CC BY
68
В.И. Яшкичев
Изменение гидратации белков цитоскелета нейрона -механизм образования и движения нервного импульса
Использован предложенный ранее механизм пульсаций клеток, основанный на изменении гидратации белков цитоскелета. Пульсации необходимы для поддержания гомеостаза клетки, ввода в клетку питательных веществ и для очистки клетки от продуктов метаболизма. В настоящей работе показано, что пульсации лежат также в основе кривых деполяризации и реполяризации, определяют механизмы образования овершута и продвижения нервного импульса по аксону. Цель работы заключается в том, чтобы теоретически обосновать необходимость исследований водного компонента нейроплазмы и, прежде всего, взаимодействие белковых молекул с молекулами воды, для дальнейшего развития нейрофизиологии. Ключевые слова: гидратация, гидролиз, пульсации, аксон, перехват Ранвье, потенциалы покоя, нервный импульс.
В статье предложен механизм пульсаций клеток, в котором основную роль играет изменение гидратации белков цитоскелета. При нагревании в воде мышечных волокон при достижении 44°С происходит их сокращение [5]. Из этого сделан вывод, что до этой температуры идет самопроизвольное усиление гидратации белков цитоскелета, что вызывает увеличение их длины, а выше ее также самопроизвольно происходит ослабление гидратации, и как следствие, сокращение длины этих белковых молекул [19]. При усилении гидратации объем клетки увеличивается. Возникающая разность давлений между цитоплазмой и тканевой жидкостью обеспечивает приход в клетку питательных веществ и облегчает доступ в клетку молекул кислорода. Вместе с тем нарушается гомеостаз клетки, т. к. в клетку входят ионы натрия, направляемые вместе с разностью давлений градиентами концентрации и потенциала. Но ионы натрия активируют фермент натрий-АТФ-азу. Начинается гидролиз АТФ, теплота которого поднимает температуру цитоплазмы до значения, при котором самопроизвольной становится дегидратация белков. Клетка сжимается, возникающая разность давлений между цитоплазмой и тканевой жидкостью вытесняет из клетки ионы натрия, избыточные молекулы воды и продукты метаболизма. Поскольку именно в механизме пульса-
ций важную роль играет гидролиз АТФ, и, следовательно, необходимо |
восполнение этих молекул, становится понятной непрерывная необходи- |
мость клеток в кислороде. Ритмическое выделение и поглощение тепла |
в нерве установлено экспериментально, причем количество выделившей- |
ся теплоты на 20% больше поглощенной [2]. &
Изменение гидратации двигательных белков использовано для объ- о
яснения превращения тепловой энергии в механическую и предложен §
механизм движения актина [18] в теории работы мышц Хаксли [11]. §
В настоящей работе с помощью пульсаций объяснены происхождение |
кривых деполяризации и реполяризации, образование нервного импуль- 5 са (в частности, овершута, поскольку ионы натрия, сколько бы дополнительных каналов не открылось, не смогут войти в аксон против такого препятствия, как мембранный потенциал), а также механизм продвижения потенциала действия по аксону. Для этих процессов нужны дополнительные механизмы, которыми являются пульсации клеток.
Методика
В настоящей работе сделана попытка рассмотреть механизм образования нервного импульса и его продвижения по аксону с учетом основных закономерностей диффузии в водной среде [1; 3] с учетом структуры воды [6] и водных растворов [4] и, прежде всего, в присутствии градиентов потенциала и концентрации ионов натрия - носителей потенциала действия. Выяснилось, что кривые деполяризации и реполяризации, описывающие зависимость мембранного потенциала от времени, определяются пульсациями и вместе с тем представляют описание пульсаций нервных клеток в координатах «потенциал - время».
В работе также рассматривается роль пульсаций в кодировании нервного импульса и участие пульсаций в передвижении нервного импульса по аксону. Импульс, распространяющийся по нервному волокну, имеет постоянную амплитуду. Он представляет собой кратковременное стереотипное электрическое явление, которое продолжается около 1 мс. Он быстро распространяется вдоль нерва от одного его конца к другому. Импульс называют также потенциалом действия. Более сильные стимулы вызывают разряд импульсов с более высокой частотой. Например, сенсорный нерв реагирует на растяжение мышцы разрядами с частотой, пропорциональной степени растяжения [13, р. 23-25].
Результаты исследования
Как и у всех клеток, у нервных клеток пульсации сохраняют ионный гомеостаз, играют важную роль в доставке в клетку кислорода
-V
60
§ и питательных веществ, в очистке клетки от продуктов метаболизма.
| Расширению клетки при пульсации и, соответственно, входу в нее ионов
| натрия, отвечает восходящая ветвь деполяризации. Для нервных клеток
х потенциал увеличивается примерно с - 70 мВ (потенциал покоя) до -
| 40 мВ (потенциал активации) [13, p. 23-35]. Сжатию клетки при пульса-
си
£ ции и выходу из нее ионов натрия при этом отвечает нисходящая ветвь § реполяризации, которая идет положе кривой деполяризации, посколь-£ ку градиенты концентрации и потенциала замедляют движение ионов £ натрия из клетки под действием сжатия клетки при пульсации. Пульсиру-| ют все клетки, включая живые клетки растений, но амплитуда пульсаций нервных клеток на порядок больше и, соответственно, больше модуль потенциала покоя и потенциала активации. Это позволило применять для исследования нервного импульса аппаратуру для измерения электрического тока. Эта относительная простота исследований привела к тому, что не обращалось достаточного внимания на то, что электрический ток в данном случае - это не поток электронов, а движение заряженных частиц - ионов натрия в жидкой, причем в водной среде.
Обсуждение
Особенность нервных клеток заключается в способности отвечать на раздражение - стимул. В результате стимула увеличивается проницаемость мембраны, и в клетку через входные каналы проникает лавинообразный поток ионов натрия. Это нарушение гомеостаза природа использует для передачи информации. Лавина ионов натрия, проникшая в аксон вместе с молекулами воды, резко деполяризует аксоплаз-му постсинаптической клетки, вплоть до изменения знака мембранного потенциала (овершут). Возникает потенциал действия, который примерно равен + 50 мВ. Особое значение имеет то, что после того как мембранный потенциал становится больше нуля, движение ионов натрия в клетку должно идти против градиента потенциала, а т.к. градиент в основном создают ионы натрия, то и против градиента концентраций. Следовательно, должен быть механизм, заставляющий ионы натрия двигаться в клетку против этих градиентов. Этим механизмом, по нашему мнению, являются пульсации нервных клеток, в основе которых лежит изменение гидратации белковых молекул, образующих цито-скелет этих клеток.
Чем сильнее стимул, тем большее число ионов натрия переходит в постсинаптическую клетку при ее расширении за единицу времени, и, следовательно, также ускоренно начинается отклик нейроплазмы, ведущий к сжатию клетки. Но сжатие в этом случае приводит не к выводу
ионов натрия в тканевую жидкость, а к продвижению их по аксону. | Предположение основано на зависимости работы каналов от потенциала | мембраны [17]. Отсюда вытекает, что кодирование интенсивности стиму- | ла, по нашему мнению, осуществляется частотой пульсаций. Но каждая | пульсация является механизмом образования одного пика, входящего & в состав данного потенциала действия. Таким образом, с помощью пуль- о саций, следовательно, с помощью гидратации белков цитоскелета, дано § объяснение экспериментально установленному кодированию величины § стимула частотой потенциала действия [10, р. 8-36]. Величина стимула | характеризуется не только частотой потенциала в «залпе», но и величи- 5 ной потенциала: чем сильнее стимул, тем больше ионов натрия войдет в клетку в единицу времени. Но одновременно в клетку войдет и большее число молекул воды. Приход молекул воды приведет к более сильной гидратации белков цитоскелета и, соответственно, к большему увеличению объема постсинаптической клетки. В больший объем входит большее число ионов натрия, что и увеличивает высоту пика.
Важным этапом в движении потенциала действия по аксону является переход ионов натрия от одного перехвата Ранвье к другому. В этом процессе наряду с градиентами потенциала и концентрациями ионов натрия между перехватами Ранвье важную роль также играют пульсации. Уход ионов натрия из тканевой жидкости в аксон обедняет этими ионами тканевую жидкость, примыкающую к месту входа ионов. Концентрация ионов натрия понижается. Компенсирует это понижение приход ионов из других мест тканевой жидкости, но прежде всего из района, примыкающему к следующему перехвату Ранвье. Приход потенциала действия (ионов натрия) в этот перехват вытесняет из него в тканевую жидкость ионы калия, что увеличивает в тканевой жидкости вдоль аксона градиент потенциала от второго перехвата к первому, а это способствует диффузии ионов натрия от второго перехвата Ранвье к первому. Диффузия ионов натрия по тканевой жидкости происходит без особых затруднений, чего нельзя сказать о перемещении ионов натрия, образующих потенциал действия, внутри аксона. Элементы кортекса, органеллы и другие препятствия [14, р. 174-178] преодолеваются с помощью пульсаций. Смена расширения перехвата на сжатие проталкивает аксоплазму вместе с ионами в следующий перехват.
При торможении под действием медиатора (например, ГАМК) открываются мембранные каналы для входа в клетку ионов хлора [14, р. 299-300; 15, р. 917-924]. Ионы хлора увеличивают отрицательный заряд в клетке (понижают потенциал покоя), и стимул в этих условиях -при низком значении потенциала покоя - не вызывает нервный импульс.
62
§ Преодолеть входящим ионам хлора отрицательный заряд нейроплазмы
X
£ также помогают пульсации клетки.
и
у Заключение
<и
Биология клетки, особенно нейрона, вряд ли может быть понята без £ систематического исследования гиалоплазмы. Свойства этой среды фор-§ мируются во многом под влиянием уникальных свойств ее основного £ компонента - воды. Именно свойства воды, в частности, высокая реакци-£ онная способность, определяют роль гидратации белков во многих кле-| точных процессах, в том числе в механизме превращения теплоты в работу, Переход теплоты в работу происходит при пульсациях [19], в работе саркомера [8, с. 31-58], в характере кодирования стимула и в механизме движении потенциала действия. Кроме имеющихся подтверждений из физиологии как животного, так и мира растений, желательна оценка изменения длины белков цитоскелета, которая, возможно, могла бы быть получена с помощью флуоресцентной микроскопии [9; 12]. В настоящее время появились работы, в которых с помощью сложной методики показано, что молекулы воды внедряются в спираль молекулы белка родопсина, располагаясь между ее витками. При изменении освещения белка молекулы воды изменяют свое местонахождение [16].
Определяющее значение для клеточных процессов и, прежде всего, для процессов в нейроне имеет способность воды, следовательно, и водных растворов, откликаться на внешние воздействия: изменение температуры, давления, воздействие магнитного поля. Наибольшие изменения в характере трансляционного теплового движения частиц, в частности, в изменении маршрутов их передвижения, в способности молекул воды гидратировать (основные составляющие отклика) возникают при появлении в гиалоплазме новых частиц - ионов или молекул, в том числе ионов натрия. Именно на отклике основано управление клеткой процессами, идущими в ней. Наиболее четко это прослеживается при делении клетки. Например, накопление нуклеотидов в ядре приводит к составу нуклеоплазмы, при котором становятся активными ферменты, расплетающие двойную спираль молекулы ДНК - активирующие процесс ДНК-редупликации. С откликом тканевой жидкости на появление в ней частиц при рассасывании отмершей части нейрона можно связать рост в нужном направлении травмированного аксона.
Выскажем гипотезу, что образы внешнего мира фиксируются мозгом в виде определенной структуры нейроплазмы и связанного с ней теплового движения ее частиц. Специфическое распределение частиц раствора по кинетическим единицам и подсистемам и остальные особенности
h.
теплового движения, особая способность гидратировать, характер пуль- g саций, предопределенный необходимостью поддерживать нейрон в ста- | бильном, здоровом состоянии, делают некую усредненную по большому | числу нейронов гиалоплазму однозначным «слепком» с воздействующе- | го образа внешней среды. Чтобы сохранить такой «слепок», природе при- & шлось отказаться от деления нейронов - взрослые нейроны не делятся. о Эволюция пошла по пути запаса нейронов - большого избыточного их § числа, их защиты и развития связей между ними. Изучение кодирование § внешнего мира с помощью гиалоплазмы позволило бы наметить новые | пути для объяснения таких сложных явлений, как обучение, память, эмо- и ции и мышление.
Выводы
1. Пульсации нейронов играют определяющую роль в их жизнедеятельности, в обмене с тканевой жидостью кислородом, питательными веществами и продуктами метаболизма. Пульсации участвуют в возникновении и кодировании нервного импульса и в механизме его движения по аксону. Пульсации - результат изменения гидратации белков цито-скелета.
2. Кривые деполяризации и реполяризации описывают пульсации нейронов в координатах «мембранный потенциал - время».
Библиографический список
1. Вдовенко В.М., Журиков Ю.В., Лежин E.K. Диффузия ионов и структура воды // Радиохимия. 1966. Т. 8. № 3. С. 323-330.
2. Леонтьева Н.Н. Электрофизиология возбудимых образований. М., 1972.
3. Самодиффузия Cl- в водных растворах хлоридов лития, натрия, калия, цезия и аммония / Гончаров В., Яшкичев В., Маркова В. и др. // Радиохимия. 1968. Т. 12. № 6. С. 905-906.
4. Самойлов О.Я. Структура и гидратация ионов в водных растворах. М., 1957.
5. Ухтомский A.A. Собр. соч. Т. 3. Л., 1951.
6. Фосфорилирование миозина как основной путь регуляции сокращения гладких мышц / Воротников А.В., Щербакова О.В., Кудряшова Т.В. и др. // Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2009. Т. 10 (95). С. 1058-1073.
7. Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды. Л., 1975.
8. Яковлев Н.Н. Химия движения. Л., 1983.
9. 3D live fluorescence imaging of cellular dynamics using Bessel beam plane illumination microscopy / Wang K., L. Shao, B.C. Chen, a.e. // Nat. Methods. 2014. № 11(6). Р. 1083-1101.
10. Adrian E.D. The Physical Background of Perception. Oxford, 1946.
11. Huxley A.F. The Origin of Force in Skeletal Muscle, in Energy Transformation in Biological Systems // Cuba Found. Symp. 1975. № 34. Р. 271-299.
-
64
g 12. Imaging intracellular fluorescent proteins at nanometer resolution / E. Betzig,
| G.H. Patterson, R. Sougrat, a.e. // Science. 2006. № 313 (5793). Р. 1642-1645.
g 13. Kuffler S.W., Nicholls J.G. From neuron to brain. Massachusetts, 1976. 5 14. Molecular Biology of the Cell / B. Alberts, B. Johnson, J. Lewis, a.e. V. 2. NY, ¡5 2013
15. Principles of biochemistry / A. White, Ph. Handler, E.L. Smith, V. 2. NY, i 1973.
° 16. Structural waters define a functional channel mediating activation of the GPCR
§ rhodopsin / T.E. Angel, S. Gupta, B. Yastrebska, a.e. // J. Proc. Of the National
° Academy of Sciences. 2009. № 34 (106). Р. 1467-1476.
g 17. The principal of gating charge movement in a voltage-dependent K+ channel /
| V. Jiang, V. Ruta, J. Chen a.e. // Nature, 2003. № 423 (6935). Р. 42-48.
18. Yashkichev V.I. Changes in protein hydration means a transition mechanism of heat energy into mechanical one // Life Science Journal. 2014. № 11 (11). Р. 413-417.
19. Yashkichev V.I. Hydration of structural proteins and model of cellular pulsation // Science and world. 2014. № 2(6). Vol. 1. Р. 140-141.
20. Zholkevich V.N. Water transport in a plant and its endogenous regulation. M., 2001.
