Каким образом возникает и проходит нервный импульс? Почему он движется только в одну сторону и как регулирует функционирование тканей и органов?
В этом цикле мини-статей мы поэтапно разберём порядок возникновения и передачи нервного импульса.
Разберемся в строении нервной ткани
Нейроны (нервные клетки)- клетки, обладающие такими свойствами как возбудимость и проводимость, т.е. они способны вырабатывать нервные сигналы и реагировать на них.
По своей структуре они очень отличаются от других типов клеток. Нейрон имеет множество отростков: дендриты и аксоны. Дендриты служат для восприятия сигнала, они проводят нервный импульс к нейрону. Аксоны же служат для передачи импульса и проводят его от нейрона. (Они способны достигать в длину 1 м). Аксоны зачастую окружены шванновскими клетками, которые покрывают их миелиновой оболочкой, улучшающей электрическую изоляцию и повышающей скорость проведения импульса.
Передача сигнала же осуществляется в синапсах, которые связывают между собой отдельные нейроны, а также нейроны и мышечные волокна.
В окончаниях аксонов, внутри синапса, находятся нейромедиаторы (нейротрансмиттеры) . С помощью них осуществляется передача нервного импульса от одного нейрона к другому. Эти сигнальные вещества высвобождаются в ответ на электрические сигналы и возбуждают соседние нейроны
Вещества, секретируемые нервными клетками, подразделяют на 2 группы: нейромедиаторы и нейрогормоны. Нейромедиаторы высвобождаются в синаптическую щель. Нейрогормоны секретируются непосредственно в кровь. Нейрогормоны, за счет выделения в кровяные протоки, способны разноситься на большие расстояния.
Всего в организме примерно 10^15 синапсов. При этом каждый из 10^11 нейронов контактирует через синапсы с 10^3 другими нейронами.
Но по какому же принципу осуществляется передача импульса, активация синапса и высвобождение нейромедиаторов?
В основе всего лежит так называемый потенциал действия. Синапсы отделены друг от друга синаптической щелью. Когда потенциал действия достигает пресинаптической мембраны, в ней открываются специальные потенциал-управляемые кальциевые каналы.
Выделяемые нейромедиаторы соединяются с рецепторами на постсинаптической мембране. В зависимости от эффекта, к которому приводит связывание с нейромедиатором, рецепторы подразделяют на 2 группы.
- Ионотропные рецепторы работают за счёт проникания в клетку ионов ( Na+, K+, Ca2+) в соответствии с мембранным потенциалом . В результате деполяризации мембраны возникает потенциал действия. По такому принципу работают, например , возбуждающие нейромедиаторы (ацетилхолин, норадреналин, глутамат).
- Метаботропные рецепторы после связывания с нейромедиатором взаимодействуют с G-белками. Эти белки активируют или ингибируют синтез вторичных посредников, которые также активируют или ингибируют протеинкиназы. Протеинкиназы фосфорилируют клеточные белки и изменяют поведение постсинаптических клеток.
Углубимся в такие понятия как потенциал действия и потенциал покоя
В живых клетках на внешней и внутренней стороне плазматической мембраны различается распределение положительных и отрицательных зарядов, что приводит к возникновению мембранного потенциала. Следовательно, между двумя сторонами мембраны накапливается электрическое напряжение. При открытии ионных каналов это напряжение исчезает.
В состоянии покоя мембранный потенциал большинства клеток находится в диапазоне от -60 до -90 мВ. Практически во всех животных клетках есть Na+/K+ транспортирующая АТФаза, именно она создает этот мембранный потенциал.
В невозбужденной клетке часть К+ -каналов находится в открытом состоянии и ионы К+ постоянно диффундируют из нейрона в окружающую среду (по градиенту концентрации). На 2 выходящих иона K+ заходят 3 иона Na+. Однако некоторые ионы K+ могут поступать снова в клетку через специальные калиевые каналы.
Но приток анионов(например Cl-) снаружи невозможен, а заходить вместе с катионами они не могут, вследствие этого происходит неравномерное распределение зарядов внутри и снаружи мембраны.
Для каждого иона существует равновесный потенциал, соответствующий мембранному потенциалу, при котором не происходит ни притока, ни оттока ионов.
Мембранный потенциал для ионов Na+, например, больше, чем для K+. Поэтому при первой возможности ионы Na+ начинают поступать в клетку. На этом основано возникновение потенциала действия.
Возбуждение нервной клетки под действием химического сигнала (реже электрического импульса) приводит к возникновению потенциала действия. Это означает, что потенциал покоя -60 мВ скачком изменяется на +30 мВ и спустя 1 мс принимает исходное значение.
- Ионы Na+ устремляются в клетку при открытии Na+ канала (по градиенту концентрации), что вызывает локальное обращение знака мембранного потенциала
- При этом Na+-каналы тотчас закрываются, т. е. поток ионов Na+ в клетку длится очень короткое время
- В связи с изменением мембранного потенциала открываются потенциал-управляемые К+-каналы и ионы К+ устремляются в обратном направлении, из клетки.
- В результате мембранный потенциал принимает первоначальное значение , и даже превышает на короткое время потенциал покоя . После этого нервная клетка вновь становится возбудимой.
Так как во время потенциала действия деполяризуется лишь малая часть мембраны, поэтому процесс может повторяться многократно: при каждой следующей стимуляции клетки.
Продвижение потенциала действие основано на локальном повышении мембранного потенциала, вследствие которого открываются соседние потенциал-зависимые ионные каналы, поэтому распределение стимула по мембране имеет вид волны деполяризации.
Источники:
Я. Кольман, К.-Г Рём "Наглядная биохимия", 2019, 509 с
Т. Л. Богданова, Е. А. Солодова "Биология", 2011, 816 с.
http://chemnet.ru/rus/teaching/kolman/340.htm