Генерация и проведение нервных импульсов

Благодаря непрерывной работе мембранных ионных насосов меж­ду внутренним содержимым невозбужденной клетки и внешней сре­дой постоянно поддерживается разность потенциалов. Этот параметр можно измерить введением электрода в крупные нервные клетки, ди­аметр которых у кальмаров, например, может достигать 1 мм. Опре­деляемая величина называется потенциалом покояи достигает в не­возбужденных клетках (-60) - (-70) мВ (минус указывает на то, что внутренняя поверхность мембраны электроотрицательна по отноше­нию к внешней). Потенциал покоя характеризует состояние динами­ческого равновесия в перемещении ионов натрия и калия через мемб­рану.

При воздействии на мембрану в каком-либо локусе электрическим током или другим раздражителем в этом месте открываются специфи­ческие натриевые каналы и ионы Nа⁺ устремляются внутрь, нейтрали­зуя отрицательный заряд на внутренней поверхности мембраны в дан­ном локусе. Это явление носит название «деполяризация». Если пороговая величина импульса, вызвавшего деполяризацию, достаточ­но велика (более 10 мВ), то в мембране открываются натриевые кана­лы, работающие на потенциал действия.Потенциал действия представ­ляет собой импульс, проходящий вдоль мембраны нервной клетки и специфически изменяющий за доли секунды (в нервах млекопитающих приблизительно за 0,5 мс) мембранный потенциал. Особенностями потенциала действия являются: высокая скорость распространения вдоль мембраны нервной клетки - до 100 м/с и неизменная интенсив­ность.

Механизм передачи нервного импульса состоит в следующем. Повышение проводимости мембраны в конкретном локусе для ионов натрия и деполяризация взаимно усиливают друг друга. В результате быстрого перемещения ионов натрия на внутреннюю поверхность мембраны исходный потенциал (-70 мВ) падает до нуля, а затем дос­тигает значения (+20) - (+40) мВ. Таким образам, в данном локусе мембраны создается область положительного заряда и в местной цепи возникает ток между этим активным участком и отрицательно заря­женной областью, находящейся непосредственно перед ним. Отличи­тельной особенностью мембран нервных клеток, очень быстро про­водящих нервные импульсы, является наличие миелиновой оболочки, которая выполняет роль изолятора. Благодаря этой оболочке плазматическая мембрана контактирует с содержащей Nа⁺ внеклеточной жидкостью лишь в определенных точках - перехватах Ранвье, и де­поляризация мембраны происходит только в области этих перехва­тов. Так как нервная клетка покрыта изолятором - миелином, рас­пространение области электрического тока до следующего перехвата осуществляется в основном через цитоплазму клетки. Дойдя до оче­редного перехвата, ток снижает мембранный потенциал в этой облас­ти, в ней происходит деполяризация и повышается проницаемость для ионов натрия, т. е. возникает потенциал действия. Так, в виде волны деполяризации потенциал действия распространяется по мембране в одном направлении.

Восстановление поляризации происходит в результате выхода из аксона ионов К⁺. Пока реполяризация не закончится, перехват не мо­жет возбудиться снова, а к тому времени, когда перехват будет спосо­бен к ответу, импульс уже уйдет по мембране слишком далеко, чтобы снова открыть в рассматриваемом перехвате аксона натриевые кана­лы. По этой причине импульс распространяется по мембране нервной клетки только в одном направлении. Реполяризация заканчивается после того, как АТР-азы, задействованные в активном транспорте ионов, восстановят нормальное соотношение концентраций Nа⁺ и К⁺ в перехвате.

Амплитуда потенциала действия постоянна для каждой нервной клетки и не уменьшается по мере движения по мембране, так как изме­нение в каждой точке мембраны происходит за счет локального запаса энергии в виде ионного градиента, хотя и запускается изменением в соседнем перехвате.

Передача нервного импульса между нейронами и от нейронов к мышечным клеткам происходит в нервных окончаниях (синапсах) с помощью сигнальных веществ - медиаторов.Одним из наиболее рас­пространенных нейромедиаторов(синтезируются нервными клетками) является ацетилхолин. Выделение ацетилхолина синаптическими мем­бранами служит сигналом для генерирования нервного импульса в рас­положенной по соседству нервной клетке. Осуществляется это с помо­щью ацетилхолиновых рецепторов, которые представляют собой трансмембранные комплексы из пяти субъединиц, формирующие про­ницаемый для ионов Na⁺ и К⁺ каналы.

Участки для специфического присоединения ацетилхолина распо­ложены на внеклеточной части α-субъединицы рецептора и их связы­вание приводит к формированию в центре комплекса трансмембранного канала, который открывается на короткое время для прохожде­ния ионов натрия и калия. Открывание и закрывание канала происхо­дит в результате аллостерического изменения в заряженных участках полипептидных цепей рецептора. Перемещение ионов через мембраны изменяет потенциал покоя нервной или мышечной клетки, что стимулирует открывание потенциал-управляемых Nа⁺-каналов, и возникает потенциал действия.

Ацетилхолиновый рецептор может связывать различные лекар­ственные вещества, например никотин, который в малых дозах акти­вирует ацетилхолиновые рецепторы, а в больших - угнетает их. Кро­ме этого, многие нейротоксины змей способны взаимодействовать с ацетилхолиновым рецептором и нарушать его функционирование. Из­вестно также явление конкурентного ингибирования ацетилхолина при связывании с рецептором ядом кураре (растительный алкалоид), которым южно-американские индейцы пропитывали наконечники для стрел.

Структура ацетилхолинового рецептора (в разрезе)

Рецептор изображен синим, фосфолипидные головки мембраны желтым и прикрепленный цитоплазматический белок розовым. Рецептор приблизительно 12 нм длиной выдвинут приблизительно на 6.5 нм во внеклеточное и на 1.5 нм во внутриклеточное пространство. Узкая пора (длинная стрелка) диаметром ~2 нм сформирована кольцом из пяти a-спиралей. Участок связывания АХ выглядит как карман (короткая стрелка) в a-субъединице и расположен приблизительно в 5 нм от ворот. (По данным Найджела Унвина, MRC Лаборатория Молекулярной Биологии, Кембриджа.)