Евгений Плисов - Научное мировоззрение изменит вашу жизнь. Почему мы изучаем Вселенную и как это помогает нам понять самих себя?

Возбуждение нервной клетки при преодолении порога ПД.

Почему клетка возбудилась именно при воздействии в 20 мВ? Тут дело скорее не в силе воздействия, а в том, какой изначально у нее был потенциал покоя. Он может быть -70 мВ, может быть -80 мВ, но все нервные клетки ждут, пока электрический стимул не сдвинет их мембранный потенциал до уровня -50 мВ. Наша клетка под микроскопом не исключение и ждала именно такого сигнала. Ей хватило воздействия в 20 мВ, но если бы у нее ПП был -80 мВ, то сила воздействия должна быть, соответственно, — 30 мВ.

Потенциал действия длится 1–2 мс. Амплитуда такая: все начинается на -70 мВ, затем выходит в положительную область — на +30 мВ и более, затем мембранный потенциал возвращается. Вершина называется овершут.

Деполяризация и реполяризация нервной клетки.

Разберемся, что происходит с клеткой в момент возбуждения. Когда ее мембранный потенциал начинает резко расти и выходит в положительные значения — этот процесс называется «деполяризация мембраны», или «восходящая фаза». В этот момент на ее мембране открываются натриевые каналы, и в клетку входит порция ионов Na +. Реполяризация же мембраны, или «нисходящая фаза», обусловлена выходом из клетки ионов К +. Почему же натриевые каналы были закрыты, а потом вдруг резко открываются и начинают пропускать ионы? Дело в том, что каналы имеют створки, реагирующие на заряд цитоплазмы клетки (такие каналы называются электрочувствительными).

Открытие малой створки натриевого канала.

Створка, как и сам канал, — белок, а значит, состоит из аминокислот. Большая часть аминокислот створки заряжены положительно, то есть будут как магнитом удерживаться отрицательно заряженной цитоплазмой. Когда заряд цитоплазмы повысится до -50 мВ, то сил держать створку не останется — и она откроется. Удивительно, весь наш мыслительный процесс сводится к постоянному хлопанию натриевой калиткой.

Натриевый канал очень быстрый, его створка открывается почти мгновенно, но потом он так же быстро и закрывается, примерно через 0,5 мс. То есть он пропускает натрий порциями. У клетки же еще есть и калиевые каналы, которые тоже электрочувствительные, но работают медленнее. Они открываются как раз примерно через половину миллисекунды после стимула, когда натриевые каналы уже позакрывались, позволяя калию покинуть клетку. На графике возникает потенциал действия.

Во время обсуждения натриевого канала мы сделали небольшое упрощение. На самом деле натриевый канал имеет две створки. Малая створка действительно находится внутри прохода, но есть и вторая, большая створка, она находится снаружи канала и в самом начале открыта. Ее свойства похожи на свойства малой: ее движение тоже обусловлено зарядом цитоплазмы, но двигается она медленнее, чем малая. Когда отрицательный заряд цитоплазмы уменьшается, малая створка быстро откроется, а вот большая начнет постепенно закрываться, давая порции натрия проникнуть в клетку. Суммарно весь процесс выглядит следующим образом.

Полный механизм работы нервной клетки при ее возбуждении.

Клетка получает стимул, ее мембранный потенциал доходит до -50 мВ.

В этот момент отрицательного заряда цитоплазмы перестает хватать, чтобы держать малую створку натриевых ворот, и она распахивается. Натрий начинает бежать в клетку, пока не закрылись большие ворота (их теперь тоже не держит заряд цитоплазмы) (2). Когда натриевые ворота закрыты, открываются калиевые ворота, восстанавливающие баланс (3). Все заканчивается возвращением натриевых ворот в исходное состояние (1 или 5) через промежуточную стадию, где обе створки закрыты (4) — малая уже вернулась в закрытое состояние, а большая еще не успела открыться. Интересно, сколько таких каналов успело открыться/закрыться, пока вы читали эти строки.

Человеку всегда было любопытно, что произойдет, если что-то сломать. Нервная система не исключение. Далеко в поисках подходящего инструмента ходить не нужно, природа давно уже все придумала за нас. В мире есть сотни токсинов, способных поломать нервную систему всеми возможными способами.

Например, есть замечательная молекула тетродотоксин. Она известна тем, что любит накапливаться в рыбе фугу. Эти иглобрюхие принадлежат семейству четырехзубых, или тетрадонов, отсюда и такое название. Едят рыбки морских звезд, грызут кораллы, а сами рыбки входят в меню восточной кухни. Только вот трапеза с рыбой фугу может закончиться плачевно, если ту неправильно приготовить. Тетродотоксин представляет собой молекулярную пробку, способную буквально заткнуть натриевый канал. В прямом смысле, это микропробка для микрогорлышка. Неработающий калиевый канал означает, что у вас не будет потенциала действия. Сигналы по нервной системе перестанут передаваться, сначала вы потеряете чувствительность, а потом может возникнуть паралич, остановка дыхания и смертельный исход. Впрочем, именно это и принесло рыбке ее славу. На вкус она не отличается ни от какой прочей, но вот щекотливое ощущение возможной смерти при трапезе заставляет людей раз за разом заказывать ее в дорогих ресторанах. Токсин все же может быть в блюде, причем он не сделает его смертельным. Дело, как всегда, в концентрациях. Небольшое количество тетродотоксина принесет ощущения накатывающих волн тепла и холода по коже и прочие иллюзии кожной чувствительности. Не уверен, что ради этого стоит рисковать своей единственной жизнью, но, как говорится, на вкус и цвет.

Тетраэтиламмоний( ТЭА) — другое интересное вещество. Работает как пробка к калиевому каналу, причем в природе не встречается — его придумали химики. Вспомним, ПД длится примерно 1 мс. Половина миллисекунды на восходящую фазу, половина на нисходящую. ТЭА удлиняет нисходящую фазу, и теперь она длится 50 мс вместо 0,5 мс. Нейрон вернется к потенциалу покоя, так как у него остаются открытыми другие калиевые каналы, неэлектрозависимые, открытые всегда. К сожалению, их примерно в 100 раз меньше, чем электрозависимых, поэтому придется ждать возвращения нейрона к готовому состоянию. Благодаря такой особенности ТЭА используют для глубокого наркоза, поскольку удлинения ПД достаточно, чтобы лишить человека сознания, но недостаточно, чтобы убить.