Bölüm 9 |
Dr. Ersin O. Koylu |
AKSİYON POTANSİYELİ
İyonların Voltaj-Kapılı İyon Kanallarından Hareketi
·
Aksiyon
potansiyeli (AP) ile ilgili erken çalışmalar, Cole ve Curtis: AP
oluşumu sırasında membranın iyon geçirgenliğinde büyük
artış.
|
Fig 9-1 Cole
ve Curtis tarafından 1938 yılında iyonik akım ve aksiyon
potansiyelinin osiloskop kaydının eşzamanlı gösterilmesi. |
·
Alan
Hodgkin ve Bernard Katz:
o Ekstrasellüler Na+
oranı azalırsa AP amplitüdü de azalır ® AP oluşumundan sorumlu iyon
Na+
o AP sona ermesi sırasında
membranın K+ geçirgenliği artar.
Voltage-Clamp tekniği ile voltaj kapılı kanallardan Na+ ve K+ akımlarının kaydedilmesi
·
Alan
Hodgkin ve Andrew Huxley;
o Mürekkep balığı dev
aksonunda voltage-clamp çalışmaları: Membranın
değişik voltajlarda iyonlara karşı geçirgenliğinin
ölçülmesi
o Na+ için pozitif geri
besleme siklusu:
Voltage-clamp : AP oluşumu sırasında ortaya çıkan iyon
hareketlerinin gösterilmesine olanak sağlayan teknik. 1949'da deneysel olarak nöronlarda
membran potansiyelini sabitlemek amacıyla geliştirildi. 1950'lerde
Alan Hodgkin ve Andrew Huxley bu tekniği kullanarak AP
mekanizmasının temelindeki iyonik hareketleri gösterdi. Sistem temel olarak iki akım
elektrodu, bu elektrotlara bağlı bir akım jeneratörü ve bir
akım monitöründen oluşur. Akım jeneratörü sayesinde membran
belirli bir depolarizasyon seviyesinde getirilebilmektedir. |
Fig
9-2A |
Voltage-clamp
düzeneğinin işlemesi için bu sisteme bir negatif geri besleme
mekanizması eklenir. Bu mekanizma içinde iki amplifikatör yer alır.
|
Fig
9-2B |
Amplifikatörlerden biri (membran
potansiyeli amplifikatörü) hücre içi ve dışı iki elektrot ile
membran potansiyelini ölçer. Diğer amplifikatör (geri besleme
amplifikatörü) ise iki girdi alır; bunlardan biri membran potansiyelini ölçen
amplifikatörden gelen bilgi, diğeri ise jeneratörün
oluşturduğu orijinal voltaj bilgisidir. Geri besleme amplifikatörü,
membran potansiyeli ile orijinal voltaj arasındaki farkı kapatacak
gerekli akımı oluşturarak membran potansiyelinin daima sabit
bir düzeyde tutulmasını sağlar. ·
Membran üzerinde oluşturulan bir
depolarizasyon, voltaj-kapılı iyon kanalarının
açılmasına neden olur. Bu iyonların hareketi, normalde membran
üzerinde bir voltaj farkına neden olacaktır. Ancak, voltaj kıskacı
(clamp) voltajı belirli seviyede tutmaya devam eder. ·
Bu durumda, örneğin açılan bir
voltaj-kapılı Na+ kanalından içeri Na+
girişi ile membran içinde pozitif yükler artmaya
başladığı anda, geri besleme amplifikatörü zıt bir
etkiyle hücre içine negatif akım enjekte eder. ·
Böylece, hücre içine giren Na iyonunun
membran potansiyeli üzerinde bir değişiklik yapması
önlemiş olur. ·
Membran potansiyelini orijinal
değerine döndürmek için kullanılan negatif akım miktarı,
başlangıçtaki depolarizasyonun ne kadar Na+
girişine neden olduğunu gösterir. |
|
Fig 9-3A Tipik bir voltage-clamp denemesi
voltajın istirahat membran potansiyelinde sabitlenmesi ile
başlatılır. 10 mV gücünde bir uyarıya yanıt
olarak uyarının verildiği ilk anda iyonik olmayan (kapasitif)
bir akımdan sonra, uyarı
devam ettiği sürece hafif bir dışa akım (outward)
görülür. Uyarı sona erdiğinde yine
anlık kapasitif bir içe doğru akımdan sonra iyonik ve
kapasitif akımlar sıfırlanır ve membran potansiyeli eski
değerine geri döner, |
Depolarizasyon süresince devam eden
dışa doğru akım, membranın istirahat iyon
kanalları tarafından oluşturulur ve 'sızıntı
akımı' (leakage current : Ii) olarak
adlandırılır. Tipik bir nöronda istirahat membran
potansiyelinin oluşumunda K+ kanalları en büyük role
sahiptir. |
|
|
Fig 9-3B Membran potansiyelini 60 mV
arttıracak bir uyarı durumunda hücre içindeki akım
değişikliklerinin şekli farklılaşır. Uyarının verildiği ilk
anda görülen bir dışa doğru kapasitif akımdan sonra, önce
bir içe doğru iyonik akım, kısa bir süre sonra da çok miktarda
dışa doğru iyonik akım gözlenir. Bu dışa akım bir plato
seviyesine ulaşarak, depolarizasyon uyarısının
sonlanmasına kadar devam eder. |
Bu durum, bu derecede bir uyarı
sonucu iki farklı iyon kanalının devreye girmesi sonucu ortaya
çıkmıştır. Bu iyonik akımlar Na+ ve K+
için selektif kanal blokerlerinin kullanılması ile birbirinden
ayırt edilebilir. ·
Tetradotoxin (TTX): Seçici Na+
kanal bloker etkili zehir ·
Tetraetilamonyum (TEA): Seçici K+
kanal blokeri |
|
|
Fig 9-3C 60 mV şiddetinde bir uyarıya
karşın TTX uygulaması ile görülen K+
akımı (IK) ve TEA uygulaması ile görülen Na+
akımı (INa). |
Voltage-clamp ile edilen bilgilerden membran iletkenliklerinin (g)
hesaplanması Farklı iyonlar için membran
iletkenliği, voltage-clamp tekniği sırasında elde
edilen akımlar ile hesaplanabilir. Bu hesaplama hücrenin bir devre üzerinde
ifadesinden yola çıkılarak yapılır. |
|
Fig
9-5 |
gNa: Na+ iletkenliği gK: K+ iletkenliği gl: Tüm iyonlar için sızma iletkenliği E: Sızma durumunda iyonlar için güç
kaynağı (konsantrasyon gradyanı) El: Sızma kanallarının güç
kaynağı, istirahat membran potansiyeline eşit. |
·
Ohm yasasına göre: IK = gK(Vm - EK)
ve INa = gNa(Vm - ENa) ·
Buna göre; gK = IK/(Vm
- EK) ve gNa = INa/(Vm
- ENa) olacaktır. |
·
Voltage-clamp ile değişik voltaj
düzeylerinde membranın Na+ ve K+ geçirgenliklerinin gösterilmesi,
Na+ ve K+ kanallarının iki benzer, iki de
farklı özelliğini ortaya çıkarmıştır.
o
Benzer özellikler:
§
Her iki kanal da depolarize edici bir uyarıya cevap olarak
açılır
§
Depolarize edici uyarının şiddeti arttıkça,
kanalın açık kalma aralıkları uzar
o
Farklı özellikler:
§
Uzamış depolarizasyon uyaranına karşı
iki kanal hem yanıt, hem de açık kalma aralığı
açısından farklılık gösterir
|
Fig 9-6 Değişik
derecelerdeki depolarizasyon uyaranlarına, uzun dönemde Na+
ve K+ iletkenliği yanıtı |
|
Fig 9-7 Kısa
ve uzun süreli depolarizasyon uyaranlarının Na+ ve K+
iletkenliği üzerindeki etkisi a
(kesikli çizgi): Kısa süreli uyarı b
(düz çizgi): Uzun süreli uyarı |
Na+ kanallarının bazı özellikleri
·
Na+ kanallarına
depolarize edici uyarı
·
Na+
kanalları, açılıp kapandıktan sonra bir süre refrakter
dönemde kalır ve tekrar uyarılamazlar.
|
Fig
9-8 |
·
Na+
kanallarının inaktivasyon özelliği sahip olduğu iki tür kapı
nedeniyle ortaya çıkar. Kanalın iyon geçişine izin vermesi için
bu kapıların ikisi de açık olmalıdır.
|
Fig 9-9 Voltaj-kapılı
Na+ kanalının kapalı, açık ve inaktif
durumları. |
Aksiyon Potansiyeli
·
Membranın depolarizasyonu voltaj-kapılı Na+
kanallarının açılmasına neden olur (g Na ).
·
Na+ iyonlarının hücre içine girişi
membranın depolarizasyon derecesini arttırır, bu da daha fazla
Na+ kanalının açılmasına neden olur.
·
Bu süreç membran potansiyelini Na+ için denge
noktasına (ENa) yaklaştırır.
·
Bu aşamada iki nedenle AP'in depolarizasyon fazı
sona erer.
o
Na+ kanallarının inaktive olarak Na+
girişinin azalması
o
Voltaj-kapılı K+ kanallarının
açılarak dışarı doğru hızlı bir K+
akımı olması
·
Membran repolarize olmaya başlar.
|
Fig 9-10 AP
sırasında membranın Na+ ve K+
geçirgenliği |
·
Çoğu hücrede repolarizasyonu bir art-potansiyel
(hiperpolarizasyon dönemi takip eder. Bu durum K+
kanallarının henüz kapanmamış olmasından
kaynaklanır.
AP Sonrası refrakter periyod
·
Absolut
(mutlak) refrakter periyod: Herhangi büyüklükteki bir uyaranla nöronu tekrar
uyarmak olası değildir.
·
Relatif
(göreceli) refrakter periyod: Normalde gerekenden daha yüksek bir uyaran ile
yeni bir aksiyon potansiyeli başlatılabilir.
·
Refrakter
periyodlar ikisi birlikte bir kaç milisaniye sürer.
·
Bazı
Na+ kanallarının inaktif durumda olması ve K+
kanallarının hala açık kalması refrakter periyod
oluşumunun nedenidir.
Hep ya da hiç kuralı
·
Membranı
eşik altında depolarize eden HİÇ
bir uyaran AP oluşturamazken, eşik değeri aşan
depolarizasyon uyaranları HEP aynı
amplitüdde AP oluşturur.
·
Hep
ya da hiç kuralı doğrudan açılan voltaj-kapılı Na+
sayısı ile ilişkilidir.
·
Belli
sayıda açılan voltaj-kapılı Na+
kanalının oluşturduğu Na+ akımı,
istirahat K+ kanallarınca karşılanır.
Açılan Na+ kanalı sayısı arttıkça membran
potansiyeli eşik değere ulaşır ve AP oluşur.
Voltaj-Kapılı İyon Kanallarının Özelliklerine Göre Nöronların Uyarılma Özelliklerinde Değişiklikler
Farklı Tipte İyon Kanalları
·
Bir
çok nöron voltaj kapılı Ca2+ ve Cl-
kanalları ile hiperpolarizasyon ile aktive olan Na+ ve K+
kanalları (h-tipi kanallar) da bulundurur. Bu kanallar AP oluşumuna
farklı şekillerde katkıda bulunur.
·
İstirahat
membran potansiyeli ve AP inen fazından sorumlu K+
kanalları değişik nöronlarda farklı özelliklerde
bulunabilir:
o
Yavaş aktive olan K+ kanalı (delayed
rectifier)
o
İntrasellüler Ca2+ ile aktive olan K+
kanalı; duyarlılığı depolarizasyonda artar.
o
A-tipi K+ kanalı: Na+ kanalına
benzer şekilde depolarizasyon ile hızlı şekilde
açılır, depolarizasyon uzarsa inaktive olur.
o
M-tipi K+ kanalı: İstirahat membran
potansiyelindeki küçük değişikliklere yanıt olarak
açılır
§
M-tipi
kanalların bazı türleri ACh tarafından kapalı duruma
getirilebilir.
·
Benzer
şekilde, voltaj-kapılı Ca2+ ve Na+
kanallarının da bilinen farklı türleri vardır.
Sitoplazmik Ca2+ düzeyinin farklı etkileri
·
AP
oluşumu sırasında meydana gelen iyon konsantrasyonu
değişiklikleri genellikle önemli bir hücre içi modülasyona neden
olmazken; Ca2+ için durum farklıdır.
o
Hücre içine Ca2+ girişi kendi başına
depolarizasyonu arttırıcı bir faktör olarak görev yapar.
o
Bazı hücrelerde bulunan Ca2+ duyarlı K+
kanalları ise Ca2+ düzeyinin artışı ile
depolarizasyonu azaltıcı yönde etkili olur.
o
Bunun dışında Ca2+, farklı
hücrelerde kendi kanalını bloke etme, defosforilasyon, ikinci
habercilerin uyarılması gibi süreçleri başlatabilir.
Nöronun farklı bölgelerinde uyarılabilirlik özelliğinin değişkenliği
·
Nöronların
farklı bölgeleri, farklı sinyal özellikleri gösterir.
o Aksonlar elektriksel
uyarıları basitçe uzak mesafelere taşımak için
özelleşmiştir.
o Nöronun girdi (input) alan,
bu bilgiyi işleyen ve çıktı (output) oluşturan
bölgeleri ise daha karmaşık işlevlere sahiptir.
·
Farklı
bölgelerin sahip olduğu farklı özelikler: Bu bölgelerde bulunan iyon
kanalları ile saptanır.
·
Bir çok nöronda dendritler yoğun Ca2+ ve K+
kanalları ile daha az sayıda Na+ kanalı içerir. Bu
bölge AP oluşturmaktan daha çok elektrotonik sinyalleri toplayarak hücre
gövdesinde değerlendirilmesini sağlar.
·
Nöronun tetikleme bölgesi (trigger zone) ise, yoğun
Na+ kanallarından dolayı AP oluşumu için en
elverişli bölgedir.
·
Akson üzerinde çok sayıda bulunan Na+ ve K+
kanalları AP'nin hızlıca iletilmesini sağlar.
·
Akson ucu (presinaptik) bölge ise çok sayıda Ca2+
kanalı bulundurur ® Nörotransmitter
salınımı
Nöronun eksitabilitesi: İyon kanallarının Rolü
·
Bir
nöronun sinaptik uyarana verdiği yanıt, sahip olduğu
voltaj-kapılı iyon kanallarının oranına göre
değişir.
·
Bazı
nöronlar tek bir AP yanıtı oluştururken, bazı nöronlar
sabit frekansta AP dizileri oluşturabilir.
Fig 9-11 Nöronlarda
farklı tekrarlayan ateşleme tipleri |
|
|
Fig
9-11A 1. N. Tractus
solitarius'da
bulunan bir nöronun uyarılmaya cevap olarak oluşturduğu bir
dizi AP. 2. Nöronun daha
hiperpolarize bir membran potansiyeline sahip olma durumunda geciken AP
yanıtı. Bu yanıt, A-tipi K+
kanallarının depolarizasyon sırasında
açılmasına bağlıdır. Bu kanallar -55 mV membran
potansiyeli düzeyinde inaktif durumdayken, daha negatif değerlerde
depolarizasyon ile açılabilir duruma gelir. |
|
Fig
9-11B 1. Talamik bir
nöronda eşik alt bir uyaranın oluşturduğu elektrotonik
sinyal. 2. Aynı nöron,
daha hiperpolarize bir durumdayken aynı uyaran ile uyarılırsa,
patlama tarzında AP'ler oluşur. Bu durumun nedeni,
hiperpolarize durumda aktif hale gelen bir Ca2+ kanal gurubudur. |
|
Fig
9-11C Talamokortikal
ileti nöronlarında sinaptik uyarı olmaksızın,
kendiliğinden gelişen patlama tarzında AP'lerinin
oluşumu. Bu
durum, hücre membranında hiperpolarizasyon ile aktive olan h-tipi
kanallar ile başlatılır. Daha sonra voltaj-kapılı Ca2+
kanalları ve en son voltaj-kapılı Na+ olaya
katılarak AP oluşumunu sağlar. |
|
Fig
9-11C Otonom
gangliyondaki bir nöronun ateşleme özellikleri. Sol
taraftaki nöron membranında bulunan M-tipi K+
kanallarından dolayı uzun süreli bir uyarıya bile tek bir AP
ile yanıt verir. Sağ
tarafta ise M-tipi K+ kanalı ACh ile bloke edilmiştir.
Bu durumda aynı nöronda çok sayıda AP meydana gelebilir. |
Voltaj-kapılı İyon Kanallarının Çalışma Prensibi: Hep veya Hiç Kuralı
·
Voltage-clamp tekniği membranın
geniş bir alandan kayıt yapılmasına olanak verir. Bu
nedenle tek kanalın davranışı gözlenemez.
·
Patch-clamp tekniği ile tek kanal
davranışı gözlenebilir. Bu teknik, iyon kanallarının
hep veya hiç kuralına uygun olarak açılıp
kapandığını ortaya çıkarmıştır.
|
Fig 9-12 A. Patch-clamp tekniği:
Mikropipet yardımıyla tek kanal davranışının
gözlenmesi. B. Sıçan
çizgili kas hücre kültüründen elde edilen hücrelerden elde edilen kayıtlar. 1. Membrana
uygulanan 10 mV'luk depolarize edici uyaran 2. 300 uyarı
sonucunda gözlenen Na+ kanalından geçen toplam akım
(membrandaki K+ kanalları TEA ile bloke edilmiş ve
hesaplamada kapasitif akım çıkarılmıştır). 3. 300 uyarı
serisinden dokuzunun kayıtları. Her bir uyarıda Na+
kanalı sadece bir kez açılmaktadır (hep veya hiç). |
Voltaj-kapılı Na+ kanalının kendi iç yükünde değişiklik, kanalın fonksiyonuna etkisi
·
Na+
kanalı kapalı ® açık ® kapalı
konumlarında gerçekte üç farklı durumda bulunur: İstirahat (kapalı) ® Uyarılma
(açık) ® İnaktif (kapalı)
·
Kanal
proteini, kendi içinde net bir elektrik yükü bulundurur. Bu yükün
değişimi kapı akımı (gating current = Ig) olarak
adlandırılır ve bu akım membran potansiyelinden
etkilenebilir.
·
Kanalın
farklı durumlarının kanal proteininin kapı
akımından kaynaklandığı düşünülür.
|
Fig 9-13 A. Membran
potansiyelini +60 mV'a çıkaran uzun süreli bir akım
uygulandığında kapı akımı (Ig)
ve Na+ hareketinin (INa)
karşılaştırılması. B. Kapı
akımının üç farklı konumunda (1, 2 ve 3)
kanalın düzensel değişiklikleri [İstirahat
(kapalı) ®
Uyarılma (açık) ®
İnaktif (kapalı)]. |
Fig 9-16 |
Fig 9-16 Kanal proteinindeki net yükün
değişmesi (Ig) sonucu S4 a-helix
yapısının yer değiştirerek kanaldaki değişik
düzensel durumları ortaya çıkarması. A. İstirahat
durumunda gömülü durumdaki (+) yüklü S4 yapısının kanalı
kapalı tutması B. Membran
uyarıldığı zaman S4'ün membranın (-) yüklü
ekstrasellüler tarafına doğru hareketi ve kanalın
açılması |
·
Voltaj-kapılı iyon kanallarının seçicilik
filtresi yardımıyla iyonları seçmesi (Bölüm 6)
·
Na+, K+ ve Ca2+ iyon
kanallarını kodlayan genlerin benzer özellikleri ® Ortak bir ancestor genden kaynaklanması (Bölüm 6)
|
Fig 9-14 Na+,
Ca2+ ve K+ kanallarının benzerliği. Na+
ve Ca2+ kanalları birbirinin aynısı tekrarlayan
motiflerden oluşur. Her
bir tekrar içinde 6 transmembran alan bulunur. Şekillerdeki
P bölgesi seçicilik filtresini, kırmızı renkli S4 a-helix yapısı ise kanaldaki net yükü (gating
current) taşıyan bölgeyi temsil etmektedir. |
|
Fig 9-15 Na+
ve Ca2+ kanallarında tekrarlayan motifler ve onların
tansmembran alanlarının üç boyutlu dizilişi (dört tekrardan
üçü gösterilmiştir). |
|
Fig 9-17 Bir
gen ailesinin genişlemesi ile ortaya çıkmış voltaj-kapılı
kanalların benzer moleküler yapısı |
Voltaj-Kapılı Kanalların Mutasyonları: Nörolojik Hastalıklar
·
Hiperkalemik
periyodik paralizi: İskelet kası Na+ kanalı a-alt ünitesinde mutasyon ® Membranın Na+
geçirgenliğinde uygunsuz fonksiyon.
Ağır egzersizde; Ekstrasellüler K+ artışı,
tablonun ağırlaşması ® Aşırı Na+
akımı; miyotoni veya yetersiz Na+ akımı;
paralizi
·
Epizodik
ataksi: Delayed-rectifier, voltaj-kapılı K+
kanalında nokta mutasyonlar ® K+ dışa
akımında yetersizlik ® Uyarılmış hücrede repolarizasyonun
güçleşmesi
Ağır emosyonel veya fiziksel stress: Ataksi nöbetleri.
Özet
·
AP iyonların voltaj-kapılı kanallardan
hareketi sonucu ortaya çıkar.
·
Na+, bazı durumlarda Ca2+ iyon
kanallarının bu iyonların hücre içine hareketine izin vermesi
membranı depolarize eder.
·
Membran repolarizasyonundan sorumlu en önemli iyon: K+
·
İki
önemli analiz yöntemi:
o Voltage-clamp ® patch-clamp
o Kanalı oluşturan
proteinlerin primer amino asit zincirinin gösterilmesi