KULAKTA DUYUSAL İLETİ (Bölüm 31)
Ĝ Bu bölümde tüy hücrelerinin
yapısı daha ayrıntılı olarak incelenecek ve bu
hücrelerinin mekanik enerjiyi elektrik sinyallerine nasıl
dönüştürüldüğü ele alınacaktır.
Ĝ Tüy hücreleri ektodermden
kaynaklanırlar ve epiteliyal özelliklerini sürdürürler. Bir tüy ücresi
kolon biçimindedir ve dendrit veya aksona sahip değildir. Apeks bölümünde
duyusal olmayan destek hücreleri ile bağlantılıdır. Destek
hücreleri ile yapmış oldukları sıkı
bağlantı (tight juction) ve hemen altındaki belt desmozom
bölgeleri tüy hücreleri için ciddi bir destek sağlamaktadır.
Ĝ Hücrenin apikal yüzeyindeki tüy
demetleri hücrenin reseptör aparatıdır.Bunların boyları 1 mm-100 mm arasında
olabilir. Bunlar 200- 300 arasında silindirik yapıda ve hekzagonal
düzende organize olmuş yapılar olup sterosiliya adını
alırlar. Her bir sterosiliyum aktin filamentlerinden oluşan bir
iskelete sahiptir. Aktin filamentleri, fibrin ile çapraz bir olarak
bağlanmışlardır.
Ĝ Tüy hücrelerinin endolenfe doğru uzantıları olan
sterosiliyalar, bazal bölümlerinde incelirler. Bu özellik bazal
bağlantı noktalarından hareketlerine imkan sağlar.
Ĝ Her tüy hücresinde kinosiliyum adı verilen gerçek bir siliyum bulunmaktadır. Bu
diğerlerinden daha uzundur ve aksonem adı
verilen 9 çift mikrotübülden meyadan gelen çekirdek bir yapıya sahiptir.
Tüy hücreleri mekanik enerjiyi nöral sinyallere
dönüştürür
Ĝ Tüy hücrelerine mekanik birstimulusun
uygulanması hücrede elektriksel bir yanıta yol açar. Bu, mekanik
uyarılmaya duyarlı iyon kanallarının açılmasıyla
ortaya çıkan bir reseptör potansiyelidir. İn vitro olarak bir tüy
hücresinin sitoplazmasına yerleştirilen bir elektrot ile tüy
demetleri uyarının yönüne ve şiddetine bağlı olarak
yatarlar. Uyarılmamış bir hücrede iyon kanallarının %
15 I açıktır. Sonuç olarak dinlenme potansiyeli 60mV
civarındadır. (+) bir stimulus tüy demetlerinin yer
değiştirmesine neden olarak kapalı olan diğer
kanalların da açılmalarını sağlar (Depolarizasyon)
Tersine (-) bir stimulus ise tüy demetlerini kısa kenarına doğru
iter ve kanalların kapanmasına neden olur (Hiperpolarizasyon)
(Şekil 31-2A, B, C).
Ĝ Ayna görüntüsü yönünde gelen uyarılar ise
herhangi bir değişikliğe yol açmaz ve hücre dinlenme
potansiyelinde kalır. Yani tüy hücreleri ancak tüy demetlerinin eksenine
paralel gelen uyaranlara yanıt verir. Oblik gelen uyaranlar ise ancak bu
eksene düşen vektöriyel projeksiyonları oranında uyarırlar.
Ĝ Tüy hücresine yapılan uyarı büyükse
meydana gelen reseptör potansiyeli de büyük olur. Tüy demetlerinin defleksiyonu
ile elekriksel yanıt arasındaki ilişki sigmoidaldir (Şekil
31- 2D)
Ĝ Normal bir uyarılma sırasında bir tüy
demeti + 1 derecelik bir açıyla hareket eder . Bu
yaklaşık 3 nm lik bir yol alınmasına yol açar.
Ĝ Tüy hücrelerindeki kanallardaki mekanoelektriksel
dönüşüm nonselektif olup bu kanalların konduktansları ~100 pS
dir. Tüy
hücrelerinin temasta bulunduğu endolenf sıvısında en çok
bulunan katyon K+ olup transdüksiyon akımından
sorumludur.Bu kanalların nonselektif olması streptomisin, gentamisin
gibi aminoglikozid antibiyotiklerin kanalları bloke etmesine yol açar.
Yüksek dozda kullanılması tüy hücrelerinde kalıcı hasara
yol açar.
Mekanik kuvvet direkt olarak transdüksiyon
kanallarını açar ve kapatır
Ĝ Tüy hücrelerinde gözlenen
mekanoelektriksel transdüksiyonun mekanizması bir aksiyon potansiyeli veya
postsinaptik potansiyelinden farklıdır. Çünkü buradaki kanallar bir
mekanik zorlanmadan etkilenirler. Kanalların açılma veya
kapanması tüy demetlerinin yapısındaki elastik
yapıların tansiyonundan kaynaklanır.
Ĝ Mekanoelektriksel transdüksiyona
katılan iyon kanalları tüy demetlerinde bulunan elastik
yapılarla açılır-kapanırlar. Bu elastik yapılara gating spring (kapı yayı) adı verilir. Tüy
hücrelerindeki kanalların, membranı geçen bir protein olduğu ve
katyon selektif porlara sahip olduğu bilinmektedir. Tüy demetleri dinlenme anında iken bu
kanallar kapalıdır. Ancak tüy demetlerinin (+) yönde hareket etmesi
kapı yayındaki tansiyonu artırır. Tansiyonun artması
kanalın açılmasına ve katyonların içeriye akmasına
neden olur. Kanal kapısının açılması gerçekten çok
hızlı olup ikinci mesajcı molekülün bu işte direkt
etkisinin olmadığını düşündürmektedir.
Ĝ Mekanoelektriksel iletinin olduğu
bölge 3 deneysel çalışma ile gösterilmiştir. 1)
Çalışmanın birinde uyarılmış tüy hücre demetinin
ekstraselüler yüzündeki katyon akımı ölçülmüştür. Buna göre en
güçlü voltaj sinyali tüy hücresinin tepe kısmında ölçülmüştür.
2) İkinci deneyde aminoglikozid
antibiyotikler etkilerini büyük ölçüde tüy demetlerinin üst bölümünde
gösterirler. 3) Son olarak Ca2+ -duyarlı indikatörler,
kalsiyumun tüy demetinin uç bölgesinden girdiğini göstermişlerdir.
Ĝ Sterosiliyumlar arasındaki elastik
yapılara tip link (uç bağlantı) adı
verilmiştir. Bu yapılar 2 sterosiliyum arasında filamentöz
bağlantı yapmaktadır. Her uç bağlantının 2
sıra halinde dizilmiş moleküllerden oluşan ince bir lif
olduğu düşünülmektedir. Oblik olarak bir sterosiliyumun distal
ucundan komşu sterosiliyuma doğru uzanır.
Ĝ Bağlantıların yönü tüy
hücrelerinin uyaranlara olan vektöriyel duyarlılığı ile tutarlılık
gösterir. Çünkü tüy hücrelerinin dizilimine paralel gelen uyaranlar tüy
demetlerinin uyarılmasına yol açar. Ancak dizilime dik gelen
uyaranlar ise etkili olmaz.
Direkt mekanoelektriksel transdüksiyon
hızlıdır
Ĝ Tüy hücrelerinin tersine, diğer duyu reseptörleri
(fotoreseptörler, olfaktör nöronlar) siklik nükleotid veya diğer ikinci
mesajcıları kullanmaktadırlar. Bu mekanizma sinyalin
amplifikasyonunu sağlamaktadır.
Ĝ İkinci mesajcı olmadan
gerçekleştirilen bir transdüksiyonun amacı ne olabilir? Bu soruya
verilelebilecek en uygun yanıt; uyarıya verilen yanıtın tüy
hücrelerinde hızlı olmasıdır. Gerçekten de tüy hücreleri
diğer duyu reseptörleri arasında en hızlı yanıt veren
hücrelerdendir. Biyolojik stimulusun sıklığını
düşünecek olursak yanıtın hızlı olası
gerektiği de açıktır.
Ĝ Sesin lokalizasyonu, işitmenin en önemli
fonksiyonlarındandır. İnsan için sesin iki kulağa
ulaşma süreleri arasında 700 ms lik fark vardır. Ancak insanlar, sadece 10 ms lik bir gecikme ile sesin yerini belirleyebilir.
Bunun olabilmesi için tüy hücrelerinin sesleri birkaç ms içinde yakalayabilme özelliğine sahip
olması gerekir.
Şekil
31-4: Arka arkaya verilen uyaranların tüy
demetlerinin yer değiştirme ve elektriksel yanıtlarında
yarattığı değişiklikler.
(Eğrinin
biçiminde ve büyüklüğünde değişiklik yok!)
Tüy hücreleri güçlü uyaranlara karşı
adaptasyon geliştirir
Ĝ Uzun süreli ve güçlü uyaranlar tüy
demetlerini dinlenme durumundan yatık (defleksiyon) duruma geçirir.
Adaptasyon sırasında reseptör potansiyeli progresif olarak
yavaşlar. Adaptasyon hızını ve derecesini
(büyüklüğünü) belirleyen en en önemli faktör tüy hücresinin apikal
yüzündeki artmış Ca2+ konsantrasyonudur (Şekil 31-4).
Ĝ Adaptasyon nasıl gerçekleşir?
Adaptasyon sırasında tüy demetlerinin sertliğinde
değişikliğin olması, adaptasyonun sterosiliyumlar
arasında tansiyonu sağlayan elemanları ilgilendiren bir
değişikliğe işaret etmektedir. Güçlü ve sürekli uyaranlar
sırasında uç bağlantılarının sterosiliyuma tutunduğu
bölge (yapışma plağı) yer değiştirir. Tüy
demetlerinde bu rolü üstlenebilecek farklı tiplerde miyozin molekülü
bulunmuştur. Bunlar miyozinin Ib kümeleri, miyozin VI ve Miyozin VIIa
molekülleridir. (Şekil 31-5).
Ĝ
Şekil 31-5:
Bir uyarının uç
bağlantılarına ulaşmasıyla tansiyon artar ve kanallar
açılır, içeriye kalsiyum girişi gözlenir. Buna paralel olarak
oluşan reseptör potansiyelinde önce bir depolarizasyon, ardından bir
plato ve sonra dinlenme durumuna dönüş gözlenir. Sitoplazmada biriken
kalsiyum kalmodulin molekülleri ile etkileşir ve miyozin Ib molekülünü
bağlayarak katyon kanalını aşağıya doğru
itmesine yol açar. Bu şekilde uç bağlantısının boyu
kısalır ve kanal kapanır. Uyarının devam etmesi
durumunda, uç bağlantı bölgesinin üst ucu aşağıya
itilmiş olduğundan adaptasyon boyunca katyon kanalı kapalı
kalır.
Tüy hücreleri spesifik uyarı frekanslarına
ayarlanmıştır
Ĝ Birçok canlının işitme
organındaki tüy demetlerinin uzunluğu frekans şiddetine göre
düzenlenmiştir. Düşük frekanstaki akustik ya da vibrasyonel
uyaranlara yanıt veren uyaranlara uzun tüy demetleri yanıt verirken,
yüksek frekanslı akustik uyaranlara ise kısa tüy demetleri yanıt
verir. İnsan kohleasında 20 kHz frekanslı seslere 4 mm boyundaki tüyler yanıt verirken, 20 Hz lik
seslere ise 7mm boyundaki tüyler
yanıt verir. Anatomik pozisyon ve frekans arasındaki bu ilişki
tonotopik haritalama olarak isimlendirilir.
Ĝ Tüy hücrelerinin spesifik frekanslara
ayarlanmasının mekanizması elektrikseldir. Bu durum balık,
sürüngen ve kuşlarda gösterilmiş olup henüz insanda nasıl
olduğu anlaşılamamıştır. Elektriksel rezonans
adı verilen bu durum deneysel olarak tüy hücresine elektrik
akımı uygulanması sonucunda membran potansiyelinde sinuzoidal
bir dalgalanma ile gösterilmiştir (Şekil 31-6)
Şekil 31-6:
Bu çalışmada bir tüy hücresindeki tüy
demetleri defleksiyona uğradığında reseptör potansiyeli bir
sinuzoidal osilasyon şekilinde ortaya çıkar. Aynı hücreye
dışarıdan bir mikroelektrod yardımı ile elektriksel
uyaran uygulandığında da benzer bir yanıt alınır.
Bu sonuç tüy hücrelerinin elektriksel rezonatör yardımı ile spesifik
frekanstaki uyaranlara ayarlandığını göstermektedir. BU
olayın mekanizmasına baktığımızda; (+)
defleksiyonun hücreye K+ girişini indüklediği ve hücreyi
depolarize olduğunu görürüz. Hücreye K girişi voltaj duyarlı Ca2+
kanallarının açılmasına ve hücre içi kalsiyum
düzeylerinin artmasına yol açar. Artan kalsiyum, Ca2+ a
duyarlı K+ kanallarını uyarır. Potasyumun
dışarı çıkması hücreyi repolarize eder. Artan hücre
içi kalsiyum iyon pompası yardımı ile hücre
dışına atılır.
Tüy hücrelerinde sinaptik transmisyon
Tüy hücreleri duyusal reseptör olmanın
yanısıra aynı zamanda presinaptik terminallerdir. Her tüy
hücresinin basolateral membranı çok sayıda presinaptik bölgeye
sahiptir. Her aktif bölgenin 3 önemli özelliği vardır:
(Şekil 31-7).
1)
Sitoplazmada
400 nm çapında, küresel bir yoğun presinaptik cisim (Biyokimyasal
içeriği tam bilinmiyor) bulunur.
2)
Presinaptik cismin etrafında her biri 35
nm çapında sinaptik veziküller bulunur.
3)
Plazmalemmanın
iç tarafında bir sıra halinde presinaptik dansite partikülleri bulunur.
Bu partiküllerin Ca2+ kanalları ve elektriksel rezonansa
katkısı olan K+ kanallarının olduğu tahmin
edilmektedir.
Ĝ Postsinaptik kayıtlar tüy
hücrelerinden nörotransmiter salınımının kuantal
olduğunu ortaya koymuştur. Ancak afferent nörotransmiterin kimliği
halen tartışmalıdır. Glutamat olduğu yolunda bazı
sonuçlar bildirilmiştir.
Tüy hücrelerindeki afferent sinaplar diğer sinaplardan farklılık gösterirler. Örneğin dinlenme halinde de nörotransmiter salınımı olmaktadır. Sinaptik transmisyonda ise depolarizasyonu ve hiperpolarizasyonu takiben nörotransmiter salınımında aşağı ve yukarı iniş-çıkışlar olmaktadır. Bu bulgularla uyumlu olarak Ca2+ kanalları dinlenme durumunda bile açıktır ve uyarılmamış hücrelerden nörotransmiter salınımını sağlar.