Мы – электрические. Новая наука об электроме тела

Через несколько лет Уильям Эгнью и его исследовательская группа в Калифорнийском технологическом институте (Калтехе) окончательно установили структуру натриевого канала: это не просто дырочка в сите, это белок[116]. И с этого момента молекулярная биология превратилась из конкурента и врага биоэлектричества в его лучшего друга. Дело в том, что открытие структуры ДНК Уотсоном и Криком дало ученым возможность читать генетический код любого белка, а если белок можно выделить и секвенировать, значит, его можно клонировать. А это, в свою очередь, позволяет всерьез заняться изучением ионных каналов. Появилась возможность создавать клетки, в которых все поры будут закрыты или, наоборот, открыты, и анализировать, как это будет сказываться на организме.

В 1986 году Масахару Нода впервые клонировал белок потенциал-зависимого натриевого канала (такие натриевые каналы открываются, если на поверхности мембраны вокруг них происходит изменение напряжения)[117]. Ученые принялись синтезировать белки разной формы и клонировать клетки с разным видом и количеством ионных каналов[118]. Стало возможным создавать клетки вообще без каналов какого-то конкретного типа. При желании стало можно создавать клетки со специфическими “дизайнерскими” каналами “франкенштейновского” типа и смотреть, что при этом будет происходить. Подобные исследования вскоре позволили получить полный перечень всех ионных каналов: натриевых, кальциевых, хлорных и калиевых. Дело не в полупрозрачном занавесе: на деле именно эти белки решают, каким ионам разрешается проходить, в какой момент и в каком направлении.

Как белки принимают такие сложные решения? Эта загадка была решена биофизиком Родериком Маккинноном[119] в 1991 году (в том же году, когда Закман и Неэр были удостоены Нобелевской премии за прорыв в этой области исследований).

Для описания невероятно сложной системы, обнаруженной Маккинноном, использовались много сложных метафор. Мне нравится представлять себе ионные каналы в виде сит, просеивающих вещества в зависимости от их формы: знаете такую игрушку для маленьких детей, в которой нужно просовывать фигуры разной формы в деревянную коробку через прорези соответствующего размера? Одни фигуры округлые, другие треугольные, или квадратные, или в форме звезды. В квадратные прорези проходят только квадратные фигуры и т. д. Таким образом, хотя некоторые поры по каким-то геометрическим параметрам могут быть крупнее определенных ионов, они не позволят им пройти. Эти ионы несовместимы с какими-то параметрами каналов и поэтому не могут через них проходить (на самом деле ситуация чуть сложнее, поскольку прорези в этом варианте “детской игрушки” изменяют свою геометрию, чтобы пропускать те элементы, которые они предпочитают).

Когда Маккиннон завершил описание структуры клеточной мембраны, мы впервые поняли набор взаимосвязанных механизмов, лежащих в основе биологического электричества: как белки в мембране работают с ионами для создания потенциала действия и как все возвращается к исходному состоянию после прохождения потенциала действия. Узнав структуру ионных каналов, мы смогли окончательно понять суть потенциала действия.

Это очень похоже на пропуск в закрытый ночной клуб.

В клубе

Сразу скажу, что эта аналогия и близко не учитывает всего разнообразия ситуаций внутри клетки и на ее поверхности, а отражает только то, что происходит в точке возникновения напряжения. Но книга у нас, в конце концов, как раз о биоэлектричестве.

Итак, клетку можно сравнить с ночным клубом с чрезвычайно тщательно контролируемой пропускной системой. Ионы играют роль постоянных клиентов, а ионные каналы – роль вышибал на входе для VIP-клиентов. И вместе они осуществляют три этапа прохождения потенциала действия (моя смехотворная аналогия с ночным клубом опирается на превосходное объяснение из книги Фрэнсис Эшкрофт “Искра жизни”).

Этап 1: потенциал покоя

Спокойному состоянию, когда по нерву не распространяется потенциал действия, соответствует так называемый потенциал покоя. Это та самая разность напряжений в 70 милливольт, которую зафиксировали Ходжкин и Хаксли. В этом состоянии внутренняя среда клетки имеет более выраженный отрицательный заряд, чем внеклеточный суп.