|
Luigi Galvani (1737-1798) sinir biliminin kurucusu olarak kabul edilir. Bir yıldırımdaki elektriği tel ile taşıyıp, bir kurbağanın bacak sinirini bu elektrikle uyararak kurbağa ayağında hareket oluşturmuştur. Bu nedenle Galvani, biyolojik elektrik ve hareket etme/canlılık arasında ilk bağlantıyı gösteren kişi olarak tarihte yerini almıştır. Herman von Helmholtz (1821-1894) 1852'de ilk olarak sinir iletisi hızını 27 metre/saniye olarak ölçen kişidir. Ardından 1860'da Julius Bernstein, biyo elektriksel sinir iletisini aksiyon potansiyeli (AP) olarak adlandırdı ve sinir hücresi zarında kendiliğinden ilerleyen biyo elektriksel uyarılmadan (depolarizasyondan) kaynaklandığını öne sürdü
|
Tablo. Bilinen ve kullanılan bazı voltajlar (V: volt).
www.KuantumBeyin.com, Dr. Sultan Tarlacı
|
| Normal erişkin günlük enerji kullanımı |
20 Watt |
| Sinir hücresi ateşlemesi |
10 mili V |
| Tek bir pil (AAA veya AA) |
1.5 V |
| Otomobil |
12 V |
| Ev elektriği |
250 V |
| Sanayi elektriği |
600-700 V |
| Yüksek voltaj |
110 kiloV |
| Yıldırım çakması |
100 megaV |
Alan Hodgkin (1914-1998) ve Andrew Huxley (1917-) mürekkep balığı sinir hücresi ana uzantısı olan aksonu üzerinde çalışarak sinir iletilerinin iletiminin iyonların değişimine bağlı, elektriksel bir akım olduğunu tespit ettiler (1952). Bu çalışmalarında iyon kanalı kavramını da keşfedilmesinden 10 yıl önce tahmin eden ikili, 1963'de "sinaps" kavramını öne süren John Carew Eccles (1903-1997) ile birlikte Nobel ödülü aldılar. Buna göre, uyarılmayan yani istirahat halinde zarda, potasyum (K+) iyonuna karşı belirgin bir geçirgenlik vardır. Hücre zarı üzerlerindeki voltaja duyarlı sodyum (Na+) kanallarından dolayı AP oluşturabilirler. Bu kanallar delikçik benzeri protein kapılarıdır ve zar uyarılması yani depolarizasyon (DP) esnasında açılırlar. Uyarım belli bir eşiğe yükseldiği zaman elektrik akımı oluşur. Eşiğe ulaşamaz ise iyonik elektrik akımı oluşamaz. Buna "hep ya da hiç kuralı" denir. Uyarılan zarın normal durumuna dönmesi repolarizasyon (RP) olarak adlandırılır ve voltaja duyarlı K+ kanallarının açılmasıyla oluşur. Na+ kanallarının açılmasının ardından K+ kanallarının açılması, zar içinde K+ iyonlarının kalmasına yol açar. Böylece zar polarize olur yani hücre içi negatif yüklü hale gelir.
İyonik Elektriksel Akım ve İyonlar
Potasyum (K+) kanalları
Sinir hücresi zarındaki K+ kanallarının belirgin iyon seçicilikleri ve yüksek ileti hızları vardır. Saniyede yaklaşık 10 bin K+ iyonu geçirirler. İstirahat halinde uyarılabilir hücrelerde zar voltajı, K+ kanalları kapalıyken yaklaşık –80 mV’tur. Uyarılma (depolarizasyon) esnasında, kanal proteinlerinde yapısal değişiklikle kanalın ortasındaki geçiş yeri açılır. Birçok K+ kanalının eşik değeri yaklaşık –40 mV’tur. ,
Klor (Cl-) kanalları
Sinir hücresi dışında klor en önemli negatif iyonik yüktür. Memelilerde hücre dışı klor yoğunluğu yaklaşık 100 mmol/L’dir. Hücre içindeki klor yoğunluğu değişkendir. İstirahat durumunda zar elektrik potansiyeli hücre içinde daima negatiftir ve –30 ile –90 mV arasında değişir. Bundan dolayı, iyon yoğunluğu Cl- iyonunu hücre içine itmeye çalışırken, elektrik potansiyeli Cl- hücre dışına göndermeye çalışır. Bu iki kuvvet arasındaki denge Cl- akımının yönünü belirler. Cl- hücre dışına doğru hareket edince, hücre uyarılır duruma geçer, yani depolarize olur. Bu durumda hücre içinde negatif elektrik potansiyeli azalır. Diğer bir yönden, eğer hücre içinde Cl- yoğunluğu azsa, bu dışarıdaki yoğunluk fazlalığıyla iyonun içeri akımına neden olur ve elektrik potansiyelinin etkisini baskılar. Böylece, hücre içi negatiflik Cl- ile artarak uyarılma (depolarize olma) daha da zorlaşır. Buna hiperpolarizasyon denir.
Sodyum (Na+) kanalları
Sodyum kanalları hücre ve akson zarı üzerinde her bölgede aynı yoğunlukta bulunmaz. Aksonun Ranvier boğumu denen kısımlarında µm2’de 103-104 Na+ kanalı bulunurken, aradaki kısımlarda µm2’de 25 kadar Na+ kanalı bulunur. Tipik bir sinir hücresinde, hücre dışında Na+ yoğunluğu 145 mmol/L ve hücre içi K+ yoğunluğu 10 mmol/L’dir. Bu yüksek fark, aktif olarak enerjiye bağlı çalışan sodyum-potasyum pompası tarafından sağlanır. Hücre içinde Na+ varlığında enerji kaynağı olan ATP’in (adenozin tri fosfat) yıkılması ile açığa çıkan enerji kullanılarak, içerideki Na+ dışarıdaki K+ ile yer değiştirir. Bu yer değiştirme Na+ ve K+ kendilerinin daha yoğun bulunduğu yere doğru, enerji harcanarak pompalanır. Beynin kullandığı enerjinin %70’i, iyon değişimini düzenleyen sodyum-potasyum-ATPaz pompası tarafından kullanılır. Kalsiyum pompası da benzer şekilde çalışır. Ca+2 iyonu hücre dışına çıkararak, içerideki Ca+2 seviyesini hücre dışının 10 binde birine indirir.
Eğer zar, Na+’dan 20 kat daha fazla K+ geçirgen olursa (b=0.05) zar potansiyeli –61 mV olarak hesaplanır. Dinlenme halindeki zar K+ iyonuna karşı Na+’a göre daha geçirgendir. Eğer, zar K+’dan 10 kat daha fazla Na+ geçirgenliği gösterirse (b=10) Em +51 mV olarak çıkar. Bu değer bir zarda sinir uyarımının (aksiyon potansiyeli) oluşma eşik değeridir. Son olarak, eğer Na+ geçirgenliği istirahat seviyesine dönerse, bu durumda K+ geçirgenliği istirahatta 5 kat fazla olduğundan (b=0.01) Em –78 mV olarak bulunur.
Günümüzde tek tek Na+ ve K kanallarını zardan ayrıştırmak, mümkün olmuştur. Sinir iletisi sırasındaki rollerini, geliştirilen voltaj-klamp tekniği tam olarak ortaya koymuştur. İzole edilmiş Na+ akım aktivitesi hızlıdır ve 1 msan’den daha kısa sürede sıfır mV’tan tepe noktasına yükselir ve sonra sıfıra doğru azalır. Na+ akımı farklı yöntemlerle ölçülebilir. Klasik Ohm kanunu denklemi I=G.V kullanarak (I; akım, G; kondüktans) akım ve kondüktansı hesaplayabiliriz. Kondüktans, elektrik yükünün bir noktadan başka bir noktaya gidebilmesinin ölçüsüdür. Kondüktans, elektrik yükü taşıyan parçacıkların sayısına bağlıdır. Direnç, hareket sırasında elektrik akımına karşı oluşan güçtür, R ile gösterilir ve birimi Ohm’dur (). Direnç, kondüktansla ters orantılıdır: R=1/G.
Tipik istirahat (uyarılmamış) zar potansiyeli birkaç açık Na+ kanalına bağlı olarak –60 ile -80 mV arasındadır. Zar uyarıldığında, kısa bir gecikmeden sonra sinir uyarısı oluşur. Bu gecikme zamanı, sinir uyarımı için yeterli Na+ kanalının açılması ve K+ kanalını kapatma için harcanır. Daha büyük potansiyelli uyarımlarda daha çok Na+ kanalı devreye girer (GNa). Daha büyük GNa ve daha hızlı uyarılma bir arada olduğunda, sinir iletisi oluşum süresi daha da kısalır. Sinirsel uyarının ortaya çıkışıyla Na+ kanalları uyarılmakla birlikte, devam eden sinir iletisi Na+ kanallarını devreden çıkarmaya doğru gider. Bu devreden çıkma, sinir iletisinin sönümlenmesi (repolarizasyon) için önemlidir. Sinir iletiminin üst noktasında Na+ akımı en üst seviyededir.
Na+ kanallarının devreden çıkması ve K+ kanallarının çalışmaya başlaması ile hızla zarın sinir ileti potansiyeli sönümlenir (aksiyon potansiyeli repolarize olur). Sönme sonrası, Na+ kanallarının devre dışı olması yavaşça olur. K+ kanalları ise Na+ kanallarına göre daha da yavaş kapanır. Sinir uyarımı esnasında Na+ kanallarının %80-90’i hızlı bir Na+ geçişine izin verir ve ardından iyon geçirmez olur. Bu sırada, ikinci bir sinir uyarımı meydana getirilemez ve sinir hücresi uyarıya direnç göstererek yanıt vermez. Açık Na+ kanalları sayısı, K+’un dışa akımının üstesinden gelecek yeterli Na+ akımı sağlayamaz. Bu dönem “kesin dirençli” dönem olarak adlandırılır. Bu uyarılamaz sürenin ne kadar süreceği Na+ kanallarının devre dışından çıkma süresine bağlıdır. Bunun ardından “nispi dirençli” dönem gelir. Bu dönemde yeni bir sinir uyarısı oluşabilir, ancak büyük bir eşik uyarımı gerektirir.
Eğer zar, Na+'dan 20 kat daha fazla K+ geçirgen olursa (b=0.05) zar potansiyeli -61 mV olarak hesaplanır. Dinlenme halindeki zar K+ karşı Na+'a göre daha geçirgendir. Eğer, zar K+'dan 10 kat daha fazla Na+ geçirgenliği gösterirse (b=10) Em +51 mV olarak çıkar. Bu değer bir zarda sinir uyarımının (aksiyon potansiyeli) oluşma eşik değeridir. Son olarak, eğer Na+ geçirgenliği istirahat seviyesine dönerse, bu durumda K+ geçirgenliği istirahatta 5 kat fazla olduğundan (b=0.01) Em -78 mV olarak bulunur.
Günümüzde tek tek Na+ ve K kanallarını zardan ayrıştırmak etmek mümkün olmuştur. Sinir iletisi sırasındaki rollerini, geliştirilen voltaj-klamp tekniği tam olarak ortaya koymuştur. İzole edilmiş Na+ akım aktivitesi hızlıdır ve 1 msan'den daha kısa sürede sıfır mV'dan tepe noktasına yükselir ve sonra sıfıra doğru azalır. Na+ akımı farklı yöntemlerle ölçülebilir. Klasik Ohm kanununu denklemi olan I=G.V kullanarak (I; akım, G; kondüktans) akım ve konduktansı hesaplayabiliriz. Konduktans, elektrik yükün bir noktadan başka bir noktaya gidebilmesinin ölçüsüdür. Konduktans, elektrik yükü taşıyan parçacıkların sayısına bağlıdır. Direnç, hareket sırasında elektrik akımına karşı oluşan güçtür, R ile gösterilir ve birimi Ohm () dur. Direnç, kondüktansla ters orantılıdır: R=1/G.
Tipik istirahat (uyarılmamış) zar potansiyeli bir kaç açık Na+ kanalına bağlı olarak -60 veya -80 mV arasındadır. Zar uyarıldığında, kısa bir gecikmeden sonra sinir uyarısı oluşur. Bu gecikme zamanı, sinir uyarımı için yeterli Na+ kanalının açılması ve K+ kanalını kapatma için harcanır. Daha büyük potansiyelli uyarımlar daha çok Na+ kanalını devreye girer (GNa). Daha büyük GNa ve daha hızlı uyarılma bir arada olduğunda sinir iletisi oluşum süresi daha da kısalır. Sinirsel uyarının ortaya çıkışıyla Na+ kanalları uyarılmakla birlikte, devam eden sinir iletisi Na+ kanallarını devreden çıkarmaya doğru gider. Bu devreden çıkma sinir iletisinin sönümlenmesi (repolarizasyon) için önemlidir. Sinir iletiminin üst noktasında Na+ akımı en üst seviyededir.
Na+ kanallarının devreden çıkması ve K+ kanallarının çalışmaya başlaması ile hızla zarın sinir iletisi potansiyeli sönümlenir (aksiyon potansiyeli repolarize olur). Sönme sonrası, Na+ kanallarının devre dışı olması yavaşça olur. K+ kanalları ise Na+ kanallarına göre daha da yavaş kapanır. Sinir uyarımı esnasında Na+ kanallarının %80-90'i hızlı bir Na+ geçişine izin verir ve ardından iyon geçirmez olurlar. Bu zaman esnasında ikinci bir sinir uyarımı meydana getirilemez ve sinir hücresi uyarıya direnç göstererek yanıt vermez. Açık Na+ kanalları sayısı, K+'un dışa akımının üstesinden gelecek yeterli Na+ akımı sağlayamazlar. Bu dönem "kesin dirençli" dönem olarak adlandırılır. Bu uyarılamaz sürenin ne kadar süreceği Na+ kanallarının devre dışından çıkma süresine bağlıdır. Bunun ardından "nispi dirençli" dönem gelir. Bu dönemde yeni bir sinir uyarısı oluşabilir ancak büyük bir eşik uyarımı gerektirir.
|
