שאלון מערכת: שיעורי בית פיזיולוגיה 4

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 השאלה עוסקת: לחץ אוסמוטי והידרוסטטי

תשובה ג. קיימים שני כוחות שקובעים תנועת מים דרך כלי הדם: לחץ הידרוסטטי ולחץ אוסמוטי/אונקוטי. שאלה זו מציגה פיסיולוגיה קצת מתקדמת יותר אך העקרונות שנלמדים במבחן ידע תקפים לגביה וזו דוגמה טובה לתרגול עקרונות אלו. בצד העורקי של הקפילרה, מים עוברים לנוזל הבין רקמתי והם חוזרים למחזור הדם מהצד הורידי של הקפילרה. הלחץ ההידרוסטטי בתוך כלי הדם בהתחלה חזק מאוד ומתגבר על הלחץ האוסמוטי בכלי הדם ולכן מים עוזבים את התא. ככל שמים יוצאים מהתא הלחץ ההידרוסטטי בכלי הדם קטן והלחץ האונקוטי שבכלי הדם גובר עליו וגורם למים להיכנס לקפילרה. קיימים כוחות נוספים כמו למשל לחץ אוסמוטי והידרוסטטי שמחוץ לכלי הדם, אך הלחץ העיקרי שמשתנה הוא הלחץ ההידרוסטטי שבתוך כלי הדם והוא הגורם העיקרי לתנועת המים.

שלילת מסיחים:

א. הלחץ ההידרוסטטי בתווך הבין רקמתי הוא הלחץ שמפעילים המים על כלי הדם אך מבחוץ ולא מבפנים. למעשה לחץ זה קרוב ל-0 ואין לו ממש השפעה על תנועת מים, אך מידע זה הוא מעבר למצופה ממכם להכיר. יחד עם זאת בהנחה תיאורטית שהלחץ ההידרוסטטי משתנה, תחילה הוא היה גדל, כיון שמים עוזבים את הקפילרה ורק כאשר מים נספגים אליה בחזרה, הלחץ בנוזל הבין רקמתי היה קטן. כלומר גם אם הנחנו שהלחץ ההידרוסטטי בתווך הבין רקמתי משפיע על תנועת מים, תיאורטית היינו מצפים שהלחץ ההידרוסטטי בנוזל הבין רקמתי יקטן רק בשלב מסוים ולא לאורך כל הקפילרה.

ב. הלחץ האונקוטי למעשה אינו משתנה בנוזל הבין רקמתי. הלחץ העיקרי שמשתנה הוא הלחץ ההידרוסטטי בתוך כלי הדם, כאשר בשלב הורידי של הקפילרה הלחץ האונקוטי גובר על הלחץ ההידרוסטטי וגורם לכניסה של מים לקפילרה. יחד עם זאת במידה ונניח שהלחץ האונקוטי משתנה, היינו מצפים לראות תחילה עלייה בעקבות מעבר מים לנוזל הבין רקמתי ובהמשך ירידה בלחץ האונקוטי עקב כניסתה של מים לקפילרה.

ד. מעבר מים ומומסים קטנים עוברים בקפילרה דרך חורים קטנים (pores) או חורים גדולים (fenestrations) ולכן אינם זקוקים לטרנספורטרים. יחד עם זאת, כדאי להכיר שקיימות קפילרות ללא אותם חורים כמו למשל ב-BBB (blood brain barrier). המטרה של קפילרות אלו הוא להוות מחסום בררני ולא לאפשר לחומרים שונים לעבור.

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

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: אוסמוזה

תשובה ג. תא דם אדום הוכנס לתמיסה איזואוסמוטית של אוראה. כיון שקיימים טרנספורטרים לאוראה בדופן התא, אוראה תיכנס בעקבות מפל הריכוזים שלה. לאחר כניסת אוראה מים יכנסו כדי להשוות את האוסמולריות התאית לזו שמחוץ לתא. למעשה, כניסת האוראה העלתה את אוסמולריות התא וכניסת המים נועדה להשוות בין חוץ ותוך התא. אולם, לאחר כניסת המים ריכוז האוראה בתוך התא יורד כיון שלמעשה האוראה “נמהלה” בכך שמים נכנסו לתוך התא. לפיכך, אוראה נוספת נכנסת לתא במטרה להשוות את ריכוז האוראה משני הצדדים והמעגל הזה ממשיך בכניסה נוספת של מים ואוראה עד שהתא מתפוצץ.
שאלה נוספת שנרצה לענות עליה היא מדוע מים עוברים אחרי אוראה אם היא אינה מומס אפקטיבי. מומס אפקטיבי הוא מומס שאינו חודר את הממברנה ולכן יוצר לחץ אוסמוטי וכן המושג טוניות מתייחס רק לריכוז המומסים האפקטיביים בתמיסה. התשובה לכך היא שאוראה אמנם אינה מומס אפקטיבי אבל הפרשי הריכוזים שלה הופכים את התנועה שלה לחד כיוונית, כלומר לתוך התא ולא החוצה ממנו. למעשה, אפשר לחשב על זה כאילו מפל הריכוזים של אוראה הופך אותה להיות מומס בלתי חדיר. לסיכום, למרות שאוריאה היא (בהגדרה) מומס לא אפקטיבי, היא יכולה להוביל לאוסמוזה במצבים כמו אלו המתוארים מעלה.

שלילת מסיחים:

א. נפח התא יגדל וזה בגלל מפל הריכוזים של אוראה וכן בגלל קיומם של טרנספורטרים לאוראה בדופן התא. במידה ולא היו טרנספורטרים לאוראה, נפח התא לא היה משתנה כיון שפנים וחוץ התא הינם איזואוסמוטיים. חשוב לציין שבשונה מהכתוב במסיח, בשאלה זו מדובר באיזואוסמוטיות (ולא באיזוטוניות) וזה כיון שאוראה יכולה להיכנס לתוך התא, בעוד שבטוניות המומס אינו יכול לחדור את הממברנה ומתייחסים רק לתנועת מים.

ב. מסיח זה שגוי משני היבטים. תחילה התא כן חדיר לאוראה וזהו נתון שמצוי בשאלה. שנית, במידה והתא לא היה חדיר לאוראה, הוא לא היה מתכווץ כי פנים וחוץ התא הם איזואוסמוטים, ולכן לא תהיה תנועה של מים.

ד. ההגעה לשיווי משקל לא תתרחש כיון שאוראה תמשיך להיכנס ובכך לגרום להגדלת אוסמולריות התא שתוביל לכניסת מים ולהקטנת ריכוז אוראה בתא וחוזר חלילה. תא דם יכול לגדול בערך עד פי 1.5 מגודלו ולכן בנקודה מסוימת בתהליך זה הוא יתפוצץ.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 12-13 (אוסמוזה).

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: 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.

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 השאלה עוסקת: אוסמולריות

תשובה ד. תמיסה המכילה 1% משקלי מכילה גרם אחד ב-100ml. כמובן שזה יכול להיות גם עשרה גרם ב-1L אבל נשאר עם הדוגמה של 1g/100ml. כמו כן לשם התזכורת, אוסמולריות נמדדת ב-osmol/L, כאשר osmol היא יחידת מידה למספר החלקיקים בתמיסה. בשאלה זו למשל החומר KCl יתפרק לאשלגן וכלור ולכן בתמיסה בריכוז של 1 mol/L של KCl נקבל אוסמולריות של 2 Osmol/L. כלומר ניתן לחשב בקלות את אוסמולריות התמיסה על ידי הכפלת הריכוז במספר החלקיקים שהמולקולה מתפרקת אליה בתמיסה. כעת אנחנו מחפשים את התמיסה עם האוסמולריות הנמוכה ביותר, כלומר עם הכי פחות חלקיקים. לשם כך נבחר את המולקולה הכבדה ביותר שלמעשה “תיכנס” הכי מעט פעמים בתוך 1g. לפיכך נבחר בגלוקוז כיון שהיא המולקולה הכי כבדה וכן אינה מתפרקת בתמיסה (מה שהיה מוביל להגדלה של האוסמולריות). כיון שגלוקוז הכי כבדה, פחות מולקולות גלוקוז נכנסות בגרם אחד ולכן זו התשובה הנכונה. ניתן לראות זאת גם בחישוב מספרי, אולם לצורך המבחן ההבנה האינטואיטיבית עדיפה. MW מבוטא בגרם למול אך כדי לחשב ריכוז, ניתן לכפול את התמיסה בהופכי של MW (כלומר מול חלקי גרם). כמו כן שימו לב שמטעמי נוחות הוחלפו היחידות מ-100ml ל-0.1L.

כדי לחשב את האוסמולריות אין צורך לכפול את הריכוז שקבלנו, כיון שגלוקוז אינו מתחלק בתמיסה ולכן האוסמולריות של גלוקוז היא הקטנה ביותר:

שלילת מסיחים:

א. אוראה כמו גלוקוז אינה מתחלקת לעוד מולקולות ולכן גם אותה לא צריך לכפול אותה בעת חישוב האוסמולריות. ניתן לראות שכיון שהמשקל שלה נמוך פי 3 מאשר של גלוקוז (60=MW), הרבה יותר מולקולות של אוראה יכנסו בתוך גרם אחד ולכן האוסמולריות שלה תהיה גבוהה יותר מאשר של גלוקוז. כאמור עדיפה ההבנה אך נראה זאת גם באמצעות החישוב:

כעת את הריכוז שקבלנו אין צורך להכפיל כיון שאוראה לא מתחלקת בתמיסה והאוסמולריות שלה:

ב. החומר KCl כן מתחלק לשני יונים ולכן צריך לכפול בשניים בעת חישוב האוסמולריות. גם אם לא מחשבים את האוסמולריות, המשקל של KCl נמוך מאוד (4=MW), ולכן גם במקרה זה הרבה יותר מולקולות של KCl יכנסו בתוך גרם אחד. כלומר, האוסמולריות של חומר זה תהיה גבוהה יותר מאשר של גלוקוז. הבא נראה זאת בחישוב:

כעת את הריכוז שקבלנו צריך להכפיל פי 2 כיון ש-KCl מתחלקת בתמיסה לשני יונים ולכן האוסמולריות היא:

ג. החומר HCl גם הוא מתחלק לשני יונים ולכן גם אותו צריך לכפול בשניים בעת חישוב האוסמולריות. גם אם לא מחשבים את האוסמולריות, המשקל של HCl נמוך מאוד (3=MW), ולכן גם במקרה זה הרבה יותר מולקולות של KCl יכנסו בתוך גרם אחד. כלומר, האוסמולריות של חומר זה תהיה גבוהה יותר מאשר של גלוקוז. בחישוב:

את הריכוז שקבלנו צריך להכפיל פי 2 כיון ש-HCl מתחלקת בתמיסה לשני יונים והאוסמולריות היא:

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 12-15 (אוסמוזה).

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: 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 היפוך

תשובה ד’. גם לתעלה יש פוטנציאל היפוך, זהו המתח בו הזרם נטו דרך התעלה הוא אפס (זרמי הנתרן והאשלגן שווים והפוכים בכיוונם), ובהתאם פתיחת התעלה לא תוביל לשינוי מתח. כלומר, במידה ונקבע את התא הפוסט-סינפטי על מתח ההיפוך ונגרה את התא הפרה-סינפטי כך שיפריש נוירוטרנסמיטורים, נראה כי לא מתקבלים זרמים פוסט-סינפטים.
בתמונה- זרמים דרך תעלת אצפטור לאצטיל כולין. ככל שהמתח שלילי יותר- כוח המניע של נתרן גבוה יותר ויש יותר דהפולריזציה. ככל שמתח הממברנה עולה- הכוח המניע של נתרן יורד ושל אשלגן יורד- עד שהזרם הוא 0 (מתח ההיפוך) ואז הופך להיות היפרפולריזציה (זרם חיובי).
איך נחשב את מתח ההיפוך? במידה והמוליכויות של היונים שוות- מתח ההיפוך יהיה ממוצע של פוטנציאלי נרנסט של היונים- בדיוק במרכז. במידה והמוליכויות שונות- מתח ההיפוך יהיה קרוב יותר לפוטנציאל נרנסט של היון בעל החדירות הגבוה יותר.
בסינפסות אקסיטטוריות מתח ההיפוך הוא לרוב סביב 0mV כיוון שהוא ממוצע משוקלל של מוליכות התעלה ליונים השונים עם מתח שיווי המשקל שלהם. שימו לב, נניח ויש תעלה שמוליכה נתרן ואשלגן באופן שווה, אז פוטנציאל ההיפוך שלה (ממוצע פוטנציאלי שיווי המשקל של אשלגן ונתרן) יהיה שונה מאפס. המשוואה:

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 22-25
נושא: פיזיולוגיה תת נושא: הומאוסטזיס תת-תת נושא: שמירה על הומאוסטזיס
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 2

במה השאלה עוסקת: פוטנציאל היפוך

תשובה א. כדי להבין שאלה זו נרצה להסתכל באופן יותר מדוקדק בערכים המספריים של פוטנציאל הממברנה. נתחיל ממתח הממברנה של 0mv בו אנו רואים את פוטנציאל ההיפוך שהוא המתח שבו הזרם דרך הממברנה הוא אפס. בשאלה זו פוטנציאל ההיפוך הוא 0mv אך זה לא הכרחי ש-0mv יהיה תמיד פוטנציאל ההיפוך, כלומר זה נכון רק לדוגמה הנתונה בשאלה זו. מה שחשוב לנו עבור פוטנציאל ההיפוך הוא שסך הכל אין זרימה דרך התעלה. עבור יון יחיד מדובר פשוט במתח השיווי משקל של אותו יון. עבור מערכת המערבת כמה יונים, פוטנציאל היפוך מתייחס לערך המתח שבו סך הזרם שווה לאפס. למשל, עבור תעלת אצטילכולין המוליכה גם נתרן וגם אשלגן, הפוטנציאל היפוך הוא המתח שבו זרם האשלגן החוצה שווה לזרם הנתרן פנימה. אילו התעלה הייתה מוליכה נתרן ואשלגן בצורה שווה, אזי הפוטנציאל היפוך היה בדיוק באמצע בין פוטנציאל השיווי משקל של נתרן לבין פוטנציאל השיווי משקל של אשלגן. כלומר, במקרה שהתעלה מוליכה באופן שווה נתרן ואשלגן, פוטנציאל ההיפוך היה אמור להיות ממוצע פוטנציאלי שיווי המשקל של שני היונים שהוא:
(-100 + 55) / 2 = -22.5 mV. עם זאת, פוטנציאל ההיפוך הוא 0mv, כלומר נוטה יותר לכיוון הפוטנציאל שיווי משקל של נתרן מאשר הפוטנציאל שיווי משקל של אשלגן. אפשר לטעון שזה “כאילו” נתרן מושך אותו יותר חזק, או במילים אחרות, המוליכות לנתרן גבוהה יותר. אולי נוח יותר לראות את זה בתצוגה גרפית אחרת (בגרף הנתונים מהשאלה פשוט משורטטים על גבי עקומת זרם-מתח).

שלילת מסיחים:

ב. מתח ההיפוך נמצא חיובית לממוצע של פוטנציאלי שיווי המשקל של נתרן ואשלגן (כפי שניתן לראות בגרף). נקודה זו מראה שנתרן “מושך” יותר את מתח הממברנה, כלומר המוליכות שלו גודלה יותר.

ג. כפי שכתוב בתשובה לסעיף א’, האמצע בין פוטנציאל שיווי המשקל של אשלגן ופוטנציאל שיווי המשקל של נתרן הוא -22.5mv ופוטנציאל ההיפוך הוא ב-0mv. כיון שאנחנו יודעים שנקודת האמצע בין הפוטנציאלים היא ב-22.5mv ניתן לקבוע שהנקודה בה אין זרם היא לא נקודת האמצע של פוטנציאלי שיווי המשקל. חשוב להבין שמדובר בשתי נקודות שונות: האחת היא ממוצע שיוויי המשקל של שני היונים והשנייה היא פוטנציאל ההיפוך של התעלה.

ד. כדי להסביר מסיח זו נעזר בגדלי הזרמים שמוצגים בשאלה עצמה. למראית עין הזרימה שנמדדת במתח -90mv פחות או יותר דומה לזרימה במתח 75mv. כלומר, נראה שגם כשהמתח הוא חיובי מתקבל זרם חזק ולא רק כאשר הוא שלילי.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 89-91 (פוטנציאלפוסט-סינפטי).

נושא: פיזיולוגיה תת נושא: סינפסה ושריר משורטט תת-תת נושא: הולכה סינפטית
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 6

תשובה ד. בשאלה נתון שהחומר X נמצא בצד הפרה סינפטי וכן שאין עליה בקיבוליות הממברנה. העובדה שאין עליה בקיבוליות הממברנה מלמדת אותנו שלא התאחו וסיקולות, כיון שבעת איחוי הוסיקולות, הממברנה שלהן מתמזגת עם ממברנת התא. במידה ולא היה איחוי של וסיקולות, בהכרח גם לא נשפכו נוירוטרנסמיטורים ועובדה זו עולה בקנה אחד עם היעדר התגובה החשמלית בצד הפוסט-סינפטי. המכניזם שמסביר תופעות אלו הוא שהחומר X לוכד את הסידן שנכנס לתא ולא מאפשר לחיישן הסידן בתא(synaptotagmin) לזהות את הסידן ולשחרר את הוסיקולות. כמו כן, נתון שחומר X ממוקם בתא הפרה-סינפטי, ולכן חומר לוכד הסידן BAPTA עונה להגדרה זו.

שלילת מסיחים:

א. אגוניסט גורם לתוצאה זהה לליגנד אך הוא מולקולה שונה ממנו. במקרה של תעלות סידן תלויות מתח, אולי האגוניסט הוא חומר טעון חיובית המעלה את מתח הממברנה. יחד עם זאת, גם אם אנו לא יודעים מהו האגוניסט בדיוק, התוצאה שלו תהיה שחרור הוסיקולות וקבלת פוטנציאל פוסט-סינפטי. הסיבה לכך היא שהאגוניסט יוביל לתוצאה זהה לזו של הליגנד, כלומר שחרור וסיקולות למרווח הסינפטי. קבלה של פוטנציאל פוסט-סינפטי שוללת את נתוני השאלה ולכן המסיח נפסל.

ב. חומר המונע priming של וסיקולות אינו ייצור את אותו אפקט שמתואר בשאלה, כיון שנתון שאין עליה בקיבוליות הממברנה כבר מפוטנציאל הפעולה (פ”פ) הראשון. נקודה זו חשובה כיון שבממברנת התא הפרה-סינפטי קיימות וסיקולות שכבר עברו פריימינג ומחכות לסיגנל שיאפשר להן להשתחרר. לפיכך, חומר שמונע פריימינג לא היה מבטל את שחרור הוסיקולות בעקבות פוטנציאל הפעולה הראשון, אלא בעקבות פוטנציאל פעולה שמגיע מאוחר יותר כאשר כל מלאי הוסיקולות שעברו priming נגמר.

ג. שימוש בחומר שחוסם תעלות אשלגן תלויות מתח, TEA, יגרום לפ”פ רחב ולמשרעת שלו להיות גדולה יותר. הסיבה לכך היא שאשלגן לא יתנגד לדה-פולריזציה (שנגרמת בעקבות זרם הנתרן) באמצעות הורדת מתח הממברנה לפוטנציאל שיווי המשקל שלו. חשוב לציין שבכל זאת המתח החיובי ידעך בשלב מסוים בעקבות האינאקטיבציה של תעלות נתרן. פ”פ רחב ובעל משרעת גדולה יותר לא אמור לגרום לבעיה בשחרור הוסיקולות, ואף להפך, המתח הגבוה בעקבות פ”פ מוגדל יכול לגרום לתעלות סידן להיות פתוחות זמן רב יותר ולהכניס יותר סידן לתא ובכך לגרום לשחרור של יותר וסיקולות.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמוד 72 “at the cellular level” (TTX ו-TEA); 84-88 (סינפסה כימית).
נושא: פיזיולוגיה תת נושא: סינפסה ושריר משורטט תת-תת נושא: הולכה סינפטית
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 6

במה השאלה עוסקת: פוטנציאל אלקטרוכימי של סידן – suppression potential

תשובה ב. קיבוע מתח הממברנה של התא הפרה-סינפטי למתח השיא של פוטנציאל פעולה גורם לפתיחה של תעלות סידן תלויות מתח באזור הטרמינלי של האקסון. אולם, מתח הממברנה נשאר גבוה והוא מקשה על יוני הסידן להיכנס לתא. כדי להבין זאת חשוב לזכור שתנועה של יון מורכבת משני רכיבים: רכיב חשמלי ורכיב של הפרש ריכוזים. מבחינת הפרשי ריכוזים, לסידן ריכוז גבוה יותר מחוץ לתא שגורם לו להיכנס לתוך התא. אולם, מבחינה חשמלית, סידן טעון חיובית (+2) וכן מתח הממברנה מקובע על ערך חיובי. לפיכך, מבחינה חשמלית לסידן כוח מניע קטן להיכנס לתא ולכן פחות סידן נכנס לתא וה-EPSP חלש יותר. המתח ששווה בדיוק לפוטנציאל נרנסט של סידן יכונה גם suppression potential כיון שהוא מונע כניסה של סידן אל תוך התא. נחזור כעת לדבר על מה קורה בפ”פ רגיל ולא בקיבוע מתח הממברנה. כאשר מתח הממברנה יורד בשלב הרה-פולריזציה, הכוח המניע של סידן הן חשמלית והן מבחינת הפרשי הריכוזים גורם לו להיכנס לתוך התא. נוסף על כך, לתעלות סידן תלויות מתח לוקח מספר מילי שניות (msec) להיסגר לאחר שהמתח ירד, וזמן זה מספיק עבור סידן להכנס לתא ולגרום לוסיקולות להשתחרר.

שלילת מסיחים:

א. כפי שמתואר בתשובה לסעיף ב’, ה-EPSP יהיה חלש יותר בגלל הדחייה החשמלית בין מתח הממברנה הפרה-סינפטית והמטען החיובי של סידן.

ג. לכאורה מסיח זה הגיוני כיון שתעלות סידן תלויות מתח יהיו פתוחות למשך זמן רב יותר. אולם, כפי שמתואר בתשובה לסעיף ב’, ה-EPSP יהיה קטן יותר בגלל הדחייה החשמלית בין מתח הממברנה הפרה-סינפטית והמטען החיובי של סידן.

ד. כאמור ה-EPSP יהיה חלש יותר בעת קיבוע מתח הממברנה לערך השיא של הפ”פ. נוסף על כך, כאשר מדובר בסינפסה של שני תאי עצב (ולא תא עצב ותא שריר), היווצרות פ”פ בתא הפוסט-סינפטי אינה מושפעת רק מסינפסה אחת אלא מאינטגרציה סינפטית של סינפסות רבות שחלקן אקסיטטריות וחלקן אינהיביטוריות ולכן קשה לקבוע האם יווצר פ”פ בתא הפוסט סינפטי על סמך סינפסה אחת. לעומת זאת, בסינפסת עצב שריר, לרוב EPSP יוביל ליצירת פ”פ בשריר.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 85-86 (סידן כסיגנל לשחרור טרנסמיטורים).

נושא: פיזיולוגיה תת נושא: סינפסה ושריר משורטט תת-תת נושא: הולכה סינפטית
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 6

במה השאלה עוסקת: mEPP

תשובה א.

mEPSP- התגובה הפוסט סינפטית הנמדדת בתנאים של ריכוז מינימלי עד אפסי של סידן. במקרה זה אנו רואים שחרור של וסיקולות באופן ספונטני (ללא גירוי). לתגובה הקטנה ביותר שניתן יהיה לקבל בתנאים אלו קוראים mEPEP והיא נגרמת כתוצאה משחרור של וסיקולה אחת בלבד.
כל יתר התגובות הפוסט- סינפטיות הן מכפלה של אותו mEPSE. אז איך נשנה את משרעת mEPSE?
מכיוון שמדובר בווסיקולה אחת- זה לא יעזור לי לשנות את קצב שחרור הווסיקולות למשל ולכן מסיחים 2 3 ו-4 נפסלים.
איך אני אשפיע על התגובה שמתקבלת על ידי ווסיקולה אחת? או על ידי שינוי ריכוז הנוירוטרנסמיטורים באותה הווסיקולה (למשל, על ידי שינוי בטרנספורטרים האחראים על הכנסת אותם נוירוטרנסמיטורים) או על ידי שינוי הרצפטורים שמגיבים לאותו נוירוטרנסמיטור.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמוד 86-88.
נושא: פיזיולוגיה תת נושא: סינפסה ושריר משורטט תת-תת נושא: הולכה סינפטית
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 6

במה השאלה עוסקת: כיווץ טטני

תשובה ד. תחילה נסתכל על הגרף ונבין את חלקיו השונים. באדום רואים ריכוז תוך תאי של סידן שמשתחרר מה-sarcoplasmic reticulum ובכחול עוצמת הכיווץ של השריר בעקבות שחרור הסידן. מתחת לעקומות אלו רואים קווים קטנים המייצגים את פוטנציאל הפעולה. הסעיף שמביע את הטענה השגויה הוא שטטנוס חלקי נגרם בעקבות הצטברות של סידן תוך תאי. ניתן לראות זאת בחלק האמצעי של התרשים שמציג את הטטנוס החלקי בו סידן (באדום) חוזר לרמה הבזאלית בתוך התא ואילו עצמת הכיווץ (בכחול) אינה חוזרת לרמת הבסיס. הסיבה לכך היא הקישוריות בין אקטין ומיוזין שבמצב של טטנוס חלקי אינם מספיקים להיפרד לחלוטין בין פוטנציאלי פעולה, ולכן בכל פוטנציאל פעולה שבעקבותיו משתחרר סידן אנחנו רואים עליה נוספת בעוצמת הכיווץ.

שלילת מסיחים:

א. מסיח זה מציג טענה נכונה, בהשוואה בין שלושת המצבים בתרשים רואים כיצד עלייה בתדר פוטנציאל הפעולה משפיע על עצמת כיווץ השריר. שיא עצמת הכיווץ היא בטטנוס מלא וזה מתרחש כאשר תדירות הכיווץ היא גבוהה מאוד.

ב. מסיח זה מציג טענה נכונה. סידן אינו הפקטור היחידי שאחראי לעוצמת הכיווץ כיון שבטטנוס חלקי אפשר לראות פיקים זהים של סידן באדום, אבל תגובה מצטברת בעוצמת הכיווץ בכחול. כלומר, על אף שבמרווחי זמן מסוימים אותה כמות של סידן משתחררת לציטופלסמה, אנחנו לא רואים עצמת כיווץ קבועה אלא מתקבלת עליה בעוצמת הכיווץ לאחר כל פ”פ. כפי שכתוב בתשובה לסעיף ד’, הסיבה לכך היא מידת הקישוריות בין אקטין ומיוזין.

ג. מסיח זה מציג גם הוא טענה נכונה. ניתן לראות בתרשים שלאחר פיק הסידן יש עיכוב מסוים בתגובה של השריר.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 252-253 (מודולציה של עצמת הכיווץ).

נושא: פיזיולוגיה תת נושא: סינפסה ושריר משורטט תת-תת נושא: צימוד אלקטרומכני בין עירור- התכווצות ומודולציה
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק:12

במה השאלה עוסקת: סוגי שריר שלד

תשובה ג. ישנם שני סוגי סיבי שריר: סוג II (לבן) וסוג I (אדום). קיימים הבדלים בין שני סוגי שריר אלה ואחד המרכזיים שבהם הוא מהירות הפעילות של השריר. שריר מסוג II מגיב מהר יותר לגירוי עצבי וכן יש להם איזומר שונה של מיוזין שגורם ל-cross bridge cycle להיות מהיר יותר בסיבים אלו. האיזומרים של ראש המיוזין נבדלים בהרכב חומצות האמינו אבל לא במבנה הסופי של החלבון. כלומר, הם מכילים אותה כמות של שרשראות קלות וכבדות. חשוב גם לציין שמהירות הכיווץ תלויה בעיקר בקצב פעילות ה-ATPase של ראש המיוזין.

שלילת מסיחים:

א. סיבי שריר מסוג I הם איטיים יותר ובהתאמה יש לראש המיוזין של סיבים אלו פעילות ATPase מהירה פחות מאשר סיבי שריר מסוג II.

ב. טענה זו דווקא נכונה, הסיבים האיטיים מגיעים לכיווץ טטני בתדר פוטנציאלי פעולה נמוך יותר מהסיבים המהירים. אולם, למרות שטענה זו נכונה היא אינה עונה על השאלה. נשאלתם אודות מה יוצר את ההבדל במהירות כיווץ השריר בין שני הסיבים. התשובה לכך היא האיזומר השונה של ראש המיוזין, בעוד הסף לגירוי טטני אינו משחק תפקיד בקביעת מהירות הכיווץ.

ד. מסיח זה שגוי כיון שסיבי שריר מסוג II הם גדולים יותר ובהתאמה גם עוצמת הכיווץ שלהם גדולה יותר.

להרחבה – Berne and Levy, Physiology , מהדורה 8, עמודים 248-252.

נושא: פיזיולוגיה תת נושא: סינפסה ושריר משורטט תת-תת נושא: סוגי שריר שלד
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 12

במה השאלה עוסקת: סוגי סיבי שריר
תשובה ג’. סיבים מסוג 2 מתחלקים לשני תתי סוגים, סוג 2A וסוג 2B, הסיבים המהירים עליהם העמקנו בשיעורים הינם סיבים מסוג 2B. סיבים מסוג 2A קיימים ביונקים אך לא באדם. סיבים אלו שונים בכך שהם סיבים מהירים המתבססים על פוספורילציה אוקסידטיבית מהירה לכן הם מקרה חריג בו סיבים מהירים הם אדומים.

שלילת מסיחים
אכן סיבים מסוג 2A נחשבים סיבים אדומים בעוד ש-2B הם לבנים.
לסיב שריר 2A יש יכולות גליקוליטיות גבוהות, בדומה לסיבים מסוג 2B. עם זאת- הם כאמור בעלי יכולות אוקסידטיביות גבוהות יותר מאשר סיבים מסוג 2A.
מכיוון שסיבי שריר 2A יכולות אוקסידטיביות גבוהות יותר, הם מסתמכים על יותר חמצן- מכילים יותר מיטוכונדריה, כלי דם ומיוגלובין (ולכם הם אדומים). זאת התשובה הנכונה.
הן לסיבים מסוג 2B והן לסיבים מסוג 2A יש איזומר מהיר של מיוזין.
להרחבה – Berne and Levy, Physiology , מהדורה 8, עמודים 248-252.

נושא: פיזיולוגיה תת נושא: סינפסה ושריר משורטט תת-תת נושא: סוגי שריר שלד
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 12

במה השאלה עוסקת: מחלת ה-Hyper-PP

תשובה ב.
היפרקלמיה (hyperkalemia) נובעת מעליה בריכוז האשלגן החוץ תאי ועקב כך עליה ב-EK ובמתח הממברנה. במקרה זה הדה-פולריזציה איטית וממושכת וגורמת לאקומדציה ולכן התוצאה דומה להיפוקלמיה – הפרעות קצב עד כדי דום לב.
Primary hyperkalemic paralysis היא מחלה המאופיינת בריכוז אשלגן חוץ תאי גבוה ובהתקפים ספונטניים של כאב בשרירים שלאחריהם השריר משותק. בחלק מהמקרים הסיבה למחלה היא כניסה איטית לאינאקטיבציה של תעלות הנתרן המובילה לפוטנציאל פעולה ארוך מהרגיל. פוטנציאל הפעולה הממושך גורם ליציאת אשלגן רב ומכאן ריכוזו החוץ תאי הגבוה. 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).
להרחבה – Berne and Levy, Physiology , מהדורה 8, עמוד 72.

נושא: פיזיולוגיה תת נושא: נוירוביולוגיה תת-תת נושא: פוטנציאל פעולה בעצב והולכה אקטיבית לאורך האקסון
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 5

במה השאלה עוסקת: אינטגרציה- דיפוזיה וכוח אלקטרוכימי

תשובה ה .
שטף של חלקיק הוא ביחס ישר לריכוז ולקבוע הדיפוזיה (מכיל את תכונות הממס והמומס) וביחס הפוך למרחק. אין קשר למוביוליות.
יון הכלוריד נע כנגד מפל האנרגיה החשמלית שלו (תוך התא שלילי יותר). בנוסף, ריכוז הכלור בתוך התא קטן יותר ולכן כניסה של כלור לתוך התא תהייה עם מפל הריכוזים שלו.
אנרגיה פוטנציאלית (פוטנציאלה אלקטרוכימי) מורכבת מהכוח החשמלי והכוח הכימי אשלגן כלוריד מתפרק בתמיסה לאשלגן וכלור והם בהחלט בעלי מטען.
מכיוון שלגלוקוז אין מפל חשמלי, אלא רק כימי- המפל האלקטרוכימי שלו שווה למפל הכימי וניתן להזניח את הרכיב החשמלי מהמשוואה.
קבוע החדירות (P) מורכב ממקדם הדיפוזיה D וממרחק הדיפוזה. גם הצמיגות וגם הרדיוס נמצאים במכנה בקבוע הדיפוזיה- כלומר, ככל שהם יותר גדולים, השטף יהיה קטן יותר ולהפך. מכאן- יש יחס הפוך בינם לבין קבוע החדירות P.

להרחבה – Berne and Levy, Physiology , מהדורה 8, עמודים 10-11.

נושא: פיזיולוגיה תת נושא: הומאוסטזיס תת-תת נושא: דיפוזיה, פוטנציאל אלקטרוכימי
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 1

במה השאלה עוסקת: אוסמוזה ותמיסות בשימוש קליני

תשובה ד .

כחול
סגול
אדום
כתום
ירוק

1. כחול. מבחינה אוסמולרית- היפראוסמוטית. טוניות- היפוטונית. לכן התוצאה הסופית- כניסה של אוריאה, כניסה של מים ופיצוץ התא. עם זאת, תחילה יש כמה מילישניות בהן האוריאה עדיין לא נכנסה בדיפוזיה פשוטה בהן המים, שנעים מהר יותר- יצאו החוצה מהתא אל עבר המדור בעל ריכוז המומסים הגדול יותר. אך מיד עם כניסת האוראה לתא- מים יכנסו והתא יתפוצץ.
2. סגול. תמיסה היפואוסמוטית והיפוטונית. מים ינועו לעבר המדור עם הלחץ האוסמוטי הגבוה יותר- שזה המדור התוך תאי. ולכן נפח התא יגדל קצת ויתייצב על נפח גבוה יותר (0.8%) זו תמיסה לא רחוקה מאיזוטונית.
3. אדום. אמנם איזואוסמוטית אבל היפוטונית ולכן מים יכנסו לתוך התא עד כדי פיצוץ. אין את השלב ההתחלתי בו מים יצאו החוצה כיוון שהתמיסה איזואוסמוטית ולא היפראוסמוטית.
4. כתום. קודם בנוגע ליחידות- נתון במולר ואנחנו צריכים להמיר לאוסמולר (נכפול פי 2). 440 אוסמולר. תמיסה היפארוסמוטית והיפרטונית. מים יצאו החוצה מהתא והתא ייתכווץ.
5. ירוק. תמיסה היפראוסמוטית והיפוטונית. מכיוון שהיא היפראוסמוטית- שוב, עד שהאוריאה תכנס מים יצאו החוצה ונפח התא ייקטן. לאחר מכן, האוריאה תכנס לתוך התא ואחריה מים. הפעם לא עד כדי פיצוץ כי יש הגנה אוסמוטית כלשהי- תמיסת 0.7% nacl שהוא מומס אפקטיבי (אבל עדיין היפוטוני). ולכן התוצאה הסופית תהייה גדילה קלה בנפח התא.
נשים לב כי על מנת לענות על השאלה יש להמיר את יחידות האוראה ממולר (M) למיליאוסמולר-
נזכור כי 1M=1000mM ולכן-
1\3M= 330mM= 330 mOsmol

להרחבה – Berne and Levy, Physiology , מהדורה 8, עמודים 12-16.

נושא: פיזיולוגיה תת נושא: הומאוסטזיס תת-תת נושא: אוסמוזה, אוסמולליות, אוסמולריות וטוניות
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 1

במה השאלה עוסקת: שיווי משקל או מול מצב עמיד

תשובה א .
בכל מצב בו אין שינוי במתח הממברנה- סכום השטפים דרך הממברנה בהכרח שווה לאפס. גם במצב יציב וגם בשיווי משקל סכום השטפים דרך הממברנה שווה לאפס. כלומר, מתח הממברנה לא השתנה.
דיברנו על שני מצבים כאלו:
1. שיווי משקל גיבס דונאן. אמרנו שמה שמאפיין שיווי משקל גיבס דונאן-
יש בהכרח הפרש אוסמולריות- המדור בעל היון הבלתי חדיר (למשל חלבון) יהיה בעל האוסמולריות הגדולה יותר.
קיים שיווי משקל אלקטוריכמי – כל אחד מהיונים נמצא בשיווי משקל (כך הגענו לנוסחא) ולכן הדלתא G של המערכת הוא 0 (אין השקעת אנרגיה= שיווי משקל).
2. משוואת Chord Conductance Equation משוואת מתח הממברנה.
על אף ששטפי היונים אשלגן, נתרן וכלור קובעים את מתח הממברנה במנוחה (Vm), הוא אינו שווה לפוטנציאל שיווי המשקל של אף אחד מיונים אלו (EK, ENa, Ecl) אלא הינו מעין ממוצע משוקלל שלהם. ככלל מפתח, כאשר Vm נקבע ע”י שני יונים או יותר, התרומה של כל יון לערכו של Vm תלויה בחדירות היחסית שלו.
משוואה זו מראה כי ככל שחדירות הממברנה של יון גדולים יותר, כך תרומתו לפוטנציאל הממברנה המשוקלל עולה. כאשר החדירות ליון מסוים גבוהה באופן חריג, משוואת מתח הממברנה שווה למעשה (בקירוב) למשוואת נרנסט של אותו היון.
מילה על ההבדל בין שיווי משקל למצב יציב:
מה ההבדל בין שיווי משקל ומצב יציב? הרי בשניהם אין שינוי בריכוזים. ההבדל טמון בדרישות האנרגטיות.
בשיווי משקל הריכוזים אינם משתנים מכיוון שאף אחד לא רוצה שהם ישתנו – כולם מאושרים. למשל, בפונטציאל שיווי משקל (נרנסט) של יון כלשהו, הריכוזים של אותו יון אינם משתנים מכיוון שהכוח הכימי שווה לכוח החשמלי – טוב לו, ליון.
מתח הממברנה לעומת זאת, אינו מוגדר כשיווי משקל אלא כמצב יציב. הריכוזים נותרים קבועים וזאת למרות (ולא בזכות) רצונות היונים (שהרי כולם “לא מרוצים”). כדי לשמור על ריכוז (ובהתאם מתח מנוחה) קבוע, התא צריך להשקיע הרבה מאד אנרגיה בפעילות המשאבה Na-K-ATPase
שמירה על הומיאוסטזיס
הומאוסטזיס – תהליך שמירת נפח, תכולה וטמפרטורות מדורי המים בגוף קבועים. הומאוסטזיס נשמר באמצעות השקעת אנרגיה, כלומר מדובר במצב יציב (steady state).
כדי לשמור על steady state למערכת צריכה להיות set point, אותו ערך אליו היא שואפת לתקן את המצב במקרה של חריגה. כלומר, אם ישנה כניסה מוגברת של יוני אשלגן, המערכת צריכה לזהות חריגה מהריכוז התקין (הוא ה-set pint) ולהפעיל את המנגנונים המתאימים (נקראים effectors). כדי לזהות חריגה מה-set point למערכת צריכים להיות חיישנים וכלי מדידה מתאימים.

נושא: פיזיולוגיה תת נושא: הומאוסטזיס תת-תת נושא: שמירה על הומאוסטזיס
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 1
להרחבה – Berne and Levy, Physiology , מהדורה 8, עמודים 17-19.

במה השאלה עוסקת: העברה אפיתליאלית

תשובה ג. מומסים יכולים לחצות את תא האפיתל באופן טרנסצלולרי או פאראצלולרי. מעבר טרסצלולרי דורש ביטוי של נשאים על גבי הממברנות של תאי האפיתל ובאופן זה מומסים נכנסים לתא ויוצאים ממנו בצידו השני. לדוגמה בכליה, נתרן צריך להיספג חזרה לתוך מחזור הדם, לאחר שהוא עבר סינון. הנתרן נכנס באופן פסיבי מהצד של הממברנה האפיקלית וזאת עקב הריכוז הנמוך שלו בתא שגורם למפל ריכוזים. לעומת זאת, המעבר חזרה למחזור הדם בצד הבאזולטרלי של תא האפיתל דורש אנרגיה עקב הריכוז הגבוה של נתרן בדם. תהליך זה כולו מוגדר כתהליך אקטיבי וזאת על אף שרק בצד אחד של תא האפיתל הגוף השתמש באנרגיה. מעבר פאראצלולרי הינו מעבר פסיבי של מומסים דרך ה-tight junctions של תאי האפיתל שבחלק מהמקרים חדירים למומסים מסוימים. חשוב לציין שבסוג העברה זה אין ביטוי של נשאים לצורך מעבר המומסים.
בשאלה זו נתרן וביקרבונט עוברים באופן טרנסצלולארי ומעבר זה גורר אחריו מעבר של מים. כעת, כיון שמים עברו מהצד האפיקלי לבאזולטרלי, ריכוז כלור גדל כי כמות הממס, דהיינו מים, פחתה. נוצר הפרש ריכוזים של כלור בין הממברנה האפיקלית לבזולטרלית שגורם לכלור לעבור לצד הבזולטרלי כדי להפחית את ריכוזו בצד האפיקלי ולאזן את הבדלי הריכוזים.

שלילת מסיחים:

א. נתרן וביקרבונט אכן עוברים באופן טרנסצלולרי, אך כלור עובר באופן פאראצלולרי ולכן מסיח זה נפסל.

ב. משאבת נתרן אשלגן אכן יוצרת מפל חשמלי בכך שהיא מכניסה 2 יוני אשלגן ומוציאה 3 יוני נתרן ובכך הופכת את תוך התא לשלילי יותר. אולם במקרה זה ניתן לראות שביקרבונט הטעון שלילית מפצה על המפל החשמלי בכך שהוא יוצא מהתא.

ד. המונח solvent drag (גרירת מומס) מתואר במסיח זה באופן הפוך ממשמעותו. גרירת מומס מתייחסת למעבר של מומס בעקבות תנועת מים באופן שהמומס בעצם נסחף עם המים. במסיח מוצג כי המים עוברים בעקבות כלור, כלומר הפוך ממשמעות המונח גרירת מומס.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 27-33 (טרנספורט דרך תאי אפיתל).

נושא: פיזיולוגיה תת נושא: הומאוסטזיס תת-תת נושא: העברה אפיתליאלית
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 2

במה השאלה עוסקת: טוניות ומנגנוני RVD ו-RVI

תשובה ד. תא הועבר מתמיסה איזוטונית לתמיסה היפוטונית (כלומר תמיסה בעלת פחות מומסים אפקטיביים), עקב כך מים נכנסים באופן כמעט מידי לתוך התא כדי להגיע למצב שתוך התא וחוץ התא יהיו איזוטונים. 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 האוסמולריות שלהן נמוכה מהערך ההתחלתי של התא. ישנם טרנפורטרים רבים שמוערבים בתגובה זו וכמו כן מולקולות רבות הכוללות יונים ומולקולות אורגניות שונות. דוגמה ליונים שיוצאים מהתא כחלק מתגובת RVD – אשלגן וכלור (KCl), כאשר היציאה יכולה להתרחש באמצעות סימפורטר או באמצעות תעלות ספציפיות לכל יון.
בשלב הבא התא מועבר חזרה לתמיסה א’ שהיא כעת היפרטונית ביחס אליו. הסיבה לכך היא שתמיסה א’ הייתה איזוטונית לתא באוסמולריות מסוימת, אך לאחר החשיפה לתמיסה היפוטונית (תמיסה ב’) אוסמולריות התא ירדה עקב כניסת מים והוצאת מומסים. כאשר התא נחשף לתמיסה היפרטונית, מים נעים החוצה מהתא וזאת כדי ליצור מצב שפנים ותוך התא יהיו איזוטוניים. ביציאת מים יש סכנה של איבוד נפח ולכן התא מכניס מומסים כגון נתרן וכלור (NaCl). הכנסת מומסים אלו גורמת לכניסה של מולקולות מים ולשמירה על נפח התא. תהליך זה של גדילת התא מכונה RVI (regulatory volume increase).

שלילת מסיחים:

א. מנגנון RVI משמש להתמודדות מול תמיסה היפרטונית ולא היפוטונית כמו שכתוב במסיח. כאשר התא נמצא בתמיסה היפרטונית, מים עוזבים את התא ויש צורך בהכנסת מומסים בכדי לשמור על נפח התא.

ב. לאחר החשיפה לתמיסה ב’, התא כבר אינו איזוטוני לתמיסה א’ כיון שלמעשה הוא איזוטוני לתמיסה ב’. לפיכך כאשר התא נחשף בשנית לתמיסה א’, הסביבה הינה היפרטונית עבורו וזאת כיון שבמהלך שהייתו בתמיסה ב’ הוא איבד מומסים במנגנון RVD. עקב כך, בחשיפה השנייה לתמיסה א’, התא משתמש במנגנון המכונה RVI בכדי להכניס מומסים לתוך התא ובכך הוא נהיה בשנית איזוטוני לתמיסה א’.

ג. למעשה מסיח זה מתאר הפוך את המתרחש. תחילה התא משתמש במנגנון RVD וזאת כאשר הוא נחשף לסביבה היפוטונית. בהמשך התא משתמש במנגנון RVI וזאת כאשר הוא נחשף לסביבה היפרטונית. להסבר התהליך ראו פתרון לסעיף ד’.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 12-16 (אוסמוזה); 26 (RVD, RVI).

נושא: פיזיולוגיה תת נושא: הומאוסטזיס תת-תת נושא: שמירה על הומאוסטזיס
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 1

במה השאלה עוסקת: פוטנציאל שיווי משקל

תשובה ד. בתא זה ישנם שני יונים, קטיון ואניון, שחוצים את הממברנה וחדירותם שווה. מתח הממברנה מושפע מפוטנציאל שיווי המשקל של היונים החדירים בלבד וכן ממידת החדירות שלהם. נתון לנו שפוטנציאל שיווי המשקל של הקטיון הינו חיובי ולכן על פי משוואת נרנסט אפשר לטעון שריכוזו של הקטיון גבוה מחוץ לתא מאשר תוך התא. הסיבה לכך היא שבמידה וריכוז הקטיון היה גבוה יותר בתוך התא היינו מקבלים ערך שלילי של איבר ה-log ומכך גם פוטנציאל שיווי משקל שלילי. כדי לענות על שאלה זו חשוב לזכור את תוצאות החישוב של log. כאשר מנת הריכוזים במשוואת נרנסט היא מעל 1, תוצאת ה-Log תהיה חיובית, כאשר המנה שווה ל-1, התוצאה תהיה 0 וכאשר היא קטנה מ-1, התוצאה תהיה שלילית. מצורפת משוואת נרנסט:

כעת נעבור לבחון מדוע גם ריכוזו של האניון גבוה יותר מחוץ לתא. ידוע לנו שמתח הממברנה הוא שלילי, כ–61.5mv. כמו כן, טענו בתחילת הפתרון שמתח הממברנה נקבע ע”י שני היונים החדירים. לפיכך, אנחנו יכולים להניח שפוטנציאל שיווי המשקל של האניון הוא בהכרח שלילי כיון שהוא צריך למשוך את מתח הממברנה לערך שבו היא נמצאת, כלומר -61.5mv.

שלילת מסיחים:

א. במידה וריכוז האניון מחוץ לתא היה נמוך מריכוזו בתוך התא, היינו מקבלים תוצאה שלילית בחישוב הלוגריתם. תוצאה זו שמוכפלת במטען השלילי של האניון (ZX במשוואת נרנסט הכתובה מעלה) תוביל לפוטנציאל שיווי משקל חיובי. פוטנציאל שיווי משקל חיובי של האניון אינו אפשרי כיון שאחד היונים צריך למשוך את מתח הממברנה לערך שלילי. כיון שנתון שפוטנציאל שיווי המשקל של הקטיון הוא חיובי, האפשרות היחידה היא שהפוטנציאל שיווי המשקל של האניון יהיה שלילי.

ב. כפי שראינו בתשובה לסעיף ד’ נתון לנו שפוטנציאל שיווי המשקל של הקטיון הינו חיובי. לכן על פי משוואת נרנסט בהכרח ריכוזו של הקטיון גבוה מחוץ לתא ביחס לתוך התא.

ג. במידה וריכוז האניון היה שווה בין חוץ התא ותוך התא, מנת הריכוזים שלהם הייתה 1 והחישוב הבא יתקבל:

תוצאה של חישוב זה היא 0 ותוצאה זו אינה אפשרית כיון שהאניון צריך למשוך את מתח הממברנה לערך השלילי שבו היא נמצאת.

להרחבה – Berne & Levy, מהדורה 8, עמודים 11-12 (גרדיאנט אלקטרוכימי); 23-27 (פוטנציאל הממברנה).

נושא: פיזיולוגיה תת נושא: הומאוסטזיס, נוירוביולוגיה תת-תת נושא: פוטנציאל אלקטרוכימי, מתח הממברנה במנוחה ועקומת זרם מתח
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 1, 2

במה השאלה עוסקת: התייבשות ומדורי המים בגוף

תשובה ג. כדי לענות על שאלה זו נזכר בכמה רעיונות ומושגים. מדורי המים בגוף מחולקים לשניים, תוך התא וחוץ התא. המדור החוץ תאי מחולק גם הוא לשני תת מדורים, הפלסמה (plasma) והנוזל הבין רקמתי (interstitial fluid). תתי המדורים במדור החוץ תאי מופרדים על ידי קירות מערכת הדם שחדירות ליונים ומולקולות קטנות ואינן חדירות לחלבונים. כעת, כדי לענות על השאלה נזכר במשמעות המושג טוניות. 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.
כעת ננסה לתאר מה יקרה כאשר החובש נתן עירוי של תמיסה היפוטונית לחייל. תמיסה היפוטונית היא תמיסה עם פחות מומסים אפקטיביים ביחס לפלסמה ולכן כאשר החייל יקבל אותה, הטוניות של הפלסמה שלו תפחת. עקב החדירות הגדולה יחסית של כלי הדם למים ומולקולות קטנות הנוזל הבין רקמתי יהפוך גם הוא היפוטוני ביחס לתוך התא. כלומר, כרגע כלל חוץ התא הוא היפוטוני לתוך התא ודבר זה יגרום לתנועה של מים לתוך התאים וזאת כדי להגיע למצב ששני האזורים הם איזוטונים אחד לשני. כזכור מים עוברים מתמיסה עם אוסמולליות נמוכה לתמיסה עם אוסמולליות גבוהה ולכן הם יעברו מחוץ התא פנימה.
כעת ננסה להבין מדוע החובש יעלה למשפט. כדי לטפל בהתייבשות החובש היה צריך להעלות את נפח הדם, אולם כאשר הוא נתן תמיסה היפוטונית הוא העלה את נפח הדם לזמן קצר בלבד כיון שהמים עזבו את הדם ונכנסו לתאים. לכן, במקרה זה היה עדיף לתת תמיסה איזוטונית ובכך לספק למטופל את הנוזלים שהוא איבד ולהעלות את נפח הדם.

שלילת מסיחים:

א. העירוי לא יפצה על אובדן הנוזלים כיון שהם יעזבו את הפלסמה ויכנסו לתאים כפי שמתואר בתשובה לסעיף ג’.

ב. מים נעים מתמיסה היפוטונית לתמיסה היפרטונית או במילים אחרות, מתמיסה עם ריכוז מומסים אפקטיביים קטן יותר אל עבר תמיסה עם ריכוז מומסים אפקטיביים גדול יותר. כיון שהפכנו את חוץ התא להיפוטוני ביחס לתוך התא, מים יכנסו לתוך התאים ולא יצאו מהם.

ד. אוסמולריות היא מדד לריכוז המומסים בתמיסה, כלומר מספר המומסים (אוסמול) בליטר אחד של ממס. כיון שמים יכנסו לתאים, האוסמולריות התוך תאית דווקא תרד וזאת כיון שהגדלנו את כמות הממס (מים) ולא שינינו את כמות המומסים.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 12-16 (אוסמוזה); 18-22 (מדורי המים בגוף).

נושא: פיזיולוגיה תת נושא: הומאוסטזיס תת-תת נושא: אוסמוזה, אוסמולליות, אוסמולריות וטוניות. בנוסף – מדורי המים בגוף
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 1, 2

במה השאלה עוסקת: חישוב שטף

תשובה ד. כדי לענות על שאלה זו נציב את המספרים בנוסחת השטף המכילה את מקדם החדירות (P) כיון שהן הריכוזים והן P נתונים לנו בשאלה: J=P*(Cin-Cout). לאחר הצבת הנתונים מתקבל J=10-7*10-3-10-4. בנקודה זו לי נוח להוסיף שלב נוסף בו המשוואה נכתבת באופן הבא: J=10-7*0.01-0.001, כעת נחסר ונקבל J=10-7*0.009 כאשר ניתן לכתוב את זה גם באופן הבא: J=10-7*(9*10-4).
לאחר ההכפלה אנו מקבלים את התשובה:

כעת נתייחס קצת ליחידות השטף. שטף נמדד ביחידות (כאשר לא מתייחסים לשטח הפנים). יחידות אלו מתקבלות כשכופלים לפי המשוואה את היחידות של מקדם החדירות P בהפרש הריכוזים. היחידות של P הן ושל ריכוז ולפיכך כשכופלים את היחידות של ערכים אלה אחד בשני מקבלים

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 10-11 (דיפוזיה).

נושא: פיזיולוגיה תת נושא: הומאוסטזיס תת-תת נושא: דיפוזיה
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 1

במה השאלה עוסקת: מתח הממברנה

תשובה ב. מתח הממברנה תלוי רק ביונים שחודרים את הממברנה. אפשר לראות זאת גם במשוואת ה-chord conductance שמחשבת את מתח הממברנה:

משוואה זו מוצגת כפי שאתם מכירים אותה והיא מציגה את היונים העיקריים בתא. אולם, בשאלה זו נתונה מערכת עם אשלגן וכלור בלבד ולכן נוריד את נתרן מהמשוואה. כמו כן כיון שהחדירות של כלור הינה 0, נציב זאת באיבר המתאים ונראה שלמעשה מתח הממברנה נקבע רק על פי אשלגן בשאלה זו.

כלומר המשוואה נראית בצורה הבאה:

חשוב לציין שבמידה והייתה חדירות חלקית לכלור היינו מתחשבים בכלור במשוואה, אך הוא אינו חודר את הממברנה כלל. כמו כן המשוואה נועדה לעזור לכם להבין את החומר, אך ניתן לפתור שאלה זו גם ללא המשואה באמצעות ההבנה שרק היונים שחודרים את הממברנה (חדירות מלאה או חלקית) משפיעים על מתח הממברנה.
כעת נתון לנו כי מתח הממברנה הוא 60 והשאלה היא מהם ריכוזי האשלגן הנחוצים כדי להגיע לתוצאה זו. כדי לענות על כך הפעם נצטרך להשתמש במשואת נרנסט הנתונה בשאלה:

כאמור ידוע לנו שרק אשלגן קובע את מתח הממברנה, ולכן נחפש את ריכוזי אשלגן שיובילו לכך שמתח הממברנה יהיה שווה 60mv. נעשה זאת באותה משוואה איתה עצרנו מספר שורות למעלה:

במקרה זה המוליכות אינה רלוונטית כיון שהאשלגן הוא היון היחידי החדיר במערכת והמוליכות שלו היא 1. נשלב כעת את משוואת נרנסט ומשוואת מתח הממברנה ונקבל:

ניתן לראות שבכדי שמתח הממברנה יהיה 60mv, כל איבר ה-log צריך להיות שווה ל-1. מצב זה מתרחש כאשר ריכוז אשלגן בחוץ גבוה פי 10 מאשר ריכוזו בפנים. כלומר נקבל:

המהלך האחרון בפתרון זה הוא להבין שריכוז הכלור יהיה זהה לריכוז האשלגן. למעשה נקודה זו מסתמך על עקרון האלקטרוניטרליות שלפיו המטענים יהיו מאוזנים בשני המדורים. לפיכך, התשובה הנכונה היא שריכוז כלור מחוץ התא יהיה גדול פי 10 מריכוזו בתוך התא.

שלילת מסיחים:

א. נציב ערך זה במשוואה שקובעת את מתח הממברנה ונראה כיצד זה ישפיע על מתח הממברנה.

ניתן לראות שמסיח זה לא עונה על השאלה, כיון שאנו מחפשים שמתח הממברנה ישאר ב-60mv.

ג. נציב ערך זה במשוואה שקובעת את מתח הממברנה ונראה כיצד זה ישפיע על מתח הממברנה.

ניתן לראות שמסיח זה לא עונה על השאלה, כיון שאנו מחפשים שמתח הממברנה ישאר ב-60mv.

ד. נציב ערך זה במשוואה שקובעת את מתח הממברנה ונראה כיצד זה ישפיע על מתח הממברנה.

ניתן לראות שמסיח זה לא עונה על השאלה, כיון שאנו מחפשים שמתח הממברנה ישאר ב-60mv.

להרחבה – Berne & Levy, מהדורה 8, עמודים 11-12 (גרדיאנט אלקטרוכימי);22-27 (פוטנציאל הממברנה).
נושא: פיזיולוגיה תת נושא: הומאוסטזיס, נוירוביולוגיה תת-תת נושא: פוטנציאל אלקטרוכימי, מתח הממברנה במנוחה ועקומת זרם מתח
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 1, 2

במה השאלה עוסקת: שיווי משקל גיבס דונן

תשובה ג. בשאלה זו חסרים הריכוזים של היונים החוץ תאיים וכדי למצוא אותם חשוב להגיע למספר הנחות ראשוניות. תחילה נתון לנו שהמערכת נמצאת בשיווי משקל ונקודה זו חשובה כי ללא נתון זה לא ניתן להניח שיווי משקל. כמו כן לא כתוב באופן ברור שמדובר בשיווי משקל גיבס דונן, אולם קיימים המאפיינים של גיבס דונן ולכן ניתן להניח זאת. יחד עם זאת, הגון מצד הבוחנים לרשום שמדובר בשיווי משקל גיבס דונן אך כדאי להתכונן גם לתרחיש בו זה לא יהיה רשום במפורש. המאפיין המרכזי של גיבס דונן הוא שקיים חלבון שהוא בלתי חדיר לממברנה המייצג את הציטופלסמה התאית. בגיבס דונן כפול יהיה גם יון טעון חיובית שאינו חודר את הממברנה, והוא ממוקם במיכל השני המייצג את חוץ התא. המטרה של שיווי משקל גיבס דונן הוא להציג כיצד החלבון הבלתי חדיר יכול ליצור הפרש אוסמולריות ובגיבס דונן כפול, גם הפרש מתחים (למעשה גיבס דונן כפול מסביר כיצד נוצר מתח ממברנה). כמו כן דפנות קשיחות מרמזות לנו על שאלת גיבס דונן. כעת לאחר שהגענו למסקנה שמדובר בשאלת גיבס דונן ונתון לנו שאנו בשיווי משקל, ניתן להכיל את הכללים שאתם מכירים בנוגע למערכת גיבס דונן. למדנו שמכפלת ריכוזי היונים החדירים בצד אחד שווה למכפלה שלהם בצד השני. כעת לפני שנבצע את המכפלה נרצה לחלץ את ריכוז הכלור התוך תאי. כיון שהערכיות של החלבון הינה -3 הוא גם תורם למטען החשמלי פי 3 מהריכוז שלו ולכן החישוב הוא באופן הבא:

שלילת מסיחים:

א. ניתן לראות לפי החישובים שבסעיף ג’ שריכוז אשלגן הוא 50mM.

ב. ניתן לראות לפי החישובים שבסעיף ג’ שריכוז אשלגן הוא 50mM.

ד. לכאורה זה נראה שחסרים נתונים בשאלה זו, אבל כאשר עוברים שלב אחר שלב ניתן לראות שיש למעשה מספיק נתונים כדי לענות עליה. תחילה חשוב להבין שמדובר בשאלת גיבס דונן בה רק החלבון אינו חודר את הממברנה וכן שהמערכת כבר נמצאת בשיווי משקל. לאחר מכן ניתן לחלץ את ריכוז הכלור התוך תאי ובסוף באמצעות מכפלת הריכוזים אפשר לחלץ את מכפלת ריכוז אשלגן וכלור החוץ תאיים וממנה את ריכוז האשלגן לבדו.

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.
נושא: פיזיולוגיה תת נושא: הומאוסטזיס תת-תת נושא: מערכת גיבס דונאן
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 2

במה השאלה עוסקת: תגובה פוסט סינפטית- EPSP

תשובה ב. שאלה מסורבלת ומלאת נתונים שבסוף אם נזכך את העיקר- שואלת בדיוק את מה שדיברנו עליו בשאלה 13. תעלה שמוליכה נתרן ואשלגן. אם אני אעלה את מתח הממברנה- איזה זרם יגבור על מי ומה יקרה בעקבות כך ל-EPSP. נבין מה יקרה על ידי הסתכלות על שני התרשימים הבאים:
תרשים ימני: סינפסה כולינרגית. לרוב, EPSP יגרום לדה-פוריזציה של הממברנה. אם מתח הממברנה יגיע למתח הסף, יפרוץ פוטנציאל פעולה. עם זאת, במידה ומנטרלים את התעלות הגורמות לפריצת פוטנציאל פעולה ומעלים את מתח הממברנה הפוסט-סינפטי, ניתן למדוד את זרמי הנתרן והאשלגן דרך התעלות במצב זה.
מכיוון שמתח הממברנה הופך חיובי יותר, הכוח המניע של נתרן יורד ושל אשלגן עולה, ובהתאם ה-EPSP במתח ממברנה זה יהיה נמוך יותר. אם מתח הממברנה יהיה חיובי מספיק, זרמי הנתרן והאשלגן דרך התעלה יהיו שווים אחד לשני וה-EPSP יהיה שווה לאפס (פוטנציאל ההיפוך של התעלה). אם מתח הממברנה עולה מעל מתח זה, סך כל הזרמים דרך הרצפטור יגרמו להיפר-פולריזציה וה-EPSP יהיה שלילי. הגרף מתאר פוטנציאל היפוך של ממברנה -7mV .
תרשים שמאלי: מדידת EPSP ברמות שונות של דה-פולריזציה. במתח ממברנה התחלתי של -42 ו—60mV, זרם ה-EPSP גורם לפריצת פוטנציאל פעולה. במתחים חיוביים יותר של הממברנה, תעלות נתרן במצב אינאקטיבציה ולכן אין שינוי במתח הממברנה. מתח ההיפוך של הסינפסה הוא בסביבות 10mV.

להרחבה – Berne and Levy, Physiology , מהדורה 8, עמודים 89-92.

במה השאלה עוסקת- מדולציה קצרת טווח – PTP
תשובה א. איך תדר גבוה משפיע על פעילות סינפטית קצרת טווח? אם אני נותנת תדר גבוה ה- EPSP שאקבל ילכו ויגדלו.
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, עמודים 93-94.
נושא: פיזיולוגיה תת נושא: סינפסה ושריר משורטט תת-תת נושא: אינטגרציה סינפטית ובקרה על פעילות סינפטית
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 6

תשובה א. Myasthenia gravis – Myasthenia gravis- מחלה אוטואימונית בה קיימים נוגדנים כנגד הרצפטור לאצטיל כולין -אתרים קושרי אצטיל כולין נתפסים על ידי הנוגדנים וכך נמנעת הפעלת שרירים.
בשל דגרדציה של הרצפטורים והרס של הממברנה, המחלה מאופיינת בהיחלשות שרירים משמעותית. באופן רגיל, סינפסה עצב- שריר מאופיינת בפקטור ביטחון גבוהה. כלומר, מספיק EPP יחיד על מנת לעורר תגובה.
במחלה פקטור הבטחון של סינפסת עצב שריר יורד מתחת ל-1, מה שמוביל לכך שלא תמיד השריר מצליח לייצר פוטנציאל פעולה וכתוצאה מכך יש החלשות של השרירים. מעבר לתפיסת האתרים ניתן לראות שהמחלה פוגעת במבנה הכללי של הסינפסה הפוסט סינפטי.
הפתרון- או מודולציה של מערכת החיסון – חומרים אימונו סופרסורים, או על מנת להקל על הסימפטומים ניתן להשתמש באצטיל כולין אסטראז אינהיביטורס ובעצם להעלות את ריכוז האצטיל כולין בסינפסה.
להרחבה – Berne and Levy, Physiology , מהדורה 8, עמוד 96.

נושא: פיזיולוגיה תת נושא: סינפסה ושריר משורטט תת-תת נושא: אינטגרציה סינפטית ובקרה על פעילות סינפטית
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 6

במה השאלה עוסקת: אוסמולריות

תשובה ב. תמיסה המכילה 0.1% משקלי מכילה 0.1g ב-100ml או לחילופין 1g ב-1L. בשאלה זו אנו מחפשים את התמיסה בעלת האוסמולריות הגבוהה ביותר. כלומר, חומר “שיכנס” הכי הרבה פעמים בתוך גרם אחד. לפיכך, נחפש את החומר הקל ביותר וכן זה שמתפרק להכי הרבה אטומים. ניתן לראות שנתרן עונה על כל הקטגוריות האלו.
הבא ננסה לראות זאת גם באופן חישובי:

שלילת מסיחים:

א. אוראה כבדה יותר מ-NaCl ולכן תפיק אוסמולריות נמוכה יותר כיון שהיא נכנסת פחות פעמים בגרם אחד. כמו כן היא אינה מתפרקת בתמיסה. כאמור נראה זאת בחישוב:

ג. CaCl2 הוא חומר שניתן להתבלבל בו בקביעת האוסמולריות כיון שהוא מתחלק לשלושה יונים שונים. תחילה נראה חישובית מדוע האוסמולריות נמוכה יותר מאשר של NaCl ואז נראה כיצד יכולנו לדעת זאת ללא חישוב.

ניתן לראות שהאוסמולריות נמוכה מאשר מאשר של NaCl וכאמור אנו מחפשים את האוסמולריות הגבוהה ביותר. לאחר שראינו זאת נרצה לדעת כיצד לענות על השאלה בלי חישוב. כיון שבחישוב האוסמולריות אנו כופלים את הריכוז פי מספר החלקיקים, ניתן בתור חישוב תיאורטי בראש או על הנייר, לחלק מראש את המסה המולקולרית במספר החלקיקים. כלומר אם היינו מחלקים את המשקל של NaCl פי 2 היינו מקבלים משקל של 29 g/mol ואם היינו מחלקים את CaCl2 היינו מקבלים 36.6 g/mol. כפי שטענו, ככל שהמשקל של החומר קטן יותר, כך האוסמולריות הסופית גדולה יותר. באופן זה, אנחנו עוקפים את כל החישוב ורואים כיצד הפירוק לחלקיקים ישפיע על האוסמולריות.

ד. גלוקוז היא המולקולה הכבדה ביותר ולכן תניב את האוסמולריות הקטנה ביותר. בכל זאת נציג את החישוב:

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 12-16 (אוסמוזה).

נושא: פיזיולוגיה תת נושא: הומאוסטזיס תת-תת נושא: אוסמוזה, אוסמולליות, אוסמולריות וטוניות
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 1

. במה השאלה עוסקת: הולכת פוטנציאל פעולה

תשובה ד. ניתן לראות לפי התמונה שהרדיוס של אקסון אii גדול יותר מזה של אקסון אi. ההבדל במהירות ההולכה בין שני אקסונים אלו נובע מתכונה זו. השוני ברדיוס של האקסונים משפיע על קבוע המרחק. קבוע המרחק למדא, 𝜆, מייצג את המרחק בו לוקח למתח לדעוך ל-37% מערכו המקסימאלי ולכן ככל שהוא גדל, ההולכה של האות החשמלי טובה יותר. במילים אחרות, כאשר 𝜆 גדל, האות החשמלי עובר מרחק רב יותר עד שהוא דועך. קבוע המרחק מתואר באופן הבא:

כאשר rm היא התנגדות ממברנאלית ו-ra התנגדות אקסיאלית. אחד ההבדלים בין סוגי ההתנגדויות הוא ש-rm פרופורציונאלי לרדיוס, בעוד ש-ra פרופורציונאלי לרדיוס בריבוע. כשמגדילים את קוטר האקסון rm קטן, אולם כיון ש-ra פרופורציונאלי לרדיוס בריבוע הוא קטן באופן משמעותי יותר. אותו עקרון תקף גם בהקטנת קוטר האקסון: rm גדל בהתאם לרדיוס ואילו ra גדל בהתאם לרדיוס בריבוע. לכן בהקטנת קוטר האקסון שתי ההתנגדויות יגדלו אך ההתנגדות האקסיאלית תגדל יותר ולכן קבוע המרחק יקטן. בהגדלת קוטר האקסון, ההתנגדויות תקטנה אך ההתנגדות האקסיאלית תקטן יותר ולכן קבוע המרחק יגדל. חשוב לציין שהקטנת ההתנגדות הממברנלית תפגע במהירות ההולכה כיון שמתח יותר יזלוג דרך ההמברנה. אולם, כפי שכבר טענו להקטנה של ההתנגדות האקסיאלית משקל רב יותר ולכן בפועל קבוע המרחק יגדל. אפשר לראות עקרון זה גם מתמטית במשוואה של קבוע המרחק: rm נמצא בממונה ולכן הקטנה שלו תקטין את קבוע המרחק ואילו ra נמצא במכנה ולכן הורדה שלו תגדיל את קבוע המרחק. קבוע המרחק משפיע על מהירות ההולכה כפי שמתואר במשוואה הבאה:
כאשר תטא, 𝜃, היא מהירות ההולכה וטאו, , קבוע הזמן. פיתוח מתמטי של משוואה זו מניב לנו את המשוואה הבאה לפי מהירות ההולכה פרופורציונאלית לשורש רדיוס האקסון:
נראה כעת דוגמא היפותטית בה רדיוס הנוירון גדל פי 4. ההתנגדות הממברנאלית, rm, תפחת פי 4. כיון ש-ra פורפוציונאלית לרדיוס בריבוע, הגדלה של רדיוס האקסון פי 4 תפחית את ההתנגדות האקסיאלית, ra, פי 42, כלומר פי 16. בהצבה בנוסחה נקבל:

כלומר, ניתן לראות שהגדלת קוטר האקסון פי 4 תגדיל את קבוע המרחק פי 2. הגדלה של קבוע המרחק פי 2 תגדיל גם את מהירות ההולכה פי 2. לסיכום ישנן שתי אסטרטגיות להגדלת מהירות ההולכה באקסון, האחת היא הוספת מיאלין למעטפת האקסון והשנייה היא הגדלת קוטרו. בתשובה לשאלה זו ראינו כיצד הגדלת הקוטר משפיעה על מהירות ההולכה.

שלילת מסיחים:

א. לא ניתן לדעת את ההבדל במשרעת פוטנציאל הפעולה כיון שההבדל ברדיוס האקסונים נוגע רק למהירות ההולכה ולכן מסיח זה נפסל (הסבר נוסף בנושא בתשובה לסעיף ב’). כמו כן לאקסון אi רדיוס קטן יותר ביחס לאקסון אii. למדנו שהקטנת הרדיוס מעלה את שני סוגי ההתנגדויות. לכן, לאקסון אi התנגדות ממברנלית גבוהה יותר מאשר של אקסון אii. שימו לב שמסיח זה לא משחק על ההבדלים בין התנגדות אקסיאלית לממברנלית אלא בודק הבנה מה קורה כאשר לאקסון מסוים רדיוס קטן מאקסון אחר. לסיכום, חשוב לזכור ששתי ההתנגדויות מגיבות באופן זהה לשינוי ברדיוס אך בעוצמה שונה ועוצמת התגובה לשינוי מאפשרת את השינוי במהירות ההולכה.

ב. פוטנציאל פעולה (פ”פ) היא תגובה של הכל או כלום באקסון מסוים. כלומר באקסון ספציפי, פ”פ תמיד יראה אותו דבר. יחד עם זאת לאקסונים שונים הרכבי תעלות אחר על גבי הממברנה ולכן משרעת או עובי הפ”פ יכולים להשתנות. לצורך הדוגמה אם לאקסון B יש פי 2 תעלות אשלגן תלויות מתח ביחס לאקסון A, סביר להניח שהפ”פ באקסון B יהיה צר יותר. חשוב לציין שמהנתונים של שאלה זו אין לדעת כיצד יראה פ”פ בכל אחד מהאקסונים, אך יחד עם זאת אי אפשר לטעון בביטחון שמשרעת הפ”פ תראה אותו דבר בכל שלושת האקסונים.

ג. כמות הוסיקולות המשתחררות אינו תלוי במהירות ההולכה של האקסון אלא במאפיינים אחרים כמו למשל כמות הוסיקולות שעברו עגינה בבוטון וכמות תעלות הסידן תלויות מתח שבבוטון.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 74.

נושא: פיזיולוגיה תת נושא: נוירוביולוגיה תת-תת נושא: פוטנציאל פעולה בעצב והולכה אקטיבית לאורך האקסון
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 5

במה השאלה עוסקת: גיבס דונן

תשובה ד. שאלה זו עוסקת במערכת גיבס דונן אך עם אשלגן במקום נתרן. במערכת גיבס דונן ישנם שני מכלים: מיכל המייצג את הציטופלסמה שבו ישנם חלבונים בעלי מטען שלילי שאינם חודרים את הממברנה וכן קטיון. במיכל הנוסף שמייצג את חוץ התא יש את אותו קטיון ובנוסף אניון. כיון שריכוזי כל החומרים זהים אין הפרש מטענים בין המכלים, אולם כן ישנו הפרש ריכוזים עבור חלק מן החומרים. החלבונים בתא אינם נמצאים מחוצה לו וכלור אינו נמצא בתוך התא. יחד עם זאת, החלבונים אינם יכולים לחדור את הממברנה וכלור כן יכול ולכן הוא נע לתוך התא בהתאם למפל הריכוזים שלו. אשלגן, בעקבות ההפרש החשמלי שנוצר לאחר מעבר כלור, נע גם הוא באותו כיוון והתוצאה היא שיש כמות גודלה יותר של מומסים בתוך התא ולכן האוסמולריות שלו עולה. כיון שבמערכת זו הדפנות הקשיחות לא מאפשרות מעבר מים, תוך התא ישאר בערכים אוסמולריים גבוהים יותר ביחס לחוץ התא.
כעת נחרוג מן הדוגמה הספציפית בשאלה זו ונעבור לדבר על מצבים פיסיולוגיים. האסטרטגיה של דפנות קשיחות אופיינית לצמחים, אולם בני אדם משתמשים באסטרטגיה שונה למניעת כניסת מים לתא. אצל בני אדם יש אפקט המכונה “אפקט דונאן כפול” ולפיו נתרן אף הוא אינו חודר את הממברנה. במצב מנוחה, הממברנה חדירה לנתרן במידה מסוימת. לכן, כמות הנתרן שמצליחה לחדור את הממברנה, מסולקת באמצעות משאבת Na+/K+ ובכך הופכת את נתרן למעשה ליון בלתי חדיר. כיון שנתרן אינו חודר את הממברנה, מים לא עוקבים אחריו לתוך מיכל א’ ולכן גם בדונן כפול אין מעבר מים.

שלילת מסיחים:

א. האוסמולריות בשני המדורים אינה שווה כיון שקיים מפל ריכוזים לכלור שגורר אחרי את אשלגן ומעלה את האוסמולריות בתוך התא.

ב. הקטיון יכנס ולא יצא מן התא (כפי שנרמז ממסיח זה) וזאת כאמור בעקבות מפל הריכוזים של כלור.

ג. בשיווי משקל גיבס דונן אין מעבר מים כפי שמפורט בתשובה לסעיף ד’ שבשאלה זו.

להרחבה – מומלץ לקרוא על מערכת גיבס דונן בספר הקורס שנמצא באתר ולקריאה נוספת ניתן לקרוא מהמקורות המצוינים שנמצאים בספריה שלאוניברסיטת 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.

נושא: פיזיולוגיה תת נושא: הומאוסטזיס תת-תת נושא: מערכת גיבס דונאן
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 2

במה השאלה עוסקת: דיפוזיה

תשובה ב. שאלה זו למעשה בוחנת כיצד הגדלת פרמטרים שונים במערכת משפיעה על הדיפוזיה וכדי לענות עליה נחזור למשוואות הרלוונטיות. קצב דיפוזיה (שטף) של מולקולה בתמיסה מתואר בחוק הראשון של פיק, והוא קובע כי קצב הדיפוזיה פרופורציונאלי להפרש הריכוזים. ניתן לראות זאת במשוואה עצמה:

בנוסחה D הוא מקדם הדיפוזיה, C△ הוא הפרש ריכוזים ו-X△ מרחק הדיפוזיה (במקרה שלנו, עובי הממברנה). משוואה זו מתחשבת בשטח הפנים (A) וחשוב לשים לב שהדבר משפיע גם על היחידות של השטף שהן [mol/s] ביחס למשוואה ללא שטח פנים בה היחידות הן [mol/m^2s]. ניתן לראות על פי המשוואה שהגדלת שטח הפנים תגרום להגדלת הדיפוזיה. אפשר להבין נקודה זו גם באופן אינטואיטיבי, ככל שהשטח דרכו חומר עובר גדול יותר, יותר חומר יכול לעבור בכל נקודת זמן. בחלק שלילת מסיחים נראה מדוע כל שאר המסיחים גורמים להקטנת השטף.

שלילת המסיחים

הגדלת המרחק על פניו מתבצעת הדיפוזיה תקטין את השטף וניתן לראות זאת בבירור במשוואת הדיפוזיה: המרחק ממוקם במכנה ככה שככל שהמרחק גדל (לצורך עניינו מדובר בעובי הממברנה) השטף קטן.

ג. צמיגות המדיום תקטין גם היא את השטף וניתן להבין זאת גם אינטואיטיבית – יותר קשה לחומר לעבור בג’ל מאשר מטווח מימי. בנוסחה זו מבוטא במקדם הדיפוזיה, D, שעל פי נוסחאת Stokes-Einstein איבר זה מחושב באופן הבא: D=-kT/6πrƞ כאשרk הוא קבוע בולצמן, T מייצג טמפרטורה בקלווין, r רדיוס המולקולה ו- ƞ צמיגיות המדיום. גם במקרה זה הצמיגות ממוקמת במכנה ולכן ככל שהיא תגדל כך השטף יקטן.

ד. ככל שחומר מסיס יותר במים הדבר יפגע ביכולת שלו לעבור דרך ממברנה שהיא תווך שומני ולפיכך יוריד גם כן את השטף.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 10-11(דיפוזיה).

נושא: פיזיולוגיה תת נושא: הומאוסטזיס תת-תת נושא: דיפוזיה
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 1

במה השאלה עוסקת: אפקט דונאן כפול
תשובה א’. מערכת גיבס-דונן מטרתה להסביר כיצד נוצר הפרש מתחים מצידי הממברנה. במערכת גיבס-דונן ישנם שני תאים המופרדים בממברנה, כאשר תא אחד מכיל מומס טעון שאינו חדיר דרך הממברנה. חוסר חדירות המומס גוררת תנועת מומסים נוספים כך שבסוף נוצר הפרש מטענים על גבי הממברנה.

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 (ראה מתח ממברנה בעמוד 31) ← 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 ← הגענו ל-“שיווי משקל גיבס-דונן”. נשים לב כי בשיווי משקל זה ישנו הפרש אוסמולריות בין התמיסות. הפרש האוסמולריות בין המדורים יוצר לחץ אוסמוטי המושך מים מתמיסה B ל-A, אך במערכת המתוארת תנועת המים לא מתאפשרת כיוון שהמיכלים כבר מלאים. מה קורה במערכת ביולוגית בה אחד המיכלים הוא הנוזל התוך תאי? במקרה כזה כן מתאפשרת כניסת מים כיוון שדפנות התא גמישות. עקב כניסת המים לתמיסה A (תוך התא) ריכוז הכלור יורד, כלור כבר אינו בשיווי משקל ולכן כלור נוסף עובר מתמיסה B. בעקבות הכלור הנוסף שעבר יעברו שוב נתרן ומים וחוזר חלילה. תהליך זה גורם להצטברות מומסים ומים בצורה לא שוויונית, דבר שיכול לסכן את התאים. הפתרון לבעיה זו טמון בחוסר החדירות של נתרן, במה שנקרא “אפקט דונן כפול” (double Donnan). כל מעגל תנועת המומסים והמים התחיל כי במדור A יש אניון בלתי חדיר. אפקט דונן כפול מתבסס על העובדה כי יוני נתרן כמעט ואינם חודרים את ממברנת התא וגם המעט שכן מצליח להיכנס לתא מיד מוצא החוצה על ידי משאבת הנתרן-אשלגן. כלומר בפועל הנתרן הוא קטיון בלתי חדיר. אם כן, כיצד יראה האפקט כאשר הממברנה אינה חדירה לנתרן: כלור עבר בדיפוזיה מתמיסה B לתמיסה A במורד מפל הריכוזים שלו ← דיפוזיה זו גורמת לתמיסה A להיות טעונה שלילית ביחס לתמיסה B ← הכלור יוצר הפרש מתחים, פנים התא שלילי יותר מהחוץ ← נתרן רוצה להיכנס אבל הוא הוא לא יכול. התהליך נעצר והתוצאה היא מתח ממברנה ששווה לפוטנציאל שיווי משקל של כלור (ראו בהמשך).

להרחבה- Bern & Levy מהדורה 8 עמוד 25

נושא: פיזיולוגיה תת נושא: הומאוסטזיס תת-תת נושא: מערכת גיבס דונאן
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 2

במה השאלה עוסקת: shunting inhibition
תשובה ב’. Shunting inhibition היא תופעה בה יש ירידה בהסתברות ירי פוטנציאל פעולה, אך הירידה לא נעשית בעזרת היפר-פולריזציה ולכן היא נחבאת.
נסתכל על חוק אוהם – V=IR. אם פתחנו תעלות כלור לאורך הדנדריט אשר פוטנציאל נרנסט שלהם נמוך ממתח הסף, ה- R (ההתנגדות הממברנלית של הממברנה) יקטן. עכשיו אם נפתח בסמוך תעלה לנתרן עקב הגירוי שנתן החוקר, עבור אותו זרם שיכנס לממברנה נקבל שינוי מתח קטן יותר. מבחינה מתמטית בגלל ש-R קטן. מבחינה ביולוגית מכיוון שיוני הכלור יכולים לזרום דרך תעלות הכלור הפתוחות ו”לתקן” את הדה-פולרזציה שגורם הנתרן. במילים פשוטות יותר, תהייה “דליפה” של הזרם ובעקבות כך דעיכה של שינוי המתח שיקרה בעקבות הגירוי שייתן החוקר, והגירוי יגיע למרחק קטן יותר (קבוע המרחק יקטן עם הירידה בהתנגדות הממברנלית).

ובהרחבה:
נזכור כי בעוד שפוטנציאל נרנסט של נתרן תמיד שואף לסביבות +60mV ואשלגן ל–100mV, ישנו מגוון רחב יותר של פוטנציאלי היפוך שניתן למצוא לכלור.
שני המקרים בתמונה מתארים את ההשפעה של פתיחת תעלות כלור על מתח הממבנרה:
מקרה עליון – במקרה זה נפתחו תעלות של כלור כאשר פוטנציאל ההיפוך שלו זהה למתח הממברנה. כעת מוליכות הכלור (g) גבוהה והכוח המניע שלו שווה לאפס, לכן אנו לא רואים שינוי במתח הממברנה. אך אם יפתחו גם תעלות נתרן לדוגמא (בעקבות הגירוי שנתן החוקר), הנתרן יתחיל לזרום פנימה ולגרום לדה-פולריזציה. שינוי המתח יגרום להגדלת הכוח המניע של כלור כיוון שהוא שואף למתח המקורי ועקב כך לזרם כלור אשר יתנגד לדה-פולריזציה. כך למרות שלאחר פתיחת תעלות הכלור לא ראינו שינוי ואף יכולנו לחשוב שהן לא נפתחו, אנו רואים כי התגובה לפתיחת תעלות הנתרן קטנה יותר.
מקרה תחתון – במקרה זה פתחנו תעלות כלור אשר גרמו לדה פולריזציה קטנה אך שאינה מספיקה לפוטנציאל פעולה. מרגע פתיחת התעלות שוב מוליכות הכלור גבוהה והוא יהווה עוגן שלא נותן למתח הממברנה להשתנות מעבר לפוטנציאל נרנסט שלו. אם לאחר פתיחת התעלות יפתחו גם תעלות נתרן, הן יגרמו לדה פולריזציה אשר זרם הכלור יתנגד אליה, בדיוק כמו בדוגמא העליונה. ההבדל העיקרי בין שני המקרים הוא שבמקרה זה פוטנציאל ההיפוך של כלור מעט חיובי יותר ממתח הממברנה במנוחה, אך גם כאן קיבוע המתח בערך הנמוך ממתח הסף פוגע בהסתברות לירי.

להרחבה- , Bern & Levy מהדורה 7 עמוד 94
נושא: פיזיולוגיה תת נושא: נוירוביולוגיה תת-תת נושא: אינטגרציה סינפטית ובקרה על פעילות סינפטית
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 6

במה השאלה עוסקת: שטף דרך ממברנה

תשובה ד. בשאלה זו נתון יון הנמצא משני צדדיה של ממברנת התא, כאשר ריכוזו מחוץ לתא גבוה מריכוזו בתוך התא. כלומר, יש לו מפל ריכוזים שכיוונו פנימה לתוך התא. כעת נשאלתם איזו מן העקומות מתארת בצורה טובה יותר את שטף המולקולה. כזכור שטף תלוי במפל הריכוזים לפי הנוסחה הבאה:
ואכן הפרמטר היחידי שמשתנה במערכת הזו לאורך זמן הוא מפל הריכוזים. הסיבה לכך היא שהיון חודר את הממברנה ולמעשה מקטין את מפל הריכוזים לאורך זמן וזה יגרום גם להקטנה של השטף. לפיכך כבר בנקודה זו ניתן לבודד שתי עקומות מתוך השאלה שהן ג’ ו-ד’ פשוט כיון ששתיהן מראות מגמת ירידה של השטף לאורך זמן כפי שאנו מצפים לראות. כעת ננסה להבין מדוע דווקא עקומה ד’ היא הנכונה ולשם כך ניעזר בחוק השני של פיק. החוק השני של פיק מתאר את השינוי במפל הריכוזים כפונקציה של זמן. על פי החוק הראשון של פיק, השטף תלוי במפל הריכוזים כך שככל שמפל הריכוזים גדל כך גדל גם השטף. מאידך, השטף עצמו מקטין את מפל הריכוזים שמניע אותו, ועל כן ככל שעובר הזמן כך השטף קטן, כי הריכוזים בשני המדורים משתווים בהדרגה. בהתחלה מפל הריכוזים הוא הכי גדול ובהתאמה גם השטף הוא הכי גדול, אולם לקראת ההגעה לשיווי משקל, כמעט ואין תנועה של היון והשטף איטי יותר כפועל יוצא של מפל הריכוזים שקטן.

שלילת מסיחים:

א. עקומה זו מציגה עליה של השטף לאורך זמן. מגמה זו בעייתית כיון שמפל הריכוזים קטן ככל שיותר יונים חוצים את הממברנה, וככל שמפל הריכוזים קטן השטף גם הוא קטן.

ב. עקומה זו מציגה עליה של השטף לאורך זמן. מגמה זו בעייתית כיון שמפל הריכוזים קטן ככל שיותר יונים חוצים את הממברנה, וככל שמפל הריכוזים קטן השטף גם הוא קטן.

ג. עקומה זו מציגה מגמה נכונה של ירידה בשטף לאורך זמן, אך המגמה הינה ליניארית וזאת בניגוד למה שהיינו מצפים לראות במצב זה. הסיבה לכך כאמור היא שהשטף תלוי במפל הריכוזים אך גם משפיע עליו. כאשר השטף מקטין את מפל הריכוזים הוא למעשה גם מקטין את עצמו.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 6-8 (מכניזם של טרנספורט ממברנלי); 10-11 (דיפוזיה).

נושא: פיזיולוגיה תת נושא: הומאוסטזיס תת-תת נושא: דיפוזיה, טרנספורט ממברנלי
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 1

במה השאלה עוסקת: הולכה פאסיביות של הממברנה
תשובה א.
קיבוליות הממברנה – הממברנה מתנהגת כמו קבל, כלומר היא מסוגלת לאגור מטענים חיוביים מצד אחד ושליליים מהצד השני. מרכיבי המשוואה ומשמעותם (אין צורך לזכור את הנוסחא, רק להבין ממה מושפעת הקיבוליות):
אפסילון – קבוע דיאקלטרי של הקבל. מייצג את תכונות החומר שבונות את הקבל, כלומר את התכונות הממברנה במקרה שלנו. מכיוון שאנו מתייחסים כל הממברנות כזהות, כך גם הקבועים הדיאלקטרים של כולן זהים.
A-שטח הפנים. ככל שהממברנה גדולה יותר, יש לה יותר מקום לאגור מטענים ולכן יכולת הקיבול שלה עולה. מה יכול לשנות את שטח הפנים? אם נשווה בין שתי חתיכות ממברנה בעלות גודל שונה.
d – המרחק בין לוחות הקבל, או עובי הממברנה במקרה שלנו. ככל שהמרחק קטן יותר כך המטענים משני צידי הממברנה מרגישים את המשיכה החשמלית טוב יותר, דבר שמקבע אותם לממברנה. ההישארות ליד הממברנה מאפשר לממברנה לאגור יותר מטענים. ככל שעובי הממברנה גדל, כך המטענים מרגישים פחות משיכה חשמלית וחופשיים להסתובב בתוך/חוץ התא. מה יכול להגדיל את הממברנה? את הממברנה עצמה אי אפשר להגדיל, אבל אפשר להוסיף עליה שכבות נוספות של ממברנה, זו מעטפת המיאלין.
מהירות השינוי של מתח הממברנה בעקבות הזרמת זרם ריבועי מסוים תלויה בתכונות הממברנה ומחושבת על ידי טאו- קבוע הזמן. כלומר, טאו מהווה מדד למהירות טעינת/פריקת הממברנה.
τ=R_m×C_m
כאשר Rm הוא התנגדות הממברנה ו-Cm הוא קיבולה. מה משמעות הערך טאו? זהו הזמן הלוקח למתח הממברנה להגיע ל-63% מערכו המקסימאלי או הזמן הלוקח למתח לדעוך ל-37% מערכו המקסימאלי.
ככל שטאו גדול יותר לוקח יותר זמן לטעון את הממברנה.
ניתן להגדיל את טאו על ידי הגדלת הקיבוליות או ההתנגדות הממברנה. בעת איחוי הוסיקולות, הממברנה שלהן מתמזגת עם ממברנת התא, כך ששטח הפנים של הממברנה עולה (A). עם זאת, הוסיקולות ללא חלבונים (כלומר= ללא נשאים או תעלות), כך שהוספת הממברנה לא מעלה את ההתנגדות הממברנלית. עלייה בשטח הפנים כאמור מובילה לעלייה בקיבוליות הממברנה (הממברנה תאגור טוב יותר מטענים משני צדדיה), דבר שיוביל לעלייה בטאו.
להרחבה- , Bern & Levy מהדורה 8 עמוד 63-66

נושא: פיזיולוגיה תת נושא: נוירוביולוגיה תת-תת נושא: תכונות חשמליות פאסיביות של הממברנה
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 5

במה השאלה עוסקת: טוניות

תשובה ג. כדי לענות על השאלה תחילה ניזכר במושג טוניות. 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. בשאלה זו התא היה בתמיסה איזוטונית, כלומר עם אותה כמות מומסים אפקטיביים ולכן נפח התא לא השתנה. התא מועבר לתמיסה היפרטונית, וכיוון שהמומסים הינם מומסים אפקטיביים, הם אינם חוצים את הממברנה, ומים חוצים את הממברנה בכדי להשוות ערכי אוסמולריות ולהפוך את התמיסה לאיזוטונית. כיוון המים הוא החוצה מהתא כיון שמחוץ לתא יש יותר מומסים (תמיסה היפרטונית) והמים “מוהלים” את אותם מומסים ולמעשה מורידים את האוסמולריות של התמיסה החיצונית. לאחר יציאת מים, התא והתמיסה החיצונית איזוטוניים והאוסמולריות של התא גדלה ונפחו קטן. בשלב הבא התא מוחזר לתמיסה א’, שהייתה איזוטונית בתחילת הניסוי אך כעת היא היפוטונית לתא. הסיבה לכך היא שתמיסה א’ הייתה איזוטונית לתא באוסמולריות מסוימת, אך לאחר החשיפה לתמיסה היפרטונית, אוסמולריות התא עלתה עקב יציאת מים. כעת, כדי שהתא ותמיסה א’ יהיו איזוטוניים, מים נכנסים לתא ומשווים את ערכי האוסמולריות שלו ושל הסביבה החיצונית. כניסת המים מעלה את נפחו של התא והוא חוזר לערך האוסמולרי המקורי מתחילת הניסוי.

שלילת מסיחים:

א. התא אכן יתכווץ לאחר המעבר לתמיסה ב’, אך בחזרה לתמיסה א’ הוא יתנפח כיון שהאוסמולריות שלו השתנתה בזמן שהיה בתמיסה ב’. אמנם התמיסה הייתה איזוטונית לתא בתחילת הניסוי אך הוא עבר מניפולציה שגרמה לו לעליה באוסמולריות.

ב. לאחר המעבר לתמיסה ב’ התא יתכווץ ולא יתנפח. תמיסה ב’ היא היפרטונית לתא ולכן התא יוציא מים בכדי להשוות ערכי אוסמולריות והוצאת המים תגרום לכווצו.

ד. התא אכן יתכווץ לאחר המעבר לתמיסה ב’, אך בחזרה לתמיסה א’ הוא יתנפח ולא יתכווץ יותר. תמיסה א’ היא היפוטונית ביחס לתמיסה ב’ לפי ההגדרה, ולכן לא ייתכן שהחזרה לתמיסה א’ תהווה עבור התא סביבה אף יותר היפרטונית מתמיסה ב’ ועל כן מסיח זה נפסל.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 12-16 (אוסמוזה).

נושא: פיזיולוגיה תת נושא: הומאוסטזיס תת-תת נושא:אוסמוזה, אוסמולליות, אוסמולריות וטוניות
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 1

במה עוסקת השאלה: Myotonia congenita
תשובה ב. במחלת ה- Myotonia congenita ישנם כיווצי שרירים מוגברים וקושי בהרפיית השרירים לאחר הפעלתם. המחלה נגרמת כתוצאה ממוטציה בגן המקודד לתעלת כלור תלויות מתח הנקרא CLCN1. בשל פגיעה בתעלות הכלור נפגעת יכולת הרה-פולריזציה של הממברנה וייצוב מתח המנוחה מה שמוביל לפוטנציאלי פעולה ספונטניים וממושכים יותר

להרחבה- Bern & Levy מהדורה 8 עמוד 248

נושא: פיזיולוגיה תת נושא: סינפסה ושריר שלד תת-תת נושא: צימוד אלקטרומכני בין עירור-התכווצות ומדולציה של עוצמת הכיווץ
שם ספר: berne&levy, מהדורה 8 מס’ פרק: 12