שאלון מערכת: שיעורי בית פיזיולוגיה 2

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: 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: 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: שלבי פוטנציאל הפעולה

תשובה ג. שיא פוטנציאל הפעולה הוא הנקודה בה זרם הנתרן וזרם האשלגן שווים בגודלם ומנוגדים בכיוונם. בשלב הבא, שלב הרה-פולריזציה, מתח הממברנה יורד משיא הפוטנציאל פעולה (פ”פ) ונהיה שלילי יותר. בשלב זה המוליכות לאשלגן גוברת עוד יותר ומתגברת על המוליכות לנתרן שהולכת ופוחתת.
הסיבות לכך נעוצות בקינטיקה של תעלות נתרן ותעלות אשלגן תלויות מתח. תעלות נתרן תלויות מתח נפתחות מהר אך גם נכנסות לאינאקטיבציה מהר, בעוד שתעלות אשלגן נפתחות לאט ונסגרות לאט (ללא שלב האינאקטיבציה). עקב הפתיחה האיטית של תעלות אשלגן תלויות מתח, השלב היורד של פוטנציאל הפעולה, הוא השלב בו המוליכות לאשלגן מגיעה לשיא וזרם האשלגן מתגבר על זרם הנתרן.
בשלב שבו מתח הממברנה שלילי במיוחד (שלב ד’) אנו קרובים לפוטנציאל שיווי המשקל של אשלגן ולכן תעלות האשלגן תלויות המתח מגיבות ונסגרות (באיטיות). כלומר המוליכות בשלב זה נמוכה יותר וזאת כיון שחלק מתעלות האשלגן כבר נסגרו. חשוב לציין שבמנוחה ובזמן פ”פ ישנן תעלות אשלגן פסיביות המכונות תעלות דלף, שמוציאות אשלגן מהתא, אולם מה שמעלה את המוליכות לאשלגן באופן ניכר הוא תעלות האשלגן תלויות מתח.

שלילת מסיחים:

א. בשלב זה של פוטנציאל הפעולה תעלות נתרן תלויות מתח נפתחות, כל תעלה בהתאם לסף הפתיחה שלה. כאמור, לתעלות אשלגן תלויות מתח קינטיקה איטית יותר מלתעלות נתרן ולכן המוליכות לאשלגן בנקודה זו נמוכה יותר ביחס להמשך הפוטנציאל פעולה.

ב. שלב זה הוא השלב בו מוליכות האשלגן היא בערך כמחצית מהמוליכות המקסימאלית כיון שלא כל תעלות השלאגן תלויות מתח נפתחו. האינאקטיבציה של תעלות נתרן מאפשרת לזרם האשלגן לגבור על זרם הנתרן.

ד. בשלב זה חלק מתעלות האשלגן תלויות מתח נסגרו כבר וחלק עדיין פתוחות. תעלות האשלגן תלויות המתח שנשארו פתוחות מאפשרות למתח הממברנה להתקרב למתח שיווי המשקל של אשלגן, אולם הדבר לא קובע כי המוליכות גדולה יותר מאשר המוליכות בשלב שבסעיף ג’. למעשה המוליכות קטנה יותר מאשר בעת הרה-פולריזציה בגלל שחלק מתעלות האשלגן תלויות המתח כבר נסגרו. לאחר שכל תעלות האשלגן תלויות המתח נסגרו, משאבת נתרן/אשלגן תורמת להחזרת מתח הממברנה למתח המנוחה, באמצעות שימור מפל היונים הקיים במתח מנוחה.

הערה – מומלץ להסתכל על הגרף שמתאר את מוליכויות היונים בעת פוטנציאל הפעולה. הגרף מופיע ב- Kandel מהדורה 5, עמוד 158 (פרק 7 איור 10).

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 63-81 (פ”פ).

במה השאלה עוסקת: פוטנציאל פעולה

תשובה ג. זרמי היונים השונים הם אלו שיוצרים את צורתו של פוטנציאל הפעולה כאשר כל יון מושך את מתח הממברנה לכיוון פוטנציאל שיווי המשקל שלו. בתחילת פוטנציאל הפעולה המוליכות לנתרן גדלה ולכן מתח הממברנה עולה לכיוון פוטנציאל שיווי המשקל של נתרן. נתרן נכנס לתא לאחר פתיחת תעלות נתרן תלויות מתח, ובעקבות כניסת נתרן הטעון חיובית מתח הממברנה עולה. נתרן נכנס בהתאם לפוטנציאל האלקטרוכימי שלו. ריכוזו של נתרן בתוך התא קטן בהרבה מאשר חוץ התא ולכן יש לו כוח מניע להיכנס. בנוסף, כאשר נתרן מתחיל להיכנס לתא מתח הממברנה הינו שלילי ולכן יש לו גם כוח מניע חשמלי להיכנס לתא. לתעלות אשלגן תלויות מתח קינטיקה איטית יותר מלתעלות נתרן, והן נפתחות ונסגרות באיחור. אשלגן שריכוזו בתוך התא גבוה בהרבה מריכוזו בחוץ, יוצא מן התא ומוריד את מתח הממברנה לכיוון פוטנציאל שיווי המשקל שלו. למעשה נקודת השיא של פוטנציאל הפעולה היא הנקודה בה זרמי הנתרן והאשלגן משתווים, ובחלק היורד, כלומר שלב הרה-פולריזציה, אשלגן הוא היון העיקרי הקובע את מתח הממברנה. לסיכום, מוליכות היונים בתעלות תלויות מתח משתנה בהתאם למתח הממברנה ובהתאם לקינטיקה ותכונות התעלה. למשל בנוסף לקינטיקה השונה של התעלות, לתעלת נתרן תלוית מתח יש גם שער אינאקטיבציה שהופך את פעילות התעלה לקצרה, בעוד שלתעלת אשלגן אין שער אינאקטיבציה. כמו כן, ככל שמתח הממברנה יורד, מוליכות האשלגן יורדת כיוון שתעלות אשלגן תלויות מתח נסגרות. כיון שלתעלת האשלגן קינטיקה איטית, הדבר לא קורה מידית ומאפשר חזרה למתח המנוחה.

שלילת מסיחים:

א. פוטנציאל הפעולה הוא תוצאה של תנועת שני יונים עיקריים: נתרן ואשלגן. בנוסף לכך פוטנציאל הפעולה מושפע בעיקר מפתיחה וסגירה של תעלות תלויות מתח של יונים אלה, המגיבות לשינויים במתח הממברנה. כפי שמתואר מעלה, אשלגן הוא היון האחראי על שלב הרה-פולריזציה.

ב. במצב מנוחה וכן בזמן פ”פ ליוני נתרן כוח מניע להיכנס לתא ולא לצאת ממנו. כמו כן, פוטנציאל שיווי המשקל של נתרן הוא חיובי. לכן, תנועה של נתרן בהתאם לכוח המניע שלו, תמשוך את מתח הממברנה לכיוון פוטנציאל שיווי המשקל שלו, +55mv לערך, ולא לערכים שלילים.

ד. וויסות מתח הממברנה הוא בעיקר תוצאה של תנועת יונים ולא של מולקולות גדולות דוגמת חלבונים. כפי שמתואר מעלה, אשלגן הוא היון האחראי על שלב הרה-פולריזציה.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 63-81 (פוטנציאל פעולה); עמודים 11-12 (גרדיאנט אלקטרוכימי).

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).

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: מבנה ותפקוד חלקי תא העצב

תשובה ג. מוצא האקסון, מכונה גם תלולית האקסון (axon hillock), הוא האיזור בו האקסון מתחבר לגוף התא ובו מתרחשת הסכימה של פוטנציאלים פוסט סינפטים (post synaptic potentials). הפוטנציאל הפוסט סינפטי מגיע לתלולית האקסון מסינפסות שממוקמות בהסתעפויות השונות של העץ הדנדריטי או על גבי גוף התא עצמו. 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, כיון שבאמצעות מעגל משוב חיובי, תעלות הנתרן מגבירות בעצמן את המתח החיובי. למעשה, ככל שיש יותר תעלות נתרן תלויות מתח, הגברת המתח מתרחשת מהר יותר וביעילות גבוהה יותר.

שלילת מסיחים:

א. תא העצב מחולק לשלושה חלקים עיקריים: גוף התא, האקסון והעץ הדנדריטי. העץ הדנדריטי הוא האיזור שמקבל את רוב הקלט מנוירונים שכנים באמצעות סינפסות. האיזור בתמונה הוא אחת מההסתעפויות של העץ הדנדריטי. בנקודה זו אין סינפסה, אלא רק שלוחה של העץ הדנדריטי.

ב. זהו גרעין התא. תאי עצב הם תאים שיש להם פונקציה ברורה שהיא העברה של אותות חשמליים, אך יחד עם זאת, יש להם אלמנטים תאיים כמו כל תא אחר, כאשר אחד המרכזיים שבהם הוא גרעין התא. גרעין התא ממוקם בסומה (soma) שהיא גוף התא. גוף התא הוא האיזור שבין העץ הדנדריטי והאקסון.

ד. ישנם שלושה סוגי סינפסות עיקריים: סינפסה אקסודנדריטית (axodendritic), אקסוסומטית (axosomatic) ואקסואקסונית (axo-axonic). על פי קונוונציה החצי הראשון של המילה שייך לתא הפרה-סינפטי כלומר “אקסו” מתייחס לאקסון הפרה-סינפטי והחצי השני של המילה שייך לתא הפוסט סינפטי, בהתאם לאיזור שבו הסינפסה ממוקמת. הסינפסה במסיח זה היא סינפסה אקסוסומטית, כיון שהאקסון הפרה-סינפטי יוצר סינפסה עם גוף התא של הנוירון הפוסט-סינפטי. לרוב, סוג כזה של סינפסה מעבירה מתח אינהיביטורי והסיבה לכך היא שההשפעה של מתח אינהיביטורי באיזור זה משמעותית יותר מאשר ההשפעה שנוצרת מסינפסה אינהיביטורית בעץ הדנדריטי. דוגמה לזרם אינהיביטורי, שנכונה לרוב אוכלוסיות התאים, היא פתיחה של תעלות כלור המושך את מתח הממברנה לכיוון פוטנציאל שיווי המשקל שלו (שהוא בקירוב מתח הממברנה במנוחה) ובכך מתנגד לדה-פולריזציה של מתח הממברנה.

ה. סינפסה זו היא אקסודנדריטית כיון שהאקסון הפרה-סינפטי נפגש עם הנוירון הפוסט-סינפטי על גבי העץ הדנדריטי.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 50-55(מורפולוגית תא העצב); Kandel , מהדורה 5, עמוד 231 (סוגיסינפסות);עמודים 21-22 (מורפולוגית תא העצב).

במה השאלה עוסקת: היכרות עם חלקי תא העצב

תשובה ד. ישנם שלושה סוגי סינפסות עיקריים: סינפסה אקסודנדריטית (axodendritic), אקסוסומטית (axosomatic) ואקסואקסונית (axo-axonic). על פי קונוונציה החצי הראשון של המילה שייך לתא הפרה-סינפטי כלומר “אקסו” מתייחס לאקסון הפרה-סינפטי והחצי השני של המילה שייך לתא הפוסט סינפטי, בהתאם לאיזור שבו הסינפסה ממוקמת. הסינפסה בשאלה היא סינפסה אקסוסומטית, כיון שהאקסון הפרה-סינפטי יוצר סינפסה עם גוף התא של הנוירון הפוסט-סינפטי. לרוב, סוג כזה של סינפסה מעבירה מתח אינהיביטורי והסיבה לכך היא שההשפעה של מתח אינהיביטורי באיזור זה משמעותית יותר מאשר ההשפעה שנוצרת מסינפסה אינהיביטורית בעץ הדנדריטי. דוגמה לזרם אינהיביטורי, שנכונה לרוב אוכלוסיות התאים, היא פתיחה של תעלות כלור המושך את מתח הממברנה לכיוון פוטנציאל שיווי המשקל שלו (שהוא בקירוב מתח הממברנה במנוחה) ובכך מתנגד לדה-פולריזציה של מתח הממברנה.

שלילת מסיחים:

א. תא העצב מחולק לשלושה חלקים עיקריים: גוף התא, האקסון והעץ הדנדריטי. העץ הדנדריטי הוא האיזור שמקבל את רוב הקלט מנוירונים שכנים באמצעות סינפסות. האיזור בתמונה הוא אחת מההסתעפויות של העץ הדנדריטי. בנקודה זו אין סינפסה, אלא רק שלוחה של העץ הדנדריטי.

ב. זהו גרעין התא. תאי עצב הם תאים שיש להם פונקציה ברורה שהיא העברה של אותות חשמליים, אך יחד עם זאת, יש להם אלמנטים תאיים כמו כל תא אחר, כאשר אחד המרכזיים שבהם הוא גרעין התא. גרעין התא ממוקם בסומה (soma) שהיא גוף התא. גוף התא הוא האיזור שבין העץ הדנדריטי והאקסון.

ג. מוצא האקסון, מכונה גם תלולית האקסון (axon hillock), הוא האיזור בו האקסון מתחבר לגוף התא ובו מתרחשת הסכימה של פוטנציאלים פוסט סינפטים (post synaptic potentials). הפוטנציאל הפוסט סינפטי מגיע לתלולית האקסון מסינפסות שממוקמות בהסתעפויות השונות של העץ הדנדריטי או על גבי גוף התא עצמו. 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, כיון שבאמצעות מעגל משוב חיובי, תעלות הנתרן מגבירות בעצמן את המתח החיובי. למעשה, ככל שיש יותר תעלות נתרן תלויות מתח, הגברת המתח מתרחשת מהר יותר וביעילות גבוהה יותר.

ה. סינפסה זו היא אקסודנדריטית כיון שהאקסון הפרה-סינפטי נפגש עם הנוירון הפוסט-סינפטי על גבי העץ הדנדריטי.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 50-55(מורפולוגית תא העצב); Kandel , מהדורה 5, עמוד 231 (סוגי סינפסות);עמודים 21-22 (מורפולוגית תא העצב).

במה השאלה עוסקת: היכרות עם חלקי תא העצב

תשובה ה. ישנם שלושה סוגי סינפסות עיקריים: סינפסה אקסודנדריטית (axodendritic), אקסוסומטית (axosomatic) ואקסואקסונית (axo-axonic). על פי קונוונציה החצי הראשון של המילה שייך לתא הפרה-סינפטי כלומר “אקסו” מתייחס לאקסון הפרה-סינפטי והחצי השני של המילה שייך לתא הפוסט סינפטי, בהתאם לאיזור שבו הסינפסה ממוקמת. סינפסה זו היא אקסודנדריטית כיון שהאקסון הפרה-סינפטי נפגש עם הנוירון הפוסט-סינפטי על גבי העץ הדנדריטי.

שלילת מסיחים:

א. תא העצב מחולק לשלושה חלקים עיקריים: גוף התא, האקסון והעץ הדנדריטי. העץ הדנדריטי הוא האיזור שמקבל את רוב הקלט מנוירונים שכנים באמצעות סינפסות. האיזור בתמונה הוא אחת מההסתעפויות של העץ הדנדריטי. בנקודה זו אין סינפסה, אלא רק שלוחה של העץ הדנדריטי.

ב. זהו גרעין התא. תאי עצב הם תאים שיש להם פונקציה ברורה שהיא העברה של אותות חשמליים, אך יחד עם זאת, יש להם אלמנטים תאיים כמו כל תא אחר, כאשר אחד המרכזיים שבהם הוא גרעין התא. גרעין התא ממוקם בסומה (soma) שהיא גוף התא. גוף התא הוא האיזור שבין העץ הדנדריטי והאקסון.

ג. מוצא האקסון, מכונה גם תלולית האקסון (axon hillock), הוא האיזור בו האקסון מתחבר לגוף התא ובו מתרחשת הסכימה של פוטנציאלים פוסט סינפטים (post synaptic potentials). הפוטנציאל הפוסט סינפטי מגיע לתלולית האקסון מסינפסות שממוקמות בהסתעפויות השונות של העץ הדנדריטי או על גבי גוף התא עצמו. 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, כיון שבאמצעות מעגל משוב חיובי, תעלות הנתרן מגבירות בעצמן את המתח החיובי. למעשה, ככל שיש יותר תעלות נתרן תלויות מתח, הגברת המתח מתרחשת מהר יותר וביעילות גבוהה יותר.

ד. הסינפסה במסיח זה היא סינפסה אקסוסומטית, כיון שהאקסון הפרה-סינפטי יוצר סינפסה עם גוף התא של הנוירון הפוסט-סינפטי. לרוב, סוג כזה של סינפסה מעבירה מתח אינהיביטורי והסיבה לכך היא שההשפעה של מתח אינהיביטורי באיזור זה משמעותית יותר מאשר ההשפעה שנוצרת מסינפסה אינהיביטורית בעץ הדנדריטי. דוגמה לזרם אינהיביטורי, שנכונה לרוב אוכלוסיות התאים, היא פתיחה של תעלות כלור המושך את מתח הממברנה לכיוון פוטנציאל שיווי המשקל שלו (שהוא בקירוב מתח הממברנה במנוחה) ובכך מתנגד לדה-פולריזציה של מתח הממברנה.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 50-55(מורפולוגית תא העצב); Kandel , מהדורה 5, עמוד 231 (סוגי סינפסות);עמודים 21-22 (מורפולוגית תא העצב).

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: 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: שלבי פוטנציאל פעולה

תשובה ב. 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: שלבי פוטנציאל פעולה

תשובה ג. 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: שלבי פוטנציאל פעולה

תשובה ה. 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: פוטנציאל אלקטרוכימי
תשובה א. אם פוטנציאל שיווי המשקל של יון הכלור הוא -70mV אז כאשר מתח הממברנה נמוך מפוטנציאל שיווי המשקל, כלור יזרום החוצה (כיון שכלור הוא שלילי ומטרתו להפוך את מתח הממברנה לחיובי יותר). בעקבות יציאת הכלור מתח הממברנה יעלה כך שתיוצר דה-פולריזציה בממברנה.
שלילת מסיחים:
ב. מכיוון שכלור הוא יון שלילי, שטף של כלור החוצה יעלה את מתח הממברנה ויצור דה-פולריזציה.
ג. כאשר מתח הממברנה יהיה מעל פוטנציאל שיווי המשקל, הכלור יזרום פנימה.
ד. מכיוון שכלור הוא יון שלילי, שטף של כלור פנימה יוריד את מתח הממברנה ויצור היפר-פולריזציה.
להרחבה – Bern& Levy, מהדורה 8 עמודים 22-27 (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: פוטנציאל אלקטרוכימי
תשובה ד. על מנת להבין את כיוון תנועת היון, יש להשוות בין מתח הממברנה לבין פוטנציאל נרנסט של היון. כל עוד פוטנציאל נרנסט של היון שונה ממתח הממברנה, ליון יש כוח מניע ותנועה נטו לכיוון מסוים. היון “מנסה” להביא את מתח הממברנה לפוטנציאל נרנסט שלו. נעבור על כל התשובות בניסיון להבין מה תהייה כיוון התנועה של כל אחד מהיונים, וניווכח כי לא קיים מתח ממברנה בו תנועת כל היונים תהייה כלפי חוץ התא.

שלילת מסיחים:

א. במידה ומתח הממברנה יקובע על -50mV: פוטנציאל נרנסט של יון הנתרן יהיה גבוהה יותר ממתח הממברנה, ומכיון שנתרן הוא יון חיובי, הוא ייכנס לתא במטרה להביא לדה-פולריזציה ולקרב את מתח הממברנה לפוטנציאל נרנסט שלו. לעומתו, אשלגן יצא מהתא במטרה להביא להיפר-פולריזציה (כיון שהוא טעון חיובית) ולקרב את מתח הממברנה לפוטנציאל שיווי המשקל של אשלגן.

ב. במידה ומתח הממברנה יקובע על -100mV: פוטנציאל נרנסט של אשלגן ושל נתרן יהיה גבוה יותר ממתח הממברנה. כיוון שהם יונים חיוביים, הם ייכנסו אל התא על מנת לגרום לדה-פולריזציה ולקרב את מתח הממברנה לפוטנציאל נרנסט של כל אחד מהם. לעומתם, כלור טעון שלילית ולכן הוא יצא מן התא כדי לגרום לדה-פולריזציה ולקרב את מתח הממברנה לפוטנציאל שיווי המשקל שלו.

ג. במידה ומתח הממברנה יקובע על +80mV: פוטנציאל נרנסט של כלור יהיה נמוך יותר ממתח הממברנה, ומכיוון שכלור טעון שלילי, הוא יכנס אל התא על מנת לגרום להיפר-פוריזציה במטרה לקרב את מתח בממרנה לפוטנציאל נרנסט שלו. נתרן ואשלגן במקרה זה יצאו כיון שפוטנציאלי שיווי המשקל שלהם נמוכים ממתח הממברנה, ובעזיבתם הם למעשה גורמים להיפר-פולריזציה.

להרחבה – Berne& Levy, מהדורה 8, עמודים 22-27 (פוטנציאל הממברנה).

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: 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: 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 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: 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: מתח הממברנה

תשובה ב. שאלה זו קצת מסובכת להבנה אינטואיטיבית ללא שימוש בנוסחאות ולכן כדאי להכיר את הנוסחאות שכתובות בפתרון זה. מתח הממברנה נקבע לפי פוטנציאל נרנסט והמוליכות של כל יון בנפרד, כלומר באופן בלתי תלוי בשאר היונים. הנוסחה לפיה מחשבים פוטנציאל נרנסט היא הנוסחה הבאה:
כאשר Ex הוא פוטנציאל נרנסט, R קבוע הגזים, T טמפרטורה בקלווין Zx המטען החשמלי של היון, F קבוע פארדאי, Xo ריכוז היון מחוץ לתא ו-Xi ריכוז היון בתוך התא. משתמע מנוסחה זו שפוטנציאל נרנסט של יון, או במילים אחרות פוטנציאל שיווי המשקל, משתנה בהתאם לריכוזי היון בשני צידי הממברנה. פוטנציאל נרנסט של נתרן הוא בדרך כלל באיזור +40 וכאשר אנו מקטינים את הריכוז התוך תאי אנחנו למעשה הופכים את פוטנציאל נרנסט לחיובי יותר. ניתן לראות זאת במשוואה, כאשר מקטינים את הריכוז התוך תאי של נתרן, המכנה של הרכיב הלוגריטמי יקטן ובכך הערך של כלל הרכיב הלוגריטמי יגדל. כיון שהרכיב הלוגריטמי גדל, הערך של פוטנציאל נרנסט יגדל גם כן. כלומר, באמצעות הגדלה של גרדיאנט הריכוזים של נתרן, פוטנציאל שיווי המשקל שלו גדל והפך להיות חיובי יותר. אינטואיטיבית, ניתן להבין זאת באמצעות התהליך ההפוך. במידה והיינו מגדילים את כמות הנתרן בתא עד לנקודה שבה הריכוז של נתרן היה שווה משני צדי הממברנה, פוטנציאל נרנסט היה שווה לאפס. הסיבה לכך היא שנתרן נמצא בשיווי משקל. לפיכך, כאשר הקטנו את הריכוז התוך תאי של נתרן, הגדלנו את הפער בין חוץ התא ותוך התא והדבר גורם לשינוי לכיוון החיובי של פוטנציאל נרנסט.
מתח הממברנה ניתן לחישוב בעזרת משוואה שמשתמשת בערכי המוליכות ופוטנציאל נרנסט של אשלגן, נתרן וכלור. להלן המשוואה:
, כאשר Vm מתח הממברנה, Ex פוטנציאל נרנסט של יון x, Gx מולכיות של יון x ו-G∑ סכום כלל המוליכויות של שלושת היונים. כלומר, הפרמטרים שמשפיעים על מתח הממברנה הם המוליכות של יון ופוטנציאל נרנסט שלו. הנתון היחדי שהשתנה בשאלה זו (ביחס למצב מנוחה סטנדרטי) הוא הריכוז התוך תאי של נתרן, שמשפיע על פוטנציאל נרנסט של נתרן. כאמור, פוטנציאל נרנסט של נתרן יגדל, ועובדה זאת, לפי הנוסחה לחישוב מתח הממברנה, תוביל לעלייה במתח הממברנה. חשוב לציין שאמנם במצב מנוחה המוליכות לנתרן קטנה, אך היא אינה זניחה ויש לנתרן השפעה על מתח הממברנה.

שלילת מסיחים:

א. בשאלה פוטנציאל שיווי המשקל של נתרן הפך חיובי יותר ולכן מתח הממברנה הפך חיובי יותר אף הוא, כפי שמוסבר בתשובה לסעיף ב’. חשוב לציין שפוטנציאל נרנסט של יון מסוים יכול להשתנות במידה וריכוז היון משתנה באחד מצדי הממברנה. בתא, משאבת נתרן אשלגן שומרת על ריכוזים קבועים של נתרן ואשלגן בשני צדי הממברנה וכך גם על ערך קבוע של פוטנציאל נרנסט של נתרן ואשלגן.

ג. מתח הממברנה הוא פונקציה של מוליכות ופוטנציאל נרנסט של שלושה יונים עיקריים, נתרן אשלגן וכלור. כיון שהשפענו על פוטנציאל נרנט של נתרן, מתח הממברנה ישתנה.

ד. מתח הממברנה מחושב על ידי פוטנציאל נרנסט והמוליכות של כל יון בנפרד. כמו כן, פוטנציאל נרנסט של יון מסוים אינו מושפע מהיונים האחרים במערכת ומחושב רק על פי התכונות של היון הנבחן. בשאלה, הפרמטר היחידי שהשתנה ביחס למצב מנוחה סטנדרטי הוא הריכוז התוך תאי של נתרן. עקב כך, ניתן להתייחס רק לנתרן ולאופן שבו הוא משנה את מתח הממברנה ולהזניח את היונים הנוספים במערכת.

להרחבה – Bern & Levy, מהדורה 8 עמודים 11-12 (פוטנציאל נרנסט); 23-25 (מתח הממברנה).

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).

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 עוסקת השאלה: פוטנציאל פעול בעצב
תשובה ב’. (Tetraethylammonium (TEA – חוסם תעלות אשלגן תלויות מתח. 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.
להרחבה – Berne & Levy, מהדורה 8, עמוד 72

במה עוסקת השאלה: הולכה אקטיבית
תשובה ג’. נסתכל על הגרף הבא המתאר את מוליכויות כל אחד מהיונים במהלך פוטנציאל פעולה. נשים לב כי שיא המוליכות של נתרן מקדימה את שיא פוטנציאל הפעולה.
בנוסף, שיא המוליכות של אשלגן נמוכה יותר משיא המוליכות של נתרן והיא מגיעה בשלב מאוחר יותר במהלך פוטנציאל הפעולה.

להרחבה – Berne & Levy, מהדורה 8, עמוד 71

במה עוסקת השאלה: היפרקלמיה
תשובה ב’. דוגמא למנגנון דומה למתואר בשאלה ניתן לראות במחלת Primary hyperkalemic paralysis. המחלה 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 & Levy, מהדורה 8, עמוד 72