В то же время вещества, подобные физостигмину, находят применение в медицине. Тяжелая псевдопаралитическая миастения – аутоиммунное заболевание, при котором организм вырабатывает антитела против мышечных ацетилхолиновых рецепторов. Каждое антитело имеет две «руки», которые захватывают два соседних ацетилхолиновых рецептора и связывают их вместе, после чего они удаляются с поверхности мембраны и уничтожаются мышечной клеткой. Как следствие число ацетилхолиновых рецепторов сильно сокращается, что затрудняет нервно-мышечную передачу сигнала, вызывает мышечную слабость, прогрессирующий паралич и атрофию мышц. К аналогичной мышечной слабости могут приводить мутации с потерей функции в генах, кодирующих ацетилхолиновые рецепторы мышечных клеток. У детей, родившихся с таким заболеванием, наблюдаются свисающие веки, отвисшая челюсть и открытый рот, они с трудом стоят, не говоря уже о ходьбе. Лечение обоих расстройств заключается в увеличении времени, в течение которого ацетилхолин находится в синапсе, путем торможения его разрушения под действием ацетилхолинэстеразы.
Первой использовать физостигмин для лечения тяжелой псевдопаралитической миастении начала доктор Мэри Уокер, тихая, скромная помощница начальника медицинской службы в больнице Сент-Алфидж в Гринвиче. Заметив сходство симптомов миастении с симптомами отравления кураре, она рассудила, что они должны в определенной мере сниматься физостигмином, известным антидотом от кураре. В 1934 г. доктор Уокер ввела физостигмин Дороти Кодлинг, 34-летней горничной, которая страдала болезнью уже шесть лет. Результат был потрясающим – Дороти, настолько слабая до этого, что не могла поднять чашку и встать с постели, стала ходить непродолжительное время после впрыскивания лекарства. Этот случай получил известность как «чудо Сент-Алфидж». Метод, придуманный Мэри Уокер, применяется до настоящего времени.
Верхом на молнии
Химическая передача информации победила в войне химического и электрического начал. Тем не менее электрическая передача сигнала между клетками все же происходит. В электрических синапсах мембраны примыкающих клеток подходят чрезвычайно близко друг к другу и физически связаны через специальные образования, называемые щелевыми контактами. Каждый щелевой контакт образуется несколькими сотнями каналов, расположенными близко друг к другу в виде полукристаллической решетки. Каналы щелевого контакта имеют уникальное строение – они состоят из двух половин, встроенных в мембраны соседних клеток. Когда они соединяются, образуется канал для перетока ионов непосредственно из одной клетки в другую, что обеспечивает очень быстрое распространение электрического сигнала.
Передача сигнала в электрических синапсах происходит в 10 раз быстрее, чем в химических синапсах, поскольку в них отсутствуют такие занимающие время процессы, как выброс нейромедиатора, его диффузия через щелевой контакт и присоединение к постсинаптическим рецепторам. В результате электрические синапсы нередко отвечают за инициирование защитных реакций, таких как выброс реактивной струи кальмаром в случае опасности, выброс чернил каракатицей для маскировки от врагов и быстрое отдергивание дождевого червя и уползание в нору, когда его клюет птица.
Высокая скорость передачи сигнала делает электрические синапсы идеальными для синхронизации электрической активности соседних клеток, поэтому они есть во всех частях организма. Клетки сердца связаны друг с другом щелевыми контактами, именно поэтому они сокращаются так согласованно. Щелевые контакты связывают вырабатывающие инсулин бета-клетки в поджелудочной железе, именно поэтому они могут выбрасывать инсулин одновременно. Нейроны в некоторых областях головного мозга также имеют электрическую связь, что позволяет им возбуждаться всем сразу. Поры в щелевом контакте значительно крупнее большинства других каналов, поэтому они пропускают внутриклеточные сигнальные молекулы, небольшие метаболиты, а также ионы. Таким образом, щелевые контакты не только связывают клетки электрически, но и обеспечивают согласование биохимической активности соседних клеток. Каналы щелевых контактов, по всей видимости, играют важную роль в нашей коже, поскольку наследственные генетические дефекты, приводящие к их утрате, вызывают кожные заболевания. У людей с такими дефектами могут появляться кожные утолщения на ладонях и подошвах стоп, а также видоизменяться зубы, волосы и ногти.
Прыжок через синаптическую щель
Хотя основное внимание в этой главе уделяется функционированию синаптической щели между нервной и мышечной клетками, синапсы бывают не только нервно-мышечными. Синапсы существуют между нервными клетками и клетками желез и, что очень важно, между различными нервными клетками, как будет показано дальше. Во всех этих местах основной является химическая передача сигнала, в которой участвует масса различных нейромедиаторов. Однако почему химическая передача сигнала предпочтительнее электрической?
Одна из причин заключается в том, что и более низкая скорость, и сложность механизма более приемлемы, когда интеграция множества сигналов может давать преимущество. Другой причиной может быть просто то, что такой способ передачи сигналов отражает путь эволюции сигнального механизма клеток. Многие простейшие организмы, состоящие из единственной клетки, такие как бактерии, передают информацию друг другу с помощью химических мессенджеров, что позволяет им действовать как огромная команда со скоординированными стратегиями защиты и нападения. Также использование химических веществ для передачи информации от одной клетки к другой не ограничивается нервной системой. Химические мессенджеры широкого действия, известные как гормоны, передают информацию между клетками нашего организма, которые расположены на довольно большом расстоянии. Множество разных гормонов постоянно циркулируют в организме, влияя на наше настроение, поддерживая водно-солевой баланс, стимулируя рост клеток, настраивая нас на борьбу со стрессами и даже регулируя секрецию других гормонов. Феромоны, переносимые по воздуху, обеспечивают коммуникацию между организмами и действуют как сексуальные признаки (аттрактанты), территориальные метки и сигналы тревоги. Похоже, что нервы просто адаптировали эту универсальную химическую сигнальную систему для своих целей.
Глава 5
Как действуют мышцы
Над сельской кузницей каштан
Раскинул полог свой.
Кузнец, могучий исполин
С курчавой головой,
Железо там кует весь день
Генри Уодсворт Лонгфелло. Деревенский кузнец
На просторах сельского штата Теннесси встречаются очень необычные козы. Их называют по-разному: обморочными, столбенеющими, миотоническими – за то, что они падают при испуге. Такие определения совершенно неправильны, поскольку эти козы вовсе не падают в обморок и не лишаются сознания. Просто они теряют способность нормально ходить и нередко падают при испуге из-за того, что их мышцы деревенеют и ноги перестают гнуться. Все это напоминает чрезвычайно сильный спазм, при котором мышцы сокращаются настолько сильно, что животное можно даже поднять, а его ноги так и останутся прямыми, – оно буквально столбенеет от страха. Приступ продолжается всего несколько секунд, после чего коза убегает как ни в чем не бывало.
