Работа Na+-К+-насоса
Вся активность нашего мозга по большому счету сводится к постоянному закачиванию в клетки ионов. И это закачивание должно быть беспрерывным, так как если его прекратить, то сдвигается ПП (потенциал покоя). Сдвигаться он не должен, поскольку чем меньше внутри клетки отрицательный заряд, тем она становится возбудимее. Но если вам нужно, вы можете сломать собственную систему транспорта ионов. Например, вы можете взять растение-лиану строфант комбе и выделить из него строфантин. Этот токсин сломает Na+-K+-насос, и теперь нечему будет выкачивать лишний натрий из клеток вашего мозга. ПП начнет сдвигаться в сторону –60 мВ и выше.
Зачем растения придумали массу разнообразных интересных токсинов? Это их защита от травоядных животных. Вы можете придумать колючки, быть горьким, кислым, острым, твердым или настолько жухлым, что жевать вас будет совсем не классно. Но самое крутое, что вы можете сделать, это придумать яд, способный убить абсолютно любое животное. У растений такой же план на жизнь, как и у всех других существ, – жить, размножаться, по возможности захватить мир. То, что животные вас едят, не входит ни в коем разе в ваши планы, только если вы этого не хотите и ваши семена не распространяются по окрестностям посредством кишечника лемура. Так что лиана строфант – хитрая.
Человек оказался еще более хитрым. Он догадался взять страшный яд и сильно его разбавить. Так получают лекарство на основе строфантина, кардиостимулятор, способный усилить работу сердца (то есть сделать клетки сердечной мышцы более возбудимыми). Все дело в дозировках. Когда вы пьете чай, не думайте, что мята, ромашка или календула придумали все свои вещества просто так или для нашего с вами удовольствия. В подавляющем большинстве случаев растение пыталось кого-нибудь отравить, будь то млекопитающее или насекомое. Но человек – исключение из правил, мы можем разбавлять эти вещества и получать полезный для себя продукт. В следующий раз, когда будете пить чай с горными травами, порадуйтесь собственному величию, ведь какая-нибудь травка в вашем чае точно намеревалась вас убить, но вы оказались хитрее.
Попробуем же теперь возбудить нервную клетку. Допустим, стеклянная трубочка до сих пор торчит из нее, а мы наблюдаем за нейроном в микроскоп. Подадим через трубочку слабый электрический сигнал и посмотрим, как отреагирует клетка. Если сигнал будет недостаточно сильный – ничего не произойдет. Клетка вернется в нормальное состояние. Но нам же интересно. Будем повышать дозу воздействия до тех пор, пока что-нибудь не случится. Пять милливольт, десять, пятнадцать. Ничего. Но как только мы подадим разряд в 20 мВ, то нервная клетка возбудится, у нее поменяется полярность внешней и внутренней мембраны, а затем все вернется на свои места. Это и есть потенциал действия – нейрон «включился». Напомню, что вся ваша память, все эмоции, чувства и прочее работают на нейронах, у которых два состояния – «вкл» и «выкл».
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 K+. 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.
