BİYOFİZİK. Doç. Dr. Mete ÖZCAN

Transkript

1 BİYOFİZİK Doç. Dr. Mete ÖZCAN

2 BİYOFİZİK Canlı varlıkların incelenmesinde fiziğin uygulanmasıyla ortaya çıkan bilim dalıdır. İbn-i Sina ( ), Galileo Galilei ( ) sarkaç ve termometre Luigi Galvani ( ) biyoelektrik (animal electricity) Jean-Leonard-Poiseuille ( ) kan viskos akış yasaları Adolf Fick ( ), difüzyon yasaları Herman Ludwig Ferdinand von Helmholtz ( ) Sinirde iletim hızı, renkli görme ve işitme teorileri 1930 larda bazı biyolojik olayları açıklamak için biyokimya ile fizyoloji de yetersiz kalınca fizik kullanılmaya başlanmış ve biyofizik doğmuştur.

3 Moleküler biyofizik: Biyolojik moleküllerin özellikle biyopolimerlerin fizikokimyasal özelliklerini inceler. Protein yapılarının belirlenmesi DNA-protein etkileşimi Hücre biyofiziği: Hücre ve dokuların yapı ve fonksiyonlarını ilgilenir. Hücre zarının yapı ve özellikleri, hücre zarından taşıma. Elektriksel sinyallerin (aksiyon potansiyeli) oluşması ve yayılması. Sistemler biyofiziği: Fizyolojik sistemlerin çalışma prensiplerini fiziksel ve matematik modellerle açıklamaya çalışır. Fizyolojik mekanizmaların modellenmesi Doku ve biyomedikal mühendislik Biyomekanik ve akışkanlar bilimi

4 Molekül İçi ve Moleküllerarası Bağlar Sistemler oluşturmak için moleküller birbirleriyle bağlanırlar: 1- Kuvvetli Bağ (>> 2.5 kj/mol) 2- Zayıf Bağ ( 2.5 kj/mol) Bağlar: 1. Kovalent bağlar 2. İyonik bağlar 3. Hidrojen bağları 4. Van der Waals bağları

5 Bağ Gücü Özellikleri İyonik Kuvvetli Zıt yüklü iyonize gruplar arasındaki çekim. Kovalent Çok kuvvetli Atomlar arasında paylaşılan elektronlar. Hidrojen Zayıf Hidrojen ve oksijenin polarize bağları arasındaki çekim. Van der Waals Çok zayıf Çok yakın moleküller ve gruplar arasındaki çekim

6 Termodinamik Kanunları Q= du+ W (Termodinamiğin I. Kanunu) Sbt basınç altında H= U+PV W / Q= (T2-T1)/T2 (Termodinamiğin II. Kanunu) ds= Q/T (Tersinir süreçlerde entropi) ds Q/T (Tersinmez süreçlerde entropi) G= U+PV-TS (Gibbs Serbest Enerjisi)

7 Hücre, hayatın yapısal ve fonksiyonel ünitesi

8 Hücre Zarı Lipit, protein ve korbanohidratlardan meydana gelmiştir. Çift lipid tabakasından oluşmuştur (her biri 45 A ). Seçici geçirgen özellikte özel bir yapısı vardır. Kalınlığı; 6-10 nm, Kapasitansı; µf/cm2, Direnci; Ohm x cm2, Bozulma Potansiyeli; Mv, Su Geçirgenliği; ( ) x 10-6 m/s, Yüzey Gerilimi; N/m dir.

9 Hücre Zarı Polar (Kutuplu) Maddeler = Hidrofilik Polar Olmayan (Kutupsuz) Maddeler = Hidrofobik Fosfolipid = Fosfat Baş Bölgesi Polar Hidrofilik + Lipid Kuyruk Bölgesi Non-Polar Hidrofobik Polar Hidrofilik Baş bölgesi Non-polar Hidrofobik Kuyruk bölgesi hidrofobik ucu içte, suda eriyen kısmı (hidrofil) dışa bakar

10 Hücre Zarı Fosfolipid Topluluğu Sulu Ortamda ; -Misel -Bilayer = Double Layer

11 Bir madde; Ya akıcı, hareketli, kararsız, Ya da düzenli, kristalize, yüksek organizasyonlu Hücre membranının bilayer tabakası : İkisi de. 11

12 Singer ve Nicholson un akışkan mozayik modeli (1972) Bilayer tabaka üzerindeki mozayikler = Proteinler Zar proteinleri 1) Lipid tabakasındaki integral proteinler zarı boydan boya kat ederler 1. Taşıma görevi: Hücre zarından iç tarafa veya dış tarafa doğru bazı maddelerin taşınmasını sağlayan iyon kanalları ve aktif transporterlar 2. Sentezleme görevi: membran lipitinin ve diğer maddelerin sentezini 3. Reseptör görevi: hormon ve nörotransmitterle bağlanıp etkilere neden olur 2) periferik proteinler: zarın bir yüzeyinde (enzim olarak) Glikoprotein Extrasellüler Sıvı Glikolipid Fosfolipitler Periferal protein Kolesterol Stoplazma Transmembrane proteinler

13 Outside Plasma membrane Inside Transporter Enzyme activity Cell surface receptor Cell surface identity marker Cell adhesion Attachment to the cytoskeleton

14 Sorusu olan?

15 HÜCRE MEMBRANINDAN GEÇİŞ (TRANSPORT)

16 Eğer iki ortamı birbirinden ayıran bir bariyer varsa, bir ortamdan diğerine madde akışı olabilmesi için, iki ortam arasında POTANSİYEL ENERJİ FARKI bulunmak zorundadır. Biyolojik ortamlar arasındaki olası potansiyel enerji farkı kaynakları: 1. Kimyasal Potansiyel Enerji = Konsantrasyon Farkı (Gradienti) 2. Hidrostatik Basınç Farkı 3. Elektriksel Potansiyel Enerji 4. Termal Enerji 16

17 Hücre Zarının Farklı Maddelere Olan Geçirgenliğinin Sınıflandırılması 1. Çok Kolay Geçenler : Su 2. Kolay Geçenler : a) Oksijen, Azot, Karbondioksit gibi gazlar b) Alkol, Eter, Kloroform gibi yağda çözünebilen maddeler 3. Zor Geçenler : Glukoz, Aminoasitler, Gliserol, Yağ Asitleri 4. Çok Zor Geçenler : a) İnorganik tuzlar b) Her türlü asidik ve alkali maddeler c) Sakkaroz, Maltoz, Laktoz gibi disakkaritler 5. Hiç Geçmeyenler : Proteinler, Polisakkaritler, Fosfolipidler 17

18 Madde ve Suyun Hücre Zarından Geçişleri İhtiyaç duyulan maddelerin hücreye alınması, metabolitlerin ve hücrede sentezlenen ürünlerin hücre dışına atılmasını sağlayan mekanizmalar: Difüzyon Basit difüzyon Kolaylaştırılmış difüzyon Ozmoz: suyun geçişi Weeee!!! Yüksek Aktif taşıma Primer aktif taşıma Sekonder aktif taşıma Düşük Yüksek Bu iş zor olacak!!! Düşük

19 Madde ve Suyun Hücre Zarından Geçişleri

20 Basit Difüzyon Moleküllerinin gelişi güzel hareketler yaparak yayılmasıdır. Difüzyon ortamda molekül yoğunluğu eşitleninceye kadar devam eder. İyonlar kendi kinetik enerjileri ile zardan her iki yöne doğru geçer ama net hareket çok yoğun ortamdan az yoğun ortama doğru olur. Hücre zarında difüzyon, aynı molekülün sudaki difüzyonundan çok daha yavaştır Membranda difüzyonu sınırlayan faktör lipid çift tabakadır Lipitte daha iyi eriyen bir madde hücre zarından daha

21 Basit Difüzyon Düfüzyon hızı nelere bağlıdır? Kinetik hareketin hızına o Sıcaklığa, yayınım hızı sıcaklıkla artar o Taneciklerin büyüklüğüne, küçük tanecikler daha hızlı yayılır Çözeltinin derişim farkına Zarda iyon ve moleküllerin hareket edebilecekleri delikçik (por) sayısına Yüzey alanına

22 Fick Yasası: Fick yasası, difüzyonu matematiksel olarak tanımlar. Madde akışının konsantrasyon gradienti ile doğru orantılı olduğunu anlatır. Adolf Eugen Fick ( ) Fick in 1. Yasası Kararlı-durum difüzyon şartlarında yani, difüzyonun meydana geldiği ortamda konsantrasyon zamanla değişmediği şartlarda geçerlidir. Fick in 2. Yasası Kararsız-durum difüzyon şartlarında yani, difüzyonun meydana geldiği ortamda konsantrasyon zamanla değiştiği şartlarda geçerlidir.

23 Kolaylaştırılmış Difüzyon: Maddelerin taşıyıcı bir molekül yardımıyla zardan karşı tarafa geçişine denir. Akım çok yoğun ortamdan az yoğun ortama doğrudur. iki taraf konsantrasyonu eşitlendiğinde akım durur Enerji gerektirmez En güzel örnek glikozdur Yüksek Düşük

24

25 İyon Kanallarından İyon Akışı:

26 Ozmoz: Suyun Difüzyonu Su moleküllerinin yarı geçirgen zardan yoğun ortama geçişine ozmoz denir Geçiş iki taraf arası osmolarite farkına göredir su, osmolaritesi düşük olan bölgeden yüksek osmolariteye sahip tarafa geçer Su geçişi, zarın iki tarafında ozmotik basıncı eşitleninceye kadar devam eder.

27 Bir solüsyonun ozmotik basıncı: Saf su ile yanyana konduğunda, su difüzyonunu önleyebilmek için uygulanması gereken basınca o solusyonun ozmotik basıncı denir osmotik basıncı arttıkça osmolarite de artar, su konsantrasyonu düşer P= T.n. c.r T; Mutlak Sıcaklık n; Dissosiye olabilen partikül sayısı C; Konsantrasyon R; ideal gaz sabiti (0.082 atm l/k mol) Çok yoğun Saf su Eşit yoğunlukta Çok yoğun Saf su

28

29 Aktif Taşıma: Konsantrasyon gradyentine zıt yönde bir taşınım söz konusudur Enerji gerektiren bir olaydır Na, K, Ca, glikoz, aminoasitler çoğu kez etkin taşınımla taşınırlar

30 Aktif Taşıma: Birincil Aktif Taşıma Taşıyıcı protein ATP yi doğrudan yıkarak kendini fosforilleyen bir ATPaz dır. Na+-K+ ATPaz Ca2+ ATPaz H+ ATPaz H+-K+ ATPaz

31 6 K+ is released and Na+ sites are ready to bind Na+ again; the cycle repeats. Extracellular fluid Binding 1of cytoplasmic Na+ to the pump protein stimulates phosphorylation by ATP. Cytoplasm 2 Phosphorylation causes the protein to change its shape. Concentration gradients of K+ and Na+ 3 5 Loss of phosphate restores the original conformation of the pump protein. The shape change expels Na+ to the outside, and extracellular K+ binds. 4 K+ binding triggers release of the phosphate group.

32 Aktif Taşıma: İkincil Aktif Taşıma Enerji olarak doğrudan ATP değil, iyon konsantrasyon gradyentini kullanılır Taşıyıcı protein üzerinde asıl taşınacak madde haricinde bir de enerjiyi sağlayacak olan iyonu bağlayan bölge vardır bu iyon genellikle sodyumdur Örn. barsak epitel hücreleri ve böbrek tubül hücreleri zarından glukozun yokuş yukarı transportu Na+ gradyanı ikinci bir iyonun aktif transportu için itici kuvvet olarak kullanılır.

33 Aktif Taşıma: Sekonder Aktif Taşıma Sekonder aktif transport ile taşınan madde sodyum iyonları ile aynı yönde taşınıyorsa simport (sodyum co-transportu), Ters yönde taşınıyorsa antiport (sodyum countertransportu) olarak anılır

34 Sorusu olan?

35 Hücrede İyon Konsantrasyonu

36 Memeli Nöronlarıda İyon Gradyantı: 2. Ayrıcathere hücre ile dışı 2. Moreover, areiçi differences + + Na-K pompasından dolayı arasında Na veand K+K+ in concentrations of Na across cell membranes konsantrasyon farkı bulunur EXTRACELLULAR CYTOSOL FLUID [Na+] 14 mm + [Na+] 142 mm [K+] 140 mm + [K+] 4 mm + [Cl ] 10 mm [Cl ] mm [A ] 100 mm + because of the Na+/K+ pump; see Fig Plasma membrane 1. Most cells have a difference in voltage 1.across Hücrelerin içi dışına göre cell membrane such thatnegatif inside is negative relative toanyonlardan outside Zarı geçemeyen dolayı at rest, the membrane 3.3.BuTherefore, nedenlerle dinlenim durumunda + conductance has ana low to Na+ anddüşük, zarın ve K+ a geçirgenliği K+ fakat but a large electrical and büyük bir elektriksel ve + chemical gradient for Na bulunur kimyasal gradyent

37 K+ a seçici geçirgen olan zardan difüzyon potansiyeli oluşumu için iki şart vardır: Konsantrasyon farkı olmalı Söz konusu iyona karşı yapay zarın geçirgen olması Yandaki şekildeki deneyde oluşan difüzyon potansiyeli:= mv

38 Difüzyonun Oluşturduğu Zar Potansiyeli: Hücre içi ile hücre dışı arasında K+ geçişi eşit olduğu zaman İMP meydana gelir Sızntı K+ kanalları vasıtasıyla K+ (hücre dışı) difüze olur. K+ kaybı plazma membranın iç yüzünü negatif yapar. Hücrenin iç yüzeyinin negatif olması K+ hücre içine doğru hareketine neden olur

39 Difüzyonun Oluşturduğu Zar Potansiyeli: Zar sadece K+ a çok geçirgen olduğunda: K+ hücre dışına çıkmasıyla zarın dış yüzü pozitif olur Dışarıya difüzyona uğrayamayan, negatif anyonlar, zarın iç yüzünü negatif yapar Fakat [K+] difüzyonu başladıktan 1 ms sonra gelişen bu potansiyel fark, K+ konsantrasyon gradyanına rağmen, K+ un daha fazla dışarıya difüzyonunu durduracak düzeye (yaklaşık -94 mv; lifin içi negatif) yükselir. K+ geçirgen olduğu ilk durumda kuvvetler K+ geçirgen olduğu ilk durumda net kuvvet K+ geçirgen olduğunda dengeye ulaşıldığı durumda kuvvetler -94 mv Hücre içi Hücre içi Hücre içi

40 Dinlenim Zar Potansiyeli: Zarın dinlenim potansiyeli oluşum nedenleri: Bu Na+, K+, Cl ve protein anyonların (A ) hücre içi ve dışı arasında farklı konsantrasyonda bulunmasından kaynaklanır Ayrıca Na+, K+, Cl karşı hücre zarının geçirgen olmasından

41 Gibbs-Donnan Dengesi

42 Gibbs-Donnan Dengesi Gibbs-Donnan Dengesi Nernst Denge Denkleminin özel bir durumudur. Ortamlardan birisinde membranı kesinlikle geçemeyecek bir maddenin bulunması halinde, iki iyon arasındaki dengenin sağlanabilmesi için gerekli iç ve dış konsantrasyonları hesaplamak için kullanılır. [K+]iç [K+]dış = [Cl-]dış [Cl-]iç

43 Gibbs-Donnan Dengesi Elektriksel potansiyel fark 0 mv Elektriksel potansiyel fark (Donnan potansiyeli) 18.4 mv

44 Sorusu olan?

45 Örnek Problem A ve B ortamları yarı geçirgen bir zar ile ayrılmış yarı geçirgen zar Na+, Cl- ve suya geçirgen fakat makromoleküllere (anyonlar, Y) geçirgen değildir. Denge durumunda B ortamı A ortamı Na =60 mm Cl-=60 mm + Na+=90 mm Cl-=? mm Y-=? mm Denge durumunda verilmeyen B ortamındaki makromolekül (anyon protein, Y) Cl konsantrasyonu ne olur? (Na+ )A (Cl- )A = (Na+ )B (Cl- )B 60 x 60=90 x X 3600= 90X X= 3600/90= 40 Denge durumunda her iki ortamda da anyonlar (-), katyonlara (+) eşit olacağından: A ortamında: Anyon = Katyon 60mM Cl=60mM Na B ortamında: Anyon = Katyon 40 mm Cl + mm Y =90mM Na Y= 50 mm olması gerekir. Denge durumunda A ortamı Na =60 mm Cl-=60 mm + ortamı Na+=90 mm Cl-=40 mm Y-=50 mm

46 Örnek Problem Denge durumunda A ortamı Küçük iyonları geçiren (Na+, Cl-) ancak iri anyonları geçirmeyen (A-) bir zar iki kompartımanı ayırıyor. Başlangıçta A ortamında NaA çözeltisi B ortamında ise NaCl çözeltisi vardır. Sistem dengede iken (Donnan dengesi) A ve B ortamındaki konsantrasyonlar şekildeki gibidir Denge durumunda A ortamı Na+=0.326 mol/l Cl-= =0.06 mol/l A-=0.266 mol/l B ortamı Na+ =0.14 mol/l Cl-=0.14 mol/l A-= 0 Na+=0.326 mol/l Cl-= =? mol/l A-=? mol/l Na 0.14 X 0.14 =0.326 X Cl Cl = 0.06 mol/l A- = = mol/l B X Cl = Na X Cl B A A A A B ortamı Na+ =? mol/l Cl-=0.14 mol/l A-= 0

47 Zarın iki tarafı arasındaki potansiyel farkı, bir iyonun zardan bir yönde net difüzyonunu önleyecek düzeyine o iyon için Nernst potansiyeli dir. Dinlenim durumunda hücre içi zarı geçemeyen anyonlardan dolayı negatiftir. Nernst denklemiyle tek değerlikli tek bir iyonun denge potansiyeli hesaplanır; RT iyon Dıı EMFion (V ) ln iyon iç zf T: Kelvin cinsinden sıcaklık (0 oc=273 ok; 37 oc=310 ok (=273+37=310); R: Gaz sabitesi (8.3) z: iyonun valansı (değerliliği), K+ Na+ ve Cl- için 1, Ca++ için 2 F: Faraday sayısı (96500) Zarın dışındaki potansiyel sıfır olarak kabul edilir ve

48 Hücre elektroniği Difüzyon potansiyeli RT iyon Dıı EMFion (V ) ln zf iyon iç T: Kelvin cinsinden sıcaklık (0 oc=273 ok; 37 oc=310 ok (=273+37=310); R: Gaz sabitesi (8.3) z: iyonun valansı (değerliliği), K+ Na+ ve Cl- için 1, Ca++ için 2 F: Faraday sayısı (96500) Vion [8.3 x(37 (273))] [iyon]dıı ln 1x96500 [iyon]iç Vion (V ) log iyon Dıı iyon iç Formüldeki : negatif bir iyon için negatif (-), pozitif bir iyon için pozitif (+) dır.

49 Potasyum difüzyonun katkısı. K+ sızma kanallarından K+ difüzyonuyla K için nernst potansiyeli, -94 mv, tek faktör potasyum iyonları olsaydı, dinlenim potansiyeli, -94 mv olacaktı Sodyum difüzyonunun katkısı. Na+ sızma kanallarından difüzyonuyla, Na için Nernst potansiyeli +61 mv. bir sinir lifinde zarın K+ a geçirgenliği Na+ a göre 100 kat daha fazladır. Goldman eşitliğine göre -86 mv olurdu. Na+-K+ pompasının katkısı. 2 K+ a membranın içine 3 Na+ zarın dışına devamlı pompalanır. Elektrojenik olduğundan dolayı hücre içi pozitif yüklerin kaybına neden olur. Bu durum yaklaşık -4 mv etkisi olur. Bu üç faktörün eş zamanlı katkısıyla -90 mv olur.

50 Hücre elektroniği Difüzyon potansiyeli Vm PK =1 P Na=0,04 ENa EK

51 Hücre elektroniği Difüzyon potansiyeli Bir iyona karşı geçirgenlik zar potansiyelini bu iyonun denge potansiyeline doğru kaydırır Ama diğer iyonların geçirgenlikleri buna engel olacaktır EK P -94 K Vm =1 P Na= ENa +61

52 İstirahat Membran Potansiyeli

53 Aksiyon potansiyeli Zarın bir noktasında 1 ms kadar süren bu potansiyel değişikliğinden sonra, zar bu bölgede dinlenim durumuna dönerken, potansiyel değişikliği zar boyunca yayılır Lif boyunca iletilen bu potansiyel değişikliğine aksiyon potansiyeli denir. Nöronlarda sinyaller aksiyon potansiyeli ile iletilir.

54 Canlı organizmalarda bilgi ve komut iletimi: 1. Nöronal (Sinirsel) 2. Endokrin (Hormonal) Nöron (Sinir Hücresi) : Canlı organizmalarda bilgi ve komut iletimi için özelleşmiş (aksiyon potansiyeli taşıyan) biyolojik kablodur. Aksiyon Potansiyeli; 1. Uyarılabilir hücrelerin en temel elektriksel aktivitesidir. 2. Çok hücreli organizmalarda bilgi ve komut iletiminin en temel öğesidir. 3. Her türlü fiziksel ve kimyasal aktivitenin temelini oluşturur. 54

55

56 AKSİYON POTANSİYELİNİN EVRELERİ-1 : İSTİRAHAT DÖNEMİ Membran Potansiyeli 40 mv 30 mv 20 mv 10 mv 0 mv - 10 mv - 20 mv - 30 mv - 40 mv - 50 mv - 60 mv - 70 mv - 80 mv - 90 mv Hücre henüz istirahat halinde. Kendisini uyaracak bir uyaran bekliyor. Membran potansiyeli -60 mv ile -90 mv arası bir değere sahip. Uyarılma Eşiği (E th) İstirahat Potansiyeli (E r) 56

57 AKSİYON POTANSİYELİNİN EVRELERİ-2 : UYARI ANI Membran Potansiyeli 40 mv 30 mv 20 mv 10 mv 0 mv - 10 mv - 20 mv - 30 mv - 40 mv - 50 mv - 60 mv - 70 mv - 80 mv - 90 mv Beklenen uyarı nihayet geldi. Hücre depolarize olmaya başlayacak. Uyarılma Eşiği (E th) İstirahat Potansiyeli (E r) Uyarı 57

58 AKSİYON POTANSİYELİNİN EVRELERİ-3 : UYARILMA EVRESİ Membran Potansiyeli 40 mv 30 mv 20 mv 10 mv 0 mv - 10 mv - 20 mv - 30 mv - 40 mv - 50 mv - 60 mv - 70 mv - 80 mv - 90 mv Uyaranın akım şiddeti ve uygulanma süresi yeterli, Hücre uyarılma eşiğine kadar depolarize oldu, Artık aksiyon potansiyeli başlayabilir. Uyarılma Eşiği (E th) İstirahat Potansiyeli (E r) Uyarı 58

59 AKSİYON POTANSİYELİNİN EVRELERİ-4 : DEPOLARİZASYON EVRESİ Membran Potansiyeli 40 mv 30 mv 20 mv 10 mv 0 mv - 10 mv - 20 mv - 30 mv - 40 mv - 50 mv - 60 mv - 70 mv - 80 mv - 90 mv Hızlı Depolarizasyon Evresi de denir. Genellikle 1 ms den kısa sürer. Bu dönemde bir (+) feed-back ortaya çıkar. (Membran potansiyeli depolarize olur, bu durum Na+ geçirgenliğini artırır, bu durum membran potansiyelini daha da depolarize eder... ) Bu dönemde Na+ a olan geçirgenlik 200 katına çıkar. (gna / gk oranı 1/20 den 10 a çıkar) Zirve (Uç = Peak) Pot. (E p) Uyarılma Eşiği (E th) İstirahat Potansiyeli (E r) Uyarı 59

60 AKSİYON POTANSİYELİNİN EVRELERİ-5 : ZİRVE (UÇ = PEAK) ANI Membran Potansiyeli 40 mv 30 mv 20 mv 10 mv 0 mv - 10 mv - 20 mv - 30 mv - 40 mv - 50 mv - 60 mv - 70 mv - 80 mv - 90 mv Hücrenin sahip olabileceği en depolarize durumdur. Membran potansiyeli polarite değiştirerek (+) hale gelmiştir. Bazı hücrelerde +80 mv a kadar ulaşabilir. Depolarizasyon süreci neden ve hangi mekanizmayla durdu? Zirve (Uç = Peak) Pot. (E p) Uyarılma Eşiği (E th) İstirahat Potansiyeli (E r) Uyarı 60

61 AKSİYON POTANSİYELİNİN EVRELERİ-6 : REPOLARİZASYON EVRESİ Membran Potansiyeli 40 mv 30 mv 20 mv 10 mv 0 mv - 10 mv - 20 mv - 30 mv - 40 mv - 50 mv - 60 mv - 70 mv - 80 mv - 90 mv Na+ a olan geçirgenlik hızla normale dönerken, bu kez K+ a olan geçirgenlik artar. Bu durumda dışarı akan K+ iyonları hücrenin hızla repolarize olmasına nede olur. Zirve (Uç = Peak) Pot. (E p) Uyarılma Eşiği (E th) İstirahat Potansiyeli (E r) Uyarı 61

62 AKSİYON POTANSİYELİNİN EVRELERİ-7 : Depolarize Edici Ard Pot. Evresi Membran Potansiyeli 40 mv 30 mv 20 mv 10 mv 0 mv - 10 mv - 20 mv - 30 mv - 40 mv - 50 mv - 60 mv - 70 mv - 80 mv - 90 mv Uyarılabilirlik (yeni bir aksiyon potansiyeli başlatma), isitirahat halindeki bir hücreden bile daha kolaydır. Her hücrede görülmesi zorunlu değildir, bazı hücrelerin aksiyon potansiyelinde rastlanmaz. Genellikle ms kadar sürer. Zirve (Uç = Peak) Pot. (E p) Uyarılma Eşiği (E th) İstirahat Potansiyeli (E r) Uyarı 62

63 AKSİYON POTANSİYELİNİN EVRELERİ-8 : Hiperpolarize Edici Ard Pot. Evr. Membran Potansiyeli 40 mv 30 mv 20 mv 10 mv 0 mv - 10 mv - 20 mv - 30 mv - 40 mv - 50 mv - 60 mv - 70 mv - 80 mv - 90 mv Uyarılabilirlik (yeni bir aksiyon potansiyeli başlatma), zorlaşmıştır. Her hücrede görülmesi zorunlu değildir, bazı hücrelerin aksiyon potansiyelinde rastlanmaz. Genellikle dakikalarca sürer. Zirve (Uç = Peak) Pot. (E p) Uyarılma Eşiği (E th) İstirahat Potansiyeli (E r) Uyarı 63

64 AKSİYON POTANSİYELİNİN EVRELERİ-9 : İSTİRAHAT DÖNEMİ Membran Potansiyeli 40 mv 30 mv 20 mv 10 mv 0 mv - 10 mv - 20 mv - 30 mv - 40 mv - 50 mv - 60 mv - 70 mv - 80 mv - 90 mv Normale dönüş... Ohh... Bu aksiyon potansiyeli de bitti. Zirve (Uç = Peak) Pot. (E p) Uyarılma Eşiği (E th) İstirahat Potansiyeli (E r) Uyarı 64

65 MİKROELEKTROT KAYIT TEKNİĞİ Elektrot uç bölgesi çapı = 0.5 µm 65

66 Membran Potansiyeli 40 mv 30 mv 20 mv 10 mv 0 mv - 10 mv - 20 mv - 30 mv - 40 mv - 50 mv - 60 mv - 70 mv - 80 mv - 90 mv mv Uyarılma Eşiği (E th) İstirahat Membran Potansiyeli (E r) 66

67 Membran Potansiyeli 40 mv 30 mv 20 mv 10 mv 0 mv - 10 mv - 20 mv - 30 mv - 40 mv - 50 mv - 60 mv - 70 mv - 80 mv - 90 mv mv } Bir hücreyi depolarize eden her türlü etmene Uyaran (Stimulatör), Depolarize olmuş hücreye de Uyarılmış (Stimule olmuş) denir. DEPOLARİZASYON Uyarılma Eşiği (E th) İstirahat Membran Potansiyeli (E r) 67

68 Membran Potansiyeli 40 mv 30 mv 20 mv 10 mv 0 mv - 10 mv - 20 mv - 30 mv - 40 mv - 50 mv - 60 mv - 70 mv - 80 mv - 90 mv mv } Bir hücreyi depolarize eden her türlü etmene Uyaran (Stimulatör), Depolarize olmuş hücreye de Uyarılmış (Stimule olmuş) denir. DEPOLARİZASYON Uyarılma Eşiği (E th) } İstirahat Membran Potansiyeli (E r) HİPERPOLARİZASYON Bir hücreyi hiperpolarize eden her türlü etmene Baskılayan (İnhibitör = Supresör), Hiperpolarize olmuş hücreye de Baskılanmış (İnhibe = Suprase olmuş) denir. 68

69 Membran Potansiyeli 40 mv 30 mv 20 mv 10 mv 0 mv - 10 mv - 20 mv - 30 mv - 40 mv - 50 mv - 60 mv - 70 mv - 80 mv - 90 mv mv Depolarize olmuş (uyarılmış) bir hücrenin membran potansiyelinin, istirahat membran potansiyeline geri dönmesi olayının özel adı Repolarizasyon dur. REPOLARİZASYON İstirahat Membran Potansiyeli (E r) 69

70 Bir uyaranın aksiyon potansiyeli başlatabilirliğini belirleyen iki temel bileşen: 1. Akımın Şiddeti (A) 2. Uygulanma Süresi (s) Akım Şiddeti ve Uygulanma Süresi İle İlgili Kurallar Bir uyaranın akım şiddeti belirli bir düzeyden daha zayıf ise, ne kadar uzun süre uygulanırsa uygulansın, aksiyon potansiyeli başlatamaz. Bir uyaranın uygulanma süresi belli bir süreden daha kısa ise, ne kadar şiddetli olursa olsun, aksiyon potansiyeli başlatamaz. Bir uyaranın akım şiddeti ne kadar kuvvetli ise, aksiyon potansiyeli başlatabilmesi için gerekli uygulanma süresi o kadar kısadır. Bir uyaranın uygulanma süresi ne kadar uzun ise, aksiyon potansiyeli başlatabilmesi için gerekli akım şiddeti o kadar azdır. 70

71

72 Bir Uyarılabilir Hücrenin, Uyarılabilirlik Ölçütü: Uyaran Akım Şiddeti UYARILABİLİRLİK Zaman 72

73 Bir Uyarılabilir Hücrenin, Uyarılabilirlik Ölçütü: Uyaran Akım Şiddeti UYARILABİLİRLİK Rheobaz Akımı Zaman 1. Rheobaz akımı : Bir hücrede aksiyon potansiyeli başlatabilecek en düşük akım şiddeti. Teorik olarak, ancak sonsuz süre sonra aksiyon potansiyeli başlayabilir. 73

74 Bir Uyarılabilir Hücrenin, Uyarılabilirlik Ölçütü: Uyaran Akım Şiddeti UYARILABİLİRLİK 2 x Rheobaz Akımı Rheobaz Akımı Kronaksi Zamanı Zaman 2. Kronaksi zamanı : Rheobaz akımının iki katı şiddete sahip bir akımın, hücrede aksiyon potansiyeli başlatabilmesi için geçen süre. 74

75 Bir Uyarılabilir Hücrenin, Uyarılabilirlik Ölçütü: Uyaran Akım Şiddeti UYARILABİLİRLİK 2 x Rheobaz Akımı Rheobaz Akımı Kronaksi Zamanı Zaman 75

76 Mutlak (Absolute) Refrakter Dönem Yeni bir aksiyon potansiyelinin başlaması İmkansız. (İletim için çok önemli*) Membran Potansiyeli 40 mv 30 mv 20 mv 10 mv 0 mv - 10 mv - 20 mv - 30 mv - 40 mv - 50 mv - 60 mv - 70 mv - 80 mv - 90 mv Relatif Refrakter Dönem Yeni bir aksiyon potansiyelinin başlaması imkansız değil. Zirve (Uç = Peak) Pot. (E p) Uyarılma Eşiği (E th) İstirahat Potansiyeli (E r) Uyarı 76

77 Eşik Altı Uyaranların Toplanması (Summation = Summasyon) 1. Uzaysal = Yersel = Spatial Farklı odaklardan gelen uyaranların toplanması 77

78 Eşik Altı Uyaranların Toplanması (Summation = Summasyon) 2. Zamansal = Temporal Farklı zamanlarda gelen uyaranların toplanması 78

79 Eşik Altı Uyaranların Toplanması (Summation = Summasyon) 2. Zamansal = Temporal Farklı zamanlarda gelen uyaranların toplanması 79

80 Uyum Kare puls biçimli bir uyaran için eşik en düşüktür. Uyarılabilir bir hücre veya dokunun, şiddeti ağır ağır artan bir uyaran karşısında eşiğini yükseltmesine uyum (akomodasyon) denir.

81 Tepe (zirve, uç) değeri Sıfır üzeri voltaj (overshoot) Dinlenim potansiyeli altı (undershoot) 81

82

83 Myelinli Lifler ve Saltatorik İletim 83

84 Miyelinli Lifler ve Saltatorik İletim 84

85 Miyelinsiz Lifler 85

86 Genelde gençleri etkileyen otoimmun bir hastalıktır: İnflamasyon MSS de miyelin sinir aksonlarının myelin kılıfı hasarlanır Demiyelinizasyon sonucu aksonların izolasyonları bozulduğu için sinir impulsları kısa devre yapar Belirtiler: kasların kontrolünün zayıflar İdrarını tutamama, Uyarıya yanıtları çok gecikir Görme ve işitme problemleri, Zaafiyet,

87 Çizgili Kas Aksiyon Potansiyeli Kalp Kası Aksiyon Potansiyeli 87

88 Aksiyon Potansiyeli Yayılımının Elektrofizyolojisi _ _ Nöron Osiloskop + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + 88

89 Aksiyon Potansiyelinin Yayılım Hızını Artıran Faktörler 1. Birim yüzeydeki sodyum kapısı sayısının artması 2. Eşik potansiyelin düşmesi 3. Membran kapasitansının düşmesi 4. Akson iç direncinin düşmesi 5. Akson yarı çapının artması 6. Sıcaklığın artması 7. Myelin kılıfın varlığı ve kalınlığı (Membran direcini büyütür, Membran kapasitansını düşürür) Akson çapı arttıkça; 1. İletim hızı artar 2. Eşik değer azalır 3. Aksiyon potansiyeli genliği yükselir 4. Tepeye ulaşma süresi kısalır 5. Aksiyon potansiyeli süresi kısalır 89

90 İLETİM; Akson çapı ne kadar kalınsa, Myelin kılıf varsa ve ne kadar kalınsa o kadar hızlı olur. 90

91 91

92 İSTİRAHAT HALİNDEKİ BİR HÜCRENİN ELEKTRİKSEL DİNAMİĞİ ve AKTİF SODYUM-POTASYUM POMPASI 92

93 HÜCRE MEMBRANIN ELEKTRİKSEL EŞDEVRE MODELİ - 17 DIŞ (Ekstrasellüler) Ortam RNa+ _ + E Na+ I Na+ RCl + _ E Cl - I Cl - RK + + _ I Na+ I K+ Cm EK + IK+ İÇ (İntrasellüler) Ortam 93

94