Miért ugrál terjedés közben az akciós potenciál?

Az akciós potenciál csúcsán a membránpotenciál értéke nagyon közel van a Na⁺ ionok egyensúlyi potenciáljához mivel nagyon sok csatorna nyílt ki (Na⁺gyékhoz az egész rokonság megérkezett és mindenki húzza a kötelet). Az akciós potenciál azért nagyon rövid, mert amikor a membránpotenciál pozitív irányba mozdul el kinyílnak a feszültség érzékeny K⁺ csatornák is és a sejtből kiáramló K⁺ ionok (egyensúlyi potenciáljuk -120mV) csökkentik a sejt belsejében a pozitív töltést. A nagy bulit látva K⁺

ovácsékhoz is megérkezik a rengeteg rokon, hogy visszacibálják a ponyvát. A membránpotenciál visszatér a nyugalmi szintre (-60mV). Persze a beáramlott Na⁺ és kiáramlott K⁺ ionokat az ioncserélő pumpák elkezdik vissza pumpálni. Mivel itt a koncentráció különbség ellen kell dolgozni, ezek a pumpák a sejtek valutáját az ATP-t használják fel. Igen sokat. A membránpotenciál fenntartása nagyon energiaigényes. Egy ember nyugalmi állapotban 100W energiát használ, ennek 20% át agyunk fogyasztja.
Az akciós potenciálnak azonban nem csak kialakulnia kell, hanem hatékonyan és gyorsan terjednie. Alapesetben a kialakult pozitív feszültség a fentebb részletezett módon (mint a kábelben a jel) terjed és terjedés közben legyengül, de közben további Na és K csatornákat nyit. Ez újra és újra történik, de mivel erős a gyengülés a jelterjedés viszonylag lassú. Ez a lassú terjedés nagyon hasonlít a focimeccseken a közönségben kialakuló hullámokra.

De hogyan lehetne ezen gyorsítani? Mint az előző bejegyzésben láttuk, erre két megoldást is adódik. A természet mindkettőt használja (akár egyszerre is).
Amikor Hodgkin és Huxley elvégezték Nobel díjat érdemelt kísérleteiket az idegsejtek membránpotenciáljának kialakulásáról és a jelterjedésről, egy igen furcsa kísérleti modellt használtak. A tengeri puhatestűek egyik képviselője a kalmár. A tintahal rokona, 10 karja van és vízsugár meghajtással közlekedik. Az átlagember panírozott vagy grillezett kalmár karikák formájában találkozik csak ezzel a tetszetős állattal. A kalmárra sokan vadásznak, ezért gyors menekülési reflexre van szüksége. Ahhoz, hogy nagy szemétől a menekülésre serkentő jel nagyon gyorsan jusson el a sugárhajtását vezérlő izmokig a kalmár egy igen vastag óriásaxont használ, ugyanis, ha egy nyúlvány vastag, nagy a keresztmetszete, akkor kis ellenállással tudja hosszában az áramot vezetni.

Míg egy emberi idegsejt axonjának átmérője 0.2 um, addig a kalmár óriásaxon átmérője 1.5mm (1500um), azaz 7500x nagyobb is lehet. A 1.5mm átmérőjű óriásaxon remek lehetőséget adott a kutatóknak, hogy belső és külső ionkoncentrációit megmérjék és az akciós potenciálok terjedési mechanizmusát megértsék.
Egy vékony szigeteletlen axon, mint amin például a meleg érzet terjed karunktól a gerincvelőig, 0,5-2,0 m/s sebességgel, azaz 2-7 km/órával, gyalogtempóban vezeti a jeleket. A legnagyobb sauropoda dinoszaurus az Amphicoelias 40-60 méter hosszúra nőtt, Egy ilyen axonon a farka végétől a fejéig egy jó fél percig terjedt az információ. Ha belelógott a lávába a farka akkor ropogósra sülhetett mire észrevette. A kalmár óriásaxonján, vastagsága miatt már 25 m/s-al, azaz 90 km/h-val, egy közúti autó sebességével terjed a jel.

Az emlősök agyuk jelterjedésének felgyorsítására egy jelentősen gazdaságosabb megoldást alkalmaztak. Szigetelték vékony axonjaikat! Ezt úgy érik el, hogy az idegsejtek axonjára A Schwann sejt nevű segítő gliasejtek ellaposodó nyúlványa többszörösen rácsavarodik, mintha szigetelőszalaggal tekerné körbe az axont. Az 5-6 rétegű megkettőzött sejthártya (melyben nincsenek ioncsatornák) nagyon jó szigetelő, ezért az axonon jelentősen messzebbre terjednek az elektromos áramok. Ezt a struktúrát hívják mielin hüvelynek és mindenhol megtalálható, ahol egymástól távoli területeket összekötő pályák futnak. A mielinizált axonokon (átmérőjüktől függően) már 20-80 m/s-al terjednek a jelek. Ez gyorsabb, mint a kalmár vastag axonján, egy gyors sportkocsi sebessége (290km/h). Az idegrendszer leépülésével járó sclerosis multiplex (SM) oka, hogy valami ismeretlen folyamat eredményeként az immunrendszer sejtjei megtámadják a mielin hüvelyt és mint egy gépromboló horda leszaggatják a szigetelést az idegpályákról. Nem csoda, hogy az SM első tünete fáradékonyság, végtagzsibbadás, mely később bénuláshoz, vaksághoz vezethet, hiszen a sejtek elvesztik hatékony jeltovábbítási rendszerüket.

Azonban még egészséges mielinizáció esetében sem terjedhet a jel nagyon messzire. A jelet időnként fel kell erősíteni. Az idegrendszer ezt úgy oldja meg, hogy az axonon a mielinhüvely időnként megszakad és ezen a ponton (amit felfedezője után Ranwier-csomónak neveznek) az axon kicsit megvastagodik és rengeteg, az akciós potenciál generálásához szüksége Na⁺ és K⁺ csatornát épít be a sejthártyájába. Az idáig elérő, csillapodott jel újra kivált egy akciós potenciált és szalad tovább. Ezt a szakirodalomban szaltatórikus, azaz ugráló vezetésnek hívják. Kicsit olyan, mint amikor a forró nyári biciklitúrán a lelassult kerékpáros megáll a kocsmánál és vérmérséklete szerint vizet vagy sportfröccsöt elfogyasztva újult erővel indul tovább. Egy ilyen axonon akár 120 m/s-al, azaz 432 km/h-val, egy gyorsulófélben levő repülő sebességével terjedhetnek a jelek. Nincs annyi fröccs, amitől egy biciklista ilyen gyorsan tudna menni.