Teknik Nörobilim Serisi 3: Potansiyel Türleri, Elektrik Sinyalleri ve Nernst Denklemi

İkinci bölüm için tıklayınız

Sinir hücreleri bilgiyi depolamak ve iletmek için çeşitli elektriksel sinyalleri kullanır. Bu elektriksel sinyaller ilk bölümde bahsettiğimiz hücre içi kayıt yöntemi ile gözlenebilir. Hücre içi kayıt yönteminde kullanılan mikroelektrotlar 1 μm çapa sahip, içi iletken sıvıyla dolu camlardan oluşur.

Buna rağmen nöronlar iyi iletkenler değildir. Elektriksel akışın devamlılığını iyonların hareketiyle sağlar. Elektriksel fenomenin ilk türü nöron membranına yerleştirilen mikroelektrotla gözlenebilir. Mikroelektrodun hücreye girmesiyle sayacımız sabit bir negatif değeri işaret edecektir. Tüm nöronlar membran dinlenim potansiyeli (resting membrane potential) olarak adlandırılan hücre dışı ile içerisi arasında oluşan negatif elektriksel potansiyele sahiptir. Dinlenim halindeki hücrede bu potansiyelin olmaması yaşamla bağdaşmaz. Nöronun tipine göre değişen bu sabit değer -40 ile -90 mV arasındadır. (Potansiyel = Elektriksel Fark)

Nöronlar bilgiyi, membran potansiyelinde oluşan kısa süreli değişimlerle kodlar. Reseptör Potansiyeli dediğimiz bir diğer elektriksel potansiyel türü duyu nöronların eksternal stimulusları (ışık, dokunma, sıcaklık, ses vb.) ile aktive olur. Örneğin Pacini korpuskülü adı verilen sinir sonlanmaları mekanik değişimleri hisseden dokunma için özelleşmiş duyu nöronlarındandır. Bu nöronlar dokunmaya saniyeler içinde membran potansiyellerini değiştiren kısa süreli reseptör potansiyellerini kullanarak yanıt verir. Bu kısa süreli değişiklikler titreşim duyusunu üretmenin ilk aşamasıdır.

Bir diğer elektriksel sinyal tipi ise nöronları arası sinaptik iletişimle alakalıdır. Sinapslarda gerçekleşen eylemler presinaptik ve postsinaptik nöronlar arasında sinaptik potansiyel adı verilen potansiyelin üretimine sebep olur. Sinaptik potanisyel ise bilginin nöronlar arasında aktarılmasını sağlar.

Son olarak bir çok nöron aksonları boyunca ilerleyen özel bir elektriksel sinyal türü üretir. Bu tür sinyallere aksiyon potansiyeli adı verilir. Bazen spike veya impuls olarak adlandırılabilir. Aksiyon potansiyeli akson membranında gerçekleşen iyon akışı ile sağlanır. Aksiyon potansiyelinin amacı bilgiyi hücre üzerinde a noktasından b noktasına iletmektir.

Görsel 1’de dikkatinizi çekmek istediğim şey potansiyellerin oluştuğu yerler ve süresi. Reseptör potansiyeli dokunmayla harekete geçtiği için duyunun kuvvetini ayırmada çeşitli değerler alabiliyor ve uzun bir süre boyunca potansiyeli devam ettiriyor. Sinaptik potansiyel farklı nöronlar arasında olup, yükseldikten sonra logaritmik bir şekilde azalıyor. Aksiyon potansiyeli ise bir nöron aksonu boyunca oluşuyor ve çok kısa bir ateşleme şeklinde var oluyor.

Normalde nöron membranı üzerindeki iyon hareketinden kaynaklanan aksiyon potansiyeli reseptör potansiyel veya sinaptik potansiyel tarafından başlatılır. Labaratuvarda ise hücrelere yerleştirilen elektrotlar kullanılarak dışarıdan akım verilebilir (ve aksiyon potansiyeli başlatılabilir). Verilen bu akım başka dedektör elektrotların hücreye yerleştirilmesi ile kaydedilebilir. Eğer verilen akım membran potansiyelini, dinlenim potansiyelinden daha negatif yapıyorsa (dinlenim potansiyeline -40 ile -90 mV demiştik)(hiperpolarizasyon) dramatik değişikler yaşanmaz. Membran yalnızca verilen akım büyüklüğüne eşdeğer şekilde değişir. Hiperpolarizasyona verilen hücresel cevaplar nöronların kendine has özelliklerini ortaya çıkarmadığı için Pasif Elektriksel Cevaplar adı verilir.

Asıl ilgi çekici şey ise membran potansiyeline zıt yüklü akım uygulandığında oluşur. Verilen akım membran potansiyelini, dinlenim potansiyelinden daha pozitifleştirmeye (depolarizasyon) başlar. Eğer membran potansiyeli eşik potansiyeli adı verilen potansiyelin üstüne çıkarsa aksiyon potansiyelini başlatır.

Aksiyon potansiyeli aktif cevaplar olarak değerlendirilir çünkü kaynağı nöron membranının sahip olduğu iyon permabilitesini (geçirgenliğini) selektif (seçici) şekilde değiştirmesidir. Daha önemlisi aksiyon potansiyelinin amplitüdü (Görsel 1-deki dikey eksendeki değişimin yani dinlenim potansiyelindeki mV türünden değişiminin genişliği) aksiyon potansiyelini uyarmak için kullanılan akımın genişliğinden bağımsızdır. Yani lisede öğrendiğimiz ya hep ya hiç prensibiyle çalışır. Eğer dışarıdan uygulanan akımın süresi veya amplitüdü yeteri kadar büyütülürse, multiple (birden fazla) aksiyon potansiyelini başlatır. (Görsel 2- Sağ Taraf)

Görsel 2’de akım verilmediğinde membranın dinlenme potansiyelinde olduğuna, hiperpolarizan ve eşik altı depolarizan akıma pasif cevaplar ürettiğine, eşik üstü depolarizana aksiyon potansiyeli ile cevap verdiğine ve eşik üstü potansiyelinin genişliği arttıkça (sağ taraf) aksiyon potansiyeli frekansının arttığına dikkat ediniz.

Bu yüzden bilgi taşımada aksiyon potansiyelinin frekansının, aksiyon potansiyeli amplitüdünden daha önemli olduğu ortaya çıkmıştır. Bu düzenlenme duyusal stimulusun büyüklüğüne göre değişen reseptör potansiyelinin amplitüdü ve her bir aksonun yaptığı sayısız farklılıkta sinaps sayısına göre değişen sinaptik potansiyel düşündüğünde bilginin taşınmasında frekansın önemini ortaya çıkarır.

Uzun Mesafeli Elektriksel Sinyal İletimi

Kablolar üzerinden elektriksel sinyallerle bilginin taşınması bu gün insanoğlunun en büyük başarılarından birisi olan internetin de dahil olduğu bir çok sistemin ana prensibidir. Ancak nöronlar ve bir metreye varan aksonları bilgiyi pasif elektriksel akımla taşıyabilecek kadar iyi elektriksel iletkenler değildir. Nöronlar ve kablolar elektriği pasif şekilde iletebilse de, nöronlar standart bir kabloyla kıyaslanamayacak kadar zayıf bir iletkendir. Bu akson üzerine yerleştirilen iki detektör ve bir uyarıcı elektrot kullanılarak rahatça gözlenebilir. Eşik altı dış uyarım verildiğinde (Görsel 3-A) dedektör gittikçe sönümlenen bir kaç milimetre sonra kaybolan bir potansiyel kaydedecektir. Kıyas için kablo kullanırsak, tipik bir kablo elektriksel akımı binlerce kat daha uzağa taşımaktadır.

Akson üzerinde gerçekleşen bu sönümlenme elektrik akımının akson boyunca vektörel olarak yayılması yüzünden gerçekleşir. (Örneğin suya boya damlattığımızda sudaki boya öncelikle tek bir noktada olabildiğince koyu olarak toplanmıştır. Zamanla koyuluğu azalır ve suya dağılır. İşte nöronda gerçekleşen pasif elektriksel değişim de bu prensiple çalışır) Bu yayılım bilgiyi, pasif elektriksel akım olarak taşımadaki en büyük engeldir. Bu eksikliğin kapatılması için nöronlar evrimsel süreçte, elektriğin membran üzerinde tekrar üretilmesini sağlayan “booster (akımı tekrardan oluşturucu) sistemler” geliştirmiştir. Böylerce bilgi onlarca santimetre uzaklara taşınabilir.

Aksiyon potansiyellerinin, elektriksel sinyallerinin çeşitli noktalarda boostlanması ile taşındığı Görsel 3-D’da gösterilen eşik üstü depolarize edici akımın uygulanması ile gösterilebilir. Bir kez eşik üstü depolarize dalga uygulandığmasıyla Görsel 3-E’de oluşan potansiyel farkların bölgesel olarak tekrarlanmasıyla oluşan sabit desen gözlenir. Bu desen aksiyon potansiyelinin kayıtsal ifadesidir. Görsel 3-F’ye baktığımızda ise bu potansiyel farkların sabit bir amplitüd oluşturduğunu görürüz. Bu sabit amplitüd aksiyon potansiyelininin sahip olduğu değişmeyen amplitüttür.

Özetle aksiyon potansiyelinde gerçekleşen şey şudur: Aksona bir noktadan eşik üstü depolarizan akım verilir (Görsel 3 örneği için hücreyi -50 mV’tan daha pozitif değere taşıyan akım yani -60 mV dinlenim potansiyeline sahip hücre için +10 mV’dan daha pozitif bir akım. Görselde uygulanan akım +15 mV’dur). Bu eşik üstü akım , hücreyi kendi büyüklüğünden daha pozitif sabit bir potansiyel değere taşır (örneğin +15 mV uyarı verildiğinde hücre dinlenim potansiyeli olan -60 mV’tan -45 mV’a değil (verilen akım +15 mV’ydi) onun yerine +70 mV artarak (-60 mV’tan) +10 mV’a ulaşır.) Aksonun sahip olduğu bu yeni potansiyel değer (+10 mV) akson üzerinde yayılmaya başlar. Yayılan akım, akson üzerinde yeni noktasında da aksonu eşik değeri üstüne çeker (Yani hücrenin eşik değerinin+70 mV üzerinde olan akım dağıldığında hücre eşik değeri -yine aşılacak ve akson yeni noktasında da +10 mV’a ulaşacaktır. Ve bu böylece akson boyunca devam eder.)

İyon Hareketleri, Elektriksel Sinyalleri Nasıl Oluşturur?

Elektriksel potansiyellerin nöron membranı (tüm hücrelerin potansiyelleri membranları üzerinde gerçekleşir) boyunca gerçekleştiğinden bahsetmiştik. Bu potansiyel fark 2 ilkeye dayanarak sağlanır. 1- Nöron membranı boyunca spesifik iyonlar için konsantrasyon farkları vardır. 2-Nöron membranları bu iyonlara farklı selektif (seçici) geçirgenlik gösterir.

İyon konstantrasyon gradienti (iyonların konsantrasyon farkına bağlı olarak çıkan potansiyel enerji) aktif tansporter denilen proteinlerle sağlanır. İsmi gibi aktif olarak iyonları, konstrasyon gradiyentlerinin tersi yöne (hücre içi veya dışı) pompalar. Yani iyonları belirli bölgede yoğunlaştırır.

Membranın sahip olduğu seçici geçirgenlik iyon kanalı ismi verilen proteinlerle sağlanır. İyon kanalları, iyonların konstanrasyon gradiyenti yönünde geçişine izin verir. Yani yoğunluk farklarını nötralize eder.

Kanallar ve proteinler birbirinin aksi yöne çalışarak membran dinlenim potansiyelini, aksiyon potansiyelini, sinaptik potansiyeli, reseptör potansiyelinin ortaya çıkmasını sağlar.

İyon gradienti ve selektif geçirgenliğinin membran potansiyeli oluşturmasını daha iyi anlayabilmek için selektif membranla (seçici geçirgen zar) iyon solüsyonları içeren iki kompartmana ayrılmış yapay bir düzenek düşünebiliriz. Bu nöron – yapay düzenek kıyaslamasını yaparken sol kompartmanı hücrenin içi, sağ kompartmanı hücrenin dışı olarak alacağız. Bu tipte yapay sistemlerde, iyon solüsyonlarının içeriğini kontrol etmek dolayısıyla membran gradiyentini ayarlamak mümkündür. Buna ek olarak isteğe bağlı olarak membranın iyon geçirgenliği de değiştirilebilir.

İlk örnek olarak yalnızca potasyum iyonuna (K+) (K üstü + olarak yazılması gerekiyor ancak sitemdeki yazı fontundan ötürü iyon işaretlerini, sembolün yanına yazacağım: K+ gibi). geçirgen bir membran alalım. K+’nın konstrasyonu her iki tarafta eşit olursa membran üzerinde herhangi bir elektriksel potansiyel ölçülemez (Görsel 4-A). Ancak eğer K+ konsantrasyonu iki taraf arasında eşit değilse, elektriksel potansiyel oluşacaktır. Örneğin K+ iç kompartmanda, dış kompartmana göre 10 kat daha yoğunsa elektriksel potansiyel içeride dışarıya göre daha negatif olacaktır (Görsel 4-B) Bu elektriksel potansiyel potasyum iyonlarının konsantrasyon gradiyenti yönünde akımı ve akımla beraber elektriksel yönün hareketiyle olur(potasyum için iyon başına bir pozitif yük). Nöronal membranlar K+ hücre sitoplazmasında biriktirecek pompaya sahip olduğu için ve potasyum-geçirgen kanallar plazma membranında K+’ın akımına izin verdiği için yukarıdaki deneysel düzenikle benzerlik gösterir. Sonraki bölümlerde detaylıca değineceğimiz bu K+ efflux’u (dışa akım) membran dinlenim potansiyelinden sorumludur.

Bu deneyde denge noktasına kısa sürede ulaşılır. K+ içerden dışarıya hareket ettikçe, dışarısı daha pozitifleşmeye başlar. Dışarı pozitifleştikçe K+ iyonu için gittikçe daha az çekici hale gelir. K+ nın net hareketi (veya flux) denge noktası denilen noktada duracaktır (Görsel 4-B Sağ kısım).

Bu elektrokimyasal denge (equilibrium) 2 güç arasındaki dengeyle sağlanır. 1) K+’nın içerden dışarıya hareket ettirmeye çalışan konsantrasyon gradiyenti 2)Buna ters olarak K+ iyonun membran üzerindeki hareketiyle oluşan elektriksel gradiyent

Bu elektriksel potansiyeli oluşturmak için gereken akıma uğrayan iyon sayısı çok küçüktür. Yaklaşık 10 üzeri -12 mol K+/ Membranın cm karesi) Bu son özellik iki şekilde önemlidir. İlki iyonlar elektrokimyasal denge noktasını sağlayacak şekilde membran üzerinden hareket etse bile yaklaşık olarak membranın iki tarafında da konstrasyon sabit kalacaktır. İkincisi iyonların küçük akımları membran potansiyelini sağlarken kimyasal elektronötralliği bozmayacaktır. Çünkü her iyon karşıt iyonuyla denge halindedir.

Membran Potansiyelini Yaratan Güçler

Membran boyunca oluşan elektriksel potansiyelin sebep olduğu elektrokimyasal denge noktası – Denge Potansiyeli- Nernst Denklemi adı verilen basit bir formülle hesaplanabilir.

Yukarıdaki sabiti oda sıcaklığındaki hücre için basitleştirecek olursak elde edeceğimiz basit formül şu olur:

Eğer bu formülü Görsel – 4’e uygulayacak olursak aşağıdaki sonucu elde ederiz.

Bu denge potansiyeli anlaşılacağı üzere dış ve iç kompartmanlardaki gradiyent farkına dayanır. Eğer içeriyi daha da negatif yaparsak bulacağımız sonuç daha negatif olacaktır.

Nernst denklemi bir iyon için denge potansiyelini doğru bir şekilde hesaplamaya yarar. Bu deneylerle ölçülmüştür.

Peki Görsel 4’teki deneyde dışarıdaki K+ 10mM sodyum (Na+) ile içerideki K+ ise 1mM Na+ ile değiştirilseydi ne olurdu? Herhangi bir potansiyel oluşmazdı. Çünkü deneydeki membranımız yalnızca K+’a geçirgendi. Dolayısıyla herhangi bir iyon hareketi sağlanamaz, potansiyel fark ölçülemezdi. Ancak deneydeki membran sihirli bir şekilde yalnızca Na+ a geçirgen olacak şekilde değiştirilseydi ise bu sefer ölçeceğimiz denge potansiyeli Nernst’in de öngördüğü üzere +58 mV olurdu.

Peki deney koşulları dışarıda 10mM Ca+2 (kalsiyum) ve içeride 1 mM Ca+2 olacak şekilde Ca+2 geçirgen zarla tekrarlansa ne olurdu? Kalsiyum elektriksel yükü +2 olduğu için denge potansiyeli +29 mV olurdu.

Son olarak içeride 1 mM Cl-, dışarıda 10 mM Cl- olsaydı Klorun eksi yükünden dolayı denge potansiyeli +58 mV olurdu.

Kimyasal ve elektriksel kuvvetler arasındaki denge; iyon gradiyentininin membran potansiyelini belirlediği gibi elektriksel potansiyelin, membran boyunca gerçekleşen iyon akımını belirlemesine sebep olur. Bunu anlayabilmek için iki kompartmanına, bataryaya bağlı elektrot yerleştirilmiş bir deney düzeneği hayal edin (Görsel 6). Deney düzeneğinde kompartmanlar arasında potansiyel fark yaratarak iyon akımı oluşturabiliriz.

Batarya kapalı olduğu müddetçe işler Görsel 4’teki gibi işler. Eğer batarya iç kompartmanı, dışarıdan daha negatif hale getirecek olursa K+ akımı azalır. Çünkü negatif yük K+ iyonlarını içeride tutmaya çalışır (artı eksiyi çeker). Pekala hareketi tamamen durdurmak için ne kadar akıma ihtiyacımız var? Cevab denge potansiyelimiz olan -58 mV. Eğer akımı -58 mV’dan daha da negatif yapacak olursak K+ iyonları bu sefer konsantrasyon gradiyentine ters, yani dışarıdan içeriye doğru hareketlenmeye başlayacaktır. Bu bize elektriksel potansiyelin, konsantrasyon gradiyentine karşı hareket yaratabileceğini gösterir.

İyon akımını deneysel olarak hem elektriksel potansiyel hem de konsantrasyon gradiyenti değişikleri ile manipüle edebilmemiz iyon akımını çalışabilmek için kullanışlı deneysel yöntemler sağlar.

Bu bölümde farklı potansiyellere ve tek iyon üzerindeki denge potansiyeli hesaplamaya değindik. Gelecek bölümde birden fazla iyon üzerinde bu hesaplamaların nasıl yapılacağına bakacağız. Herkese iyi günler.