תעלות תלויות מתח:

החומר בהרצאה זו בונה על הבסיס של voltage gated channels מהרצאה 7 - תעלות יונית.

• מאפיינים:
  • תלות דואלית במתח: זרם היונים העובר דרך תעלה תלוית מתח מושפע ממתח הממברנה בשני מישורים במקביל:
    • הסתברות פתיחה :
      • מתח הממברנה משמש כרגולטור הקובע האם התעלה תיפתח.
      • במתחי מנוחה הסתברות הפתיחה שואפת לאפס. עם היווצרות דפולריזציה והיחלשות השדה החשמלי, ההסתברות עולה משמעותית.
    • כוח אלקטרומניע וזרם:
      • גם כשהתעלה פתוחה, עצמת הזרם וכיוונו תלויים לחלוטין במפל הריכוזים ובשדה החשמלי.
      • עוצמת הזרם פרופורציונלית למרחק של מתח הממברנה ממתח ההיפוך של היון. כאשר הממברנה נמצאת במתח ההיפוך, הזרם יהיה שווה לאפס.
  • עקרון אי-התלות (Independency):
    • התעלות תלויות המתח מתנהגות באופן בלתי תלוי זו בזו, פתיחה של תעלה אחת גורמת לכניסת זרם המשנה את מתח הממברנה הכללי באזור (דפולריזציה), והשינוי במתח הוא זה שמשפיע על הסתברות הפתיחה של התעלות השכנות, מה שמאפשר יצירת פוטנציאל פעולה.

תעלות נתרן תלויות מתח (Nav​):

• מבנה התעלה:

  • תעלת הנתרן בנויה מחלבון יחיד ענק (תת-יחידה אלפא) המקודד על ידי גן אחד, והיא מורכבת מארבעה דומיינים שונים (Domains I-IV).
  • כל דומיין מכיל שישה סגמנטים טרנסממברנליים (S1-S6).
  • חיישן המתח (Voltage Sensor):
    • הסגמנט הרביעי (S4) בכל דומיין מכיל חומצות אמינו עם מטענים חיוביים המשמשות כחיישן מתח.
    • במצב מנוחה (שדה חשמלי שלילי חזק בתוך התא), המטענים נמשכים פנימה ומשאירים את התעלה סגורה.
    • בעת דפולריזציה החיישן משתחרר וזז כלפי חוץ, מה שגורם מכנית לפתיחת נקבובית התעלה.
    • 

• סוגים בסביבה המרכזית:

  • קיימים תשעה סוגים שונים של תעלות נתרן (מסומנים כ-Nav​1.1 עד Nav​1.9), מתוכם שלושה מרכזיים במערכת העצבים המרכזית:
  • תעלות Nav​1.1:
    • מתבטאות באופן ובלעדי בנוירונים אינהיביטוריים.
  • תעלות Nav​1.2:
    • נמצאות בגופי התאים (Soma), בדנדריטים ובאקסונים שאינם עטופים במיאלין.
  • תעלות Nav​1.6:
    • מרוכזות ב מקטע האקסון ההתחלתי וכן במרווחי ראנוויה.
    • חשוב לציין שמתחת למעטפת המיאלין עצמה אין כלל ביטוי של תעלות נתרן.

• מחזור קינטי של תעלות הנתרן:

  • הקינטיקה של התעלות כוללת מעברים בין מצבים שונים המגדירים את מסלול הפעילות של התעלה:
    • אקטיבציה (Activation):
      • פתיחת התעלה בתגובה לדפולריזציה. תהליך מהיר המתרחש במיקרו-שניות מרגע הגעה לסף הפעולה, ומוביל לזרם נתרן פנימה.
    • אינאקטיבציה (Inactivation):
      • תהליך מהיר בו התעלה נחסמת לאחר הפתיחה למרות קיומה של דפולריזציה.
      • חסימה זו מבוצעת מכנית על ידי חלק מהחלבון (זנב ציטופלזמטי) שנכנס וחוסם את פתח התעלה מבפנים, כך שלא יוכל לעבור זרם נוסף בשיא פוטנציאל הפעולה
    • ראקטיבציה (Reactivation):
      • שחרור הזנב החוסם וחזרה ממצב של אינאקטיבציה למצב סגור הרגיש שוב לפתיחה.
      • תהליך זה מתרחש רק לאחר שהממברנה עוברת רפולריזציה למתחים שליליים (למשל מתחת ל 70-) וקצב התהליך תלוי בעומק ההיפרפולריזציה.
    • דאקטיבציה (Deactivation):
      • חזרה פשוטה של התעלה ממצב פתוח למצב סגור רגיל (ללא חסימה), כך שהיא מוכנה לפתיחה חוזרת באופן מיידי.

• תקופה רפרקטורית (Refractory Period):

  • תכונה רקמתית-תאית המונעת ייצור של פוטנציאל פעולה נוסף סמוך מידי לזה שקדם לו.
  • התקופה מבוססת מולקולרית על קינטיקת האינאקטיבציה והראקטיבציה של תעלות הנתרן:
    • רפרקטוריות מוחלטת (Absolute Refractory Period):
    • מצב בו רוב מוחלט של תעלות הנתרן מצויות באינאקטיבציה וזנב החלבון חוסם אותן.
    • גירוי, חזק ככל שיהיה, לא יוכל לעורר פוטנציאל פעולה חדש.
    • רפרקטוריות יחסית (Relative Refractory Period):
      • מתרחשת כאשר חלק מהתעלות כבר עברו ראקטיבציה בעוד חלק עדיין לא.
      • גירוי במצב זה ידרוש עוצמה רבה יותר ויניב פוטנציאל פעולה בעל אמפליטודה נמוכה יותר בשל מספר מוגבל של תעלות זמינות.
  • התפשטות חד-כיוונית של הסיגנל:
    • הרפרקטוריות של מקטעי האקסון שזה עתה עבר דרכם אות חשמלי מונעת מהסיגנל לחזור לאחור (Back-propagation), ומבטיחה את כיווניות התפשטות פוטנציאל הפעולה לכיוון קצה האקסון.

• זרם נתרן מתמשך (Persistent Sodium Current - INaP​):

  • תופעה חשמלית הנובעת מכשל זמני (המתרחש כפעם ב-10,000 שניות) במנגנון האינאקטיבציה של תעלת נתרן בודדת.

תעלות אשלגן תלויות מתח (Kv​):

• תכונות מרכזיות:
  • תעלות המסננות באופן אקסקלוסיבי יוני אשלגן.
  • קיימות במגוון עצום (כ-300 סוגים שונים של תת-יחידות אלפא, ממשפחות כגון Kv​1.1 עד Kv​12.3) עם קינטיקה משתנה בין המשפחות.
• עיכוב פתיחה ורפולריזציה:
  • לרוב תעלות האשלגן תלויות המתח אין מנגנון אינאקטיבציה אלא רק אקטיבציה ודאקטיבציה.
  • הן דורשות דפולריזציה חזקה יחסית כדי להיפתח וקצב התגובה שלהן איטי משמעותית מתעלות הנתרן.
  • תגובה מעוכבת זו קריטית לשם רפולריזציה יעילה של פוטנציאל הפעולה לאחר שהנתרן סיים לבצע דפולריזציה.
• יעילות אנרגטית של פוטנציאל הפעולה (Energy Efficiency):
  • בבעלי חיים מסוימים קיים פוטנציאל פעולה חסר יעילות אנרגטית, מכיוון שיש חפיפה משמעותית בין פעילות תעלות הנתרן וזרם האשלגן: התא מתאמץ לדחוף חיוביות פנימה בעוד האשלגן דוחף החוצה בו זמנית.
  • קיימת השערה, שביונקים התהליך יעיל מבחינה אנרגטית: תעלות האשלגן מתחילות להיפתח רק לאחר שיא פוטנציאל הפעולה, כאשר רוב תעלות הנתרן כבר נכנסו לאינאקטיבציה.
  • מנגנון אבולוציוני זה מונע משיכה של הממברנה לשני כיוונים מנוגדים חוסך משאבים רבים.

תעלות סידן תלויות מתח (Cav​):

• סלקטיביות וחדירות:
  • תעלות חלבון במבנה רציף אחד בעל ארבעה דומיינים (בדומה לנתרן).
  • המסנן שלהן סלקטיבי בקפידה ליונים בעלי ערכיות כפולה בלבד כמו סידן (Ca2+) או בריום (Ba2+), והן אינן מעבירות דרכן יונים חד-ערכיים.
• סף הפעלה בטיחותי:
  • התעלות דורשות מתחי ממברנה חיוביים משמעותית ביחס לתעלות נתרן כדי להיפתח (החל מאזור מינוס 30).
  • עיכוב זה משמש מנגנון בטיחות המבטיח שזרם הסידן, שלו השפעות תוך-תאיות משמעותית, יופעל רק במקרה של פוטנציאל פעולה מובהק ולא עקב תנודות סינפטיות מינוריות.
• קצב קינטי:
  • נחשבות תעלות "איטיות". בשל כך, עיקר כניסת הסידן מתרחשת לעיתים דווקא בשלבי הרפולריזציה.

תעלות HCN:

• פתיחה על ידי היפרפולריזציה:
  • קבוצה ייחודית של תעלות יוניות שדווקא היפרפולריזציה מובילה לפתיחתן, בניגוד לדפולריזציה שפותחת את שאר התעלות התלויות מתח.
• חדירות לא ספציפית:
  • המסנן מאפשר מעבר של קטיונים חד-ערכיים באופן כללי (מעבירות גם נתרן וגם אשלגן), אך מונעות כניסת סידן.
• אפנון על ידי נוקלאוטידים (Cyclic Nucleotides):
  • בחלקן התוך-תאי מצוי אתר קישור ספציפי למולקולת cAMP.
  • קישור השליח השניוני מעלה ישירות את הסתברות הפתיחה של התעלה בכל מתח נתון.
• חשיבות פונקציונלית:
  • תעלות אלו מעורבות בקביעת קצב פעימות הלב וביצירת קצבים שונים בנוירונים.

תעלות תלויות ליגנד (Ligand-Gated Channels):

• רצפטורים לאצטילכולין (nAChR - Nicotinic):
  • מבנה ואקטיבציה:
    • מורכבים מחמש תת-יחידות, כאשר לכל יחידה יש ארבעה סגמנטים טרנסממברנליים (M1-M4).
    • פתיחת התעלה מתאפשרת רק עם קשירה בו-זמנית של שתי מולקולות אצטילכולין לחלק החוץ-תאי של החלבון.
  • חדירות:
    • תעלות אלו בלתי ספציפיות בקרב קטיונים חד-ערכיים ומעבירות דרכן גם יוני נתרן וגם אשלגן.
  • 
• רצפטורים לגלוטמט (Glutamate Receptors):
  • רצפטורים מטבוטרופיים (mGluR): קולטנים שאינם תעלות בעצמם, אלא משתמשים במנגנון העברת אותות איטי דרך פירוק חלבוני G לשם יצירת השפעות ממושכות.
  • רצפטורים יונוטרופיים (iGluR): תעלות יוניות המשמשות כרצפטורים ישירים, המגיבות מידית לנוכחות גלוטמט במרווח הסינפטי.
  •