שעור :1פוטנציאל הממברנה או :איך בנויים תאי העצב כך שיוכלו לאגור ולעבד מידע על העולם פיזיולוגיה :לימוד הטבע ,הסברת מנגנוני החיים שני פירושים אפשריים למונח "הסבר מנגנוני החיים" הסבר טלאולוגי :מדוע מתרחשים התהליכים הסבר מכניסטי :כיצד מתרחשים התהליכים הבן אדם אינו אלא /מאיר אריאל הבן אדם אינו אלא חתיכת בוץ מתוחכם. כיצד ,מהו בוץ? עפר ספוג רטיבות.כך גם הבן-אדם: עפר הארץ, שנאמר ,כי עפר אתה ומעפר לוקחת - ספוג כל מיני נוזלים למיניהם. רק מה ,מתוחכם... תחום ומתוחם בדופן שעיר וחלק למחצה אטום וחדיר לסרוגין ויש לו דמות מסוימת וצורה משלמת ,וזה מתוחכם ...בשביל בוץ זה מתוחכם ,שכן סתם בוץ ,כן ,סתם בוץ - צורה לו. פיזיולגיה היא המאמץ להבין כיצד בעלי חיים מתפקדים יותר מזה ,היא הניסיון לאחד את כל המידע הנתון לנו על תפקודם של בעלי חיים בכדי ליצור תאור מלא של הדרך בה מתפקדת החיה בסביבה. מה מייחד את פעולתם של בעלי החיים? תנועה אי תלות יחסית בתנאי הסביבה קלט מפורט של מידע חושי על העולם אינטראקציות חברתיות מסובכות הומאוסטזיס נטייתו של האורגניזם לבקר ולשמור יציבות פנימית יחסית גם לנוכח שינויים גדולים בסביבה “Constancy of the internal environment is ”the condition of life תאי הגוף נשמרים בסביבה יציבה יחסית בכל האמור בטמפרטורה, ,pHריכוז גלוקוז ויונים,פוטנציאל חשמלי ,גודל ,רמת חמצן וכו'. איך נשמרת יציבות הסביבה הפנימית? תהליכים של היזון חוזר היזון חוזר שלילי גירוי היזון חוזר חיובי גירוי - תגובה גורם חיצוני נחוץ לשבירת המעגל תגובה + - גירוי נחלש גירוי מתחזק מה תפקידה של מערכת העצבים? מערכת העצבים מתמחה בדיווח על העולם החיצוני, בעיבודו של המידע שהתקבל, בקבלת החלטה על הפעולה שיש לנקוט, בהוראת ההחלטה לפעולה לגוף ובפיקוח על הביצוע חלק נכבד מפעילותה של מערכת העצבים עושה שימוש בהעברה של אותות חשמליים יש לכך כמה סיבות טובות .1פעילות חשמלית עוברת במהירות גדולה. .2היא אינה צורכת אנרגיה רבה ,יחסית לאפשרויות האחרות. .3בשל הסביבה בה נוצרו ומתקיימים החיים ,היא זמינה בגוף. .4היא מתאימה מאוד להעברת מידע למרחקים ארוכים. Resting Membrane Potential + + + K+ + + + + + + + + + + outside Cl + + Na + + + + + + + + Membrane - - Cl- - - - - - + K - - - - Na+ - - - - A - - - - - - - inside Ion Concentrations Na 117 K 3 Cl 120 Anions 0 Total 240 [+ charge] = [- charge] 0 mV Na 30 K 90 Cl 4 Anions 116 Total 240 [+ charge] = [- charge] -89 mV הפחתת קיטוב De-polarization 60 40 הגברת קיטוב Hyper-polarization 20 -20 זרם חיובי מנוחה מנוחה מנוחה -40 )Vm (mV 0 Vm -60 זרם שלילי -80 -100 -120 120 100 80 60 40 20 0 seconds איך נשמרת פוטנציאל המנוחה לאורך כל חייו של הנוירון? נסתכל בדלי בו צבע נמהל במים ,בארבע נקודות זמן שונות נוכל לדעת מה סדר האירועים שהתחולל? הנטיה בטבע היא לעבור ממצב של סדר למצב של אי סדר נסתכל על כדור הנע במדרון ,בארבע נקודות זמן שונות נוכל לסדר את האירועים בזמן? כל גוף שואף להיות ברמת האנרגיה הנמוכה ביותר האפשרית איך נשמר פוטנציאל המנוחה? E במנוחה לא תהיה תנועה "נטו" של יוני אשלגן משני צדי הממברנה הפחתת קיטוב De-polarization 40 הגברת קיטוב Hyper-polarization 20 -20 זרם חיובי -40 מנוחה -60 זרם שלילי -80 )Vm (mV 0 מנוחה K+ 60 מנוחה K+ Vm בזמן היפר-פולריזציה ינועו יוני אשלגן הפנימה בגלל ההגברה בכוח החשמלי -100 -120 120 100 80 60 40 20 D 0 seconds בזמן דה-פולריזציה ינועו יוני אשלגן החוצה בגלל הירידה בכוח החשמלי E D E D נקודת האיזון בין הדיפוזיה לכוח החשמלי ניתנת לחישוב בעזרת משוואת נרנסט ריכוז חוץ תאי של היון טמפרטורה במעלות קלווין קבוע הגזים 8.315 J K-1mol-1 [ion ]out RT Eion log ln zF [ion]in ריכוז תוך תאי של היון קבוע פרדיי 96.485 C mol-1 עבור = +58 mV עבור +58 mV = Na+ K+ עבור -58 mV = Cl- עבור +29 mV = Ca+2 ערכיות היון נקודת איזון זו נקראת "פוטנציאל שיווי המשקל" של היון או "פוטנציאל ההיפוך" שלו במנוחה לא תהיה תנועה "נטו" של יוני אשלגן משני צדי הממברנה E D K+ השילוב בין מטענו החיובי של יון האשלגן והיותו בריכוז נמוך מחוץ לתא וגבוה בתוך התא הוא הגורם לכך שפוטנציאל שיווי המשקל של יון האשלגן קרוב מאוד לפוטנציאל המנוחה של הממברנה ,ולכן לא תהיה תנועה נטו של אשלגן במצב מנוחה אולם ,מה עם יון הנתרן? ליון הנתרן פוטנציאל שיווי משקל חיובי בהרבה מפוטנציאל הממברנה, שכן ריכוזו החוץ תאי גבוה בהרבה מריכוז בתוך התא. לפיכך ,גם הכוח החשמלי וגם הדיפוזיה פועלים להכניסו אל תוך התא. מדוע? K+ במנוחה אמור יון הנתרן לפרוץ אל תוך התא ,אולם אינו עושה זאת E D Na+ Na+ מה יקרה אם נשנה את ריכוזו החוץ תאי של יון האשלגן? [ion ]out RT Eion ln zF [ion]in שינוי צפוי בפוטנציאל ממברנה כתלות בריכוז חוץ תאי של אשלגן שינוי שנצפה בפועל 0 0 -20 -20 )Vm (mV -60 -60 -80 -80 -100 -100 100 10 )external concentraion (mM 1 )Vm (mV -40 -40 100 10 1 )external concentraion (mM כלומר ,לא ניתן להסביר את פוטנציאל הממברנה כרגיש למוליכות ליון האשלגן בלבד ואכן ,גם במצב מנוחה קיימת בממברנה מוליכות גם ליון הנתרן ,ובמידה פחותה גם ליום הכלוריד אם כך ,איך ישולבו תנועות שלשת היונים לקיבוע פוטנציאל הממברנה? לכל אחד מהיונים מוליכות משלו ופוטנציאל שיווי משקל משלו נוכל לחשב את הזרם של כל יון דרך הממברנה על ידי המשוואה: )Iion=gion (Vm - Vion מוליכות ((1/R בכדי לחשב את פוטנציאל הממברנה נגדיר מושג של מוליכות יחסית: זוהי חלקה של המוליכות ליון מסוים במוליכות הכללית של הממברנהtion , כך )tCl-= gKCl-/(gK++gNa++gcl-) ,tNa+= gna+/(gK++gNa++gcl-) ,tK+= gK+/(gK++gNa++gcl- ופוטנציאל הממברנה יהיה: Vm=tKVk + tNaVNa + tClVCl מודל הסוללות המתחרות V = I * R :על פי חוק אוהם :ולכן INa = V1 * gNa, IK = V2 * gK ICl = V3 * gCl במצב מנוחה אין תנועה נטו של זרם INa + IK + ICl = 0 :בתאי עצב +40 mV -90mV -70 mV Vm = gNaENa + gKEK + gClECl gNa + gK + gCl Iion = gion * (Vm-Eion) Inside Outside Na+ Na+ Na+ K+ K+ ATP Inside Outside K+ K+ המשותף לכולם הוא הצורך בעיבוד וחישוב של מידע המגיע ממקורות רבים ,ולאחר מכן העברת המידע על תוצאות החישוב הלאה פעולות אלו באות לידי ביצוע על ידי שימוש בתכונותיו החשמליות של התא תאי עצב קיימים בשלל צורות ניתן להציג מודל חשמלי של תא העצב כמעגל הבנוי מקבל ונגד המחוברים במקביל זרם נגדי זרם קבלי שינוי בפוטנציאל הממברנה מושרה על ידי הזרם הקבלי. כלומר על ידי שינוי במטענים המופרדים על ידי הממברנה, לא על ידי הזרמים העוברים בתעלות. מתח ((V זרם ((I אחד הגורמים העיקריים המשפיעים על יכולתו לעבד אינפורמציה חשמלית המגיעה איליו ועל יכולתו להעביר מידע לתאים אחרים היא התנגדות הממברנה נוכל לקבוע את התנגדות הממברנה של התא על ידי מדידת סטיית המצח בתגובה למתן סידרה של זרמים ומדידת תגובות המתח אליהן על ידי שימוש בחוק אוהם V=IR 5 mV )V(mV 25 20 15 10 )slope=R (input resistance )I(nA 5 0 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 -5 -10 -15 -20 -25 0.1 nA קבוע הזמן של הממברנה tm = Rm * Cm ניתן לקבוע את קבוע הזמן על ידי מדידת הזמן הדרוש לפוטנציאל הממברנה להגיע ל 63%מהמשרעת המקסימלית 20 ms 15 mV 10 mV לקבוע הזמן חשיבות ביכולתו של הנוירון לסכום קלטים המגיעים איליו בהפרשי זמן נעורר פוטנציאל חשמלי בקצה האקסון ונמדוד כיצד הוא משתנה עם המרחק מהמקום בן הוא נוצר 5 mV ככל שנתרחק ממקום העירור נרשום תגובה חלשה יותר מדוע? נוכל לתאר את האקסון (גם את הדנדריט) ככבל חשמלי בו מחוברים מעגלי קבל/נגד בטור ניצור פוטנציאל בנקודה מסוימת וזרם יתקדם לאורך האקסון 𝐴 = 𝜋𝑟 2 התנגדות הממברנה חלק מהזרם יעבור דרך הממברנה ולכן ,כמות הזרם המתקדם תפחת עם המרחק. תכונה זו של דעיכת הפוטנציאל עם ההתרחקות ממקום היווצרו מתארת על ידי גודל המוגדר כ "קבוע המרחק" זהו המרחק בו דועך הפוטנציאל ל 37%מערכו המקורי וביטויו המתמטי הוא: התנגדות לזרימה לאורך האקסון r λ= m ri דעיכה זו של האות החשמלי מציבה בעיה משמעותית בפני הולכה לטווח ארוך. קבוע מרחק של תאי עצב הוא מסדר גודל של כמה מאות מיקרומטרים. דעיכה כזאת אינה מאפשרת העברה יעילה של אותות למרחקים של מילימטרים ,שלא לומר עשרות סנטימטרים. יש בנמצא שני פתרונות לבעיה זו ,האחת כמותי והשני איכותי: הפתרון הכמותי הוא הגדלתו של קבוע המרחק בשתי דרכים: .1ירידה בהתנגדות למעבר זרם בתוך האקסון. פתרון זה נפוץ בנוירונים של בעלי חיים להם מערכת עצבים שאינה מורכבת במיוחד ואינה מכילה תאים רבים .לנוירונים אלו קוטר גדול וכן התנגדות פחותה למעבר זרם. .2עליה בהתנגדות הממברנה. פתרון זה נפוץ בנוירונים של בעלי חיים להם מערכת עצבים מורכבת המכילה נוירונים רבים ,ולכן לא ניתן להגדיל את הקוטר בכולם .לנוירונים אלו נוספת מעטפת שומן לאורך האקסון,הדוחפת את הזרם לנוע לאורכו. התנגדות הממברנה r λ= m ri התנגדות לזרימה לאורך האקסון הפתרון האיכותי שונה מאוד ,ייחודי למערכות מעוררות (עצבים ,לב ,שרירים) והוא זה שמאפשר העברה יעילה ומדויקת של מידע לטווחים ארוכים לשם כך ,מתווסף גורם קטן אך משמעותי למעגל החשמלי המייצג את סך הזרמים בנוירון: הנגדים המייצגים את המוליכות ליוני הנתרן והאשלגן אינם בעלי גודל קבוע .הם משנים את התנגדותם בהתאם לפוטנציאל הממברנה.
