Sinaps ve nörotransmitterler

Erkin biyoloji ödevi için şönil tellerle iki nöron modeli yapıyor. Birinci nöronun akson ucunu ikinci nöronun dendritine sıkıca bükerek bağlıyor ve kuzeni Gülnur'a gösteriyor: "Sinir hücreleri zincirin halkaları gibi birbirine kenetli; impuls bir hücreden ötekine kesintisiz geçiyor." Gülnur bir hastanenin patoloji laboratuvarında çalışıyor. Çantasından bir histoloji atlası çıkarıp elektron mikroskobuyla çekilmiş bir görüntüyü açıyor. Görüntüde akson ucu ile karşısındaki hücre birbirine değmiyor; aralarında ince ama açık bir boşluk var. Akson ucunun içi ise küçük, yuvarlak keseciklerle dolu. Erkin modeline bakıyor: telleri ayırması gerekecek. Ama aklına hemen yeni bir soru geliyor: hücreler birbirine dokunmuyorsa, mesaj o boşluğu nasıl geçiyor?

• Sinapsın bölümlerini adlandırır, nöron–nöron, nöron–kas ve nöron–bez sinapslarını ayırt edersin.
• Kimyasal sinapsta impulsun akson ucuna gelişinden sinaps sonrası zarın yanıtına kadar olayları doğru sırayla açıklarsın.
• Uyarıcı ve baskılayıcı etkiyi, nörotransmitterin aralıktan uzaklaştırılma yollarını ve iletimin neden tek yönlü olduğunu gerekçelendirirsin.
• Bir nöronun aldığı çok sayıdaki sinaptik etkinin toplanarak impuls oluşturup oluşturmayacağını yorumlarsın.

Mesajın el değiştirdiği yer

«İmpuls iletimi» dersinde bir impulsun akson boyunca nasıl yol aldığını izledik. Akson bittiğinde impuls da biter; mesajın devam edebilmesi için başka bir hücrenin onu devralması gerekir. Bir nöronun mesajını başka bir hücreye aktardığı bağlantı noktasına sinaps adı verilir. Kancadaki görüntünün gösterdiği gibi, çoğu sinapsta iki hücre birbirine kaynaşmış değildir; aralarında sinaps aralığı denen, milimetrenin on binde birinden bile dar bir boşluk bulunur.

Mesajı gönderen hücre sinaps öncesi hücre, alan hücre sinaps sonrası hücredir. Bu derste ele aldığımız sinapslarda gönderici bir nörondur; alıcı ise üç türlü olabilir:

• Nöron–nöron sinapsı: Bir nöronun akson ucu, öteki nöronun dendritiyle ya da hücre gövdesiyle bağlantı kurar.
• Nöron–kas sinapsı: Bir motor nöronun akson ucu bir kas lifine ulaşır; buradan gelen mesaj kası kasar.
• Nöron–bez sinapsı: Akson ucu bir bez hücresine ulaşır ve onu salgı yapmaya yöneltir; tükürük bezlerinin uyarılması buna örnektir.

Akson ucunda neler hazır bekler?

«Nöronun yapısı ve çeşitleri» dersinde aksonun dallanıp şişkin uçlarla bittiğini görmüştük. Bu şişkin uçlara sinaptik düğmecik denir. Düğmeciğin içinde, zarla çevrili yüzlerce küçük sinaptik kesecik vardır ve her keseciğin içi nörotransmitter adı verilen kimyasal haberci moleküllerle doludur. Düğmecikte mitokondriler de boldur, çünkü nörotransmitterin üretilip keseciklere doldurulması ve salınması ATP ister. Karşı tarafta, sinaps sonrası hücrenin zarında ise nörotransmitteri tanıyıp bağlayan reseptör proteinleri yer alır.

Olay sırası: kimyasal sinaps adım adım

Mesajın boşluğu geçişini bir zincir olarak izleyelim:

1. İmpuls aksonun ucuna, sinaptik düğmeciğe ulaşır.
2. Düğmecik zarındaki kanallar açılır ve Ca²⁺ iyonları hücre dışından düğmeciğin içine girer.
3. Ca²⁺ girişi keseciklerin düğmecik zarına yaklaşıp onunla kaynaşmasını tetikler; nörotransmitter ekzositozla sinaps aralığına boşaltılır. TYT'de aktif taşımayı işlediğimiz derste (BİO-BY02-L05) endositozla birlikte öğrendiğin ekzositoz burada iş başındadır: kesecik zarı hücre zarına katılır, içerik dışarı dökülür ve bu iş enerji gerektirir.
4. Nörotransmitter molekülleri dar aralıkta difüzyonla karşı zara ilerler.
5. Moleküller sinaps sonrası zardaki reseptörlere bağlanır. Nörotransmitter genellikle hücrenin içine girmez; etkisini zardaki reseptör üzerinden gösterir.
6. Reseptöre bağlanma, sinaps sonrası zarın belirli iyonlara geçirgenliğini değiştirir ve zarın elektriksel durumu değişir.

Böylece akson boyunca elektriksel olarak taşınan mesaj, aralıkta kimyasal bir mesaja dönüşür; karşı zarda yeniden elektriksel bir değişikliğe çevrilir. Bu yüzden bu bağlantıya kimyasal sinaps denir.

Aynı adımlar, iki ayrı sonuç

Reseptöre bağlanmanın sonucu, nörotransmitterin ve reseptörün türüne göre değişir.

Uyarıcı etkide sinaps sonrası zarda Na⁺ kanalları açılır, Na⁺ içeri girer ve zarın iç yüzü daha az negatif hale gelir. Zar eşik değere yaklaşır; yeterince yaklaşırsa sinaps sonrası nöronda yeni bir impuls doğar.

Baskılayıcı (inhibitör) etkide ise Cl⁻ iyonları içeri girer ya da K⁺ iyonları dışarı çıkar. Zarın iç yüzü dinlenme durumundakinden de negatif olur (hiperpolarizasyon) ve zar eşikten uzaklaşır; o nöronun impuls oluşturması zorlaşır.

Baskılama bir arıza değil, bir denetim aracıdır. Bir kolu bükerken karşı taraftaki kasın gevşemesi, beynin aynı anda gelen sayısız mesajdan bir kısmını susturabilmesi baskılayıcı sinapslar sayesindedir. Aynı nörotransmitter farklı reseptörlerde farklı sonuç doğurabilir: asetilkolin iskelet kasını kasarken kalp kasında atış hızını yavaşlatır. Yani bir molekülün etkisi yalnız ona değil, bağlandığı reseptöre de bağlıdır.

İş bitince aralığı temizlemek

Nörotransmitter aralıkta kalmaya devam etseydi reseptörler sürekli uyarılır, sinaps sonrası hücre her yeni mesajı eskisinden ayıramazdı. Bu nedenle görevini bitiren nörotransmitter hızla uzaklaştırılır. İki yol öne çıkar:

• Enzimle yıkım: Nöron–kas sinapsında salınan asetilkolin, aralıktaki asetilkolinesteraz enzimiyle asetik asit ve koline ayrılır. Kolin sinaps öncesi düğmeciğe geri alınır ve yeni asetilkolin yapımında yeniden kullanılır.
• Geri alım: Dopamin, serotonin ve noradrenalin gibi pek çok nörotransmitter, sinaps öncesi zardaki taşıyıcı proteinlerle düğmeciğe geri çekilir ve yeniden keseciklere doldurulur.

Bu temizlik engellenirse nörotransmitter aralıkta beklenenden uzun kalır ve etkisi uzar. Asetilkolinesteraz çalışmayan bir nöron–kas sinapsında asetilkolin birikir, kas lifi uyarılmaya devam eder ve gevşeyemez.

Neden tek yön, neden daha yavaş?

Bir aksonu ortasından yapay olarak uyarırsak impuls akson boyunca iki yöne yayılabilir. Sinapsta ise geri dönüş yolu yoktur: nörotransmitter keseciği yalnız sinaps öncesi düğmecikte bulunur, nörotransmitteri tanıyan reseptörler ise sinaps sonrası zardadır. Sinaps sonrası nöronun dendriti aralığa nörotransmitter salmadığı için mesaj geri gidemez. İletim bu yüzden sinapsta tek yönlüdür: akson ucundan karşı hücreye.

Akson boyunca ilerleyen impuls zarın elektriksel değişimiyle yayılır. Sinapsta ise Ca²⁺ girişi, ekzositoz, difüzyon ve reseptöre bağlanma gibi art arda gelen kimyasal adımlar vardır. Her adım zaman aldığı için mesaj sinaptik bağlantıda kısa bir gecikmeye uğrar. Bu yüzden aynı uzunluktaki iki sinir yolundan sinaps sayısı fazla olan, mesajı daha geç ulaştırır.

Bir nöron, binlerce sinaps

Beyindeki bir nöronun dendritlerine ve gövdesine çoğu zaman binlerce akson ucu ulaşır; bunların bir kısmı uyarıcı, bir kısmı baskılayıcıdır. Nöron bu etkileri tek tek değil, toplu olarak değerlendirir. Uyarıcı etkilerin toplamı baskılayıcıları aşar ve aksonun başladığı bölgede zar eşik değere ulaşırsa impuls oluşur; ulaşmazsa oluşmaz. Tek bir zayıf uyarıcı sinaps çoğu zaman tek başına yetmez; aynı anda ya da art arda gelen pek çok uyarı birleşince eşik aşılabilir. Sinapsın birleştirici gücü buradadır: her nöron, kendisine gelen binlerce mesajı tek bir karara, impuls vermek ya da vermemek kararına çevirir.

Ders kitabı düzeyinde birkaç nörotransmitter

Tablodaki görevler birer özettir; bir nörotransmitterin etkisini her zaman bağlandığı reseptör belirler.

Milyarlarca nöron ve aralarındaki sinapslar kafatasının içinde rastgele dağılmış değildir. Dengeyi kuran, soluk alıp vermeyi sürdüren ya da duyulardan gelen bilgiyi yorumlayan nöron toplulukları beynin farklı bölgelerinde toplanır. Sıradaki ders beyni ön, orta ve arka beyin olarak bölümlere ayırıyor; uç beyinden beyinciğe ve omurilik soğanına kadar her bölümün üstlendiği işleri ve bu yumuşak dokuyu saran koruma katmanlarını ele alıyor.

Örnek 1 — Olayların sırası

Soru: Kimyasal bir sinapsta gerçekleşen şu olaylar veriliyor: (1) nörotransmitterin reseptöre bağlanması, (2) Ca²⁺ iyonlarının düğmeciğe girmesi, (3) keseciklerin ekzositozla boşalması, (4) impulsun akson ucuna ulaşması, (5) nörotransmitterin aralıkta difüzyonu. Doğru sıralama hangisidir?

• A) 2 → 4 → 3 → 1 → 5
• B) 4 → 3 → 2 → 5 → 1
• C) 4 → 2 → 3 → 5 → 1
• D) 4 → 2 → 5 → 3 → 1
• E) 3 → 4 → 2 → 5 → 1

Çözüm: Her şey impulsun düğmeciğe gelmesiyle başlar (4). Ardından Ca²⁺ içeri girer (2) ve bu giriş ekzositozu tetikler (3); Ca²⁺'u ekzositozdan sonraya koyan B seçeneği nedeni sonuçtan sonraya atmış olur. Salınan molekül aralığı difüzyonla geçer (5) ve en son reseptöre bağlanır (1). Cevap: C.

Örnek 2 — Zarın yönü

Soru: Bir nörotransmitter sinaps sonrası zarda Cl⁻ kanallarını açıyor ve Cl⁻ iyonları hücreye giriyor. Bu sinapsın sinaps sonrası nörona etkisi için ne söylenebilir?

• A) Zar eşik değere yaklaşır, impuls kolaylaşır.
• B) Nörotransmitter hücre içine girerek çekirdeği etkiler.
• C) Zarın iç yüzü pozitifleşir ve depolarizasyon başlar.
• D) Etki yoktur, çünkü Cl⁻ bir iyon değildir.
• E) Zarın iç yüzü daha negatif olur, nöron eşikten uzaklaşır; etki baskılayıcıdır.

Çözüm: Negatif yüklü iyonların içeri girmesi zarın iç yüzünü dinlenme durumundakinden de negatif yapar. Eşikten uzaklaşan zar impuls oluşturmakta zorlanır; A ve C seçenekleri uyarıcı etkiyi tarif ediyor. Cevap: E.

Örnek 3 — Geri yol var mı?

Soru: N1 nöronunun akson ucu, N2 nöronunun dendritiyle sinaps yapıyor. N2'nin dendritine yakın bir noktada yapay olarak impuls oluşturulursa ne beklenir?

• A) İmpuls sinapsı geçerek N1'in akson ucuna ulaşır.
• B) İmpuls N1'e geçmez, çünkü N2'nin dendriti aralığa nörotransmitter salmaz.
• C) İmpuls N1'e geçer ama daha yavaş ilerler.
• D) N2'de hiçbir koşulda impuls oluşamaz.
• E) N1 ve N2 aynı anda uyarılır, çünkü hücreler kaynaşmıştır.

Çözüm: Nörotransmitter yalnız sinaps öncesi düğmecikten salınır. N2'nin dendritinde salınacak kesecik olmadığı için mesaj sinapstan geri geçemez; E seçeneği kancadaki «kaynaşmış teller» yanılgısını tekrarlıyor. Cevap: B.

Örnek 4 — Enzim durursa

Soru: Varsayımsal bir deneyde, bir nöron–kas sinapsındaki asetilkolinesteraz enzimi çalışamaz hale getiriliyor. Kas lifinde ne gözlenir?

• A) Asetilkolin aralıkta birikir, kas lifi uyarılmaya devam eder ve gevşeyemez.
• B) Kas lifi hiç kasılmaz, çünkü asetilkolin salınamaz.
• C) Motor nöronda impuls oluşmaz.
• D) Asetilkolin kas lifinin içine girip orada parçalanır.
• E) Kas daha çabuk gevşer.

Çözüm: Enzim asetilkolini yıkarak sinyali sonlandırır. Enzim durunca salınım sürer ama yıkım durur; reseptörler uyarılmaya devam eder. B seçeneği salınım ile yıkımı karıştırıyor. Cevap: A.

• Sinapsı iki hücrenin kaynaştığı yer sanmak. Kimyasal sinapsta hücreler arasında dar bir aralık vardır; mesaj bu aralığı nörotransmitterle geçer.
• Sinaps sonrası hücreyi her zaman nöron saymak. Alıcı hücre bir kas lifi ya da bez hücresi de olabilir; bu üç sinaps türünde gönderen taraf nörondur.
• Nörotransmitterin aralıkta aktif taşımayla ilerlediğini düşünmek. Aralığı difüzyonla geçer; enerji salınım için, yani ekzositozda harcanır.
• Her nörotransmitteri uyarıcı sanmak. GABA baskılayıcıdır; asetilkolinin etkisi bile reseptöre göre değişir.
• Akson boyunca iletimi ve sinapstaki iletimi aynı kurala bağlamak. Akson yapay uyarılırsa impuls iki yöne yayılabilir; sinaps ise mesajı yalnız akson ucundan karşı hücreye geçirir ve kimyasal adımlar yüzünden daha yavaştır.
• Nörotransmitterin işi bitince kendiliğinden yok olduğunu sanmak. Enzimle yıkılır ya da sinaps öncesi düğmeciğe geri alınır; bu temizlik engellenirse etki uzar.