פוטנציאל הפעולה – הולכת אותות חשמליים בגוף

לצורך העברה מהירה ויעילה של מידע בין תאי עצב או תאי שריר, הגוף משתמש בתהליך חשמלי שנקרא "פוטנציאל פעולה", שבמסגרתו המידע עובר בצורה של אות חשמלי מקצה אחד של התא אל קצהו השני (מרחק שיכול במקרים מסוימים להגיע ליותר ממטר). האות החשמלי מחזיק מעמד במעבר שלו לכל אורך התא בזכות שינויים שחלים בתח בממברנה של התא, בעקבות מעבר יונים (אטומים טעונים חשמלית) דרך תעלות יונים מיוחדות שנפתחות ונסגרות באופן מתואם.

הסרטון שלפנינו מסביר איך נוצר פוטנציאל הפעולה ואיזה תפקיד ממלאות בו תעלות הנתרן. הסרטון מלווה בדיבוב אנגלי, לכן הוספתי לו תרגום וכתבתי הסברים בהמשך העמוד.

הסרטון הופק בידי Takethewind בשיתוף עם הארגון הפורטוגלי למדעי העצב. תרגום: צוות דוידסון אונליין

התפקיד הבסיסי של תאי עצב (נוירונים) הוא לקבל, להוליך ולהעביר אותות. התאים מוליכים את האות החשמלי בתור פוטנציאל פעולה, שיכול לעבור מרחקים גדולים לאורך זנב התא (האקסון, או סיב עצבי) בלי לדעוך.

כדי לשמור על עוצמתו של האות לאורך זמן, התא צריך להגביר אותו כל הזמן לאורך הדרך, אחרת האות ידעך. השחקניות המרכזיות בתהליך זה הן תעלות נתרן תלויות מתח בדופן התא, שעוברות סדרה של שינויים מבניים (שינויי קונפורמציה) מחזוריים ומתוזמנים היטב. כשעובר פוטנציאל פעולה, תעלות הנתרן נפתחות בתגובה לעלייה במתח הממברנה (דפולריזציה), יוני נתרן זורמים לתוך התא ומעלים את המתח בממברנה. בתוך אלפית השנייה מתחילת זרימת היונים, תעלות הנתרן נסגרות ועוברות למצב בלתי פעיל שבו הן אינן נפתחות יותר בתגובה למתח. בדרך הזו (אינאקטיבציה), הממברנה משתקמת במהירות אחרי שפוטנציאל הפעולה חלף לאורכה. תעלות הנתרן חוזרות למצב הסגור ה"רגיל", כדי שיוכלו להיפתח שוב בפעם הבאה שיעבור פוטנציאל פעולה לאורך דופן התא.

עכשיו נבחן את המצב המשתנה של תעלת נתרן כשנוצר פוטנציאל הפעולה. כל עוד אין גירוי חשמלי, תעלות הנתרן נשארות סגורות ומתח הממבנה נשאר קבוע, בסביבות מינוס 80 מיליוולט. כשמתח הממברנה עולה בתגובה לזרם חשמלי, חלק מתעלות הנתרן נפתחות ומאפשרות לנתרן (יון טעון חיובית המצוי בריכוז גבוה מחוץ לתא) להיכנס לתא בהתאם למפל האלקטרוכימי (פער הריכוזים והמטענים בין החלל הפנימי של התא לחלל הבין-תאי). ככל שהמתח מתגבר, יותר תעלות נתרן נפתחות, מאפשרות ליותר יוני נתרן להיכנס לתא, ומתח הממברנה עולה בהדרגה עד שהוא מתייצב במתח של בערך 40 מיליוולט. בשלב הזה תעלות הנתרן נסגרות במצב שלא מאפשר יותר פתיחה תלוית מתח. התעלות נשארות במצב הזה במשך עוד כמה אלפיות שנייה אחרי שהממברנה חוזרת למצב המנוחה שלה.

פוטנציאל הפעולה מתקדם לאורך הממברנה בכיוון אחד בלבד, לעבר קצה התא (קצה האקסון). אם בוחנים את מצב תעלות הנתרן לאורך הממברנה  ניתן לראות מדוע זה קורה. כאשר מתח הממברנה עולה, תעלות הנתרן נפתחות ויוני נתרן נכנסים פנימה לתא. בעקבות זאת עולה המתח החשמלי באזורים שכנים בממברנה, תעלות הנתרן נפתחות גם בהם ופוטנציאל הפעולה מתקדם. מאחר שתעלות הנתרן שפעלו נסגרות מחדש בלי קשר למתח, פוטנציאל הפעולה לא יכול לנוע אחורה בתא.

רכיב נוסף, לא פחות חשוב, הוא תעלות האשלגן תלויות המתח שמוליכות יוני אשלגן (בעלי מטען זהה לנתרן רק שריכוזו גבוה יותר בתוך התא) בכיוון ההפוך (מהתא החוצה). התעלות האלו עוזרת לממברנה לחזור למתח המנוחה שלה, מאחר שהן נפתחות כשהמתח בממברנה גבוה והשפעתן מנוגדת לזו של תעלות הנתרן. קצת לפני שתעלות הנתרן נסגרות, תעלות האשלגן נפתחות וממתנות את העלייה במתח הממברנה. כשתעלות הנתרן נסגרות, תעלות האשלגן מורידות באופן דרסטי את מתח הממברנה, אל מתחת למתח המנוחה (היפרפולריזציה) ואז נסגרות. לאחר מכן רמת המתח בממברנה חוזר למתח המנוחה.

פוטנציאל הפעולה אינו דועך גם תודות למעטפת שומנית מבודדת סביב תא העצב הנקרא מיאלין. רכיב נוסף שמאפשר את קיום פוטנציאל הפעולה (ועוד פעולות תאיות רבות אחרות) הוא משאבת הנתרן/אשלגן שמוציאה מהתא יוני נתרן ומכניסה יוני אשלגן, (בניגוד למפל הריכוזים) תוך שימוש באנרגית ATP. המשאבות האלה פועלות ללא הרף בכל תאי הגוף ומאפשרות תהליכים רבים.

ארז גרטי
המחלקה לכימיה ביולוגית
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בתגובה לכתבה זו ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.