Тайны памяти (с иллюстрациями)
Шрифт:
Электрический синапс хорошо функционирует, если щель между клетками невелика. Он работает как выпрямитель, пропускающий ток от одного нервного волокна к другому значительно легче, чем в обратном направлении. Двустороннее проведение возбуждения тоже не исключено, и в этом одно из отличий электрического способа. Развитый мозг использует химические синапсы и разнообразные медиаторы.
Ученые проникли в тайны передачи возбуждения еще недостаточно глубоко, но уже сейчас ясно, что главным передатчиком служит ацетилхолин. Нет на нашей планете таких существ, нервная система которых использует химические синапсы, но не имеет ацетилхолина. У высших млекопитающих он находится в синапсах нервных окончаний, передающих приказы мышцам. В волокнах, по которым информация бежит в мозг, используется какой-то другой, еще неизвестный науке медиатор. У насекомых,
Ацетилхолин, вероятно, был первым медиатором, созданным природой, ключом, открывающим двери соседней клетки. Его широкое использование связано с тем, что построен он достаточно просто, легко синтезируется, и организм не испытывает недостатка в необходимом сырье. На изготовление этого медиатора используется холин, который образуется в процессе естественного обмена при распаде жироподобных веществ – липидов, и уксусная кислота – обычный продукт обмена углеводов.
В нервных окончаниях, передающих приказы, ацетилхолин упакован в синаптических пузырьках, вмещающих по нескольку тысяч молекул медиатора. Видимо, некоторые двери в клеточной оболочке прикрыты неплотно, так как пузырьки постоянно выливаются в синаптическую щель, по одному в секунду. Такая ничтожная порция ключей не может отпереть двери противоположного фасада. Приказ должен быть более весомым. Когда первый импульс придет в нервное окончание, он всего за 1 миллисекунду выпускает 200–300 пузырьков. В результате выбрасывается солидная связка ключей, достаточная для того, чтобы открыть необходимое количество дверей.
На дверях противоположного фасада находятся замки – холинорецепторы. О них известно немного. Холинорецепторы слишком малы, чтобы изучать их каждый в отдельности. Можно попробовать сорвать их с дверей, как сдирают с забора старые афиши, и, собрав все вместе, исследовать. Химическим путем удается что-то «отскоблить» в достаточном для исследований количестве. Только как узнать, содержит ли соскоб замки?
На фасаде здания, имеющего площадь около 200 миллиардов квадратных ангстрем, три миллиона дверей. И на каждой замок. Размер замка сопоставим с величиной ключа, молекулой ацетилхолина, а ее длина при разной степени растянутости не превышает 7–10 ангстрем. Значит, все замки занимают меньше 1 процента площади фасада.
Во время прихода в синапс нервного импульса, в синаптическую щель выбрасывается 5 миллионов ключей, казалось бы, вполне достаточное количество, чтобы отпереть все двери. Однако далеко не все ключи достигают противоположного фасада и еще меньше их попадает в замочные скважины. В результате отпирается не более четверти дверей. Этого с лихвой хватает, чтобы по ту сторону синаптической щели возникло возбуждение.
Молекулы ацетилхолинэстеразы многочисленнее. Только, на противоположном фасаде их 15–20 миллионов, то есть в 3–4 раза больше, чем молекул ацетилхолина. Так что у медиатора достаточно возможностей полностью разрушиться. Его осколки всасываются обратно и используются для синтеза новых молекул медиатора.
Ацетилхолин не очень крупная молекула. Она представляет собой цепочку, состоящую из одного атома азота, двух атомов кислорода, 7 атомов yглерода и 16 атомов водорода. На одном ее конце азот удерживает три метиловые группы (СН3). Эта группа несет положительный заряд. На другом конце находится сложноэфирная группа. А вся молекула имеет следующий вид:
Об устройстве замка можно кое-что узнать, попробовав открыть его отмычкой. Химики так и поступили. Активной частью молекулы ацетилхолина является азот, несущий положительный заряд. Построили молекулу, в которой азот заменили углеродом. Одновременно с этим молекула потеряла свой положительный заряд. Новое вещество вызывало эффект, подобный ацетилхолину, но только в 12 тысяч раз слабее. Значит, бородка у ключа в виде электрического заряда. Это она зацепляется за кулачки замка и открывает его.
Отверстие замка, видимо, имеет форму чаши строго определенного объема. Молекулы с увеличенной головкой работали хуже. Укрупнить головку несложно, заменив метиловые группы
Ацетилхолин, как двуглавый орел, оказался с двумя головками. Расстояние между ними известно. В молекуле ацетилхолина атом азота отстоит от атома кислорода на 4,7 ангстрема. Если увеличить это расстояние, вставив в цепочку молекулы дополнительно один, два или больше атомов углерода, ключ не войдет в замочную скважину и двери не откроются.
Зная размер, отмычку подобрать нетрудно. Азот можно заменить любым другим атомом, лишь бы он нес положительный заряд и был отделен от атома кислорода двумя атомами углерода. Главное – размер. Атомы углерода тоже могут быть заменены. Головка этой стороны ключа имеет электрический заряд: третий от азота атом углерода несет положительный заряд, а один из атомов кислорода – отрицательный.
Ну хорошо, двери соседнего фасада открыты, что же дальше? Кто в них должен пройти? Оказывается, не сам медиатор (он всего лишь ключ), а положительно заряженный ион натрия.
Концентрация ионов в клетке и окружающей ее среде неодинакова. Внутри клетки много калия, а снаружи много натрия и хлора. Неравномерное распределение ионов приводит к тому, что внутри клетка заряжена отрицательно, а снаружи положительно. Когда медиатор открывает дверь, в нее устремляются малые катионы: натрий, калий и кальций. Более крупные не проходят, дверной проем для них слишком мал. Отрицательно заряженные ионы дверь не пропускает. Видимо, дверные косяки заряжены отрицательно, а одноименные заряды, как известно, отталкиваются.
Энергичнее всех движется натрий. Сзади его подталкивают силы диффузии, спереди притягивает отрицательный заряд. Навстречу натрию идет калий. Выбираться ему из клетки трудно. Правда, силы диффузии подталкивают, но сзади держит отрицательный заряд, а спереди отталкивает положительный. Поэтому калий движется значительно медленнее натрия. Перемещение ионов приводит к изменению наружного и внутреннего зарядов клетки, они начинают уравниваться.
Это можно сравнить с коротким замыканием. Если оно произошло, автоматически открываются новые двери, специально предназначенные для иона натрия. Он в еще больших количествах устремляется внутрь клетки. В результате внутренний заряд клетки становится положительным, а наружный из-за убыли положительно заряженного иона – отрицательным. Это приводит к возникновению потенциала действия, то есть к возбуждению клетки.
В тормозных синапсах дверь открывается только для определенного иона. Если открыта калиевая дверь, он устремляется из клетки наружу. Происходит не уравнивание зарядов, а усиление прежних, и клетка становится невозбудимой. В других случаях медиатор открывает двери для отрицательно заряженного иона хлора, сосредоточенного главным образом снаружи. Устремившись в открытую дверь, хлор также увеличивает отрицательный заряд внутри клетки и положительный – снаружи, делая клетку невозбудимой.
О самих дверях известно меньше, чем о запорах. Предполагают, что клеточная мембрана состоит из четырех слоев: два внутренних слоя образуются липидами, а два наружных – белками. Вероятно, липидный слой не сплошной. В местах разрыва липидной оболочки молекулы белка могут проникать – внутрь, двигаясь навстречу друг другу по его краям, пока не встретятся. В этом месте сначала должна появиться вмятина, а затем и дырочка. Электрические заряды ключа-медиатора являются толчком, вызывающим дырообразование.