Мы – электрические. Новая наука об электроме тела

Изменение напряжения приводит к открытию и закрытию каналов[122]. Реагирующие на него натриевые и калиевые каналы регулируют генерацию потенциалов действия, которые позволяют передавать сигналы из одного конца нейрона в другой. Как выяснилось, тот же механизм регулирует высвобождение химических нейромедиаторов. На самом конце аксона, где заканчивается передача потенциала действия, функционируют другие вышибалы – потенциал-зависимые кальциевые каналы. При прибытии потенциала действия они открываются, и в окончание аксона врываются ионы кальция из соленого внеклеточного океана. Это приводит к высвобождению нейромедиаторов (серотонина, дофамина, окситоцина, о которых вы, вероятно, слышали), дрейфующих от окончания аксона к ближайшей точке входа в дендрит соседнего нейрона. Это запускает следующий потенциал действия, и последовательность событий повторяется заново. Все эти процессы, как химические, так и электрические, в конечном итоге контролируются напряжением на мембране, то есть ее электрическим статусом.

Такова история нервного импульса, ответственного за каждое наше ощущение, движение, каждую эмоцию и каждый удар сердца. Электричество – главная движущая сила этих реакций. Источник нашего с вами электричества – не специфический орган, как у электрического угря, а самовозобновляющийся механизм, функционирующий внутри самих клеток за счет точно скоординированного танца ионов при участии белков.

Базовый механизм в основе всех этих сложных процессов удивительно прост. Соберите больше заряженных ионов на одной стороне мембраны, чем на другой, – и получите разность напряжений. Измените напряжение – и произойдет выброс энергии. Примерно так работает батарейка: на двух ее сторонах находится разное количество зарядов. Теперь мы понимаем, что нервные и мышечные клетки – это крохотные перезаряжаемые батарейки.

Сорок триллионов батареек

Однако это не единственные клетки, которые действуют как батарейки. Когда появилась возможность детально исследовать ионные каналы с помощью методов молекулярной биологии, стало ясно, что ионные каналы (и ионы, которым они позволяют или не позволяют проходить) присутствуют и во всех других клетках тела. Это было неожиданностью: что они там делают? Зачем электричество всем остальным клеткам?

Со временем мы узнали ответ. В 1984 году физиолог и специалист по ионным каналам Фрэнсис Эшкрофт обнаружила, что поджелудочная железа, например, для передачи электрических сигналов использует специфические калиевые каналы, которые синхронизируют работу бета-клеток, секретирующих инсулин (электрический сигнал передается в десять раз быстрее химического, так что это единственный способ заставить многие клетки работать в унисон). Для координированной секреции инсулина работа этих ионных каналов должна быть идеально слаженной. В начале 2000-х годов Эшкрофт и Эндрю Хэттерсли обнаружили мутацию, при которой эти каналы остаются открытыми, что приводит к развитию одного из вариантов диабета.

Подобные результаты накапливались и вскоре трансформировали медицину. Возникла самостоятельная биомедицинская дисциплина – физика ионных каналов. Теперь у ученых появились инструменты и подходы для изучения механизмов, с помощью которых ионные каналы в мышечных и нервных клетках поддерживают большинство основных функций человеческого тела. И еще важнее – для изучения того, что происходит, когда они этого не делают. Самое же главное – в арсенале ученых появился новый инструмент для более тонких манипуляций с электричеством, который оказал самое значительное влияние на исследования в области биоэлектричества со времен изобретения батарейки.