Bölüm 7 |
Dr. Ersin O. Koylu |
MEMBRAN POTANSİYELİ
·
Nöron içinde ve nöronlar arasında bilgi (information); elektriksel ve
kimyasal sinyallerle iletilir.
·
Elektriksel sinyaller: Hücre
içine ya da dışına geçici olarak gerçekleşen ani iyon
akımları ile hücre membranının dinlenim konumundan
uzaklaşması ile ortaya çıkar.
·
Elektriksel sinyallerin
oluşturulması açısından iyon kanalları fonksiyonel
olarak ikiye ayrılır:
o Kapılı (gated) kanallar:
Genellikle kapalı, ligand, voltaj değişikliği, gerilme gibi
dış faktörlerin etkisiyle açılır.
o Dinlenim (istirahat) kanalları:
Genellikle açık, dış faktörlerden fazla etkilenmeyen, istirahat
membran potansiyelinin oluşmasından sorumlu.
İstirahat Membran Potansiyeli: Membranın İki Yüzünde Farklı Yüklerin Bulunması
|
Fig 7-1Pozitif ve negatif yüklerin membranın iki
yüzünde farklı olarak bulunmalarından kaynaklanan membran
potansiyeli. |
·
İstirahat durumu: Hücrenin iç tarafında
negatif, dış tarafında pozitif iyonların birikimi
o Membranın
bazı iyonların difüzyonunu engellemesi ® Membranın iki
tarafı arasında bir ‘elektriksel potansiyel
farklılığı’ : Membran potansiyeli (Vm)
o Vm
= Viç – Vdış
·
İstirahat membran
potansiyeli: Hücrenin uyarılmadığı durumda membran
üzerindeki potansiyel farkı.
o Membranın
dış tarafındaki potansiyel 0 olarak kabul edilir ® İstirahat membran
potansiyeli (Vr) = Viç.
o Nöronlarda
–60 mV ile -70mV arasında.
·
Pozitif (katyon) veya negatif
(anyon) yüklü iyonların hücre içi veya dışına hareketleri:
Membranın polarize durumunun bozulması.
o Membran potansiyelinin daha az negatif bir duruma gitmesi:
Depolarizasyon
o Membran potansiyelinin daha negatif bir duruma gitmesi:
Hiperpolarizasyon
·
Membran üzerindeki iyon kanallarının
açılmasına neden olmayan membran potansiyeli
değişiklikleri: Elektrotonik potansiyeller ® ‘membranın pasif
cevapları’
·
Vm’de
hiperpolarizasyon yönündeki değişiklikler ve küçük depolarizasyonlar ® Genelde ‘membranın pasif cevabı’ olarak
sonuçlanır.
Vm’de depolarizasyon yönündeki değişiklikler ® Eşik değeri aşarsa, aksiyon potansiyeli
oluşumuna neden olur.
|
Membran potansiyelinin kaydedilmesiMembran potansiyeli kayıt teknikleri
1940’lı yıllarda geliştirildi. Bu teknikle hem istirahat hem
de aksiyon potansiyeli kaydı yapılabilir. Elektrot olarak içi
konsantre tuzlu su ile dolu cam pipetler kullanılır. İki elektrottan
bir hücre içine, diğeri ekstrasellüler alana yerleştirilir ve
membran potansiyeli bir amplifikatörden geçirildikten sonra osiloskop
ekranında gözlenebilir. |
|
Depolarizasyon ve hiperpolarizasyonun kaydedilmesi
Kayıt sistemine ikinci bir çift elektrot eklenerek bu elektrotlara bağlı bir jeneratör ile membran potansiyeli değiştirilerek kayıt yapılabilir. |
İstirahat Membran Potansiyeli: İstirahat İyon Kanallarının Rolü
·
İyonlar: Hücrenin içinde ve
dışında eşit olarak dağılmaz.
|
Sitoplazmik
konsantrasyon (mM) |
Ekstrasellüler
konsantrasyon (mM) |
Denge
potansiyeli (mV) |
K+
|
400 |
20 |
-75 |
Na+
|
50 |
440 |
+55 |
Cl-
|
52 |
560 |
-60 |
A-
(Organik anyonlar) |
385 |
- |
- |
·
İstirahat membran
potansiyelinin oluşmasında iki örnek:
o Glia
hücreleri istirahat membran potansiyeli (glial hücre membranı istirahat
durumunda sadece K+ için geçirgendir)
o Nöronal
istirahat membran potansiyeli (istirahat durumunda üç iyona geçirgendir)
Glial hücrelerde istirahat membran potansiyeli
·
K+ hücre içinde yüksek konsantrasyonda ® Hücre membranı K+
için geçirgen ®
Hücre dışına K+ difüzyonu ® Hücre
dışında pozitif yüklerin artması, hücre içinde
azalması (hücre içinde negatif durum).
·
K+ dışarı hareketi:
Kendi kendini kısıtlayıcı (self-limiting)
o K+
dışarı difüzyonu ®
hücre içi elektronegatif durum ®
K+ dışarı hareketine karşı durum
o Kimyasal
itici gücün (driving force) elektriksel itici (çekici) güç
tarafından engellenmesi
o Kimyasal gücün elektriksel güç tarafından
dengelendiği nokta: K+ için denge (equilibrium)
noktası (EK) = -75 mV.
|
Fig 7-3A. Uyarılmadığı durumda
sadece K+ geçirgen olan bir hücrede, hücre dışına K+
difüzyonu istirahat membran potansiyelinin oluşmasını
sağlar. B. Devam eden K+ difüzyonu hücre
içinde negatif yüklerin fazlalaşmasına neden olur bu durum daha
fazla K+ difüzyonunu engeller. |
·
Herhangi bir X iyonu için denge potansiyeli
1888’de Walter Nerst tarafından gösterilmiştir:
R: Gaz sabiti
T: Sıcaklık (Kelvin)
z: İyonun valansı
F: Faraday sabiti
[X]dış ve [X]iç: X iyonunun hücre
dışı ve içindeki konsantrasyonları
o 25°C oda
ısısında RT/F = 25 mV olduğuna göre;
o K+
için valans: +1, mürekkep balığı aksonunda konsantrasyonlar
dış: 20, iç: 400 olduğuna göre
(Nerst
Potansiyeli)
Nöronlarda istirahat membran potansiyeli
·
Uyarılmadıkları durumda hücre
membranı K+ dışında Na+ ve Cl-
için de geçirgen.
o K+ hücre dışına
çıkışı + organik anyonların etkisi: Hücre içinde
negatif membran potansiyeli ® K+ için denge durumu
o Na+ : Elektrokimyasal itici güç ile hücre içine
girme eğilimi ® K+ için denge durumunun bozulması
o Hücre membranının K+ geçirgenliği
Na+ 'dan daha yüksek ® Hücre dışına K+
çıkışının tekrar başlaması ® Negatif istirahat membran potansiyelinin korunması
o Sonuç: İstirahat membran potansiyeli, açık iyon
kanallarının neden oluğu
iyon akımlarının ortak oluşturduğu denge
tarafından belirlenir.
o İyon akımı: (elektriksel itici güç +
kimyasal itici güç) x membran geçirgenliği.
|
Fig 7-4 Elektriksel itici güç: Kırmızı,
kimyasal itici güç: Mavi ok. Sağ diagram: Elektrokimyasal güçlerin neden
olduğu net itici güç ve net akım A. Sadece K+ geçirgen bir
hücrede istirahat membran potansiyeli (K+ için denge durumu, Vm
= Ek) B. Elektrokimyasal olarak hücre içine Na+
girişi C. K+ çıkışının
artışı, istirahat membran potansiyelinin yeniden oluşumu. D. A, B ve C durumlarında membrandaki
voltaj değişimleri |
Pasif Na+ ve K+ akışının aktif iyon pompası ile dengelenmesi
·
Hücre içine Na+ akımının
devam etmesi, bunun hücre dışına K+
çıkışı ile karşılanması ® hücre içinde ve
dışında iyon dengelerinin tersine dönmesi (devam ettirilmesi
olası olmayan bir durum)
·
Bu durumu önlemek için çözüm: Na+ - K+
pompası.
o
Pompanın her siklusu bir molekül ATP'nin
hidrolizi ile gerçekleşir.
o
Her siklusta: [3 Na+], [2 K+]¯
o
Na+ - K+ pompası:
Çalıştığı zaman membran potansiyelini
değiştirici etkiye sahip Ş
Elektrojenik pompa
Klor iyonları
·
Na+ ve K+ aktif olarak pompa
ile kontrol edilirken hücre aktif Cl- pompasına sahip
değilse; Cl- dengesi membran potansiyeli tarafından
belirlenir ®
ECl = Vr Ş ihmal edilebilir.
·
Bir çok nöronda Cl- sekonder aktif
transport ile hücre dışına taşınır ® Cl- istirahat membran potansiyelinin oluşumuna önemli
katkıda bulunur
Goldman Eşitliği: Farklı İyonların Membran Potansiyeli Oluşumuna Katkısı
·
İstirahat durumunda membrandan geçebilen
iyonların iç ve dış konsantrasyonları, ve membranın bu
iyonlar için geçirgenliği istirahat membran potansiyelini belirler.
R: Gaz sabiti
T: Sıcaklık (Kelvin)
z: İyonun valansı
F: Faraday sabiti
P: İyon için membranın permeabilitesi
·
Goldman eşitliği:
o
Membran potansiyelinin (Vm)
değişmediği durumlarda geçerlidir.
o
Membran geçirgenliği iyonlardan biri için çok
fazla artarsa; diğer iyonların rolü azalır ve Vm
, Goldman eşitliği ile değil, o iyon için Nerst denklemi ile
hesaplanır.
·
Alan Hodgkin ve Bernard Katz: Mürekkep
balığı dev akson üzerinde çalışmalar.
o
İstirahat durumunda membran potansiyeli Goldman
eşitliği ile hesaplanır. Bu durumda iyon geçirgenliği: K+
> Cl- >Na+
o
Aksiyon potansiyelinin tepe noktasında
ise geçirgenlik Na+ >> K+ >
Cl-
Bu durumda membran potansiyeli, Nerst denklemi ile hesaplanan Na+
için denge potansiyeline yaklaşır.
Nöronun Fonksiyonel Özelliklerinin Elektriksel Devrelerle İfadesi
·
Membran potansiyelindeki hızlı
değişimlerden dolayı, Goldman eşitliği limitlidir.
·
Bir 'denk devre' (equivalent circuit) ile nöronun özellikleri
direnç, güç kaynağı ve kapasitörler sayesinde ifade edilebilir.
o
Direnç (resistor): İyon kanalları
o
Güç kaynağı (battery): İyonların hareketini sağlayan
konsantrasyon gradyanları
o
Kapasitör (capacitor): Membranın elektriksel yükleri üzerinde tutabilme
özelliği
İyon kanallarının iletkenlik ve güç kaynağı olma özelliği
·
Lipid çift katlı membran (membran proteinleri
olmaksızın) iyonlara çok az geçirgen ® İyi iletken
değil. İyon kanalları sayesinde membran iletkenliği 40.000
kat artar (1 pSiemens Ş
40 x 10-9 Siemens)
·
Bir 'denk devre'de bir K+
kanalı iletken ya da direnç olarak ifade edilebilir (İletkenlik =
1/direnç)
·
K+ için
konsantrasyon gradyanı yoksa ® Ohm yasası geçerlidir ® iK = gK x Vm.
|
Fig 7-5 A. Tek bir K+
kanalının iletken (g) veya direnç (r) olarak ifadesi. B. Tek bir K+ kanalı için
konsantrasyon gradyanının olmadığı durumda akım
(i) - voltaj (V) ilişkisi. |
·
Normal şartlarda ise K+ için daima
konsantrasyon gradyanı vardır. Bu gradyan 'denk devre'de güç
kaynağı olarak ifade edilir. Bu güç tek başına Nerst
denkleminde K+ için denge durumunu sağlayacak güce eşittir
(EK).
|
Fig 7-6 A. Konsantrasyon gradyanının güç
kaynağı olarak ifadesi. B. Elektriksel ve kimyasal itici güçlerle
birlikte akım-voltaj ilişkisi. Akımın 0 olduğu
noktadaki voltaj, Nerst denklemine göre K+ için denge
noktasıdır (EK). |
====
·
Normal şartlarda bir nöronda hem bir iyon
için kimyasal gradyan, hem de membran üzerinde bir potansiyel farkı
vardır ®
Bir iyonun net hareketi bu iki gücün etkisi altındadır.
Örneğin K+ için:
iK
= (gK
x Vm) - (gK
x EK) = gK
x (Vm - EK)
[Vm
- EK] : Elektrokimyasal itici güç
Hatırlatma:
İyonların
membrandan geçişi ile ilgili iki terim: Geçirgenlik (permeability)
ve iletkenlik (conductance).
Geçirgenlik: Membranın bir özellik
olarak iyonlara karşı gösterdiği kolaylığın
ölçülmesi. Membran üzerindeki iyon kanallarının sayısına ve
tiplerine bağlıdır.
İletkenlik: Membranın ya da bir
kanalın elektrik akımını iletebilme derecesinin ölçülmesi.
Örnek:
Bir membran üzerindeki K+ kanallarından dolayı K+
için yüksek geçirgenliğe sahiptir. Ancak, ortamda K+ yoksa, bu
membranın K+ iletkenliği sıfırdır. Pratik
olarak, Goldman denklemi ile yapılan hesaplamalarda geçirgenlik, 'denk
devreler' ile yapılan hesaplamalarda iletkenlik ölçülmüş olur.
====
·
Bir membran üzerinde çok
sayıda K+ kanalı bulunur. Bunların tümü tek bir 'denk
devre' üzerinde gösterilebilir.
|
Fig 7-7 gK: Her bir kanal için K+
iletkenliği NK: Pasif K+ kanal
sayısı gK:
İletkenlik (tüm K+ kanalları/membranın tümü için) |
·
K+ kanalları
gibi, Na+ ve Cl- kanalları da 'denk devre' ile ifade
edilebilir.
|
Fig 7-8 E: Na+ , K+ ve Cl- için
elektromotor güçler g: Na+ , K+ ve Cl- membranın
toplam iletkenliği |
·
Ekstrasellüler alan ve
sitoplazmanın iyi birer iletken olduğu düşünülürse, tüm iyon
kanalları tek bir 'denk devre' üzerinde ifade edilebilir.
|
Fig 7-9 |
·
Daha önce anlatıldığı
gibi, istirahat membran potansiyelinin devam ettirilmesinde önemli bir rol Na+
- K+ pompasına aittir. Bu nedenle 'denk devre' üzerinde Na+
- K+ pompası da bir akım jeneratörü olarak ifade
edilmelidir. Pompanın sağladığı akım I'
olarak ifade edilir.
·
Ayrıca membranın iki
yüzü arasındaki izolasyon, membranın iki yüzeyinde farklı
yüklerin toplanabilmesini sağlar. Bu da, membranın kapasitans
yeteneği (Cm)olarak 'denk devrede' ifade edilir.
|
Fig 7-10 |
·
Membranın iki yüzü arasındaki potansiyel
farkı:
V = Q
/ C
V:
Potansiyel farkı
Q: Membranın her iki yüzündeki (-) veya (+) yük fazlalığı
C: Kapasitans
o Kapasitans:
Farad (F) birimi ile ifade edilir.
o Membranın
iki yüzü arasındaki yük ayrımı 1 coulomb , membran
kapasitansı 1 farad ise, membranda 1 volt potansiyel
farkı oluşur.
Bir
nöronda beklenen değerler:
Kapasitans:
1mF/cm2
(membran alanının her cm2'si için).
Membran
tarafından ayrılan pozitif ve negatif iyonların
sayısı: 29 x 106.
Membran
potansiyeli: - 60 mV.
Box 7-2
İstirahat Membran Potansiyelinin Hesaplanması için 'Denk Devre' Modelinin Kullanılması
·
Hesabı basitleştirmek için göz ardı
edilenler:
o Cl-
kanalları
o Küçük
etkisinden dolayı; Na+ - K+ pompası
o Vm
değişmediği için; membran kapasitansı
·
Hesaplamada kullanılan membran
iletkenlikleri:
o gK:
gNa'dan 20 kat daha büyük
o gNa:
0,5 x 10-6
o gK:
10 x 10-6
|
Fig 7-11 |
·
Vm
sabit olduğuna göre ® Net akım = 0 ® INa +
IK = 0
·
INa
= gNa x (Vm - ENa) ve IK
= gK x (Vm - EK)
·
Vm
x (gNa + gK) = (ENa x gNa)
+ (EK x gK)
·
Vm
= (ENa x gNa) + (EK x gK)
/ (gNa + gK)
·
Vm
= -69 mV
Klor kanallarının hesaba eklenmesi
|
Fig 7-12 |
|
·
Klor iyonları membranın iki yüzü
arasında pasif olarak dağılıyorsa; bu hesaplamadan sonra Vm'de
değişiklik görülmeyecektir. Aktif Cl- transportu varsa, Vm
; -69 mV'dan biraz daha negatif çıkacaktır.
·
'Denk devre'nin basitleştirilmesi; tüm
iletkenlik ve konsantrasyon gradyanlarının tek formül ile ifadesi.
|
Fig 7-13 |
Özet
·
Lipid çift tabaka iyonlar için geçirgen
değildir, iyonlar sadece özel kanallar sayesinde hücre
membranını geçebilir.
·
Hücre uyarılmadığı durumda,
hücrenin içi ve dışına devam eden pasif iyon akımları
dengelenir ve potansiyel sabit kalır (istirahat membran potansiyeli).
·
İstirahat membran potansiyeli
uyarılmamış hücre membranının geçirgen olduğu
iyonlar tarafından saptanır. Pratik olarak, en yüksek permeabiliteye
sahip iyonun Nerst (denge) potansiyeli istirahat membran potansiyeline en
yakın olandır.
·
Nöronlar için istirahat membran potansiyeli K+
denge potansiyeline yakındır. Na+ iyonlarının
hücre içine girişi K+ çıkışı ile
dengelenir. Na+ - K+ pompası ve nöronların bir
çoğunda bulunan Cl- pompası da istirahat membran
potansiyeline katkıda bulunur.