Клеточная система водоснабжения и канализации
Итак, патологии ENaC и CFTR вызывают заболевания, связанные с нарушением трансмембранных потоков воды в клетках. На протяжении многих лет ученые пытались понять, как вода проходит через клеточные мембраны. Поскольку они состоят из липидов (жиров), то должны быть слабопроницаемыми для воды, а раз так, каким образом она все же проникает через липидный барьер в количествах, необходимых для образования слез, слюны, пота и мочи? Дело в том, что большинство клеток имеют специальные водные каналы, называемые аквапоринами, которые позволяют воде входить в клетку и выходить из нее. Они были открыты по счастливому стечению обстоятельств Питером Эгром. Он объяснил свою находку, которая в конечном итоге принесла ему Нобелевскую премию, «удачей чистой воды». Предполагая, что белок, открытый им, может быть тем самым водным каналом клетки, Эгр протестировал его способность проводить воду на икринках лягушки, которая прекрасно живет в пресной воде. К удивлению Эгра, лягушачьи икринки, ну прямо-таки созданные для демонстрации водных каналов в мембранах, набухали и лопались при погружении в пресную воду.
Эксперимент Эгра наглядно показал силу осмоса – склонности воды течь из области с низкой концентрацией соли в область с более высокой концентрации. Из-за того, что в пресной воде солей намного меньше, чем в внутри клетки, вода всегда стремится проникнуть в лягушачью икринку, однако в нормальном состоянии липидная мембрана препятствует этому. Стоит повысить водопроницаемость мембраны каким-либо образом (например, путем увеличения количества водных каналов, как сделал Эгр), и вода устремится внутрь, заставляя икринку набухать и в конечном итоге лопаться.
Оказывается, существует множество видов аквапориновых каналов, и они имеются в различных клетках, включая клетки головного мозга и красные кровяные тельца, даже в клетках растений и микроорганизмов. Один из самых важных аквапоринов (так называемый аквапорин 2) находится в собирающем протоке почечных канальцев и отвечает за обратное всасывание последних 35 литров из воды, которую наши почки пропускают через себя каждый день, и, таким образом, за нашу способность концентрировать мочу
{19}. В секунду через один аквапориновый канал проходят примерно три миллиарда молекул воды. Он обладает высокой избирательностью, которую обеспечивает уникальная структура поры, – только вода, а не ионы, может проходить через него. Водные каналы также необычны тем, что они не открываются и закрываются, подобно ионным каналам, а постоянно находятся в открытом состоянии: количество пропускаемой воды регулируется перемещением каналов внутрь клетки и наружу, в клеточную мембрану. Когда организму нужно запасти воду, появляются дополнительные водные каналы. И наоборот, когда вы пьете слишком много воды, водные каналы удаляются, протоки начинают поглощать меньше отфильтрованной почками воды, и она просто выводится из организма в виде мочи. Такое втягивание и встраивание водных каналов в клеточную мембрану регулируется гормонами и происходит непрерывно. Оно и сейчас происходит в ваших почках.
Что интересно, этот процесс может прерываться под действием алкоголя. Всего несколько кружек пива приводят к прекращению выделения антидиуретического гормона, который вызывает встраивание водных каналов в почечные канальца. Вот почему после пива у вас начинается обильное выделение разбавленной мочи. Именно поэтому на следующее утро после застолья вы просыпаетесь с ощущением обезвоживания в дополнение к головной боли. Поскольку весь алкоголь к этому времени должен метаболизироваться (надо надеяться), уровень гормонов становится выше, водные каналы встраиваются в мембраны канальцев, и усиленное всасывание воды приводит к концентрированию мочи. Вы и сами можете заметить этот феномен, поскольку концентрированная моча наутро после веселья намного темнее, чем бледная водица прошлым вечером.
У людей с нефункционирующим аквапорином 2 выделяется большое количество разбавленной мочи – до 25 литров в день, их организм быстро обезвоживается, и они постоянно хотят пить. Причиной может быть редкая генетическая мутация, при которой болезнь проявляется с момента рождения. Родители, однако, могут не обратить на нее внимания, ведь мокрые пеленки – не такая уж необычная вещь у младенца.
Смертоносные орудия
Ионные каналы критически важны не только для начала жизни, они также непосредственно участвуют в ее завершении. Многие клетки и организмы используют ионные каналы в качестве оружия для нападения. Такие каналы действуют как молекулярные дыроколы, которые встраиваются в мембрану клетки-мишени и формируют огромное отверстие – настолько большую пору, что через нее из клетки могут выходить не только ионы, но и небольшие молекулы и существенные питательные вещества. В пору устремляется вода, и клетка набухает до тех пор, пока не лопнет (лизируется) и не умрет. Каналы, используемые в качестве такого смертоносного орудия, особенно интересны, поскольку они находятся внутри клетки-агрессора в неактивной форме и совершенно неопасны. Однако после высвобождения они образуют структуру, способную встраиваться в мембрану жертвы. Это настоящие трансформеры, переходящие из безобидной неактивной формы в смертоносную в течение нескольких секунд.
Такие каналообразующие молекулы играют важную роль в нашей иммунной системе, защищая нас от вторжения болезнетворных микроорганизмов. Один из видов подобных молекул с красноречивым названием «дефензин»
[27] находится в нашей коже и в слизистой оболочке дыхательных путей и служит естественным антибиотиком с широким спектром действия против бактерий, грибков и некоторых вирусов. Другие виды молекулы высвобождаются специальными белыми кровяными тельцами, так называемыми Т-лимфоцитами (или естественными клетками-киллерами). Т-лимфоциты убивают вирусы и бактерии разными путями, в числе которых высвобождение перфоринов – ионных каналов, которые пробивают отверстия в мембранах враждебных клеток. Другим порообразующим оружием в арсенале нашей иммунной системы является так называемый комплемент, который пробивает еще более крупные отверстия в проникших клетках.
Бактерии также ведут нескончаемую химическую войну друг с другом, выделяя или, говоря языком физиологов, секретируя каналообразующие белки, которые убивают другие бактерии. К сожалению, некоторые из них нападают и на клетки людей. Альфа-токсин, выделяемый золотистым стафилококком (Staphylococcus aureus), является одним из самых крупных, самых смертельных и самых изящных. Это грибовидный канал, ножка которого проходит через мембрану, а шляпка располагается на ее наружной поверхности, выступая из клетки. Чтобы избежать повреждения самой бактерии, канал формируется из семи отдельных субэлементов, которые выделяются независимо друг от друга, а затем соединяются, образуя гигантскую пору, пробивающую мембрану клетки-мишени. Бактерии стафилококка вызывают появление на коже карбункулов, фурункулов и нарывов, инфицируют раны и, что опаснее всего, становятся причиной сепсиса, когда кровь разносит токсин и бактерии во все ткани, а красные и белые кровяные тельца повреждаются (отравляя кровь). Способность альфа-токсина лизировать красные кровяные тельца послужила поводом для появления другого его названия – гемолизин.
