Белковая молекула натриевого насоса (или комплекс белковых субъединиц) имеет молекулярный вес около 275000 и размеры порядка 6x8 нанометров, что несколько больше толщины клеточной мембраны. Каждый натриевый насос может использовать энергию, запасенную в форме фосфатной связи в аденозинтрифосфате (АТФ), для того, чтобы обменять три иона натрия внутренней среды клетки на два иона калия наружной среды. Работая с максимальной скоростью, каждый насос способен транспортировать через мембрану около 200 ионов натрия и 130 ионов калия в секунду. Однако фактическая скорость регулируется в соответствии с потребностями клетки. У большинства нейронов имеется от 100 до 200 натриевых насосов на квадратный микрон мембранной поверхности, но в некоторых участках этой поверхности их плотность почти в 10 раз выше. Типичный мелкий нейрон имеет, по-видимому порядка миллиона натриевых насосов, способных перемещать около 200 миллионов ионов натрия в секунду. Именно трансмембранные градиенты натрия и калия обеспечивают возможность проведения по нейрону нервного импульса.
Мембрана аксона разделяет жидкости, сильно отличающиеся по содержанию ионов натрия (цветные кружки) и ионов калия (черные кружки). Наружная среда приблизительно в 10 раз богаче ионами натрия, чем калия; во внутриклеточной среде соотношение ионов обратное. Мембрана пронизана белками, которые действуют как избирательные каналы, предпочтительно пропускающие либо ионы натрия, либо ионы калия. В состоянии покоя, когда импульсы не передаются, каналы обоих типов закрыты, и ионный нанос поддерживает ионные градиенты, выкачивая ионы натрия в обмен на ионы калия. Внутренность аксона в норме имеет отрицательный потенциал в 70 мВ по отношению к наружному раствору. Если эта разность потенциалов уменьшается вследствие прихода нервного импульса, натриевый канал открывается и позволяет ионам натрия входить внутрь аксона. Мгновением позже натриевый канал закрывается, а открывается калиевый, позволяя ионам калия выходить из клетки. Последовательное открывание и закрывание каналов двух типов приводит к распространению нервного импульса; этот процесс представлен на следующей иллюстрации.
Мембранные белки, которые служат каналами, существенны для многих сторон деятельности нейрона и в особенности для генерации нервного импульса и синаптической передачи. Чтобы представить значение каналов для электрической активности мозга, я коротко опишу механизм нервного импульса, а затем опять вернусь к более систематическому описанию свойств каналов.
Поскольку концентрации ионов натрия и калия по ту и другую сторону мембраны различаются, внутренность аксона имеет отрицательный потенциал примерно в 70 мВ по отношению к наружной среде. Четверть века тому назад в своих классических работах по изучению передачи нервного импульса вдоль гигантского аксона кальмара английские исследователи А. Ходжкин, А. Хаксли и Б. Катц показали, что распространение нервного импульса сопровождается резкими изменениями проницаемости мембраны аксона для ионов натрия и калия. Когда нервный импульс возникает в основании аксона (в большинстве случаев он генерируется клеточным телом в ответ на активацию дендритных синапсов), трансмембранная разность потенциалов в этом месте локально понижается. Непосредственно впереди области с измененным потенциалом (по направлению распространения нервного импульса) открываются мембранные каналы, пропускающие в клетку ионы натрия.
Распространение нервного импульса по аксону сопряжено с появлением локальных потоков ионов натрия (Na + ) внутрь, сменяемых потоками ионов калия (К+) наружу через каналы, которые регулируются изменениями напряжения на мембране аксона. Электрический процесс, приводящий к распространению нервного импульса вдоль аксона, обычно развивается в клеточном теле. Генерация импульса начинается со слабой деполяризации, или уменьшения отрицательного потенциала внутренней поверхности мембраны, в том месте, где аксон отходит от клеточного тела. Этот небольшой сдвиг потенциала открывает некоторые из натриевых каналов, вызывая тем самым дальнейшее уменьшение потенциала.
Поток ионов натрия внутрь будет ускоряться до тех пор, пока внутренняя поверхность мембраны не станет локально положительной. Изменение знака потенциала приведет к закрыванию натриевых каналов и открыванию калиевых. Поток ионов калия наружу быстро восстановит отрицательный потенциал. Кратковременная реверсия потенциала, получившая название потенциала действия, сама распространяется по аксону (1, 2). После короткого рефрактерного периода за первым импульсом может следовать второй (3). Скорость распространения нервного импульса на схеме соответствует таковой в гигантском аксоне кальмара.
Этот процесс является самоусиливающимся: поток ионов натрия через мембрану способствует открыванию большего числа каналов и облегчает другим ионам возможность следовать за ними. Проникшие в клетку ионы натрия изменяют отрицательный внутренний потенциал мембраны на положительный. Вскоре после открывания натриевые каналы закрываются, но теперь открывается другая группа каналов, которая позволяет ионам калия выходить наружу. Этот поток восстанавливает потенциал внутри аксона до величины его потенциала покоя, т.е. до -70 мВ. Резкий скачок потенциала сначала в положительную, а затем в отрицательную сторону, который выглядит на экране осциллографа как пик ("спайк"), известен под названием потенциала действия и является электрическим выражением нервного импульса. Волна изменения потенциала стремительно проносится по аксону до самого его конца во многом подобно тому, как бежит пламя по бикфордову шнуру.
Это краткое описание нервного импульса иллюстрирует важность каналов для электрической активности нейронов и подчеркивает два фундаментальных свойства каналов: избирательность и наличие воротных механизмов. Каналы проницаемы избирательно, и степень избирательности варьирует в широких пределах. Так, каналы одного типа позволяют проходить ионам натрия, но сильно препятствуют прохождению ионов калия, тогда как каналы другого типа делают обратное. Однако избирательность редко бывает абсолютной. Канал одного типа, который практически не обладает избирательностью, позволяет проходить примерно 85 ионам натрия на каждые 100 ионов калия; другой канал, с большей избирательностью, пропускает только около 7 ионов натрия на каждые 100 ионов калия. Канал первого типа, известный как активируемый ацетилхолином, имеет пору диаметром около 0,8 нм, которая заполнена водой. У канала второго типа, известного как калиевый канал, пора значительно меньше и содержит меньше воды.
Ион натрия приблизительно на 30% меньше иона калия. Точная молекулярная структура, позволяющая более крупным ионам проходить через клеточную мембрану легче, чем более мелким, неизвестна. Однако общие принципы, лежащие в основе такой дискриминации, понятны. Они включают взаимодействия между ионами и участками канальной структуры, сочетающиеся со специфическим упорядочением молекул воды внутри поры.
Активируемые ацетилхолином каналы плотно упакованы в постсинаптической мембране клетки электрического органа ската - рыбы, которая может наносить электрический удар. На этой микрофотографии показана покрытая платиной реплика мембраны, которая была заморожена и вытравлена. Размеры частиц платины не позволяют разрешать детали мельче 2 нм. Согласно последним данным, белковая молекула канала, размеры которой составляют 8,5 нм в поперечнике, состоит из пяти субъединиц, окружающих канал, наименьший размер которого составляет 0,8 нм. Микрофотография получена Хойзером и С. Салпетером (Heuser, S. Salpeter).
Ответ одиночного мембранного канала на медиатор ацетилхолин был зарегистрирован с помощью созданного недавно метода, который применили Э. Нехер и Дж. Стейнбах (медицинский факультет Йельского университета). Активируемые ацетилхолином каналы, имеющиеся в постсинаптических мембранах, пропускают приблизительно равные количества ионов натрия и калия. На записи показан ток через одиночный канал постсинаптической мембраны мышцы лягушки, возникающий при активации этого канала субэрилдихолином - веществом, имитирующим действие ацетилхолина, но открывающим каналы на более длительное время. Эксперимент показал, что процесс открывания каналов подчиняется закону "все или ничего" и время их пребывания в открытом состоянии варьирует случайным образом.