פרופסור בֶּרְט סַקְמַן זכה בפרס נוֹבֶּל לפיזיולוגיה או לרפואה לשנת 1991, במשותף עם פרופסור דוקטור אֶרְוִוין נֵהֶר, עבור תגליותיהם בנוגע לתפקודן של תעלות יונים בודדות בתאים.

כיצד תאים מְתַקְשְׁרִים זה עם זה?

הגוף האנושי, וכל גוף חי אחר, מורכבים מִתָּאִים – אבני הבניין הבסיסיות של החיים. כל תא הוא הן יחידה פרטנית, בעלת תפקודים עצמאיים, הן חלק מאיבר רב-תאי גדול יותר (כמו המוח או הלב), אשר נדרש לפעול באופן מתואם עם שאר מערכות הגוף ואיבריו. כל תא מוקף על ידי גבול פיזי ברור, שנקרא הַמֶּמְבְּרָנָה של התא, המפריד בין תכולת התא לבין הסביבה החוץ-תאית ותאים אחרים. הממברנה מאפשרת לכל תא להיות בעל סביבה פנימית מוגדרת, ולבצע את תפקודיו הייחודיים. אולם, מאחר שתאים אינדיבידואלים הם חלק ממבנה גדול יותר, מַרבּית התאים – ובמיוחד תאי עצב – צריכים לתקשר עם תאים אחרים. כיצד תאים מְתַקְשְׁרִים זה עם זה אם הם מופרדים על ידי מחסום בדמות ממברנת התא? ישנם כמה מנגנונים המאפשרים תקשורת בין-תאית. אחת הדרכים השכיחוֹת ביותר היא זו שבה נתמקד במאמר זה – תא השולח חומר שליח לתא המקבל [1]. על ידי איתור החומר האמור, התא המקבל 'יודע' שנשלח אליו אות מתא אחר, ומגיב בהתאם.

תקשורת בין תאי עצב

תאי עצב, אבני הַמַּסָּד של המוח, 'מְדַבְּרִים' בשפה חשמלית. בכל רגע נתון, כל תא עצב מפגין פעילות חשמלית מסוימת, ומייצר מַעֲרָךְ של אותות חשמליים קצרים המכונים 'סְפַּיְיקִים'. בשיתוף עם רשתות גדולות אחרות של תאי עצב פעילים, נוצרת במוח 'סימפוֹניה חשמלית' שלמה. פעילות חשמלית זו ברשתות עצבים גדולות במוחות שלנו, מקושרת לכל היבט של ההתנהגות והחוויה האנושיות: הפעולות, המחשבות, הרגשות, והזיכרונות שלנו.

כיצד תאי עצב מְתקשרים זה עם זה כדי ליצור 'סימפוניה חשמלית' מתואמת כזו? תקשורת בין תאי עצב מורכבת יותר מתקשורת בין סוגי תאים אחרים, מאחר שהיא כוללת הן רכיבים כימיים הן רכיבים חשמליים. תקשורת זו מתרחשת באזור מגע מסוים בין תאי עצב שנקרא סִינַפְּסָה, והיא מורכבת משני שלבים יסודיים. ראשית, התא השולח מפריש חומר כימי שנקרא מוליך עצבִּי (נוירוטרנסמיטר) [1] אל החלל החוץ-תאי (הַמִּרְוָח) שבין התא השולח לתא המקבל. לאחר מכן, כאשר המוליך העצבי מגיע לתא המקבל, דרך דיפוזיה, הוא נִקשר שָׁם אל קוֹלטנים מסוימים, ועקב כך יונים מתחילים לזרום דרך הממברנה של אותו התא. כתוצאה מכך, נוצרת פעילות חשמלית בתא המקבל (איור 1).

יונים ותעלות ממבּרנליוֹת בתאי עצב

מַרבּית הזרמים החשמליים במוח מיוצרים על ידי קבוצה קטנה של יונים – ארבעה במספר. שלושה מבּין היונים האלה טעונים חיובית (נתרן Na⁺, אשלגןK⁺, וסידן (Ca⁺⁺ ואחד מהם טעון שלילית (כלור Cl^-). היונים האלה נכנסים ויוצאים דרך הממברנות של תאי עצב. כשהם עושים זאת, הם משנים את הפוטנציאל החשמלי בין שני צִדֵּי ממברנת התא. השינויים המהירים בפוטנציאל החשמלי לאורך ממברנת תא העצב עומדים בבסיס יצירת ה'מילה' החשמלית היסודית (או ה'ביט') שתאי עצב משתמשים בה. אלה הם האותות החשמליים המכונים 'ספייקים' (איור 1). תוכלו לחשוב על ספייקים בתור הבזקים קצרים ביותר של בְּרָקִים – אותות חשמליים מהירים (נמשכים כמילישנייה אחת, שהיא אלפית השנייה), וזעירים (בגודל של עשירית וולט, או 100 מיליוולטים), המתרחשים בתאי עצב כשהתאים פעילים.

כיצד היונים האלה חוצים את מחסום הממברנה של תאי עצב כדי לייצר פעילות חשמלית? וכיצד המוליך העצבי שמשוחרר מתא אחד - התא השולח, מתורגם לפעילות חשמלית בתא שני – התא המקבל? חייב להיות נתיב כלשהו שדרכּוֹ יונים יכולים לחצות את ממברנת התא המקבל, שאחרת היא מְבֻדֶּדֶת. כשהתחלתי לחקור את התחום הזה, המנגנון שבאמצעותו יונים נעים דרך ממברנות של תאי עצב לא היה ברור.

באמצעות שיטה ניסויית מיוחדת שפיתחתי עם עמיתי, פרופ' ד''ר אֶרְוִוין נֵהֶר [2], גילינו כי יונים אכן עוברים בין שני צידי הממברנה, לפי הגְּרַדִיאֶנְטִים הכימיים שלהם. מצאנו שיונים חוצים את הממברנה דרך 'חורים' קטנים המצויים בה, שמכונים נקבוּביוֹת (pores). נקבוביות אלה בממברנה בנויות מחלבונים, המשמשים בתור תעלות המְּחַבְּרוֹת את החלקים החיצוני והפנימי של התא. מאחר שהחומרים העוברים דרך התעלות האלה הם יונים, הן מכונות תעלות יונים (איור 2). גילינו כי תעלות יונים נפתחות ונסגרות במהירוּת בתגובה למוליכים עצביים. הפתיחה והסגירה של תעלות יונים מסוימות (לדוגמה, תעלות שהן ספציפיות ליוֹנֵי נתרן או אשלגן), מאפשרות את הזרימה של יונים דרך ממברנת התא. זרם זה, בתורו, משנה את הפוטנציאל החשמלי על פני הממברנה. בתגובה, התא המקבל מייצר את ניצוץ ה'ספייק' – ה'מילה' החשמלית היסודית של המוח.

גילוי תעלות היונים: שיטת קיבוע הפיסה

כאשר פרופ' ד''ר נֵהֶר ואני התחלנו לחקור זרימה של יונים בתאי עצב, שקלנו שני מנגנונים אפשריים של תנועת יונים, שיכלו לפעול בתאים אלה. המנגנון הראשון התבסס על מולקולות הוֹבלה. לפי רעיון זה, מולקולות מסוימות בממברנה 'תופסות' יון אחד בכל פעם, מעבירות אותו מהסביבה החוץ-תאית אל פְּנִים התא, ומשחררות אותו שם. כשהתחלנו את מחקרנו היה ידוע כי מנגנון זה פועל בתהליכים גופניים אחרים, כמו למשל בייצור אנרגיה – תהליך שבּו מולקולות של חומרי מזון עוברות דרך ממברנת התא באמצעות מולקולות הובלה.

המנגנון האפשרי השני שבחנּוּ, אשר מאוחר יותר אֻשַּׁשׁ בניסויינו, התבסס על כך שתעלות יונים קיימות בממברנה עבור יונים מסוימים. תעלות אלה יכולות להיות פתוחות או סגורות. כשהן פתוחות, זֶרֶם יוֹנִי יכול לזרום בין שני צידי הממברנה, אשר מְחַבֶּרֶת את הסביבה החיצונית של התא לסביבתו הפנימית (איור 2). ביקשנו לבחון אם מנגנון זה אחראי לתעבורת יונים לתוך התאים ומחוץ להם במהלך ייצור הספייקים. לְשֵׁם כך היינו צריכים לחקור את הפעילות החשמלית שנובעת ממַעֲבַר יונים על פני הממברנה דרך תעלות יונים בודדות. כדי לעשות זאת, היה עלינו לבודד אזור קטן מאוד, או פיסה, של ממברנת תא עצב, בתקווה שנצליח למדוד את הזרם החשמלי שעובר דרך תעלת יונים בודדת שעשויה להתקיים באותה פיסה קטנה של הממברנה. אם תעלות יונים קיימות, היינו מצפים למדוד תבנית מסוימת של פעילות חשמלית הקשורה לפתיחת תעלת היונים ולסגירתה. תבנית זו אמורה להיות שונה מתבנית הפעילות החשמלית שצפויה אם נעשָה שימוש במולקולות ההובלה במטרה להניע יונים על פני הממברנה.

לצורך עריכת סוג זה של מדידת זרם, נדרשנו להתגבר על שני אתגרים עיקריים. ראשית, היינו צריכים למדוד זרימה של יונים על פני תעלת ממברנה בפיסה קטנה מאוד של הממברנה, בלי לאבד אף חלק מהזרם הזה. משימה זו כרוכה בקושי מאחר שאם מכשיר המדידה אינו מוצמד בחוזקה אל הממברנה, יונים שחוצים את הממברנה דרך התעלה עלולים 'לברוח' לצדדים לפני הגיעם אל מכשיר המדידה. לכן, היה עלינו לוודא כי היונים שחוצים את הממברנה נאלצים לזרום דרך מכשיר המדידה.

האתגר השני היה להבחין בין שני סוגי זרם שזורמים דרך ממברנת תא העצב. מתברר כי הממברנה תמיד פעילה חשמלית – תופעה אשר מכונה 'רעש רֶקַע'. רעש רקע מופיע בתור פעילות חשמלית קבועה, השונה מהפעילות החשמלית שקשורה לזרימת יונים דרך הממברנה בתגובה למוליכים עצביים. רעש הרקע עשוי להיות נרחב מאוד בהשוואה לזרם שרצינו למדוד מפתיחה של תעלות ממברנליוֹת בודדות. לכן, היינו צריכים למצוא דרך להפחית את רעש הרקע כך שלא יתגבר, או 'יְמַסֵּךְ' את הזרם שזורם דרך תעלות יונים בודדות.

פתרנו את שני האתגרים הללו באמצעות שימוש בצינורית זכוכית דקה ביותר שנקראת פִּיפֶּּטָה, בעלת קצה בקוטר של מיקרוֹמטר אחד (אלפית המילימטר, איור 3A). בקצה השני של הפיפטה היה מַד-זֶרֶם (אַמְפֶּרְמֶטֶר), אשר מודד זרם חשמלי. קצה הפיפטה, בעל הקוטר הזעיר, הוצמד בחוזקה כנגד פיסה קטנה של ממברנת התא. על ידי ביצוע פעולת שאיבה נוצר צימוד הדוק בין קצה הפיפטה לבין הממברנה, במטרה לוודא שלא תתרחש דליפת יונים. רישומים מפיסה קטנה כל כך של ממברנה אף הפחיתו את רעש הרקע, ולכן שיפרו את רישום זרימת היונים דרך תעלת היונים.

זרימת זרם דרך תעלת היונים

ללא נוכחוּת מוליך עצבי, מצאנו שלא עבר זרם דרך התעלה, ונצפה רק רעש רקע שׁוּלִי (איור 3B). כאשר מוליך עצבי נִקשר לממברנה, תעלת היונים נפתחה במהירות רבה, בצורה דמוית-מדרגה, מה שאִפשר זרימת זרם זעיר של כמה פִּיקוֹ-אַמְפֶּרִים¹ על פני הממברנה [2–4]. פירוק המוליך העצבי מהממברנה גרם לתעלה להיסגר בשנית (איור 3B). מצאנו כי תעלת היונים נשארה פתוחה או סגורה במשך מילישניות בודדות. כמו כן גילינו כי מֶשֶׁךְ המצב הפתוח של התעלה ומִרווח הזמן שבין שתי פתיחות עוקבות של התעלה השתנו, כתוצאה מהיקשרוּת בלתי סדירה של מולקולות המוליכים העצביים אל הממברנה. כפי שתוכלו לראות באיור 3B, כאשר הַזֶּרֶם זָרַם דרך התעלה הפתוחה, הַמִּשְׂרַעַת שלו הייתה קבועה לְמַדַּי.

לאחר מדידת הזֶּרם הזעיר שזָרם דרך פיסת הממברנה, וביצוע כמה חישובים, הערכנו כי כ-10,000. יונים חצו את הפיסה הקטנה של הממברנה בכל מילישנייה. מכאן למדנו כי פתיחתן של תעלות יונים, ולא נשׂיאת היונים על ידי מולקולות הובלה, היא המנגנון המאפשר ליונים לעבור דרך ממברנת התא! מולקולות הובלה הן איטיוֹת מִדַּי מכדי להעביר יונים על פני הממברנה בקצב מהיר כל כך. זו הייתה תגלית חשובה, מאחר שהיא איששה את קיומן ופעולתן של תעלות יונים כמנגנון הבסיסי שמייצר פעילות חשמלית, לרבּות הספייק, בתאי עצב. תעלות יונים אלה אחראיות גם על יצירת פעילוּת חשמלית ברקמות אחרות 'בְּנוֹת הפעלה חשמלית', כלומר שיש להן יכולת עִירוּר חשמלית, כמו למשל שרירים היקפיים והלב.

יתרה מזו, תגליתנו הייתה חשובה להבנת התפקוד של תעלות יונים ממבּרנליות מאחר שהפרעות נוירולוגיות רבות, כמו גם הפרעות בקצב הלב וברקמות גוף אחרות, נובעות מלקויות בתפקוד תעלות יונים. כפועל יוצא נטבע המונח החדש 'Channelopathy²' לתיאור משפחה רחבה מאוד של מחלות הנגרמות עקב פגמים בתפקודן של תעלות יונים. עבור התגלית של תעלות יונים ממברנליות ותפקידן, עמיתי, פרופ' ד''ר נֵהֶר, ואני זכינו בפרס נובּל לפיזיולוגיה או לרפואה לשנת 1991.

המלצות למוחות צעירים

אתחיל בכך שאשתף אתכם בדבר החשוב ביותר שלמדתי מהמנחה המדעי שלי, פרופ' ברנרד כץ, שזכה בפרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה לשנת 1970. הוא לימד אותי שעלינו להיות ביקורתיים מאוד באשר לתוצאות שאנו מקבלים, ותמיד להתכונן לאפשרות שממצאים חדשים יפריכו ממצאים ישנים שלנו – עד כמה שזה עשוי להיות בלתי נעים. אני מנסה להעביר את המסר הזה לסטודנטים שלי, וללמד אותם להיות ביקורתיים בנוגע לתוצאות שלהם. במיוחד בתחום של רקמות ביולוגיות, ישנן השפעות רבות שאיננו יכולים לשלוט בהן, וצריך להביאן בחשבון. לכן, כשתלמידיי מגלים ממצא חדש, אני מייעץ להם לשמור אותו לעצמם במשך זמן מה, ולחזור על הניסויים שלהם כדי לנסות לְאַשְׁרֵר את תוצאותיהם פעם אחר פעם. אני מבקש מהם לפרסם את תוצאותיהם רק לאחר שהם משוכנעים לחלוטין בנכונותן.

ממבט רחב יותר על החיים, לדעתי חיים טובים הם כאלה שבהם יש לכם דבר מה לחשוב עליו, שמעניק לכם הזדמנות לעקוב אחר סקרנותכם, ואולי גם לגלות משהו חדש. מנקודת המבט של אנשים אחרים, חיים טובים משמעותם להרוויח הרבה כסף או להיות מפורסמים וּמֻכָּרִים על ידי אחרים, וזה גם בסדר גמור. אני חושב שלהיות מדענים זו הבחירה הטובה ביותר שביכולתכם לעשות, אבל רק אם אתם סקרנים לגבי הטבע. אל תנסו להיות מדענים כיוון שאתם סבורים כי זה מקצוע 'נוצץ'. אם אינכם 'בוערים' מבפנים, עם דחף בלתי נשלט לגלות דברים, עדיף שתבחרו מקצוע אחר – כזה שכּן גורם לכם 'לבעור' מתוך התרגשות ותשוקה.

חומרים נוספים

• פרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה לשנת 1991.
• שיטת קיבוע הפיסה.

מילון מונחים

תא עצב (Nerve Cell): ↑ אבן הבניין העיקרית של המוח. תאי עצב מייצרים את הפעילות החשמלית של המוח.

סינפסה (Synapse): ↑ נקודת מגע בין שני תאי עצב, המכילה מִרווח קטן שבו חומר כימי – המוליך העצבי – עובר מהתא השולח (התא הפרה-סינפטי) לתא המקבל (התא הפוסט-סינפטי).

מוליך עצבי (Neurotransmitter): ↑ נוֹיְרוֹטְרַנְסְמִיטֶר – חומר כימי שמשוחרר מתא עצב אחד ונקלט על ידי תא עצב אחר. חומר זה מאפשר תקשורת בין תאי עצב.

דיפוזיה (Diffusion): ↑ תהליך של תנועה ספונטנית שבאמצעותו חלקיקים נעים באופן בלתי מכוון ממקום אחד לאחר.

יון (Ion): ↑ חלקיק בעל מִטען חיובי או שלילי.

פוטנציאל חשמלי (Electrical Potential): ↑ הבדל במִטען בין שתי נקודות, במקרה שלנו בין שני צִדֵּי הממברנה. יונים עם מטען חיובי יזרמו מהצד החיובי יותר של הממברנה לצד הפחות חיובי שלה.

גרדיאנט כימי (Chemical Gradient): ↑ הבדל בריכוז של חומר בין שני מיקומים. החומרים, במקרה שלנו יונים משני צידי הממברנה, נעים ב'מורד' הגרדיאנט, מהצד בעל הריכוז הגבוה יותר לצד בעל הריכוז הנמוך יותר.

תעלת יונים (Ion Channel): ↑ חור (נקבובית) קטן שמורכב מחלבונים בממברנת התא. כאשר הוא נפתח מתאפשר מַעֲבָר של יונים אל פְּנים התא ומחוץ לו.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחבּר מצהיר כי המחקר נערך בהיעדר כל קשר מסחרי או כלכלי שיכול להתפרשׁ כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.

תודות

ברצוני להודות לנועה שגב על עריכת הריאיון שהיווה את הבסיס למאמר זה, ועל כתיבה משותפת של המאמר. תודה לשרון עמלני על האיורים.

הערת שוליים

1. ↑ פִּיקוֹ-אַמְפֶּרִים פִּיקוֹ-אַמְפֶּרִים (pA) משמשים למדידת זרמים חשמליים זעירים ביותר. פיקו-אמפר אחד שווה ל-10^-12 אמפר.

2. ↑ לקריאה נוספת על אודות Channelopathy, לחצו כאן.

---

מקורות

[1] ↑ Katz, B. 1971. Quantal mechanism of neural transmitter release. Science. 173:123–6.

[2] ↑ Neher, E., and Sakmann, B. 1992. The patch clamp technique. Sci. Am. 266:44–51.

[3] ↑ Hamill, O. P., and Sakmann, B. 1981. Multiple conductance states of single acetylcholine receptor channels in embryonic muscle cells. Nature. 294:462–4.

[4] ↑ Bormann, J., Hamill, O. P., and Sakmann, B. 1987. Mechanism of anion permeation through channels gated by glycine and gamma-aminobutyric acid in mouse cultured spinal neurones. J. Physiol. 385:243–86.