Dinlenme potansiyeli: sinir sisteminin temellerinin tanıtılması Teach article

Sınıfta bir nöronu simüle edin.

issue38_membrane
Resim Dhp1080’in izniyle; resim kaynağı: Wikimedia Commons

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.

Şekil 1: Bir nöron uyarıldığında, zaman içinde hücre zarı boyunca voltaj farkı. A: dinlenme potansiyeli; B: bir aksiyon potansiyeli; C: dinlenme potansiyeli yeniden kurulur; t: zaman

Görüntü Nicola Graf’ın izniyle

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.

Şekil 2: Yarı geçirgen bir membranın her iki tarafındaki çözeltiler farklı konsantrasyonlara (üstte) sahip olduğunda, membran boyunca negatif ve pozitif yüklerin dağılımı dengesiz hale gelir (altta) ve voltaj farkına neden olur. Membran tarafından sıkışan anyonları cezbetmeleri nedeniyle K katyon konsantrasyonunun membranın bir tarafında daha yüksek kaldığını unutmayın.

Görüntü Alexander Maar’ın izniyle

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 indirilebilirw1.

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.
Image courtesy of Alexander Maar
Alexander Maar’ın izniyle
  1. 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.
Image courtesy of Alexander Maar
Alexander Maar’ın izniyle
  1. Selofan parçasını huninin tabanına sıkıca sarın ve lastik bantla kapatın.
Image courtesy of Alexander Maar
Alexander Maar’ın izniyle
  1. Huninin tabanını cam kasedeki KCl çözeltisine batırarak huniyi kelepçe standına kelepçeleyin.
Image courtesy of Alexander Maar
Alexander Maar’ın izniyle
  1. 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.
Image courtesy of Alexander Maar
Alexander Maar’ın izniyle
  1. 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.
Image courtesy of Alexander Maar
Alexander Maar’ın izniyle

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.


Web References

  • w1 – Hücre zarının özelliklerini ve zarlardan difüzyonu kapsayan çalışma sayfaları ek malzemeler bölümünden indirilebilir.

Resources

  • Elektrokimya ve membran potansiyelleri hakkında daha fazla ayrıntı için, bkz:
  • Nörobiyoloji hakkında daha fazla genel bilgi için, elektronik bir sinirbilim ders kitabı olan Neuroscience Online‘a bakın.
  • Nöronlara daha yakından bakmak için bkz:
    • Shepherd GM (1983) Neurobiology. New York, USA: Oxford University Press. ISBN: 978-0195088434
  • Dinlenme halindeki potansiyellerin ve aksiyon potansiyellerinin basit bir açıklaması için Neuroscience for Kids website web sitesine bakın.

Author(s)

Dr Claas Wegner, Bielefeld Üniversitesi Biyoloji Didaktiği Bölümü’nün bir üyesi ve bu konuda pedagojik uygulama için öğretim görevlisidir. Bielefeld Üniversitesi’ndeki üstün yetenekli öğrencilere biyoloji öğretme projesi olan Kolumbus-Kids’in kurucusu ve baş danışmanıdır. Ayrıca Ratsgymnasium Bielefeld’de kıdemli öğretmen olarak biyoloji ve beden eğitimi dersleri vermektedir.

Dr Roland Kern, 1996’dan beri Bielefeld Üniversitesi Nörobiyoloji Bölümü’nün adanmış bir üyesidir. Öğretim görevlisi pozisyonunda olup, insan ve hayvan fizyolojisi konularında doğa bilimleri öğrencilerine nörobiyoloji konularını öğretmektedir.

Jennifer Kahleis, Bielefeld Üniversitesi’nden biyoloji, kimya ve eğitim bilimleri okudu. Yüksek lisans eğitimi sırasında Biyoloji Didaktiği Anabilim Dalı’nda öğretim görevlisi olarak çalıştı ve şu anda stajyer öğretmen olarak çalışıyor.

Alexander Maar, ortaöğretim için İngilizce ve biyoloji ile birlikte eğitim bilimleri çaşışıyor. Bielefeld Üniversitesi Biyoloji Didaktiği Bölümü’nde lisans asistanı olarak aktif olarak çalışmaktadır


Review

Basit modeller, doğada meydana gelen karmaşık süreçleri anlamak için çok yardımcı olabilir. Bu makale, nöronların nasıl çalıştığını çözmek için pratik bir aktiviteyi anlatıyor. Gerekli tüm materyaller kolayca elde edilebilir ve talimatların takip edilmesi kolaydır, bu da deneyi öğrencilerin gruplar halinde gerçekleştirmesi için uygun hale getirmektedir.

Etkinlikler biyoloji, kimya ve fizikteki farklı konuları birleştirmek için kullanılabilir.

Konuyla ilgili bilgilerini derinleştirmek isteyenler, web referansları bölümünde tamamlayıcı öğretim etkinliklerini de bulabilirler.

Mireia Güell Serra, İspanya

License

CC-BY