Fizyoloji

 Yüksek Basınç ve Post-sinaptik İyon Reseptörleri

Uzunca bir aradan sonra derin’in 6. sayısında yeniden beraberiz, öncelikle merhaba! Amacım fizyoloji başlığı altında ele alınan konulara nispeten yakın tarihli bilimsel araştırmalar ile katkı yapmak. Bu sayıda mercek altına alacağımız bilimsel makale, yüksek basıncın sinir sistemimiz üzerindeki gizemli etkilerini bir nebze olsun aydınlatmaya çalışıyor.

Tespit edildiği 19. yy’dan beri çeşitli bilimsel araştırmalara konu olan yüksek basınç sinir sendromu (YBSS), titremeden bilinç kaybına dek uzanan belirtiler gösteren oldukça karmaşık bir biyokimyasal olgudur. Ticari amaçlı derin dalışın önündeki en önemli engel olarak görülen YBSS’nin klinik etkilerini ve artan derinlikle birlikte ortaya çıkan belirtilerini değerlendirmek yerine olgunun kökenine inecek ve basıncın etkisini hücre seviyesinde inceleyeceğiz.

Öncelikle nöronun yapısını ve çalışma prensiplerini kısaca hatırlayalım. Sinir sisteminin temel işlevi olan elektrik sinyali iletimi nöron adı verilen son derece özelleşmiş hücreler tarafından gerçekleştirilir. Nöron, dendrit denilen çok sayıda kısa ve akson denilen tek bir uzun çıkıntıya sahiptir (Şekil 1). Elektriksel sinyal, hücre içi ve dışında farklı konsantrasyonda bulunan iyonların anlık yer değiştirmelerinin (aksiyon potansiyeli) hücrenin merkezi olan somadan başlayıp akson boyunca ilerlemesi yoluyla iletilir. Sinyalin bir sonraki nörona ya da kasa iletimi ise kimyasal yoldan gerçekleşir. İki nöronun birbirlerine değecek kadar yakınlaştıkları sinaps olarak adlandırılan aralığı kateden nörotransmiter maddeler (NT) hedef hücrenin sinaptik zarında bulunan iyon kanallarını (post-sinaptik reseptörler) uyararak yeni bir aksiyon potansiyeli başlatırlar (Şekil 2).

 

Şekil 2. Sinaptik sinyal iletiminin detayları. Sinaptik aralık 2-3 nanometre kadardır.

Metabolizmamızın karmaşık yapısı düşünüldüğünde NT’lerin birçok çeşidi olmasını garipsemek yanlış olur. Farklı NT’lerin aynı hücreye eş zamanlı olarak uyarıcı (excitatory) ve bastırıcı (inhibitory) etkilerde bulunması ise sinir sisteminde yaygın olarak karşılaşılan bir durum. Post-sinaptik (hedef) nöronda bulunan iyon kanalları (ya da reseptörleri) NT’lerin algılanması açısından çok kritik bir önem arz ederler. İnceleyeceğimiz makale de işte bu reseptörlerinin yüksek basınç altında normalden farklı tepkiler verip vermediğini ele alıyor. Sorulan soru özetle şöyle: Yüksek basınç, post-sinaptik iyon reseptörlerinin elektrik özelliklerini etkilemek suretiyle YBSS fenomenine yol açıyor olabilir mi?

2.5 ila 13 MPa (240-1290 metre dalış derinliği) basınca maruz kalan omurgalılarda titreme ve bilinç kaybı ortaya çıkıyor. Titremenin, bilinç kaybı eşik değerinin %25 - %75’i basınca ulaşıldığında başladığı biliniyor. Basınca maruz kalan 22 omurgalı canlı türünde de motor etkiler aynı temel şablonu izliyor. Basınca adaptasyon ise kompresyon hızına ve basıncın şiddetine (azami dalış derinliği) bağlı ve lineer olmayan bir şekilde gelişiyor. İnsanın 500-600 metre derinlikte iş yapabilir hale gelmesi 5-6 günlük bir adaptasyon gerektiriyor. Adaptasyonun kompresyon hızına bağlı olduğu kabul edilse de, fare modeli kullanılarak yapılan deneyler, etkilerin altında yatan sebeplerin kompresyon hızından bağımsız olduğunu ortaya koymuş.

Vücut içi (in vivo) farmakolojik bulgular

g-aminobütrik asit (GABA) reseptörleri üzerinden yapılan sinir iletimini etkileyen ilaçların (genel anestetikler) titreme ve bilinç kaybının başladığı basıncı daha derine ötelediği biliniyor. Fakat ne GABA_A ne de GABA_B’nin agonistleri (muscimal ve baclofen) bu eşik değerleri etkilediği bulgulanabilmiş. Bu sayede belirtilerin altında yatan esas mekanizmanın basıncın GABA reseptörlerini doğrudan etkilemesi olmadığı da anlaşılmış.

Kas gevşetici olarak kullanılan aromatik propandiol ve benzazollerin de belirtileri ertelemede oldukça etkili olmaları, basıncın, normal şartlarda bu maddelerin hedefi olan “strychnine’e duyarli glisin reseptöru”ne doğrudan etkisi olduğu varsayımına yol açtı. Öte yandan, alifatik (aromatik olmayan) propandiollerin basınç etkilerine karşi koruma sağlayamamaları bu varsayımı kuvvetlendirdi.

N-metil-D-aspartat (NMDA) antagonistlerinden birinin basınca bağlı titreme ve bilinç kaybını geciktirmesi deneyler sonrasında ortaya çıkınca, NMDA reseptörlerinin dahil olduğu sınıf olan “uyarıcı glutamat reseptörleri”nin de basıncın yarattığı olaylarda bir payı olduğu düşünülmüş.

Vücut dışı (in vitro) farmakolojik bulgular

Basıncın yukarıda bahsedilen iyon reseptörlerine doğrudan etki edip etmediğini belirlemek için bir kurbağa türü olan Xenopus laevis’in yumurtası deney modeli olarak kullanılmış. İlgili reseptörleri izole edilmiş halde elde etmek için de sıçan mRNA’sı ya da insan cDNA’sı mikroenjeksiyon yöntemiyle yumurtalara verilerek burada gerekli proteinlerin sentezlenmesi sağlanmış. Elde edilen reseptörler öncelikle iki elektrotlu voltage-clamp tekniği ile karakterize edilmiş, daha sonra ise çesitli basınçlar altında agonistlere verdikleri tepkiler incelenmiş.

Bastırıcı post-sinaptik reseptörler

Sıçan beyninden alınan mRNA sayesinde Xenopus yumurtası hücre zarında yetiştirilen GABA reseptörleri artan GABA konsantrasyonuyla birlikte içe doğru bir elektrik akımı oluşturmuşlar (Şekil 3 - sağ). Ancak bu akımın parametreleri yüksek basınç altında farklılık göstermemiş (Şekil 3 - sol). İnsan cDNA’sının yardımıyla oluşturulan glisin reseptörleri ise glisin’e karşı GABA’nınkine benzer bir akımla karşılık vermişler (Şekil 4 - sağ). Artan basınç ile akım parametrelerindeki değişimi ve duşuk glisin konsantrasyonlarında sinyalin biçimindeki farklılığı görmek mümkün (Şekil 4).

Şekil 4. Glisin reseptörünün glisine tepki olarak yarattığı akımın iki farkli basınçtaki sinyal yapısı (sol) ve farklı basınç değerleri için doz-akım eğrileri. atmosferik basınç, 5 MPa,  10 MPa, ∆ 15 MPa (sağ). Daniels et al (1998).

NMDA tipi olmayan glutamat reseptörleri sıçan beyninden alınan mRNA ile yetiştirildikten sonra artan kainate konsantrasyonlarına tabi tutulmuşlar. Kainate’ın bu tip reseptörlerin agonisti olduğu bilindiği halde, şekil 5’te de görüldüğü gibi basıncın akım parametrelerine ve sinyalin biçimine pek bir etkisi olmamış.

NMDA tipi glutamat reseptörleri ise sıçan beyinciğinden elde edilen mRNA yoluyla oluşturulmuş. NMDA konsantrasyonundaki artış daha önce gördüğümüz akım profillerinden farklı bir sonuç vermiş (Şekil 6 - sağ). Yüksek basınç uygulanması ise NMDA’ya tepki olarak ortaya çıkan akımda ciddi artışlara yol açmış (Şekil 6).

Şekil 6. NMDA reseptörünün NMDA’ya tepki olarak yarattığı akımın iki farkli basınçtaki sinyal yapısı (sol) ve farklı basınç değerleri için doz-akım eğrileri. atmosferik basınç,  5 MPa,  10 MPa, ∆ 15 MPa (sağ). Daniels et al (1998).

Sonuç

Literatürde iki tür iyon reseptörunun basınca olan tepkisini inceleyen calışmalar mevcut. Bunlar içinde birinci tür olan asetilkolin tipi reseptörlerden uyarıcı olanın basınca karşı duyarsız, bastırıcı olanlardan da yalnızca glisin reseptörünün basınca karşı duyarlı olduğu bulgulanmıştı. Diğer tür olan glutamat reseptörlerinden ise benzer şekilde yalnız NMDA tipi reseptörlerin duyarlı olduğunu biliyoruz. Duyarlılıktaki bu farklılık, vücut içi farmakolojik bulgularla da örtüşüyor.

Basıncın hücre zarında bulunan bu reseptörleri tam olarak hangi mekanizma ile etkilediği henüz tam olarak aydınlatılmış değil. Basınç agonist bağı (örneğin NMDA ile NMDA reseptörünün oluşturduğu bağ) etkiliyor olabileceği gibi, iyon kanalının reseptör tarafından nasıl kontrol edildiğini de etkiliyor olabilir. Altta yatan mekanizma ne olursa olsun, bu ve benzeri çalışmalar açıkça ortaya koyuyor ki, dalgıçları basıncın etkisinden koruyacak özel ilaçların tasarlanması imkansız değil.

 

Kaynaklar

Daniels S., Roberts R. ve N. Williams (1998) Effects of High Pressure on Post-Synaptic Ionotrophic Receptors. PB Bennett, I Demchenko ve RE Marquis (editörler) High Pressure in Biology and Medicine. Univ. of Rochester Press. s. 22-31.

Edmonds C., Lowry C. ve J. Pennefather (1992) Diving and subaquatic medicine. Oxford, 3. Baskı.

Waxman S.G., Kocsis J.D. ve Stys P.K. (1995) The axon : structure, function, and pathophysiology. Oxford University Press.

Biyoloji Anahtarı

NT (nörotransmiter): Sinaptik sinir iletimini gerçekleştiren kimyasal maddeler sınıfı. Kabaca ‘uyarıcı’ ve ‘bastırıcı’ olarak ikiye ayırabiliriz.

GABA (gamma-aminobütrik asit): Sinir sisteminin en yaygın bastırıcı NT maddesidir. Çoğu zaman klor iletkenliğini artırarak aşırı-polarizasyona neden olarak nöronun daha geç depolarize olmasına, dolayısıyla daha az aksiyon potensiyeli üretmesine neden olur.

Glisin: GABA ile aynı şekilde çalışarak bastırıcı etki gösteren bir amino asittir. Antagonisti strychnine’dir.

NMDA (N-metil-D-aspartat): İyon kanalı glutamat reseptörlerinin üç ana grubundan biri olan reseptör cinsi (diğerleri AMPA ve Kainate)

L-Glutamate: Sinir sisteminin en yaygın uyarıcı NT maddesidir. İyon kanalı ve metabolik olmak üzere iki ana kategoriye ayrılır.

cDNA: Tamamlayıcı (complimentary) DNA. Bir mRNA örneğinden sentezlenmiş tek şerit DNA olup genellikle ökaryot genleri prokaryot hücrelerde klonlamak için kullanılır.

mRNA: Taşıyıcı (messenger) ribonükleik asit. Genetik kodu hücre çekirdeğindeki DNA’dan  protein sentezinin yapıldığı ribozoma kadar taşır.