Bölüm 8 |
Dr. Ersin O. Koylu |
·
Her hücre membran
potansiyeline sahiptir ancak, sadece kas ve sinir hücreleri
oluşturdukları elektriksel sinyalleri hızla uzun mesafeler
boyunca yayabilir.
·
Bu bölümde sinir hücresinin pasif
elektriksel özellikleri ve geometrisinin sinyal iletme özelliğini
nasıl etkilediği tartışılacaktır.
·
Nöronlar üç pasif elektriksel özelliğe
sahiptir:
o
İstirahat membran
direnci
o
Membran kapasitansı
o
Akson ve dendritler boyunca
oluşan hücre içi aksial direnç
·
Bu özellikler aynı zamanda elektriksel
devrenin tamamlanmasını sağlayan elemanlar olduklarından,
oluşacak sinaptik potansiyelin zamanlaması ve büyüklüğünü de
belirlerler.
Nöronda Girdi Direnci (input resistance) ve Membran Potansiyelinin Pasif
Değişiklikleri Üzerine Etkisi
·
İstirahat durumundaki bir hücreye
negatif akım verilmesi ®
hiperpolarizasyon, pozitif akım verilmesi ®
depolarizasyona neden olur.
o
Ancak, nöron bir direnç
gibi davranarak membran potansiyelinin orijinal değerine dönmesine neden
olur.
§ Ancak
pozitif akımın oluşturduğu depolarizasyon eşik
değeri aşarsa bir aksiyon potansiyeli oluşacaktır (voltaj
kapılı Na+ kanalları, membranın basit bir direnç
gibi davranmasına engel olacaktır).
o
Membran üzerine
uygulanan bir akımın membran potansiyelini değiştirmesi
ancak, membran potansiyelinin tekrar orijinal değerine dönmesi nöronun
girdi direnci (input resistance) olarak adlandırılır.
o
Membrana uygulanan
akım ile nöronun girdi direnci arasında lineer bir ilişki
vardır.
o
Membran potansiyelinde
meydana gelen değişiklik (DV = I x Rgirdi) formülü ile hesaplanır.
|
Fig 8-1 A. Membran üzerine uygulanan
farklı negatif ve pozitif akımların (A1), membran
potansiyelinde yarattığı değişiklikler (A2). B. Akım-membran potansiyeli
arasındaki lineer ilişkinin grafik gösterimi. |
·
Nöronların girdi
direncini etkileyen faktörler:
o
Küresel biçimli bir nöronun girdi direnci
üzerindeki iyon kanallarının yoğunluğu ve hücrenin boyutuna
bağlıdır.
§ Daha
büyük nöron ®
Daha büyük yüzey alanı ®
Daha çok iyon kanalı ®
Daha düşük girdi direnci.
o
Değişik büyüklükte
nöronların membran özelliklerini belirlemek için; birim membranın
direnci kullanılır (bir santimetre kare alandaki iyon kanalı
sayısı) ®
Özgül membran direnci (specific membrane resistance):
Rm
§ Rm
birimi: W×cm2.
o
Nöronun toplam girdi direnci: Özgül membran
direncinin hücrenin yüzey alanına bölümü ile bulunur.
§ Rgirdi = Rm/4pr2
(r: küresel nöronun yarıçapı)
o
Sonuç: Küresel bir
nöronda girdi direnci, yarıçap ile ters orantılıdır.
o
Gerçek bir nöronda ise akson ve dendritler
de girdi direncini etkiler.
Membranın Kapasitans Etkisinin
Elektriksel Sinyallerin Zaman Akışına (time course) Geciktirici Etkisi
|
·
Fig 8-1'de gösterildiği gibi,
akım uygulamasına karşı hücre membran potansiyelinde
meydana gelen değişiklikler basit bir direncin
davranışına benzer.
·
Buna karşın
uygulanan akımın her artan ya da azalan adımında cevap
süresi biraz daha uzar. Bu durum membranın kapasitans özelliğinden
kaynaklanır.
V = Q/C
V: Membran üzerindeki voltaj (mV)
Q: Coulomb cinsinden membran üzerindeki yükler
C: Farad cinsinden kapasitans
§
Voltaj değişikliği (DV)
için yüklerde de değişiklik olması gerekir (DQ)
§ DV = DQ/C
§
DQ:
Birim zamanda kapasitör üzerindeki akım (IC) sonucu
oluşur
§
IC = DQ/Dt, DQ = IC×Dt
§
DV = IC×Dt/C
®
Bir uyarıya cevap olarak kapasitörde meydana gelen voltaj
değişikliği, uyarının süresine
bağlıdır.
§
Bu süre; pozitif ya da negatif yüklerin
kapasitörün plakalarına yüklenmesi ve ayrılması için geçen
süredir (biyolojik membranlarda çift katlı lipid: kapasitörün
plakaları) ®
kapasitör alanı büyüdükçe süre uzayacak; potansiyel farkı (DV)
artacaktır.
·
Biyolojik membranlarda özgül (birim alana
düşen) kapasitans: Cm: 1mF/cm2.
·
Küresel bir hücrenin toplam girdi
kapasitansı: Cgirdi: Cm(4pr2)
·
Sonuç: Hücre boyutu ile
kapasitans artar ® Büyük bir nöronda, küçük bir nöron ile aynı
potansiyel farkını yaratmak için daha büyük uyarı (akım)
gerekir.
·
Bölüm 7'de tanımlanan
'denk devre'de direnç ve kapasitör paralel devrelerde gösterilmiştir.
Bunun nedeni akımın hem iyon kanalları, hem de membrandan
geçebilmesidir.
o
İyon kanallarından geçen
akım; (+) veya (-) yüklü iyonlar tarafından taşınır ve
iyonik
membran akımı olarak adlandırılır
o
Yine iyonlar tarafından
oluşturulan ancak, iyonların membranın iki yüzünde
toplanması ile net yük olarak ortaya çıkan akım ise kapasitif membran
akımı olarak adlandırılır.
o
Örneğin; hücre dışına
doğru olan bir kapasitif akım membranın iç yüzünde pozitif
yüklerin birikmesine neden olurken membran dışında aynı
miktarda pozitif yükün azalmasına neden olur.
Membranı geçen toplam akım: Im = Ii
+ Ic
|
Fig 8-2 Membran kapasitansının
etkisinin ölçülebileceği bir 'denk devre'. Tüm istirahat iyon kanalları Rgirdi
olarak tek bir direnç üzerinde gösterilmiştir. İyon difüzyonunu temsil eden
elektrokimyasal güç kaynakları (battery) membran potansiyelinin
değişiklik oranını değil, sadece mutlak membran
potansiyelini temsil eder, bu nedenle devreye dahil edilmemiştir. |
Membranın kapasitans ve direnç
özelliklerinin membran potansiyeline etkisi
·
Membran sadece basit bir direnç gibi
davransaydı ®
Basamak (step) şeklinde bir uyarı, aynı şekilde bir
membran potansiyeli değişikliği meydana gelecekti.
·
Membran sadece bir kapasitör gibi
davransaydı ®
Aynı uyarıya membran, zaman içinde lineer olarak artan bir membran
potansiyeli değişikliği ile cevap verecekti
·
Membran üzerinde her iki özelliğin
bulunması ®
Membran potansiyelindeki değişikliğin eğimli
olmasına neden olur (başka bir deyişle; kapasitans
özelliği, membran potansiyelindeki değişiklikleri
yumuşatır).
|
Fig 8-3 a: Basit direnç gibi davranan membranda
potansiyel değişikliği b: Sadece kapasitör olarak davranan
membranda potansiyel değişikliği c: Her iki özellik sonucu ortaya
çıkan potansiyel değişikliği Alt Kısım: Toplam membran
akımının (Im) iyonik (Ii) ve kapasitif (Ic) komponentleri. Toplam voltaj
değişikliğinin %63'üne kadar geçen süre zaman sabitini (t) belirler. Nöronlarda t, 20 - 50 milisaniye
arasında değişir. |
Potansiyel
değişikliğinin yükselen fazının formülü: DVm(t) = Im×Rgirdi×(1 - e-t/t ) e: logaritmik sistem sabiti: 2,72 |
Sinyal
İletiminin Etkinliği, Membran ve Aksoplazmik Direncin Etkisi
·
Şimdiye kadar
tartışılan konular: Küresel olduğu kabul edilen nöron
gövdesinin pasif elektriksel özellikleri
·
Dendrit, akson ve kas
lifleri boyunca sinyaller mesafe ile azalır.
·
Dendritler: Küçük kesit alanına sahip ®
Dendritik sitoplazmada yük taşıyan iyonlar diğer moleküller ile çarpışmaya
uğrar ®
Direnç artar
o
Dendrit çapı büyüdükçe Ş Direnç azalır
o
Dendrit uzunluğu
arttıkça Ş Direnç artar
·
Dendrit uzunluğu - direnç
ilişkisinin açıklanması: Dendritin birimler olarak ifadesi
|
Fig 8-4 Akson ve dendritlerin 'denk devre' ile
ifadesinde birimlere bölünmesi. Her bir birim kendi membran direnci ve
kapasitansına sahiptir. Her birim birbirine bir aksial direnç (ra
: Akson veya dendrit boyunca iyonların çarpışmaya
uğraması sonucu ortaya çıkan direnç) ve bir kısa devre
(ekstrasellüler sıvı) ile bağlıdır. |
·
Bu durumda, dendritin herhangi bir
noktasından uygulanan akım, hem membran (rm) hem de
aksial (ra) dirençler nedeniyle yol kat ettikçe
zayıflar.
|
Fig 8-5 A. Okların
kalınlığı, membrandaki akımın
yoğunluğunu temsil etmektedir. B. Potansiyel
değişikliğinin (DVm) orijinal değerinin %37'sine
düştüğü nokta uzunluk sabiti (l) olarak tanımlanır.
Nöronlarda l 0.1
- 1.0 mm. arasında değişir. |
Eksponansiyel zayıflama
eğrisinin formülü: DV(x) = DV0×e-x/l x: mesafe, V0: Akım
uygulama noktasında voltaj değişimi |
·
Uzunluk sabiti (l) nöronlarda pasif elektriksel yayılmanın
(elektrotonik ileti) ölçüsüdür. Elektrotonik ileti, iki önemli nöronal
fonksiyon üzerinde etkilidir.
o
Spasyal sumasyon:
Nöronun değişik bölgelerinde üretilen sinaptik potansiyellerin
tetikleme bölgesinde bir araya gelmesi, nöronun karar verme
elemanı.
o
Aksiyon potansiyelinin
yayılması: Daha büyük uzunluk sabitine sahip
nöronlarda aksiyon potansiyeli daha hızlı yayılır.
Açıklama:
Elektrotonik
ileti, aksiyon potansiyeli dışında membranda meydan gelen
elektriksel değişiklikleri ifade eder. Bu nedenle nöronun pasif
elektriksel özelliğidir.
Bu
değişiklikler eşik altı veya eşik üstü ölçülerde
olabilir.
Eşik
altı uyaranlar bir aksiyon potansiyeline neden olmaz.
Eşik
üstü uyaranlar bir aksiyon potansiyeli doğmasına neden olur ancak, bu
eşik üstü uyaranın yeni bir aksiyon potansiyeli oluşturmak üzere
komşu membran bölgesine ilerlemesi yine nöronun pasif elektriksel
özelliğidir. Dolayısıyla, aksiyon potansiyelinin
yayılması elektrotonik ileti ile ilgilidir.
|
Fig 8-6 Aksiyon potansiyeli oluşumuna neden
olan depolarizasyonun pasif iletimi. Dalga şeklinde bir aksiyon
potansiyeli sağdan sola doğru ilerlerken, 2 numaralı bölgenin
yük dağılımından dolayı 1 ve 3 numaralı
bölgelerle arasında bir kısa devre oluşur. Bu durum,
depolarizasyon dalgasının1 ve 3 numaralı bölgelere
yayılmasına neden olur. Ancak, aksiyon potansiyelinin
geldiği yöndeki (3 numaralı) bölge henüz K+ içeriği
bakımından stabil olmadığı için aksiyon potansiyeli
sadece 2 numaralı bölge yönünde ilerler. |
·
Dendritlerde olduğu gibi, aksonlarda
da akson çapı büyüdükçe aksial direnç azalır ®
Büyük nöronlar küçük nöronlara göre daha kolay uyarılır.
·
Aksial direnç ve membran kapasitansı
aksiyon potansiyelinin yayılma hızını sınırlayan
başlıca faktörlerdir.
|
Fig
8-7
A. Aksial direnç ve membran
kapasitansının iki komşu akson segmenti üzerinde ‘denk devre’
ile ifadesi B. Soldaki membran segmentinden
sağdaki segmente aksiyon potansiyelinin yayılması |
·
Aksonal ileti
hızını arttıran bir başka faktör: Myelinizasyon.
o
Fonksiyonel olarak
kapasitansın azaltılarak akson çapının 100 kat
arttırılması ile eşdeğerdir.
o
Bununla birlikte, nöronun
tetikleme bölgesinden (trigger zone) başlayan bir depolarizasyonun tüm akson
boyunca yayılması olanaksızdır.
§
Akson boyunca her 1-2 milimetrede bir yer
alan Ranvier boğumları sayesinde depolarizasyon uzun
mesafelere ulaşabilir. Bu boğumlar zengin voltaj-kapılı Na+
kanallarına sahiptir.
§
Ranvier
boğumları sayesinde depolarizasyon her boğumda yeniden artarak
aksiyon potansiyelinin yayılmasına olanak sağlar.
o
Ranvier boğumlarının bir başka avantajı,
iletinin boğumlar arasında atlayarak ilerlemesidir: Saltator
ileti.
§
Saltator
ileti, depolarizasyon yayılmasının hızını
arttırırken, aynı zamanda iyonik dengenin sadece boğumlar
bölgesinde bozulmasına ®
Bozulan dengenin düzeltilmesi için Na+ - K+
pompasının daha az çalışmasına ®
enerji tasarrufuna neden olur.
|
Fig
8-8
Ranvier boğumlarında aksiyon
potansiyelinin rejenerasyonu. A. Okların kalınlığı,
membran akımının büyüklüğünü temsil etmektedir. B. Myelin
kılıfını kaybetmiş aksonlarda aksiyon potansiyelinin
yavaşlayarak kaybolması (Guillain-Barre sendromu gibi). Bu
durumda azalmış akson kalınlığı ve yüksek
aksial direnç ve kısalmış uzunluk sabiti bu sonuca neden olur. |
Sonuç
·
Nöronların
fonksiyonel dizaynı iki birbiriyle yarışan gereksinime göre
oluşur.
o Sinir
sisteminin bilgiişlem (computing) yeteneğini
artırmak üzere, daha fazla nöron bulundurmak amacıyla nöron
boyutlarının küçülmesi
o Canlının
çevre ile ilişkilerine daha hızlı yanıt verebilmek
amacıyla ileti hızının arttırılması
·
Elektriksel sinyallerin
iletimini yavaşlatan faktörler:
o Sinir
hücresi membranının ince ve hücrenin iletken bir ortam ile
sarılı olması ®
Yüksek kapasitans
o Sitoplazmanın
iyi iletken olmaması ®
Membran potansiyelindeki değişikliğin iletilmesinde zorluk.
·
Kompansasyon
mekanizmaları:
o Voltaj-kapılı
Na+ kanalları
o Miyelinizasyon
ve akson çapının artması