Az ioncsatornák működése és szerepük az idegrendszer működésében

Mindig passzív transzport játszódik le az elektrokémiai gradiens irányában.
Az ioncsatornák két fontos tulajdonsága:

vezérelhetők, azaz valamely inger hatásátra  nyitott illetve zárt állapotba kerülhetnek (gating)
szelektívek, azaz csak egy adott ion számára áteresztőek

Az ioncsatornák a következő ingerekkel vezérelhetőek:

Elektromos jel - a membránpotenciál megváltozása (feszültségvezérelt)
Kémiai jel - hírvivő molekula kötődése (ligandumvezérelt)
Mechanikai behatás

A membránpotenciál

Ha a membrán két oldala között egy adott ionra nézve koncentrációkülönbség van (már pedig az van, az ionpumpák működésének köszönhetően, egy átlagos állati sejtben a tipikus ionkoncentrációkat a sejten belül és kívül a következő táblázat tartalmazza), akkor a Nernst-egyenlet értelmében ehhez egy potenciálkülönbség tartozik.
Egyensúlyban a potenciálkülönbség és a koncentrációkülönbség kiegyenlíti egymást, áram nem folyik.
Ez határozza meg a nyugalmi membránpotenciált?
Melyik ion határozza meg ezt a nyugalmi potenciálkülönbséget?
Amelyikre nézve a membrán áteresztő.
Mivel a membrán ún. szivárogtató káliumcsatornák helyezkednek el, a káliumionok koncentrációkülönbsége (amit a Na-K pumpák tartanak fenn folyamatos ATP-égetés mellett) határozza meg a nyugalmi membránpotenciált.  Ez körülbelül -100 mV  (kívül  mínusz belül).

Az ioncsatornák nyitott állapotban vezetnek, az áram-feszültség karakterisztika a "patch-clamp" módszerrel tanulmányozható.

Az a kijelentés, hogy egy csatorna nyitott illetve zárt, valószínűségi kijelentés. Ha nyitott, az alatt azt értjük, hogy nagyobb valószínűséggel van nyitva.
Nyugalmi membránpotenciál mellett (depolarizált membrán) a feszültségvezérelt ioncsatornák zárt állásban vannak.
Ha a membránpotenciál megváltozik (a membrán polarizálódik), azaz egy elektromos inger érkezik, és ez a potenciálváltozás elér egy küszöbértéket, a csatornák kinyitnak.

Az ingerület vezetése az idegsejt mentén.

Az idegsejt működése röviden:

az egyik sejtről az axon mentén terjed az elektromos inger (idegimpulzus) a másik idegsejt felé. Az idegvégződéseknél a másik sejt a dendriteken keresztül gyűjti be az infót.

Mi az idegimpulzus? A membránpotenciál megváltozása, azaz

Az akciós potenciál. 

Egy elektromos stimulus hatására a membránpotenciál az idegsejt egy adott helyén megugrik, majd visszatér nyugalmi állapotába.

Mi ennek a mechanizmusa?

A membrán polarizálódásának hatására a feszültségvezérelt ioncsatorna a következő cikluson megy keresztül: előbb nyit, majd inaktivált állapotba kerül, és amikor a membrán visszatér nyugalmi állapotába, zár.
A csatorna akkor nyit, amikor a polarizaló inger megjelenik, azaz amikor a membránpotenciál egy küszöbérték fölé nő. Egy idő után a csatorna inaktivált állapotba kerül. Ezután kezd el a rendszer visszatérni az egyensúlyi állapotba.
Az idő függvényében jellegzetes akciós potenciál alakul ki - egy impulzus, avagy jel.

Ha ezt a potenciált megmérjük az axon mentén, mindenhol ugyanazt az akciós potenciált tapasztaljuk, csak időben eltolódva, azaz az akciós potenciál, mint egy elektromos jel, terjed az axon mentén, mégpedig gyengítetlenül.

Az idegimpulzus terjedésének mechanizmusa az axon mentén.

Ha egy elektromos inger érkezik az axon egy adott pontjára, a membrán polarizálódik, a náriumcsatornák kinyitnak (t=0). Emiatt nátriumionok áramlanak a sejtbe megváltoztatva a nátriumionok koncentráció-arányát a sejten belül és kívül az adott ioncsatorna környezetében. Ez a Nernst-egyenlet értelmében megváltoztatja a membránpotenciált a következő ioncsatornánál. Emiatt az kinyit. És így tovább... Az inaktivált állapot megakadályozza, hogy az inger visszafele terjedjen.

Az idegimpulzus átadása a következő idegsejtnek.

Egy idegsejt idegvégződése egy másik idegsejt dendritjéhez kapcsolódik.
Egy dendrithez több idegvégződés is kapcsolódhat.
A dendritre az elektromos jel úgy adódik át, hogy először kémiai jellé alakul, majd vissza elektromos jellé:

Átalakítás kémiai jellé: az idegvégződéshez érkező akciós potenciál az ott található kalciumcsatornák nyitását okozzák. A beáramló kalciumionok a szinaptikus vezikulákban tárolt kémiai hírvivő anyag, a neurotranszmitterek felszabadulását okozzák.
Visszaalakítás elektromos jellé: az érkező neurotranszmitterek a dendrit membránjában található ligandumvezérelt ioncsatornák nyitását okozzák. A beáramló ionok az ismert módon megváltoztatják a koncentrációgradients és akciós potenciált indítanak el.

Táblázat neurotranszmitterekről.
Táblázat ioncsatornákról.