Электрические сигналы и их распространение: ахиллесова пята
Электрические сигналы возникают в головном мозге и спускаются дальше по спинному. Оттуда они передаются мышцам через отростки нервных клеток – аксоны. Аксон – это своего рода живой провод, передающий электрические импульсы от спинного мозга к мышцам, которые могут находиться на довольно большом расстоянии от него.
Электрический сигнал, передаваемый моторными нейронами (нервными клетками, посылающими сигналы к мышцам) так же прост, как азбука Морзе. Только вместо точек и тире в нем есть, по сути, одни точки. Возможно, лучше сравнить его с двоичным компьютерным кодом, где сигнал может быть только «1» или «0». Нервный сигнал – это результат потока ионов, и он одинаков практически у всех животных (см. главу 2). «Точка» электрического сигнала создается скачком напряжения, за которым следует возвращение к исходному состоянию. В проводящей ткани сигналом служит изменение полярности – или заряда – клеточной мембраны. В состоянии покоя на мембране аксона имеется небольшой отрицательный заряд; при возникновении сигнала (потенциала действия) по мембране проходит положительный заряд.
Потоки ионов изменяются при возникновении потенциала действия – это результат открытия и закрытия ионных каналов. В состоянии покоя концентрация положительно заряженных ионов натрия снаружи аксона примерно в 12 раз выше, чем внутри, а концентрация положительно заряженных ионов калия примерно в 40 раз выше внутри, чем снаружи. Поэтому при возникновении потенциала действия ионно-специфические каналы открываются, и в аксон попадает натрий. Когда потенциал действия заканчивается, открываются каналы, по которым из аксона выходит калий. Изменения содержания ионов внутри и снаружи аксона во время единичного потенциала действия на самом деле невелики, но при быстрых движениях (например, во время марафонского забега) количество отдельных потенциалов, посылаемых по моторным нейронам к мышцам ног, настолько огромно, что общий приток натрия и отток калия может начать снижать градиент концентрации. Постоянная разница концентрации ионов внутри и снаружи клетки поддерживается благодаря работе натриево-калиевого АТФ-насоса, который выкачивает натрий из клетки и закачивает в клетку калий с затратой энергии.
В нервном окончании, где утолщенный конец аксона переплетается с мышечным волокном, существует еще несколько белков, участвующих в межклеточных взаимодействиях, необходимых для скоординированного движения. Электрический сигнал – потенциал действия, который преодолел весь путь от тела нейрона, расположенного в спинном мозге, к окончанию аксона, – слегка изменяется, так что вместо притока в клетку натрия происходит приток кальция. Эти ионы, в свою очередь, способствуют высвобождению пузырьков (везикул) из аппарата Гольджи, находящегося в кончике аксона. Везикулы представляют собой сферы, окруженные двойной липидной мембраной, внутри которых содержится белковый «бульон».
Высвободившись из аппарата Гольджи, пузырьки мигрируют к мембране нервного окончания и выбрасывают свое содержимое в наполненную жидкостью щель между оболочкой нейрона и мембраной мышечного волокна. Практически у всех животных эти пузырьки заполнены ацетилхолином, который затем, преодолевая щель между нервным окончанием и мышечным волокном, связывается с рецептором на мембране последнего. При стимуляции в ацетилхолиновом рецепторе открывается канал, по которому через мембрану мышечного волокна может проходить натрий, так что электрическая «точка», переданная по нейрону, начинает вторую часть своего путешествия уже по волокну, что в конечном итоге вызывает его сокращение.
Последнее в этой цепочке событий – выключение электрического сигнала. Ацетилхолин обратимо присоединяется к холинэстеразному рецептору и после его активации может высвобождаться снова. Однако, если молекула ацетилхолина остается в синапсе (пространстве между мембранами нейрона и мышечного волокна) неиспользованной, она может реактивировать рецептор. Чтобы окончательно отключить это сигнальное вещество, требуется еще один белковый фермент, ацетилхолинэстераза. Он находится в мембране мышечного волокна. Ацетилхолинэстераза расщепляет молекулу ацетилхолина на ацетат и холин, и, таким образом, рецептор больше не может активироваться.
Если рассматривать всю систему в целом, для возникновения и проведения потенциала действия, стимулирующего скоординированное движение мышц, требуется ни много ни мало шесть белков. Для того чтобы произошло движение, необходима совместная работа натриевых, калиевых и кальциевых каналов, натриево-калиевого насоса, ацетилхолинового рецептора и ацетилхолинэстеразы. Хотя эта система превосходно настроена и универсальна для всех животных, она все же представляет собой «ахиллесову пяту» процесса движения. Вещества, способные нарушить функции любого из этих белков, могут вызвать не только нескоординированные спазмы и тремор, но и быструю гибель при воздействии на мышцы, задействованные в дыхании и кровообращении (сердце). Так что чем элегантнее система, тем проще устроить в ней «засор».
