Рентгеновская структура показывала в мельчайших деталях, как работает калиевый канал, как он обеспечивает очень быстрый перенос ионов калия, настолько быстрый, словно на пути ионов не было никаких препятствий, и одновременно не пропускает более мелкие ионы натрия. Калиевые каналы, как оказалось, имели специальные «селективные фильтры» – короткие зоны, в которых пора сужается настолько, что проникающие ионы взаимодействуют со стенками. Попросту говоря, ширина такой зоны достаточна, чтобы протиснулся ион калия, но ничто более крупное пройти через нее не может. Фактически проход настолько мал, что калию приходится сбрасывать оболочку из молекул воды. В растворах все ионы окружены толстым слоем воды, и нужно немало усилий, чтобы освободиться от нее. Калий довольно легко освобождается от оболочки, поскольку селективный фильтр имитирует объятия водяной оболочки. С натрием же дело обстоит иначе. Хотя натрий довольно мал, чтобы проскользнуть через пору в обезвоженном состоянии, для удаления воды требуется слишком большое усилие – намного большее, чем энергия, которая генерируется в результате сжатия селективного фильтра, – поэтому он так и остается в водяной рубашке. А вместе с рубашкой натрий просто слишком велик, чтобы войти в пору.
Открытое и закрытое состояние
Ионные каналы – шлюзы клетки. Их важнейшее свойство состоит, пожалуй, в том, что они открываются и закрываются, регулируя движение ионов, а самое главное, процесс открывания и закрывания (их «воротный» механизм) жестко контролируется посредством присоединения внутриклеточных или наружных химических веществ, механического напряжения или изменения разности потенциалов на клеточной мембране.
Нервные клетки общаются друг с другом через химические посланники, известные как медиаторы, которые взаимодействуют со специализированными ионными каналами в мембране целевой клетки. Медиатор присоединяется к определенному участку белка канала, входя в него, как ключ в замок. Это вызывает конформационное изменение белка канала, который открывает пору и позволяет ионам проходить через нее. Мы пока еще мало знаем о том, как происходит такое изменение формы, или о том, каким образом присоединение химического вещества в определенном месте приводит к структурному изменению другой части белка, которая может находиться на значительном удалении. Такой механизм управления каналами имеет очень большое значение не только потому, что он обеспечивает передачу информации между клетками, но и потому, что многие медицинские препараты и яды воздействуют на активность каналов (и, таким образом, на клеточные функции), присоединяясь к тому же участку, что и естественный медиатор, и блокируя или имитируя действие этого медиатора.
Например, яд кураре, который южноамериканские индейцы наносят на стрелы, присоединяется к ионным каналам, участвующим в процессе передачи импульсов в нервных и мышечных волокнах, и блокирует действие естественного медиатора, вызывая паралич. А галюциноген ЛСД имитирует действие медиатора серотонина, вызывая чрезмерную стимуляцию определенных нейронов мозга. Мой любимый АТФ-зависимый калиевый канал закрывается при присоединении АТФ, генерируемого при расщеплении глюкозы, – именно таким образом метаболизм глюкозы приводит к закрыванию канала и секреции инсулина. Если связывающий участок изменяется, например в результате мутации, как в случае Джеймса, то АТФ не может присоединиться, АТФ-зависимый калиевый канал не закрывается, а инсулин не вырабатывается. Итогом является диабет.
При «потенциал-зависимом» механизме управления (воротном механизме) канал должен быть чувствительным к изменению потенциала электрического поля на мембране. На мембране всех клеток существует разность потенциалов, причем внутренний потенциал примерно на 70 мВ более отрицателен, чем наружный. Когда нерв генерирует электрический импульс, этот внутренний потенциал резко возрастает приблизительно на 100 мВ и на короткое время становится положительным по отношению к наружному. Сотня милливольт может показаться незначительной величиной, однако это не так, поскольку мембрана очень тонкая. С учетом толщины мембраны напряженность электрического поля, действующего на канал, может быть огромной – порядка 100 000 В/см. Напряжение бытовой сети электроснабжения в Великобритании составляет 240 В, и если вы по неосторожности прикоснетесь к оголенному проводу (надеюсь, что с вами этого никогда не случится), то получите представление о том, какой удар током получает ионный канал, когда нерв генерирует импульс. Если посмотреть на проблему под таким углом, то способность изменения потенциала преобразовывать конформацию белка и переводить его из одного состояния в другое уже не вызывает удивления. О том, что каналы реагируют на напряженность электрического поля, мы узнали всего 25 лет назад, и точные детали этого явления все еще горячо обсуждаются.
В состоянии покоя потенциал-зависимые натриевые и калиевые каналы клеток нервной и мышечной ткани находятся в закрытом состоянии под действием отрицательного мембранного потенциала. Они открываются только тогда, когда потенциал смещается в положительную сторону, и если это происходит, то генерируется электрический импульс. О том, как об этом узнали и как распутывали загадки, связанные с работой нервов и мышц, рассказывается в следующих главах.
Глава 3
Импульс к действию
Я не смог увидеть ее сегодня.
Мне придется забыть о ней,
Поэтому я буду есть фугу.
Ёса Бусон
Во время экспедиции в южные моря в 1774 г. капитан Джеймс Кук сделал следующую запись о необычных симптомах, которые он испытал, попробовав неизвестную уродливую рыбу: «Зарисовка и описание затянулись допоздна, и приготовили только печень и икру, которые я и г-н Фостерс попробовали на вкус. Ночью около трех мы оба почувствовали сильную слабость и онемение конечностей – я практически лишился осязания и не чувствовал разницу между легкими и тяжелыми предметами, которые хватало силы поднять. Литровая кружка с водой и перышко казались мне одинаковыми. Мы приняли рвотное средство, после которого нам стало значительно легче. Наутро мы обнаружили, что свиньи, съевшие внутренности, издохли. Когда на борт корабля поднялись аборигены и увидели подвешенную рыбу, они сразу же дали нам понять, что она не годится в пищу, и выказали полное отвращение к ней».
Не исключено, что на стол Кука и его команды попал иглобрюх. Печень, внутренности, кожа и икра этой рыбы содержат опасный яд, тетродотоксин, который блокирует натриевые каналы в клетках нервной и мышечной ткани. В результате подавляются нервные импульсы и сокращение мышц. Отравившиеся обычно умирают от удушья, вызванного параличом дыхательных мышц. Куку очень повезло – количество съеденной им рыбы было не настолько большим, чтобы убить его.
Электропроводка организма
Нервные волокна передают электрические сигналы по всему организму. То, что мы обычно называем нервом, на деле представляет собой жгут из множества нервных волокон, окруженных защитной оболочкой, подобный кабелю, составленному из тысяч телефонных проводов. Большинство нервов располагаются в глубине ткани, которая защищает их от повреждения. Исключением являются окончания чувствительных нервов, которые пронизывают внешние слои кожи, и локтевой нерв, который подходит близко к поверхности кожи в локтевом сгибе. Это объясняет, почему при резком ударе локтя (локтевого отростка) острая боль пронизывает всю руку: удар возбуждает нерв точно так же, как и небольшой электрический разряд.
