Беркинблит, Глаголева - Электричество в живых организмах (Квант) - 1988 (947484), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Первая их идея состояла в том, что в синапсе и сопротивление мембраны, и сопротивление межклеточпого вещества могут быть другими, отличаться от сопротивления клеточной мембраны и внеклеточной среды. Ведь известные значения этих параметров были получены совсем на других объектах. Так что в расчетах, о которых говорилось выше, достоверными можно было считать только размеры сипаптической области (диаметр около 1 мкм и ширипа щели порядка 5 нм). Да и методы расчетов были весьма прпближенпымп.
Для проверки выдвинутой гипотезы надо было повторить расчеты для разных значений этих неизвестных параметров; кроме того, требовалось усовершенствовать и сам метод расчета, чего никак не удавалось сделать. Тогда решили сделать аналоговую модель сннапса (подобно тому как Дюбуа-Реймон делал для проверки гипотезы электромоторпых молекул модель мышцы из гальванических элементов).
Эту работу поручили дипломнику, который паял схемы, все время перепаивая их для новых значений параметров, подбирая сопротивления, причем сопротивлений с нужными параметрами, как обычно бывает, в лаборатории не оказывалось, н приходилось соединять несколько имеющихся. Канители было много и работа продвигалась медленно. А тут еще пришло лето и отделу предложили выделить двух сотрудников для поездки па месяц в колхоз.
Никому не хотелось на столь долгий срок прерывать работу, и сотрудники предложили другой выход: поехать всем вместе, но зато на короткий срок. Жаль было только, что в полевых условиях нельзя ставить эксперименты и паять новые схемы. Нужда яаучит калачи есть Но этот отрыв от паяльника и сопротивлений оказал благотворное действие. Единственными доступными орудиями научного труда тут были карандаш и бумага. И вот Володе Смоляиннову удалось заменить фиаическую модель математической: описать связь всех величии, характеризузощих синапс, математическими функциями.
Необходимый точный метод расчета был найден. Вернувшись в лабораторию, засели за математические таблицы, линейки и прочие математические приборы того времени (события происходили в 60-х годах). Результаты работы на такой математической модели казались, на первый взгляд, совершенно невероятными, Оказалось, что, хотя и существует некоторое оптимальное сопротивление мембраны в сипапсе, при котором в клетку-мишень попадала самая большая часть тока, все равно эффективность такого синапса была несравнима с реальной.
Если сопротивление мембраны бралось ниже оптимального, то увеличивалась утечка тока через щель, если сопротивление увеличивалось, то падала общая сила тока, вытекающего из терминали, $00 Другой результат был уже совсем отравным. По модели получалось, что улучшить связь между клетками можно, если... их лучше изолировать друг от друга! Через сииапс, щель которого заполнена веществом с высоким удельным сопротивлением (например, липидом), термипаль может возбудить клетку-мишень, если только сипапс имеет подходящие размеры: диаметр в несколько микрометров и, как обычно, тонкую щель.
Этот результат, немного подумав, легко понять и па качественном уровне. Высокое сопротивлепие вкутрищелевого вещества будет мало мешать току, текущему иа термипали в клетку, так как в этом каправлепии его слой топок, но зато будет эффективно препятствовать вытекавию тока через щель, так как в этом направлении сопротивление изолирующего слоя велико, Дело, как видите, опять оказалось в геометрии.
Беда только, что электрические синапсы с щелью, заполненной жиром, пе были известны в природе, Отрицательный результат — тоже результат Модель доказала, что электрический сииапс (ЭС) пе может работать пи при каком сопротивлепии мембраны, одинаковом на всей поверхности синапса. И тогда был сделал следующий шаг в единственном возможпом направлении: предположили, что мембрана синапса неоднородна по сопротивлению — ока имеет «окна» с низким сопротивлением в центральных областях и высокое сопротивление у края сипапса. Эта гипотеза оказалась верной. С усовершенствовапием методов электронной микроскопии в разных лабораториях мира было обнаружено, что, действительно, в ЭС используется неоднородная мембрана, по ее неоднородность создается особым способом (который не покажется, возможно, столь уже неожиданным читателю): с помощью специальпого белка — коллектива.
Молекулы этого белка имеются и в мембраве термипали, и в мембране клетки-мишени и образуют там особую структуру — кокнексоп, состоящую из шести молекул и имеющую впутри капал. Когда аксая дорастает до клетки-мишени, два коппексопа соседних мембран соединяются друг с другом и в каждом из пих открывается отверстие — канал, который до того закрыт (этот процесс подобен открыванию люков при стыковке).
Этот канал представляет низкое сопротивлепие для прохождения ионов. В ЭС много копиексонов. Таким образом, ЭС связывает дне клетки мпоже- ж г Рис. 41. Устройство электрического синапса и гигантский аксаи дождевого черви с электрическими синапсами: а — строение электтрического синапса (М вЂ” ыембрана аксона, М„ — мембрана клетки-мишени, показаны коннекссны, образованные двумя молекулами, находящимися в каждой иа этих мембран, л — канал коннексонов); с — ковзезсоз, состоящий из субъеднннц (канзл закрыт); з — смещение субъединиц приводит к открыванию канала; г— система нервных клеток дождевого червя, образующих гигантский аксаи (Т вЂ” тела нервных клеток, А — нх аксоны, й" — конкексоны, ЭС вЂ” электрические синапсы) ством тоненьких трубочек диаметром около 1 — 1,5 нм„ проходящих внутри белковых молекул (рис.
41, а). Сделаеы небольшое отступление в сторону. Какую же роль сыграло в данном случае математическое моделирование синапсаг' Ситуация тут достаточно парадоксальная. 162 Коли бы удалось найти параметры, соответствующие передаче тока в реальных синапсах, и модель удовлетворяла бы экспериментальным данным, то результат был бы не столь ценен. Он только означал бы, что ЗС может быть устроен так, как предполагалось в начале, но он мог быть устроен и иначе. Возможно, существуют десятки моделей, которые одинаково хорошо соответствуют эксперименту. Но отрицательный результат моделирования является абсолютным.
Он строго говорит, что система не может быть устроена так, как мы предполагаем, и следует искать, как же она устроена на самом деле. Замечательно, что и второй результат исследования ЗС на математической модели, несмотря на свою кажущуюся несообразность, также нашел экспериментальное подтверждение. Оказалось, что природа действительно использует заполнение щели изолятором. У птиц в цепочке нейронов, обеспечивающих реакцию зрачка на свет, был обнаружен очень болыпой по диаметру ЭС (площадью около 1000 мкм«), щель которого заполнена миелином„ т. е. изолятором. Для такого большого синапса атот способ весьма эффективен, как и предсказывала модель. Таким образом, в природе действительно используются и заполнение синаптической щели изолятором, и неоднородные мембраны.
Химический синане В отличие от электрических синапсов, которые так или иначе служат для образования непрерывного пути для электрического сигнала, химические синапсы— это настоящие «разрывы»: электрическому сигналу «напрямую» через химический синапс пе пройти. Рассмотрим для примера работу нервно-мышечного свнапса. Как вы знаете, мембрана мышечного волокна возбудима: если прикоснуться к пей электродом, мыпща сократится. Оказывается, существует парадоксальное искл оченве: именно в том месте мембраны, через которое приходит сигнал от мотонейрона к сокращению, мышца не чувствительна к электрическому воздействию! Значит, мотонейрон воздействует на мышцу совершенно иным способом: в его терминали электрический сигнал преобразуется в химический. Общую схему работы химического синапса мы уже описывалн.
Когда нервный импульс доходит до терминали мотонейрона, под его воздействием в синаптическую щель выделяется особое вещество — медиатор. Для нервно-мышечного синапса позвоночных таким медиатором служит ацетилхоллн. Вот к этому-то веществу и чувствительна постсинаптическая мембрана.
Стоит только поднести к области синапса пипетку с раствором, содержащим ацетилхолин, и вывести немного ацетилхолина наружу, как в мышечном волокне возникает изменение потенциала (деполяризация), тем более сильное, чем больше ацетилхолина выведено из пипетки. Если эти изменения потенциала достигают порога возбутт<дения электровозбудимой мембраны, то в ней возникает ПД и мышечное волокно сокращается, Выделение медиатора В 1950 г. английские ученые Фетт и Катц е), изучая работу нервно-мышечного сннапса лягушки, обнаружили, что без всякого действия на нерв в мышце в области постсинапптческой мембраны сами по себе через случайные промежутки времени возникают небольшие колебания потенциала, амплитудой примерно в 0,5 мВ, которые они назвали «миниатюрные потенциалы».
Когда Фетт и Катц подействовали па синапс ядом (ботулино»т), о котором было известно, что он блокирует выделение ацетилхолина из терминалей, миниатюрные потенциалы исчезли. Получалось, что в химическом сннапсе медиатор выделяется и в покое, но изредка и небольшими определенными порциями (»квантами»). К тому времени электронная микроскопия ул е достаточно много знала об устройстве синапсов.
В частности, было известно, что в пресинаптических окончаниях имеются какие-то пузырьки диаметром примерно 500 нм. Иногда удавалось увидеть, что мембрана этих пузырьков сливается с мембраной терминали. Катц выдвинул гипотезу, что миниатюрные потенциалы возникают тогда, когда такой пузырек (евезикула») слипается с пресянаптической мембраной, разрывается и выбрасывает в синаптическую щель свой запас ацетилхолина. Частично эту гипотезу удалось проверить цитологам: они сумели выделить везикулы и показать, что в них действительно содержится е) 06 »тих исследованиях ьюжно прочитать в книге: Катч П, Нерв, ны»пца н сппапс,— Мл Мпр, 6968. твом лцетилхолин (примерно 10 000 молекул в одном п» аырьке). Итак, в покое, когда мотонейрон пе возбужден, и сянапсе существует небольшой электрический шум: за счет случайного выброса ацетилхолина возникают миниатюрные потенпиалы; средняя частота их — примерно один в секунду.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
