Nöronlar Nasıl Harekete Geçer ?

14/06/2019

Elinize bir iğne battığında elinizi bilinçsizce çektiğinizi düşünün yada çayınızdan bir yudum daha almak için elinizi uzattığınızı düşünün yada sadece düşünün. Bütün bu eylemler, istemli yada istemsiz, nöronların ateşlenmesi sayesinde gerçekleşir. Bu bölümde nöronların bu tepkileri verirken nasıl sinyal ürettiklerini göreceğiz.

Bir nöron boşta dururken yani herhangi bir sinyal üretmediğinde nöron içerisinde negatif yüklü elektronlar bulunur. Bu durum nöron zarının iç kısmı ile dış kısmı arasında negatif potansiyel fark/voltaj farkı oluşmasına sebep olur, bu potansiyele dinlenim potansiyelidenir. Nöron sinyal ürettiğinde ise zarın iki kısmı arasındaki potansiyel fark anlık olarak pozitif olur bu duruma da aksiyon potansiyelidenir.

Şimdi bu durumların nasıl oluştuklarına bakalım.

Dinlenim Potansiyeli Nedir ve Nasıl Oluşur?

Hücre zarının içerisinde ve dışarısında tuzlu sıvılar bulunur. Hücre zarının içerisinde bulunan sıvıya sitozol da denir ve bu sıvıların temel bileşenleri sudur. Elektrik yüklü iyonlar bu suda çözülerek dinlenim ve aksiyon potansiyellerine zemin hazırlarlar. Şimdi ileriki bölümlerin daha rahat anlaşılması için biraz suyun yapısından, iyon yapısından ve nöronun zar yapısından bahsedelim.

Suyun konumuz açısından en büyük özelliği elektrik yüklerinin eşit olmayan şekilde dağılmış olmasıdır. İki hidrojen atomu ve bir oksijen atomu kovalent bağ yaparak, yani elektron paylaşarak suyu oluştururlar. Fakat oksijen atomu hidrojen atomundan daha fazla elektron çeker. Oksijen atomu negatif yüklü, hidrojen atomu da pozitif yüklüdür. Su atomunun bu şekilde polarize olmuş olması suyu iyi bir çözelti yapar.

İyonlar ise net elektrik yüküne sahip atom yada moleküllerdir. Zıt yüklere sahip iyonlar arasında bir bağ oluşur mesela sofra tuzu (Na+ ve Cl-) bu bağla oluşmuştur ve bu bağa iyonik bağ adı verilir. Pozitif yüklü iyona katyon negatif yüklü iyona da anyon adı verilir. Tuz suda kolayca çözülür çünkü su molekülleri iyonlara birbirlerinden daha çekici gelirler. Tuz, suya atıldığında iyonlar birbirlerinden ayrılırlar. Negatif yüklü oksijen hemen pozitif yüklü sodyumun etrafını sarar aynı şekilde pozitif yüklü hidrojende negatif yüklü klorürün etrafını sarar. Böylece iyonlar birbirlerinden yalıtılmış olurlar. Sinirbilim için özellikle önemli olan iyonlar sodyum (Na+), potasyum (K+), kalsiyum (Ca2+) ve klorürdür (Cl-).

Yukarıda da bahsettiğimiz gibi elektrik yükleri eşit olmayan maddeler su içerisinde çözülür. Bu maddelere hidrofilik yani "suyu seven" maddeler denir. Fakat eğer bir maddenin atomları apolar kovalent bağ ile bağlanmışlar ise, suyla kimyasal tepkimeye girmezler. Mesela O2, N2, H2 molekülleri aynı cins atomlardan oluşmuş iki atomlu moleküllerdir. Bu moleküllerde ortaklaşa kullanılan elektronlar her iki atom çekirdeği tarafından eşit oranda çekilir. Çünkü çekirdek yükleri aynıdır. Bu şekilde atomlar arasında elektronların eşit oranda çekilmesiyle oluşan bağa apolar kovalent bağ denir. Bu tür maddeler suda çözülmezler ve bunlara hidrofobik bileşenler denir yani "suyu sevmeyen". Hidrofobik maddenin en bilinen örneği zeytin yağıdır, bilindiği gibi zeytin yağı su ile karışmaz, diğer bir hidrofobik madde de lipitlerdir. Lipitler hücre zarı yapısında bulunan suda çözülmeyen önemli biyolojik maddelerdir. İşte nöron zarındaki lipitler de suda çözünen iyonlar ile su arasında bir bariyer oluşturarak dinlenim ve aksiyon potansiyellerine önemli katkıda bulunurlar.

Şekil 1 - Nöron Zarının Yapısı

Nöron zarının temel bileşeni fosfolipiddir. Lipitler hidrojen atomlarıyla bağ yapmış uzun karbon zincirlerinden oluşurlar (hidrofobik yapı). Fosfolipid de normal lipitlerden fazla olarak bir uçtan eklenmiş polar fosfat grubu (hidrofilik) bulunur. Yani fosfolipidin, hidrofilik polar bir baştan ve hidrofobik apolar bir kuyruktan oluştuğunu söyleyebiliriz. İşte nöron zarını iki fosfolipidin ters bir şekilde bağlanmasıyla oluşmuş bir yapı gibi düşünebiliriz. Bu dizilişe çift katmanlı fosfolipid denir ve nöronun içindeki sıvıyı yani sitozolü etkili bir şekilde dışarıdaki sıvıdan yalıtır.

İyon Kanalları

Nöron ateşlemesindeki bir diğer önemli kavram da iyon kanallarıdır. Nöronlarda bulunan proteinlerin yapısı ve dizilişleri nöronların diğer hücrelerden ayrılmasını sağlar. Dinlenim ve aksiyon potansiyeli de bazı özel protein kanallarının nöron zarını kontrol etmesiyle sağlanır. Bu proteinler iyonlara nöral zarı geçmeleri için yol gösterirler. Genellikle 4-6 protein molekülü bir araya gelerek zar üzerinde bir gözenek oluştururlar, bu gözeneğe iyon kanalı denir. Proteinin bileşenleri kanalın da özelliğini belirler ve her iyon her iyon kanalından geçemez. İyon kanalları geçirdikleri iyon tiplerine göre isimlendirilmişlerdir. Aşağıdaki şekilde sistemde bulunan iyon kanallarından birkaçını görebilirisiniz.

Şekil 2 - İyon Kanalları

Şekil.2 den de görebileceğimiz gibi olay gayet basittir. Hücre dışındaki sıvı hücre içi sıvısından fosfolipid zar ile ayrılmıştır ve iyon geçişi önlenmiştir. İyon geçişi de yukarıdaki kanallar sayesinde sağlanır.

İyon kanalları iyonların zardan geçmelerini sağlar dedik fakat sadece kanalların açık olması iyon hareketi için yeterli bir sebep değildir. Bunun yanında iyonların o kanaldan geçmeleri için bir nedene yani harici bir kuvvete ihtiyaçları vardır. İyonlar kanallardan iki sebepten ötürü geçerler biri difüzyondan dolayı diğeri de elektrik yükleri değiştiğinde.

Şimdi bu iki kavrama göz atalım. Suda çözülmüş moleküller sürekli hareket halindedirler. Sıcaklığa bağlı olan bu hareket iyonların çözelti içerisinde eşit şekilde dağılmalarını sağlar. Bu şekilde yüksek yoğunluklu bölgeden düşük yoğunluklu bölgeye doğru bir iyon akışı olur bu olaya difüzyon denir. Mesela bir bardak çaya bir kaşık süt atıp karıştırdığınızda süt çayın içinde eşit şekilde karışana kadar yayılmaya devam eder. Aynı şekilde zarın iki yanında bulunan sıvıda çözünen tuz normalde kanaldan geçmek istemese de ayrışan sodyum ve klorür iyonları iki tarafta bulunan çözelti içinde eşit dağılana kadar yayılmaya devam eder. Şekil.3'de bu olayın bir örneğini görebiliriz, burada küp iki kısma ayrılmıştır bu kısımlardan biri hücre içini diğeri hücre dışını temsil etmektedir, ortadaki bariyer de hücre zarını temsil eder. Şekil.3 (a)'da herhangi bir kanal yokken iyonlar eşit şekilde hücrenin iç kısmında yayılmışlardır. Daha sonra kanallar açılır ve iyonlar kanallardan geçmeye başlar. İyonlar diğer bölgelere de eşit şekilde yayılana kadar kanallardan geçmeye devam ederler. İşte bu olaya difüzyon denir.

Şekil 3 - İyonların Difüzyon Yoluyla Kanallardan Geçişi

İyonları kanaldan geçmeye zorlayan bir diğer kuvvet de elektrik kuvvetidir. Eğer hücre içi ile hücre dışı arasında yani fosfolipid zarın iki kısmı arasında potansiyel fark oluşursa iyonlar bu farkı kapatmak için kanallardan geçerek yer değiştirirler.ı

Şimdi yukarıdaki şekildeki gibi bir deney düzeneği düşünelim. İçeride potasyum ve anyon olduğunu varsayalım. Dışarıda da aynı çözeltinin 20 kat seyreltilmiş hali olduğunu düşünelim. Başlangıç durumunda iyon kanalı kapalıdır ve dolayısıyla hiçbir iyon geçişi yoktur bu durumda iki nokta arasındaki potansiyel fark sıfır olur çünkü iki tarafta da Potasyumun Anyona olan oranı aynıdır. Şimdi potasyum kanalının açıldığını düşünün. Bu durumda potasyum karşıya geçmekte özgür olur fakat anyon geçemez. Difüzyon kuralı gereği potasyum her iki tarafta da eşit yoğunluğa ulaşan kadar (diğer tarafta 20 kat daha az yoğunlukta) karşıya geçmeye devam eder. Anyonda içeride kaldığı için içerisinin negatif yükü artmaya başlar böylelikle iki nokta arasında potansiyel fark oluşmaya başlar. İçerisi daha fazla negatif yük aldıkça (daha doğrusu pozitif yükün (potasyumun) boşalması ile içerisinin negatif yük oranı arttıkça) bu sefer elektriksel kuvvet potasyum iyonlarını geri çekmeye başlar. Belli bir potansiyel farka ulaşılınca potasyumu içeri çeken elektrik kuvveti de ortadan kalkar. Yani elektriksel kuvvet ile difüzyon kuvveti birbirlerine eşitlendiğinde denge noktasına ulaşılmış olur. Bu noktada potasyum akışı durmuş olur. İşte bu noktadaki potansiyel farka iyonik denge potansiyeli yada kısaca denge potansiyeli denir ve Eiyon sembolü ile gösterilir. Herhangi bir iyon için denge potansiyeli Nerst Denklemi kullanılarak hesaplanabilir. Burada detaya girmeye gerek görmüyorum daha fazlasını merak edenler denklemi internetten aratabilirler.

Buradan anlaşılacağı gibi dinlenim potansiyeli zarın iki tarafındaki iyonların yoğunluklarına bağlıdır. Burada önemli olan nokta şudur: potasyum içeride daha yoğun bulunurken, sodyum ve kalsiyum dışarıda daha yoğundur.

Şu ana kadar anlattıklarımızı özetlersek zarın iki yanında da elektrik yüklü iyonlarımız var ve bu iyonlar zarın karşı tarafına sadece protein kanallarını kullanarak geçebilirler. Protein kanalları sadece belirli iyonların geçişine izin verirler ve kanaldan geçiş iyon yoğunluğuna ve iki uç arasındaki potansiyel farka bağlıdır.

Şimdi dinlenim potansiyelinin iyonik temellerine bakalım. Bu yoğunlukların değerlerini iyon pompaları adı verilen mekanizmalar ayarlarlar. Nörofizyolojide önemli olan iki iyon pompasından birisi sodyum-potasyum pompasıdır, bu pompa içerideki sodyum ile dışarıdaki potasyumu yer değiştirir. Diğer önemli iyon pompası da kalsiyum pompasıdır ve içerideki kalsiyumları dışarı taşır.

Peki nedir bu dinlenim potansiyeli? Dinlenim/membran potansiyeli, herhangi bir anda nöral zar üzerinde okunan voltaj değeridir yani yukarıda da bahsettiğimiz potansiyel farktır. Voltaj ölçmek demek aslında iki nokta arasındaki potansiyel farkı ölçmek demektir. Yani eğer bir pilin voltajını ölçüyorsak artı kutbu ile eksi kutbu arasındaki potansiyel farkı ölçüyoruz demektir. Nöral zardaki potansiyel fark da sitozol içerisine bir mikro elektrot yerleştirilerek ölçülür. Burada ölçülen potansiyel fark sitozol ile hücre dışarısı arasındaki farktır, yani hücre zarının iki tarafı arasındaki fark. Bu yöntemle hücrenin içinin dış tarafa göre negatif elektrik yüklü olduğunu görürüz. Bir nöronun dinlenim potansiyeli, yani bir nöron ateşlenmemişken içerisi ile dış kısmı arasındaki voltaj farkı -40mV ile -75mV arasındadır. Bu değerler sinir sisteminin düzgün çalışması için gereklidir. Hücre içerisinin negatif yüklü olması ve belli bir değer göstermesi içerdiği iyonlarla ve iyonların zarın iki tarafındaki yoğunluklarıyla alakalıdır. Bu iyon yoğunluklarındaki ufak değişimler dinlenim/membran potansiyelinde büyük değişiklilere sebep olabilir.

Genel olarak dinlenim potansiyeli -65mV'tur. Bu değer retinal nöronlarda yaklaşık -40mV seviyesine çıkarken diğer başka yerlerde -75mV'a kadar düşebilir.

Aksiyon Potansiyeli

Evet dinlenim potansiyelini gördükten sonra şimdi sıra aksiyon potansiyeline geldi. Yukarıda da gördüğümüz gibi dinlenim halindeyken nöronun içi, yani sitozol negatif elektik yüklü idi. Aksiyon potansiyeli bu durumun anlık olarak tam tersidir yani nöronun iç kısmı dış kısmına göre pozitif elektrikle yüklenir. Aksiyon potansiyelinin değeri akson boyunca aynıdır, değeri ve gücü akson boyunca düşmez veya artmaz. Sinyaller frekansları değiştirilerek kodlanırlar.

Şekil 5 - Aksiyon Potansiyeli

Şekil.5'de gördüğünüz gibi aksiyon potansiyeli (aynı şekilde dinlenim potansiyeli de) nörona sokulan mikro elektrotlar kullanılarak ölçülebilir. Aynı şekilde mikro elektrotlar kullanılarak dışarıdan yapay uyarı da verilebilir. Yukarıdaki şekilde de gözüktüğü gibi nörona belli bir akım uygulandığında nöron pasif tepkiler verir ve dinlenim potansiyelinde dalgalanmalar olur. Eğer ki verdiğimiz akım sayesinde dinlenim potansiyeli belli bir değerin üzerine çıkarsa (bu değere eşik değeri denir) aksiyon potansiyeli meydana gelir. Yani nöronun içerisindeki voltaj/potansiyel değeri bir anlık 40mV'a kadar yükselir. Eğer verdiğimiz akım ile dinlenim potansiyeli eşik değerin üzerinde kalmaya devam ederse nöron da ateşlemeye devam eder. Verilen akımın değeri arttıkça nöronun ateşleme frekansı da artar. Ancak her şeyin olduğu gibi bunun da bir sınırı var, nöron en fazla 1000Hz. ateşleme frekansına çıkabilir. İleride bu frekans değerlerinin bir kod gibi kullanıldığını göreceğiz.

Şimdi aksiyon potansiyelinin nasıl oluştuğunu adım adım inceleyelim:

Öncelikle yukarıda da belirttiğimiz gibi aksiyon potansiyelinin vuku bulması için zar içerisindeki potansiyelin eşik değerine ulaşması gerekir. Bu, yeterli sayıda sodyum kanalının açılarak, sodyum geçişine izin vermeleri ile mümkün olur.

Sodyum dışarıda daha yoğun olduğu için (difüzyon) ve içerideki potansiyel değer negatif olduğu için yani içerisi negatif iyonlarla dolu olduğu için kanallar açıldığında sodyum iyonları içeri dolmaya başlar buda iç kısmın hızlı bir şekilde depolarize olmasına sebep olur yani zarın iç kısmı daha az negatif yüklü hale gelir (yani -65mV'tan hızla -50mV seviyelerine geldiğini düşünebiliriz).

Sodyum kanallarının açık kalma süresi yaklaşık 1ms'dir. Bu sürede aksiyon potansiyeli gerçekleşir. Bu 1ms süre içerisinde bir aksiyon potansiyeli daha gerçekleşmesi mümkün değildir. Yeni bir aksiyon potansiyeli için sodyum kanallarının kapanması ve zar potansiyelinin eşik değeri yakınlarına düşmesi gerekir.

Daha sonra kanallar kapanır. Bu kanalların kapanmasıyla beraber potasyum kanalları açılır. İçerisi aşırı şekilde depolarize olduğu için potasyum iyonları kanallar açıldığında hemen hücre dışına akmaya başlar, hücre içi tekrar -65mV olana kadar potasyum akışı devam eder.

Aksiyon potansiyeli akson boyunca tek yönlü olarak ilerler ve akson boyunca düşmeden devam eder çünkü zar, akson boyunca aynı özelliklere sahiptir. Aksiyon potansiyelinin hızı değişmekle beraber genellikle 10m/s'dir. 1.bölümde kısaca bahsettiğimiz miyelin kılıf aksiyon potansiyelinin hızını artırmaya yarar.

Bütün bu süreçleri aşağıdaki videodan izleyerek görebilirsiniz. Burada gördüğümüz gibi kanallar açılınca sodyum iyonları içeri dolarak zar içinin yükünü daha pozitif hale getiriyorlar. Bu durum bir sonraki sodyum kanallarının açılmasına sebep oluyor. Dengeyi sağlamak için voltaja duyarlı potasyum kanalları açılarak içerideki potasyumu boşaltıyorlar (yukarıda bahsettiğimiz pompalar). Bu durum içerinin tekrar negatif olmasına sebep oluyor.


Kaynak : A.Uğur Birinci