SİNİRLERİN UYARILMASI VE İMPULS İLETİMİ Bütün hücrelerde membran boyunca potansiyel farkı (iç tarafta negatif,dışta pozitif) bulunmaktadır. Sinir ve kas gibi uyarılabilen dokuların istirahatten, uyarılmış hale geçmesi aksiyon potansiyelleri ile gerçekleştirilir. Aksiyon potansiyeli, bir hücre zarının fiziksel, kimyasal veya elektriksel bir uyaran ile uyarılması, zarın iki tarafındaki iyon dağılımının değişmesi ve ortaya çıkan elektriksel potansiyelin akson boyunca iletilmesidir. Aksiyon potansiyeli olarak adlandırılan ve aksonun en uç noktasına kadar iletilen elektriksel ileti (sinir uyarısı), sinapslarda nörotransmitterler aracılığı ile kimyasal iletiye çevrilmektedir. Bu kimyasal ileti, diğer sinir hücresinde elektriksel iletiyi başlatmaktadır. Nörotransmitterler sinapslarda sentezlenerek veziküllerde depolanmaktadırlar.
Sinir sisteminde bilginin iletimi, elektriksel ileti kimyasal ileti şeklinde tekrarlanarak sürmektedir. Bu fonksiyon farklılığı membranda bulunan özelleşmiş iyon yada ligand bağımlı kanalları sağlamaktadır. Dolayısı ile aksiyon potansiyelinde iyonlar, büyük miktarlarda ve hızda hücre içine veya dışına akarlar ve büyük voltaj değişiklikleri oluştururlar. Diğer hücre membranlarındaki iyon kanalları polarize olabilmekte, fakat elektriksel iletiyi yayamamaktadır.
İstirahat membran potansiyeli genel olarak; -10 ila -100 mv arasında değişir. Kalın sinir liflerinin membran potansiyeli, sinir sinyallerinin iletilmediği istirahat durumunda yaklaşık -70 milivolt (mv) dur. Salgı bezleri, eritrositler gibi uyarılamayan hücrelerde bu potansiyel fark, -10, -20 mv; iskelet kasında, -90 mv; kalbin uyarı doğuran hücrelerinde ve düz kaslarda, -50, -65 mv kadardır. Membranın 2 yüzü arasındaki potansiyel farkı az olan hücreler (örneğin sinir), potansiyel farkı çok olan hücrelere göre (örneğin iskelet kası) daha kolay uyarılır.
Zira kalp ve bazı düz kas hücreleri herhangi bir uyarıya bile gereksinim duymadan otomatik olarak uyarı doğurabilmektedirler. Bu hücreler düşük istirahat membran potansiyeline sahip olmalarının nedeni, hücreye spontan olarak sızan Ca +2 veya Na + gibi iyonlardan dolayı kolayca ateşleme seviyesine (-55mV) ulaşmalarıdır.
Bilindiği gibi uyarılabilen hücrelerde membran dinlenim potansiyelinin oluşmasında başlıca sodyum, potasyum, klor ve hücre içinden dışarı çıkamayan protein anyonları rol oynar. İstirahatte intrasellüler ortamda K +, hücre dışına nazaran 35 kat fazla olup; konsantrasyon gradientine bağlı olarak sızma kanallarından hücre dışına sızma eğilimindedir. Bu durum hücreye pozitif yük kaybettirir.
Na + ise, hücre dışında içine nazaran 10 kat fazla olup; elektriksel gradiente de sahiptir. Ancak, etrafındaki hidrat kılıfından dolayı Na + un sızma kanallarından hücre içine girmesi K + a nazaran 100 kat daha zordur. Dolayısı ile Na + un hücrenin pozitif yük kazanmasına fazla bir katkısı olmaz. Yine intrasellüler ortamda bulunan ve konsantrasyon gradientine rağmen zardan geçemeyen protein, fosfat ve sülfat gibi anyonlar da hücrede negatif yüklerin birikmesine yol açar.
İstirahat membran potansiyeline katkıda bulunan bir diğer faktör, Na + - K + pompası olup; sızma kanalları ile içeri kaçmış her 3 Na + u dışarı atarken; dışarı kaçmış 2 K + u içeri alarak; yük dengesini bozar ve içerdeki negatif yüklerin birikmesine yol açar. Cl - ise hücre dışında daha yüksek konsantrasyonda olup, sızma kanallarından kolayca geçerek; gerekli durumlarda membran dinlenim potansiyelini negatifleştirir.
Kısaca, Membran istirahat potansiyelini -70 mv olarak belirleyen faktörler şunlardır; K+ difüzyon potansiyeli Sinir membranından Na+ difüzyonu Na+- K+ pompası
Sinir hücresi membranı Sinir hücrelerinde K + kanallarının yanı sıra Na + kanalları da bulunmaktadır. Na + iyonları hücre içine girebildiği için nöron membran potansiyeli daha az negatif (-60mV) olabilmektedir. Na +, K + giriş- çıkışının düzenlenmesinde görevli membrandaki Na+-K+ ATPaz sistemi, hücre dışına Na + çıkışını, hücre içine ise K + girişini sağlamaktadır (Na + /K + = 3/2). Bu değişimde ATP hidrolizi ile sağlanan enerji, beyinde toplam enerji tüketiminin %50 kadarını oluşturmaktadır.
Nöronal eksitasyon Sinir hücreleri depolarize (< -45mV) ve hiperpolarize (< -90mV) olmaktadır. Bir akım veya uyarıcı nörotransmitter ile uyarılan sinir hücresinde, membran potansiyelinin azalması sonucu membranda başlatılan aksiyon potansiyeli (AP), aksonlar boyunca en uç noktaya kadar iletilmektedir.
Na+kanallarının geçirgenliğinin artırılması sonucunda depolarizasyon, Na + kanallarının kapatılması ve K + kanallarının açılması ile repolarizasyon sağlanmaktadır. Dinlenme sırasında sinir hücre mebranının K + geçirgenliği, uyarı durumunda ise Na + geçirgenliği geçici olarak 600 kat artmaktadır.
Uyarılan sinirde; Membran potansiyeli (-60mV),eşik potansiyel değerine (-45mV) azalmakta ve voltaja duyarlı Na+ girişi ile membran potansiyeli pozitif (+30mV) olmakta ve aksiyon potansiyeli akson boyunca yayılmaya başlamaktadır. Na+hücreye alındığında aksonal mebrandaki komşu bölge depolarize olarak uyarılmakta ve Na+ kanallarının açılmasını sağlamaktadır.
Sinirlerde Aksiyon Potansiyelinin Eşik uyaranın üzerinde, uyaran şiddeti ne olursa olsun, aynı seyri gösteren (zaman ve büyüklük olarak) potansiyel değişikliğine aksiyon potansiyeli denir. İletilmesi
Aksiyon potansiyelinin zamana göre değişim eğrisi, hücreye uygulanan uyarının şiddetinden bağımsızdır (eşik değeri aşıldığı sürece). Bu eğrinin oluşumu, ya hep ya hiç prensibiyle açıklanır.
Aksiyon potansiyelinin genliği hep aynı olacağından, bilgi akson üzerinde darbelerin frekanslarının değişmesiyle taşınır. Aksiyon potansiyeli oluşumu ve yayılımı, temelinde yatan mekanizmalarla belirlenmiş bir süreçtir. Sinir hücresinin dinlenme potansiyeli 70 mv iken eşik potansiyeli 60 mv tur.
Aksiyon potansiyelinin en önemli özelliği uyarılabilir hücre zarının üzerinde yayılmasıdır. Bir noktasından eşik üstü bir uyaranla uyarılan bir hücrenin aksiyon potansiyeli, bütün zar yüzeyine yayılır. Akson gövdesinde, dinlenme halinde zar potansiyeli iç tarafta negatif, dış tarafta pozitiftir. Aksiyon potansiyeli hücre gövdesinde başladığında ilk önce açılan kanallar Na+ kanallarıdır. Sinire bir ucundan uyarı uygulandığında uyartım etrafında zar potansiyeli, iç taraf pozitif, dış taraf negatif olacak şekilde değişir.
Sodyum iyonları aniden hücre içine girmeye başlar ve milisaniyeler içinde yeni bir denge kurulur. Hücre zarının iki tarafı arasındaki potansiyel farkı bir anda 100 mv a kadar değişir. Zar potansiyeli, hücre içinde negatif (yaklaşık - 70 mv) olduğu değerden pozitif (yaklaşık + 35 mv) olan bir değere değişir (Depolarizasyon).
Depolarize olan bölge, depolarize olmamış komşu bölgeleri etkiler ve komşu bölgelerin iç yüzeylerini nötrleştirmeye çalışır. Bu şekilde iç yüzeyde bir iç yüzey akımı başlar. Dış yüzeyde ise bir dış yüzey akımı oluşur. Bu durumda bu bölgede bir dipol meydana gelir. Bu dipol, komşu bölgelerin hücre içi potansiyellerini eşik değerinin üzerine taşıyacak güçte olduğundan komşu bölgeler de depolarize olmuş olur. Bu arada daha önce depolarize olmuş olan bölge eski haline döner yani repolarize olur.
Bu durum, aksiyon potansiyeli darbesi aksonun sağ ucunda sonlanana kadar devam eder. Sol uca gelmiş olan darbe buradan aksonun sağ tarafına doğru geri dönemez. Çünkü aksonun sağ tarafında kalan bölge dinlenim (refrakter) halindedir ve bir süre uyarılamaz, uyarılsa da depolarize olamaz. Bu bölgenin tekrar depolarize olabilmesi için belli bir sürenin geçmesi gerekir. Bu şekilde belli bir darbe sıklığına yani frekansına kadar aksiyon potansiyeli darbeleri iletilmiş olur. Böylece sinir boyunca bilgi iletimi gerçekleşir.
Kas tekrar istirahat membran potansiyeline geri döndükten sonra yeni sinir impulsu iletmeye hazırdır. Sinirde potasyum iletisi daha da artarsa hiperpolarizasyon oluşur, Bir defa eşik potansiyele ulaşınca depolarizasyon hep ya da hiç yasasına uyar ve bir biri ardı sıra aksiyon potansiyelleri oluşturur.
Aksiyon potansiyeli
Aksiyon potansiyeli karmaşık olmakla birlikte, elektriksel bir olaydır. Sinir lifleri, yalıtılmış tellerden çok daha az verimli olsa bile, elektriksel iletkenlere benzer bir davranış gösterir.
Aksiyon potansiyeli iletimini anlamamıza yardımcı olabilecek benzer bir durum, bir ucu yakıldıktan sonra parlayan bir havai fişek boyunca açığa çıkan enerjinin yayılmasında görülür. İlk tutuşma, çok hızlı lokal kıvılcımların aktivitesini tetikler, fakat havai fişeğin parıldama dalgasının bir baştan bir başa ilerlemesi çok daha yavaşça olur.
Sinir liflerinin bu müthiş özelliği, yorgun zarın impuls oluşturma yeteneğini yeniden kazandığı çok kısa bir sessizlik döneminden (refraktör dönem) sonra, akson zarını yeni aksiyon potansiyelleri oluşturmak için hazırlar.
Miyelinli sinirlerde miyelinli bölgeler çok iyi yalıtkandırlar. Yalnızca belli aralıklarla miyelin tabakanın bulunmadığı ranvier düğümlerinde membran depolarize olabilmekte ve yük taşıyabilmektedir. Bu tür bir sinire bir darbe uygulanırsa, miyelinli bölgeler yük taşımadığından iki ranvier boğumu arasında yük etkileşimi olur.
Bu etkileşim sonucu aksiyon potansiyeli boğumdan boğuma sıçrayarak ilerlemiş olur. Bu yüzden miyelinli sinirlerde bilgi iletim hızı diğerlerine göre 100 kat daha fazladır ve 100 m/s değerini bulur. Miyelinli sinir hücreleri, bilgi iletim hızının önemli olduğu istemli hareket kontrolünde görev alırlar.
Sinir fiberlerinin kalınlıkları: Sinir lifleri, çaplarına ve fonksiyonlarına bağlı olarak aksiyon potansiyelini farklı hızlarda iletirler. Herhangi bir sinir hücresinde farklı çaplarda fiberler bulunduğundan, aksiyon potansiyeli akson boyunca ilerlerken farklı bileşenlere ayrılıp biraz bozulabilir.
Aksonların yalıtımı Bir çok aksonda, aksiyon potansiyeli yayılması oldukça hızlı olmakla birlikte çok hızlı değildir. Diğerlerinde ise aksiyon potansiyeli sinir boyunca sıçrayarak ilerler. Bu ikinci durum, miyelin kılıfı olarak adlandırılan ve glial hücre zarlarını yayılmasıyla oluşan bir yağ tabakasının, yalıtıcı örtü şeklinde aksonların etrafını sarmalarıyla ortaya çıkar.
Elektrotonik Potansiyeller, Lokal Yanıt Ve Ateşleme Düzeyi Eşikaltı uyaranlar aksiyon potansiyeli oluşturamadığı halde, membran potansiyeli üzerine etkilidir. Bu, kaydedici elektrodları uyaran elektrodun birkaç milimetre uzağına yerleştirerek ve sabit sürede eşikaltı uyaranlar uygulayarak gösterilebilir.
Bir sinir preparatı, üzerine yerleştirilen bir elektrot ile uyarılır ve oluşan potansiyel değişiklik, başka bir elektrot ile kaydedilirse, katot (negatif yük veren elektrot) altındaki bölgede bir depolarizasyon meydana gelir. Bunun nedeni dinlenimde hücre içinin negatif, dışının pozitif olması ve katod ile uyarıldığında bu elektrottan yayılan negatif yüklerin dış yüzdeki pozitif yükleri nötrleştirmesi ve dolayısıyla hücre dışı ve içi arasındaki farkın azalmasıdır.
Bu potansiyel değişiklik -15 mv a ulaştığında (-70 mv tan -55 mv a) bir aksiyon potansiyeli tetiklenebilir. Daha küçük voltaj değişikliklerinde ise küçük yerel bir jeneratör potansiyeli oluşur. Katot tarafından oluşturulan bu potansiyel değişikliğine Katelektrotonik potansiyel denir.
Eğer sinir bir anot (pozitif yük veren bir elektrot) tarafından uyarılırsa, bu sefer elektrot altındaki pozitif yükler sinirin dış yüzündeki pozitifliği artıracağı için, hücre içi ile dışı arasındaki potansiyel fark artar ve hücre hiperpolarize olur, yani uyarılması zorlaşır. Anot tarafından oluşturulan bu potansiyel değişikliğine anelektrotonik potansiyel denir.
Elektrotonik Potansiyeller Sırasında Uyarılabilirlikte Değişiklikler ve Aksiyon Potansiyelleri Hiperpolarize edici anelektrotonik yanıtlar nöronun uyarılma eşiğini yükseltir ve katelektrotonik potansiyeller membran potansiyelini ateşleme düzeyine yaklaştırdıkça eşiği düşürürler.
Lokal yanıt sırasında eşik düşer fakat dikensi potansiyelin yükselme fazı ve düşme fazının çoğunda, nöron uyarıya duyarsız (refrakter)'dır. Bu duyarsız dönem (refrakter periyot) ikiye ayrılır: 1- Kesin duyarsız dönem (absolü refrakter periyot); ateşleme düzeyine erişildiği zamandan repolarizasyonun yaklaşık üçte biri tamamlanana kadar olan döneme karşılık gelir;
2- Göreceli duyarsız dönem (rölatif refrakter periyot) ise bu noktadan depolarizasyon sonrası denen dönemin başlangıcına kadar sürer. Kesin duyarsız dönemde, hiçbir uyaran, ne kadar güçlü olursa olsun, siniri uyaramayacaktır, fakat göreceli duyarsız dönemde normalden daha kuvvetli uyaranlar uyarılmaya neden olabilirler.
Depolarizasyon sonrası denen dönem sırasında, eşik yine düşer ve hiperpolarizasyon- sonrasında yükselir.
İMPULS İLETİMİ Vücutta sinir impulsunun iletimi genellikle tek yönlüdür. Bu sinir sisteminin düzgün ve fonksiyonel bir şekilde çalışmasını sağlar. Aslında bir akson orta kısmından uyarıldığında, impuls her iki yöne de gider.
Ancak, impulsu başka hücrelere iletecek sinaptik nörotransmitterler sadece akson terminalindeki sinaptik uçlarda bulunur; soma ve dentritlerde bulunmaz. Çünkü soma ve dentritler, uyarıyı alan; akson ise uyarıyı ileten bölgelerdir. Bu nedenle akson ucuna ulaşan aksiyon potansiyeli sinir, kas veya bez gibi başka hücrelere iletilebilirken; soma ve dentritlere giden aksiyon potansiyeli burda söner, iletilemez.
Akson terminaline doğru olan impuls iletimine ortodromik ileti; Aksondan somaya doğru, ters yönde olan impuls iletimine antidromik ileti denir.
Bir sinir hücresinde voltaja bağımlı Na+ kanalı sayısı, hücreye girecek Na+ miktarını belirleyeceği için; aksiyon potansiyelinin başlamasını ve ilerlemesini tayin eder.
Miyelinli Nöronlarda iyon Kanallarının Dağılımı Na* kanalları Ranvier boğumları ve miyelinli nöronların başlangıç bölümünde çok yoğundur. Başlangıç bölümü ve duysal nöronlardaki ilk ranvier boğumu uyaranların ilk oluşturulduğu yerlerdir ve diğer ranvier boğumları da sıçrayıcı ileti sırasındada uyaranın sıçradığı yerlerdir.
Miyelinli memeli nöronlarında membranın mikrometre karesinde bulunan Na+ kanallarının sayısı ; hücre gövdesinde 50-75, başlangıç bölümünde 350-500, miyelinin yüzeyinde 25'den az, Ranvier düğümlerinde 2000-12000 ve akson terminallerinde 20-75'dir. Miyelinsiz nöronlarda aksonlar boyunca Na kanalı sayısı yaklaşık 110'dur. Birçok miyelinli nöronda Na+ kanalları repolarizasyonda yer alan K+ kanallarıyla istila edilmiştir.
Buna göre başka sinirlerden gelen impulslar, dentrit ve soma ya aktarılıp; burada hücre içine Na + girişi ile bir potansiyel değişiklik yapabilir. Ancak açılan Na + kanalının az olması dolayısı ile membranda iletilebilen bir aksiyon potansiyeli gelişemez. Yani potansiyel değişiklik membranı ateşleme seviyesine getiremez.
Ancak bu bölgede oluşan yerel potansiyel değişikliği, buraya hemen bitişik akson tepeciğindeki voltaja duyarlı Na+ kanallarının açılmasını ve hücreye büyük miktarda Na+ akışı ile aksiyon potansiyelinin başlamasını sağlar.
Akson tepeciğinden başlayan bir aksiyon potansiyeli, eğer sinir myelinli ise, bir sonraki ranvier boğumuna, Sinir myelinsiz ise hemen bitişik bölgeye yayılır. İmpulsun bu noktadan geri dönüşü ise, bir önceki bölge refrakter peryoda girdiği için mümkün değildir. Bu şekilde akson tepeciğinden başlayan bir aksiyon potansiyeli, akson terminaline doğru ilerlemek durumundadır.
Enerji Kaynakları ve Sinirin Metabolizması Sinir hücresinin enerji gereksiniminin büyük bir kısmı (yaklaşık% 70 i) Na+-K+ ATPaz ın çalışması ile membran, polarizasvonunu korumaya kullanılır. Maksimum aktivite sırasında, sinirin metabolik aktivitesi iki katına çıkar; karşılaştırılacak olursa iskelet kasının metabolik hızı 100 kat kadar artar. Laktik asit yapımının inhibisyonu sinir işlevini etkilemez.
Kas gibi sinirin de inaktif iken bir istirahat ısısı, aksiyon potansiyeli sırasında bir başlangıç ısısı ve aktiviteyi takiben bir toparlanma ısısı vardır. Ancak sinirde, tek bir uyarandan sonraki toparlanma ısısı başlangıç ısısının yaklaşık 30 mislidir.
Bileşik Aksiyon Potansiyelleri Karışık sinirlerin, tek aksonların aksine, bir başka özelliği de aksiyon potansiyelinde çok sayıda tepe noktasının görünmesidir. Çok tepeli aksiyon potansiyele bileşik aksiyon potansiyel denir. Tüm lifler uyarıldığında, hızlı ileten liflerdeki aktivite kaydedici elektroddan ne kadar uzak olursa, hızlı ve yavaş liflerin tepeleri arasındaki ayrım o kadar büyük olur.
Protein Sentezi Ve Aksoplazmik Taşınım *Sinir hücreleri salgı hücreleridir, fakat diğer salgı hücrelerinden farklı olarak salgı yapan bölge sıklıkla hücre gövdesinden uzakta, aksonun sonundadır. *Aksonlarda ve sinir uçlarında ribozomlar yoktur, ve tüm gerekli proteinler hücre gövdesinin endoplazmik retikulum ve Golgi aygıtında sentezlenir ve sonra akson boyunca "aksoplazmik akım" süreci ile sinaptik düğümlere iletilir.
UYARILMA VE İLETİLME Sinir hücreleri uyarılma için düşük bir eşiğe sahiptirler. Uyaran elektriksel, kimyasal veya mekanik olabilir. iki tip fizikokimyasal değişiklik meydana gelir: *Lokal, ilerlemeyen potansiyellere, bulunduğu yere göre sinaptik, jeneratör, veya elektronik potansiyeller *ve ilerleyen uyanlara ise aksiyon potansiyeller (veya sinir impulsları) adı verilir.
Bunlar nöronların ve diğer uyarılabilen dokuların yegane elektriksel yanıtlarıdır ve sinir sisteminin temel lisanıdırlar. İyon kanallarındaki değişmeler sonucu gelişen hücre membranı boyunca iyonların iletimindeki değişikliklere bağlıdırlar.
*Uyarı (impuls) normalde akson boyunca sonuna kadar iletilir. *Sinirler uyarılan pasif olarak ileten "telefon kabloları" değildir; sinir uyanlarının iletimi hızlı olmakla beraber, elektrik iletiminden çok daha yavaştır. *Sinir dokusu aslında nisbeten kötü bir iletkendir
*Ve sinirde aktif olayların yokluğunda 1 m'lik bir aksonun bir ucunda 1 V un bir fraksiyonu kadar bir sinyal oluşturmak için birkaç voltluk potansiyel gereklidir. *İleti aktif, kendi kendine ilerleyen bir süreçtir ve impuls sinir boyunca sabit bir genlik (amplitüd) ve hızda ilerler.
Ortodromik ve Antidromik ileti Bir akson her iki yönde de ileti yapabilir. Ortasında bir aksiyon potansiyeli başlatıldığında, başlangıç akım çukurunun her 2 yanında elektrotonik depolarizasyonla oluşturulan zıt yönde ilerleyen 2 ileti gerçekleşir.
Yaşayan bir hayvanda, uyaranlar normalde yalnız bir yönde geçer, örneğin sinaptik bileşkelerden veya reseptörlerden aksonlar boyunca sonlarına doğru geçer. Bu tür iletiye ortodromik ileti denir. Ters yönde iletime ise, antidromik ileti denir.
Sinapslar, aksonların aksine, iletime yalnız bir yönde izin verdiği için, oluşan herhangi antidromik uyarılar karşılaştıkları ilk sinapsı geçmeyi beceremezler ve o noktada kaybolurlar.