שאלון: Quiz

במה השאלה עוסקת: שמירה על נפח תאים בתנאים איזוטונים
תשובה ד’. השאלה הזאת מציגה לנו את החשיבות של משאבת נתרן אשלגן בשמירת נפח התא בסביבה איזוטונית. במידה ואנחנו מצננים את התמיסה, הקצב המטבולי של התא יורד כיון שאנזימים פועלים לאט יותר בקור ולכן מיוצר פחות ATP בתא. כלומר, יש פחות ייצור אנרגיה בתא ויש פחות ATP זמין למשאבת נתרן/אשלגן. כאשר המשאבה פועלת לאט יותר, ריכוזי המומסים משתנים והדבר משפיע גם על תנועת המים. כתוצאה מכך התאים מתנפחים בגלל אפקט דונן שהחלבונים התוך תאיים גורמים לו. למדנו שעל מנת שהתאים לא יתפוצצו, הם פיתחו שיטה להגן על עצמם והיא לא להיות חדירים לנתרן ובכך לשמור על ריכוז מומסים גבוה מחוץ לתא (אפקט גיבס דונן כפול). נתרן חדיר קצת לתא ולכן במצב תקין, המעט נתרן שכן מצליח להיכנס יוצא החוצה על ידי המשאבה. כיון שהמשאבה פעילה פחות, מים יכנו לתא בעקבות תנועת נתרן והתאים מתנפחים.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8, עמ’ 25, Isotonic Cell Volume Regulation.

במה השאלה עוסקת: פוטנציאל אלקטרוכימי והתנהגות של תעלה בודדת

תשובה ב. כדי לחקור התנהגות של תעלה בודדות משתמשים בשיטת ה-patch electrode. בשיטה זו מייצרים פיפטת זכוכית צרה מאוד, לתוך הפיפטה מחדירים אלקטרודה ותמיסה ומצמידים את המבנה לדופן הנוירון. ממברנת התא סותמת את פתח הפיפטה וניתן למדוד את פעילות התעלה (או מספר תעלות) הנמצאות באותה נקודה. זרם דרך תעלות מושפע ממוליכות היון ומהכוח המניע ומתואר על ידי המשוואה הבאה: I= gx(Vm-Ex).
תעלות מסוג delayed rectifier הן התעלות שנפתחות כתוצאה מעליית המתח במהלך פוטנציאל הפעולה. מתח ההיפוך של תעלות אלו הוא כ-90mV-. פוטנציאל ההיפוך של היון הוא מתח הממברנה שבו היון נמצא בשיווי משקל (כלומר, שתנועתו דרך התעלה נטו שווה ל-0). כאשר פוטנציאל נרנסט של היון לא שווה למתח הממברנה, יש ליון כוח מניע ותנועה לכיוון מסוים. הכוח המניע של היון מתואר על פי המשוואה הבאה: ECF=Vm-Ex. ככל שמתח הממברנה רחוק יותר מפוטנציאל נרנסט של היון, הכוח המניע של היון עולה והזרם שלו דרך התעלה עולה גם כן.
בנוסף, הזרם של היון משופע גם ממוליכות היון (g). ככל שיותר תעלות פתוחות, המוליכות של הממברנה ליון עולה. תעלות אשלגן תלויות מתח נפתחות עם העלייה במתח. כאשר חוקרים תעלות חשוב להבין כי תעלות יונים עוברות באופן ספונטני ממצב פתוח וסגור. כאשר מדובר בתעלות תלויות מתח, ההסתברות להימצא בכל מצב תלויה במתח הממברנה (לדוגמא עבור תעלות האשלגן, ככל שהמתח חיובי יותר ההסתברות להימצא במצב פתוח עולה). העלאת מתח הממברנה במהלך הניסוי גורמת להרחקת פוטנציאל נרנסט של היון ממתח הממברנה כך שהכוח המניע של היון עולה. בנוסף, עולה גם ההסתברות לפתיחת התעלה ובהתאמה עולה הזרם של יוני האשלגן דרך התעלה עם העלייה במתח.

שלילת מסיחים:

א. תעלות אשלגן תלויות מתח נפתחות כתוצאות מהעלייה במתח הממברנה. כלומר, ככל שמתח הממברנה עולה, יותר תעלות אשלגן תלויות מתח ייפתחו כאשר אנו מודדים אוכלוסייה של תעלות. בניסוי patch clamp מודדים זרם דרך תעלה בודדת. במקרה זה, ככל שמתח הממברנה יעלה- כך יעלה הסיכוי שהתעלה תפתח.

ג. מרגע שהתעלה תפתח, יהיה זרם דרך התעלה. זרם זה יתגבר עם העלייה במתח בשל העליה בכוח המניע של היון.

להרחבה – Bern& Levy, מהדורה 8 עמודים 68-72

במה השאלה עוסקת: שיווי משקל גיבס דונן

תשובה ד. במערכת גיבס דונן שמתוארת בשאלה ישנם שני מיכלים: מיכל A המכיל חלבונים שאינם חודרים את הממברנה, נתרן וכלור, ומיכל B המכיל נתרן וכלור. נתון לנו שהמערכת נמצאת בשיווי ולכן חשוב לציין שבמקרה זה קיים הפרש אוסמולריות בין התאים, אך לא קיים הפרש מטענים וזאת כיון שכל תא הוא אלקטרוניטרלי (כלומר מכיל את אותה כמות של מטענים חיוביים ושליליים). כלומר, כל תא בנפרד מאוזן מבחינת המטענים, אולם כן יש הבדלי ריכוזים של היונים שבמערכת בין התאים. על פי עקרון האלקטרוניטרליות ניתן להסיק שריכוזו של נתרן במיכל B הוא 10mM. כשמערכת גיבס דונן נמצאת בשיווי משקל, מכפלת שני היונים במיכל A שווה למכפלת שני היונים במיכל B. כלומר ניתן לנסח את המשוואה באופן הבא:

ומכאן ניתן להסיק כי ריכוז כלור הוא כ- 2mM בתא A. כעת נרצה להבין את הדינמיקה בין היונים במערכת שלב אחר שלב. תחילה כלור, שנמצא במכיל B ולא נמצא במיכל A, רוצה לעבור למיכלA  בגלל הבדלי ריכוזים. נתרן, בעקבות ההפרש החשמלי שנוצר לאחר מעבר כלור, נע גם הוא ממיכל B למיכל A. אולם, על נתרן פועלים שני כוחות, האחד חשמלי שמושך אותו להיכנס למיכל A והשני נובע מהנתרן שכבר נמצא במיכל A לפני המעבר ומקשה על נתרן נוסף להיכנס. בסופו של דבר המערכת מגיעה לשיווי משקל וריכוז זהה של נתרן וכלור עוברים ממיכל B למיכל A. 

שלילת מסיחים: 

א. מסיח זה מבלבל כיון שהוא מציג מצב בו ריכוז כלור שווה בשני התאים שזה לכאורה מצב בו כלור נמצא בשיווי משקל. אולם, חשוב להבין את מה שמתואר בפתרון לסעיף ד’, לפיו נתרן שבמיכל A מתנגד לכניסה של נתרן ממיכל B. נתרן חייב לעבור עם כלור ממיכל B למיכל A בגלל עקרון האלקטרוניטרליות. לפיכך, במצב שיווי משקל ריכוז כלור לא יהיה זהה בין שני המיכלים ומיכל B יכיל ריכוז גבוה יותר של כלור.

ב. במערכת גיבס דונן אנו מתחילים עם אניון (למשל כלור) וקטיון (למשל נתרן) בתא מסוים ובתא האחר ישנה מולקולה טעונה שלילית שאינה חודרת את הממברנה (למשל חלבונים) וקטיון זהה לזה שבתא האחר. כלור עובר לעבר התא בו נמצאים החלבונים, ונתרן יחד איתו, עד להגעה לשיווי משקל. בגלל שילוב הכוחות שפועלים על נתרן, כפי שמתואר בסעיף ד, היינו מצפים למצוא ריכוז נמוך יותר של כלור במיכל A, לעומת מיכל B, ולא ריכוז גבוה של 20mM. כמו כן, במידה ובמיכל A היה ריכוז כלור של 20mM לא היה מדובר בשיווי משקל כיון שאין כוח שיתנגד מכלור ונתרן לעבור מתא A לתא B. 

ג. אוסמול (Osmol) הוא מדד למספר המומסים בתמיסה ולא לריכוז המולקולה. כך למשל, אם יש מול אחד של מלח (NaCl), יש שני אוסמול חלקיקים כיון שכל מולקולה של NaCl מתפרקת ל-Na ו-Cl. בשאלה נשאלתם על ריכוז כלומר אנחנו מחפשים ערכים של מולר. על אף שבשאלה המולקולה אינה מתפרקת לחלקיקים נוספים, לא ניתן להשתמש באוסמול במקום במולר. להלן רענון היחידות השונות: במולר הכוונה היא מספר מולים לליטר (mol/L), אוסמול (Osmol) היא מספר החלקיקים אליה המולקולה מתפרקת ואוסמולריות היא מספר אוסמול לליטר Osmol/L.

ה. במערכת גיבס דונן אנו מתחילים עם אניון (למשל כלור) וקטיון (למשל נתרן) בתא מסוים ובתא האחר ישנה מולקולה טעונה שלילית שאינה חודרת את הממברנה (למשל חלבונים) וקטיון זהה לזה שבתא האחר. כלור עובר לעבר התא בו נמצאים החלבונים, ונתרן יחד איתו, עד להגעה לשיווי משקל. בגלל שילוב הכוחות שפועלים על נתרן, כפי שמתואר בסעיף ד, היינו מצפים למצוא ריכוז נמוך יותר של כלור במיכל A, לעומת מיכל B, ולא ריכוז גבוה של 50mM. כמו כן, במידה ובמיכל A היה ריכוז כלור של 50mM לא היה מדובר בשיווי משקל כיון שאין כוח שיתנגד מכלור ונתרן לעבור מתא A לתא B. 

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 10-12 (דיפוזיה).

מומלץ לקרוא על מערכת גיבס דונן בספר הקורס שנמצא באתר ולקריאה נוספת ניתן לקרוא מהמקורות המצוינים שנמצאים בספריה של אוניברסיטת תל אביב. Bern & Levy אינם המקור המועדף בנושא זה.

Aidley, David J. The Physiology of Excitable Cells. Cambridge University Press, 1998. pp. 26-28

Sperelakis, Nicholas. Cell Physiology Sourcebook: A Molecular Approach. Gulf Professional Publishing, 2001. pp. 243-246.

במה השאלה עוסקת: תגובות מסוג RVI ו-RVD

תשובה א. טוניות היא מדד השוואתי לריכוז מומסים אפקטיביים בשתי תמיסות שונות. מומסים אפקטיביים הם מומסים שיוצרים לחץ אוסמוטי כיון שאינם חוצים את הממברנה. כאשר מדברים על טוניות קיימים שלושה יחסים בין שתי תמיסות: איזוטוני, היפרטוני והיפוטוני. תמיסות איזוטוניות הן תמיסות עם אותה כמות מומסים אפקטיביים, תמיסה היפרטונית היא תמיסה עם יותר מומסים אפקטיביים ביחס לתמיסה אחרת ותמיסה היפוטונית היא תמיסה עם פחות מומסים אפקטיביים ביחס לתמיסה אחרת. כאשר מכניסים תא לתמיסה היפוטונית (כלומר תמיסה בעלת פחות מומסים אפקטיביים), מים נכנסים באופן כמעט מידי לתוך התא כדי להגיע למצב שתוך התא וחוץ התא הם איזוטונים אחד לשני. בכדי למנוע התנפחות נוספת של התא בעקבות כניסת מים, קיים מנגנון המכונה RVD (regulatory volume decrease). במנגנון זה מוצאים מומסים אפקטיביים מהתא ובכך מופחת הלחץ האוסמוטי בתוך התא ונפח התא חוזר לנפח נורמלי. לאחר הוצאת המומסים מהתא, שתי התמיסות (חוץ ופנים התא) הן איזוטוניות, כאשר האוסמולליות שלהן נמוכה מהערכים הסטנדרטים של התא. ישנם טרנפורטרים רבים שמוערבים בתגובה זו וכמו כן מולקולות רבות הכוללות יונים ומולקולות אורגניות שונות. דוגמה ליונים שיוצאים מהתא כחלק מתגובת RVD היא יציאה של אשלגן וכלור (KCl), בין אם זה באמצעות סימפורטר או באמצעות תעלות ספציפיות לכל יון. 

שלילת מסיחים:

ב. בתגובת RVD התא מוציא מומסים ומים ובכך מפחית את גודלו וכל זאת כיון שהוא נחשף לתמיסה היפוטונית. בתמיסה היפוטונית יש ריכוז מומסים אפקטיביים נמוך באשר בתא, ומים נכנסים כדי להשוות ריכוזים. התא רוצה למנוע התנפחות נוספת והמנגנון לעשות זאת הוא באמצעות הוצאת מומסים. במידה והתא יכניס מומסים התוצאה תהיה הפוכה כיון שמים יוסיפו להיכנס לתא ונפחו יגדל. תהליך זה של גדילת התא מכונה RVI (regulatory volume increase) והוא מתרחש באופן טבעי בתגובה לחשיפת התא לתמיסה היפרטונית. במקרה של חשיפת התא לתמיסה היפרטונית, בתמיסה החיצונית של התא יש יותר מומסים אפקטיביים ומים נעים החוצה מהתא כדי ליצור מצב בו התמיסות איזוטוניות. ביציאת מים יש סכנה של איבוד נפח ולכן התא מכניס מומסים כגון נתרן וכלור (NaCl). הכנסת המומסים מעלה את הלחץ האוסמוטי בתא כיון שהמומסים גוררים אחריהם מולקולות מים. חשוב לציין שהכנסה זו של מומסים מעלה את אוסמולליות התא לערך גבוה מהערך הסדנרטי של התא. כלומר, אמנם חוץ ופנים התא איזוטוניים, אך לשניהם ערכים אוסמולליים גבוהים מהנורמה וזאת בעקבות חשיפת התא לתמיסה היפרטונית.

ג. ב-RVD יש תנועה של נוזלים החוצה מן התא אך הנוזלים נעים בעקבות המומסים. הרעיון המרכזי בתגובה זו הוא מעבר מהיר של מומסים אפקטיביים החוצה מהתא או הכנסתם לתוך התא. ניתן להניח שבמידה ונוזלים היו הרכיב המרכזי בתגובה, היינו מצפים למנגנון אחר כמו למשל רגולציה על תעלות מים. 

ד. ב-RVI יש תנועה של נוזלים פנימה אל התא אך הנוזלים נעים בעקבות המומסים. הרעיון המרכזי בתגובה זו הוא מעבר מהיר של מומסים אפקטיביים החוצה מהתא או הכנסתם לתוך התא. ניתן להניח שבמידה ונוזלים היו הרכיב המרכזי בתגובה, היינו מצפים למנגנון אחר כמו למשל רגולציה על תעלות מים. 

במה השאלה עוסקת: שלבי פוטנציאל פעולה

תשובה א. פוטנציאל פעולה (סעיף ד’) מאופיין בעלייה פתאומית במתח הממברנה ובחזרה מהירה למתח המנוחה. הוא נוצר בעקבות זרמי נתרן ואשלגן ובעקבות שינויים במוליכויות הממברנה עבור יונים אלה המתרחשים במהלך פוטנציאל הפעולה. בתחילת פוטנציאל הפעולה המוליכות של נתרן (סעיף ג’) גדולה ופוחתת יחסית מהר, בעוד שהמוליכות של אשלגן (סעיף ה’) נמוכה ביחס לנתרן, אך נמשכת לפרק זמן ארוך יותר.
למעשה פוטנציאל פעולה (פ”פ) נוצר בעקבות זרם חיובי של נתרן לתוך התא דרך תעלות נתרן תלויות מתח, הנפתחות בעקבות גירוי ראשוני. לתעלות נתרן תלויות מתח שני שערים: שער התעלה ושער האינאקטיבציה. נעבור כעת על מצב השערים בכל שלב של פוטנציאל הפעולה. כאשר מתח הממברנה במנוחה שער האינאקטיבציה פתוח ושער התעלה סגור ולכן אין כניסה של נתרן לתוך התא. גירוי דה-פוליזטורי גורם לשער התעלה להיפתח ולנתרן להיכנס לתא (שער האינאקטיבציה עדיין פתוח). במהלך הפ”פ ובעיקר לאחר שיאו שער האינאקטיבציה נסגר ולמרות ששער התעלה עדיין פתוח, התעלה סגורה ומצויה באינאקטיבציה. כאשר מתח הממברנה יורד, שער האינאקטיבציה נפתח, אולם כעת שער התעלה סגור בעקבות ירידת מתח הממברנה ולכן לא נכנס נתרן לתא. כלומר, התעלה פתוחה ומזרימה נתרן לתוך התא רק לזמן קצר שבו שני השערים פתוחים. אינאקטיבציה של תעלות הנתרן היא הסיבה לירידה המהירה במוליכות התא לנתרן וכן אחת משלושת הסיבות לפאזה היורדת של פוטנציאל הפעולה. סיבה נוספות לפאזה היורדת היא פתיחה של תעלות אשלגן תלויות מתח, שמורידות את מתח הממברנה לכיוון פוטנציאל שיווי המשקל של אשלגן (שהוא שלילי יותר ממתח המנוחה). סיבה שלישית לפאזה היורדת היא קיומן של תעלות דלף לאשלגן שמוציאות אשלגן מהתא, באופן פסיבי, בזמן מנוחה ובזמן פ”פ.
האינאקטיבציה של תעלות הנתרן תלויות המתח יוצרות שלב בפ”פ המכונה תקופה רפרקטורטית ושלב זה מחולק לשניים: התקופה הרפרקטורית המוחלטת והתקופה הרפרקטורית היחסית. התקופה הרפרקטורית המוחלטת (סעיף א’), הקודמת ליחסית, היא שלב בו לא משנה איזו עוצמת גירוי תנתן, תעלות הנתרן נמצאות באינאקטיבציה מלאה ולא יכול להיווצר פ”פ. התקופה הרפרקטורית היחסית (סעיף ב’) היא שלב בו גירוי חזק מהרגיל יכול ליצור פ”פ ולהתגבר על אינאקטיבציה חלקית של תעלות הנתרן. בתקופה הרפרקטורית היחסית אין כמעט מוליכות לנתרן וישנה מוליכות לאשלגן בעקבות פתיחה חלקית של תעלות אשלגן תלויות מתח (הקינטיקה האיטית של התעלות אלו גורמת לסגירה איטית של שלהן). חשוב לציין שכאשר מדברים על תעלות תלויות מתח מדובר באוכלוסייה של תעלות שבה לכל תעלה יש סף פתיחה וספי כניסה ויציאה מאינאקטיבציה שונים. יחד עם זאת במהלך התקופה הרפרקטורית המוחלטת, הרוב המוחלט של תעלות נתרן תלויות מתח נמצאות תחת אינאקטיבציה ולכן לא יכול להיוותר פ”פ נוסף. ההטרוגניות של תעלות תלויות מתח, מאפשרת את החצי השני של התקופה הרפרקטורית והיא התקופה הרפרקטורית היחסית בה חלק מהתעלות יצאו כבר מאינאקטיבציה.

להרחבה – Bern & Levy,מהדורה 8 עמודים 63-81 (פ”פ);מקור קריאה נוסף בנושא – Kandel,מהדורה 5, עמודים 148-159 (פ”פ).

במה השאלה עוסקת: קבוע הזמן

תשובה ד. קבוע הזמן מתאר את הזמן שלוקח למתח ממברנה להגיע ל-63% מערכו המקסימאלי או הזמן שלוקח למתח ממברנה לדעוך ל-37% מערכו המקסימאלי. קבוע הזמן מסומן בטאו ומבוטא על ידי הנוסחה הבאה: τ=rm*Cm, כאשר rm היא התנגדות הממברנה ו-Cm היא קיבוליות הממברנה. ערכים אופיניים לקבוע הזמן הם בין 20-50ms. כדי להגדיל את מהירות ההולכה באקסון, נרצה להקטין את טאו. ניתן לראות זאת גם על פי המשוואה של מהירות ההולכה: θ=2λ/τ, כאשר למדא במונה הוא קבוע המרחק (ראו הסבר לסעיף ב’), טאו במכנה כאמור הוא קבוע הזמן ותטא, היא מהירות ההולכה. המהירות מחושבת באופן סטנדרטי (דרך חלקי זמן) וניתן לראות שלפי המשוואה ככל שמקטינים את טאו, מהירות ההולכה גדלה. אפשר להבין זאת גם אינטואיטיבית, במידה והזמן שלוקח למתח הממברנה לדעוך או להיטען הוא מהיר יותר, משתמע מכך כי מהירות ההולכה גדולה יותר. כעת נרצה להבין את חשיבותו של טאו בסומציה טמפורלית (temporal summation). סומציה טמפורלית היא סכימה של כל הקלטים שנוירון מקבל בטווח זמן מסוים והיא מתרחשת בדנדריטים. בעת סומציה טמפורלית, ככל שמהירות ההולכה איטית יותר, כלומר לוקח למתח יותר זמן לדעוך, כך יש יותר סיכוי לסכימה של קלטים. הסעיף מציג את הטענה הלא נכונה, ואילו הטענה הנכונה היא שבאקסון A ישנו סיכוי גדול יותר להתרחשות סומציה טמפורלית מאשר באקסון B. כאמור, הסיבה לכך היא ערך טאו גדול יותר, שמייצג דעיכה איטית יותר של מתח ובכך מאפשר סכימה יעילה יותר של קלטים. כיון שנשאלתם מהי התשובה הלא נכונה, סעיף ד’ הוא הסעיף הנכון.

שלילת מסיחים:

א. טענה זו יכולה להיות נכונה כיון שלאקסון A קבוע זמן גדול יותר מאקסון B ולפיכך לוקח לו יותר זמן להגיע למקסימום מתח. חשוב לשים לב שאנחנו לא יודעים מה הוא המקסימום מתח בכל אחד מהתאים ולכן הטענה לא בהכרח נכונה. יחד אם זאת כיון שהטענה אפשרית מסיח זה נפסל.

ב. קבוע המרחק למדא, 𝜆, מייצג את המרחק בו לוקח למתח לדעוך ל-37% מערכו המקסימאלי, כאשר ערכים אפיניים לקבוע המרחק נעים בין 0.1-1.0mm. קבוע המרחק מתואר באופן הבא: כאשר rm היא התנגדות ממברנאלית ו-ra התנגדות אקסיאלית. ניתן לראות שקבוע המרחק וקבוע הזמן חולקים נתון משותף והוא התנגדות הממברנה. אולם, לא ניתן להסיק מקבוע הזמן על קבוע המרחק, כיון שיש משתנים נוספים עבור כל אחד מהקבועים. לפיכך, טענה זו יכולה להיות נכונה אך יכולה גם להיות שגויה. קבוע הזמן הוא פונקציה של קיבוליות הממברנה והתנגדות הממברנה (τ=rm*Cm ). על אף שלאקסון A קבוע זמן גודל יותר, ייתכן והדבר נובע מהתנגדות הממברנה, rm, וייתכן שהוא נובע בעיקר מקיבוליות הממברנה, cm. כיון שאין נתונים מפורטים, השאלה למי יש קבוע זמן גדול יותר נותרת פתוחה.

ג. בהתאם לתשובה בסעיף הקודם, אמנם לאקסון A קבוע זמן גודל יותר, אך לא ניתן לדעת אם הדבר נובע מהתנגדות הממברנה או מקיבוליות הממברנה. יחד עם זאת, כיון שמסיח זה מציג טענה אפשרית, הוא נפסל.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 92-93 (סכימה בזמן ובמרחב); Kandel, מהדורה 5, עמודים 227-230 (סכימה בזמן ובמרחב); עמודים 142-143 (קבוע הזמן והמרחק).

במה השאלה עוסקת: תכונות חשמליות פאסיביות של הממברנה
תשובה א. ניתן לראות כי על אף שהזרם הוזרק לתא באופן מידי (לא בהדרגתיות), שינוי מתח הממברנה הדרגתי. הסיבה לכך היא תכונת הממברנה כקבל. הממברנה מתנהגת כקבל ואוגרת מטענים חיוביים מצד אחד ומטענים שליליים בצד השני. בעקבות כך, שינוי חד בזרם (למשל, הזרמת זרם של נתרן לתוך התא) לא תצור שינויי מידי במתח הממברנה. ראשית כל, יוני הנתרן יימשכו למטענים השליליים שנמצאים בצידה הפנימי של הממברנה ומטענם ינוטרל. בשלב מסוים, הממברנה לא תוכל לנטרל יוני נתרן נוספים והם יתחילו לזרום לאורך הממברנה תוך שינוי המתח שלה.
מהירות השינוי במתח תלויה בתכונות הממברנה ומחושבת כך:

כאשר Rm הוא התנגדות הממברנה ו-Cm הוא קיבולה. מה משמעות קבוע הזמן טאו? זהו הזמן הלוקח למתח הממברנה להגיע ל-63% מערכו המקסימאלי או הזמן הלוקח למתח לדעוך ל-37% מערכו המקסימאלי.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 63-66 (פוטנציאל הממברנה).

במה השאלה עוסקת: שיא מתח פוטנציאל הפעולה

תשובה ד. ניתן לפתור שאלה זו באמצעות שלילת מסיחים גם אם לא מכירים את העצבים מסוג II (Aᵦ). עצבים מסוג זה מעורבים בין היתר במעבר מידע המושג באמצעות מגע דרך mechanoreceptors. יחד עם זאת במידה ומכירים את הגורמים שמייצרים את צורתו של פוטנציאל הפעולה, ניתן לענות על השאלה גם ללא היכרות עם סוגי תאים ספציפיים.
פוטנציאל פעולה (פ”פ) מתחיל בעליה במוליכות לנתרן שנובעת מגירוי ראשוני אשר יוצר מעגל משוב חיובי. תחילה, בעקבות הגירוי, מתח התא עולה ובתגובה נפתחות תעלות נתרן תלויות מתח. בהמשך, תעלות אלו גורמות לעלייה נוספת במתח ועליה זו פותחת תעלות נתרן תלויות מתח נוספות וכן הלאה. במהלך המשוב החיובי נפתחות גם תעלות אשלגן תלויות מתח, שלהן קינטיקה איטית יותר מלתעלות נתרן ולכן הן נפתחות מאוחר יותר. למעשה, בשיא פוטנציאל הפעולה הזרמים של אשלגן ונתרן שווים בגודלם והפוכים בכיוונם ולכן בנקודה זו אין שינוי במתח. שיא פוטנציאל הפעולה מתרחש בסביבות ה-+40mv כלומר נמוך מפוטנציאל שיווי המשקל של נתרן שהוא כ-+55mv, אך לא מתקבלת עליה נוספת במתתח הממברנה. למעשה, ישנן שלוש סיבות לעצירת הדה-פולאריזציה של הממברנה לפני הגעתה לפוטנציאל שיווי המשקל של נתרן. הראשונה היא אינאקטיבציה מהירה של תעלות נתרן שמפחיתה את זרם הנתרן הנכנס לתא (שלילת מסיח ב’). לתעלות נתרן תלויות מתח יש שלושה מצבים: פתוח, סגור ואינאקטיבציה, כאשר לאחר שהן נפתחו הן יעברו למצב אינאקטיבציה, ורק בהמשך כשמתח הממברנה ירד הן יסגרו. השנייה, שהוזכרה קודם, היא פתיחתן של תעלות אשלגן תלויות מתח שמוציאות אשלגן מהתא וגורמות לירידה במתח הממברנה (שלילת מסיח ג’). הסיבה השלישית היא קיומן של תעלות דלף לאשלגן אשר פתוחות גם במנוחה ומוציאות אשלגן מהתא, מה שמוריד את מתח הממברנה ומקרב אותה לפוטנציאל שיווי המשקל של אשלגן שהוא בקירוב -90mv (שלילת מסיח א’). שלוש סיבות אלו מונעות מפ”פ להגיע למתח שיווי המשקל של נתרן.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 63-81 (פוטנציאל פעולה).

במה השאלה עוסקת: תמיסות בשימוש קליני
תשובה ה. על מנת שנפח הכדוריות יגדל, התמיסה אליה מוכנס תא הדם האדום צריכה להיות תמיסה היפוטונית (תמיסה בה ריכוז החלקיקים האפקטיביים נמוך מריכוזים בתוך התא). תמיסה היפוטונית מדללת את הסביבה החוץ תאית כך שהלחץ האוסמוטי בתוך התא עולה. בעקבות כך מים ינועו לתוך התא על מנת להשוות את הלחץ האוסמוטי שנוצר. כתוצאה מכך נפח התא יעלה והאוסמולריות של הנוזל בתוכו תרד.
שלילת מסיחים:
א. תמיסת אוריאה איזואוסמוטית הינה תמיסה שאינה מייצרת לחץ אוסמוטי כלל, כיוון שאוריאה חוצה את ממברנת התא האדום בחופשיות. כלומר, המצב מקביל להכנסת האריתרוציט לתמיסת מים מזוקקים. אוריאה תכנס לתוך התא על מנת להשוות את מפל הריכוזים. מים ייכנסו לתוך התא, אל עבר המקום בו ריכוז החלקיקים האפקטיביים והלחץ האוסמוטי הוא גבוהה יותר. מכיוון שהתמיסה דומה לתמיסת מים מזוקקים ואין בה כלל לחץ אומסוטי, ייכנסו מים לתוך התא עד כדי פיצוץ שלו והמערכת לא תספיק להגיע לשיווי משקל.

ב. תמיסת סליין היא תמיסה איזוטונית ביחס לנוזל התוך תאי. מכאן, שהיא אינה מייצרת לחץ אוסמוטי יחסי כלשהו באף אחד מהמדורים. בעקבות הכנסת הכדורית לתמיסה, לא תהייה תנועה נטו של מים לאף כיוון ולא יהיה שינוי בנפח התא.

ג. תמיסת גלוקוז 10% היא תמיסה היפר-טונית ביחס לפנים התא. כלומר, התמיסה תייצר לחץ אוסמוטי יחסי מחוץ לתא שיגרור יציאה של מים מתוך התא אל עבר המקום שבו ריכוז המומסים האפקטיביים הוא גובהה יותר. כתוצאה מכך נפח התא יקטן.
ד. גזים חוצים את ממברנת התא בדיפוזיה פשוטה ולכן חדירים לחלוטין את הממברנה. מכאן, שהתמיסה לא מייצרת לחץ אוסמוטי כלל והתגובה שתתרחש עקב הכנסת תא הדם האדום לתמיסת מתאן תהייה זהה לזו של הכנסת התא לתמיסת אוריאה (מסיח א’).
להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 12-16 (אוסמוזה); עמודים 18-22 (מדורי המים בגוף).

במה השאלה עוסקת: אקומודציה והיפרקלמיה

תשובה ב’. התופעה שהתרחשה דומה לתופעת היפרקלצמיה (ריכוז גבוהה של אשלגן בדם) המשפיעה על כיווץ השרירים: ריכוז האשלגן החוץ תאי גורם לדה-פולריזציה של ממברנת תאי השריר, הדה-פולריזציה מקרבת את התא למתח הסף כך שמתקבלת פעילות ספונטנית (התקפים) אך לאחר זמן מה מתרחשת אקומודציה המונעת התפרצות פוטנציאלי פעולה נוספים ופעילות השריר מפסיקה (שיתוק). מהי תופעת האקומודציה? במידה והתא עובר דה-פולריזציה איטית, עד לשלב שבו מגיעים למתח הסף ליצירה פוטנציאל פעולה, חלק מהתעלות נתרן שגייסנו נכנסו לאינאקטיבציה והן כבר אינן זמינות. במקביל תעלות אשלגן תלויות מתח נפתחות עקב הדה-פולריזציה והן אינן עוברות אינאקטיביציה. כאשר שני התהליכים הללו מתרחשים במקביל, מתח הסף עולה וקשה לתא ליצור פוטנציאל פעולה. תופעה זו נקראת אקומודציה (accommodation).
שלילת מסיחים:
א. בעקבות הדה-פולריזציה הממושכת תעלות הנתרן עוברות אינ-אקטיבציה ותעלות האשלגן תלויות המתח נפתחות, כך שמתח הסף לפריצת פוטנציאל פעולה דווקא עולה (הופך ליותר חיובי). כלומר, דרוש גירוי גדול יותר על מנת לגרום לפוטנציאל פעולה.
ג. עליית ריכוז האשלגן החוץ תאי מקשה על האשלגן לצאת החוצה מהתא, כך שיותר ממנו יישאר בתוך התא. כתוצאה מכך תהייה דווקא דה-פולריזציה ממושכת ולא היפר-פולריזציה.
ד. תעלות אשלגן תלויות אינן עוברות אינאקטיבציה. תכונת האינאקטיבציה שמורה לתעלות נתרן תלויות מתח בלבד.
להרחבה – Bern& Levy, מהדורה 8 עמוד 24 (“In The Clinic”); עמודים 72-73 (אקומודציה).

במה עוסקת השאלה: מעבר נוזלים בין מדורי נוזל בגוף
תשובה ג’. מעבר מים ומומסים בין הנימים (קפילרות) משתנה בהתאם לסוג האיבר. למשל בכבד ישנם נימים בעלי רווחים גדולים המכונים discontinuous capillary, דרכם מים ואלמנטים תאיים יכולים לעבור. בכליה למשל יש נימים בעלי חרירים המכונים fenestrations בקוטר של 80-100 nm ובמוח ישנו מחסום המאפשר מעבר של מים, יונים ומולקולות הקטנות מ-4 nm. בנוסף תאי האנדותל המרכיבים את הנימים מכניסים מים באמצעות פינוציטוזה.
להרחבה – Berne & Levy Physiology, מהדורה 8, עמודים 19-20

במה השאלה עוסקת: דיפוזיה דרך ממברנה
תשובה ה. נתונה משוואת הדיפוזיה:
ככלל, הקטנת ערך שנמצא במונה או הגדלת ערך שנמצא במכנה במשוואה, תגרום להקטנת שטף הדיפוזיה הכולל. אותה נקודה נכונה גם למשוואת מקדם הדיפוזיה:
שהינה חלק ממשואת הדיפוזיה. בחלק שלילת המסיחים נבין מדוע כל מסיח אינו נכון.
שלילת מסיחים:
א. פחמן דו חמצני הינה מולקולה סימטרית וללא מטען חשמלי כלל. מסיבה זו פחמן דו חמצני חוצה את ממברנת התא בדיפוזיה פשוטה בקלות יתרה. ככלל, ככל שהמולקולה פחות טעונה היא דווקא תחצה את הממברנה בקלות יותר ושטף הדיפוזיה דרך הממברנה יגדל.

ב. הקטנת ריכוז הפחמן הדו חמצני מחוץ לתא, תגדיל את הכוח המניע של המולקולה לצאת החוצה מהתא וזאת על מנת להשוות את מפל הריכוזים. כלומר, יצירת C△ – מפל ריכוזים שיגרור שטף גדול יותר של פחמן דו חמצני לחוץ התא.

ג. הקטנת עובי הממברנה תקטין את ה-X△ במשוואת שטף הדיפוזיה. כלומר, יקטן המרחק אותו המולקולה צריכה לעבור ובעקבות כך יגדל השטף של הפחמן הדו חמצני לחוץ התא.

ד. הצמיגות (אתא) נמצאת במכנה במשוואת שטף הדיפוזיה (בתוך מקדם הדיפוזיה). הקטנת הצמיגות תקל על המולקולות לנוע במדיום ותגדיל את שטף הדיפוזיה.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 10-12 (דיפוזיה).

במה השאלה עוסקת: מעבר מים בין מדורי הגוף

תשובה ב. מים יכולים לעבור בחופשיות בין מדורי הגוף השונים, כאשר שני כוחות מניעים אותם: לחץ אוסמוטי/אונקוטי ולחץ הידרוסטטי. לחץ הידרוסטטי, בהקשר למערכת הקרדיווסקולרית, מתייחס לכוח שמפעילה הפלזמה על קירות כלי הדם. לחץ הידרוסטטי זה מונח מאד חשוב “לחיים האמיתיים” כאשר מדברים על מעבר מים אל ומתוך הנימים, אך פחות למבחן ידע היות ובמצב התקין אין הבדל בלחץ ההידרוסטטי בין שני צדי ממברנת התא. בהתאם, הגורם העיקרי למעבר מים בין תוך התא לחוץ התא זה הלחץ האוסמוטי. יחד עם זאת בשאלה זו נשאלתם על מעבר מים דרך נימים ולא דרך תא בודד וניתן לענות עליה על פי העקרונות שאנו מכירים. נתאר כעת את הכוחות העיקריים הפועלים על המים בנימים ובכך נבין מדוע סעיף זה נכון. הלחץ ההידרוסטטי בתוך הנימים בהתחלה חזק מאוד ומתגבר על הלחץ האוסמוטי בכלי הדם ולכן מים עוזבים את התא. ככל שמים יוצאים מהתא הלחץ ההידרוסטטי בכלי הדם קטן והלחץ האוסמוטי שבכלי הדם גובר עליו וגורם למים להיכנס לקפילרה. לפיכך בצד הורידי של הנימים, הלחץ האוסמוטי הגבוה מתגבר על הלחץ ההידרוסטטי וגורם לכניסת מים לתוך הנימים.

שלילת מסיחים:

א. תחילה כדאי לזכור שהתווך הבין רקמתי מפריד את נוזל הפלסמה מתוך התא. כעת נבין את השוני בין לחץ הידרוסטטי לבין לחץ אוסמוטי בהקשר של תנועת המים. לחץ אוסמוטי גבוה במדור מסוים גורם לכניסה של מים לאותו מדור, בעוד לחץ הידרוסטטי גבוה במדור מסוים גורם ליציאה של מים ממדור זה. לפיכך, לחץ הידרוסטטי גבוה בתווך הבין רקמתי יוביל לדחיפה של מים לנימים ולא למשיכה של מים לתווך הבין רקמתי.

ג. כפי שהוסבר במסיח א’, לחץ הידרוסטטי גבוה גורם ליציאה של מים מאותו מדור. לכן, לחץ הידרוסטטי גבוה בנימים יוביל ליציאה של מים מהנימים ולא לכניסתם.

ד. לחץ אוסמוטי גבוה בתווך הבין רקמתי יגרום למים להיכנס לתווך זה בעקבות הפרשי לחצים, ולא לצאת ממנו.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 פרק 2 (מדורי המים בגוף).

במה עוסקת השאלה: Paired- Pulse Facilitation (PPF)
תשובה א’. שאלה שהתווספה בעקבות שאלה של מועד א’ 2020 על אף שאיננה בחומר בצורה חד משמעית. החלטנו להכניס את הנושא ליתר ביטחון לקראת המועד השני. הרחבה על הנושא:
פעילות סינפטית יכולה להשתנות בעקבות תדר גירויים גבוהה.
מדולוציות קצרות טווח של פעילות סינפטית:
Paired- Pulse Facilitation (PPF)
תדר גבוה מספיק של גירוי פרה-סינפטי, יכול להוביל לפאסיליטאציה- כלומר, התגובה הפוסט סינפטית הולכת וגדלה. הגורם הוא ככל הנראה שחרור מוגבר של סידן בבוטון והצטברות שלו בין גירוי לגירוי אשר מוביל לשחרור מוגבר יותר של ווסיקולות בגירוי העוקב.
Posttetanic potentiation (PTP)
באופן דומה ל-PPT, כאשר ניתן גירוי יחיד לשריר לאחר גירוי טטני (שקופית 52) הצטברות הסידן בבוטון תוביל לתגובה פוסט סינפטית גדולה יותר. נשים לב שככל שמשך הזמן בין הגירוי הטטני לגירוי הבודד גדול יותר, כך התגובה המתקבלת קטנה יותר.
Synaptic Depression- בתדר גירויים גבוהה, עקב שחרור מוגבר של ווסיקולות, יכולה להיות דווקא ירידה בכמות הווסיקולות הזמינות לשחרור בתא הפרה-סינפטי ולכן התגובה הפוסט סינפטית שתימדד תהייה קטנה יותר.
גם פוטנציאציה וגם depression יכולים לקרות באותה הסינפסה.
ככלל, סינפסות עם הסתברות גבוהה לשחרור ווסיקולות יטו יותר לכיוון Postimulus depression, בעוד שסינפסות בעלות הסתברות נמוכה יותר לשחרור ווסיקולות יאופיינו ביותר פוטנציאציה.
להרחבה – Berne and Levy, Physiology , מהדורה 8, 93-96

במה השאלה עוסקת: ECF (ElectroChemical Force)

תשובה א. בשאלה זו קיימים שני נתונים, האחד הוא פוטנציאל שיווי המשקל של היון והשני הוא מתח הממברנה. שני נתונים אלו צריכים להדליק אצלכם נורה שאולי מדובר במשוואת הכוח המניע (ECF). משוואה זו מתייחסת לכיוון התנועה של יון בודד דרך הממברנה. להלן המשוואה:
ECF = Vm-Eion. במקרה של שאלה זו: ECF = -70 – (-80) = 10. כלומר שהכוח המניע של כלור הוא חיובי. בנקודה זו חשוב להזכיר את ההבדל בין זרם חיובי לזרם שלילי. זרם חיובי מאופיין בכך שהוא הופך את חוץ התא לחיובי יותר, ולכן כולל בתוכו יציאה של קטיון טעון חיובית החוצה מהתא או כניסה של אניון טעון שלילית לתוך התא. זרם שלילי גם הוא מתייחס לחוץ התא והוא מאופיין ביציאה של אניון מהתא או כניסה של קטיון לתוך התא.
כעת כאשר מדובר באניונים כמו כלור, כאשר ה-ECF חיובי, הזרם של האניון יהיה לתוך התא, כלומר זרם חיובי. מקרה זה מסכם את התשובה לשאלה אך נמשיך לתאר את כל שאר האפשרויות. כאשר ה-ECF הינו שלילי, כיוון התנועה של אניון היא כלפי חוץ, כלומר זרם שלילי. כעת נעבור בקצרה מה קורה כאשר מדובר בקטיונים. כאשר ה-ECF חיובי, הקטיון יצא מהתא, כלומר זרם חיובי. כאשר ה-ECF שלילי, הקטיון יכנס לתא, כלומר זרם שלילי.

שלילת מסיחים:

ב. כלור טעון שלילית ולכן ב-ECF חיובי הוא יצור זרם חיובי, כלומר יכנס לתוך התא. כמו כן יש במסיח זה הגדרה שגויה של זרם חיובי, כיון שיציאה של כלור מחוץ לתא תגרום לחוץ התא להיות שלילי יותר – כלומר זרם שלילי.

ג. כלור אכן יכנס לתוך התא אך זה יגרום לזרם חיובי (על פי ההגדרה) ולא לזרם שלילי.

ד. יציאה של כלור מחוץ לתא היא אכן זרם שלילי, אך כיון שה-ECF שלנו יצא חיובי, כיוון הזרם של כלור יהיה חיובי, כלומר לתוך התא.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 22-26 (שמירה על הומאוסטזיס).

במה השאלה עוסקת: פוטנציאל פעולה

תשובה ד. TEA נקשר אל תעלות אשלגן תלויות מתח בצד הציטוזולי וחוסם אותן. שימוש בחומר זה יגרום לפוטנציאל הפעולה להיות רחב יותר ולשיא פוטנציאל הפעולה להיות חיובי יותר. מדוע? כיוון שהחומר מבטל את זרמי האשלגן (מתעלות תלויות מתח) המתנגדים לדה-פולריזציה. עם זאת פוטנציאל הפעולה לא ימשך לנצח כיוון שתעלות הנתרן נכנסות מעצמן לאינאקטיבציה.

שלילת מסיחים:
א. זרם אשלגן החוצה מהתא אחראי לשלב היורד של פוטנציאל הפעולה ולהחזרת מתח הממברנה למתח המנוחה לאחר הדה-פולריזציה. אם כך, היעדר זרם של אשלגן החוצה מהתא דרך תעלות תלויות המתח, דווקא יאריך את משך הזמן של פוטנציאל הפעולה.
ב. בהיעדר זרם של אשלגן, דרך תעלות תלויות מתח, המתנגד לזרם הנתרן, משרעת פוטנציאל הפעולה דווקא תעלה.
ג. מכיוון שתעלות נתרן תלויות המתח אחראיות לפריצת פוטנציאל הפעולה, לא תהייה פגיעה ביכולת של התא לייצר פוטנציאל פעולה בעקבות פגיעה בתעלות אשלגן תלויות מתח.
להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמוד 72 (at the cellular level).

במה השאלה עוסקת: תמיסות בשימוש קליני
תשובה א. שבץ מוחי פעמים רבות מלווה בהצטברות נוזלים בחלל המוח והתנפחות של נוירונים. בצקת מוחית יכולה לגרום ללחץ תוך גולגולתי, לפגוע בתפקוד הנוירונים ולגרום אף למוות או קומה. על מנת למנוע מצב זה משתמשים בתמיסת Manitol. מניטול אינו חודר את ה-BBB, כך שהוא מהווה אוסמוליט אפקטיבי, והוא יעלה את הלחץ האוסמוטי בגוף ויגרום למעבר של מים באוסמוזה מתוך חלל המוח.
שלילת מסיחים:
ב. Dextran היא מולקולה בעלת משקל מולקולרי גבוהה, והיא אינה חוצה את תאי האנדותל ונשארת בפלזמה. ניתן להשתמש בתמיסה זו כאשר רוצים להעלות, למשל את האוסמולריות של הפלזמה.
ג. Dexterose הינו סוכר המתפרק במים לפחמן דו חמצני ולמים ועל כן אינו מייצר לחץ אוסמוטי כלל. תמיסת דקסטרוז בכל האחוזים המשקליים תהייה תמיסה היפוטונית ותגרור כניסת מים לתאים.
ד. תמיסת סליין היא תמיסה איזוטונית של נתרן כלוריד שאינה משנה את מאזן האוסמולריות במדורי הגוף ולא גוררת תנועה של מים נטו לאף כיוון.
להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 19-22 (משק המים בגוף); 22 (In The Clinic).

במה עוסקת השאלה: שמירה על הומאוסטזיס
תשובה ב’. הומאוסטזיס – תהליך שמירת נפח, תכולה וטמפרטורות מדורי המים בגוף קבועים. הומאוסטזיס נשמר באמצעות השקעת אנרגיה, כלומר מדובר במצב יציב (steady state).

במה עוסקת השאלה: שמירה על הומאוסטזיס
תשובה ב’.
אוסמולריות תקינה של נוזלי הגוף סביב 300 מיליאוסמולר. ולכן המטופל התייצג עם נוזלי גוף היפרטונים.
דקסטרוז – תמיסה היפוטונית (דקסטרוז הוא סוכר שמתפרק למים ולפחמן דו חמצני שחדיר את ממברנות מדורי הגוף). מתן תמיסה של דקסטרוז מגדילה את נפח ה-ECF וה-ICF וגורמת לירידה באוסמולריות נוזלי הגוף.

הרחבה על יתר התמיסות בסרטון ‘מדורי המים בגוף’ ובערכי הידע בערך זהה.
שלילת מסיחים –
דקסתרן- תמיסה היפרטונית (סוכר גדול מאוד) שלא חודר את ממברנת הפלסמה. ניתנת במקרה שיש צורך להעלות את נפח הפלזמה בלבד, וגורמת לעלייה באוסמולריות של נוזלי הגוף של המטופל.
נתרן כלוריד 5%- תמיסה היפרטונית שחודרת את ממברנת הפלסמה (אך לא את ממברנת התא) ניתנת במקרה של נוזלי גוף היפוטונים על מנת להעלות את אוסמולריות נוזלי הגוף. גורמת למעבר של נוזלים מה-ICF ל-ECF ובכך להגדלת נפל מדור ה-ECF והקטנת נפח המדור התוך תאי.
מניטול- כאשר מטופל עובר ניתוח מוח או סובל משבץ, לרוב יש הצטברות של נוזל בין רקמתי במוח (בצקת). בגלל קשיחות הגולגולת לא ניתן להגיל את נפח המדור ומתחיל להיווצר לחץ הפוגע בנוירונים. נוזל המוח מופרד משאר הגוף ע”י ה-BBB (blood brain barrier) אשר חדיר למים ולמעט מאוד חומרים נוספים. כאשר ישנה הצטברות נוזלים במוח נרצה להעלות את האוסמולליות של שאר המדורים בגוף, כך שתיווצר זרימה של מים מהמוח החוצה. לצורך כך משתמשים הרופאים במניטול שהינו סוכר שלא חודר לתאים או למוח (אינו חוצה את ה-BBB). המניטול מעלה את האוסמולליות של הנוזל החוץ תאי (לא כולל את סביבת המוח) ומוביל לזרימת מים מהמוח החוצה.
להרחבה – Berne&Levy, מהדורה 8, עמודים 18-22 (מדורי מים בגוף)

במה השאלה עוסקת: פוטנציאל פעולה

תשובה ג. בשלב הרה-פולריזציה מוליכות האשלגן מתגברת בעוד שמוליכות הנתרן ממשיכה להצטמצם משלב הדה פולריזציה. יציאת המטענים החיוביים החוצה מחזירה את מתח הממברנה לערכים השליליים. שימו לב, למרות שתעלות הנתרן נפתחות מהר, הן גם נסגרות (עוברות אינאקטיבציה) מהר. זאת בעוד תעלות האשלגן נפתחות באיחור אך נשארות פתוחות למשך זמן רב יותר. הבדלים אלו בקינטיקה יוצרים את שלב הרה-פולריזציה ואת שלב ה-after hyperpolarization. מצורפת תמונה שכדאי להכיר המכילה (מלמעלה למטה) את הפוטנציאל פעולה עצמו, המוליכויות של נתרן ואשלגן ואת הזרמים של שני יונים אלו.

להרחבה – Bern& Levy, מהדורה 8 עמודים 63-72 (פ”פ).

במה השאלה עוסקת: דיפוזיה

תשובה א’. ניזכר במשוואת הדיפוזיה המלאה-

ניתן לראות כי דיפוזיה דרך ממברנה מתרחשת מהר יותר (וביחס לינארי) במקרים הבאים:
ככל ששטח הפנים דרכו מתבצעת הדיפוזיה גדול יותר (במקרה של דיפוזיה דרך ממברנה).
ככל שמפל הריכוזים משני צדי הממברנה חד יותר.
ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר.
ככל שמקדם החלוקה של המולקולה גדול יותר (במקרה שך דיפוזיה דרך ממברנה. מקדם החלוקה = מסיסות החומר בשמן לעומת מסיסות החומר במים).
ככל שמרחק הדיפוזיה קטן יותר (במקרה של דיפוזיה דרך מממברנה- ככך שעובי הממברנה קטן יותר).
ככל שהמדיום פחות צמיגי.
ככל שהמולקולה יותר קטנה.
אנו מוסיפים את הפרטמטרים A ו-B למשוואת שטף הדיפוזיה רק כאשר אנחנו מודדים דיפוזיה דרך ממברנה. בהחלט ייתכן כי חומר יעבור דיפוזיה איטית יותר שלא דרך ממברנה, אך מכיוון שהוא יתמוסס טוב בשמן (בעל מקם חלוקה גבוה), הוא יחצה את הממברנה בקלות ומהירות הדיפוזיה שלו דרך ממברנה תהייה מהירה יותר.
שלילת מסיחים:

ב. טמפרטורה גבוהה משפרת את מהירות הדיפוזיה ולכן התוצאה תהייה הפוכה במקרה זה- מהירות הדיפוזיה אמורה להיות מהירה יותר בפלסמה.

ג. צמיגות נמוכה משפרת את מהירות הדיפוזיה ולכן התוצאה תהייה הפוכה במקרה זה- מהירות הדיפוזיה אמורה להיות מהירה יותר בפלסמה.

ד. שטח הדיפוזיה (A) הוא פרמטר המתאר את שטח הפנים של הממברנה ולא נכון להוסיף אותו בדיפוזיה פשוטה.

להרחבה- , Bern & Levy מהדורה 8 עמוד 10 (דיפוזיה).

במה השאלה עוסקת: שיווי משקל גיבס דונן

תשובה ג. במערכת גיבס דונן שמתוארת בשאלה ישנם שני מיכלים: מיכל A המכיל חלבונים שאינם חודרים את הממברנה, נתרן וכלור, ומיכל B המכיל נתרן וכלור. נתון לנו שהמערכת נמצאת בשיווי ולכן חשוב לציין שבמקרה זה קיים הפרש אוסמולריות בין התאים, אך לא קיים הפרש מטענים וזאת כיון שכל תא הוא אלקטרוניטרלי (כלומר מכיל את אותה כמות של מטענים חיוביים ושליליים). כלומר, כל תא בנפרד מאוזן מבחינת המטענים, אולם כן יש הבדלי ריכוזים של היונים שבמערכת בין התאים. על פי עקרון האלקטרוניטרליות ניתן להסיק שריכוזו של נתרן במיכל B הוא 10mM. כשמערכת גיבס דונן נמצאת בשיווי משקל, מכפלת שני היונים במיכל A שווה למכפלת שני היונים במיכלB . כלומר ניתן לנסח את המשוואה באופן הבא: 50mMNa+*XmMcl-=10mMNa+*10mMcl-, ומכאן ניתן להסיק כי ריכוז כלור הוא כ- 2mM בתא A. ניתן לחשב את ריכוז החלבון על סמך ריכוז הכלור והנתרן שבתא. חשוב לשים לב כי החלבון בעל ערכיות של -2 ולכן בחישוב המטענים על פי עקרון האלקטרוניטראליות, יש לחלק את מספר המטענים הדרושים לאיזון החשמלי פי 2, כדי למצוא את ריכוז החלבון. על פי עקרון האלקטרונטרליות חסרים עוד 48 מטענים שליליים בכדי לאזן את תא A חשמלית, כלומר ריכוז של 24mM חלבון. כעת נרצה להבין את הדינמיקה בין היונים במערכת שלב אחר שלב. תחילה כלור, שנמצא במכיל B ולא נמצא במיכל A, רוצה לעבור למיכלA בגלל הבדלי ריכוזים. נתרן, בעקבות ההפרש החשמלי שנוצר לאחר מעבר כלור, נע גם הוא ממיכל B למיכל A. אולם, על נתרן פועלים שני כוחות, האחד חשמלי שמושך אותו להיכנס למיכל A והשני נובע מהנתרן שכבר נמצא במיכל A ומקשה על נתרן נוסף להיכנס. בסופו של דבר המערכת מגיעה לשיווי משקל וריכוז זהה של נתרן וכלור עוברים ממיכל B למיכל A.

שלילת מסיחים:

א. במסיח זה, סך המטענים השליליים שהחלבון תורם הם 30- ולכן כאשר מחשבים יחד עם התרומה של נתרן אנו רואים כי חסרים עדיין מטענים שליליים בשביל לאזן חשמלית את מיכל A. כמות המטענים שחסרים היא מתאימה לריכוז של 20mM כלור, אולם אנו יודעים כי ריכוז כלור הינו רק 2mM ולכן מסיח זה נפסל.

ב. סך המטענים השליליים שהחלבון תורם הם 40- ולכן כאשר מחשבים יחד עם התרומה של נתרן אנו רואים כי חסרים עדיין מטענים שליליים בשביל לאזן חשמלית את מיכל A. כמות המטענים שחסרים מתאימה לריכוז של 10mM כלור. כיון שאנו יודעים כי ריכוז כלור הוא 2mM מסיח זה נפסל גם הוא.

ד. סך המטענים השליליים שהחלבון תורם הם 50- ולכן כאשר מחשבים יחד עם התרומה של נתרן אנו רואים כי לא חסרים מטענים שליליים בשביל לאזן חשמלית את מיכל A. כאמור, כיון שידוע לנו כי קיים כלור בתא A בריכוז של 2mM מסיח זה גם הוא נפסל.

ה. סך המטענים השליליים שהחלבון תורם הם 80- ולכן כאשר מחשבים יחד עם התרומה של נתרן אנו רואים כי חסרים מטענים חיוביים בשביל לאזן חשמלית את התא. מצב זה גם הוא אינו אפשרי במערכת גיבס דונן כיון שעקרון האלקטרוניטראליות נפגם.

להרחבה – מומלץ לקרוא על מערכת גיבס דונן בספר הקורס שנמצא באתר ולקריאה נוספת ניתן לקרוא מהמקורות המצוינים שנמצאים בספריה של אוניברסיטת תל אביב. Bern & Levy אינם המקור המועדף בנושא זה.
Aidley, David J. The Physiology of Excitable Cells. Cambridge University Press, 1998. pp. 26-28
Sperelakis, Nicholas. Cell Physiology Sourcebook: A Molecular Approach. Gulf Professional Publishing, 2001. pp. 243-246.

תשובה ב’. בחלק העליון של איור A ניתן לראות כי בהזרקת זרם דה-פוליזטורי חזק יחסית, מתקבלת תגובה שונה שאינה מתאימה לתגובה הרגילה שראינו. תגובה זו מתקבלת הודות לרכיבים האקטיביים שמצויים בממברנה, כמו תעלות הנתרן תלויות מתח, והיא הבסיס ליצירת פוטנציאל פעולה.
להרחבה – Berne&Levy, מהדורה 8, עמוד 67

במה השאלה עוסקת: תמיסות בשימוש קליני

תשובה ב. בשאלה זו מטופל קיבל תמיסה בעירוי דרך הוריד. נתון שנפח כל מדורי המים בגוף עלה (הפלזמה, הנוזל הבין תאי והנוזל התוך תאי). החומר שיכול ליצור אפקט כזה צריך להיות חומר היפוטוני, אשר גורם למעבר של מים באוסמוזה ממדור הפלזמה (אליו הוא הוכנס) למדורים הנוספים בגוף. תמיסת Dextrose 5%, היא למעשה תמיסה היפוטונית על אף האחוז הגבוה. הסיבה לכך היא שדקסטרוז מתמוסס ל-CO2 ומים ולכן זה דומה להכנסה של מים מזוקקים. כיון שמדובר בתמיסה היפוטונית, התמיסה תיצור לחץ אוסמוטי יחסי גבוה במדור ה- ICF עקב כך שהתמיסה הפכה את הפלסמה להיפוטונית, ונראה מעבר של מים למדור זה. התוצאה תהייה עלייה בנפח כל מדורי הגוף וירידה באוסמולריות שלהם.

שלילת מסיחים:

א. סליין (Saline) היא תמיסה איזוטונית לנוזלי הגוף המכילה ריכוז של NaCl 0.9%. המשמעות היא שב-100ml תמיסה יש NaCl 0.9g, ויותר נוח לטעון שב-1L תמיסה יש NaCl 9g. כיון שהתמיסה איזוטונית לגוף היא רק תגדיל את הנפח של המדור החוץ תאי ולא תגרום לשינוי במדור התוך תאי. הסיבה לכך היא שגם לאחר הכנסת התמיסה חוץ התא ופנים התא עדיין איזוטוניים אחד לשני ולכן לא יהיה מעבר מים ביניהם. אולם, כיון שנתרן וכלור עוברים את קירות כלי הדם, העלייה בנפח תתרחש גם בנוזל הבין תאי ולא רק בפלסמה, או במילים אחרות בכל המדור החוץ תאי ולכן מסיח זה נפסל.

ג. כזכור, קירות כלי הדם מחוררים ומאפשרים מעבר של מולקולות קטנות, ולכן ישנו מעבר חפשי של מים ומולקולות (עד גודל מסוים), בין התווך הבין תאי והפלסמה המרכיבים יחד את ה-ECF. Dextran 5% הוא פולימר גדול עשוי מגלוקוז. החומר הוא גדול, כך שאינו עובר את כלי הדם ולא עובר בדיפוזיה לנוזל הבין תאי. בנוסף, החומר הוא היפרטוני ביחס לשאר המדורים. כלומר- הכנסתו תגרום לעלייה באוסמולריות של המדור אליו הוא הוכנס בלבד (הפלזמה) מכיוון שאינו חוצה את דפנות כלי הדם. לחץ אוסמוטי גבוה בפלזמה יוביל למעבר של מים מיתר המדורים למדובר הפלזמה. כתוצאה מכך נפח הפלזמה יעלה בעוד שנפח המדור הבין תאי והתוך תאי יפחתו (מים עזבו את המדורים הללו ונכנסו לפלסמה שנפחה עלה).

ד. תמיסת 5% NaCl היא אכן תמיסה היפרטונית לפלסמה, אך בשונה מדקסטרן היא תוביל לעלייה באוסמולריות של כל המדור החוץ תאי ולא רק של הפלסמה. הסיבה לכך היא חדירות כלי הדם לנתרן וכלור. בשאלה זו חפשנו תמיסה שתעלה רק את נפח הפלסמה ולא את נפח המדור החוץ תאי כולו ולכן מסיח זה נפסל.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמוד 22 (“In The Clinic”).

במה השאלה עוסקת: מתח הממברנה במנוחה
תשובה ב. מתח התא תלוי בפוטנציאלי שיווי המשקל של היונים ובמוליכות שלהם. ניתן לראות זאת במשוואת ה-chord conductance equation:

מבחינה מעמיקה של המשוואה ניתן לראות כי מתח הממברנה יהיה קרוב יותר לפוטנציאל שיווי המשקל של היון בעל החדירות הגבוהה ביותר. במידה ולממברנה בשאלה הייתה מוליכות שווה לנתרן ולאשלגן, מתח הממברנה היה צריך להיות ממוצע של שני פוטנציאלי נרנסט של היונים (קרי -10mV). ניתן לראות כי מתח הממברנה קרוב יותר לפוטנציאל נרנסט של נתרן, כלומר המוליכות של הממברנה לנתרן גבוהה יותר ולכן יש לנתרן השפעה גבוהה יותר על מתח הממברנה.

להרחבה – Berne& Levy, מהדורה 8, עמודים 23-25 (פוטנציאל הממברנה).

במה השאלה עוסקת: מדורי המים בגוף
תשובה ב. חשוב לזכור כי קיים מעבר מים חופשי בין מדורי הגוף השונים, האוסמולליות של כל המדורים תהייה זהה. מכאן, ניתן יהיה להעריך את אוסמולליות הנוזל התוך תאי על ידי בדיקת האוסמולליות של הפלזמה. מכיוון שמעבר המים הוא חופשי, ניתן לומר שהתמיסות בכל המדורים הן איזוטוניות אחת ביחס לשנייה. עם זאת, הרכב המומסים בפלזמה הוא שונה מזה שבתוך התא וזאת כתוצאה מכך שהממברנה של התא היא בררנית ולא מאפשרת מעבר של ישיר של חומרים דרכה.
שלילת מסיחים:
א. מכיוון שמדורי הגוף איזוטונים אחד ביחס לשני, אוסמולליות הנוזל התוך תאי זהה לאוסמולליות הפלזמה.

ג. ריכוז המומסים שאינם חדירים (האפקטיביים) שווה בכל אחד מהמדורים. מכאן שריכוז החלבונים שאינם חדרירים בתוך התאים יהיה שווה לריכוזים בפלזמה. אחרת, יהיה מעבר של מים אל עבר המדור בעל הלחץ האוסמוטי הגדול יותר עד שהמצב יגיע לשיווי משקל וריכוזם יתאזנו.

ד. מכיוון שמדורי הגוף איזוטונים אחד ביחס לשני, אוסמולליות הנוזל התוך תאי זהה לאוסמולליות המדור הבין תאי.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 18-22 (מדורי המים בגוף).

במה השאלה עוסקת: תכונות חשמליות פאסיביות של ממברנת התא

תשובה ג. מהירות ההולכה הפסיבית של הממברנה מושפעת משני קבועים – קבוע המרחק וקבוע הזמן. כדי להגביר את מהירות ההולכה הפסיבית נרצה להגדיל את קבוע המרחק, להקטין את קבוע הזמן או גם וגם. ישנן שתי אסטרטגיות עיקריות המשמשות את בעלי החיים השונים בהגברת מהירות הולכת הסיגנלים:
1. הגדלת קוטר האקסון תגדיל את קבוע המרחק: , כאשר גם התנגדות הממברנה, Rm, וגם ההתנגדות האקסיאלית, Ra, קטנות ככל שקוטר האקסון גדל. אולם, Ra קטן יותר מאשר Rm ולכן הגדלת קוטר הצינור בסופו של דבר מגדילה את קבוע המרחק ובהתאם את מהירות ההולכה. הסיבה לכך היא ש-Rm פרופורציונאלי לרדיוס, בעוד ש-Ra פרופורציונאלי לרדיוס בריבוע. עוד כדאי לציין שמהירות ההולכה פרופורציונלית לשורש הרדיוס של האקסון.

2. ציפוי האקסון במיאלין – הוספת מעטפת מיאלין לאקסונים מגדילה את קבוע המרחק בצורה משמעותית יותר. לכן מעטפת המיאלין מגבירה את מהירות ההולכה יותר מאשר הגדלת הקוטר בלבד. מעטפת המיאלין מגדילה את קבוע המרחק מכיוון שמתחת למעטפת המיאלין כמעט ולא קיימות תעלות, כך ש-Rm גדל לעומת Ra שאינו משתנה.
לסיכום, האקסון בעל המהירות ההולכה הגבוהה ביותר יהיה אקסון בעל קוטר גדול (אקסון עבה) ומכוסה במטעפת מיאלין.
להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 66 (קבוע המרחק); 73-76 (הולכה של פ”פ).

במה השאלה עוסקת: מבנה ותפקוד חלקי תא העצב

תשובה א. תלולית האקסון (axon hillock) היא האיזור בו האקסון מתחבר לגוף התא ובו מתרחשת הסכימה של פוטנציאלים המגיעים מנוירונים שכנים. פוטנציאל פוסט סינפטי (post synaptic potentials, EPSP) מגיע מהסתעפויות שונות של העץ הדנדריטי של התא, לו יש סינפסות רבות עם תאים אחרים. כל המטענים הללו עוברים אינטגרציה בתלולית האקסון. תלולית האקסון היא גם האזור בו נוצר פוטנציאל הפעולה, כיון שהאיזור מאופיין בצפיפות גדולה של תעלות נתרן תלויות מתח. צפיפות זו של תעלות נתרן מאפשרת סף נמוך יותר של גירוי ראשוני, כיון שבאמצעות מעגל משוב חיובי, תעלות הנתרן מגבירות בעצמן את המתח החיובי. לפיכך, ככל שיש יותר תעלות נתרן תלויות מתח, הגברת המתח מתרחשת יותר מהר וביעילות גבוהה יותר.

שלילת מסיחים:

ב. קצה האקסון (Terminal Button) הוא האיזור בו פוטנציאל הפעולה מוביל לשחרור וסיקולות עם נוירוטרנסמיטור לחוץ התא. כיון שמדובר באיזור הסופי אליו מגיע פוטנציאל הפעולה, הוא אינו מתאים להיות איזור שסוכם קלטים עד להיווצרותו של פוטנציאל פעולה (פ”פ). המכניזם שבאמצעותו נוירוטרנסמיטורים נשפכים לחלל הבין סינפטי מתחיל בפתיחת תעלות סידן תלויות מתח (עקב הגעת פ”פ לבוטון) ובהמשך כניסת יוני סידן המאפשרות את שחרור הוסיקולות.

ג. הסומה (soma) היא גוף התא של הנוירון והיא מכילה את תלולית האקסון שבה האינטגרציה מתרחשת. גוף התא היא הגדרה רחבה מדי כי יש בה עוד רכיבים תאיים רבים כמו למשל גרעין התא.

ד. הסכימה של הפוטנציאלים מתרחשת לפני שנוצר פ”פ שמועבר דרך האקסון, ומיקום הסכימה הוא בתלולית האקסון. יחד עם זאת מסיח זה יכול לבלבל כי הוא מרמז על היבט אחר של האקסון לפיו הזרם שעובר בו זהה לאורכו. הסיבה לכך, בחלק מן התאים, היא קיומה של שכבת מיאלין שעוטפת את האקסון ולא מאפשרת זליגת זרם החוצה מן התא. כמו כן יש איזורים בהם פוטנציאל הפעולה מתחדש המכונים nodes of ranvier, כך שאם נאבד בכל זאת חלק מהזרם, הוא מתחדש באיזורים אלו.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 50-55, 92-93

במה השאלה עוסקת: טוניות ומדורי המים בגוף

תשובה ג. מים מזוקקים הם מים ללא מומסים כלל ולכן ערך האוסמולליות שלהם הוא אפס. תמיסה של מים מזוקקים היא היפוטונית לפלסמה. טוניות היא מדד לריכוז מומסים אפקטיביים בתמיסה, כלומר מומסים שאינם חוצים את הממברנה. זהו מונח השוואתי בין שתי תמיסות שונות. תמיסות איזוטוניות הן תמיסות עם אותה כמות מומסים אפקטיביים, תמיסה היפרטונית היא תמיסה עם יותר מומסים אפקטיביים ביחס לתמיסה אחרת ותמיסה היפוטונית היא תמיסה עם פחות מומסים אפקטיביים ביחס לתמיסה אחרת. הכנסה של תמיסה היפוטונית תוריד את ערך האוסמולליות בפלסמה (plasma) ובכל המדור החוץ תאי. לצורך תזכורת המדור החוץ תאי מחולק לשני מדורים, הפלסמה והנוזל הבין רקמתי (interstitial fluid). תתי מדורים אלו מופרדים על ידי קירות מערכת הדם שחדירות ליונים ומולקולות קטנות ואינן חדירות לחלבונים. כלומר, ההשפעה על המדור החוץ תאי היא הורדת האוסמולליות ונוסף לכך הגדלת הנפח. הנפח החוץ תאי יגדל כיון שהוספנו תמיסה ודבר זה לבדו גורר עלייה בנפח. 

כעת ננסה להבין את ההשפעה על המדור התוך תאי. המדור התוך תאי מופרד על ידי ממברנה בררנית, אולם מים עוברים בממברנה זו באמצעות תעלות המכונות אקוופורינים (aquaporins). מיד לאחר הוספת התמיסה האוסמולליות בחוץ התא קטנה והתמיסה החוץ תאית נהייתה היפוטונית ביחס לתמיסה התוך תאית. לפיכך, הכוח המניע של המים הוא להיכנס לתא וזאת כדי להפוך את התמיסות לאיזוטוניות. כניסה של מים לתוך התא מעלה את כמות הממס (מים) בתוך התא בעוד כמות המומס נשארת זהה. מים נכנסים לתא עד שחוץ התא ופנים התא מגיעים לשיווי משקל חדש בו שני המדורים הם איזוטונים אחד לשני. כפי שקרה לחוץ התא, הכניסה של מים לתוך התא גרמה לנפח התוך תאי לגדול ולאוסמולליות התוך תאית לקטון.

שלילת מסיחים:

א. מסיח זה נכון בחלקו, אמנם הנפח החוץ תאי יגדל עקב הוספת התמיסה, האוסמולליות דווקא תקטן. הסיבה לכך היא שהוספנו תמיסה היפוטונית כלומר בעלת מספר מומסים קטן יותר (ובשאלה זו ללא מומסים כלל). פעולה זו מגדילה את כמות הממס ולא משנה את כמות המומס. אוסמולליות היא מספר מומסים, אוסמול, לקילו ממס. כיון שהגדלנו את כמות הממס, מספר המומסים לקילו ממס ירד. כמו כן הנפח התוך תאי יגדל ולא יקטן עקב כניסה של מים לתא כפי שמתואר בתשובה לסעיף ג’.

ב. כיון שהאוסמולליות בחוץ התא קטנה בעקבות הוספת התמיסה, מים יכנסו לתוך התא כדי להשוות את ערכי האוסמולליות בין המדורים. הדבר יוביל לכך שנפח התא יגדל והאוסמולליות בו תרד וזאת בניגוד למתואר במסיח זה.

ד. מסיח זה מתאר נכונה שהאוסמולליות בחוץ ובתוך תאית תקטן, אולם נפחם של מדורים אלו יגדל. נפחם יגדל בעקבות הוספת התמיסה לחוץ התא וכן כניסה של מים לתוך התא. 

במה השאלה עוסקת: תקופה רפרקטורית

תשובה ג. תקופה רפרקטורית היא שלב בפוטנציאל פעולה (פ”פ) הנגרם בעקבות התכונות של תעלות נתרן תלויות מתח ומחולק לשני חלקים. החלק הראשון הוא התקופה הרפרקטורית המוחלטת, בשלב זה לא משנה מהי עוצמת גירוי שתנתן, תעלות הנתרן נמצאות באינאקטיבציה מלאה ולא יכול להיווצר פ”פ. השלב השני הוא התקופה הרפרקטורית היחסית, בשלב זה גירוי חזק מהרגיל יכול ליצור פ”פ ולהתגבר על האינאקטיבציה החלקית של תעלות הנתרן. בתקופה הרפרקטורית היחסית (השלב השני) חלק מן התעלות נמצאות עדיין באינאקטיבציה וחלק כבר חזרו למצב סגור ולכן גירוי חזק מהרגיל יכול ליצור פ”פ. בנוסף, בזמן התקופה הרפרקטורית היחסית חלק מתעלות האשלגן תלויות המתח נסגרו. כיון שחלק מתעלות האשלגן תלויות המתח נסגרו, ישנו פחות זרם של אשלגן מתוך התא החוצה. כלומר, אשלגן פחות מושך את מתח הממברנה לכיוון פוטנציאל שיווי המשקל שלו והדבר יכול להקל על זרם הנתרן ליצור פ”פ נוסף. חשוב לציין שהסיבה לתקופה הרפרקטורית היא שלתעלות נתרן תלויות מתח יש שני שערים: שער האקטיבציה (השער הסטנדרטי של תעלות יונים, לצורך מניעת בלבול נכנה אותו שער התעלה) ושער האינאקטיבציה. נעבור כעת על מצב השערים בכל שלב של פוטנציאל הפעולה. כאשר מתח הממברנה במנוחה שער האינאקטיבציה פתוח ושער התעלה סגור ולכן אין כניסה של נתרן לתוך התא. גירוי דהפוליזטורי גורם לשער התעלה להיפתח ולנתרן להיכנס לתא (שער האינאקטיבציה עדיין פתוח). במהלך הפ”פ ובעיקר לאחר שיאו שער האינאקטיבציה נסגר ועל אף ששער התעלה עדיין פתוח, התעלה סגורה ולמעשה נמצאת באינאקטיבציה. כאשר מתח הממברנה יורד, שער האינאקטיבציה נפתח, אולם כעת שער התעלה סגור והתעלה חוזרת למצב מנוחה. כלומר, התעלה פתוחה ומזרימה נתרן לתוך התא רק לזמן קצר שבו שני השערים פתוחים.

שלילת מסיחים:

א. בתקופה הרפרקטורית המוחלטת כל תעלות הנתרן נמצאות במצב אינאקטיבציה ולכן גירוי גדול ככל שיהיה לא יצור פ”פ.

ב. תעלות אשלגן תלויות מתח אינן אחראיות על יצירת פ”פ, אלא על החזרת מתח הממברנה למנוחה. בנוסף, לתעלות אשלגן אין שער אינאקטיבציה (נקודה זו נכונה לחומר של מבחן הידע, בפועל יש מגוון רחב של תעלות אשלגן). לסיום, בזמן התקופה הרפרקטורית המוחלטת תעלות אשלגן תלויות מתח פתוחות ותפקידן להוריד את מתח הממברנה למתח המנוחה באמצעות הוצאה של אשלגן מהתא.

ד. מתן גירוי איטי לא יגרום לפ”פ בתקופה הרפרקטורית היחסית, אולם כפי שמוסבר מעלה, מתן גירוי חזק מן הרגיל כן יגרום לכך.

במה השאלה עוסקת: מערכת גיבס דונאן
תשובה א’. בתמונה מתואר המצב ההתחלתי בו שתי תמיסות מופרדות ע”י ממברנה החדירה לנתרן, כלור ומים, אך אינה חדירה לחלבון (P-). אוסמולריות תמיסה A זהה לזו של תמיסה B.
לאחר שנמתין זמן מה, יתרחשו התנועות הבאות:
כלור יעבור בדיפוזיה מתמיסה B לתמיסה A במורד מפל הריכוזים שלו ← דיפוזיה זו גורמת לתמיסה A להיות טעונה שלילית ביחס לתמיסה B← הכלור יוצר הפרש מתחים הגורם לנתרן לעבור בדיפוזיה מתמיסה B לתמיסה A ← עובר אותו מספר מולקולות נתרן כמו מולקולות הכלור שעברו, שכן מטרת הנתרן היא לסתור את המטענים השליליים של הכלור ← כעת יש מפל אוסמוטי כאשר תמיסה A בעלת אוסמולריות גבוהה יותר ולכן יעברו מתא B לתא A, נשים לב כי מעבר המים יוריד את הריכוז של כלל היונים בצד A (כולל החלבון), מה שיצור כוח מניע לכלור לעבור מתא B לתא A וחוזר חלילה. ברגע שתנועת המים תעצר (למשל- אם הכלים סגורים ומלאים) הגענו ל-“שיווי משקל גיבס-דונן”. נשים לב כי בשיווי משקל זה ישנו הפרש אוסמולריות בין התמיסות (תמיסה A בעלת אוסמולריות גבוהה יותר).

להרחבה – מומלץ לקרוא על מערכת גיבס דונן בספר הקורס שנמצא באתר ולקריאה נוספת ניתן לקרוא מהמקורות המצוינים שנמצאים בספריה של אוניברסיטת תל אביב. Bern & Levy אינם המקור המועדף בנושא זה.
Aidley, David J. ThePhysiology of Excitable Cells. Cambridge University Press, 1998. pp. 26-28
Sperelakis, Nicholas. CellPhysiology Sourcebook: A Molecular Approach. Gulf Professional Publishing,2001. pp. 243-246.

במה השאלה עוסקת: קביעת מתח המנוחה

תשובה ב. כאשר מעלים את הריכוז של יוני האשלגן מחוץ לתא, מתח הממברנה יקבע בהתאם להפרשי הריכוזים ולחדירות הממברנה לאשלגן. ניתן לחשב את מתח הממברנה בהתאם לחדירויות היונים השונים ולהפרשי הריכוזים שלהם באמצעות משוואת גולדמן: Vm= RTFlnPkK+o+PNaNa+o+PClCl-oPk{K+]i+PNaNa+i+PClCl-i , כאשר Px מייצגת חדירות ליון x, R הוא קבוע הגזים, F קבוע פארדיי ו-T טמפרטורה בקלווין. היונים העיקריים שקובעים את מתח הממברנה במנוחה הם אשלגן ונתרן וזאת כיון שהחדירות של כלור נמוכה מאוד במתח מנוחה. בגלל שבשאלה ריכוז הנתרן אינו משתנה, ניתן לבודד את אשלגן ולברר כיצד ישפיע שינוי ריכוזו על מתח הממברנה. חשוב לציין שבגלל שהחדירות לאשלגן היא הגבוהה ביותר מבין היונים, לשינוי בריכוזו תהיה ההשפעה הגדולה ביותר על מתח הממברנה. בידוד אשלגן ממשוואת גולדמן נעשה באופן הבא: Vm= RTFlnPkK+oPk{K+]i . כאשר מעלים את ערך האשלגן החוץ תאי, מתח הממברנה יהיה חיובי יותר. ניקח רק את הרכיב הלוגריתמי וננסה להבין מה מתרחש כאשר משנים את ריכוז האשלגן. ככל שמנת החילוק בין הריכוז החוץ תאי של אשלגן לריכוזו התוך תאי תהיה גדולה יותר, כך הערך של הרכיב הלוגריתמי (lnPkK+oPk{K+]i ) יהיה גדול יותר. כמו כן במידה ומנת הריכוזים תהיה בין 0 ל-1, הערך של הרכיב הלוגריתמי יהיה שלילי. ריכוז סטנדרטי הוא כ-5mM בחוץ התא ו-140mM בתוך התא, יתן לנו תוצאה של -3.33 עבור הרכיב הלוגריתמי. כאשר מעלים את הריכוז לצורך הדוגמה ל- 40mMהתוצאה היא -1.25. כיון שהרכיב הראשון של המשוואה (RTF) אינו משתנה, ניתן לראות שככל שריכוז האשלגן בחוץ התא גבוה יותר, כך גם פוטנציאל הממברנה חיובי יותר.
ניתן גם לפתור את השאלה לפי ‘ההגיון’ ולא רק על סמך הנוסחא- אם ריכוז האשלגן החוץ תאי עולה, לאשלגן יהיה פחות כוח מניע לצאת החוצה מהתא. יותר יונים של אשלגן יישארו בתוך התא ויגרמו לעליית מתח הממברנה.

שלילת מסיחים:

א. במנוחה, מוליכות יוני הנתרן נמוכה מאוד, אולם בממברנה ישנן תעלות נתרן תלויות מתח. במידה ומתח הממברנה במנוחה יעלה, הדבר יכול להשפיע על אופן התנהגותן של התעלות תלויות מתח. למשל, ייתכן והוא יעלה מספיק בשביל שרק גירוי חלש יעורר את הממברנה ליצירת פוטנציאל פעולה (פ”פ).

ג. מתח הממברנה השתנה וכן פוטנציאל שיווי המשקל של אשלגן השתנה, ולכן בהכרח יש שינוי בזרם של האשלגן. ניתן לראות זאת גם במשוואת הזרם: Iion=gion(Vm-Eion) כאשר gion היא מוליכות ליון, Vm מתח הממברנה ו-Eion פוטנציאל נרנסט של יון מסוים.

ד. כפי שראינו בתשובה לסעיף ב’, מתח המנוחה של הממברנה מושפע מהפרשי הריכוזים של אשלגן וכלור ולכן הוספה של אשלגן חוץ תאי, תשנה את מתח הממברנה.

להרחבה –Kandel ,מהדורה 5, עמוד 135 (משוואת גולדמן);Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 63-81 (פ”פ).

מה השאלה עוסקת: מתח הממברנה

תשובה א. בשאלה זו נתון תא אפיתל כאשר בצד האפיקלי הוא חדיר רק לנתרן ואילו בצד הבאזולטרלי התא חדיר רק לאשלגן. מתח הממברנה נקבע לפי המשוואה הבאה:

מתח הממברנה נקבע לפי היונים החדירים בלבד, לכן עבור הממברנה האפיקלית נחשב מתח ממברנה השווה לפוטנציאל שיווי המשקל (נרנסט) של נתרן ואילו בצד הבאזולטרלי נחשב פוטנציאל שיווי משקל של אשלגן בלבד. חשוב לציין שאמנם משאבת נתרן/אשלגן היא משאבה אלקטרוגנית, אבל התרומה שלה למתח הממברנה היא קטנה יחסית ולכן לא נתחשב בה בחישוב מתח הממברנה. כלומר החישוב עבור הצד האפיקלי יהיה באופן הבא:

ואילו עבור הצד הבאזולטרלי מתח הממברנה יחושב באופן הבא:

חשוב לציין שבשני המקרים המוליכות של כל אחד מהיונים הינה 1 כיון שבכל צד הם היון היחידי החודר את הממברנה (כאמור הזנחנו את ההשפעה של משאבת נתרן/אשלגן).
לפיכך נחשב את פוטנציאל נרנסט של נתרן שהוא למעשה מתח הממברנה בצד האפיקלי:

וכעת נחשב את פוטנציאל נרנסט של אשלגן שהוא למעשה מתח הממברנה בצד הבאזולטרלי:

שלילת מסיחים:

ב. מתח הממברנה בצד האפיקלי נקבע על פי נתרן כיון שהוא היון היחידי שהחודר את הממברנה בצד זה. על פי הפרשי הריכוזים של נתרן בין חוץ התא ותוך התא בצד האפיקלי פוטנציאל שיווי המשקל שלו הוא חיובי (+60).

ג. מתח הממברנה בצד האפיקלי נקבע על פי נתרן כיון שהוא היון החודר את הממברנה בצד זה. על פי הפרשי הריכוזים של נתרן בין חוץ התא ותוך התא בצד האפיקלי, פוטנציאל שיווי המשקל שלו הוא חיובי (+60). במסיח זה אפשר לטעון דבר דומה בנוגע לצד הבאזולטרלי בו מתח הממברנה נקבע על פי אשלגן כיון שהוא היון החודר את הממברנה בצד זה. על פי הפרשי הריכוזים של אשלגן בין חוץ התא ותוך התא בצד הבאזולטרלי, פוטנציאל שיווי המשקל שלו הוא שלילי (-60mv).

ד. במסיח זה הסימנים (פלוס ומינוס) נכונים בשני הצדדים אך גודל הפוטנציאל בצד הבאזולטרלי אינו נכון. הסיבה האפשרית לבחירה במסיח זה היא ניסיון להתחשב בפעילות משאבת נתרן אשלגן, אך כפי שכבר טענו בתשובה לסעיף א’, מזניחים את ההשפעה שלה בקביעת מתח הממברנה. משאבת נתרן/אשלגן עוזרת בלשמור על ריכוז יונים קבוע משני צדי הממברנה וזו ההשפעה שלה על מתח הממברנה.

להרחבה – Berne & Levy,מהדורה 8, עמודים 11-12 (גרדיאנט אלקטרוכימי);23-24 (פוטנציאל הממברנה).

במה עוסקת השאלה: אינטגרציה סינפטית
תשובה ב’. סכימה מרחבית- כדי לקבל עוצמת כיווץ גבוהה יותר, נרצה שיותר סיבי שריר יתכווצו. כיוון שהפעלת יחידה מוטורית מפעילה את כל סיבי השריר השייכים אליה, צריך לגייס יחידות מוטוריות נוספות. גיוס יחידות מוטוריות נוספות נקרא סומציה מרחבית (spatial summation). סכימה טמפורלית (temporal summation)- דרך נוספת להגברת עוצמת הכיווץ היא ע”י סומציה בזמן (temporal summation) שמתקבלת בעזרת הפעלה חוזרת ומידית של השריר.
להרחבה – Berne & Levy, מהדורה 8, עמודים 92-93