Александр Волошин – Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе (страница 41)

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]

В 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.

Биохимия нейрона

Напомню, что белки – это полимеры – молекулярные «бусы», состоящие из «бусин» -мономерных аминокислот. Каждая аминокислота имеет: аминную группу, карбоксильную группу и радикал.

Всего в состав белков входят 20 типов аминокислот, которые различаются лишь радикалами. Самый простой из радикалов водород даёт нам аминокислоту, которая называется глицин.

Полимеризация аминокислот с образованием белка происходит за счёт связывания COOH-группы предыдущей аминокислоты с NH₂ следующей (такая связь называется пептидной).

В результате появляются линейные цепочки, состоящие из сотен аминокислот (100 аминокислот уже белок, меньше ста ещё пептид).

Итоговая аминокислотная цепь – это первичная структура белка. Радикалы не принимают участия в её формировании. Средняя длина белка 300—700 аминокислот. У каждого белка своя уникальная структура, свой набор и порядок аминокислот.

Рисунок 38. Белок

Следующий этап – формирование вторичной структуры белка. Она происходит за счёт присутствия довольно больших зарядов внутри аминокислот: положительного на аминной группе и отрицательного на карбоксильной.

Под влиянием этих зарядов первичная структура начинает сворачиваться. Самый известный способ свёртывания – это спираль. На каждом витке такой спирали примерно три аминокислоты. Радикалы при этом вновь не участвуют.

На третьем этапе спираль сворачивается в белковый клубок. Его образование происходит за счёт взаимодействия радикалов. Они же все могут быть разными и положительными, и отрицательными. Именно в таком состоянии белок становится молекулярной белковой машиной. Теперь он способен работать, например, схватить какую-нибудь молекулу и что-нибудь с ней сделать.

Как это происходит. Благодаря своей химической структуре белок способен производить захват молекулы-мишени (лиганда), для каждого белка мишень своя. Белок подстраивается под свою мишень по принципу ключ-замок. После этого он способен выполнять с лигандом те или иные действия.

По типу операций с лигандом белки подразделяются на:

Белки-ферменты

транспортные белки

белки-каналы (насосы)

двигательные, защитные, строительные и др.

Как работает расщепляющий пищевой белок-фермент.

Захватить лиганд.

Разорвать его.

Отпустить.

А бывает наоборот – синтез новых веществ:

Захватить два лиганда.

Соединить их.

Отпустить.

Транспортный белок, например, гемоглобин работает так. Схватил кислород, перенёс его, отпустил и опять в лёгкие за новым кислородом.

В организме работает около 5000 групп ферментов.

Применительно к теме нервных клеток нам особенно интересны белки-каналы и белки-насосы.

Простейшие «открытые» белки—каналы условно представляют собой трубки, встроенные в мембрану клетки. через них может идти диффузия1 как правило строго определённых мелких частиц – молекул H₂O, ионов K⁺, Na⁺ и прочих (то, что делает мембрану полупроницаемой и является основой для осмоса).

Большинство же каналов не такие простые, а со створкой – его отверстие перекрыто петлёй-створкой (канал закрыт). Но при определённых условиях створка может открываться, разрешая диффузию. Условия открытия могут быть разные – влияние химических веществ (гормонов), электрического потенциала или давления.

Работа белка-насоса:

1 Диффузия – движение частиц из области с более высокой концентрации в область с низкой концентрацией.

Рисунок 39 Работа белка-насоса

Есть ещё одна группа белков – это белки—рецепторы. Будучи встроенными в мембрану клетки (например, в месте синапса), они выполняют информационные функции. Лиганд в этом случае – сигнал об определённом событии во внешней межклеточной среде. Присоединяя лиганд белок-рецептор запускает ответную реакцию клетки влияя на её белки-каналы, насосы, ферменты.

Простейшие открытые каналы и белки—каналы со створкой являются пассивными элементами – они либо пропускают через себя микрочастицы, либо нет. А вот каналы-насосы способны выполнять работу (как и белки-ферменты, и белки-рецепторы). Такой насос захватывает лиганд с одной стороны мембраны и переносит его на другую. Такая работа уже требует затрат энергии. Для получения этой энергии белок умеет получать её от АТФ, отрывая от неё один или два остатка фосфорной кислоты.

Белки, потребляющие энергию АТФ для выполнения какой-либо работы, часто обобщённо называют – аденозинтрифосфата́зы (АТФ-азы).

АТФ

Молекула АТФ (аленозинтрифосфата) состоит из рибозы, аденина и трёх остатков фосфорной кислоты, между которыми имеются две высокоэнергетические связи. Энергия каждой из них составляет 30,6 кДж/моль. Поэтому её и называют макроэргической в отличие от простой связи, энергия которой составляет около 13 кДж/моль. При отщеплении от молекулы АТФ одного остатка образуется молекула АДФ (аденозиндифосфат), а при отщеплении двух остатков —соответственно молекула АМФ (аденозинмонофосфат).

Рисунок 40 Строение молекулы аленозинтрифосфата (АТФ) и её роль в превращении энергии

Восстановление (синтез) молекул АТФ происходит в митохондриях, внутри самой клетки. Энергия запасается в результате реакций окисления органических веществ. Клетка использует эту запасённую энергию во всех процессах жизнедеятельности.

Насосы

Наиболее важными из белков-насосов, которые поддерживают мембранный потенциал, являются:

1. Натриево-кальциевый (транспортирует один ион Са₂+ внутрь клетки в обмен на 3 иона Na+, транспортируемых наружу).

2. Натриево-калиевый (транспортирует один ион Na+ наружу в обмен на один ион К+ внутрь).

3. Хлорный (транспортирует из клетки наружу ионы Cl—).

Рисунок 41. Строение клеточной мембраны. Видны два слоя липидных молекул, ионные каналы и ионные насосы K+ и Na+.

Энергозатраты при возбуждении нейронов обусловлены главным образом работой натрий-калиевого насоса, который активируется поступлением внутрь протоплазмы ионов Na+.

В 1957 году Йенсом Скоу (дат. Jens Christian Skou 1918—2018) была открыта Na+/K+-АТФаза. Он выделил этот фермент из периферических нервов с помощью уабаина – специфически связывающегося с АТФазой гликозида. За это открытие спустя сорок лет, в 1997 году он был удостоен Нобелевской премии по химии.

Благодаря этому открытию был объяснён принцип работы «натрий-калиевого насоса» который поддерживает концентрацию ионов натрия в цитоплазме клетки на очень низком уровне по сравнению с внеклеточной средой.

Na+/K+-АТФ-аза (Na+/K+ аденозинтрифосфатаза) – фермент из группы транспортных аденозинтрифосфатаз, встречающийся в плазматической мембране всех клеток животных. Na+/K+-АТФ-аза переносит ионы К+ внутрь клетки, в то время как ионы Na+ выводятся наружу. Основная функция – поддержание потенциала покоя и регулирование клеточного объёма.

Как это работает. На первом этапе фермент присоединяет с внутренней стороны мембраны три иона Na+. Эти ионы изменяют конформацию1 третичной структуры белка. При этом фермент гидролизует одну молекулу АТФ. Выделившаяся в результате гидролиза энергия расходуется на проведение конформации белка, благодаря чему три иона Na+ и ион PO₄ – (фосфат) оказываются на внешней стороне мембраны. Здесь ионы Na+ отщепляются, и присоединяются два иона К+. Далее фермент возвращается в исходную конформацию, а фосфат-ион и ионы К+ оказываются на внутренней стороне мембраны. Здесь ионы К+ отщепляются, и насос вновь готов к работе.

В итоге внутри клетки создаётся высокая концентрация K+, а во внеклеточной среде – высокая концентрация ионов Na+.

1 Конформа́ция молекулы – пространственное расположение атомов в молекуле определённой конфигурации, обусловленное поворотом вокруг одной или нескольких одинарных сигма-связей.

Математическая модель

В 1952 году для описания электрических механизмов, обусловливающих возникновение и распространение нервного сигнала в гигантском аксоне кальмара Аланом Ллойдом Ходжкином и Эндрю Хаксли разработана математическая модель, названная в честь авторов «Модель Ходжкина—Хаксли».

Точечная модель Ходжкина—Хаксли представляет собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений, которая, в частности, пригодна для описания характеристик электрического сигнала.

Модель Ходжкина—Хаксли возникла не на пустом месте. Вот её предыстория.

Метод «интегрировать-и-сработать»

Одна из ранних математических моделей возбудимой клетки была предложена в 1907 году французским физиологом Луи Лапиком (Louis Lapicque, 1866—1952). Модель была описана следующей формулой: