Nobel Ödüllü Çalışma: Beyindeki Kıvılcımlar-İyon Kanalları ve Sinir Hücrelerinin Öyküsü (yaş 13+)

Özet

Beyindeki sinir hücreleri arasındaki iletişimi anlamak, beynin nasıl çalıştığını anlamanın anahtarıdır. Sinir hücreleri arasındaki iletişim, bir hücreden gönderilen ve alıcı hücrede elektriksel aktiviteye dönüştürülen kimyasal mesajları içerir. Bu elektriksel aktivite, sinir hücrelerinin ve tüm beynin ana dilidir. Bir hücrede salınan kimyasal bir mesaj, diğer bir sinir hücresinde nasıl elektriksel aktiviteye yol açar ve biz bunu nasıl keşfettik? Sinir hücresi iletişiminin heyecan verici dünyasına birlikte dalalım. Size beyindeki elektriksel aktivitenin en temel bileşeni olan iyon kanallarını bulmamızı sağlayan deneylerimizden bahsedeceğim. İyon kanallarının keşfi, beyindeki ve kalp gibi diğer organlardaki elektriksel aktivitenin kökenini anlamanın yolunu açtı.

Profesör Bert Sakmann, hücrelerdeki tek iyon kanallarının işleviyle ilgili keşiflerinden dolayı Erwin Neher ile ortaklaşa 1991 yılında Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü’nü kazandı.

Hücreler Birbirleriyle Nasıl Haberleşir?

Vücudunuz ve diğer tüm canlı vücutlar, yaşamın temel yapı taşları olan hücrelerden yapılmıştır. Her hücre, hem kendi bağımsız işlevleri olan bireysel bir birim hem de koordineli bir şekilde çalışması gereken tüm çok hücreli organizmanın (beyin ve kalp gibi) bir parçasıdır. Her hücre, hücre içeriğini dış (hücre dışı) ortamdan ve diğer hücrelerden ayıran hücre zarı adı verilen net bir fiziksel sınırla çevrilidir. Zar, her hücrenin tanımlanmış bir iç ortama sahip olmasına ve kendi özel işlevlerini yerine getirmesine izin verir. Ancak, tek tek hücreler daha büyük bir yapının parçası olduğundan, çoğu hücre – özellikle de sinir hücreleri – diğer hücrelerle iletişim kurmak zorundadır. Hücreler, hücre zarı bariyeri ile ayrılmışlarsa birbirleriyle nasıl iletişim kurarlar? Peki, hücrelerin birbirleriyle iletişim kurmasını sağlayan çeşitli mekanizmalar vardır. En yaygın yollardan biri ve burada odaklanacağımız yol, bir hücrenin alıcı hücreye bir kimyasal haberci madde göndermesidir. Alıcı hücre bu maddeyi algılayarak kendisine başka bir hücreden sinyal gönderildiğini “bilir” ve alıcı hücre buna göre yanıt verir.

Sinir Hücreleri Arası İletişim

Sinir hücreleri

Beynin başlıca hücresel yapı taşları. Sinir hücreleri beynin elektriksel aktivitesini üretir., beynin temel yapı taşları, elektriğin dilini “ konuşur”. Her bir sinir hücresi, belirli bir anda belirli bir elektriksel aktivite göstererek, ani yükselme adı verilen bir dizi kısa elektrik darbesi üretir. Diğer büyük aktif sinir hücreleri ağlarıyla birlikte, beyinde tam bir “elektrik senfonisi” üretilir. Beynimizdeki büyük sinir hücreleri ağlarındaki bu elektriksel aktivite, davranış ve deneyimimizin her yönü ile ilişkilidir; eylemlerimiz, düşüncelerimiz, duygularımız ve anılarımız.

Sinir hücreleri böyle koordineli bir “elektrik senfonisi” yaratmak için birbirleriyle nasıl iletişim kurar? Sinir hücreleri arasındaki iletişim, hem kimyasal hem de elektriksel bileşenleri içerdiğinden, diğer hücre türleri arasındaki iletişimden daha karmaşıktır. Bu iletişim, sinaps adı verilen hücreler arasındaki belirli bir temas konumunda gerçekleşir.

Kimyasal maddenin (nörotransmitter) gönderici hücreden (presinaptik hücre) alıcı hücreye (sinaptik sonrası hücre) geçtiği küçük bir boşluktan oluşan iki sinir hücresi arasındaki temas noktası., ve iki temel adımdan oluşur. İlk olarak, gönderici hücre, nörotransmitter adı verilen kimyasal bir madde salgılar (yayar).

Bir sinir hücresinden salınan ve başka bir sinir hücresi tarafından alınan ve sinir hücreleri arasındaki iletişimi sağlayan kimyasal maddeyi gönderici ve alıcı hücreler arasındaki hücre dışı boşluğa (boşluğa) yerleştirin. Nörotransmitter geldiğinde (difüzyon yoluyla Parçacıkların bir yerden başka bir yere yönlendirilmeden hareket ettiği kendiliğinden hareket süreci.) alıcı hücrede belirli reseptörlere bağlanır ve sonuç olarak iyonlar bu hücrenin zarından akmaya başlar. Sonuç olarak, alıcı hücrede elektriksel aktivite üretilir (Şekil 1).

Şekil 1 - Sinapsta sinir hücreleri arasındaki mesajlaşma.
Şekil 1 – Sinapsta sinir hücreleri arasındaki mesajlaşma.Sinir hücreleri arasındaki iletişim, sinaps adı verilen hücreler arasındaki belirli bir temas noktasında gerçekleşir. İlk olarak, iletici (presinaptik) sinir hücresi (hücre A), hücreler arasındaki küçük boşluğa nörotransmitter adı verilen kimyasal bir madde bırakır. Nörotransmitter bu boşluğu geçer ve alıcı (sinaptik sonrası) sinir hücresine (hücre B) bağlanır. Sonuç olarak, sinaptik sonrası hücrenin zarında, iyonların akmaya başladığı iyon kanalları açılır ve sivri (sağda mavi daire) adı verilen bir elektrik sinyaline yol açar.

Sinir Hücrelerinde İyonlar ve Zar Kanalları

Beyindeki elektrik akımlarının çoğu küçük bir iyon grubu tarafından üretilir.

Pozitif veya negatif yüklü parçacık (özellikle dört tanesi). Bu iyonlardan üçü pozitif yüklü (sodyum—Na + , potasyum—+ ve kalsiyum—Ca ++) ve biri negatif (klorür—Cl ) yüklüdür. Bu iyonlar sinir hücrelerinin zarlarından girebilir veya çıkabilir. Yaptıklarında, elektrik potansiyelini değiştirirler.Bizim durumumuzda zarın iki tarafı arasındaki iki nokta arasındaki yük farkı. Pozitif yüklü iyonlar, daha pozitif taraftan daha az pozitif tarafa akar.hücre zarının iki tarafı arasındadır. Sinir zarı boyunca elektrik potansiyelindeki bu hızlı değişimler, sinir hücrelerinin kullandığı temel elektriksel “kelime”nin (veya “bitin”) oluşumunun temelini oluşturur; sivri denilen elektrik sinyalleri (Şekil 1). Ani bir yükselmeyi çok kısa bir yıldırım olarak düşünebilirsiniz – sinirlerde meydana gelen kısa (1 ms, saniyenin 1/1.000’idir) ve küçük (volt’un onda biri veya 100 milivolt) elektrik darbesi. Hücreler aktif olduklarında.

Bu iyonlar, elektriksel aktivite oluşturmak için sinir hücrelerinin zar bariyerini nasıl geçer? Ve bir hücreden salınan nörotransmiter, alıcı hücrede elektriksel aktiviteye nasıl dönüşür? İyonların alıcı hücrenin, aksi takdirde yalıtkan olan zarını geçmesi için bir yol olmalıdır. Bu alanı incelemeye başladığımda, iyonların sinir hücresi zarlarından geçme mekanizması net değildi.

Meslektaşım Prof. Erwin Neher ile geliştirdiğim özel bir deney tekniğini kullanarak, iyonların kimyasal gradyanlarına göre zarın iki tarafı arasından geçtiğini bulduk.

Konumlar arasında bir maddenin konsantrasyonundaki fark. Maddeler, bizim durumumuzda, zarın iki tarafındaki iyonlar, gradyanı “aşağı”, daha yüksek konsantrasyonlu taraftan daha düşük konsantrasyonlu tarafa doğru hareket eder.. İyonların, zardaki gözenek adı verilen küçük “delikler” yoluyla zardan geçtiğini bulduk. Bu gözenekler, hücrenin dışını ve içini birbirine bağlayan kanallar görevi gören proteinlerdir. İyonlar bu gözeneklerden geçen maddeler oldukları için iyon kanalları olarak adlandırılırlar.Hücre zarındaki proteinlerden oluşan ve açıldığında iyonların hücre içine ve dışına geçişini sağlayan küçük bir delik (gözenek).(Şekil 2). Nörotransmitterlere yanıt olarak iyon kanallarının hızla açılıp kapandığını bulduk. Spesifik iyon kanallarının (örneğin Na+ iyonları veya K+ iyonlarına özel kanallar) açılması ve kapanması, iyonların hücre zarı boyunca akışını sağlar. Bu akım akışı, sırayla, zar boyunca elektrik potansiyelini değiştirir. Buna karşılık, alıcı hücre, beyindeki temel elektriksel “kelime” olan kıvılcımlı sivri uç üretir.

Şekil 2 - Sinir zarındaki iyon kanalları.
Şekil 2 – Sinir zarındaki iyon kanalları.İyon kanalları (mor), sinir hücrelerinin zarları içinde yer alan proteinlerden yapılmış gözeneklerdir (delikler). Alıcı (sinaptik sonrası) hücrede (bakınız Şekil 1) bu kanallar tipik olarak kapalıdır (solda), ancak presinaptik hücrelerden salınan nörotransmitterlere yanıt olarak açık hale gelirler (sağda). Zar iyon kanallarının açılması, iyonların (turuncu toplar) zar boyunca akışını sağlar ve bu, sinir hücrelerinde elektriksel aktivite oluşturmak için temel mekanizma olarak hizmet eder.

İyon Kanallarını Keşfetmek: Yama Kelepçe Tekniği

Prof. Neher ve ben sinir hücrelerinde iyon akışını incelemeye başladığımızda, iş başında olabilecek iki ana iyon taşıma mekanizmasını düşündük. İlk mekanizma bir taşıma molekülü içeriyordu. Bu fikre göre, zardaki belirli moleküller her seferinde bir iyonu “yakalar”, onu hücrenin dışından içeriye geçirir ve orada bırakır. Bu mekanizmanın, besin moleküllerinin taşıma molekülleri yoluyla hücre zarından geçtiği enerji üretimi gibi diğer vücut süreçlerinde meydana geldiği biliniyordu .

Düşündüğümüz ve daha sonra deneylerimizle doğrulanan ikinci olası mekanizma, belirli iyonlar için zarda iyon kanallarının bulunmasıydı. Bu kanallar açık veya kapalı olabilir. Açıkken, hücrenin dış ortamını iç ortamına bağlayarak zarın iki tarafı arasında akım akabilir (Şekil 2). Bu mekanizmanın, sivri uçların oluşumu sırasında iyonların hücre içine ve dışına taşınmasından sorumlu olup olmadığını incelemek için, iyonların zarı tek tek iyon kanalları yoluyla geçmesinden kaynaklanan elektriksel aktiviteyi incelemek zorunda kaldık. Bunu yapmak için, bu küçük yamada var olabilecek tek bir iyon kanalından geçen elektrik akımını ölçmeyi umarak, sinir hücresi zarının çok küçük bir alanını ya da “yamasını” izole etmemiz gerekiyordu. İyon kanalları mevcut olsaydı, iyonları zar boyunca hareket ettirmek için taşıma moleküllerinin kullanılması durumunda beklenen elektriksel modelden farklı olan, iyon kanalının açılıp kapanmasına karşılık gelen belirli bir elektriksel aktivite modelini ölçmeyi beklerdik.

Bu tür bir akım ölçümü gerçekleştirmek için iki ana zorluğun üstesinden gelmemiz gerekiyordu. İlk olarak, bu akımın hiçbirini kaybetmeden zarın küçük parçasındaki zar kanalı boyunca akan iyonları ölçmek zorundaydık. Bu zordur, çünkü kayıt cihazı zara sıkıca kapatılmamışsa, zardan kanaldan geçen iyonlar algılama cihazına girmeden önce yana doğru kaçabilir. Bu nedenle membranı geçen iyonların dedektör boyunca akmaya zorlandığından emin olmamız gerekiyordu.

İkinci zorluk, sinir hücresi zarından akan iki tür akımı ayırt etmekti. Görünen o ki, zar her zaman elektriksel olarak aktiftir – bu fenomene arka plan gürültüsü denir. Arka plan gürültüsü, nörotransmitterlere yanıt olarak iyonların zardan akışıyla ilgili elektriksel aktiviteden farklı olan sabit elektriksel aktivite olarak görünür. Arka plan gürültüsü, tek tek membran kanallarının açılmasından ölçmek istediğimiz akıma kıyasla çok büyük olabilir. Bu nedenle, tek iyon kanallarından akan akımı aşmaması (veya “maskelememesi”) için arka plan gürültüsünü azaltmanın bir yolunu bulmamız gerekiyordu.

Her iki zorluğu da, ucu yaklaşık bir mikrometre (milimetrenin 1/1.000’i) çapında olan pipet adı verilen çok ince bir cam tüp kullanarak çözdük (Şekil 3A). Pipetin diğer ucunda elektrik akımını ölçen bir ampermetre bulunur. Pipetin ucu, hücre zarının küçük bir parçasına kuvvetlice bastırılır ve emme uygulanır, böylece hiçbir iyon sızıntısının olmamasını sağlamak için pipet ucu ile zar arasında çok sıkı bir temas oluşturulur. Böyle küçük bir zar parçasından yapılan kayıtlar ayrıca arka plan gürültüsünü de azalttı ve bu nedenle iyon kanalı boyunca iyon akışının kaydını iyileştirdi.

Şekil 3 - Membran iyon kanallarından akım akışı.
Şekil 3 – Membran iyon kanallarından akım akışı.(A) Yama kelepçesi tekniği. İnce bir cam pipetin ucu, bir iyon kanalı içeren hücre zarının küçük bir parçasına sıkıca kapatılmıştır (mor, sağdaki büyütülmüş versiyona bakınız). Pipet, zara bağlanan ve iyonların zar boyunca akmasını sağlayan bir iyon kanalı açan nörotransmiter içerir. İyon kanalından akan akım, pipete bağlı bir ampermetre ile ölçülür. (B) Küçük bir zar yaması içinde tek bir iyon kanalından akan akımın ölçümü. Bu iyon kanalı, nörotransmitterin membran reseptörüne bağlanmasına (açık) ve bağlanmasına (kapalı) yanıt olarak kendiliğinden açılır ve kapanır (Şekil 1). İyon kanalı kapatıldığında, gürültülü bir arka plan akımı ölçülür (yeşil). İyon kanalı açıldığında, aşağıya doğru hızlı, adım benzeri bir akım gözlenir (turuncu) (Şekil Neher ve Sakmann’dan uyarlanmıştır).

İyon Kanalından Akım Akışı

Hiçbir nörotransmitter mevcut olmadığında, kanaldan hiçbir akımın geçmediğini ve sadece küçük bir arka plan gürültüsünün gözlemlendiğini bulduk (Şekil 3B). Bir nörotransmitter membrana bağlandığında, iyon kanalı adım adım çok hızlı bir şekilde açılır ve birkaç pikoamperlik küçük akımın membran boyunca akmasını sağlar. Nörotransmitterin çözülmesi, kanalın tekrar kapanmasına neden oldu (Şekil 3B). İyon kanalının sadece milisaniyeler için açık veya kapalı kaldığını (milisaniye saniyenin 1/1.000’idir) ve hem açık durumun süresinin hem de kanalın açıklıkları arasındaki zaman aralığının sporadik bağlanmasından dolayı değiştiğini bulduk. nörotransmitter molekülleri. Şekil 3B’de görebileceğiniz gibi , açık kanaldan akarken akımın genliği oldukça sabitti.

Membran yamasından geçen küçük akımı ölçtükten ve bazı hesaplamalar yaptıktan sonra, her milisaniyede 10.000 civarında iyonun küçük zar yamasından geçtiğini tahmin ettik. Bu bize, iyonların taşıma molekülleri yoluyla taşınmasından ziyade iyon kanallarının açılmasının, iyonların hücre zarından geçmesini sağlayan mekanizma olduğunu söyledi! Taşıma molekülleri, iyonları zar boyunca bu kadar yüksek bir oranda taşımak için çok yavaştır. Bu önemli bir keşifti, çünkü sinir hücrelerinde sivri uç da dahil olmak üzere elektriksel aktiviteyi üreten temel mekanizma olarak iyon kanallarının varlığını ve işlevini doğruladı. Bu iyon kanalları ayrıca periferik kaslar ve kalp gibi diğer “uyarılabilir” dokularda elektriksel aktivitenin üretilmesinden de sorumludur.

Ayrıca, membran iyon kanallarının işleyişini anlamak önemliydi, çünkü birçok nörolojik bozukluk (kalp ve diğer vücut dokularının bozukluklarının yanı sıra) iyon kanalı işlev bozukluklarından kaynaklanmaktadır. Sonuç olarak, “kanalopatiler 2 ” terimi, iyon kanallarının işleyişindeki kusurların neden olduğu (çok geniş) hastalık ailesini tanımlamak için türetilmiştir. Membran iyon kanallarının ve işlevlerinin keşfine dayanarak, meslektaşım Prof. Erwin Neher ve ben 1991 yılında Nobel Tıp veya Fizyoloji Ödülü’nü aldık.

Genç Beyinlere Öneriler

1970 yılında Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü’nü de almış olan bilimsel danışmanım Prof. Bernard Katz’dan öğrendiğim en önemli şeyi anlatarak başlayacağım. O bana sonuçlarınız konusunda çok eleştirel olmanız gerektiğini öğretti ve her zaman önceki bulgularınızı geçersiz kılabilecek yeni bulgulara hazır olun – ne kadar tatsız olursa olsun. Bu dersi öğrencilerime aktarmaya ve onlara sonuçları konusunda eleştirel olmayı öğretmeye çalışıyorum. Özellikle biyolojik dokularda kontrol edemediğimiz ve dikkate alınması gereken birçok etki vardır. Bu nedenle, öğrencilerim yeni bir bulguya sahip olduklarında, bir süre kendilerine saklamalarını ve sonuçlarını defalarca geçersiz kılmak için deneylerini tekrar etmelerini tavsiye ediyorum.

Hayata daha genel bir bakış açısından, bence iyi bir hayat, üzerinde düşünecek bir şeyin olduğu, sana merakının peşinden gitme ve muhtemelen yeni bir şey keşfetme fırsatı veren bir hayattır. Diğer insanların bakış açısına göre iyi bir yaşam, çok para kazanmak veya başkaları tarafından tanınmak anlamına gelebilir ve bu da tamamen iyidir. Bilim insanı olmanın yapabileceğiniz en iyi seçim olduğunu düşünüyorum, ancak yalnızca Doğa’yı merak ediyorsanız. Büyüleyici bir meslek olduğunu düşündüğünüz için bilim insanı olmaya çalışmayın. İçiniz bir şeyleri keşfetme dürtüsüyle yanmıyorsa , sizi heyecan ve tutkuyla yakacak başka bir meslek seçmek daha iyidir.

Ek materyaller

Sözlük

Sinir Hücreleri : Beynin başlıca hücresel yapı taşları. Sinir hücreleri beynin elektriksel aktivitesini üretir.

Sinaps : İki sinir hücresi arasındaki, kimyasal maddenin (nörotransmitter) gönderici hücreden (presinaptik hücre) alıcı hücreye (sinaptik sonrası hücre) geçtiği küçük bir boşluktan oluşan bir temas noktası.

Nörotransmitter : Bir sinir hücresinden salınan ve diğer sinir hücresi tarafından alınan, sinir hücreleri arasındaki iletişimi sağlayan kimyasal madde.

Difüzyon : Parçacıkların bir yerden başka bir yere yönlendirilmeden hareket ettiği kendiliğinden hareket süreci.

İyon : Pozitif veya negatif yüklü bir parçacık.

Elektriksel Potansiyel : Bizim durumumuzda zarın iki tarafı arasındaki iki nokta arasındaki yük farkı. Pozitif yüklü iyonlar, daha pozitif taraftan daha az pozitif tarafa akar.

Kimyasal Gradyan : Konumlar arasında bir maddenin konsantrasyonundaki fark. Maddeler, bizim durumumuzda, zarın iki tarafındaki iyonlar, gradyanı “aşağı”, daha yüksek konsantrasyonlu taraftan daha düşük konsantrasyonlu tarafa doğru hareket eder.

İyon Kanalı : Hücre zarında bulunan ve açıldığında iyonların hücre içine ve dışına geçişini sağlayan proteinlerden oluşan küçük bir delik (gözenek).

Çıkar çatışması

Yazar, araştırmanın potansiyel bir çıkar çatışması olarak yorumlanabilecek herhangi bir ticari veya finansal ilişki olmaksızın yürütüldüğünü beyan eder.

Teşekkür

Noa Segeve bu makalenin temelini oluşturan röportajı yürüttüğü ve makaleyi birlikte yazdığı için teşekkür etmek istiyorum .

Dipnotlar

1. Pikoamper (pA) çok küçük elektrik akımlarını ölçmek için kullanılır—bir pA 10 -12 amperdir.

2. İyon kanallarının işlev bozukluğundan kaynaklanan hastalık grupları için buraya bakın https://en.wikipedia.org/wiki/Channelopathy .

Referanslar

 Katz, B. 1971. Nöral verici salınımının nicel mekanizması. Bilim . 173:123–6.

 Neher, E. ve Sakmann, B. 1992. Yama kelepçesi tekniği. bilim Ben. 266:44-51.

Hamill, OP ve Sakmann, B. 1981. Embriyonik kas hücrelerinde tek asetilkolin reseptör kanallarının çoklu iletkenlik durumları. Doğa . 294:462–4.

Bormann, J., Hamill, OP ve Sakmann, B. 1987. Fare kültürlü spinal nöronlarda glisin ve gama-aminobutirik asit tarafından kapılı kanallar yoluyla anyon geçiş mekanizması. J. Physiol. 385:243–86.

Makale bilgileri

Alıntı

Sakmann B (2022) Beyinde Kıvılcımlar: İyon Kanalları ve Sinir Hücrelerinin Öyküsü. Ön. Genç Akıllar. 10:858193. doi: 10.3389/frym.2022.858193

Editör

Casey Lew-Williams

Bilim Mentorları

Ivette Planell-Mendez

Yayınlanma tarihleri

Gönderildi: 24 Ocak 2022; Kabul: 25 Ağustos 2022; Çevrimiçi yayın tarihi: 1 Kasım 2022.Telif Hakkı © 2022 Sakmann

Bu makale, Creative Commons Atıf Lisansı (CC BY) koşulları altında dağıtılan açık erişimli bir makaledir . Orijinal yazar(lar)a ve telif hakkı sahibine/sahiplerine atıfta bulunulması ve kabul edilen akademik uygulamaya uygun olarak bu dergideki orijinal yayına atıfta bulunulması koşuluyla diğer forumlarda kullanım, dağıtım veya çoğaltmaya izin verilir. Bu şartlara uymayan hiçbir kullanım, dağıtım veya çoğaltmaya izin verilmez.


Bir Cevap Yazın

Aşağıya bilgilerinizi girin veya oturum açmak için bir simgeye tıklayın:

WordPress.com Logosu

WordPress.com hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap /  Değiştir )

Twitter resmi

Twitter hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap /  Değiştir )

Facebook fotoğrafı

Facebook hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap /  Değiştir )

Connecting to %s