Так или иначе, в сегодняшних клетках постоянное натриевое напряжение нужно не просто для комфортной клеточной жизнедеятельности, а само по себе. У нас оно играет роль натянутой струны, на которой благодаря ее натянутости можно что-то сыграть. Натрий постоянно толпится возле мембраны, пытаясь проникнуть внутрь клетки, поэтому, если на мгновение приоткрыть ему дверь, сквозь мембрану устремляется мощная струя его положительного заряда. Даже если дверь тут же захлопнуть, этот импульс волной распространяется по внутренней поверхности мембраны, быстро нейтрализуя ее «минус» до тех пор, пока натрий не рассеется по клетке и не будет выкачан наружу натрий-калиевым насосом. Такие короткие импульсы, вызывающие в мембране разбегающиеся всполохи заряда, используются многими клетками для передачи сигналов из одной части клетки в другую. Но у некоторых клеток, и в частности у нейронов, есть еще один трюк, который поднимает эту идею на новую высоту: потенциал действия.
Выстрел голосованием
Типичный нейромедиатор, выброшенный в синаптическую щель, доплывает до «принимающего», или постсинаптического, нейрона, и открывает там натриевые каналы. Эти каналы как раз и напоминают захлопнутую дверь, которую нейромедиатор временно приоткрывает. Внутрь клетки устремляется натрий, и волна положительного заряда растекается по внутренней стороне ее мембраны. Но нейромедиатор поступает в синаптическую щель не постоянным потоком, а небольшими облачками, выпущенными окончанием предыдущего нейрона. Нейромедиатор быстро утекает из синапса, зачастую впитываясь только что испустившей его пресинаптической клеткой для повторного использования. Так что дверь ионного канала приоткрывается всего на несколько милли– секунд, после чего она снова захлопывается. В результате струя натрия в клетку обрывается и вызванная им волна положительного заряда быстро затухает, не сильно продвинувшись вглубь нейрона. Усердно пыхтящий натрий-калиевый насос возвращает все на свои места.
Но что будет, если нервная клетка принимает нейромедиаторы от нескольких нейронов одновременно? Чем больше у нее «входящих соединений», тем сильнее ее бомбардируют нейромедиаторами, тем больше в нее впускается натрия и тем сильнее суммарная волна положительного заряда, растекающаяся по клетке. Того же самого эффекта можно достичь, если лупить нейромедиатором по одному и тому же синапсу, но с огромной частотой – так, что натриевая волна не будет успевать затухать, а будет продолжать нарастать.
И вот тут, с нарастающей натриевой волной, в дело вступает тот самый фирменный трюк нейрона, исполняемый одной из важнейших молекул в нашей нервной системе. Называется эта молекула, к сожалению, предельно банально: потенциал-зависимый натриевый канал.
КСТАТИ
Ядовитая рыба фугу – знаменитый японский деликатес для любителей острых ощущений. Ее можно есть, если особым образом разделать, но стоит повару чуть промахнуться, и исход для едока может оказаться смертельным. Приготовление фугу жестко контролируется: поварам нужно получать специальную лицензию, а употребление печени (самой ядовитой части, которую знатоки, разумеется, считают самой вкусной) вообще запрещено.
Яд рыбы фугу называется тетродотоксин. Это вещество блокирует потенциал-зависимые натриевые каналы, тем самым предотвращая нервные и мышечные импульсы (сокращение мышц во многом похоже на возбуждение нейронов). Умирает человек обычно от паралича дыхательных мышц.
История с фугу и тетродотоксином любопытна в первую очередь тем, что от него не умирает сама рыба, которая, конечно, тоже не может жить без нервной системы и мышц, а значит – без потенциал-зависимых натриевых каналов. Разгадка в том, что у фугу в генах этих каналов есть мутация, делающая их нечувствительными к яду17. Сам же тетродотоксин производится не организмом рыбы, а бактериями, которых рыба поедает. То есть эволюционно предки фугу, по-видимому, сначала пытались обезвредить какую-то ядовитую пищу, содержащую тетродотоксиновые бактерии, и в итоге получили возможность приспособить эти бактерии для самообороны.
Но самое интересное в том, что ровно так же поступают по крайней мере несколько животных независимо друг от друга. Очень похожие мутации в генах натриевых каналов обнаружены, например, у некоторых моллюсков и змей, которые, как и фугу, пользуются микроорганизмами с тетродотоксином, чтобы самим быть ядовитыми18. Поскольку все эти мутации происходили независимо и многократно, а у неядовитых животных не встречаются, создается впечатление, что тетродотоксин – это универсальный противоживотный яд, который в принципе легко найти среди микроорганизмов, но которым среди животных почти никто не может пользоваться, кроме отдельных мутантов натриевого канала. Те же обретают в результате своей мутации доступ к мощному бактериальному оружию. Это прекрасный пример конвергентной эволюции, при которой разные тропы ведут к одной и той же идее.
С «натриевым каналом» в названии все понятно: как и «двери», открываемые нейромедиаторами, этот белок впускает натрий внутрь клетки. Но ключевое свойство этого конкретного канала – его потенциал-зависимость, то есть зависимость от напряжения на мембране. Эти каналы открываются не нейромедиатором, а самой мембраной, в которой они сидят. Стоит мембране (в норме отрицательно заряженной изнутри) впустить в клетку достаточное количество натрия, как раскрываются потенциал-зависимые каналы и впускают в клетку еще больше натрия, что раскрывает еще больше потенциал-зависимых каналов – и так продолжается до тех пор, пока эти каналы не захлопнутся самопроизвольно, обрубая натриевый ток. Весь процесс занимает считаные миллисекунды, но в это мгновение отрицательный заряд с внутренней стороны мембраны вдруг резко становится положительным.
Обычно потенциал-зависимые каналы сконцентрированы на некотором удалении от «принимающих» синапсов, поэтому натриевая волна, вызванная нейромедиаторами, до них доходит не сразу, а только если достаточное количество синапсов работает одновременно с достаточной частотой. Но стоит суммарной волне положительного заряда разрастись до размеров, при которых она достигает потенциал-зависимых натриевых каналов, как те разом и настежь распахивают свои натриевые двери и превращают волну в лавину. Эту лавину уже не остановить. Натрий хлещет сквозь мембрану, вызывая взрывную нейтрализацию, которая почти мгновенно охватывает всю клетку и все ее отростки. Этот взрывной эффект и называется потенциалом действия. Через мгновение потенциал-зависимые натриевые каналы спонтанно захлопнутся, и клетка быстро вернется к своему исходному состоянию. Но пробежавший по ней «натриевый взрыв», потенциал действия, приводит к главному – и, по сути, единственному – действию, на которое способен нейрон: выбросу нейромедиаторов во все его «исходящие» синапсы.
Цикл замкнулся: мы проследили движение нервного импульса от синапса до синапса. Нейромедиатор, выброшенный клеткой № 1, впустил в клетку № 2 немного натрия. При достаточном количестве впущенного натрия в клетке № 2 активируются потенциал-зависимые натриевые каналы и впускают очень много натрия, то есть вызывают потенциал действия. В результате клетка № 2 тоже стреляет нейромедиатором в следующую клетку № 3 и так далее. В английском языке при потенциале действия так и говорят: neuron fires, «нейрон стреляет».
