4.4: Потенціал дії в нейрони

Last updated
Save as PDF

Page ID: 3828

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Транспортування розчинених речовин всередину і з клітин має вирішальне значення для життя. Однак у нейронів рух іонів виконує ще одну важливу функцію у метазойних тварин: вироблення потенціалів дії, що використовуються для нейротрансмісії. Така спеціалізація дозволяє надзвичайно швидко передавати інформацію на великі відстані. Прикладом, який мій наставник використовував би при викладанні базової неврології школярам, був біполярний нейрон, який простягається від пальця ноги до мозку. Щоб інформація з пальця ноги була корисною, вона повинна доходити до мозку для обробки дуже швидко. Цей сигнал, можливо, доведеться проїхати кілька метрів у жирафа, набагато більше у китів. Жоден хімічний сигнал не може рухатися так швидко, і, незважаючи на популярне спрощення та драматичні зображення на телебаченні, електрика не протікає через нейрони, як ніби це мідні дроти.

Ряд сильнодіючих токсинів був використаний у вивченні ACHR, включаючи гістрионікатоксин, отруту стрілки, витягнуту з південноамериканської деревної жаби, Dendrobates histrionicus, кураре (d-tubocurarine), виділеного з певних рослин, та a-bungarotoxin, який виділяється з тайванської змії, стрічковий краіт. Всі три діють шляхом конкурентного гальмування, блокуючи відкриття каналу АЧР.

Ацетилхолін мимовільно дисоціює від АХР приблизно за мілісекунду, закриваючи канал. Потім він може бути реактивований ацетилхоліном, але це жорстко регулюється ферментом ацетилхолінестерази (AchE), який є GPI-закріпленим білком на мембрані клітини-мішені, і запобігає надмірній стимуляції швидкою деградацією ацетилхоліну. Військовий зарин нервового газу, який отримав славу в атаці 1995 року на систему метро Токіо, працює шляхом інактивації AchE, викликаючи тим самим надмірну стимуляцію AchR.

Знімок екрана 2018-12-23 в 9.46.26 AM.png — Малюнок\(\PageIndex{18}\).

Реальність передбачає швидкі зміни мембранного потенціалу. Оскільки це вимірюється у вольтах і є різницею електричного заряду через мембрану, іноді це розмовно вважається електричною передачею, але механізм абсолютно відрізняється від електронів, що протікають через дріт. Натомість відбувається рухома зміна мембранного потенціалу за рахунок послідовного відкриття іонних каналів по довжині аксона (довга тонка частина нервової клітини). Як правило, сигнал починається з збудливого хімічного сигналу, або нейромедіатора (рис.\(\PageIndex{18}\)), який зв'язується з рецептором на нейроні. Цей рецептор може бути пов'язаний з іонним каналом або сам може бути лігандним іонним каналом. У тому і в іншому випадку канал відкривається і Na ⁺ входить в осередок.

Знімок екрана 2018-12-23 в 9.46.36 AM.png — Малюнок\(\PageIndex{19}\).

Раптовий приплив позитивних зарядів тимчасово і локально деполяризує мембрану (більше + зарядів уздовж внутрішньої сторони мембрани, ніж зовні). Деполяризація мембрани біля каналу призводить до того, що всі сусідні канали Na ⁺, закриті напругою, тимчасово відкриваються (рис.\(\PageIndex{19}\)), тим самим дозволяючи новому припливу іонів Na ⁺ в комірку, яка потім може деполяризувати іншу невелику ділянку мембрани. Хоча технічно канали відкриваються по обидва боки рецептора, в нормі рецептор розташований на головному тілі клітини, або сома, в той час як більшість іонних каналів вишикувалися вздовж аксона. Тому існує де-факто спрямованість до поширення деполяризації.

Знімок екрана 2018-12-23 в 9.46.45 AM.png — Малюнок\(\PageIndex{20}\).

Більш напруга закриті Na ⁺ канали відкриваються швидко після того, як їх сусідні канали відкрили і деполяризували свою ділянку мембрани, що призводить до тривалої ланцюгової реакції деполяризацій з напругою аж до аксона (рис.\(\PageIndex{20}\)). Після того, як сигнал поширюється вниз по аксону, виникає два питання, які повинні прийти вам в голову. По-перше, нейрони не є одноразовими клітинами, так як всі ці відкриті канали скидаються і мембрана реполяризуються для наступного потенціалу дії? І по-друге, чому б хвиля деполяризації не стала двонаправленою, оскільки кожна маленька область деполяризації поширюється в обидві сторони від відкритих воріт Na ⁺?

Насправді відповіді на обидва питання тісно пов'язані, і пов'язані з механізмом стробирования іонних каналів з напругою (рис.\(\PageIndex{21}\)). Іонні канали з напругою мають два затвора: той, який відкривається у відповідь на збільшення мембранного потенціалу, і той, який закриває канал через короткий проміжок часу. Це означає, що існує три потенційні стани для більшості іонних каналів із напругою: закритий, відкритий та інактивований.

Знімок екрана 2018-12-23 в 9.46.55 AM.png — Малюнок\(\PageIndex{21}\). Три стану каналу K ^{+ із} напругою.

Інактивоване стан виникає, коли другий затвор (більше схожий на штекер, дійсно) закривається, тому що це нечутливий до напруги. Пробка в кінцевому підсумку виходить з пори і чутливий до напруги затвор встановлюється назад на місце в закритий стан. Чутливі до напруги канали K ⁺ є тетрамерами, як показано тут, і кожна субодиниця несе потенційну інактиваційну область. Вибір того, який домен видається випадковим. З іншого боку, чутливі до напруги канали Na ⁺ також мають чотири трансмембранні області, але всі вони є частиною одного білка, а канал має лише один інактиваційний затвор/домен. Однак тридержавний механізм стробирования все той же.

Повертаємося до потенціалу дії: кожна нова деполяризація відкриває наступний сусідній набір напруг закритих каналів Na ⁺ і так далі. У нейрональному аксоні, де відбуваються потенціали дії, рух деполяризацій відбувається дуже швидко і однонаправлено. Відбувається це швидко, тому що аксон є дуже довгою тонкою проекцією клітини, тому обсяг невеликий і тому приплив Na ⁺ може швидко деполяризувати довгий ділянку мембрани. Це відбувається в односторонньому напрямку, оскільки раніше відкриті чутливі до напруги канали Na ⁺ переходять у вогнетривкий інактивований стан, який не може бути негайно відкритий.

Таким чином, при попаданні сусідньої хвилі деполяризації раніше відкриті канали знову не відкриваються, а відкриття більш закритих напругою каналів триває в односторонньому напрямку від початку.

Знімок екрана 2018-12-23 в 9.47.03 AM.png — Малюнок\(\PageIndex{22}\).

Але почекайте, є ще! Тільки тому, що канали Na ⁺ заблоковані закритими, не означає, що мембрана повертається до нормального стану. Що реполяризує мембрану за потенціалом дії? Калієві канали, які перемежовуються між каналами Na ⁺ (зверніть увагу на фіолетові іони і канали на рис. 20, 22). Вони відкриваються повільніше, ніж натрієві канали (рис.\(\PageIndex{23}\)) і таким чином досягають пікового потоку незабаром після пікового потоку Na ⁺. Таким чином, фазі відновлення, або реполяризації назад до потенціалу спокою, допомагає як припинення внутрішнього руху Na ⁺, так і продовження руху назовні K ⁺.

Оскільки всі потенціали дії поводяться однаково з позицій зміни мембранного потенціалу, різниця між сильнішими і слабшими нервовими сигналами полягає в частоті/швидкості стрільби потенціалу дії, а не в величині потоку іонів.

Знімок екрана 2018-12-23 в 9.47.29 AM.png — Малюнок\(\PageIndex{23}\). Внесок потоку Na ⁺ (деполяризуючий) та K ⁺ потоку (реполяризуючий) у потенціал дії нейронів. Пам'ятайте, що рух Na ⁺ знаходиться в клітці, в той час як K ⁺ рухається назовні.

Оскільки нейронна передача інформації має вирішальне значення для багатьох систем, не дивно, що різноманітні організми виділили токсини, які можуть паралізувати або вбити нападника або здобич. Цікаво, що основною мішенню токсинів є канал Na ^{+ із} напругою, а не канал K ⁺.

Найбільш широко використовуваним в дослідженнях токсином є тетродотоксин (ТТХ), який отримують з шкіри та певних органів риби-фугу (Fugu rubripes). Ця риба вважається делікатесом (в першу чергу в Японії), і навіть коли її готують експертні та спеціально навчені кухарі, невелика кількість залишкового ТТХ у плоті викликає поколювання оніміння мови, оскільки блокується нервове збудження. Цікаво (але не пов'язане з іонними каналами) фугу має сильно стиснутий геном - там, де більшість інших еукаріот мають великі смуги некодуючих областей, фугу мало, а гени його дуже близькі один до одного. Насправді, він має майже стільки ж передбачуваних генів, скільки геном людини лише в 1/8 ДНК!

Сакситоксин (STX) - ще одна отрута, яка діє на канал Na ^{+ із} напругою. Він виробляється планктоном, який викликає «червоний приплив» (діно агеллати роду Alexandrium, Gymnodium та Pyrodinium) і концентрується фільтрами-годівницями, такими як мідії, устриці та інші риби-раковини. Цікаво, що STX колись досліджувався американськими військовими як нервово-паралітичний засіб для хімічної війни, під позначенням TZ. І STX, і TTX зв'язуються із зовнішньою поверхнею замкнутого напругою каналу Na ⁺ біля гирла пори, перешкоджаючи розкриттю, і тим самим блокуючи потік Na ⁺.

Батрахотоксин, з іншого боку, зв'язується з каналами Na ⁺ з напругою, коли вони відкриті, а не закриті, тому відбувається масовий безперервний приплив Na ⁺. Продукт іншої південноамериканської деревної жаби, Phyllobates aurotaenia, цей токсин використовується як мисливська отрута аборигенними племенами в цьому районі, і є найпотужнішою отрутою, відомою в даний час. При смертельній дозі менше 2 мг/кг батрахотоксин приблизно в десять разів смертельніший, ніж ТТХ. Однак, щоб поставити це в перспективі, ботулотоксин, який використовується фармакологічно як ботокс ^® і причина ботулізму, набагато більш ніж в сто разів сильніше (хоча діє через зовсім інший механізм - запобігання вивільнення нейромедіатора).