Hücrelerde Elektriksel Aktivasyon

Transkript

1 Hücrelerde Elektriksel Aktivasyon Hücre canlıların bağımsız olarak yaşamını sürdürebilen en küçük parçasıdır. Hücre, nucleus olarak isimlendirilen çekirdek, sitoplazma denilen hücre gövdesi ve sitoplazmayı çevreleyen bir hücre membranından (zarından) oluşur. Hücrelerde elektriksel işaretler, hücrenin uyarılabilme özelliği nedeniyle oluşur. Hücrenin uyarılabilme özelliği hücreden hücreye önemli ölçüde değişir. Sinir ve kas hücreleri en büyük uyarılabilme özelliğine sahiptirler. Bu tip hücrelerin membranlarının bir kısmı eşik seviyesi olarak isimlendirilen bir değerin üzerindeki bir işaret ile uyarılacak olursa bu uyarma bütün hücreye yayılır. Uyarma şekli elektriksel, kimyasal, optik, termal veya mekanik olabilir. Vücut hücrelerinin içerisindeki sıvı intrasellüler sıvı, dışarısındaki ise ekstrasellüler sıvı adını alır. Bu sıvıların bileşimleri birbirlerinden çok farklıdır. Hücre Zarının Yapısı: Seçici geçirgen! Phospholipid bilayer (fosfolipid iki-katlı yapı)! o the hydrophobic "tail" regions (suyu iten kuyruk bölgesi) o hydrophilic "head" regions (suyu tutan baş bölgesi)

2 Vücudumuzdaki hücrelerin tümüne yakınının zarında membran potansiyeli oluşur. Sinir ve kas hücreleri gibi hücreler ise uyarılabilme özelliğine sahiptir. Bu hücreler membranları boyunca darbe şeklinde değişen elektrokimyasal değişimleri iletebilmektedir. Bez hücreleri gibi diğer bir takım hücrelerde ise membran potansiyelinin değişimi, uyarılabilir hücrelerde görülen şekilde olmamakla beraber bu hücrelerin bir çok fonksiyonlarını kontrol bakımından çok önemlidir. Membran Potansiyeli: İki Kuvvetin Dengesi: Aksiyon potansiyelinin oluşumunu anlamak için membran potansiyelinin nasıl oluştuğu hakkında bilgi sahibi olmamız gereklidir. Aşağıda göreceğimiz gibi, bu oluşan elektriksel yüklerin sebebi, dengede olan iki zıt kuvvetin bir sonucudur: difüzyon (diffusion) ve elektrostatik basınç (electrostatic pressure). Difüzyon Kuvveti: Bir sürahi suya bir kaşık şeker ilave ettiğimizde şeker dibe doğru çöker. Bir süre sonra şeker çözülmeye başlar fakat dibe yakın noktalarda kalmaya devam eder. Çok daha uzun bir süre sonra (birkaç gün vs.) suyu karıştırılmasa ya da sürahi çalkalanmasa bile, şeker molekülleri suyun her tarafına eşit olarak dağılmaya başlar. Molekülleri ayrışarak ortam içinde eşit olarak dağıldığı bu olaya difüzyon denir...\how Diffusion Works.mp4 (difüzyon video) Arada bu işlemi engelleyen kuvvetler ya da bariyerler olmadığı sürece, moleküller yüksek yoğunluklu bölgeden düşük yoğunluklu bölgelere doğru dağılırlar. Moleküller sürekli hareket halindedir ve moleküllerin hareketleri sıcaklıkla doğru orantılıdır. Sadece mutlak sıfırda [ 0 K (Kelvin) = C] moleküller rasgele hareket ederler. Diğer bütün sıcaklıklarda çarpışarak farklı yönlere doğru yönlenirler ve bibirlerini bulundukları bölgeden uzaklaştırırlar.

3 Bu şeker-su örneğindeki çarpışmaların sonucu olarak, şeker moleküllerini yukarı doğru hareketlenmeye (ve su moleküllerini aşağı doğru hareketlenmeye zorlamak) zorlama sonucu difüzyon gerçekleşmektedir. Pasif geçiş-transport: Maddelerin yüksek konsantrasyondan alçak konsantrasyona doğru membranı geçme olayıdır. Bu olayda etkili olan sadece bahis konusu maddenin kinetik enerjisidir. Difüzyon mekanizmasını tanımlayan yasaya Fick yasası adı verilmektedir. Bu eşitliğe göre, molekül hareketi iki bölge arasında derişim gradienti "sıfır" oluncaya kadar devam eder. J difüzyonun miktarı(mol/cm 2 ), dc/dx, derişim gradyanı (concentration gradient) olup, zamandan bağımsız bir değerdir. İlgili eşitlikte D, molekülün difüzyon katsayısını (alan/zaman, cm 2 /saniye); C, derişimi (miktar/hacim, g/cm 3 ) ve x, molekülün yüzeye paralel olarak katettiği mesafeyi (cm) gösterir. D değeri, molekülün bulunduğu ortamda birim zamanda ne kadarlık bir alanı geçebildiğim veya ortamdan uzaklaşma yeteneğini gösterir. Eşitlikteki "-"işaret, molekül hareketinin daha az yoğun bölgeye doğru olduğunu, yoğun bölgeden uzaklaştıkça derişimin azaldığını ve bu nedenle akı değerinin her zaman '+ olacağını ifade eder. Sürüklenme (aktif transport) :Maddelerin alçak konsantrasyondan yüksek konsantrasyona doğru membranı geçmesi olayıdır. Bu olayın olabilmesi için gerekli enerji kaynağı metabolik enerjidir. Maddeler, bir takım kimyasal reaksiyonlar yolu ile enerji tüketimi sayesinde belirli taşıyıcı maddeler tarafından taşınarak membranı geçerler. Bazı maddelerin hücre içinde daha yüksek konsantrasyonda tutulması gereklidir. Buna örnek olarak K (Potasyum) iyonlarını verebiliriz.

4 Bazı maddelerin (örneğin Na+) ise hücre dışındaki konsantrasyonlarının daha fazla olması gereklidir. Şekil'de aktif transport olayının nasıl gerçekleştirildiği gösterilmiştir. Taşıma esnasında taşıyıcı araçlar kullanılmaktadır. S, aktif transport ile taşınacak maddeyi göstermektedir. Zarın dış yüzünde C, taşıyıcı ile birleşip birlikte zarın iç yüzüne giderler. Burada S, C'den ayrılıp hücre içine geçer, C ise geri döner. Gereken enerjiyi ATP sağlamaktadır. Vücut öz sıvısındaki en önemli iyonlar Sodyum (Na+), Potasyum (K-) ve Klor (Cl-) iyonlarıdır. Uyarılabilen hücrelerin membranları Potasyum ve Klor iyonlarının hücre içine geçmesine izin vermesine rağmen Sodyum iyonlarının geçişine engel olur. Sodyumun hücre içine kolay geçememesi sonucu iki durum ortaya çıkar; 1) Hücre içindeki Sodyum iyonu yoğunluğu dışarıdakinden çok azdır ve Sodyum iyonları pozitif yüklü olduğundan hücre dışı içine göre daha pozitif olacaktır. 2) Elektriksel yük dengesini sağlamak amacıyla pozitif yüklü Potasyum iyonlarının hücre içine girmeleri hücre içi Potasyum konsantrasyonunun dışarıya göre artmasına neden olur. İyon akışı denge durumuna ulaşınca membranda, içi dışına göre negatif ve iyon konsantrasyon farklarıyla belirlenen bir gerilim oluşur. Bu membran potansiyeline, dinlenme potansiyeli denir ve membran uyarılana kadar sabit kalır. Mikroelektrotlarla yapılan ölçümlerde hücre dışı pozitif olmak üzere membranın içi ve dışı arasında değeri -90 mv olan ve -60 mv ila -100 mv arasında değişen bir gerilim ölçülür. Elektrostatik Basınç Kuvveti: Bazı maddeler suda çözündüğünde iki parçaya ayrılırlar ve her bir parçası zıt elektrik yüküne sahip olur. Bu özelliğe sahip maddelere elektrolit denir. Bu yüklü parçalar iyonlara ayrışırlar. İyonlar iki temel parçadan oluşurlar: Katyonlar pozitif yüklü, Anyonlar negatif yüklü parçalardır. Örneğin, sodyum klorür (NaCl, sofra tuzu) suda çözünür ve molekülleri sodyum (Na + ) ve klör e (Cl - ) ayrılır. Elektrostatiğin temel kanunlaruna göre aynı yükler birbirlerini iterler, zıt yükler ise birbirlerini çekerler. Böylece, anyonlar anyonları, katyonlar katyonları iterler, fakat anyon ve katyonlar birbirlerini çekerler. Aralarındaki bu itme-çekme kuvvetine elektrostatik basınç kuvveti denir.

5 Difüzyonla moleküllerin yüksek yoğunluklu bölgelerden düşük yoğunluklu bölgelere yönlendiği gibi, elektrostatik kuvverler ile de iyonlar bir bölgeden diğer bölgeye harek etederler. Hücre içi ve Hücre Dışı Sıvılarındaki İyonlar Hücre içinde bulunan sıvılar ( intracellular fluid ) ve hücreyi çevreleyen hücre dışındaki sıvılar ( extracellular fluid ) farklı iyonlar içerirler. Difüzyon ve elektrostatik kuvvetlerin katkısıyla bu iyonlar membran potensiyelinin oluşmasında önemli rol oynarlar. Bu potansiyelin nasıl oluştuğunu bilmek için hücre için ve hücre dışı sıvıların içeriğini bilmemiz gerekir. Bu sıvılarda birçok önemli iyonlar bulunmaktadır. Bunlardandan bazrıları organik iyonlar (A - ), klör (Cl - ), sodyum (Na + ) ve potasyum dur (K + ). Organik iyonlar negatif yüklü proteinler ve hücre metabolik işlemleri sonucu oluşan iyonlardır ve sadece hücre içi sıvıda bulunurlar. K + büyük bir oranda hücre içi sıvıda, Na + ve Cl - ise büyük bir oranda hücre dışı sıvıda bulunmaktadır. Yukarıdaki şekillerde iyonların bağıl dağılımları gösterilmiştir. İyonların nerede daha az, nerede daha çok olduğunu hatırlamanın en kolay yollarından biri de hücre dışı sıvıların deniz suyuna benzetilmesi ve dolayısıyla NaCl nin yoğun olduğunu düşünmektir.

6 Şimdi difüzyon ve elektrostatik kuvvetlerin oynadıkları rolleri daha iyi açıklayabiliriz. Organik iyonlar, A -, seçici geçirgen olan membrandan hücre dışına çıkamazlar ve hücre potansiyeline katkı sağlarlar. Bu iyonlar için hücre zarı geçirgen değildir. Potasyum iyonu K + hücre içinde yoğun halde bulunur ve bu yüzden difüzyon kuvveti ile hücre dışına çıkmaya çalışırlar. Fakat hücre dışı, hücre içine göre pozitif yüklü olduğundan elektrostatik kuvvetler bu katyonları içeri doğru ittirirler. Böylece, iki zıt kuvvet dengeye gelir, ve potasyum iyonları hücre içinde bulundukları yerde kalmaya devam ederler. Klör iyonu Cl - hücre dışında çok yüksek konsantrasyonda bulunur ve difüzyon kuvveti bu iyonları hücre zarından geçmeye zorlar. Fakat, hücre membranının iç yüzeyi dışarıya göre daha negatif yüklü olduğundan, elektrostatik kuvvetler klör iyonunu dışarıya doğru iterler. Yine iki zıt kuvvet dengede kalır. Sodyum iyonu (Na + ) hücre dışında oldukça yüksek konsantrasyona sahiptir. Klör de olduğu gibi difüzyon ile hücre içine doğru itilirler. Fakat, klörün aksine, sodyum iyonları pozitif yüklüdür ve elektrostatik kuvvetler sodyumun hücre içine girmesini engelleyemezler ve hücre içi negatif yükler de sodyum iyonunu içeri doğru çekerler. Burada bilinmesi gereken konulardan birisi de uzay yükü nötürlüğüdür. Bir ortamdaki toplam anyon ve toplam katyon sayıları birbirine denktir. Yani hücrenin içi ve dışını birlikte ele alırsak artı ve eksi yüklerin toplamları birbirine denktir.

7 Hem difüzyon, hem de elektrostatik kuvvetler ile sodyumun içeri doğru itilmesine rağmen, nasıl olur da sodyum konsantrasyonu hücre dışı sıvıda daha yüksek olur? Cevap: Diğer bir kuvvet oluşturan sodyum-potasyum pompası, sürekli bir şekilde Na u hücre dışına atar. Bu pompa birçok protein molekülünden oluşur ve enerjisini mitokondriler tarafından üretilen ATP ile karşılar. Sodyum-potasyum pompası her 3 Na iyonunu dışarı atmasına karşılık iki K iyonunu içeri alır...\how the Sodium Potassium Pump Works.mp4 (sodyum-potasyum pompası video) Membran Na için çok düşük geçirgenliktedir ve sodyum-potasyum pompası da Na konsantrasyonunu hücre içinde oldukça düşük tutmaya çalışır. K iyonunu içeri alarak hücre içini K konsantrasyonunu da yükseltmiş olur. Hücre zarı K için N a göre 100 kat daha fazla geçirgendir.

8 Dinlenme Potansiyeli (Resting State-Membrane Potential) Yukarıda bahsedilen iyonik dengenin sonucu olarak hücre içi ile hücre dışındaki voltaj farkı 70 mv civarında ölçülür. Bu durum hücre içinin dışarıya göre daha negatif yük bulundurduğunu belirtir. E RT F PK [ K] o P ln PK [ K] i P Na Na [ Na] o PCl[ Cl] i [ Na] P [ Cl] i Cl o

9

10 AKSİYON POTANSİYELİ (The Action Potential)

11

12

13

14 Aksiyon potansiyeli movie!

15

16 Nörotransmitter madde salınımı, sinir hücrelerinin haberleşmesi Synapse - neurotransmitter - presynaptic neuron -Postsynaptic Neuron - action potential.mp4

17

18

19

20

21

22