Dinlenme potansiyeli: sinir sisteminin temellerinin tanıtılması Teach article

Sınıfta bir nöronu simüle edin.

Sinir sistemi sadece büyüleyici değil, aynı zamanda muhtemelen okul biyolojisi derslerindeki en karmaşık konulardan biridir, çünkü özellikle okulda gerçek nöronlarla çalışmak mümkün değildir. Bu makalede, bir nöronda dinlenme potansiyelinin nasıl oluştuğunu araştırmak için bir selofan zarı kullanan bir aktiviteyi açıklıyoruz. 16–19 Yaş arası öğrenciler için uygun olan etkinlik yaklaşık 90 dakika sürmektedir.

Yapay bir zar potansiyeli

Bilgi aktarmak için nöronların bir zar potansiyeli üretebilmesi ve sürdürebilmesi gerekir: hücre zarı boyunca odaklanan hücre içi ve hücre dışı ortam arasındaki voltaj farkı. Uyarılmamış bir nörondaki voltaj farkına dinlenme potansiyeli denir. Bu nöronun uyarılması, dinlenme potansiyelini değiştirerek bir aksiyon potansiyeline neden olabilir: nöronun bilgi ilettiği elektriksel dürtü. Nöron tekrar ateşlenmeden önce dinlenme potansiyelinin yeniden oluşturulması gerekir (şekil 1). Ancak dinlenme potansiyeli nasıl üretilir ve korunur? Cevap kısmen hücre zarının yarı geçirgen doğasında yatmaktadır.

Hücre içi ve hücre dışı ortamın diğer bileşenleri arasında sodyum (Na⁺), klorür (Cl^–), organik anyonlar (A^–) ve en önemlisi potasyum (K⁺) dahil olmak üzere çözünmüş iyonlar bulunur. Bir nöron ateşlendiğinde ve dinlenme potansiyeli yeniden kurulmaya başladığında, K⁺ iyonlarının konsantrasyonu nöronun içinde dışarıdan daha yüksektir. Diğer iyonların çoğundan farklı olarak, K⁺ iyonları, zardaki özel iyon kanalları aracılığıyla hücrenin içine ve dışına serbestçe geçebilir. Konsantrasyon gradyanı tarafından tahrik edilen K⁺ iyonları nörondan yayılarak pozitif yüklü net bir harekete neden olur (şekil 2). Bu, hücre içi ortamın hücre dışı ortamdan daha negatif yüklü olmasıyla zar boyunca bir voltaj farkına neden olur. Bu durum, -70 mV civarında bir değere sahip dinlenme potansiyelidir.

Bir nöronda dinlenme potansiyelinin oluşturulmasında rol oynayan ek faktörler olmasına rağmen, konsantrasyon gradyanının ve anyonların ve katyonların elektriksel özelliklerinin birleşik katkısı, aşağıda açıklandığı gibi yarı geçirgen bir zar olarak selofan kullanılarak sınıfta kolayca gösterilebilir.

Etkinlikten önce difüzyon ve hücre zarlarının temel prensiplerini öğrencilerinizle birlikte ele almakta fayda var. Hücre zarının özelliklerini ve zarlardan difüzyonu içeren uygulamalı faaliyetler için talimatlar Science in School web sitesinden indirilebilir^w1.

Malzemeler

2-4 Öğrenciden oluşan her grup için şunlara ihtiyacınız olacak:

• 300 ml 0.01 M potasyum klorür (KCl) çözeltisi
• 100 ml 0.1 M potasyum klorür (KCl) çözeltisi
• Damıtılmış su
• Voltmetre
• Elektrotlar (klorlu gümüş tel)
• Ön Cam kase (200-300 ml)
• Huni
• Selofan sargısı
• Lastik bant
• Kelepçe standı ve üç kelepçe
• Timsah klipsli iki kablo takın
• Pipetler
• Makas

Yöntem

Aktiviteye başlamadan önce öğrencilerinizle hücrede nasıl bir voltaj farkı olabileceğini düşündüklerini ve bunu oluşturmak için hangi hücre bileşenlerinin önemli olduğunu tartışın. Dinlenme potansiyelini kısaca tanıtın. Ardından, öğrencilerinize sorun:

1. Cam kaseyi, zarın hücre dışı ortamını temsil eden yaklaşık 200 ml 0.01 M potasyum klorür (KCl) çözeltisi ile doldurun.

2. Huninin tabanını kaplayacak kadar büyük bir selofan sargı parçası kesin, ardından selofanı daha esnek hale getirmek için damıtılmış suda durulayın. Selofan, yarı geçirgen zar görevi görür.

3. Selofan parçasını huninin tabanına sıkıca sarın ve lastik bantla kapatın.

4. Huninin tabanını cam kasedeki KCl çözeltisine batırarak huniyi kelepçe standına kelepçeleyin.

5. Bir pipet kullanarak huninin içindeki ve dışındaki sıvı seviyeleri aynı seviyeye gelene kadar huniye 0.1 M KCl solüsyonu ekleyin. Huni içindeki çözelti, hücre içi ortamı temsil eder.

6. İki elektrotu timsah klipsleriyle voltmetreye takın. Voltmetrenin katoduna bağlı olan elektrodu bir kelepçe kullanarak cam kasedeki solüsyonun içine yerleştirin. Başka bir kelepçe tarafından desteklenen, anoda bağlı ikinci elektrotu hunideki çözeltiye yerleştirin.

Tartışma ve ileri araştırmalar

Öğrencilerinize sorun:

• Voltmetrenin hangi voltajı göstereceğini tahmin ediyorlar? Bazı öğrenciler, aksiyon potansiyeli olduğu için olumlu olacağını düşünebilir. Voltmetreyi yaklaşık 200 mV’a ayarlamalarını isteyin.
• Yaklaşık 10 saniye içinde voltaj düşecek ve yaklaşık 5 dakika sonra yaklaşık –50 mV ila –60 mV arasında dengelenecektir.
• İki solüsyon arasındaki voltaj farkına ne sebep olur? Değer neden negatif? Cam kasedeki çözelti, ikisinin daha konsantresi olsaydı ne olurdu?
• Neden zarın ve iki çözeltinin eşit olmayan bir iyon dağılımı oluşturduğunu düşünüyorlar?

Gerçek hayattaki nöronda olduğu gibi, bu deney iki bileşene dayanır: bir konsantrasyon gradyanı ve selofan sargının yarı geçirgen özellikleri. Bir nöronun zarı gibi, selofan da K⁺ iyonlarına karşı geçirgendir, ancak Cl^– iyonlarına neredeyse hiç geçirgen değildir. Sonuç olarak, nöronda olduğu gibi, K⁺ iyonlarının huniden (0.1 M KCl) dışarı ve cam kaseye (0.01 M KCl) kademeli, net bir difüzyonu vardır. Elektrotlar selefonu delmeden dikkatli bir şekilde yerleştirilirse, hunideki çözeltinin voltajının daha negatif olduğu görülebilir. Son okumanın gerçek hayattaki dinlenme potansiyeline benzer olmasını sağlamak için voltmetrede 200 mV’luk başlangıç ayarı isteğe bağlıdır.

Gerçekçi olmakla birlikte, bu deney dinlenme potansiyelinin nasıl oluşturulduğuna ve sürdürüldüğüne dair tam bir model değildir. Bir nöronda hücre dışı ve hücreler arası ortam sadece K⁺ ve Cl^– iyonlarından fazlasını içerir ve zarın geçirgenliğini belirleyen ek mekanizmalar vardır. Bununla birlikte, bu aktivite, modelin doğruluğunu tartışmak ve iyon kanalları, sodyum-potasyum pompası ve aksiyon potansiyeli gibi nörobiyolojinin diğer yönlerini tanıtmak için bir fırsat sunar.

Alternatif olarak, öğrencilerinizden örneğin ek solüsyonlar, farklı özelliklere sahip bir zar veya farklı KCl konsantrasyonları kullanarak varsayımsal senaryoları tartışmalarını isteyebilirsiniz.