Генерация и проведение нервных импульсов

Благодаря непрерывной работе мембранных ионных насосов между внутренним содержимым невозбужденной клетки и внешней средой постоянно поддерживается разность потенциалов. Этот параметр можно измерить введением электрода в крупные нервные клетки, диаметр которых у кальмаров, например, может достигать 1 мм. Определяемая величина называется потенциалом покоя и достигает в невозбужденных клетках (-60) — (-70) мВ (минус указывает на то, что внутренняя поверхность мембраны электроотрицательна по отношению к внешней). Потенциал покоя характеризует состояние динамического равновесия в перемещении ионов натрия и калия через мембрану.

При воздействии на мембрану в каком-либо локусе электрическим током или другим раздражителем в этом месте открываются специфические натриевые каналы и ионы Na⁺ устремляются внутрь, нейтрализуя отрицательный заряд на внутренней поверхности мембраны в данном локусе. Это явление носит название «деполяризация». Если пороговая величина импульса, вызвавшего деполяризацию, достаточно велика (более 10 мВ), то в мембране открываются натриевые каналы, работающие на потенциал действия. Потенциал действия представляет собой импульс, проходящий вдоль мембраны нервной клетки и специфически изменяющий за доли секунды (в нервах млекопитающих приблизительно за 0,5 мс) мембранный потенциал. Особенностями потенциала действия являются: высокая скорость распространения вдоль мембраны нервной клетки — до 100 м/с и неизменная интенсивность.

Механизм передачи нервного импульса состоит в следующем. Повышение проводимости мембраны в конкретном локусе для ионов натрия и деполяризация взаимно усиливают друг друга. В результате быстрого перемещения ионов натрия на внутреннюю поверхность мембраны исходный потенциал (-70 мВ) падает до нуля, а затем достигает значения (+20) — (+40) мВ. Таким образом, в данном локусе мембраны создается область положительного заряда и в местной цепи возникает ток между этим активным участком и отрицательно заряженной областью, находящейся непосредственно перед ним. Отличительной особенностью мембран нервных клеток, очень быстро проводящих нервные импульсы, является наличие миелиновой оболочки, которая выполняет роль изолятора. Благодаря этой оболочке плазматическая мембрана контактирует с содержащей Na⁺ внеклеточной жидкостью лишь в определенных точках — перехватах Ранвье, и деполяризация мембраны происходит только в области этих перехватов. Так как нервная клетка покрыта изолятором — миелином, распространение области электрического тока до следующего перехвата осуществляется в основном через цитоплазму клетки. Дойдя до очередного перехвата, ток снижает мембранный потенциал в этой области, в ней происходит деполяризация и повышается проницаемость для ионов натрия, т.е. возникает потенциал действия. Так, в виде волны деполяризации потенциал действия распространяется по мембране в одном направлении.

Восстановление поляризации происходит в результате выхода из аксона ионов К⁺. Пока реполяризация не закончится, перехват не может возбудиться снова, а к тому времени, когда перехват будет способен к ответу, импульс уже уйдет по мембране слишком далеко, чтобы снова открыть в рассматриваемом перехвате аксона натриевые каналы. По этой причине импульс распространяется по мембране нервной клетки только в одном направлении. Реполяризация заканчивается после того, как АТР-азы, задействованные в активном транспорте ионов, восстановят нормальное соотношение концентраций Na⁺ и К⁺ в перехвате.

Амплитуда потенциала действия постоянна для каждой нервной клетки и не уменьшается по мере движения по мембране, так как изменение в каждой точке мембраны происходит за счет локального запаса энергии в виде ионного градиента, хотя и запускается изменением в соседнем перехвате.

Передача нервного импульса между нейронами и от нейронов к мышечным клеткам происходит в нервных окончаниях (синапсах) с помощью сигнальных веществ — медиаторов. Одним из наиболее распространенных нейромедиаторов (синтезируются нервными клетками) является ацетилхолин. Выделение ацетилхолина синаптическими мембранами служит сигналом для генерирования нервного импульса в расположенной по соседству нервной клетке. Осуществляется это с помощью ацетилхолиновых рецепторов, которые представляют собой трансмембранные комплексы из пяти субъединиц, формирующие проницаемый для ионов Na⁺ и K+ каналы.

Участки для специфического присоединения ацетилхолина расположены на внеклеточной части a-субъединицы рецептора и их связывание приводит к формированию в центре комплекса трансмембранного канала, который открывается на короткое время для прохождения ионов натрия и калия. Открывание и закрывание канала происходит в результате аллостерического изменения в заряженных участках полипептидных цепей рецептора. Перемещение ионов через мембраны изменяет потенциал покоя нервной или мышечной клетки, что стимулирует открывание потенциал-управляемых Na⁺ -каналов, и возникает потенциал действия.

Ацетилхолиновый рецептор может связывать различные лекарственные вещества, например никотин, который в малых дозах активирует ацетилхолиновые рецепторы, а в больших — угнетает их. Кроме этого, многие нейротоксины змей способны взаимодействовать с ацетилхолиновым рецептором и нарушать его функционирование. Известно также явление конкурентного ингибирования ацетилхолина при связывании с рецептором ядом кураре (растительный алкалоид), которым южно-американские индейцы пропитывали наконечники для стрел.