Даже в покое нейронам нужно много энергии — чтобы поддерживать свою готовность к работе.

Как известно, мозг ест очень и очень много энергии. На первый взгляд, понятно, почему: нейронные импульсы — это постоянное открывание и закрывание ионных каналов, перекачивание ионов то на одну, то на другую сторону клеточной мембраны, причём всё должно происходить очень быстро и одновременно в огромном количестве нервных клеток. Однако мозг расходует большое количество даже тогда, когда, казалось бы, почти ничего не делает. Несколько десятилетий назад нейробиологи выяснили, что у людей в коме и в так называемом вегетативном состоянии, когда мозг не занят почти никакой деятельностью кроме элементарных рефлексов, он всё равно требует много питательных веществ. Расход глюкозы в таком мозге падает всего лишь наполовину — слишком мало по сравнению с тем, что можно было бы ожидать.

Передача нейромедиаторов в синапсе. (Иллюстрация: Alexmit / Depositphotos) 

Тут нужно вспомнить, как нейроны передают импульсы друг другу. Когда импульс добегает до межнейронного контакта (синапса), передающий нейрон высвобождает из себя вещества-нейромедиаторы. Молекулы нейромедиаторов выходят в синаптическую щель и быстро достигают принимающего нейрона, связываясь с его рецепторами. Когда принимающий нейрон чувствует нейромедиаторы, он генерирует импульс, который бежит дальше, к следующему нейрону. Несколько лет назад сотрудники Медицинского колледжа Вейл Корнелл выяснили, что как раз на синапсы уходит большая часть энергии, которую потребляет активный нейрон.

Но и у неактивного нейрона синапсы остаются главными поедателями энергии. Нейрон накапливает нейромедиаторы в мембранных пузырьках-везикулах. Когда наступает время передать импульс, эти пузырьки с нейромедиаторами подплывают к клеточной мембране и выбрасывают нейромедиатор в щель навстречу принимающему нейрону. Очевидно, у нейрона должен быть запас нейромедиаторных пузырьков, и он у него есть. Но нейромедиаторы попадают в пузырьки с помощью специальных транспортных белков, которые встроены в мембрану везикул. В свою очередь, эти транспортные белки работают с помощью других белков, которые перекачивают внутрь пузырьки ионы водорода (протоны). На перекачку ионов водорода нужна энергия. Получается следующая картина: протонные насосы тратят энергию и заполняют пузырьки протонами, высокая концентрация протонов активирует транспортные белки, которые закачивают в те же пузырьки молекулы нейромедиаторов.

Но вот везикулы заполнились нейромедиаторами — значит, протонный насос можно отключить? В том-то всё и дело, что нельзя: как говорится в статье в Science Advances, протоны всё время утекают наружу из пузырьков, причём утекают они через те белки, которые транспортируют нейромедиаторы. Эти белки переносят нейромедиаторы чрезвычайно быстро, но побочный эффект их быстроты состоит в том, что они одновременно оказываются «дырой» для протонов.

Получается, что даже когда пузырьки наполнены нейромедиаторами, протонные насосы всё равно должны работать, чтобы поддерживать нужный уровень протонов в пузырьках — и чтобы нейромедиаторные насосы, пусть неактивные сейчас, могли бы включиться сразу, как только это понадобится. Если учесть, что на весь мозг количество нейромедиаторных везикул исчисляется сотнями триллионов, то понятно, почему мозг даже в коме требует огромных энергетических затрат.