12.4 Boðspennan

Eins og þú lærðir í kaflanum um frumur stjórnar frumuhimnan fyrst og fremst hvaða efni fara yfir hana og hvaða efni haldast öðrum megin. Frumuhimnan er fosfólípíðtvílag og því geta aðeins efni sem komast beint í gegnum vatnsfælinn kjarna hennar flætt yfir hana án aðstoðar. Hlaðnar agnir eru samkvæmt skilgreiningu vatnssæknar og komast því ekki hjálparlaust yfir frumuhimnuna (mynd 12.17). Himnuprótín, einkum gangaprótín, gera slíkan flutning mögulegan. Nokkrar gerðir óvirkra flutningsganga og virkra flutningsdæla eru nauðsynlegar til að mynda spennu yfir himnu og boðspennu. Sérstaklega mikilvæg er ferjan sem kallast natríum-kalíumdæla. Hún flytur natríumjónir (Na+) út úr frumunni og kalíumjónir ^(K+) inn í hana og stjórnar þannig jónastyrk beggja vegna frumuhimnunnar.

natríum-kalíumdælan þarf orku í formi adenósínþrífosfats (ATP) og kallast því einnig ATPasi. Eins og skýrt var í kaflanum um frumur er styrkur Na+ meiri utan frumunnar en innan hennar en styrkur K+ meiri innan frumunnar en utan. Dælan flytur því jónirnar gegn styrkfallanda natríums og kalíums og þarf þess vegna orku. Hún viðheldur raunar fyrst og fremst þessum styrkfallöndum.

Einnig er hægt að skilgreina jónagöng eftir þvermáli opsins. Fjarlægðin milli amínósýranna samsvarar þvermáli jónarinnar þegar hún losnar frá vatnssameindunum sem umlykja hana. Vegna vatnssameindanna henta stærri op ekki vel fyrir minni jónir, því vatnssameindirnar mynda greiðar vetnistengi en hliðarkeðjur amínósýranna. Þetta kallast stærðarútilokun. Sum jónagöng eru sértæk fyrir hleðslu en ekki endilega stærð og kallast því ósértæk göng. Þau hleypa katjónum, einkum Na+, K+ og Ca2+, yfir himnuna en útiloka anjónir.

Bindilstýrð göng opnast þegar boðsameind, svonefndur bindill, binst utanfrumusvæði ganganna. Þessi gerð ganga kallast einnig jónagengur viðtaki, því þegar bindillinn — sem kallast taugaboðefni í taugakerfinu — binst prótíninu fara jónir yfir himnuna og breyta hleðslu hennar (mynd 12.18).

Aflstýrð göng opnast við aflfræðilega aflögun frumuhimnunnar. Mörg göng sem tengjast snertiskyni, eða líkamsskyni, eru aflstýrð. Þegar þrýstingi er til dæmis beitt á húðina opnast göngin og hleypa jónum inn í frumuna. Göng sem opnast við hitabreytingar starfa á svipaðan hátt, eins og þegar hitastig sturtuvatns er prófað (mynd 12.19).

Spennustýrð göng bregðast við breytingum á rafeiginleikum himnunnar sem þau eru felld inn í. Að jafnaði er spenna innanvert við himnuna neikvæð. Þegar hún verður minna neikvæð byrja göngin að hleypa jónum yfir himnuna (mynd 12.20).

Lekagöng opnast og lokast af handahófi og draga heiti sitt af þessum óreglulega leka. Enginn tiltekinn atburður opnar göngin; í staðinn hafa þau innbyggðan hraða á víxlun milli opins og lokaðs ástands. Lekagöng eiga þátt í hvíldarspennu yfir ertanlegri himnu (mynd 12.21).

Rafástand frumuhimnunnar getur verið með ýmsu móti. Öll þessi tilbrigði felast í himnuspennunni. Himnuspenna er dreifing hleðslu yfir frumuhimnuna og er mæld í millivoltum (mV). Venjan er að bera innri hlið frumunnar saman við þá ytri. Himnuspennan táknar því hleðsluna innanvert við himnuna miðað við að hleðslan utanvert sé sett sem núll (mynd 12.22).

Áður en hægt er að lýsa þessum rafboðum þarf að skýra hvíldarástand himnunnar. Þegar fruman er í hvíld og jónagöngin lokuð — að undanskildum lekagöngum sem opnast af handahófi — dreifast jónirnar mjög fyrirsjáanlega beggja vegna himnunnar. Styrkur Na+ utan frumunnar er 10 sinnum meiri en innan hennar. Styrkur K+ er aftur á móti meiri innan frumunnar en utan. Í umfrymisvökvanum er mikill styrkur anjóna, meðal annars fosfatjóna og neikvætt hlaðinna prótína. Stórar anjónir eru einnig hluti af innra himnublaðinu, þar á meðal sérhæfð fosfólípíð og prótín sem tengjast innra blaði himnunnar (himnublað er heiti á annarri hlið lípíðtvílagsins). Neikvæða hleðslan er bundin við þessar stóru anjónir.

Við þessa dreifingu jóna yfir himnuna mælist hleðslumunurinn −70 mV. Þetta gildi kallast hvíldarhimnuspenna. Nákvæmt gildi hvíldarhimnuspennunnar er breytilegt milli frumna, en oftast er miðað við −70 mV. Spennumunurinn væri í raun mun minni ef ekki kæmi til framlag nokkurra mikilvægra himnuprótína. Lekagöng hleypa Na+ hægt inn í frumuna eða K+ hægt út úr henni ^en Na+/K+-dælan færir jónirnar aftur á sinn stað. Þetta kann að virðast sóun á orku, en hvort tveggja gegnir hlutverki við að viðhalda himnuspennunni.

Ferlið hefst þegar Na+-göng í himnunni opnast. Þar sem styrkur Na+ er 10 sinnum meiri utan frumunnar en innan hennar streyma jónirnar hratt inn í frumuna, fyrst og fremst undan styrkfallandanum. Natríum er jákvætt hlaðin jón og breytir því samstundis spennunni rétt innan frumunnar miðað við spennuna rétt utan hennar. Í hvíld er himnuspennan −70 mV og þegar natríumkatjónir streyma inn verður hún minna neikvæð. Þetta kallast afskautun og merkir að himnuspennan færist í átt að núlli.

Styrkfallandi Na+ er svo mikill að jónirnar halda áfram að streyma inn í frumuna eftir að himnuspennan er orðin núll. Spennan rétt við gangaopið verður því jákvæð. Rafstigullinn hefur einnig áhrif því neikvætt hlaðin prótín innanvert við himnuna draga natríumjónirnar að sér. Þegar nægilegt natríum hefur streymt inn nær himnuspennan +30 mV.

Þegar himnuspennan nær +30 mV taka önnur spennustýrð göng í himnunni að opnast. Þessi göng eru sértæk fyrir kalíumjónir. Styrkfallandi verkar einnig á K+. Þegar K+ byrjar að streyma út úr frumunni og tekur með sér jákvæða hleðslu færist himnuspennan aftur í átt að hvíldargildinu. Þetta kallast endurskautun og merkir að himnuspennan færist aftur í átt að hvíldarhimnuspennunni, −70 mV.

Endurskautunin færir himnuspennuna aftur að −70 mV, sem er hvíldarspennan, en spennan fer raunar niður fyrir það gildi. Kalíumjónir ná jafnvægi þegar himnuspennan er lægri en −70 mV. Því verður tímabil yfirskautunar meðan K+-göngin ^eru opin. Lokun K+-ganganna seinkar lítillega og veldur þessari skammvinnu sveiflu niður fyrir hvíldargildið.

Ferlið sem hér hefur verið lýst er boðspennan og hún er sýnd sem graf yfir spennu með tíma á mynd 12.23. Þetta er rafboðið sem taugavefur myndar til boðskipta. Himnuspennan breytist um 100 mV, frá −70 mV í hvíld upp í +30 mV við lok afskautunar. Einnig má gefa breytinguna upp sem 0.1 V. Til að setja gildið í samhengi má hugsa um rafhlöðu. AA-rafhlaða, eins og finna má í fjarstýringu sjónvarps, hefur spennuna 1.5 V. 9 V rafhlaða — rétthyrnda rafhlaðan með tveimur skautum á öðrum endanum — hefur augljóslega spennuna 9 V. Spennubreytingin við boðspennu er einni eða tveimur stærðargráðum minni en spenna þessara rafhlaðna. Raunar má lýsa himnuspennunni eins og rafhlöðu. Hleðsla er geymd yfir himnuna og getur losnað við réttar aðstæður. Í rafhlöðunni í fjarstýringunni er sömuleiðis geymd hleðsla sem „losnar“ þegar ýtt er á hnapp.

Nú vaknar spurningin: Hvað hrindir boðspennunni af stað? Í lýsingunni hér á undan var þægilega hlaupið yfir það atriði, en það er lykilatriði til að skilja ferlið. Himnuspennan helst við hvíldargildið þar til eitthvað breytist. Hér á undan var aðeins sagt að Na+-göng opnuðust. Þegar sagt er að „göng opnist“ merkir það þó ekki að eitt einstakt himnuprótín breytist heldur að tiltekin gerð ganga opnist. Nokkrar ólíkar gerðir ganga hleypa Na+ yfir himnuna. Bindilstýrð Na+-göng opnast þegar taugaboðefni binst þeim og aflstýrð Na+-göng opnast þegar líkamlegt áreiti verkar á skynviðtaka, til dæmis þegar þrýstingur á húð þjappar saman snertiviðtaka. Hvort sem taugaboðefni binst viðtakaprótíni eða skynáreiti virkjar skynviðtakafrumu kemur eitthvert áreiti ferlinu af stað. Natríum tekur að streyma inn í frumuna og himnan verður minna neikvæð.

Þriðja gerð ganga sem gegnir mikilvægu hlutverki í afskautun boðspennunnar eru spennustýrð Na+-göng. Göngin sem byrja að afskauta himnuna vegna áreitis hjálpa frumunni að færast úr −70 mV í −55 mV. Þegar himnan nær þeirri spennu opnast spennustýrðu Na+-göngin. Þetta nefnist örvunarþröskuldur. Afskautun sem nær ekki að færa himnuspennuna í −55 mV eða hærra nær ekki örvunarþröskuldinum og veldur því ekki boðspennu. Sérhvert áreiti sem afskautar himnuna í −55 mV eða meira veldur aftur á móti því að fjöldi ganga opnast og boðspenna hefst.

Vegna örvunarþröskuldsins má líkja boðspennunni við stafrænan atburð: Annaðhvort verður hún eða ekki. Ef örvunarþröskuldinum er ekki náð verður engin boðspenna. Ef afskautunin nær −55 mV heldur boðspennan áfram upp í +30 mV. Þar veldur K+ endurskautun, þar með talinni skammvinnri yfirskautun. Þessar breytingar eru eins við hverja boðspennu; þegar örvunarþröskuldinum hefur verið náð gerist alltaf hið sama. Sterkara áreiti, sem gæti afskautað himnuna langt umfram þröskuldinn, veldur ekki „stærri“ boðspennu. Boðspennur fylgja lögmálinu um „allt eða ekkert“. Annaðhvort nær himnan þröskuldinum og allt ferlið sem lýst var hér á undan á sér stað eða hún nær honum ekki og ekkert frekara gerist. Allar boðspennur ná sama hámarki (+30 mV) og engin boðspenna er því stærri en önnur. Sterkara áreiti hrindir fleiri boðspennum af stað á skemmri tíma en stækkar ekki einstök boð. Til dæmis finnur þú því hvorki fyrir meiri sársauka né færð sterkari vöðvasamdrátt vegna stærðar boðspennunnar, því boðspennur eru ekki misstórar.

Eins og fram hefur komið byggjast afskautun og endurskautun boðspennunnar á tveimur gerðum ganga: spennustýrðum Na+-göngum og spennustýrðum K+-göngum. Spennustýrðu Na+-göngin hafa í raun tvö hlið. Annað er virkjunarhlið sem opnast þegar himnuspennan fer yfir −55 mV. Hitt er óvirkjunarhlið sem lokast eftir tiltekinn tíma, innan við eina millisekúndu. Þegar fruman er í hvíld er virkjunarhliðið lokað en óvirkjunarhliðið opið. Þegar örvunarþröskuldinum er náð opnast virkjunarhliðið og Na+ streymir hratt inn í frumuna. Óvirkjunarhliðið lokast um leið og afskautunin nær hámarki. Við endurskautun getur því ekkert meira natríum streymt inn í frumuna. Þegar himnuspennan fer aftur niður fyrir −55 mV lokast virkjunarhliðið. Að því loknu opnast óvirkjunarhliðið aftur og göngin eru þá tilbúin til að hefja ferlið á ný.

Spennustýrð K+-göng ^hafa aðeins eitt hlið og það er næmt fyrir himnuspennu sem nemur −50 mV. Göngin opnast þó ekki jafnhratt og spennustýrð Na+-göng. Eftir að þessari spennu er náð getur tekið brot úr millisekúndu að opna þau. Tímasetningin fellur nákvæmlega saman við hámark Na+-flæðisins. Spennustýrð K+-göng opnast því einmitt þegar spennustýrðu Na+-göngin eru óvirkjuð. Þegar himnuspennan endurskautast og fer aftur niður fyrir −50 mV lokast göngin, þó með örlítilli töf. Kalíum heldur því áfram að streyma út úr frumunni um skamma hríð og himnuspennan verður neikvæðari, sem veldur skammvinnri yfirskautun. Að lokum lokast göngin og himnan getur náð hvíldarspennu á ný fyrir tilstilli áframhaldandi virkni óhliðstýrðra ganga og Na+/K+-dælunnar.

Allt þetta gerist á um það bil 2 millisekúndum (mynd 12.24). Meðan boðspenna stendur yfir getur önnur boðspenna ekki hafist. Þessi áhrif nefnast torleiðnitímabil. Það skiptist í tvo fasa: algjört torleiðnitímabil og afstætt torleiðnitímabil. Í algjöra fasanum getur önnur boðspenna ekki hafist vegna óvirkjunarhliðsins í spennustýrðu Na+-göngunum. Þegar göngin hafa aftur tekið á sig hvíldarlögun, við spennu undir −55 mV, getur ný boðspenna hafist, en þá aðeins við sterkara áreiti en það sem kom núverandi boðspennu af stað. Ástæðan er flæði K+ út úr frumunni. Þar sem þessar jónir streyma hratt út afskautar Na+ sem reynir að streyma inn ekki frumuna heldur kemur aðeins í veg fyrir yfirskautun hennar.

Boðspennan hefst í upphafi símans, á svæði sem kallast upphafshluti. Þar er mikill þéttleiki spennustýrðra Na+-ganga og því getur hröð afskautun átt sér stað. Boðspennan breiðist eftir símanum vegna þess að fleiri spennustýrð Na+-göng opnast eftir því sem afskautunin færist áfram. Útbreiðslan verður þegar Na+ streymir inn um göngin og færist eftir innra borði frumuhimnunnar. Þegar Na+ færist, eða flæðir, stutta vegalengd eftir himnunni afskautar jákvæð hleðsla þess næsta hluta hennar. Við útbreiðslu afskautunarinnar opnast ný spennustýrð Na+-göng. Fleiri jónir streyma þá inn í frumuna og afskautunin breiðist örlítið lengra.

Spennustýrð Na+-göng eru ^óvirkjuð þegar afskautunin nær hámarki og því er ekki hægt að opna þau aftur um skamma hríð, á algjöra torleiðnitímabilinu. Af þeim sökum hefur afskautun sem breiðist aftur í átt að áður opnuðum göngum engin áhrif. Boðspennan verður að breiðast í átt að símaendunum og þannig helst skautun taugafrumunnar, eins og áður var nefnt.

Útbreiðslan sem lýst var hér á undan á við um ómýlda síma. Þegar mýling er til staðar breiðist boðspennan með öðrum hætti. Natríumjónir sem streyma inn í frumuna við upphafshlutann byrja að færast eftir símahlutanum, en engin spennustýrð Na+-göng eru á leiðinni fyrr en við fyrsta Ranvier-mótið. Þar sem göngin opnast ekki stöðugt eftir öllum símahlutanum breiðist afskautunin með kjörhraða. Fjarlægðin milli móta er hæfileg til að himnan við næsta mót haldist afskautuð yfir örvunarþröskuldi. Þegar Na+ breiðist eftir innra borði himnu símahlutans tekur hleðslan að dofna. Væri næsta mót lengra frá hefði afskautunin minnkað of mikið til að virkja spennustýrð Na+-göng við næsta Ranvier-mót. Væru mótin nær hvert öðru væri útbreiðslan hægari.

Útbreiðsla eftir ómýldum síma nefnist samfelld leiðni en eftir mýldum síma nefnist hún stökkleiðni. Samfelld leiðni er hæg vegna þess að spennustýrð Na+-göng eru sífellt að opnast og ^æ meira Na+ streymir inn í frumuna. Stökkleiðni er hraðari vegna þess að boðspennan stekkur í raun frá einu móti til þess næsta (saltare = „að stökkva“) og nýtt innflæði Na+ endurnýjar afskautun himnunnar. Auk mýlingar hefur þvermál símans áhrif á leiðsluhraðann. Rétt eins og vatn rennur hraðar í breiðu fljóti en mjóum læk breiðist afskautun af völdum Na+ hraðar eftir breiðum síma en mjóum. Þetta tengist viðnámi og gildir almennt um rafleiðslur og pípulagnir jafnt sem síma, þótt sértækar aðstæður séu ólíkar á mælikvarða rafeinda eða jóna annars vegar og vatns í fljóti hins vegar.