Использование ATP в нейронах

Покой — это активный процесс. В состоянии «покоя» нейрон поддерживает мембранный потенциал −70 мВ. Внутри клетки много K+ и мало Na+, снаружи — наоборот. Эти градиенты непрерывно «утекают» через мембранные каналы. Чтобы они не исчезли, Na+/K+-АТФаза крутится без остановки: за один цикл выкачивает 3 Na+ наружу, забирает 2 K+ внутрь, тратит 1 ATP. На один нейрон — миллионы таких насосов работают непрерывно.

Потенциал действия — ионная буря. Когда нейрон деполяризуется до порога (~−55 мВ), открываются потенциал-зависимые Na-каналы → в клетку врывается Na+ → потенциал прыгает до +30 мВ за миллисекунду. Затем открываются K-каналы и K+ утекает наружу → потенциал падает обратно. Спайк длится ~1 мс. После него все эти ионы оказались не там, где нужно.

Восстановление — самая дорогая работа мозга. После одного спайка через мембрану «прошли» миллиарды ионов. Все их нужно вернуть обратно. Na+/K+-АТФаза «отрабатывает» сотни тысяч ATP за каждый спайк. У человека ~86 млрд нейронов, средняя частота спайков ~1 Гц → суточная стоимость только этого процесса огромна.

Синаптический выброс — высокотехнологичная экзоцитоза. Когда потенциал доходит до пресинаптического окончания, открываются Ca2+-каналы. Ca2+ влетает внутрь и связывается с синаптотагмином — белком на синаптической везикуле. Тот тянет везикулу к мембране, белки SNARE сшивают мембрану везикулы с пресинаптической → пора открывается → нейромедиатор вылетает в щель. Всё за 0.5 мс.

Возврат Ca2+ — отдельная огромная работа. Внутриклеточный Ca2+ токсичен и должен быть моментально убран после каждого спайка. PMCA качает его наружу через ATP, SERCA прячет в эндоплазматическую сеть тоже через ATP, NCX меняет его на Na+ (бесплатно, но за счёт того же натриевого градиента). Митохондрии тоже забирают Ca2+ через MCU. Регулирование Ca2+ поедает 10–15% всех ATP нейрона.

Перезарядка везикул — V-АТФаза. После выброса нейромедиатора пустая везикула почкуется обратно с пресинаптической мембраны (рециклинг). Внутрь надо снова закачать нейромедиатор. Это делают везикулярные транспортёры (VGLUT, VGAT, VMAT2, VAChT), а энергию они берут от протонного градиента, который создаёт V-АТФаза, тратя ATP. То есть каждый «выстрел» нейромедиатора оплачен.

Аксонный транспорт. Длина аксона у мотонейрона может достигать метра. Чтобы доставить вновь синтезированные белки, митохондрии и везикулы из тела клетки до окончания, моторные белки кинезин (антероградно) и динеин (ретроградно) шагают по микротрубочкам. Каждый «шаг» — это гидролиз 1 ATP. Скорость — до 40 см/сутки.

Синтез белков и липидов. Каждые несколько дней нейрон полностью обновляет свои белки. Рибосомы собирают полипептиды, тратя 4 GTP на каждую пептидную связь. У нейрона их триллионы — это ещё одна непрерывная статья расходов.

Креатинфосфат — мгновенный буфер. Митохондрии не успевают делать ATP за пиками активности. На случай скачка спроса нейрон держит запас креатинфосфата — высокоэнергетического соединения, которое креатинкиназа мгновенно превращает в ATP при необходимости. Это та же причина, по которой спортсмены пьют креатин: больше CrP — больше «мгновенного» ATP.

Долгосрочная пластичность — память. При длительной активной работе синапса (LTP) запускается синтез новых рецепторов AMPA, новых белков цитоскелета, изменение архитектуры дендритного шипика. Это требует часов и десятков тысяч ATP, но это и есть физический субстрат памяти. Ваш мозг прямо сейчас тратит энергию, чтобы запомнить эту фразу.