4.4: פוטנציאל הפעולה בנוירונים

הובלת המומסים פנימה והחוצה מהתאים היא קריטית לחיים. עם זאת, בנוירונים, לתנועת היונים יש תפקיד מכריע נוסף בבעלי חיים מטאזואים: ייצור פוטנציאל פעולה המשמש להעברה עצבית. התמחות זו מאפשרת העברה מהירה ביותר של מידע למרחקים ארוכים. דוגמה שהמנטור שלי היה משתמש בה בעת לימוד מדעי המוח הבסיסיים לתלמידי בית הספר הייתה נוירון דו קוטבי המשתרע מהבוהן למוח. כדי שמידע מהבוהן יהיה שימושי, עליו להגיע למוח לעיבוד במהירות רבה. ייתכן שהאות הזה יצטרך לנסוע כמה מטרים בג'ירפה, הרבה יותר בלווייתנים. שום אות כימי לא יכול לנוע כל כך מהר, ולמרות הפישוט הפופולרי והתיאורים הדרמטיים בטלוויזיה, חשמל אינו זורם דרך נוירונים כאילו היו חוטי נחושת.

מספר רעלים חזקים שימשו במחקר ה- AChR, כולל היסטריוניקטוקסין, רעל חץ המופק מצפרדע עץ דרום אמריקאית, Dendrobates histrionicus, curare (d-tubocurarine) מבודד מצמחים מסוימים, ו-a-bungarotoxin, אשר מבודד מהנחש הטייוואני, הקרייט החבוש. שלושתם פועלים על ידי עיכוב תחרותי, וחוסמים את פתיחת ערוץ AChR.

אצטילכולין מתנתק באופן ספונטני מ-AChR תוך אלפית השנייה, וסוגר את הערוץ. לאחר מכן ניתן להפעיל אותו מחדש על ידי האצטילכולין, אך זה מווסת היטב על ידי האנזים אצטילכולין אסטראז (AChE), שהוא חלבון המעוגן ב- GPI על הממברנה של תא המטרה, ומונע גירוי יתר על ידי פירוק מהיר של האצטילכולין. גז העצבים הצבאי סארין, שזכה לשמצה בהתקפה על מערכת הרכבת התחתית בטוקיו בשנת 1995, פועל על ידי השבתת AChE, ובכך גורם לגירוי יתר של AChR.

איור\(\PageIndex{18}\).

המציאות אכן כרוכה בשינויים מהירים בפוטנציאל הממברנה. מכיוון שזה נמדד בוולט ומהווה הבדל במטען החשמלי על פני הממברנה, לפעמים הוא נחשב בשפה העממית כהעברה חשמלית, אך המנגנון שונה לחלוטין מאלקטרונים הזורמים דרך חוט. במקום זאת, חל שינוי נע בפוטנציאל הממברנה עקב פתיחה רציפה של תעלות יונים לאורך האקסון (החלק הדק הארוך של תא העצב). באופן כללי, האות מתחיל באות כימי מעורר, או מוליך עצבי (איור\(\PageIndex{18}\)), הנקשר לקולטן בנוירון. קולטן זה עשוי להיות מקושר לתעלת יונים או שהוא עצמו עשוי להיות תעלת יונים מגודרת ליגנד. בשני המקרים, הערוץ נפתח ו ^{- Na +} נכנס לתא.

איור\(\PageIndex{19}\).

הזרימה הפתאומית של מטענים חיוביים באופן זמני ומקומי מפזרת את הממברנה (יותר + מטענים לאורך החלק הפנימי של הממברנה מאשר בחוץ). הדפולריזציה של הממברנה ליד התעלה גורמת לכל תעלות Na ⁺ הסמוכות להיפתח באופן זמני (איור\(\PageIndex{19}\)), ובכך מאפשרת זרימה חדשה של יוני Na ⁺ לתא שיכולים לאחר מכן לדפולריזציה של קטע קטן נוסף של הממברנה. למרות שטכנית, תעלות נפתחות משני צידי הקולטן, בדרך כלל, הקולטן ממוקם על גוף התא הראשי, או סומה, בעוד שרוב תעלות היונים מסודרות לאורך האקסון. לכן, קיימת כיווניות דה-פקטו להתפשטות הדפולריזציה.

איור\(\PageIndex{20}\).

ערוצי Na ⁺ מגודרים יותר במתח נפתחים במהירות לאחר שהתעלות השכנות שלהם נפתחו ופיזרו את מקטע הממברנה שלהם, מה שמוביל לתגובת שרשרת ארוכה של דפולריזציות בשער מתח לאורך כל האקסון (איור). \(\PageIndex{20}\) ברגע שהאות מתפשט במורד האקסון, יש שתי שאלות שצריכות להיכנס לראש שלך. ראשית, נוירונים אינם תאים חד פעמיים, אז כיצד מתאפסים כל הערוצים הפתוחים הללו והממברנה מקוטבת מחדש לפוטנציאל הפעולה הבא? ^{ושנית, מדוע גל הדפולריזציה לא יהפוך לדו-כיווני מכיוון שכל אזור דפולריזציה קטן מתפשט לשני הכיוונים משער Na + שנפתח?}

למעשה, התשובות לשתי השאלות קשורות קשר הדוק, וקשורות למנגנון השער של תעלות יונים בשער מתח (איור). \(\PageIndex{21}\) לתעלות יונים בשער מתח יש שני שערים: אחד שנפתח בתגובה לעלייה בפוטנציאל הממברנה, ואחד שסוגר את התעלה לאחר פרק זמן קצר. משמעות הדבר היא כי ישנם שלושה מצבים פוטנציאליים עבור רוב תעלות היונים בשער המתח: סגור, פתוח ובלתי פעיל.

איור\(\PageIndex{21}\). ^{שלושה מצבים של ערוץ K + בשער מתח.}

המצב הבלתי פעיל מתרחש כאשר השער השני (יותר כמו תקע, באמת) נסגר, מכיוון שזה לא רגיש למתח. התקע יוצא בסופו של דבר מהנקבובית והשער הרגיש למתח מוחזר למקומו למצב הסגור. ערוצי K ⁺ רגישים למתח הם טטרמרים, כפי שמוצג כאן, וכל יחידת משנה נושאת תחום בלתי פעיל פוטנציאלי. הבחירה באיזה תחום נראה אקראי. לעומת זאת, לערוצי Na ⁺ רגישים למתח יש גם ארבעה אזורים טרנסממברניים, אך כולם חלק מחלבון בודד, ולערוץ יש רק שער/תחום הפעלה אחד. עם זאת, מנגנון השער של שלוש המדינות עדיין זהה.

חזרה לפוטנציאל הפעולה: כל דפולריזציה חדשה פותחת את הסט הסמוך הבא של ערוצי Na ⁺ מגודרים במתח, וכן הלאה. באקסון עצבי, שם מתרחשים פוטנציאל פעולה, תנועת הדפולריזציות מתרחשת במהירות רבה ובאופן חד כיווני. זה קורה במהירות מכיוון שהאקסון הוא הקרנה דקה וארוכה מאוד של התא, כך שהנפח קטן ולכן הזרם של Na ⁺ יכול לדה-פולריזציה מהירה של קטע ארוך של הממברנה. זה קורה באופן חד כיווני מכיוון שערוצי Na ⁺ הרגישים למתח שנפתחו בעבר נכנסים למצב לא פעיל עקשן שלא ניתן לפתוח מחדש מיד.

לפיכך, כאשר גל הדפולריזציה הסמוך פוגע, הערוצים שנפתחו בעבר אינם נפתחים שוב, ופתיחת ערוצים מגודרים יותר במתח נמשכת באופן חד כיווני מההתחלה.

איור\(\PageIndex{22}\).

אבל רגע, יש עוד! רק בגלל שערוצי Na ⁺ נעולים סגורים לא אומר שהקרום חוזר לקדמותו. מה מקטב מחדש את הממברנה מאחורי פוטנציאל הפעולה? תעלות האשלגן בשער המתח, המשולבות בין תעלות Na ⁺ (שימו לב ליונים סגולים ותעלות באיורים 20, 22). הם נפתחים לאט יותר מתעלות הנתרן (איור\(\PageIndex{23}\)) וכך מגיעים לשטף שיא זמן קצר לאחר שטף השיא של Na ⁺. לפיכך, שלב ההתאוששות, או הקיטוב מחדש בחזרה לעבר פוטנציאל המנוחה, נעזר הן בהפסקת תנועת Na ⁺ פנימה והן בהמשך תנועת ^K+ כלפי חוץ.

מכיוון שכל פוטנציאל הפעולה מתנהג באותה צורה מנקודת המבט של שינויים בפוטנציאל הממברנה, ההבדל בין אותות עצביים חזקים וחלשים יותר הוא בתדירות/קצב הפעולה של ירי פוטנציאל הפעולה, לא בגודל שטף היונים.

איור\(\PageIndex{23}\). התרומות של שטף Na ⁺ (דה-פולריזציה) ושטף K ⁺ (קיטוב מחדש) לפוטנציאל הפעולה העצבית. זכור שתנועת Na ⁺ היא לתוך התא, בעוד K ⁺ זז החוצה.

מכיוון שהעברת מידע עצבית היא קריטית למערכות רבות, אין זה מפתיע שמגוון אורגניזמים פיתחו רעלים שיכולים לשתק או להרוג תוקף או טרף. ^{מעניין לציין שהמטרה העיקרית של הרעלים היא ערוץ Na + עם שער מתח, ולא ערוץ K +.}

הרעלן הנפוץ ביותר במחקר הוא טטרודוטוקסין (TTX), שמקורו בעור ובאיברים מסוימים של דגי הנפוח (Fugu rubripes). דג זה נחשב למעדן (בעיקר ביפן), וגם כשהוא מוכן על ידי שפים מומחים ומיומנים במיוחד, הכמות הקטנה של TTX שנותר בבשר גורמת לקהות עקצוץ של הלשון כאשר עירור עצבי נחסם. מעניין (אך לא קשור לתעלות יונים) לפוגו יש גנום דחוס מאוד - כאשר לרוב האוקריוטים האחרים יש שטחים גדולים של אזורים שאינם מקודדים, לפוגו יש מעט, והגנים שלו קרובים מאוד זה לזה. למעשה, יש לו כמעט גנים חזויים כמו הגנום האנושי רק ב-1/8 מה-DNA!

^{Saxitoxin (STX) הוא רעל נוסף הפועל בערוץ Na + עם שער מתח.} הוא מיוצר על ידי הפלנקטון הגורם ל"גאות אדומה "(דינו אגלטים מהסוג אלכסנדריום, גימנודיום ופירודיניום) ומרוכז על ידי מזיני מסננים כמו מולים, צדפות ודגי קליפה אחרים. מעניין לציין כי STX נחקר פעם על ידי צבא ארה"ב כסוכן עצבים ללוחמה כימית, תחת הכינוי TZ. ^{הן STX והן TTX נקשרים למשטח החיצוני של ערוץ Na + הסגור בשער המתח ליד הפה של הנקבובית, מונעים פתיחה ובכך חוסמים את זרימת Na +.}

^{Batrachotoxin, לעומת זאת, נקשר לערוצי Na + בשער מתח כשהם פתוחים ולא סגורים, כך שיש זרם מתמשך מסיבי של Na +.} תוצר של צפרדע עץ דרום אמריקאית אחרת, Phyllobates aurotaenia, רעלן זה משמש כרעל ציד על ידי שבטים אבוריג'ינים באזור, והוא הארס החזק ביותר הידוע כיום. עם מינון קטלני של פחות מ 2 מ"ג/ק"ג, batrachotoxin הוא בערך פי עשרה יותר קטלני מאשר TTX. עם זאת, כדי לשים את זה בפרספקטיבה, toxin botulinum, המשמש פרמקולוגית כמו בוטוקס ^® ואת הגורם בוטוליזם, הוא הרבה יותר ממאה פעמים חזק יותר (אם כי פועל באמצעות מנגנון שונה לחלוטין - מניעת שחרור נוירוטרנסמיטר).