Вернувшись в свою лабораторию, Брайант взял у коз под наркозом небольшой образец межреберной мышечной ткани. Операция была простой, безболезненной и не причинявшей вреда животному – на практике множеству пациентов приходится проходить такую процедуру. Особенность таких межреберных мышц заключалась в том, что они были очень короткими и их можно было вырезать от сухожилия до сухожилия без повреждений. Сначала Брайант ввел один тонкий стеклянный электрод в клетку, чтобы замерить разность потенциалов на клеточной мембране, а затем второй электрод, чтобы стимулировать электрическую активность. Он знал, что в нормальном мышечном волокне приложение небольшого положительного тока приводит к появлению одного потенциала действия и к однократному сокращению мышцы. Однако в мышечных волокнах миотонических коз такой ток вызывал шквал импульсов, которые порою долго не прекращались после окончания стимулирования. Фактически они генерировались без поступления соответствующего сигнала. Это заставляло мышцу долго оставаться в сокращенном состоянии и объясняло, почему ноги коз деревенели, а сами животные падали – просто их мышцы возбуждались слишком сильно. Аналогичная реакция была обнаружена и у больных с врожденной миотонией, что указывало на одинаковое происхождение заболеваний человека и коз.
При стимулировании миотоническая мышца генерирует больше электрических импульсов, и импульсы продолжаются даже после прекращения стимулирования. Если электрический сигнал подать на усилитель звуковой частоты, то нормальная мышца будет давать однократный «щелчок» при стимулировании, а миотоническая мышца звучит как пикирующий бомбардировщик.
В отличие от нервных волокон мышечные волокна имеют высокую плотность хлоридных каналов, и в нормальной мышце поток ионов хлора через мембрану снижает электрическую возбудимость, гарантируя, что один нервный импульс вызовет только одно мышечное сокращение. Брайант предположил, что в миотонической мышце могут отсутствовать функционирующие хлоридные каналы, что повышает возбудимость и приводит к устойчивому сокращению. Его эксперименты поддерживали эту идею, хотя отсутствие в то время подходящего инструмента для фиксации напряжения в мышце не позволяло напрямую измерить хлоридный ток. Несколько лет спустя Ричард Эдриан, специалист по физиологии мышц из Кембриджского университета в Англии, изобрел именно такой инструмент, который требовался Брайанту для подтверждения его теории.
В 1973 г. Брайант получил разрешение приехать в Англию вместе с его четырьмя драгоценными козами. Ввезти коз в Англию было непросто из-за опасения завезти вместе с ними болезнь, известную как «синий язык», и требовалось специальное постановление парламента. В конце концов оно было получено и выглядело как «Постановление № 1 об импорте коз». Эта история привлекла внимание средств массовой информации, она даже попала на первую полосу газеты The Wall Street Journal. Несмотря на все это, коз чуть было не завернули. Их задержали в лондонском аэропорту Хитроу, поскольку на них не было документов. Брайант уехал в Кембридж заранее, чтобы организовать там все необходимое для приема коз, а оформление сопроводительных документов поручил своему коллеге. Но тот забыл сделать это! Опасаясь, что коз просто застрелят, Брайант стал звонить своему кембриджскому коллеге. Оторванному от завтрака Эдриану, хотя и с друдом, удалось убедить власти в том, что требование немедленно уничтожать животных без необходимых документов при прибытии применяется только в том случае, если их «выгружают на берег», но не тогда, когда их «выгружают из самолета». Козам дали отсрочку один день, но этого, к счастью, хватило, чтобы получить нужные документы.
Перфекционист по натуре и немного канительщик, Брайант так и не собрался опубликовать значительную часть результатов, которые он и Эдриан получили в Кембридже с помощью метода фиксации напряжения. Они добавились к массе других неопубликованных документов, занимавших целый шкаф (посетители лаборатории Брайанта нередко удивлялись тому, что он не публикует никакой информации об элегантных экспериментах, поставленных им ранее, – ведь они могли быть полезными для решения некоторых текущих проблем). Тем не менее их исследования ясно показали, что в миотонических мускулах наблюдаются более слабые хлоридные токи и что это вполне объясняет причину многократности повторения потенциала действия, характерной для миотонии.
В 1992 г. ген, кодирующий мышечный хлоридный канал человека, был секвенирован, что позволило страдающим врожденной миотонией пройти тестирование для выявления мутаций. Первые мутации обнаружились практически сразу же – а вскоре они были найдены и у потомков Томсена. В настоящее время описаны десятки других мутаций гена хлоридных каналов, в том числе и тот, что является причиной миотонии у коз. Все они приводят к потере функции. Помимо этого, как оказалось, одеревенение мышц, подобное тому, что наблюдается при врожденной миотонии, может возникать и при мутациях генов других ионных каналов. Миотония Томсена, однако, имеет особое научное значение, поскольку она является первым расстройством, которое было связано с дефектом ионных каналов. Впоследствии было обнаружено множество других связанных с ионными каналами заболеваний, такое множество, что они получили собственное собирательное наименование. Их называют каналопатиями.
Сопряжение «возбуждение – сокращение»
Вопрос о том, как мышечный потенциал действия заставляет скелетное мышечное волокно сокращаться, не давал покоя ученым на протяжении столетий. Сейчас мы знаем, что сокращение мышцы инициируется повышением внутриклеточной концентрации ионов кальция. В состоянии покоя концентрация кальция внутри мышечной клетки предельно низкая. Электрическое стимулирование мышцы вызывает резкий рост концентрации кальция, который прикрепляется к сократительным белкам и укорачивает мышцу. Ионы кальция при этом поступают не столько из внеклеточного пространства, сколько из ограниченного мембраной внутриклеточного хранилища, называемого саркоплазматической сетью. Кальциевые каналы, известные как рианодиновые рецепторы, располагаются в мембране саркоплазматической сети и регулируют поступление кальция. Когда они открыты, кальций выбрасывается внутрь мышечного волокна и инициирует сокращение мышцы. Когда они закрыты, кальций быстро выкачивается обратно в хранилище, и мышца расслабляется. Рианодиновые рецепторы получили такое название из-за того, что они имеют очень высокое сродство к растительному алкалоиду рианодину.
Как в точности потенциал действия скелетной мышцы инициирует открытие рианодиновых рецепторов, остается в определенной мере загадкой. В конце концов, потенциал действия генерируется в внешней мембране мышечной клетки, а рианодиновые рецепторы расположены в мембранах внутриклеточных хранилищ. Хотя эти мембраны находятся близко друг от друга в местах прилегания в зоне трубчатых впячиваний внешней мембраны, они реально не соприкасаются. Понятно, что в процессе каким-то образом участвуют чувствительные к потенциалу кальциевые каналы в мембранах T-трубочек. В соответствии с одним из наиболее популярных предположений два вида кальциевых каналов находятся в непосредственном физическом контакте, и каналы рианодиновых рецепторов фактически управляются датчиками потенциала кальциевых каналов T-трубочек. В результате потенциал действия мышечной клетки открывает рианодиновые рецепторы, обеспечивая выброс ионов кальция из внутриклеточных хранилищ и инициируя сокращение мышцы.
