Потенциал покоя (ПП) нейрона – его постоянный отрицательный заряд, равный –70 мВ или –0,07 В. Перед тем как мы двинемся дальше, вдумайтесь. Для того чтобы узнать цифру –70 мВ, у ученых ушли десятилетия напряженной работы, как и для выяснения любого другого факта из мира науки. Исследователи вгрызаются в пласты неисследованного, чтобы вы, если вдруг случится беда, например страшная интоксикация, могли выжить. Многие токсины способны сдвинуть баланс заряда мембран клеток, и тогда вы не сможете вдохнуть или вдохнете и не сможете выдохнуть. И в тот момент, когда рядом окажется врач со спасительным шприцем или таблеткой в руке, лишний раз будет повод поблагодарить тех людей, которые свои жизни положили на кропотливую и нудную работу в лаборатории. Или у вас разболелась голова, и вы идете в домашнюю аптечку за средством против головной боли. Вы его выпиваете, и через пять минут боли как не бывало. Мы воспринимаем это как обыкновенную действительность – «ну да, есть таблетки, что в этом такого». Но вот не было раньше таблеток, и не было раньше «аптечки», был шаман, который сказал бы вам засунуть в уши помет священного козла. И вы послушно это сделали бы как минимум по двум причинам. Во-первых, непререкаемый авторитет шамана, «способного на многое». А во-вторых, вы в любом случае почувствуете себя лучше, голова не будет болеть бесконечно, если у вас нет страшных патологий. И тогда кто вам помог? Шаман. Какое счастье жить в современном мире, где можно взять тысячу человек, засунуть им в уши шаманское снадобье, взять еще тысячу человек и дать им таблетку против головной боли, а еще двум тысячам засунуть в уши или дать внутрь мел и посмотреть, какое же средство будет работать лучше. И понять, что три тысячи лет шаманского опыта зачастую сводились к ошибке выжившего.
Схема изучения внутреннего заряда нейрона с помощью микроэлектрода
Как ученые поняли, что внутри клетки относительно внешней среды есть заряд и этот заряд равен –70 мВ? Они придумали иглу с полостью внутри. Что-то наподобие шприца, но настолько маленькое, что им можно проколоть мембрану отдельной клетки, причем шприц не пройдет насквозь, а его конец останется внутри. Иглу делают из стекла: помещают стеклянную трубочку толщиной 1 мм в нагревательный прибор, и, как только стекло начинает плавиться, две пружины резко растягивают эту трубочку в противоположные стороны. В месте, где стекло было нагрето, создается настолько тонкая струна, что ее не видно. Пустой канал внутри иглы вы заполняете токопроводящим раствором, например раствором соли, а затем с помощью специальных держателей под микроскопом вводите эту иглу внутрь клетки.
И как только игла окажется внутри клетки, прибор покажет, что относительно окружающего раствора клеточное содержимое имеет отрицательный заряд в –70 мВ. И эти показания будут стабильны, пока игла находится внутри клетки и пока клетка жива.
Работа натрий-калиевого насоса
Пока клетка жива, на ее мембранах работает так называемый натрий-калиевый насос (Na+-K+-насос). Этот белок, словно насос, закачивает из окружающей среды в клетку ионы K+ и при этом выкачивает из цитоплазмы клетки ионы Na+. Стоит подчеркнуть, что этот насос – не эфемерная штука, а реальная физическая конструкция, которая работает что есть силы. Внутри конструкции белка есть полости, в которые могут попасть ионы, и эти полости разные. Есть полости для ионов Na+, если полости для ионов K+, причем для натрия таких полостей три, а для калия две.
Мозг – самая энергозатратная структура тела. Так вот, она такая энергозатратная как раз из-за этих насосов – именно они тратят большую часть энергии, поддерживая батарейку клетки в постоянно заряженном состоянии. Во время работы насоса происходит своеобразный обмен, расходуется энергия молекул АТФ. В результате снаружи клетки концентрация ионов Na+ становится в 10 раз больше, чем внутри, а внутри клетки в 30 раз больше ионов K+, чем снаружи.
Изначально, когда нервная клетка только появляется, она не несет в себе заряда. В таком состоянии они находятся у эмбрионов до двух-трех первых месяцев развития. Поэтому говорить о каких-либо чувствах эмбриона как минимум до этого срока преждевременно, его нервные клетки не выполняют свои функции. Компьютер еще не включен в розетку. Концентрация положительных и отрицательных ионов внутри клетки одинакова. Затем происходит следующее.
1. На мембране у нейрона появляются каналы, способные пропускать K+. Внутри клетки концентрация K+ высокая, снаружи низкая, и K+ начинает потихоньку покидать клетку. Представьте, что вы едете в переполненном общественном транспорте, и тут открываются двери. K+, по идее, должен выходить из клетки до тех пор, пока его концентрация снаружи не сравняется с концентрацией внутри, однако полностью ему выйти помешают оставшиеся в клетке отрицательные ионы. Плюс притягивает минус.
Выход ионов калия из клетки
Оставшиеся отрицательно заряженные ионы (это может быть Cl—, PO43–, остатки органических кислот и пр.) не полностью останавливают поток K+ из клетки, но делают так называемое динамическое равновесие. Сколько K+ покидает клетку, столько же из-за притяжения проникает в клетку.
2. Если бы все заканчивалось на K+, то внутри клетки заряд был бы равен –91 мВ. Но в игре еще участвует Na+, и он тоже не прочь попасть в клетку. Во-первых, ему тесно снаружи в окружении таких же, как он, и во-вторых, внутри клетки есть отрицательный заряд, который притягивает его. Натрий вытягивает заряд клетки в положительную сторону, и сила этого сдвига зависит от типа нервной клетки и количества таких натриевых каналов на ее мембране.
Проникновение ионов натрия в клетку
3. Если оставить все на этом моменте, нетрудно догадаться, что рано или поздно клетка обменяется с внешней средой всеми ионами и ее внутренний заряд станет равен 0. Чтобы не допустить подобного, и существует Na+-К+-насос, постоянно поддерживающий динамическое равновесие на уровне –70 мВ.
