Tengerből jöttünk és tengervízből vagyunk: a membránfeszültség kialakulása az idegsejtekben.

Szerintem az egész #agyséta során ez a legnehezebben megérthető rész, a többi könnyebb lesz, ígérem! A dolgot el lehet mesélni egyszerűen, de akkor nem megérteni, hanem legfeljebb megtanulni lehet mi, hogy van. Ezért elmesélem hosszabban is, az alapoktól.

Egyszerűen mesélve:
Az idegsejt hártyájának belső és külső felszíne között, az ion koncentráció különbségek miatt feszültség különbség alakul ki. Ha egy sejtet békén hagynak a belseje 60 mV-al (a milliVolt a Volt ezredrésze) negatívabb a felszínénél, ezt a -60mVos feszültségszintet hívjuk a sejt nyugalmi potenciáljának (5). Ha egy serkentő szinapszisban a felszabaduló átvivő anyag, a glutamát, aktiválja a dendriten elhelyezkedő megfelelő glutamát receptorokat, akkor azokon áram folyik be, és a sejt potenciálja elmozdul a 0 felé, azaz a -60mVos feszültség csökken, mondjuk -50mV-ra (1). Ha egy gátló bementből a gátló ingerületátvivő anyag, a GABA szabadul fel, akkor ez a GABA receptorait nyitja ki, melynek hatására ellentétes irányú áram folyik a dendriten és a membránpotenciál negatív irányba, -75mV felé, tolódik el. Ha egyszerre folynak serkentő és gátló áramok azok előjelesen összeadódnak (kioltják egymást) és ezután terjednek a sejttest felé. Ha a sejt testén a potenciál kellően messze elmozdul a 0 felé (2), mondjuk -35mV-ra, a sejt egy gyors és nagy, +20mV-ig ugró akciós potenciált állít elő (2-3), mely végigszalad az axonon. Tehát, ha a sejtre kellően sok serkentés érkezik, melyet nem ellensúlyoz gátlás, a sejt aktiválódik, kisül, és jelet küld ki. Mint később látni fogjuk, a haladó szinten az idegsejtek dendritjein a jelterjedést sok, a dendritekben elhelyezkedő ioncsatorna befolyásolja, ezzel a sejtek erősítik, pontosítják, szűrik, összegzik a rájuk érkező jeleket.

No és innen csak a bátrak kövessenek…

Alaposan, keményen:
Először azt vizsgáljuk meg hogyan alakul ki feszültségkülönbség az idegsejtek felszínén. Stanislaw Lem Kiberidájának hősei Trurl és Klapanciusz robotok voltak, áramkörökkel. A regényben megjelenő „sápatagok”, az emberek, puha, nedves lények voltak, szemükből víz jött, szájukból dohos levegő. Míg az elektromos szerkezetek nem szeretik a vizet és a huzalokban elektronok vezetik az áramokat, az élőlények sejtjeiben és a sejtek közötti térben vízben oldott, elektromos töltéssel rendelkező atomok és molekulák, úgynevezett ionok vezetik az áramot. Mivel az elektromos kölcsönhatás igen erős, ezért általában az egymást vonzó pozitív és negatív töltések (vizes közegben ionok) egyenlő arányban fordulnak elő, nincs töltés-szétválás. Ahhoz pedig, hogy valahol feszültségkülönbség alakuljon ki a két töltésnek el kell különülnie egymástól. Hogy ennek a mechanizmusát megértsük el kell merüljünk a biológus hallgatók rettegett tantárgyában a fizikai kémiában.
A molekulák mozgását nem csak elektromos töltésük és a rájuk ható elektromos erőtér (vonzás-taszítás), hanem a koncentrációjuk is befolyásolja. Ha egy tömény oldat, pl. sós tengervíz vagy hihetetlenül cukros üdítő találkozik egy hígabb oldattal (sima víz) akkor a töményebb (nagyobb koncentrációjú) oldatból az oldott anyagok igyekeznek elmozdulni a hígabb oldat felé, az oldószer (jelen esetben a víz), pedig a töményebb oldal felé. Ez a mozgás mindaddig tart amíg a két részben az oldott anyagok mennyisége (töménysége, koncentrációja) ugyanakkora nem lesz, a koncentrációk kiegyenlítődnek. Ez a koncentráció különbség (gradiens) irányába történő áramlás alapelve. Mindennapi példával, amikor a szupermarketben kinyitnak egy új pénztárt akkor az emberek egy része odaszalad (időnként túl sok is). Rövid felfordulás után minden sorban ugyanannyi ember fog állni. De ugyanez van egy kocsmában is, ha felszabadul egy asztal. Mint a kocsmalátogatók, a molekulák is igyekeznek egyenletesen kitölteni a rendelkezésükre álló teret.
Szervezetünk sejtjeiben elsősorban nátrium (Na⁺), kálium (K⁺) és kisebb mértékben kalcium (Ca²⁺) valamint Mg²⁺ ionok hordozzák a pozitív töltéseket. A negatív töltéseket praktikusan egyfajta ion, a kloridion (Cl^-) hordozza. Illetve a fehérjék jelentős része is negatív töltésű. Nem véletlen, hogy szervezetünknek hihetetlenül fontos a NaCl, a konyhasó, hiszen sejtünk oldatait nagyrészt ez alkotja. Az izotóniás sportitalok az izzadás során elvesztett sókat pótolják, ezek hiányában idegeink és izmaink rosszul működnek, amiről kellemetlen görcsök vagy a fejfájás formájában szerzünk tudomást.
Ionos (töltéssel rendelkező) oldatokban bonyolult a molekulák mozgása. Amikor egy töményebb sóoldat hígabbal találkozik a molekulák elkezdenek rohanni az „üres asztalok” felé. Ámde a különböző ionok más sebességgel tudnak mozogni, mivel eltérő súlyúak és méretűek. A könnyebb és kisebb gyorsabban mozog, gyorsabban diffundál. Viszont mivel elektromos töltéssel rendelkeznek ezért hiába gyorsabbak mondjuk a pozitív ionok, nem tudnak előre szaladni, mert az elektromos vonzóerő hozzájuk köti a lomhább negatív ionokat, azaz ilyen esetben hiába hajtja az ionokat a koncentráció különbség nem válnak el egymástól, mivel a lomhábbakat nem csak a koncentrációkülönbség hajtja előre, hanem az előre szaladt ellentétes töltésű ionok elektromos vonzása is.
De a helyzet lehet még ennél bonyolultabb, és a sejtekben lesz is. A sejthártya alapját szigetelő zsírokból álló hártya alkotja, melybe különböző szerkezetű és funkciójú fehérjék épülnek be. Szerepük, hogy a sejt a környezetéből felvehessen kisebb méretű tápanyag molekulákat, illetve leadhasson kisebb méretű salakanyag molekulákat vagy a működéséhez szükséges anyagokat válasszon ki környezetébe, de mindeközben megőrizze a számára fontos anyagokat és kizárja a nem kívántakat. A sejthártyán kicsi nyílásokat létrehozó fehérjék szerepe, hogy válogassanak abban mit engednek át és mit nem. A sejt számára fontos anyagokat: cukrokat, ionokat, működéséhez szükséges fehérjéket és vizet a sejthártya bent tartja a sejten belül. Az ilyen hártyát félig átaeresztő hártyának nevezik és sok érdekes tulajdonsága van (lásd pl. ozmózis).
Alap esetben egy nyíláson az átengedett anyagok a koncentráció gradiensnek (különbségnek) megfelelően mozognak, rohannak az üres asztalokhoz. De léteznek olyan fehérjék is, amik energiát felhasználva képesek arra, hogy az alacsonyabb koncentrációjú helyről a magasabb koncentrációjú hely felé hajtsák a molekulákat, ionokat (mint amikor a koncerten a Rendezők elzavarják az üres VIP ülésekről az élelmesen odaszivárgott nézőket). Olyan fehérjék is léteznek, amelyek a membrán két oldala között kicserélnek anyagokat. Ilyenkor az egyik anyagot hajtó koncentráció különbség hajtja a másik molekula mozgását.
Mindennek az lesz a következménye, hogy a sejthártya nem lesz egyformán átjárható a különböző anyagok számára. Bizonyos ionok és molekulák eltérő sebességgel, vagy egyáltalán nem tudnak átmenni a sejthártyán. Ennek következtében alakul ki feszültségkülönbség a sejthártya két oldala között. A Gibbs-Donnan hatás magyarázza meg mi is történik.
A bonyodalom abból származik, hogy minden résztevő anyagra két erő hat: a koncentráció különbségből fakadó hajtóerő (diffúzió), illetve az elektromos erő (Coulomb erő). A sejtekben a pozitív töltést a fent felsorolt pozitív töltésű ionok hordozzák. A negatív töltés egy részét a Cl^- ionok, másik részét a sejtekben található fehérjék.

Hogy mi is történik világítsuk meg egy hasonlattal. Tegyük fel, hogy egy koncerten a VIP belépővel rendelkező párokon kívül azok a lányok is ingyen bemehetnek a kerítéssel elválaszott VIP területre, akiknek aznap születésnapja van. Amikor elkezdődik a koncert, akkor az érkező párok egyenletesen kitöltik a nézőteret, a fiúk és a lányok nem különülnek el. Egyre nagyobb lesz a tömeg. A VIP belépővel rendelkező párok gyorsan bemennek a VIP területre, mert ott nincs tömeg (hajtja őket a koncentráció különbség). De egy idő után a születésnapos lányok is bemennek oda, mert nagy a nyüzsgés. Viszont ők nem akarnak szívük választottjától (akit nem engedtek be, számukra nem átjárható a határ) messzire kerülni (elektromos vonzóerő), ezért ők a VIP terület kerítésének belső oldalán fognak állni, velük szemben, a kerítés külső oldalán pedig felhalmozódnak az őket kísérő fiúk. Ha megnézzük a koncerttermet mindenhol fiú lány párokat fogunk találni (A VIP területen belül is meg kívül is), kivéve a kerítés mentén, ahol belül a lányok, kívül a fiúk fognak felhalmozódni és kialakítanak egy fiú-lány kettős réteget (a nemek feszültség különbségét).
Hasonló történik az idegsejtek felszínén is. A sejt belsejében lévő fehérjék számára (melyek legtöbbje negatív töltéssel rendelkezik) nem átjárható a sejthártya. A negatív Cl^- ionok és pozitív fémionok (kationok) számára igen. Az elektromos vonzás és koncentráció különbségek hatására egy olyan egyensúly áll be, hogy egy kicsit több negatív töltés van a sejthártya belső felszínén és egy kicsit több pozitív töltés a külső felszínén. A sejtben rekedt negatív fehérjék töltését a külső felszínen halmozódó pozitív ionok ellensúlyozzák. A kettős töltésréteg eredményeképpen a sejthártya két felszíne között 60mV feszültség különbség alakul ki. A sejt belseje ennyivel negatívabb a felszínénél.
Hogy ebből hogyan lesz jelátvitel azt a következő alkalommal beszéljük meg.

Kérdés?