37.1. Потенциалы действия опосредованы кратковременными изменениями проницаемости для Na+ и К+

Нервные импульсы представляют собой электрические сигналы, создаваемые током ионов через плазматическую мембрану нейронов. В нейроне, как и в большинстве клеток, К+ содержится в высокой концентрации, a Na+ - в низкой. Градиенты концентрации этих ионов генерируются

Рис. 37.1. Электронная микрофотография синапса. (Печатается с любезного разрешения д-ра U. Jack McMahan.)

К+)-насосом (разд. 36.2). В состоянии покоя проницаемость мембраны нервной клетки для К+ гораздо выше, чем проницаемость для Na+, и поэтому мембранный потенциал определяется главным образом отношением внутриклеточной концентрации К+ к внеклеточной (рис. 37.2, А). В нестимулированных аксонах мембранный потенциал составляет это близко к величине которая соответствует проницаемости мембраны для одних только ионов К+. Нервный импульс, или потенциал действия, возникает при деполяризации мембраны, выходящей за пределы выше порогового уровня (а именно с —60 до -40 мВ). За несколько миллисекунд мембранный потенциал становится положительным и достигает примерно после чего вновь делается отрицательным. Эта усиленная в несколько раз деполяризация распространяется по нерву, достигая нервного окончания. В раскрытии природы потенциала действия важную роль сыграло изучение гигантского аксона кальмара. Поскольку в этот необычайно крупный аксон (диаметром около миллиметра) нетрудно ввести электроды, он стал излюбленным объектом исследователей.

Каков механизм возникновения потенциала действия? Ален Ходжкин и Эндрью Хаксли (Alan Hodgkin, Andrew Huxley) провели остроумные исследования, показавшие, что потенциал действия возникает в результате сильных кратковременных изменений проницаемости мембраны аксона для ионов Na+ и К (рис. 37.2, Б). Сначала меняется проницаемость мембраны для Na+. Деполяризация мембраны выше порогового уровня приводит к открытию -каналов. В силу существования высокого трансмембранного электрохимического градиента концентрации Na+ ионы натрия начинают входить в клетку. Вход Na+ усиливает деполяризацию мембраны и способствует тому, что открывается еще большее число -каналов. Эта положительная обратная связь между деполяризацией и входом Na+ приводит к очень быстрым и очень большим по величине изменениям мембранного потенциала: от —60 до за одну миллисекунду. Вход прекращается при достижении примерно так как это значение соответствует равновесному -потенциалу. Другими словами, по достижении этого потенциала исчезает та термодинамическая движущая сила, за счет которой происходил вход Na+.

Рис. 37.2. Потенциал действия возникает в результате деполяризации мембраны аксона нервной клетки. Показано изменение во времени мембранного потенциала (А) и проводимости ионов натрия и калия (Б).

Na+-каналы спонтанно закрываются, и к этому времени начинают открываться К+-каналы (рис. 37.2, Б). В результате ионы калия входят в клетку, и мембранный потенциал вновь становится отрицательным. Примерно через две миллисекунды мембранный потенциал становится равным т. е. равновесному К+-потенциалу. Уровень покоя восстанавливается еще через несколько миллисекунд, когда проводимость К+ снижается до величины, характеризующей нестимулированное состояние. Необходимо подчеркнуть, что во время потенциала действия через плазматическую мембрану проходит очень малое количество ионов Na+ и К+ - примерно одна миллионная часть от содержания этих ионов в нервной клетке. Другими словами, при одном нервном импульсе расходуется лишь ничтожно малая часть (Na+ - К+)-градиента. Из этого явствует, насколько эффективен потенциал

Рис. 37.3. Избирательность натриевого канала в отношении ионов частично определяется стерическими факторами. Ионы Na+ и Li+ вместе с присоединенной к ним молекулой воды, так же как гидроксиламин и гидразин, соответствуют размерам канала. В отличие от этого К+ с присоединенной молекулой воды оказывается слишком большим для канала. (Keynes R. D., Ion-channels in the nerve-cell membrane, Scientific American, Inc., 1979.)

действия как средство сигнализации на большие расстояния.

-канал проводит Na+ в 11 раз лучше, чем К+. Как достигается такая избирательность? Окончательный ответ на этот вопрос будет получен только после анализа структуры канала при высоком разрешении. Однако электрофизиологические исследования относительной проницаемости канала для различных щелочных катионов и органических катионов все же дают определенный ключ к решению данного вопроса. Зависимость проницаемости от размера иона (табл. 37.1) указывает на то, что канал узок: через него не проходят ионы, диаметр которых превышает 5 А. Однако проводимость определяется не только размерами. Так, метиламин имеет почти такие же размеры, как гидразин и гидроксиламин но при этом несравненно хуже проходит через канал. Причина, по всей вероятности, кроется в том, что метильная группа метиламина в отличие от аминогруппы гидразина или гидроксильной группы гидроксиламина не образует водородной связи с кислородным атомом канала. В результате метиламин не проходит по каналу. Обнаружен еще один важный факт: проводимость -канала в отношении всех проникающих катионов значительно уменьшается при снижении рН. По существу, относительная проницаемость соответствует кривой титрования кислоты с что указывает на присутствие отрицательно заряженного карбоксилат-иона в активной форме канала. Таким образом, избирательность канала в отношении Na+ обусловлена наличием отрицательно заряженного участка с малым радиусом. Ион будучи крупнее, чем Na+ , практически не может пройти через эту область (рис. 37.3).