İmpuls iletimi

Dilay evde yalınayak koşarken serçe parmağını kapı pervazına çarpıyor. İlk anda yalnız bir çarpma duyuyor; asıl ağrı bir soluk sonra, yavaş yavaş kabararak geliyor. Yarım saat önce kardeşi Canberk'in fizik ödevine yardım ederken kendinden emin bir cümle kurmuştu: sinirler vücudun elektrik hatlarıdır, bakır telde olduğu gibi içlerinde elektronlar akar. Canberk, ayağını ovan ablasına bunu hatırlatıyor. Salonun lambası düğmeye basıldığı anda yanıyor; aynı parmaktan aynı beyne giden iki haber bir telden geçseydi, biri ötekinden neden geride kalsın? Dilay'ın elinde bir cevap yok, çünkü benzetmesi yanlış yerden kurulmuş. Sinirde ilerleyen şey telin içinde kayan elektronlar değil, zarın bir noktasından komşusuna aktarılan ve iyonların zarı geçmesiyle kurulan bir değişimdir; hızı da o lifin yapısına bağlıdır.

• Dinlenme potansiyelini iyon dağılımı, Na⁺-K⁺ pompası ve zarın seçici geçirgenliğiyle açıklarsın.
• Aksiyon potansiyeli grafiğinin her kesimini depolarizasyon, repolarizasyon ya da hiperpolarizasyonla eşleştirirsin.
• Ya hep ya hiç ilkesini, uyarı şiddetinin kodlanmasını ve refrakter dönemi soru durumlarına uygularsın.
• Miyelinin ve akson çapının iletim hızına etkisini karşılaştırırsın.

Telden ayrıldığı yer

Bakır bir telde akımı, metalin içinde serbestçe kayabilen elektronlar taşır. Nöronda böyle bir iç yol yoktur. Aksonun içi de dışı da tuzlu sıvılarla doludur ve bu sıvılarda yük taşıyan tanecikler elektron değil iyonlardır; impuls için en önemlileri Na⁺ ve K⁺. Bir impuls geçerken iyonlar akson boyunca uzun bir yolculuğa çıkmaz. Zarın küçük bir bölgesinde zarı içeri ya da dışarı doğru geçerler; o bölgede zarın iki yüzü arasındaki yük farkı bir anlığına tersine döner ve bu değişim yandaki bölgeyi harekete geçirir. Yanan bir fitili düşün: alevi oluşturan madde fitil boyunca akmaz, her nokta yalnız kendi yerinde tutuşur ve komşusunu ısıtarak tutuşturur. Fitil bir kez yanıp biter; nöron zarı ise birkaç milisaniye içinde eski durumuna döner ve yeniden kullanılabilir. İmpuls (sinir uyarısı), zar boyunca bu biçimde ilerleyen elektriksel değişimdir.

Dinlenmedeki zar: içi eksi, dışı artı

Uyarılmayan bir nöronun zarında iki yüz arasında sürekli bir yük farkı bulunur: dış yüz pozitif, iç yüz negatiftir. Zarın bu kutuplu hâline polarizasyon, iki yüz arasındaki gerilime dinlenme potansiyeli denir. Nöronlarda bu değer yaklaşık −70 mV'tur; eksi işareti iç yüzün dışa göre negatif olduğunu söyler.

Bu farkın arkasında birbirine yaslanan etkenler vardır. Önce iyonlar eşit dağılmamıştır: Na⁺ hücre dışında, K⁺ hücre içinde çok daha yoğundur. TYT'deki «Aktif taşıma…» dersinden tanıdığın Na⁺-K⁺ pompası bu dağılımı kurar ve korur; her döngüsünde ATP harcayarak 3 Na⁺'yı dışarı, 2 K⁺'yı içeri taşır. Dışarı atılan pozitif yük içeri alınandan fazla olduğundan pompa, iç yüzün negatifliğine de küçük bir katkı yapar.

İkinci etken zarın seçici geçirgenliğidir. Dinlenme sırasında zarda açık duran K⁺ kanalları Na⁺ kanallarından çok daha fazladır; zar K⁺'ya Na⁺'dan daha geçirgendir. K⁺ derişim farkı yönünde dışarı sızar ve pozitif yük kaybeden iç yüz biraz daha negatif olur. Na⁺ ise içeri ancak çok az sızabilir. Buna hücre içindeki büyük, negatif yüklü moleküller eklenir: proteinler gibi iri anyonlar zarı geçemez ve iç yüzün eksi kalmasına katkı verir.

«Dinlenme» adı yanıltmasın: pompa bu sırada da çalışır ve ATP harcar. Nöron, enerjisinin önemli bir bölümünü bu hazır bekleme durumunu korumaya ayırır.

Eşik: değişimi başlatan sınır

Bir dokunma, ısı, bir kimyasal ya da başka bir nörondan gelen sinyal zarın bir bölgesinde iç yüzü biraz daha az negatif yapar. Değişim küçük kalırsa yerel olarak söner ve zar kısa sürede −70 mV'a geri döner; impuls doğmaz. Değişim belli bir sınıra ulaşırsa zardaki voltaja duyarlı Na⁺ kanalları topluca açılır ve kendini sürdüren bir süreç başlar. Bu sınıra eşik, nöronda impuls doğurabilen en zayıf uyarı şiddetine eşik değer denir. Ders kitabı grafiklerinde eşik çoğunlukla yaklaşık −55 mV dolayında gösterilir. Eşik değer bütün nöronlarda aynı değildir; aşağıda bu farkın işe yaradığı bir yer göreceksin.

Aksiyon potansiyeli: zarın kısa süreli ters dönüşü

Eşiğe ulaşan bölgede milisaniyeler içinde birbirini izleyen evreler yaşanır.

Depolarizasyon. Na⁺ kanalları açılır. Na⁺ dışarıda çok yoğun ve iç yüz negatif olduğu için Na⁺ hızla içeri girer. Bu hareket, TYT'de pasif taşımayı işleyen dersteki («Pasif taşıma…») kolaylaştırılmış difüzyondur: iyon kanal proteininden derişim farkı yönünde geçer ve ATP harcanmaz. İçeri dolan pozitif yük iç yüzü önce sıfıra, sonra artıya taşır; kısa bir an iç yüz pozitif, dış yüz negatif olur.

Repolarizasyon. Tepe noktasında Na⁺ kanalları kapanır, voltaja duyarlı K⁺ kanalları açılır. K⁺ içeride yoğundur ve iç yüz artık pozitiftir; bu yüzden K⁺ dışarı çıkar. Pozitif yük yitiren iç yüz yeniden negatife döner. K⁺'nın bu çıkışı da kanaldan geçen pasif bir harekettir.

Hiperpolarizasyon. K⁺ kanalları hemen kapanmadığından K⁺ çıkışı bir süre daha sürer ve zar kısa bir an −70 mV'tan da negatif olur. Kanallar kapanınca zar dinlenme düzeyine döner.

Bu hızlı iniş çıkışın bütününe aksiyon potansiyeli denir.

Grafiği sözle okumak

Ders kitaplarındaki aksiyon potansiyeli grafiği, aksonun tek bir noktasındaki zar potansiyelinin zamanla nasıl değiştiğini gösterir. Yatay eksen zamanı (milisaniye), düşey eksen zar potansiyelini (mV) verir; eksenin ortasında 0 mV çizgisi vardır.

Grafik sorusunda önce eğrinin yönüne bak. Yükselen kol Na⁺ girişini, inen kol K⁺ çıkışını gösterir. Sıfır çizgisi iç yüzün işaret değiştirdiği yerdir: yukarı geçişte iç yüz pozitifleşir, aşağı geçişte yeniden negatifleşir. Düz çizginin altına sarkan küçük çukur ise K⁺ çıkışının gecikerek durmasının izidir.

İyon dağılımını geri kuran iş

Repolarizasyon bittiğinde zar potansiyeli eski değerine dönmüştür, ama iyonlar tam eski yerlerinde değildir: bir miktar Na⁺ içeri girmiş, bir miktar K⁺ dışarı çıkmıştır. Na⁺-K⁺ pompası ATP harcayarak Na⁺'yı dışarı, K⁺'yı içeri taşır ve dinlenme durumundaki iyon dağılımını yeniden kurar. Buradaki ayrıma dikkat et: impulsu yükselten ve indiren iyon akışları kanallardan geçen pasif hareketlerdir; ATP'yi harcayan, dağılımı koruyan pompadır. Pompa sürekli çalışır ve emeğinin karşılığı, art arda gelen impulslardan sonra da iyon farkının tükenmemesidir. Pompa uzun süre durursa derişim farkları giderek azalır ve nöron sonunda impuls oluşturamaz.

Ya hep ya hiç ve uyarının şiddeti

Eşiğe ulaşamayan uyarı impuls doğurmaz; eşiğe ulaşan her uyarı ise aynı nöronda aynı büyüklükte impuls doğurur. Eşiğin iki katı ya da beş katı şiddetteki bir uyarı, tepesi daha yüksek bir impuls üretmez. Buna ya hep ya hiç ilkesi denir. İlke tek bir nöron için geçerlidir; çok sayıda nöronun aksonundan oluşan bir sinirin toplam cevabı için geçerli değildir.

Peki beyin, kolunu hafifçe dürten parmakla kolunu sıkıca kavrayan eli nasıl ayırır? Güçlü uyarı aynı nöronda birim zamanda daha çok impuls doğurur; impulsların boyu sabit kalırken sıklığı artar. Ayrıca güçlü uyarı daha çok nöronu harekete geçirir: zayıf bir uyarı yalnız eşiği düşük olanları, güçlü bir uyarı eşiği yüksek olanları da uyarır. Bir sinirin toplam cevabının uyarıyla büyümesi bu yüzden ilkeye aykırı düşmez.

Refrakter dönem ve ilerleyişin yönü

Bir bölgede impuls oluştuktan hemen sonra o bölge kısa bir süre yeni bir uyarıya impulsla cevap veremez; onu izleyen kısa aralıkta ise ancak eşik değerden güçlü bir uyarıyla cevap verebilir. Bu süreye refrakter dönem denir. Refrakter dönem, bir nöronun birim zamanda üretebileceği impuls sayısına bir üst sınır koyar.

Aynı süre impulsun yönünü de belirler. Depolarize olan bölgedeki pozitif yük zarın iki yanına da yayılır, ama geride kalan bölge refrakter dönemde olduğu için yalnız öndeki, dinlenme hâlindeki bölge eşiğe ulaşır. Vücutta impuls dendritten hücre gövdesine, oradan akson boyunca akson uçlarına doğru tek yönde ilerler.

Hız: miyelin ve akson çapı

Önceki derste, «Nöronun yapısı ve çeşitleri»nde, bazı aksonların miyelin kılıfla sarıldığını ve kılıfın aralıklarla Ranvier boğumlarıyla kesildiğini gördün. Miyelin yalıtkan olduğu için kılıflı kesimlerde zardan iyon geçişi olmaz; aksiyon potansiyeli yalnız boğumlarda oluşur. Bir boğumdaki değişim akson içinden hızla bir sonraki boğuma ulaşır ve onu eşiğe taşır: impuls boğumdan boğuma atlar. Bu sıçramalı iletim, değişimin her noktada yeniden kurulduğu miyelinsiz aksondakinden çok daha hızlıdır. Zarın yalnız boğumlarda iyon geçirmesi pompanın geri taşıyacağı iyon miktarını da küçültür; miyelinli iletim enerji bakımından da tutumludur.

Hızı belirleyen bir başka yapısal özellik akson çapıdır: öteki koşullar aynıyken kalın akson, ince aksondan hızlı iletir. Miyelin ve çap aynı anda farklıysa, örneğin ince ama miyelinli bir aksonla kalın ama miyelinsiz bir aksonu karşılaştırırken, bu iki kural tek başına kesin bir sıralama vermez. Dilay'ın parmağındaki iki haber de bu yüzden ayrı vardı: çarpma ve basınç bilgisini taşıyan lifler kalın ve miyelinlidir, sonradan kabaran sızıyı taşıyan liflerin bir bölümü ise ince ve miyelinsizdir.

Akson ucuna varan impulsun önünde yeni bir engel durur. Çoğu yerde akson ucu ile haberi alacak nöron, kas ya da bez hücresi birbirine değmez; aralarında dar bir boşluk kalır ve zar boyunca yürüyen değişim o boşlukta kendiliğinden sürmez. Haberi karşı kıyıya, akson ucundaki keseciklerde bekleyen kimyasal haberciler geçirir. Bağlantı noktasına sinaps, bu habercilere nörotransmitter denir; sıradaki ders boşluğun nasıl aşıldığını ve karşı hücrenin habere nasıl cevap verdiğini ele alıyor.

Örnek 1 — Dinlenmedeki dağılım

Soru: Uyarılmamış bir nöron için iyon dağılımını ve zarın yükünü birlikte doğru veren seçenek hangisidir?

• A) Na⁺ içeride yoğun, K⁺ dışarıda yoğun; iç yüz negatif
• B) Na⁺ dışarıda yoğun, K⁺ içeride yoğun; iç yüz negatif
• C) Na⁺ dışarıda yoğun, K⁺ içeride yoğun; iç yüz pozitif
• D) İki iyon da iki yanda eşit; iç yüz negatif
• E) Na⁺ içeride yoğun, K⁺ dışarıda yoğun; iç yüz pozitif

Çözüm: Pompa Na⁺'yı dışarı, K⁺'yı içeri taşıdığı için Na⁺ dışta, K⁺ içte birikir. Zar K⁺'ya daha geçirgen olduğundan dışarı sızan K⁺ ve içeride kalan iri anyonlar iç yüzü yaklaşık −70 mV'ta, yani negatif tutar. A ve E dağılımı ters kurar; C dağılımı doğru verip yükü ters çevirir; D'de derişim farkı yoktur, oysa dinlenme potansiyelinin kaynağı bu farktır. Cevap: B.

Örnek 2 — Eğrinin dikleştiği an

Soru: Bir aksiyon potansiyeli grafiğinde zar potansiyeli −70 mV'tan yavaşça yükselir; yaklaşık −55 mV'a ulaştığı anda eğri birden dikleşip 0 çizgisini yukarı doğru geçer. Dikleşmenin başladığı noktada zarda ne olur?

• A) K⁺ kanalları açılır ve K⁺ dışarı çıkar.
• B) Pompa durur ve Na⁺ içeride birikir.
• C) Zar bütün iyonlara kapanır.
• D) Voltaja duyarlı Na⁺ kanalları topluca açılır.
• E) Pompa 3 K⁺'yı içeri alır.

Çözüm: Eğrinin dikleştiği nokta eşiktir. Eşikte Na⁺ kanalları topluca açılır ve Na⁺'nın içeri akışı depolarizasyonu başlatır. K⁺'nın dışarı çıkışı (A) eğrinin inen kolunda yaşanır. Pompa impulsu yükseltmez (B, E); E'de üstelik pompanın sayısı yanlıştır. Zarın iyonlara kapanması (C) potansiyeli dik biçimde yükseltemez. Cevap: D.

Örnek 3 — Üç uyarı, tek nöron

Soru: Tek bir nörona sırayla üç uyarı veriliyor (varsayımsal): birincisi eşik değerin altında, ikincisi tam eşik değerde, üçüncüsü eşik değerin üç katı şiddette. Arada nöronun dinlenme durumuna dönmesine yetecek süre bırakılıyor. Hangisi beklenir?

• A) Üç uyarıda da aynı büyüklükte impuls oluşur.
• B) Birincide küçük, ikincide orta, üçüncüde büyük impuls oluşur.
• C) Yalnız üçüncü uyarı impuls oluşturur.
• D) İkincide impuls oluşur, üçüncüde nöron aşırı uyarıldığı için oluşmaz.
• E) Birincide impuls oluşmaz; ikinci ve üçüncüde aynı büyüklükte impuls oluşur.

Çözüm: Eşik altındaki uyarı yerel kalıp söner. Eşiğe ulaşan her uyarı ise ya hep ya hiç ilkesi gereği aynı büyüklükte impuls doğurur; üç kat şiddet tepeyi yükseltmez. B, impulsun boyunun şiddetle büyüdüğü yanılgısıdır. Uyarılar arasında yeterli süre bırakıldığı için refrakter dönem de devreye girmez; D bu yüzden yanlıştır. Cevap: E.

Örnek 4 — Miyelinin bedeli

Soru: Aynı uzunlukta bir impuls yolculuğunda miyelinli aksonun miyelinsiz aksona göre daha az enerji harcamasının nedeni hangisidir?

• A) Miyelin ATP üretir ve pompaya verir.
• B) Miyelinli aksonda pompa bulunmaz.
• C) İyon geçişi yalnız Ranvier boğumlarında olduğundan pompanın geri taşıyacağı iyon miktarı azdır.
• D) Miyelinli aksonda impuls elektron akışıyla taşınır.
• E) Miyelinli aksonda dinlenme potansiyeli sıfırdır.

Çözüm: Enerji, pompanın iyonları eski yerlerine taşımasında harcanır. Miyelinli aksonda zar yalnız boğumlarda iyon geçirdiği için yer değiştiren iyon miktarı azalır ve pompanın yükü küçülür. Miyelin yalıtkan bir kılıftır, ATP üretmez (A). Boğumlarda iyon dağılımını koruyan pompa yine gereklidir (B). İmpuls her iki akson türünde de iyonların zarı geçmesiyle kurulur (D). Dinlenme potansiyeli miyelinli aksonda da yaklaşık −70 mV'tur (E). Cevap: C.

• İmpulsu teldeki elektron akışı sanmak. İmpuls, zarın bölge bölge iyon geçirerek yük farkını tersine çevirmesidir; iyonlar akson boyunca yol almaz, zarı kısa mesafede geçer.
• Depolarizasyonda Na⁺'yı içeri pompanın soktuğunu düşünmek. Na⁺ içeri kanallardan, derişim farkı yönünde ve ATP harcanmadan girer; pompa Na⁺'yı yalnız dışarı taşır.
• Repolarizasyonu Na⁺'nın dışarı çıkmasıyla açıklamak. İç yüzü yeniden negatif yapan, açılan kanallardan K⁺'nın dışarı çıkmasıdır.
• Güçlü uyarının daha büyük impuls doğurduğunu sanmak. Tek nöronda impulsun boyu sabittir; şiddet impuls sıklığıyla ve uyarılan nöron sayısıyla kodlanır.
• Ya hep ya hiç ilkesini sinirin tamamına uygulamak. Bir sinirin toplam cevabı uyarı güçlendikçe büyüyebilir, çünkü eşikleri farklı daha çok nöron devreye girer.
• Miyelin ve çap birlikte değişince kesin sıralama yapmak. Kurallar «öteki koşullar aynıyken» geçerlidir; ince miyelinli ile kalın miyelinsiz akson bu bilgiyle sıralanamaz.