Книга: Биологически активные

Электрические явления в клетке

Электрические явления в клетке

Представим себе мембрану, разделяющую две ячейки, в одной из которых содержится раствор двух каких-то веществ в одинаковой концентрации, в другой – чистая вода. Предположим, что одно из растворенных веществ сравнительно легко проходит через мембрану, для другого же мембрана практически непроницаема. Некоторое время спустя концентрация первого вещества в обеих ячейках станет почти одинаковой, второе же почти целиком останется лишь в одной из них. Такой исход нашего небольшого мысленного опыта как будто очевиден, в действительности, несомненно, случится все именно так, как мы описали, с одной, однако, существенной оговоркой: если речь идет о веществах, не несущих электрического заряда.

Пусть теперь по одну сторону мембраны внесен хлористый натрий; в растворе эта соль будет представлена смесью равных концентраций положительно заряженных ионов натрия и ионов хлора, несущих отрицательный заряд. Предположим, далее, что ионы натрия проходят через мембрану сравнительно свободно, а ионы хлора не проходят вовсе. Что же произойдет в этом случае?

Вначале поток ионов натрия, как и в предыдущем примере, устремится через мембрану в ячейку с чистой водой. Этот процесс, однако, приостановится очень быстро, задолго до достижения равенства концентраций ионов натрия по обе стороны мембраны. Как только небольшое их количество покинет первую ячейку, она зарядится отрицательно: ионов хлора окажется больше, чем ионов натрия. Точно такой же по величине электрический заряд, но с положительным знаком, приобретет вторая ячейка. Иными словами, возникнет разность электрических потенциалов между двумя ячейками, которая будет препятствовать выходу новых ионов натрия. Равновесие наступит, когда их поток из первой ячейки под действием сил диффузии уравняется с противоположно направленным потоком, возникающим под влиянием электрического поля. Легко понять, что некоторая разность электрических потенциалов между двумя ячейками возникнет и в том случае, если мембрана не окажется абсолютно непроницаемой для ионов хлора; просто поток этих ионов не будет успевать нейтрализовать все вырывающиеся наружу ионы натрия.

Таким образом, разность электрических потенциалов появится всегда, если концентрации электролита (не обязательно одной какой-то соли, это может быть и смесь солей) по обе стороны мембраны различны, а суммарные количества электрических зарядов, переносимых потоками катионов и анионов, не совпадают в точности.

Поскольку у реальной клеточной мембраны проницаемость в отношении различных ионов различается даже на порядки, а их концентрация внутри и вне клетки тоже очень неодинакова – между внутренним содержимым клетки и окружением существует разность электрических потенциалов. И если внутрь отдельной клетки, скажем, эритроцита, водоросли или бактерии ввести электрод (мы проделываем этот опыт мысленно, но биофизики-экспериментаторы легко реализуют его в своих лабораториях), а другой электрод поместить в окружающий клетку раствор, мы может эту разность потенциалов измерить.

Можно возразить: откуда же берется разность концентраций, ведь только что мы говорили о том, что всегда существует тенденция к самопроизвольному их уравниванию в любой системе? Дело в том, что на клеточной мембране работают уж совсем удивительные устройства – «ионные насосы», избирательно перемещающие различные ионы через мембрану; необходимую для этого энергию они получают за счет процессов дыхания.

С электрическими явлениями на клеточной мембране связаны многие важные функции клетки; остановимся на интереснейшей из них – нервной передаче.

Проделаем опять описанную уже операцию: введем электрод внутрь клетки (пусть для определенности – нервной), другой поместим в наружной среде. Только не измерять разность электрических потенциалов теперь будем, а наоборот – изменять ее, подавая напряжение, компенсирующее разность потенциалов между клеткой и наружной средой. Вот она меньше, меньше, еще меньше... И вдруг... что такое? В какой-то момент уже без нашей помощи потенциал стремительно ринулся вниз и даже «проскочил через ноль», из отрицательного на какое-то мгновение сделался положительным, а потом постепенно вернулся к норме (допустим, что мы сняли уже к этому времени прилагаемое «извне» напряжение). Правда, для этого придется изрядно поторопиться. Время развития описанного процесса – ничтожные доли секунды.

Почему все это происходит? Можно было бы попытаться ответить на этот вопрос довольно пространно, объяснив, что вследствие изменения электрического поля временно меняется проницаемость клеточной мембраны для различных ионов (и каких именно ионов, и в какую сторону меняется), но толку в таком объяснении будет немного, ибо закончить его придется признанием горького факта, что ответ на вопрос – а почему, собственно, меняется эта проницаемость? – науке по сей день неизвестен. Нет, конечно же, недостатка в различных гипотезах, но гипотезы – они гипотезы и есть, да и вряд ли стоит уклоняться слишком уж в сторону от темы нашего повествования.

Нервная клетка, как известно, имеет очень вытянутые фрагменты; может возникнуть вопрос: если описанное явление вызвать у одного конца, распространится ли оно сразу на всю клетку?

Распространится, но не сразу. Изменение ионных проницаемостей на некотором малом участке, обусловливающее падение потенциала до весьма низкой величины, спровоцирует такое же их изменение (а следовательно, и падение потенциала) на соседнем участке, что, в свою очередь, вызовет аналогичное явление на следующем участке и т.д. Вдоль клетки покатится волна падения разности потенциалов. Это так называемый потенциал действия, явление, лежащее в основе механизма распространения нервного импульса. Можно было бы сказать короче, что потенциал действия – это нервный импульс и есть, но механизм нервной передачи включает и еще один очень важный элемент.

Характерная нервная клетка – нейрон – состоит из тела клетки (сомы), от которого отходят вытянутые, часто ветвящиеся отростки: один аксон и обычно несколько дендритов. «Общаются» нервные клетки друг с другом благодаря наличию в месте их соприкосновения особого устройства–синапса. Его назначение – обеспечить распространение волны потенциала действия, пришедшей к синапсу из одной клетки, по другой клетке. И достигается это не простым «слиянием» мембран, как можно сразу подумать, а способом гораздо более мудреным.

В каждом синапсе такая передача может идти лишь в одном направлении, и более чем в 90 процентах случаев «подводящим» элементом бывает аксон, хотя возможна также передача с дендрита на сому или наоборот, а также с сомы на сому и с дендрита на дендрит. Передача на аксон возможна только с аксона же.

Синапсы могут располагаться как на боковой по- верхности аксона (касательные синапсы), так и в его торце (концевой синапс). Будем в дальнейшем, для определенности, говорить именно об этих последних.

Та часть синапса, которая относится к подводящему импульс аксону, называется пресинаптической областью. Это – грушевидное образование, прилегающее к другой клетке (эффекторной) своим торцом. Соответственно область контакта со стороны эффекторной клетки называется постсинаптической. Полного контакта между мембранами двух клеток, однако, нет: они отстоят друг от друга на расстоянии порядка нескольких стотысячных долей миллиметра; пространство между нами (синаптическая щель) занято гелеобразной массой и некоторыми организованными структурами, напоминающими протоплазматические.

В пресинаптической области имеются синаптические пузырьки, заполненные раствором медиатора – чаще это ацетилхолин, соединение структуры CH₃–CO–O–CH₂–CH₂–N⁺ (CH_3)3.

С приходом волны потенциала действия в пре-синаптическую область происходит выброс ацетилхо-лина в синаптическую щель. Он диффундирует к пост-синаптической мембране, где связывается специальными рецепторами, в результате чего меняется ее проницаемость по отношению к определенным ионам, так что наступает локальное падение разности электрических потенциалов, и на эффекторной клетке начинает развиваться волна потенциала действия.

Тут следует обратить внимание на еще одно удивительное свойство возбудимых мембран. После того как по клетке прошла волна потенциала действия, ей требуется некоторый «отдых». Этот промежуток времени, необходимый для восстановления возбудимости, называется рефракторным периодом. Если молекулы ацетилхолина, связавшиеся с рецепторами постсинаптической мембраны, останутся на своих местах большее время, чем составляет продолжительность рефракторного периода, поддерживая разность потенциалов пониженной, потенциал действия возникнет еще раз, затем еще – и так до устранения причины: «сидящих» на рецепторах молекул ацетилхолина. Собственно, как отмечалось, они не «сидят» непрерывно, их взаимодействие с рецептором – процесс динамический, каждое мгновение какое-то количество связанных молекул рецепторы покидает, а какое-то количество свободных рецепторами захватывается.

Однако в синаптической щели находится фермент ацетилхолинэстераза, интенсивно разрушающий ацетилхолин:

CH₃–CO–O–CH₂–CH₂–N⁺ (CH₃₎₃ + H₂O ? CH₃–COOH + HO–CH₂–CH₂–N⁺ (CH₃₎₃.

так что у молекулы медиатора, «снявшейся» с рецептора, не так уж много шансов уцелеть за время, необходимое для повторного связывания.

В течение рефрактерного периода ацетилхолинэстераза «очищает» синаптическую щель (а следовательно, постсинаптическую мембрану) от молекул ацетилхолина, а когда постсинаптическая мембрана восстановит возбудимость, новая волна потенциала действия уже не разовьется, если, конечно, к тому времени не поступит новый импульс на пресинаптическую мембрану, вызывающий новый выброс ацетилхолина в синаптическую щель, и т.д.

Ацетилхолинэстеразу можно блокировать специфическим ингибитором – например, изопропиловым эфиром фторангидрида метилфосфониевой кислоты, соединением структуры, которое образует с активным центром фермента очень прочный комплекс, и в результате наблюдается то, что и следовало предвидеть, исходя из описанного механизма, – эффекторная клетка самопроизвольно генерирует импульс за импульсом.

Наше описание процесса синаптической передачи по необходимости является лаконичным, упрощенным и даже местами окарикатуренным; на самом деле молекулярная организация основных его этапов известна ныне в гораздо больших подробностях. Но, согласитесь, даже знакомясь с этими механизмами в столь поверхностном изложении, нельзя не восхищаться силой творческого гения исследователей, сумевших воссоздать всю эту картину, расшифровать столь непростые процессы и даже сознательно в них вмешиваться, как в случае только что рассмотренного элегантного эксперимента с изопропиловым эфиром фторангидрида метилфосфониевой кислоты.

Это ли не триумф современной науки, вообще человеческого разума!

Изопропиловый эфир фторангидрида метилфосфониевой кислоты более известен как зарин – одно из самых страшных боевых отравляющих веществ нервно-паралитического действия.