Александр Волошин – Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе (страница 40)
Совсем нелегко было прийти к таким представлениям. И вот почему: диаметр иона натрия в растворе раза в полтора больше диаметра ионов калия и хлора. И совершенно необъяснимо, как бо́льший по размеру ион проходит там, где не может пройти меньший1.
1
Рисунок 36. Модель потенциала действия Ходжкина – Хаксли.
Нужно было найти новое объяснение механизма перехода ионов через мембраны. Только осмосом движение ионов через мембрану не объяснить. И тогда была высказана идея, что ионы могут пересекать мембрану с помощью пока неизвестных белковых молекул. Причём эти «молекулы-такси» хорошо различают своих пассажиров, и никогда не путают ионы натрия с ионами калия.
Так элегантно были объяснены значения потенциалов покоя и действия. А следующим шагом стало объяснение распространения нервного импульса путём последовательного открытия натриевого и калиевого каналов мембраны.
Алан Ходжкин прекрасно разбирался в электричестве и дал такую иллюстрацию распространения сигнала в нерве. «Если специалист по электричеству посмотрит на нервную систему, то сразу увидит, что передача сигнала по нервным волокнам является огромной проблемой. Диаметр аксона в нерве варьирует от 0,1 до 20 микрон. Внутреннее содержимое содержит ионы и является неплохим проводником электричества. Однако, волокно невелико и его продольное сопротивление очень большое. Простой расчёт показывает, что в волокне диаметром 1 микрон и сопротивлением 100 Ом/см удельное сопротивление составит около 1010 Ом/см. Это означает, что электрическое сопротивление маленького нервного волокна длиной в 1 метр равно сопротивлению 1010 миль 0,2 мм медной проволоки, то есть проволоки длиной в десять раз больше, чем от Земли до планеты Сатурн» [43].
Требовалось найти другое обоснование электрической природы нервного импульса. И надо сказать, он его нашёл. И, решение это, не менее элегантно, чем объяснение овершута.
Ходжкин и Хаксли совместили теорию местных токов, предложенную Лудимаром Германом, кабельную теорию Томсона и собственную мембранную теорию. Ив вот что у них получилось:
После того как потенциал действия возникает на одном участке аксона, создаваемые при этом ионные токи возбуждают соседние участки, вызывая изменение потенциала действия и на них. Происходящая в результате цепная реакция обеспечивает распространение потенциала действия по всей длине нервного волокна от места, где он был вызван первоначально, до терминалий, предающих сигнал другому нейрону (или мышечной клетке).
Возможно, такая схема и работала бы в идеальных условиях, где нет потерь, так почти бесконечно распространялась бы волна от брошенного в океан камня. В реальных же условиях существуют утечки и другие явления, приводящие к тому, что на каждом следующем участке аксона реполяризация будет уменьшаться и бегущая волна постепенно затухнет. И это не единственная проблема.
Возник ряд сложных и до поры до времени неразрешимых вопросов:
– Почему амплитуда нервного импульса не уменьшается в процессе распространения (НИ не затухает)?
–Как восстанавливается исходный потенциал на мембране после прохождения НИ?
Как проходят ионы натрия и калия через мембрану?
В результате Ходжкин и Хаксли, предложили максимально полное на тот момент биофизическое описание потенциала действия, хотя методы исследования молекулярных механизмов нервного импульса стали доступными только в 80-х годах XX века.
Модели подобные Модели Ходжкина – Хаксли были созданы впоследствии и для других электрохимически возбуждаемых клеток – например, для сердечных миоцитов. И вот что примечательно, во многих русскоязычных источниках, все модели такого рода описывают как
Для того чтобы понять современное представление о распространении нервного импульса нам придётся сделать отступление и узнать кое-что про автоволновые процессы.
Автоволны
Автоволнами называют волны, распространяющиеся в активных средах, т.е. в средах с распределёнными запасами энергии. Простейшим примером активной среды является бикфордов шнур. Ещё Лудимар Герман предложил на рубеже XIX—XX веков этот пример для вероятного описания нервного импульса. В случае бикфордова шнура запасённая в нём химическая энергия в процессе горения расходуется на розжиг соседних ещё не сгоревших участков шнура. В результате возникает волна горения, распространяющаяся вдоль шнура. Подойдут в качестве примера и падающие костяшки домино, и распространяющийся степной пожар.
Обобщая можно сказать, что автоволны представляют собой самоподдерживающиеся сигналы, которые запускают процессы локального высвобождения запасённой в среде энергии, затрачивающейся на запуск аналогичных процессов в соседних областях.
Мы рассмотрели, пример в котором распространяющийся фронт пламени необратимо переключает её в «сгоревшее» состояние. Особый интерес для исследователей представляют так называемые
Разберём пример активных сред с восстановлением: горелку с медленно подводящими топливо фитилями. Представим себе горелку, устроенную следующим образом. В листе металла на близком расстоянии друг от друга просверлены отверстия, в которые вставлены полосы асбеста. Концы этих полос погружены в ванну с густым маслом. Асбест не горит, но когда он пропитывается маслом, то представляет собой фитиль, который можно поджечь. Скорость горения асбестового фитиля, пропитанного маслом, выше скорости поступления горючего вещества (масла). Поэтому фитиль через некоторое время погаснет. После этого за счёт диффузии он вновь пропитается маслом, и его вновь можно поджечь и т. д. Таким образом, фитиль может находиться в трёх состояниях: горение; пауза (рефрактерный период), когда засасывается масло; готовность вновь вспыхнуть после поджога (стадия покоя). Если в такой демонстрационной горелке поджечь один из фитилей, то от него загорится соседний. Первый фитиль вскоре погаснет (выгорит масло) но к этому времени по горелке уже побежит фронт пламени. Так технически остроумно была реализована активная среда с восстановлением: каждый её элемент (фитиль) может в отличие от бикфордова шнура вспыхнуть не один, а сколько угодно раз. Отметим, что повторный поджог можно осуществить не только от внешнего источника, но и пламенем, подошедшим по среде. Для этого достаточно линию фитилей, вдоль которой бежит пламя, замкнуть в кольцо, и пламя начнёт вращаться по ней [44].
Распространяющийся по аксону импульс также является автоволной; он представляет собой электрохимическую волну перехода между двумя состояниями: покоя, когда разность потенциалов на мембране волокна велика (приблизительно – 0.07 В), и активного состояния – возбуждения, когда разность потенциалов мала (около +0.02 В). При распространении нервного импульса в каждой точке возбудимой мембраны расходуется энергия, исходно запасённая в виде неравномерных концентраций ионов калия и натрия по обе стороны мембраны.
После прохождения нервного импульса мембрана остаётся деполяризованной и неспособной к следующему возбуждению (рефрактерный период). Чтобы восстановить возбудимость клетки, необходимо восстановить исходные потенциалы, то есть восстановить исходную концентрацию ионов (потенциал покоя).
Справится ли с этой задачей простой осмос? Ответ Ходжкина и Хаксли – нет! И тут на сцену выходят «молекулы помощники» – ионные насосы. Белковые молекулы, которые выкачивают из клетки ионы натрия и закачивают ионы калия. Причём делают это чрезвычайно быстро, судя по временному графику нервного импульса. Хотя, можно предположить, что ионные концентрации восстанавливаются за счёт их общего количества во внутри– и внеклеточном пространстве, а поддерживаются насосами.
Насосы
Мембранный электрический потенциал генерируется с помощью поддержания концентрации ионов, присутствующих в физиологических жидкостях организма и внутриклеточной среды.
Каждый потенциал действия оставляет клетку с бо́льшим, чем следовало бы быть, количеством натрия внутри и с бо́льшим количеством калия снаружи. Восстановить исходный баланс должен был бы осмос. Но нервные импульсы несутся по аксону один за другим с такой частотой, что медленный осмос не справится. И не забываем, что через мембраны ионы калия и натрия надо перемещать против градиента концентрации и электрохимического градиента. Ходжкин предположил, что этот дисбаланс исправляется особым белком, который транспортирует избыточные ионы натрия из клетки, а ионы калия – в клетку. В результате чего исходные градиенты концентраций натрия и калия восстанавливаются. [8]
1950-х годах Ходжкин обнаружил, что при возбуждении нерва расходуется АТФ, а также, что перенос катиона натрия из клетки замедляется, если подавить синтез АТФ. Начало развиваться представление о ферменте АТФазе, которую в тот момент считали ответственной за биосинтез АТФ.