ویژگی منحصر به فرد سلول عصبی ویژگی مداری آن است: مقاومت، ذخیره، پتانسیل عمل.
یعنی یک مدار بیوالکتریک است یعنی یک مدار الکتریکی ایجاد کرده است که میتواند سه جزء داشته باشد.
Equivalent Circuite of memberane and passive Electrical properties
ویژگی خازنی « جریان
ویژگی مقاومتی « مقاومت
ویژگی باتری « ولتاژ
غشا سلول عصبی چه ویژگی دارد؟ غشای سلول عصبی یک کابل بیولوژیکی است و معادل یک مدار است. مثل یک مدار کار میکند. اختلاف ولتاژ دو سمت غشا باعث میشود مثل باتری عمل کند و جز مقاومتی داشته باشد اجزای مقاومتی آن کانالهایی است که در غشای سلول وجود دارد و میتواند عملکرد سلول را تغییر دهد. کانالهای سدیمی، پتاسیمی، کلری و….
برخی وابسته به ولتاژند، برخی وابسته به پروتئیناند، برخی کانالهای نشتی (leakage) هستند، برخی دو گیته و برخی تک گیت هستند.
کانالها همان لامپ مدار هستند. در غشاء پایه سلول دو لایه چربی داریم که آمفیپاتیک (دوگانه دوست) است که باعث ویژگیهای خاصی در سلول میشود که به آن Passive properties میگویند.
در مغز سلولها خصوصیت مختلفی دارند و خصوصیاتشان به ذاتشان بستگی دارد (یعنی ویژگیهای غشای سلولشان) یعنی چه تعداد کانال در غشا سلول است؟
طول سلول؟ سایز؟ اندازه سوما؟ اندازه آکسون؟ چند دندریت؟ و.. با ویژگیهای وراثتی سلول عصبی روبرو هستیم.
برخی سلولهای مغز با ولتاژ خاصی کار میکنند، با جریان خاصی تحریک میشوند، تعداد بارهایی که در اطرافشان میتوانند نگه دارند محدود و مشخص است.
سلولی که RMP آن منفیتر است دیرتر عکسالعمل نشان میدهد و ولتاژ بیشتری نیاز دارد تا بتوانیم از آن سلثل، ثبت بگیریم یعنی ولتاژ بیشتری لازم است تا سلول تحربک شود و A.P تولید کند و ما از آن ثبت بگیریم.
سلولهای پورکنژ مخچه معمولاً RMP آنها ۴۵- است؛
برخی سلولهای ساب کورتکس برخی سلولها RMP آنها ۹۰- است.
تفاوت مغزی که تحریکپذیرتر است با مغزی که دیرتر عکسالعمل نشان میدهد در چیست؟
مغزی که تعداد کانالهایش بیشتر است پس overactiveتر است. ردپای خیلی از بیماریها را از همین موضوع می توان پیگری کرد.
فردی که اتوتیستیک است بالانس مهار و تحریک در مغزش بهم خورده است و نورونها تحریکپذیرترند.
در تشنج (فوکال پوینت تشنج) نوروهایی داریم که به دلیل شرایط پاتالوژیک که ایجاد شده (جهت در کانالها) سلولها تحریکپذیرتر شدهاند» با یک تحریک الکتریکی مثلاً نور، صدا و … میتوانند discharge شوند یعنی تخلیه کنند و تشنج ایجاد شود.
ویژگیهای ذاتی سلول می تواند اینها باشد: تعداد کانالها، RMP، ولتاژ و ضخامت میبلین اطراف سلول.
همین ویژگیها باعث می شود تعداد بارهایی که اطراف سلولها زخیره میشود با هم متفاوت باشد.
و این غشا میتواند ویژگیهای خازنی یا Capacitory را ایجاد کند. خازن در مدار، بار را ذخیره میکند. وقتی مقدار بار ذخیره شده در اطراف سلول متفاوت باشد، ولتاژی که باعث تحریک سلول میشود هم متفاوت است. تغییرات ولتاژ در غشا سلول مناسب است با ویژگی خازنی غشا. اگر بار بیشتری ذخیره شود تغییرات ولتاژ بیشتری نیاز دارد تا به آستانه برسد و تحریک را ایجاد کند سلولی که ظرفیت خازنی بیشتری دارد دیرتر دچار اختلاف ولتاژ میشود یعنی دیرتر به آستانه میرسد» dk ایجاد میشود.»»»» ثابت زمانی (Time constant) که لازم است تا سلول تحریک شود بالا میرود.» ذاتاً سلول دیر پاسخ میدهد.
ثابت زمانی، در سلولها متفاوت است. زمانی که لازم است تا سلول به آستانه برسد در سلولها متفاوت است.
در سلول عصبی، فانکشن سلول با مورفولوژی سلول عجین است. قیافه و سایز سلول هر طور باشد، فانکشن آن تحت تاثیر قیافه و شکل سلول قرار میگیرد.
ضخامت، مساحت و فاصله چه تاثیری در رفتار نورونها دارد؟
سایز نورونها با هم متفاوت است.
مساحت سلول (membrane area) چه تاثیری در عملکرد مهاری یا تحریکی آن دارد؟
مساحت سلول چه تاثیری بر آستانه تحریکپذیری سلولها دارد؟
هر چقدر M.A بیشتر باشد (نورون بزرگتر باشد) بار الکتریکی اطرافش بیشتر است بنابراین باید تغییرات ولتاژ بیشتری اتفاق بیفتد تا نورون تحریک شود.
نورونهای بزرگتر برای رسیدن به آستانه نیاز به تغییر ولتاژ بیشتری دارند. باید گرادیان غلظت یونهای مثبت و منفی اطرافش بیشتر باشد تا بتواند تحریکش کند.
در غشای سلول arrangement یونها در داخل و خارج در حالت rest چگونه است؟
غلظت بارهای مثبت در شرایط rest در خارج سلول بیشتر از داخل سلول است. چیزی که باعث تغییر ولتاژ و ایجاد پتانسیل میشود، همین نکته است.
پتانسیل یعنی چه؟ تمایل یا tendency یا رویکرد به سمت بیرون یا به سمت داخل غشا را پتانسیل میگویند. تمایل چگونه ایجاد میشود؟ با اختلاف یا گرادیانت بارهای مثبت و منفی ایجاد میشود. پتانسیل یعنی اختلاف ولتاژ در دو سوی غشا که ناشی از اختلاف غلظت در دو سوی غشا است. پتانسیل الکتریکی غشا مساوی است با گرادیان الکتروشیمیایی یونها در دو سوی غشا.
در یک مدار معادل یا oequivalent circuiety یک الکترونوترالیتی داریم. همان اصل خنثی بودن غشا را مطرح میکند. بارهای مثبت و منفی طوری چیده میشوند که سلول از نظر الکتریکی (داخل و خارج غشا) نوترو یا خنثی باشد (در حالت استراحت! و چون خنثی است برای جابجایی یونها باید کانالهای یونی وجود داشته باشند که این کانالها میتوانند در اثر تزریق یک جریان یا یک سیگنال الکتریکی باز و بسته شوند و این اختلاف را تغییر بدهند به طوری که پتانسیل استراحت سلول تغییر کند و باعث دپولاریزاسیون یا هایپرپلاریزاسیون سلول عصبی شود. ممکن است ما بخواهیم سرنوشت سلول را به سمت مهار پیش ببریم. در این صورت کانالهای پتاسیمی میتوانند باز شوند یونهای مثبت را از سلول خارج کنند و در نتیجه داخل سلول بیشتر منفی میشود و از آستانه دورتر شود»» سلول را در اینجا هایپرپولاریزه کردیم.
یا برعکس میتوانند کانالهای سدیم و کلسیمی باز شوند سدیم یا کلسیم وارد شوند و در نتیجه داخل مثبتتر شود و به سمت آستانه تحریک رفته و باعث A.P شود یعنی سلول دپولاریزه شده است.
در یک سلول عصبی وقوع سیگنال به این وابسته است که کدام یک از این کانالها کار بکنند و کدام مسیرهای مقاومتی فعال شوند.
در غشا سلول کانالهای مثبت رو به داخل در شکلی نمایان است. اینها همان لامپهایی (مسیرهای مقاومتی) هستند که میتوانند خاموش یا روشن شوند.
در کانالهای یونی دو ویژگی داریم: مقاومت و conductance.
در کانالهای یونی conductance عکس مقاومت است. در یک مدار معادل، مسیرهای مقاومتی بستگی به این دارد که چه تعداد کانالها باشند و کانداکتانس این کانالها به چه شکلی باشد.
کانالها در غشای سلول به عنوان یک جزء مقاومتی دو وظیفه دارند: هدایت conductance مثل باطری هستند و بارها را ذخیره می کنند.
غشاء سلول عصبی به بونها نفوذپذیری ندارد و اجازه ورود و خروج یونها با کانالهاست.
غشاء سلول سرقطبی و دم غیرقطبی دارد. غشای سلول نیمه نفوذپذیر است. به یک سری از مواد اجازه ورود آزادانه می دهد. به موادی که غیرقطبی باشند »» اجازه میدهد و به موادی که قطبی باشند »» اجازه نمیدهد.
به آب، یونها و مولکولهای درشت مانند آمینواسیدها اجازه نمیدهد.
وزن مولکولی نقش مهمی در نفوذپذیری غشای سلول دارد. قطبیت و غیرقطبیت نیز نقش دارد. ترکیبی مثل گلوکز یا اسیدآمینه که وزن مولکولی زیادی دارند در غشای سلول برای حملشان کریر پروتئین (مثل اتوبوس) قرار داده شده است (ترانسپورتر).
اگر مولکولها بزرگ باشند یا برای سلول حیاتی باشند مثل گلوکز که بدون آنها، حیات سلول به خطر میافتد لازم است سلول از ترانسپورتر که از جنس پروتئین است کمک بگیرد (کانالها و پمپها نیز همینطور).
کریرهای مربوط به گلوکز فقط مربوط به گلوکز است و چیز دیگری را نمیتواند جابجا کند و سایز مولکولها نیز در arrangement غشا موثر است.
کانالها دو ویژگی داشتند: هدایت و باتری بودن (ذخیره کردن بار).
Conductivity »» تعداد کانالها در آن اثر دارد»» اگر تعداد کانالها بیشتر باشد»» هدایت کل بیشتر است و سلول سریعتر به آستانه میرسد و سریعتر کارش را انجام میدهد.
Conductivity »» مقاومت هم در هدایت اثر دارد.
total کل Conductivity =
تعداد کانالهای پتاسیمی × K (Conductivity یک کانال)
کانالهای یونی ویژگی مهمی دارند»» نفوذپذیری انتخابی: مهمترین ویژگی Selectivity به یون خاص دارند.
وقتی Selectivity داریم در غشا یک اختلاف غلظت به وجود میآید که به آن گرادیان میگویند»» که باعث ایجاد تمایل میشود»» تمایل در الکتروفیزیولوژی چه نام دارد؟ نیروی محرکه (electromotive force) یا گرادیان غلظت (Concentration gradient).
EMF به تعداد کانالها و Selectivity کانالها بر میگردد.
عامل نوع کانال و عامل گرادیان غلظت منجر به EMF برای یک یون میشود.
EMF یک اسم دیگر هم دارد»» پتانسیل تعادلی یک یون: به معادله نرنست برمیگردد.
نیرویی است که با توجه به اختلاف غلظت اولیه، تمایلی برای جابهجایی در یک یون ایجاد می کند تا به اختلاف پتانسیل صفر برسیم. یعنی به نقطهای برسیم که یون تمایلی به جابهجایی نداشته باشد.
اختلات غلظت بیرون به درون در جایی که ثبت میگیریم و این اختلاف غلظت صفر شود.
فرض کنیم غشایی داریم که پتانسیل اولیه آن برای سدیم ۷۰- میلیولت باشد. EMF برای یون سدیم چقدر است؟
RMP هم مثلاً ۶۰+ است.
EMF= ولتاژ – پتانسیل تعادلی یون
EMF= -70 – 60 = -130 mv
همین سلول اگر به overshoot برسد و پتانسیل غشا به صفر برسد EMF آن چقدر است؟
EMF= 0 – 60 = -60 mv
EMF برای سدیم در RMP = 0
EMF برای یون سدیم در این حالت خیلی کمتر از حالتی است که پتانسیل در استراحت غشا ۷۰- بود.
پس سلول در ولتاژ صفر نسبت به حالتی که منفی است به تحریکات بهتر جواب میدهد.
از روی EMF میتوان فهمید سلول در چه مرحلهای است؟ مثلاً در حالت Rest است یا در overshoot؟ یا ….
EMF میگوید آیا سلول تحریکپذیر است یا از تحریک دور شده است؟ یا در rest است؟
اگر مثلاً دارویی داریم و استفاده میکنیم که ضد صع است باید EMF را کم کند.
فرض کنیم کاری روی سلول انجام دادیم که پتانسیل تعادل یون سدیم به مثبت ۴۰+ رسیده است. در اینجا EMF چقدر است؟
EMF= +40 – 60 = -20 mv
در ۲۰- میلی ولت رفتار سلول چگونه است؟
EMF اگر ۶۰- باشد بهتر است یا ۲۰-؟
وقتی به ۲۰- برسد؛ یعنی غشاء خیلی دپلاریزه شده»» در نتیجه میل برای عبور سدیم کاهش مییابد.
حال میتوانیم بگوییم چرا وقتی به Peak پتانسیل عمل میرسیم، کانالهای سدیمی غیرفعال میشوند؟
چون EMF کم میشود و تمایل سلول برای جابهجایی یون سدیم کم میشود (چون ۲۰- از ۶۰- مثبتتر است).
EMF یک ویژگی بسیار مهم و Passive در غشاء سلول است و نقش بسیار مهمی در تحریکپذیری یک سلول عصبی دارد.
میتوانیم با Simulate کردن یک سری کانال، جابهجا کردن و کم و زیاد کردشان یک غشا یا سلول مصنوعی بسازیم و تمام این مطالعات را روی آن انجام دهیم و یک غشای مجازی داشته باشیم (ساخت سلول مجازی).
در مورد +K:
قرض کنیم RMP برای یون +K مساوی ۹۰- است ولتاژ اولیه از غشا هم ۷۰- است. EMF برای +K چقدر است؟
EMF= -70 – (-90) = +20 mv
آیا ۲۰+ به اندازهای است که اجازه خروج یون +K را بدهد؟
۲۰+ آنقدر بزرگ نیست که اجازه باز شدن کانالهای پتاسیمی را بدهد و برای +K نیروی محرکه الکتریکی (EMF) ایجاد کند، نیروی بسیار کمی است پس در شرایط استراحت EMF برای خروج پتاسیم بسیار کم است و عملاً امکانپذیر نیست در قله پتانسیل عمل فرض کنیم ولتاژ ۴۰+ رسیده»»
EMF= +40 – (-90) = +130 mv
۱۳۰ میلیولت یک گرادیان بسیار قوی برای خروج یون پتاسیم است و همین باعث میشود کانالهای +K باز شوند» پتاسیم خارج شود و سلول به رپلاریزاسیون برگردد.
پتانسیل استراحت آن یون – ولتاژ اولیه غشاء = EMF
CV استاد گرانقدر خانم دکتر ثریا مهرابی
