KULAKTA DUYUSAL İLETİ
Ø Bu bölümde tüy hücrelerinin yapısı daha ayrıntılı olarak incelenecek ve bu hücrelerinin mekanik enerjiyi elektrik sinyallerine nasıl dönüştürüldüğü ele alınacaktır.
Ø Tüy hücreleri ektodermden kaynaklanırlar ve epiteliyal özelliklerini sürdürürler. Bir tüy ücresi kolon biçimindedir ve dendrit veya aksona sahip değildir. Apeks bölümünde duyusal olmayan destek hücreleri ile bağlantılıdır. Destek hücreleri ile yapmış oldukları sıkı bağlantı (tight juction) ve hemen altındaki belt desmozom bölgeleri tüy hücreleri için ciddi bir destek sağlamaktadır.
Ø Hücrenin apikal yüzeyindeki tüy demetleri hücrenin reseptör aparatıdır.Bunların boyları 1 mm-100 mm arasında olabilir. Bunlar 200- 300 arasında silindirik yapıda ve hekzagonal düzende organize olmuş yapılar olup sterosiliya adını alırlar. Her bir sterosiliyum aktin filamentlerinden oluşan bir iskelete sahiptir. Aktin filamentleri, fibrin ile çapraz bir olarak bağlanmışlardır.
Ø Tüy hücrelerinin endolenfe doğru uzantıları olan sterosiliyalar, bazal bölümlerinde incelirler. Bu özellik bazal bağlantı noktalarından hareketlerine imkan sağlar.
Ø Her tüy hücresinde kinosiliyum adı verilen gerçek bir siliyum bulunmaktadır. Bu diğerlerinden daha uzundur ve aksonem adı verilen 9 çift mikrotübülden meyadan gelen çekirdek bir yapıya sahiptir.
Tüy hücreleri mekanik enerjiyi nöral sinyallere dönüştürür
Ø Tüy hücrelerine mekanik birstimulusun uygulanması hücrede elektriksel bir yanıta yol açar. Bu, mekanik uyarılmaya duyarlı iyon kanallarının açılmasıyla ortaya çıkan bir reseptör potansiyelidir. İn vitro olarak bir tüy hücresinin sitoplazmasına yerleştirilen bir elektrot ile tüy demetleri uyarının yönüne ve şiddetine bağlı olarak yatarlar. Uyarılmamış bir hücrede iyon kanallarının % 15' I açıktır. Sonuç olarak dinlenme potansiyeli 60mV civarındadır. (+) bir stimulus tüy demetlerinin yer değiştirmesine neden olarak kapalı olan diğer kanalların da açılmalarını sağlar (Depolarizasyon) Tersine (-) bir stimulus ise tüy demetlerini kısa kenarına doğru iter ve kanalların kapanmasına neden olur (Hiperpolarizasyon) (Şekil 31-2A, B, C).
Ø Ayna görüntüsü yönünde gelen uyarılar ise herhangi bir değişikliğe yol açmaz ve hücre dinlenme potansiyelinde kalır. Yani tüy hücreleri ancak tüy demetlerinin eksenine paralel gelen uyaranlara yanıt verir. Oblik gelen uyaranlar ise ancak bu eksene düşen vektöriyel projeksiyonları oranında uyarırlar.
Ø Tüy hücresine yapılan uyarı büyükse meydana gelen reseptör potansiyeli de büyük olur. Tüy demetlerinin defleksiyonu ile elekriksel yanıt arasındaki ilişki sigmoidaldir (Şekil 31- 2D)
Ø Normal bir uyarılma sırasında bir tüy demeti + 1 derecelik bir açıyla hareket eder . Bu yaklaşık 3 nm' lik bir yol alınmasına yol açar.
Ø Tüy hücrelerindeki kanallardaki mekanoelektriksel dönüşüm nonselektif olup bu kanalların konduktansları ~100 pS' dir. Tüy hücrelerinin temasta bulunduğu endolenf sıvısında en çok bulunan katyon K+ olup transdüksiyon akımından sorumludur.Bu kanalların nonselektif olması streptomisin, gentamisin gibi aminoglikozid antibiyotiklerin kanalları bloke etmesine yol açar. Yüksek dozda kullanılması tüy hücrelerinde kalıcı hasara yol açar.
Mekanik kuvvet direkt olarak transdüksiyon kanallarını açar ve kapatır
Ø Tüy hücrelerinde gözlenen mekanoelektriksel transdüksiyonun mekanizması bir aksiyon potansiyeli veya postsinaptik potansiyelinden farklıdır. Çünkü buradaki kanallar bir mekanik zorlanmadan etkilenirler. Kanalların açılma veya kapanması tüy demetlerinin yapısındaki elastik yapıların tansiyonundan kaynaklanır.
Ø Mekanoelektriksel transdüksiyona katılan iyon kanalları tüy demetlerinde bulunan elastik yapılarla açılır-kapanırlar. Bu elastik yapılara " gating spring (kapı yayı)" adı verilir. Tüy hücrelerindeki kanalların, membranı geçen bir protein olduğu ve katyon selektif porlara sahip olduğu bilinmektedir. Tüy demetleri dinlenme anında iken bu kanallar kapalıdır. Ancak tüy demetlerinin (+) yönde hareket etmesi kapı yayındaki tansiyonu artırır. Tansiyonun artması kanalın açılmasına ve katyonların içeriye akmasına neden olur. Kanal kapısının açılması gerçekten çok hızlı olup ikinci mesajcı molekülün bu işte direkt etkisinin olmadığını düşündürmektedir.
Ø Mekanoelektriksel iletinin olduğu bölge 3 deneysel çalışma ile gösterilmiştir. 1) Çalışmanın birinde uyarılmış tüy hücre demetinin ekstraselüler yüzündeki katyon akımı ölçülmüştür. Buna göre en güçlü voltaj sinyali tüy hücresinin tepe kısmında ölçülmüştür. 2) İkinci deneyde aminoglikozid antibiyotikler etkilerini büyük ölçüde tüy demetlerinin üst bölümünde gösterirler. 3) Son olarak Ca2+ -duyarlı indikatörler, kalsiyumun tüy demetinin uç bölgesinden girdiğini göstermişlerdir.
Ø Sterosiliyumlar arasındaki elastik yapılara "tip link (uç bağlantı)" adı verilmiştir. Bu yapılar 2 sterosiliyum arasında filamentöz bağlantı yapmaktadır. Her uç bağlantının 2 sıra halinde dizilmiş moleküllerden oluşan ince bir lif olduğu düşünülmektedir. Oblik olarak bir sterosiliyumun distal ucundan komşu sterosiliyuma doğru uzanır.
Ø Bağlantıların yönü tüy hücrelerinin uyaranlara olan vektöriyel duyarlılığı ile tutarlılık gösterir. Çünkü tüy hücrelerinin dizilimine paralel gelen uyaranlar tüy demetlerinin uyarılmasına yol açar. Ancak dizilime dik gelen uyaranlar ise etkili olmaz.
Direkt mekanoelektriksel transdüksiyon hızlıdır
Ø Tüy hücrelerinin tersine, diğer duyu reseptörleri (fotoreseptörler, olfaktör nöronlar) siklik nükleotid veya diğer ikinci mesajcıları kullanmaktadırlar. Bu mekanizma sinyalin amplifikasyonunu sağlamaktadır.
Ø İkinci mesajcı olmadan gerçekleştirilen bir transdüksiyonun amacı ne olabilir? Bu soruya verilelebilecek en uygun yanıt; uyarıya verilen yanıtın tüy hücrelerinde hızlı olmasıdır. Gerçekten de tüy hücreleri diğer duyu reseptörleri arasında en hızlı yanıt veren hücrelerdendir. Biyolojik stimulusun sıklığını düşünecek olursak yanıtın hızlı olası gerektiği de açıktır.
Ø Sesin lokalizasyonu, işitmenin en önemli fonksiyonlarındandır. İnsan için sesin iki kulağa ulaşma süreleri arasında 700 ms' lik fark vardır. Ancak insanlar, sadece 10 ms' lik bir gecikme ile sesin yerini belirleyebilir. Bunun olabilmesi için tüy hücrelerinin sesleri birkaç ms içinde yakalayabilme özelliğine sahip olması gerekir.
Şekil 31-4: Arka arkaya verilen uyaranların tüy demetlerinin yer değiştirme ve elektriksel yanıtlarında yarattığı değişiklikler.
(Eğrinin biçiminde ve büyüklüğünde değişiklik yok!)
Tüy hücreleri güçlü uyaranlara karşı adaptasyon geliştirir
Ø Uzun süreli ve güçlü uyaranlar tüy demetlerini dinlenme durumundan yatık (defleksiyon) duruma geçirir. Adaptasyon sırasında reseptör potansiyeli progresif olarak yavaşlar. Adaptasyon hızını ve derecesini (büyüklüğünü) belirleyen en en önemli faktör tüy hücresinin apikal yüzündeki artmış Ca2+ konsantrasyonudur (Şekil 31-4).
Ø Adaptasyon nasıl gerçekleşir? Adaptasyon sırasında tüy demetlerinin sertliğinde değişikliğin olması, adaptasyonun sterosiliyumlar arasında tansiyonu sağlayan elemanları ilgilendiren bir değişikliğe işaret etmektedir. Güçlü ve sürekli uyaranlar sırasında uç bağlantılarının sterosiliyuma tutunduğu bölge (yapışma plağı) yer değiştirir. Tüy demetlerinde bu rolü üstlenebilecek farklı tiplerde miyozin molekülü bulunmuştur. Bunlar miyozinin Ib kümeleri, miyozin VI ve Miyozin VIIa molekülleridir. (Şekil 31-5).
Bir uyarının uç bağlantılarına ulaşmasıyla tansiyon artar ve kanallar açılır, içeriye kalsiyum girişi gözlenir. Buna paralel olarak oluşan reseptör potansiyelinde önce bir depolarizasyon, ardından bir plato ve sonra dinlenme durumuna dönüş gözlenir. Sitoplazmada biriken kalsiyum kalmodulin molekülleri ile etkileşir ve miyozin Ib molekülünü bağlayarak katyon kanalını aşağıya doğru itmesine yol açar. Bu şekilde uç bağlantısının boyu kısalır ve kanal kapanır. Uyarının devam etmesi durumunda, uç bağlantı bölgesinin üst ucu aşağıya itilmiş olduğundan adaptasyon boyunca katyon kanalı kapalı kalır.
Tüy hücreleri spesifik uyarı frekanslarına ayarlanmıştır
Ø Birçok canlının işitme organındaki tüy demetlerinin uzunluğu frekans şiddetine göre düzenlenmiştir. Düşük frekanstaki akustik ya da vibrasyonel uyaranlara yanıt veren uyaranlara uzun tüy demetleri yanıt verirken, yüksek frekanslı akustik uyaranlara ise kısa tüy demetleri yanıt verir. İnsan kohleasında 20 kHz frekanslı seslere 4 mm boyundaki tüyler yanıt verirken, 20 Hz' lik seslere ise 7mm boyundaki tüyler yanıt verir. Anatomik pozisyon ve frekans arasındaki bu ilişki tonotopik haritalama olarak isimlendirilir.
Ø Tüy hücrelerinin spesifik frekanslara ayarlanmasının mekanizması elektrikseldir. Bu durum balık, sürüngen ve kuşlarda gösterilmiş olup henüz insanda nasıl olduğu anlaşılamamıştır. Elektriksel rezonans adı verilen bu durum deneysel olarak tüy hücresine elektrik akımı uygulanması sonucunda membran potansiyelinde sinuzoidal bir dalgalanma ile gösterilmiştir (Şekil 31-6)
Bu çalışmada bir tüy hücresindeki tüy demetleri defleksiyona uğradığında reseptör potansiyeli bir sinuzoidal osilasyon şekilinde ortaya çıkar. Aynı hücreye dışarıdan bir mikroelektrod yardımı ile elektriksel uyaran uygulandığında da benzer bir yanıt alınır. Bu sonuç tüy hücrelerinin elektriksel rezonatör yardımı ile spesifik frekanstaki uyaranlara ayarlandığını göstermektedir. BU olayın mekanizmasına baktığımızda; (+) defleksiyonun hücreye K+ girişini indüklediği ve hücreyi depolarize olduğunu görürüz. Hücreye K girişi voltaj duyarlı Ca2+ kanallarının açılmasına ve hücre içi kalsiyum düzeylerinin artmasına yol açar. Artan kalsiyum, Ca2+' a duyarlı K+ kanallarını uyarır. Potasyumun dışarı çıkması hücreyi repolarize eder. Artan hücre içi kalsiyum iyon pompası yardımı ile hücre dışına atılır.
Tüy hücrelerinde sinaptik transmisyon
Tüy hücreleri duyusal reseptör olmanın yanısıra aynı zamanda presinaptik terminallerdir. Her tüy hücresinin basolateral membranı çok sayıda presinaptik bölgeye sahiptir. Her aktif bölgenin 3 önemli özelliği vardır:
1) Sitoplazmada 400 nm çapında, küresel bir yoğun presinaptik cisim (Biyokimyasal içeriği tam bilinmiyor) bulunur.
2) Presinaptik cismin etrafında her biri 35 nm çapında sinaptik veziküller bulunur.
3) Plazmalemmanın iç tarafında bir sıra halinde presinaptik dansite partikülleri bulunur. Bu partiküllerin Ca2+ kanalları ve elektriksel rezonansa katkısı olan K+ kanallarının olduğu tahmin edilmektedir.
Ø Postsinaptik kayıtlar tüy hücrelerinden nörotransmiter salınımının kuantal olduğunu ortaya koymuştur. Ancak afferent nörotransmiterin kimliği halen tartışmalıdır. Glutamat olduğu yolunda bazı sonuçlar bildirilmiştir.
Tüy hücrelerindeki afferent sinaplar diğer sinaplardan farklılık gösterirler. Örneğin dinlenme halinde de nörotransmiter salınımı olmaktadır. Sinaptik transmisyonda ise depolarizasyonu ve hiperpolarizasyonu takiben nörotransmiter salınımında aşağı ve yukarı iniş-çıkışlar olmaktadır. Bu bulgularla uyumlu olarak Ca2+ kanalları dinlenme durumunda bile açıktır ve uyarılmamış hücrelerden nörotransmiter salınımını sağlar.