ile -95 mV arasında, AP tepe değerinin +20 mV ile +50 mV arasında, AP süresinin ise 0,5 ms ile 0,5 s arasında değişmektedir. Bir sinir uyartısı, sönümlenmeden ve biçim bozulmasına uğramadan bir akson boyunca sabit hızla iletilmektedir. Bu özellikleri anlatmak için sinir lifinin hep ya da hiç davranışına uyduğu söylenir. Yani bir sinir lifi ya iletim durumundadır ya da değildir. İletimde aksiyon potansiyeli karakteristik, aynı bir desende çıkar. lif için EŞİK UYARAN Yalıtılmış tek hücrelerde yapılan deneyler, uyaranın şiddeti eşik uyaran adı verilen bir değere ulaşmadıkça AP’nin oluşmadığını göstermektedir. Diğer yandan, elektriksel uyaran uygulanması halinde, akımın uygulama süresi (Δt) küçültülünce eşik akım şiddetinin (I eşik) yükselmektedir. Bu bilgilere göre, bir aksonu elektriksel yoldan uyarmak için minimum bir elektrik yükü gerektiği(ΔQ≈Ieşik. Δt) anlaşılmaktadır. Dikdörtgen biçimli akım pusları ile çalışırken eşik akım şiddetinin uygulama süresine göre değişimi aşağıdaki gibi bir hiperbol eğrisi vermektedir. Şiddet-süre eğrisi olarak adlandırılan bu eğri Bağıntısına uymaktadır. Öyle minimum bir akım şiddeti vardır ki bundan daha küçük akım şiddetleri, uygulama süreleri ne kadar büyük olursa olsun uyartı oluşturamamaktadır. Bu değere reobaz (t∞) denir. Bağıntıya göre, t’nin çok küçük olması halinde b önemsizleşir ve a≈ Ieşik. t yazılabilir. Bu a parametresi ise zarı uyarmak için gerekli minimum elektrik yüküne karşılık gelmektedir. Reobazın iki katı (2b) bir akımın uyartı oluşturabilmesi için uygulanması gereken minimum süreye kronaksi denir. Bu kavram uyarılabilirliğin bir ölçüsü sayılmaktadır ve kronaksisi düşük olan liflerin uyarılabilirliği yüksektir. YERSEL (YÖRESEL) DEPOLARİZASYON VE EŞİK DEĞER Bir aksona eşik altı düzeyde bir elektriksel uyaran uygulandığında, uygulama noktası civarında yersel (yöresel) yanıt adı verilen küçük bir potansiyel değişmesi olur, ancak kısa sürede sönümlenir. Uyaran şiddeti arttıkça yersel yanıt büyüklüğü de artar. Süresi sabit, şiddeti değiştirilen elektriksel uyaranlara karşı uyarılabilir hücrenin yanıtları aşağıda verilmiştir. Kritik depolarizasyon potansiyeli= eşik potansiyeli= eşik Uyaranın AP oluşturmada temel işlevi, ΔV=Ec-Ed kadarlık bir potansiyel farkı oluşturmasıdır. Zarda ΔV kadarlık bir potansiyel farkı oluştuktan sonra, AP, uyarandan bağımsız, kendiliğinden gelişmekte ve yayılmaktadır. Yöresel Depolarizasyonun Toplanması Eşik altı bir uyaranın neden olduğu depolarizasyon henüz tam sönümlenmeden, bir hücreye ikinci bir eşik altı uyaran daha uygulandığında, ikinci uyaranın oluşturacağı yöresel depolarizasyon birinciden arta kalana eklenebilir ve toplamları eşik potansiyele ulaşarak bir AP’ni tetikleyebilir. Toplama (summation) olarak adlandırılan bu olaylarla iki farklı şekilde karşılaşılmaktadır. 1- Zamansal toplama (Temporal summation) Bir sinir hücresi, çok kısa zaman aralığı içinde ardışık iki eşik altı uyaran etkisinde kalınca, zaman boyutunda birinin oluşturduğu depolarizasyon henüz sönümlenmeden ikincinin oluşturduğu depolarizasyon birbiri üstüne eklenebilir ki bu olaya zamansal toplama (temporal summation) denir. bu işleme daha çok çevresel (periferal) sinir sisteminde rastlanır. Presinaptik nöron her 20 ms de bir uyarılır 30 20 10 0 -10 mV -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 10 20 30 msec 40 50 60 Presinaptik nöron her 5 ms de bir uyarılır 30 20 10 0 -10 mV -20 Temporal Sumasyon -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 10 20 30 msec 40 50 60 Yersel Depolarizasyonun Toplanması 2- Uzaysal toplama (Spatial summation) Bir nöron aynı anda farklı bölgelerinde eşik altı uyaranlar etkisinde kalabilir. Bir yöresel yanıt, bu yanıtı oluşturan uyaranın uygulama noktasında en yüksektir ama bu nokta ile sınırlı değildir. Komşu bölgelerde de, uzaklaştıkça zayıflayan depolarizasyonlar ortaya çıkar. Bu nedenle iki veya daha çok odaktan kaynaklanan eşik altı yanıtlar bir diğer noktada toplanarak eşik depolarizasyon oluşturabilirler. Bu türden toplama işlemi MSS’nin integrasyon işlemleri için oldukça önemlidir ve uzaysal toplama (spatial summation) olarak adlandırılır. -70 mV Elektriksel Stimülatör A C BB Yalnız A Nöronu uyarılır. 30 20 10 0 -10 mV -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 10 20 30 msec 40 50 60 Yalnız B Nöronu uyarılır. 30 20 10 0 -10 mV -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 10 20 30 msec 40 50 60 A ve B nöronu uyarılır 30 20 10 0 -10 Uzaysal Sumasyon mV -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 10 20 30 msec 40 50 60 UYUM Uyarılabilir bir hücre için kritik depolarizasyon potansiyeli veya eşik potansiyel, uyaranın şiddeti, süresi ve artma temposu ile birlikte zarın geçmişine de bağlıdır. Şiddeti zamanla doğrusal olarak artan uyaranlar için, eşik potansiyel uyaranın artış hızı ile ters orantılıdır. Uyaranın artış hızı bir minimum değerin altına düşerse, uyaranın son değeri ne olursa olsun, AP oluşmaz. Uyarılabilir bir hücre ve dokunun, şiddeti ağır ağır artan bir uyaran karşısında eşiğini yükseltmesine uyum denir. ARD POTANSİYELLER Aksiyon potansiyellerinde depolarizasyon süreci (yani uç potansiyele yükseliş biçimi) tüm hücrelerde birbirine benzer. AP süresi sinirlerde, miyelinsiz aksonlarda 1,5 ms, miyelinli aksonlarda ise 0,4-0,5 ms kadardır. Uç potansiyelden sonra AP’nin repolarizasyon süreci başlar. Ancak, repolarizasyonu izleyerek, zar potansiyeli uzunca süre dinlenim değerinin birkaç milivolt altında veya üsütnde kalabilir ki bu potansiyellere ard potansiyeller (after potential) denir. Ard potansiyeller nedeni ile, AP’nin inen kesimi, süre bakımından olduğu kadar biçim bakımından da hücreden hücreye çok çeşitlilik gösterir. Dinlenime göre pozitif değerlerde görülen ard potansiyele, geçmişte, bugünkü anlayışımıza ters düşen bir adlandırma ile negatif ard potansiyel denmiştir. Günümüzde depolarize edici ard potansiyel terimi tercih edilmektedir. Dinlenime göre daha negatif potansiyellerde görülen ard potansiyele hiperpolarize edici ard potansiyel (eski adlandırma: pozitif ard potansiyel) denir. Ard potansiyellerin süreleri milisaniyeden dakikalara kadar değişebilir. birkaç Bir hücrenin uyarılabilirliği - depolarize edici ard potansiyele sahipken artmakta, hiperpolarize edici ard potansiyele sahipken azalmaktadır. REFRAKTER DÖNEM Uyarılabilir bir lifin belirli bir bölgesinde AP oluşurken, ikinci bir uyaran şiddeti ne olursa olsun, bu bölgede aynı anda başka bir AP oluşturamaz. AP depolarizasyon süresinden biraz uzun olan, lifin hiç uyarılmadığı bu döneme mutlak refrakter dönem denir. Mutlak refrakter dönemi izleyen, genellikle daha uzun süreli ve bağıl refrakter dönem olarak adlandırılan dönemde ise ikinci uyaran için eşik değer dinlenim durumuna göre yükselmiştir. Bir akson aynı anda iki ayrı yerinden uyarılabilir. Zıt yönlerde birbirine doğru yaklaşan aksiyon potansiyelleri aynı bölgeye ulaşınca, her biri diğerinin refrakter dönemine rastlayacağından, ikisi de yok olur. Bu özellik, otodalgaların ortak bir özelliğidir. Mutlak refrakter dönem bir aksonun ardışık aksiyon potansiyeli oluşturma frekansına da sınır getirir. Memelilerin çoğu aksonları aksiyon potansiyellerini 1000 Hz’ten daha yüksek frekansta iletemez. PASİF ZAR MODELİ VE KABLO KURAMI Uyarılabilir hücre zarları bir otodalga olan aksiyon potansiyelinin iletiminde aktif rol oynarlar. Uyaran, uyartı olayını, tıpkı bir ateşlenmesinde olduğu gibi, yalnızca tetikler. fitilin Bundan sonra AP zarda kendi kendini yineleyen bir süreçle iletilir. Uyartının oluşumu ve yayılması ile ilgili gözlenen olayları açıklamak için birçok model ve teori geliştiriliştir. Her bir kuram bu karmaşık olayların belirli bir kesimini açıklayabilmektedir. Bu konuda önemli bir model ve ona dayalı kuram pasif zar modeli ve kablo kuramı olarak adlandırılır. Uzunca, iletken bir göbeğin çevresi yüksek dirençli bir yüzeyle kaplanarak, yine iletken bir ortama daldırılmasıyla oluşturulan sisteme kablo denir. Sinir lifleri de, zarlarının yüksek dirençleri ile, bu anlamda birer kablodur. PASİF ZAR MODELİ VE KABLO KURAMI Kablo kuramında zar pasif olarak ele alınır. Yani hücre zarının direnç, sığa gibi elektriksel özelliklerinin zar potansiyeli ile değişmediğini varsaymaktadır. PASİF ZAR MODELİ VE KABLO KURAMI Rm: Membran direnci Cm: Membran sığası Im : Membran akımı Im=Ii + Ic Ii: İyonik akım Ic: Kapasitif akım Zardan geçtiğini düşündüğümüz akım nedeni ile zar potansiyelinde değişmeler olur. Kapasitif akım, i = dQ/dt= C. dV/dt Bağıntısına göre, ancak kondansatörün kutupları arasındaki potansiyel farkının değişmesi süresince geçer. HÜCRE ZARI ZAMAN SABİTİ HÜCRE ZARI ZAMAN SABİTİ HÜCRE ZARI ZAMAN SABİTİ HÜCRE ZARI ZAMAN SABİTİ HÜCRE ZARI ZAMAN SABİTİ Potansiyelin zamanla değişimi HÜCRE ZARI ZAMAN SABİTİ Farklı nöronlar için zaman sabiti 1-20 ms arasında değişmektedir. Zarın zaman sabiti, aksonal iletim hızı ve bir nöronun iletebileceği maksimum frekansın belirlenmesinde ve ayrıca MSS’de sinaptik girişlerin integrasyonu için zamansal toplamada çok önemli rol oynar. Zaman sabiti küçük olan zarlar kolay ve çabuk depolarize olabilirler ve bu nedenle hızlı iletirler. PASİF ZAR İÇİN EŞDEĞER DEVRE VE UZAY SABİTİ Kablo teorisine göre, akson veya dendrit gibi nöronun bir uzantısı aşağıdaki gibi bir eşdeğer devre ile temsil edilebilmektedir. rm: zarın birim uzunluk başına direnci (.m) cm: zarın birim uzunluk başına sığası (F/m) ri: zarın birim uzunluk başına sitoplazma direnci (/m) rd: zarın birim uzunluk başına hücrelerarası sıvının direnci (/m) Akım verildikten sonra yeterince uzun bir süre (t>>τ) geçtiği düşünülürse, kapasitif akım sıfır sayılabilir ve her noktadaki potansiyel bu noktaya özgü kararlı bir değere ulaşmış olur. İyonik kökenli olan zar akımının dışarıya çıkabilmesi için şekilde görüldüğü gibi birçok yol vardır. Ancak bu akım yol veya kollarının her biri için zar direncinin aynı olmasına karşılık, sitoplazma direnci Ri farklıdır. Akım direncin düşük olduğu yolları tercih edeceğinden, enjeksiyon noktasına yakın yerlerde akım yoğunluğu Im yüksek olacak ve uzaklaştıkça düşecektir. Vm: Potansiyel değişiklik Vo: Akımın verildiği noktadaki potansiyel değişiklik x: Ölçüm noktasının akımın verildiği noktaya olan uzaklığı : uzay sabiti Vm: Potansiyel değişiklik Vo: Akımın verildiği noktadaki potansiyel değişiklik x: Ölçüm noktasının akımın verildiği noktaya olan uzaklığı : uzay sabiti Uzay sabiti, potansiyel değişikliğin, e=2,718 olmak üzere, e’de birine, yan, %37’sine düştüğü uzaklık olarak tanımlanır. Uzay sabiti, diğer zar parametreleri cinsinden, Şeklinde ifade edilebilmektedir. Voltaj değişikliğinin akson boyunca pasif olarak iletilmesi elektrotonik iletim olarak adlandırılır. Zarın direnci ne kadar yüksek, aksoplazmanın iletkenliği ne kadar iyi ise elektrotonik iletim etkinliğinin bir ölçüsü olan uzay sabiti o kadar uzun olur. Akson ve dendritler için uzay sabitinin değerleri 0,1-3 mm arasındadır. - Uzay sabiti, aksiyon potansiyelinin ilerleme hızına, - nöronlarda uzaysal toplama etkinliğine ve - reseptörlerde jeneratör potansiyelinin tetikleme bölgesine kadar elektrotonik olarak yayılmasına önemli derecede etkilidir. Şekildeki zarın x=0 noktasında, kritik değerin üstündeki bir değere V0 kadar depolarize olduğu varsayılmıştır. Bu potansiyel değişikliği Xc gibi kritik bir uzaklığa kadar olan zar kesimini eşiğin üzerine çıkarmıştır. Eğer, x=0 noktasındaki potansiyel değişikliği AP’ne karşılık ise, bu AP’nin Xc uzaklığına kadar olan zar kesimini uyarabilme yetisinde olduğunu gösterir. Uzay sabiti  büyükse Xc’nin de büyük olacağı açıktır. Zar potansiyeli (mV) Dinlenim potansiyeli (mV) SALTATORİK İLETİM SALTATORİK İLETİM Miyelinli kesimler, sığaları düşük, depolayabilecekleri yük miktarı daha az olacağından, kısa sürede depolarize olurlar. SALTATORİK İLETİM Bu nedenle bir ranvier boğumundan kaynaklanan akım çizgilerinin çoğu bir sonraki ranvier boğumundan geçerler ve bu yörede zar sığasını depolarize etmeye çalışırlar. SALTATORİK İLETİM Akımlar miyelinli kesimlerde zaman harcamadığından, depolarizasyon dalgası bir ranvier boğumundan sonrakine sıçramalı olarak iletilir. AKTİF ZAR İLETKENLİĞİ Aksiyon potansiyeli hakkında bugünkü bilgilerimizin çoğu Cole, Curtis, Hodgkin, Huxley ve Katz’ın 1940 ve 1950’li yıllarda yaptıkları denel çalışmalara dayalıdır. Bu çalışmaların çoğunda bir cins mürekkep balığının (squid) kalınlığı 1 mm’ye kadar ulaşan dev aksonu kullanılmıştır. İyon konsantrasyonları tabloda görülen dev akson üzerinde yapılan ilk deneylerden, - AP sırasında zar iletkenliğinin arttığı - Dış ortamda Na konsantrasyonu azaltılırsa AP genliğinin azaldığı - Dış ortamdaki K konsantrasyonu arttırıldığında ise AP’nin repolarizasyon temposunun düştüğü saptanmıştır. Dinlenim durumunda dev akson zarının 3 iyona karşı geçirgenlik (veya iletkenlik) oranlarının PK/PNa/PCl=1/0,04/0,45 Olduğu belirlenmişti. Bu değerler ve tablodaki konsantrasyonlar, GHK denkleminde yerine konulduğunda Dinlenim zar potansiyeli -53 mV dolaylarında bulunur. Nernst denklemine göre hesaplanmış tablodaki denge potansiyelleri ile karşılaştırıldığında, dinlenim zar potansiyelinin potasyumun denge potansiyeli yakınlarında olduğu anlaşılmaktadır. AP’nin yükselme evresinde aynı zarın 3 iyona karşı geçirgenlik oranları için ise PK/PNa/PCl=1/20/0,45 Olduğu bulunmuştur. Bu evrede zarın sodyuma geçirgenliği dinlenimdekine göre yüzlerce kat artmış gözükmektedir. Geçirgenliklerin bu değerleri GHK denkleminde yerine konulursa, zar potansiyeli için +42 mV bulunur ki bu da Na denge potansiyeline oldukça yakındır. AP’nin depolarizasyon evresinde zar potansiyeli Na denge potansiyeline doğru değişmektedir. Repolarizasyon evresinde zar potansiyelinin tekrar K denge potansiyeline yaklaşması ise bu evrede zarın Na’a geçirgenliğinin azalması, K’a geçirgenliğinin artması ile mümkün görünmektedir. Potansiyellerin, iletkenlik veya geçirgenliklerin bu değişimleri, zarda iyon geçişleri için her zaman açık olan pasif kanallar yanında, belirli koşullarda açılıp kapanan aktif kanallar düşüncesini zorunlu kılmıştır. İletim sırasında zardan geçen iyonlar ve miktarlarını belirlemek üzere radyoaktif izleyici iyonlar da kullanılmıştır. Örneğin, bir cins mürekkep balığı (sepia) aksonlarında Na izotopu kullanılarak, bir AP iletimi sırasında 3,8 pmol/cm2’lik net sodyum girişi saptanmıştır. Diğer yandan, sığası Cm=1 µF/cm2 olan bir kondansatörün potansiyelini, AP’nin genliği olan 110 mV’a kadar değiştirebilmek için gerekli yük değişikliği Δq=Cm. ΔV=10-6 F/cm2.0,11V=1,1.10-7C/cm2 kadardır. Yük miktarı F=96500 C/mol Faraday sayısına oranlanarak, yükün Na iyonu miktarı cinsinden karşılığının 1,14 pmol/cm2 olduğu gösterilebilir. Görüldüğü üzere, deneyle tayin edilen 3,8 pmol/cm2’lik Na girişi zarda 110 mV’luk bir depolarizasyon sağlamak için gerekli olan miktarı fazlası ile karşılamaktadır. Bu tür deneyler ile iletim sırasında dinlenimdekinden fazla tempoda bir Na girişi olduğu gösterilmiştir. Her bir AP iletimi sonucu dışarı K iyonu çıkmasının hücre içi K konsantrasyonunu ne oranda azaltacağı sorusu da önemlidir. Bu oran, doğrudan yüzey/hacim oranı ile ilişkilidir. Kalınlığı 500 µm olan bir dev aksonda bir AP iletimi sonucu aksoplazmanın K içeriği ancak milyonda bir oranında azaldığından, böyle bir akson, aktif Na-K pompası tamamen bloke edildiğinde bile 105 dolayında impuls iletebilmektedir. Miyelinsiz ve 0,1 µm kalınlığındaki bir lifte ise AP başına %0,5-1 oranında K kaybı olur ki böyle bir lif bile, aktif pompa bloke edildiğinde, 50 kadar AP iletebilir. Yalnızca yüzey/hacim oranı dikkate alınarak yapılan araştırmalardan 15 µm kalınlığındaki miyelinli bir lifin aktif pompa durduğunda en çok 6500 AP iletebileceği tahmin edilirken, deneyler bu sayının 200.000’e kadar çıktığını göstermektedir. Bu büyük verime miyelin küçültücü etkisi ile ulaşılmaktadır. kılıfın sığayı İletim Sırasında Bir Zarda Potansiyelin Uzaysal Dağılımı Aksiyon potansiyeli, otodalga yayılması olarak, zamansal ve uzaysal değişimleri birlikte içerir. Bir aksonda, AP sağdan sola doğru ilerlerken, depolarizayon dalgası belirli bir anda X1 noktasına ulaşmıştır. Aynı anda X2 noktasında depolarizasyon tamamlanmış, zar repolarizasyon evresine girmiştir. Aynı anda X3 civarında zar hiperpolarizasyon evresine ulaşmışken X4 noktası civarı ise tamamen dinlenime dönmüştür. Zarın X1-X4 arasında kalan ve refrakter bölge olarak adlandırılan kesiminde o anda başka AP oluşturulamaz veya eşik yükselmiştir. Zarın diğer kesimlerinde aynı anda bir başka AP oluşabilir veya yayılabilir. Voltaj Bağımlı Aktif Kanallar Düşüncesi ve Aksiyon Potansiyeli Zarda herhangi bir nedenle bir depolarizasyon gelişirse öncelikle sodyuma iletkenliğin aniden arttığı gözlenmektedir. denir. Bu sürece sodyum kanallarının aktivasyonu Açılan kanallardan Na girişi zarın daha fazla depolarizasyonuna, bu durum ise daha fazla Na kanalının açılmasına ve zarın sodyuma geçirgenliğinin daha da artmasına neden olmaktadır. Böylece şekilde görülen ve Hodgkin Çevirimi olarak adlandırılan pozitif geribeslemeli süreç, zar potansiyelini sodyumun denge potansiyeline iyice yaklaştırır. Zarın depolarizasyon hızı, Na giriş akımı ile doğru, zar sığası ile ters orantılı bulunmaktadır. AP tepe noktasına ulaşınca Na kanalları kendiliğinden kapanmaya başlamaktadır ki bu sürece inaktivasyon denir. Bu sırada açılan K kanalları sayısı da artmaktadır. Na kanallarında olduğu gibi, K kanalları da depolarizasyonla aktive olur, ancak K kanal aktivasyonu daha yavaş bir süreçtir. Aksiyon potansiyel: Dinlenim durumu (1)  Dinlenim durumunda voltaj kapılı Na+ ve K+ kanalları kapalıdır  Sızma kanallarından az miktarda Na+ ve K+ iyon hareketi olur  Her Na+ kanalının iki voltajla düzenlenen kapısı vardır:  Aktivasyon kapısı- dinlenim durumunda kapalıdır  İnaktivasyon kapısı - dinlenim durumunda açıktır Figure 11.12.1 Aksiyon potansiyel: Depolarizasyon-Eşik değer (2) Bir uyarının etkisiyle  Na+ permeabilitesi artar; zar potansiyeli değişir  Na+ kapıları açılır; K+ kapıları hala kapalıdır  Eşik değer aşılır ise (-55 to -50 mV), depolarizasyon self-generating olur Figure 11.12.2 Aksiyon potansiyel: Depolarizasyon fazı (3)  Eşik değer aşıldığında, daha fazla Na+ kanalı açılarak daha fazla depolarizasyona neden olur.  Na+ kapılarının açılması ve depolarızasyon pozitif feedback olarak artarak depolarizasyon kendi kendini artırır (self-generating) olur  K+ kapıları hala kapalıdır Figure 11.12.2 Aksiyon potansiyel: Repolarizasyon fazı (4)  Na+ inaktivasyon kapıları kapanır  Na+‘a karşı zar permiabilitesi dinlenim seviyesine çekilir  Na+ inaktivasyon kapıları kapanırken, voltaj-kapılı K+ kapıları açılır  K+ hücre dışına çıkar ve hücre içi tekrar negatifleşir Figure 11.12.3 Aksiyon potansiyel: Hiperpolarizasyon (5)  K+ kapıları açılması fazla miktarda K+ ‘un hücre dışına çıkmasına neden olur  Bu ise zar potansiyelinin dinlenim durumundan daha da negatif olmasına neden olur (hiperpolarizing after potansiyel, after hyperpolarizing potential, undershoot) Figure 11.12.4     Dinlenim zar potansiyeli -60 mV ile -95 mV arasında, Aksiyon potansiyeli tepe değeri +20 mV ile +50 mV arasında, Aksiyon potansiyeli süresinin ise 0,5 ms ile 0,5 s arasında değişir. Na+ kanalları Regenerative; K+ kanalları ise Regenerative değil Aktif Zar için Elektriksel Eşdeğer Devre Bir hücre zarının sığası iletim sırasında %2’den daha 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 değişen) elemanları içermelidir. Küçük bir zar parçasının elektriksel eşdeğeri şekilde görülmektedir. Cm: Zarın değişmeyen sığası RL(sızıntı direnci): Zarın pasif kanallara karşılık direnci EL: Sızıntı kanallarından çoğunlukla klor iyonları geçmektedir ve bu kola ait elektromotor kuvveti dinlenim zar potansiyeline eşittir. ri: Aksoplazmanın direncidir ve potansiyelden bağımsızdır. Eşdeğer devre şemasında sodyum ve potasyum akım kollarındaki gNa=1/RNa ve gK=1/RK iletkenlikleri sırasıyla bu bölgede açık olan Na ve K kanal sayıları ile orantılıdırlar. Kollardaki ENa ve EK elektromotor kuvvetleri ise sodyum ve potasyum için Nernst denge potansiyellerine karşılıktır. Aktif elektriksel eşdeğer devre kararlı durum için çözüldüğünde, zar potansiyeli Şeklinde bulunmaktadır. Hücre içi ve dışı özellikler hariç , zarın çok küçük bir parçasına karşılık aktif ve pasif elemanlardan kurulu şekildeki A devresi Z ile gösterilirse, bunun ardışık olarak yinelenmesi ile zarın tümü için Şekil B’deki eşdeğer devre elde edilir. Zarda AP yayılıyorken Z1, Z2, Z3,…..Zn devreleri birbirleri ile özdeş olmayabilir. Örneğin soldan sağa AP yayılıyorken herhangi bir anda, Z3 kesimi depolarize oluyorken, Z2 kesiminde depolarizasyon tamamlanmış, Z1 kesimi ise dinlenime tam dönmüş olabilir. Bu durumda zarın sodyuma ve potasyuma karşı aktif dirençleri zarın farklı kesimlerinde farklı değerlere sahip olacaktır. Bir zarda AP yayılıyorken, zarın sodyuma ve potasyuma dirençleri gibi aktif parametreleri de, tıpkı AP gibi, hem uzaysal hem de zamansal değişim göstermelidir. Bu durum zardaki aktif değişiklikleri gözlemeyi ve AP’nin oluşumu ve yayılması ile ilgili bir teorinin temel kabullerini sınamayı oldukça zorlaştırmaktadır. Bu zorluklar mürekkep balığı (squid) dev aksonunda yapılan çalışmalar sırasında geliştirilen voltaj kenetleme tekniği ile aşılmıştır. VOLTAJ KENETLEME TEKNİĞİ Voltaj Kenetleme Tekniği Temel Elemanları Voltaj kenetleme (Voltage Clamp) tekniğinin en önemli özelliklerinden biri aksonun her tarafını aynı potansiyelde tutarak uzaysal değişimleri yasaklamasıdır. Bir akson böyle bir işleme tabi tutulduğunda, zarın şekil B’de görülen farklı kesimlerine karşılık tutulmuş Z devreleri birbirleri ile özdeş olabilir ve bu durumda zarın tümü Şekil A’daki bir tek Z eşdeğer devresi ile temsil edilebilir. Böylece zarın her tarafında eşzamanlı olarak süren aktif değişiklikleri gözlemek ve tayin etmek mümkün olmaktadır. Uzay kenetlemesi (space clamp) olarakta adlandırılan bu işlem, dev aksonun deneye tabi tutulan kesiminin tümünü kapsayan bir elektrodun (akım uygulama elektrodu) akson boyunca yerleştirilmesi ile başarılmıştır. Geleneksel AP 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. Kenetleme sırasında zar potansiyelinin sabit tutulabilmesi için, potansiyelin bir otomatik kontrol sistemi ile sürekli olarak izlenmesi gerekir. Şekilde voltaj gözlem elektrodu olark adlandırılmış elektrodun gördüğü potansiyel, A amplifikatöründen geçirildikten sonra ölçülmekte ve sürekli izlenmektedir. Şekilde OA ile gösteriilmiş olan bir operasyonel amplifikatör, SG sinyal jeneratörünün istenen bir değere ayarlanmış potansiyeli ile zar potansiyelini sürekli olarak karşılaştırmaktadır. Aralarında fark varsa, OA zardan bu farkla orantılı bir akım geçirerek farklılığı gidermeye, zar potansiyelini ayarlanmış sabit değerde tutmaya çalışır. Zar potansiyeli sabit değerde tutulurken, içten dışa doğru geçen akım, zarı halka şeklinde saran bir elektrot ve akım gözlen aracı yardımı ile kaydedilir. Bu teknikle özellikle 1952 yılındaki çalışmaları ile, zar akımını kaydeden, bileşenlerine ayıran, voltaj bağımlı kanallar düşüncesi ile AP denklemini oluşturan Hodgkin ve Huxley’e, 1963 Nobel Tıp ve Fizyoloji ödülü verilmiştir. Zar Akımının Bileşenleri Bir aksonda voltaj kenetleme tekniği ile çok küçük bir depolarizasyon yapılarak zar akımının zamanla değişimi gözlendiğinde şekil A’dakine benzeyen eğriler elde edilmektedir. Kenetleme başladığında yalnızca potansiyelin değişim süresince geçen çok kısa süreli bir kapasitif akım Ic, ardından çok zayıf ve sabit değerde bit IL sızıntı akımı gözlenmektedir. Kenetleme bitirilip zar dinlenime dönerken, ters yönde bir kapasitif akımla yine karşılaşılmaktadır. Zar potansiyeli eşik üstü bir değere kentlendiğinde ise, zardan geçen akımın biçimi şekil B’deki gibi bulunmaktadır. Bu eğri, kapasitif ve sızıntı akımlarına ek olarak, Na ve K kanallarının aktivitelerine bağlı akımları da içermektedir. Toplam akım eğrisinden (Şekil B) Kapasitif ve sızıntı akımları çıkarılarak Aktif iyonik kanal aktivitelerine karşılık INa+IK akımı elde edilebilmektedir. Bu akım Şekil C’de görüldüğü gibi, önceleri negatif (içeri doğru), daha sonra dönerek pozitifleşmekte ve kenetleme sürdükçe sabit bir değere ulaşmaktadır. Sabit tutulan bir seri depolarize edici ve hiperpolarize edici potansiyel değerlerine karşılık, sodyum ve potasyum iyonik akımları toplamının zamanla değişimleri için şekildeki eğriler elde edilmiştir. Küçük depolarizasyonlar (EENa) akım daima pozitiftir. Sodyum ve Potasyum Akımlarının Ayrılması Mürekkep balığı (squid) dev aksonu deniz suyu içinde iken, zar potansiyeli -65 mV’luk dinlenim değerinden, Şekil A’daki gibi, aniden -9 mV değerine kenetlenince, Na ve K iyonik akımları toplamının (Ii) zamanla değişimi Şekil B’deki gibi bulunmaktadır. Hodgkin ve Huxley, deniz suyunun NaCl içeriğini kolin klorür ile değiştirerek aynı deneyi yaptıklarında, toplam iyonik akım için, şekildeki Ii’ye benzer bir eğri elde etmişlerdir. Dış ortamda Na iyonları bulunmadığına ve diğer iyonlarda Na kanallarından geçemeyeceğinden, bu akım tamamen K iyonlarının geçişlerine atfedilebilir. Toplam Ii eğrisinden IK şeklindeki potasyum katkısı çıkarıldığında geriye akımın INa bileşeni kalır. K ve Na akımlarının zamanla değişimleri görüldüğü gibi çok farklı karakterdedir. Depolarize edici bir kenetlemeyi izleyerek önce içeri yönelik Na akımı büyümekte, belirli bir değerden sonra küçülüp tekrar sıfıra inmektedir. Dışarıya yönelik K akımı ise, artmaya daha geç başlamakta, fakat kenetleme sürdükçe sönümlenmeyip kararlı bir değere ulaşmaktadır. İletkenlik Değişimlerinin Belirlenmesi Zar potansiyelindeki herhangi bir değişikliğe yanıt olarak zarın herhangi bir kesiminde ortaya çıkan akım yoğunluğu Şeklinde, herbir akım bileşeni ise INa = gNa (E-ENa) IK = gK (E-EK) IL = gL (E-EL) IC = Cm (∂E/∂t) Şeklinde yazılabilmektedir. Bu bağıntılara göre INa = gNa (E-ENa) IK = gK (E-EK) IL = gL (E-EL) IC = Cm (∂E/∂t) her bir iyonik akım bu iyon için bir iletkenlik faktörü gi ile ve bu iyon için karakteristik sürdürücü kuvvet faktörü (E-Ei) ile doğru orantılıdır. Sürdürücü kuvvet faktörünün işaretine göre akım pozitif (dışarı), negatif (içeri) veya sıfır (E=Ei için) olabilir. Şekil A’da ki deney için, E=-9 mV, ENa≈+52 mV, EK ≈-75 mV ise, sürdürücü faktörler için, E-ENa ≈-61 mV, E-EK ≈+66 mV bulunur. Şekil B’de görülen Na ve K akım yoğunluğu eğrilerindeki değerler, her bir iyon için bu sürdürücü kuvvet faktörlerine oranlanarak, zarın Na ve K’a karşı iletkenlikleri için Şekil C’dekine benzer eğriler elde edilmektedir. Eğrilerden görüldüğü gibi, gNa ve gK iletkenliklerinin zamanla değişimi de tamamen farklı karakterlerdedir. Değişik potansiyellere kenetleme yapılarak elde edilen Na ve K iletkenlik eğrilerinin incelenmesinden, iki tip kanal davranışlarında iki temel benzerlikle iki temel farklılık saptanmaktadır. Temel benzerlikler 1: Depolarize edici bir voltaj uygulanması ile iki tür kanal da açılmaya başlamaktadır. Temel benzerlikler 2: Depolarizasyon arttıkça birim zamanda açılan iki tür kanal sayısı ve açılan toplam kanal sayısı daha yüksek değerlere ulaşmaktadır. Temel farklılıklar 1: Tüm depolarize edici potansiyeller için Na kanallarının K kanallarından daha çabuk açılmasıdır (aktive olmasıdır). Depolarize edici puls kesildiğinde de Na kanalları K kanallarına göre daha çabuk kapanmaktadır. Temel farklılıklar 2: Depolarizasyon sürdükçe, Na kanalları kendiliğinden kapanırken, K kanallarının açık kalmasıdır. İnaktive olan Na kanalları refrakter durumdadır ve zar dinlenim durumuna dönmedikçe tekrar açılamamaktadır. Zar dinlenim durumuna dönse bile, inaktivasyonun zayıflaması için belirli bir süre gerekir. HODGKIN-HUXLEY AKSİYON POTANSİYELİ DENKLEMİ Sodyum ve potasyum iletkenliklerinin voltaj kenetleme deneyleri ile belirlenen potansiyel ve zaman bağımlılığını açıklamak için, Hodgkin ve Huxley kinetik bir model geliştirmişlerdir. Her bir kanalın geçirgenliği, seri çalışan dört kapı ile kontrol edilmektedir. Bir Sodyum kanalı, depolarizasyon sonucu açılıp aktivasyonu sağlayan, hızlı davranışlı 3 adet mkapısı ve yine depolarizasyon sonucu kapanarak inaktivasyonu sağlayan, yavaş davranışlı bir adet hkapısı tarafından kontrol edilmektedir. Herhangi bir m-kapısının açık olma olasılığı m, h-kapısının açık olma olasılığı h ise, herhangi bir anda açık olan Na kanallarının sayısı m3h ile orantılı olur. Benzer şekilde, bir Potasyum kanalı da, yavaş davranışlı dört adet n-kapısı ile kontrol edilmektedir. Herhangi bir anda açık olan K kanallarının sayısı da n4 ile orantılı olur. Deneyle belirlenmiş Na ve K iletkenlik değerlerinden yararlanılarak, her bir voltaj değeri için m, h, n kapılarının açılma ve kapanma hız saitleri belirlenebilmektedir. Bütün Na ve K kanallarının açık olmalarına karşılık maksimum iletkenlikler olmak üzere, iyoink akımlar için Yazılabilmektedir. Bu 4 denklemin çözümünden bulunur. Hudgkin-Huxley Zar Potansiyeli Kablo teorisi ve genel dalga denklemi dikkate alınarak zardaki akım yoğunluğu için Bağıntısı elde edilir ve Hudgkin-Huxley Yayılan Denklemi olarak adlandırılır. a: Aksoplazma yarıçapı ρi: Özdirenç v: AP iletim hızı Aksiyon Potansiyeli Hodgkin-Huxley denklemine göre hesaplama ile bulunan şekildeki gibi bir AP eğrisi 4 evreye ayrılabilir. I. Evre Bir önceki aktif bölgeden kaynaklanan yöresel akımlar zarı, -60 mV dolayındaki dinlenim değerinden -50 mV dolaylarına depolarize etmektedir. Bu evrede iyonik hareketler oldukça düşük olduğundan, zarda kapasitif akım egemendir. Fakat depolarizasyonla birlikte sodyum kanalları da açılmaya başlamıştır. II. Evre Açılan kanallardan Na iyonları girmeye başlayınca, Hodgkin çevirimine göre, kendi kendini doğuran bir süreç gelişir ve zar potansiyeli Na denge potansiyeline doğru hızla yaklaşır. Ancak bu evrenin sonlarına doğru daha yavaş açılan K kanallarının sayısı giderek artarken Na kanalları inaktive olmaya başlarlar. Nihayet öyle bir duruma ulaşılır ki zardaki Na ve K akımlarının net yoğunluğu sıfıra eşit olur. Bu anda AP’de tepe noktasına ulaşmıştır. III. Evre İnaktivasyon nedeni ile gNa azalırken, gK yükselmesini sürdürür. Dışarı doğru K akımı egemenliğinde zar yeniden polarize olurken (repolarizasyon) zar potansiyeli dinlenim değerine doğru düşer. IV. Evre K iletkenliği henüz yüksek değerlerde iken Na kanalları inaktive olmuşlardır. Bu nedenle zar potansiyeli potasyum denge potansiyeline oldukça yaklaşmış, zar hiperpolarize olmuştur. K iletkenliği derece derece azalırken, zar da hiperpolarize durumdan dinlenim durumuna ağır ağır dönmektedir. AKSİYON POTANSİYELİNİN YAYILMA HIZINI BELİRLEYEN FAKTÖRLER 1- Sodyum iletkenliği tepe değeri, büyüdükçe, yani birim yüzeydeki Na kanalları sayısı çoğaldıkça iletim hızı artmaktadır. 2- Birim yüzey başına zar sığası Cm küçüldükçe hız artmaktadır. Miyelin tabakası sığayı küçülttüğünden iletim hızını artırıcı bir rol oynar. AKSİYON POTANSİYELİNİN YAYILMA HIZINI BELİRLEYEN FAKTÖRLER 3- Aksoplazmanın öziletkenliği (σi= 1 / ρi) büyüdükçe iletim hızı artmaktadır. 4- İletim hızı sıcaklıkla artmaktadır. 5- Akson yarıçapı arttıkça iletim hızı da artmaktadır. Miyelinsiz liflerde iletim hızı yarıçapın yaklaşık olarak karekökü ile, miyelinli liflerde ise yarıçapla doğru orantılı bulunmaktadır. VOLTAJ BAĞIMLI İYON KANALLARI Hücre zarlarındaki iyon kanalları kesikli olarak çalışır, iyon seçici moleküler gözeneklerdir. Özel kanal blokerleri (Na için tetrodotoksinTTX, K için tetraetilamonyum-TEA) etkisinde bırakılan zarlarda bu kanallar sayılabilmekte, yeni tip kanallar keşfedilebilmekte, tek kanalın iletkenliği belirlenebilmekte, kanalları oluşturan makromoleküllerin kimlikleri ve yapıları araştırılmaktadır. Kanalın yapısını meydana getiren integral proteinler, iç çeperleri polar grup ve yüklü gruplarca yerleşmiş, içi su dolu bir gözenek oluşturmaktadır. Bu gözenek genellikle bir iyondan daha geniştir. Ancak sınırlı bir bölgesinde atomik boyutlara kadar daralmakta, bu dar bölge iyon seçici bir filtre olarak davranmaktadır. Kapılı kanalları oluşturan makromoleküllerin açık ve kapalı gibi iki farklı konformasyonu vardır. Bir kapının kısmen açık olması gibi bir ara durum yoktur. Kapının açılıp kapanması için gerekli konformasyon değişiklikleri, yüklü ve dipolar yapıdaki voltaj ssensörüne etkiyen elektriksel kuvvetlerle veya nörotransmitter moleküllerin bağlanmasından doğan kimyasal kuvvetlerle yönetilir. Uyartı yayılması ile ilgili en önemli kanallar Na, K ve Ca kanallarıdır. Bir zarda aynı tür iyona geçirgen farklı özelliklerde kanallar bulunabilmektedir. Bir nöronun farklı dağılımları farklılıklar gösterir. bölgelerinde kanal Böylece nöronun farklı bölgeleri farklı işlevler üstlenebilmektedir. Örneğin Ca kanalları sinir son uçlarında çok yoğundur ve bu kanallardan içeri Ca girişi ile transmitter madde salınır. Kanalların yapısal ve işlevsel özellikleri çok farklı açılardan incelenmektedir. Yapıya ilişkin incelemelerde birinci hedef kanal proteinin birincil yapısının, yani zincirde aminoasit diziliminin ortaya çıkarılmasıdır. Bundan sonraki hedef ise, aminoasit rezidülerinin hidrofobikliklerini dikkate alarak, zincirin zarı kaç kez geçtiğinin, zarın içinde ve dışında kalan kısımlarının ve proteinin zardaki konumunun üç boyutlu modelinin yapılmasıdır. Kanalların işlevsel özelliklerinin incelenmesinde önceleri gürültü analizi tekniklerinden yararlanılmıştır. Bu tekniğin temelinde, her bir kanalın hep ya da hiç tarzında açıldığı, ama kanalların her birinin açık ve kapalı durumlar arasında rastgele dalgalandığı düşüncesi yatar. Günümüzde kanalların işlevlerinin incelenmesinde «patch» kenetleme adı verilen yöntem yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tekniği geliştirenlerin öncülerinden Erwin Neher ve Bert Sakmann’a 1991 Nobel Tıp ve Fizyoloji Ödülü verilmiştir. PATCH KENETLEME (Yama Kıskacı) YÖNTEMİ Patch kenetleme yöntemi, kanalların işlevlerinin incelenmesi amacıyla hazırlanmış mikroelektrot ağzına hücre zarı parçasının sıkıca yapıştırılması (seal) ve zar potansiyelinin sabit bir değere kenetlenmesi ile, kanallardan geçen akımın kaydedilmesi ve analiz edilmesidir. Patch elektrot hem uyarma hem de kayıt amacı ile kullanılır. Yöntem şekilde şematize edildiği gibi, tek kanal akım kayıtları için geliştirilmişken, küçük hücrelerde voltaj kenetleme yapılmasında da avantajlar sağlamıştır. Cam pipetler, hücre zarlarına uygun koşullarda adeta kaynak yapılmakta veya mühürlenmektedir (sealing). Mühürlenme bölgesinde gigaohm’lar seviyesinde büyük elektriksel dirençler oluşmaktadır (gigaseal). Pipet zara şekildeki görüldüğü gibi mühürlenince tek kanal kayıtları yapılabilmektedir (on-cell, hücre üzerinde). Bu durumdan başlayarak, zar parçası (patch) çekilerek hücreden koparılıp ayrılabilmekte, değişik test çözeltilerinde davranışı incelenebilmektedir (inside-out, içi dışarıda, zarın iç tarafı pipetin dışına doğru anlamında). Bir diğer seçenek olarak, zar parçası çekme veya voltaj pulsu etkisinde bırakılarak, cam ile zar arasındaki mühürlenme bozulmadan, zar parçası yırtılabilmekte, tüm hücre voltaj kenetlemeye tabi tutulmaktadır. Bu durumda sitoplazma ile pipet arasında molekül alış-verişleri de olmaktadır (whole-cell, tüm hücre). Son olarak, tüm hücre modunda iken, pipetin hücreden çekilmesi ile pipet ağzında kalan zar parçasından da kayıtlar yapılabilmektedir (outsideout, dışı-dışarıda)   İyon kanallarının moleküler yapısı Çoğu iyon kanalları 4-6 alt üniteden oluşmuştur. Kanallar aynı tip alt üniteden (homo-oligomer) yapılabilecekleri gibi aynı olmayan alt ünitelerden de meydana gelebilir ( hetero-oligomer). Her bir alt ünite 6 transmembran segmentinden oluşur SODYUM KANALLARI Uyarılabilir hücre zarlarında bulunan tüm Na kanallarının küçük ayrıntılar dışında benzer özellikler gösterdiği bulunmuştur. Kanal proteinine dış yüzeyinde yüzlerce şeker rezidüsü kovalent bağlanmıştır. İç tarafında ise bazı bağlayıcı proteinlerle diğer kanal proteinleri veya hücre içi iskelet elemanlarına bağlanmıştır. Voltaj kapılı sodyum kanalı  Na kanalının ana yapısı 4  alt birimden (4 homolog domain: I,II,III,IV) oluşur.  İlaveten iki küçük 1 ve 2 alt bîrim daha içerir.   alt üniteleri express edilmese bile  alt üniteleri kanalı oluşturabilir   alt üniteleri kanal kinetiğini değiştirebilir Her bir  alt birimi (subunit) 6 adet zarı geçen sarmal parçadan (transmembran segment, membrane spanning region) (S1,S2,S3,S4,S5,S6) oluşur.  Voltaj duyarlılığı, 4. transmembran segmentinin (S4) 3. sırasındaki aminoasitin pozitif yüklü olmasından kaynaklanır. Yani S4 voltaj sensörü olarak görev yapar    alt ünitesi kanalın ana çatısını (core) oluşturur  Zar potansiyeli değişince bu kısım hücre zarının dışına doğru itilerek kanal açılır Voltaj kapılı sodyum kanalı  Na+ kanalları, öldürücü olan tetrodotoxin (TTX) ve saxitoxin (STX) ile bloke edilir  Puffer fish (kirpi balığı, balon balığı)’nın toksinidir  TTX, S5 ile S6 segmentleri arasındaki kısma bağlanır  Blokaj tersinirdir ve  Bazı lokal anestezikler ise kanal içindeki değişik yerlere bağlanır ve bloke eder TTX ve STX’in dışında bazı lokal anestezik molekülleri ise kanal içindeki farklı bağlanma yerlerine bağlanarak kanalı bloke etmektedirler. Kapı mekanizması, bu zehirlerden başka, dış ortamdaki iki değerlikli iyon konsantrasyonundan, pH’dan ve iyonik şiddetinden etkilenmektedir. Voltaj kapılı sodyum kanalı  Na kanalları, TTX / STX molekülleri radyoaktif izotoplarla işaretlenerek sayılabilir  Birçok zarda Na kanalı sayısı 70-500 /m2.  Bir kanalın iletkenliği Na = 2-10 pS  Na kanalı kapanınca tekrar açılması için dinlenim potansiyeline dönmeli.  Tüm Na+ kanallarının zıtlanma (reversal) potansiyeli +60 mV civarındadır. Na KANALININ SEÇİCİLİĞİ Kanalın kinetik özelliklerini, kanaldaki enerji engellerini dikkate alarak Bertil Hille, Na kanal seçici geçirgenliği için bir model ileri sürmüştür. Bu modele göre, katyonların kanalı geçmesinde kanal içindeki iyonlaşmış bir karboksil (COO-) grubu yardımcı olmaktadır. Bu grup asidik ortamda bir proton bağlayarak negatif yükünü kaybedince kanal bolke olmaktadır. Na KANALININ SEÇİCİLİĞİ Kanalın en darlaştığı yerde bulunan karboksil grubu ile hidrojen bağı yapabilen hidroksil (-OH9 veya amino (-NH2) gruplarını içeren pozitif yüklü iyonlar da Na kanalından geçebilmektedir. Hidrojen bağı yapamayan metil grubunu içeren pozitif yüklü iyonlar ise Na kanalını geçememektedir. Na KANALININ SEÇİCİLİĞİ Hidratize Na iyonu ilk engeli geçtikten sonra buradaki zayıf negatif grup tarafından çekilmekte, su moleküllerinden bir kısmını bırakarak çok kısa bir süre karboksil grubuna bağlı kalmaktadır. Aynı sırada, hidrasyon tabakasındaki bir su molekülü de kanalın karşı tarafındaki negatif yüklü bir bölge ile stabilize olmaktadır. Na KANALININ SEÇİCİLİĞİ Stabilize durum 1 µs kadar sürmekte, Na iyonu elektrokimyasal gradyentler etkisinde yoluna devam ederken bıraktığı su moleküllerini tekrar edinmektedir. Voltaj kapılı Potasyum Kanalları     Voltaj kapılı K+ kanalı 4  alt üniteden ve bir β alt üniteden kuruludur 6 transmembrane domain bulunur. S4 segmenti voltaj sensör olarak görev yapar. P bölgesi kanalın seçiciliğini belirler. Voltaj kapılı Potasyum Kanalları     Aksonlar dışındaki uyarılabilir zarlarda çok değişik tiplerde K kanalları bulunur.   Bazı hücrelerde pacemaker potansiyellerinin oluşumu, Bazılarında hücre uyarılabilirliğinin düzenlenmesinde rol alırlar. Tüm K kanallarının zıtlanma (reversal) potansiyeli negatif değerdedir.  1. 2.  K kanallarının bir kısmı hızlı açılırken bir kısmı çok yavaş açılır. Kalp kasında ise en az üç ayrı türden K kanalı bulunur. Bu nedenle hepsi uyarılmayı söndürmeye çalışırlar. dînlenim zar potansiyelinin değerini belirleyici rol oynarlar, aksiyon potansiyelinin repolarizasyon safhasından sorumlu, İletkenliği K = 4-14 pS. K Kanal Çeşitliliği      Çeşitlilikleri çoktur bu şekilde değişik işlevler üstlenebilirler. Gecikmiş doğrultucu (delayed rectifier) kanallar (IK) En iyi bilinen tipidir  Potansiyel değişikliğinden sonra gecikerek açıldıkları için bu isim verilmiştir  Gecikmeli doğrultucu kanalları tetraetilamonyum (TEA) ile bloke edilir, KA kanalları (IA): Şifreleme özelliklerine sahip bazı nöronların, eşik altı potansiyellerde hızla aktive olur ve hızlı inaktive olur (transient).  Bunlar, zar bir hiperpolarizasyonu izleyerek depolarize olduğunda aktive olur.  KA kanalları 4-aminopyridin (4-AP) ile bloke olur. KCa kanal: Hücre içi Ca ([Ca]i) artışıyla aktive olur.  Bazı nöronlarda bir süre susup bir süre aksiyon potansiyel dizileri şeklinde yanıt oluşmasına neden olur. İçeriye doğrultucu-Invard rectifier kanalları (Kir) zar depolarize olduğunda kapıları kapandığı, hiperpolarize olduğunda ise açıldığı için bir diyot gibi çalıştığı düşünülür  zar potansiyelini stabilize etmeye yönelik çalışır  Ba2+ ile bloke olur KALSİYUM KANALLARI Her ne kadar aksonlarda AP iletiminde Na ve K kanalları işlev görürse de diğer birçok uyarılabilir hücrede Ca kanalları da önemlidir. Örneğin kalp ventrikülünde bir AP 0,2-0,5 s arasında sürmektedir. Çok çabuk inaktive olan Na kanalları ile bu kadar uzun süreli depolarizasyonlar gerçekleştirilemez. Bu dokuda hücre zarları, Na kanallarına ve bbu kanallar gibi düşük voltajla aktive olup inaktivasyon gösteren Ca kanallarına ek olarak, aktive olmaları için daha büyük depolarizasyonlar gerektiren ve hemen hiç inaktive olmayan Ca kanalları da içermektedir. KALSİYUM KANALLARI Düz kaslarda, pacemaker hücrelerinde, embriyonik kas ve sinirlerde Na kanalları çok az bulunur veya hiç bulunmaz. Genel olarak Na kanalları çok kısa süreli ve hızlı yükselen AP’leri verirken, Ca kanalları uzun süren ve yavaş yanıtlar verirler. Voltaj kapılı Kalsiyum Kanalları      Voltaj kapılı Ca2+ kanalı 1 alt ünitesinin yanısıra extracellular 2 alt ünitesi, bir sitoplazmik  alt ünite ve membrane-spanning  ve  alt ünitesinden oluşur. Ca kanalları uzun süren ve yavaş gelişen aksiyon potansiyeli oluşturabilirler. Kalsiyum kanalları, Ca2+ dan başka Ba2+ ve Sr2+ iyonlarına da çok iyi geçirgendir Organik BAY K 8644 ile kanalın açılma olasılığı artar. Organik blokürler: verapamil ve türevi D-600, dilitazem, nifedipine ile,  Ca kanalları voltaj kapılı olmasından dolayı voltaj bağımlı süreçleri (kasılma, nörotransmitter salınması vb) etkiler.  İnorganik blokürler: (La3+>Co2+>Mn2+>Ni2+>Mg2+) Ca kanallarını bloke eder. Ca Kanal Çeşitliliği  Düşük voltajla aktive olan (low-voltage activated, LVA)-Ttipi Ca kanalı:  hızlıca voltaj bağımlı inaktivasyon gösterir,  iletkenliklerinin küçük ve geçici (transient) akım oluştururlar.  Kalp hücrelerinde rastlanılmaktadır.  Yüksek voltajla aktive olan (high-voltage activated, HVA) L-tipi Ca kanalı:  İletkenlikleri büyük ve uzun süreli akım oluştururlar.  L-tipi: Nifedipin bloke eder  P/Q tipi: -agatoxin bloke eder  N tipi: -conotoxin bloke eder  R-tipi: farmakolojik olarak bloke olmazlar KLOR KANALLARI Canlılarda bol bulunan Cl iyonlarının zarın iki tarafındaki dağılımı dengededir ve klor denge potansiyeli dinlenim zar potansiyeli dolaylarındadır. Çok farklı tipleri saptanmış Cl kanallarının bilinen en önemli işlevi zar potansiyelini stabilize etmektir. SİNAPS MODELLERİ VE SİNAPTİK POTANSİYELLER Canlıların birçok fonksiyonlarını yerine getirebilmeleri için hücreler arasında iletişim (communication) kurulması gerekir. Hücreler birbirinden çok uzakta iseler enformasyon aktarımı kimyasal ajanlar aracılığı ile gerçekleşir (Hormonlar gibi). Komşu sinir hücreleri arasında veya komşu bir sinir hücresi ile bir kas hücresi arasındaki enformasyon aktarımına sinaptik iletim, Komşu hücreler arasında bu iletişimin gerçekleştiği, yapısal ve işlevsel olarak özelleşmiş bölgelere ise sinaps adı verilir. Mesajı gönderen ve presinaptik hücre olarak adlandırılan hücre ile mesajı alan postsinaptik hücre, bu kavşak bölgelerinde birbirlerine oldukça yaklaşırlar. Sinaptik iletim 1-) Elektriksel sinapslar; hücreden hücreye iletişimin tamamen elektriksel yoldan gerçekleştiği sinapslardır 2-) Kimyasal sinapslar; hücreden hücreye iletişimin kimyasal maddeler aracılığıyla gerçekleştiği sinapslardır. 1-) Elektriksel sinapslar 1-) Kimyasal sinapslar 1-) Kimyasal sinapslar Özellik Elektriksel Sinaps Kimyasal Sinaps Membranlar arası uzaklık ≈ 3 nm 20-40 nm Stoplazmik devamlılık ? Evet Hayır Yapısal Birim(ler) Gap-junction kanalı Çok sayıda (veziküller, proteinler ve postsinaptik reseptörler) Transmitter İyonik akım Kimyasal transmitter İletim Gecikmesi 0.1 ms 0.3-10 ms İletim Yönü İki-yönlü olabilir Tek-yönlü SİNİR-KAS KAVŞAĞI SİNİR-KAS KAVŞAĞI SİNİR-KAS KAVŞAĞI Figure 4-19, Sherwood, 2001 İKİNCİL HABERCİLER Birçok hormon, nöromodülatör ve düzenleyici molekül G PROTEİNİ (GTP bağlayan protein) içeren sinyal iletim yolakları aracılığıyla hücresel süreçleri değiştirirler. G Proteininin 2 durumu vardır: 1- Aktif G proteini (GTP bağlı) 2- İnaktif G proteini (GDP bağlı) G Proteini; 1- Monomerik G Proteini 2 – Heteromerik G Proteini 1- Monomerik G Proteini Guanin nükleotid salan protein (GNRP) tarafından aktive edilirken GTPase’ı aktive eden proteinler (GAPs) tarafından inaktive edilir. - Protein sentezinde polipeptid zincirin uzamasını - Hücrelerin ayrılmasını - Farklı moleküller arasında vezikül taşınımını - Eksitotik sekresyonu düzenler 2- Heterotrimerik G Proteini Spesifitesi ve fonksiyonu genellikle subunitleri ile belirlenir. 3 subuniti vardır. 1-  (40.000-45.000 Dalton), 16 subunit 2-  (35.000 Dalton), 5 subunit 3-  (8.000-10.000 Dalton), 11 subunit G PROTEİNLERİ (GTP-bağlayan Proteinler) G proteinin aktivasyonu subunitte konformasyon değişikliğine neden olur.  subuniti GTP için yüksek afiniteye sahip aktif forma dönüşür. Aktif olan  subunit  çiftinden ayrılır. Ayrılan  subunit başka bir proteinle etkileşime girer. Eksitatör Post-Sinaptik Potansiyel (EPSP) Pre-sinaptik terminalden salınan transmitterin postsinaptik nöron zarında oluşturduğu yerel depolarizasyon. Transmitter post-sinaptik nöronun zarındaki reseptörlere bağlanır, sodyum/potasyum iyon kanallarını açar. Kimyasal Kapılı İyon Kanalları Transmitter Na+ Kimyasal-kapılı Kanal K+ Post-sinaptik nöronun depolarizasyonuna neden olur EPSP Figure 5.13 & 5.17a, Bear, 2001 Zamansal (Temporal) Sumasyon Post-sinaptik nöronda bir aksiyon potansiyeli yaratmak için aynı presinaptik terminalin yüksek frekansta ateşlenmesi ile oluşan EPSP’lerin birlikte toplanması. EPSP’nin temporal sumasyonu Figure 5.17c, Bear, 2001 Uzaysal (Spatial) Sumasyon Postsinaptik nöronda aksiyon potansiyeli yaratmak için iki veya daha çok presinaptik nöronun aynı anda ateşlenmesi ile oluşan EPSP’lerinin birlikte toplanması. EPSP’nin uzaysal sumasyonu Figure 5.17b, Bear, 2001 İnhibitör Post-Sinaptik Potansiyel (IPSP) Pre-sinaptik terminalden salınan transmitterin postsinaptik nöron zarında oluşturduğu hiperpolarizasyon. Transmitter post-sinaptik nöronun zarındaki reseptörlere bağlanır, klor iyon kanallarını açar. Kimyasal Kapılı İyon Kanalları Transmitter ClKimyasal-kapılı K+ Kanalı See Figure 5.14, Bear, 2001 K+ Post-sinaptik nöronun hiperpolarizasyonuna neden olur IPSP Figure 5.14, Bear, 2001 30 İnhibitör Post-Sinaptik Potansiyel Cl- 20 10 0 -10 mV -20 -30 -40 K+ -50 IPSP -60 -70 -80 -90 10 20 30 msec 40 50 60 IPSP’lerin Sumasyonu 30 20 10 0 -10 mV -20 -30 -40 IPSP’lerin sumasyonu A.P. oluşturmayı daha zorlaştırır. -50 -60 -70 -80 -90 10 20 30 msec 40 50 60 DİVERJANS KONVERJANS