Фрэнсис Эшкрофт - Искра жизни. Электричество в теле человека
В настоящее время невозможно точно сказать, как из простой последовательности аминокислот возникает трехмерная структура белка. Однако для полного понимания работы канала важно иметь некоторое представление о том, на что она похожа. Отправной точкой на пути к пониманию взаимосвязи между структурой и функцией стало знание последовательности ДНК. Когда известен генетический код белка, его можно изменять и получать каналы «на заказ», подстроенные под вопрос, который вас интересует. Хотите знать, что делает конкретная аминокислота? Нет ничего проще: замените ее на другую и посмотрите, что произойдет. Именно так и происходит сегодня. Теперь, когда мы знаем полную последовательность генома человека (и многих других биологических видов), последовательность ДНК нужного вам белка можно найти в онлайновой базе данных и заказать ее у какой-нибудь коммерческой компании примерно за £1000. Вы получите ее в течение нескольких дней — невидимую невооруженным глазом каплю на кусочке фильтровальной бумаги. В 1980-х гг., однако, ситуация была не такой простой. Последовательность ДНК нужно было определять своими силами, а на это могла уйти масса времени, в некоторых случаях многие-многие годы. Игольное ушко
Так или иначе, соединение молекулярной биологии с новыми методами измерения электрических сигналов постепенно начало приподнимать завесу тайны над проблемой избирательности ионных каналов — над тем, каким образом каналы различают ионы. Как оказалось, учитывая, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются, на входе во многие каналы формируются заряженные кольца, которые предотвращают проникновение ионов или помогают ему. Так, с помощью отрицательного заряда, который притягивает катионы и отталкивает анионы, канал может пропускать все катионы и блокировать вход для всех анионов. Критическая проблема, которая возникает в случае большинства ионных каналов, заключается в том, как обеспечить высокую селективность без снижения скорости прохождения ионов через пору. Один из самых сложных вопросов касался механизма, позволявшего калиевым каналам пропускать ионы калия, но закрывать вход для значительно меньших по размеру ионов натрия, которые также имеют положительный заряд. Эта загадка не давала ученым покоя много лет. Конечно, существовала расплывчатая идея, грубая модель работы канала, основанная на массе функциональных экспериментов, однако в реальности не хватало связи между этой информацией и структурным пониманием. Как на самом деле выглядел калиевый канал? Загадка была окончательно решена в 1998 г., когда Род Маккиннон добился потрясающего прорыва: выращивая кристаллы белка калиевого канала и просвечивая их рентгеновскими лучами, он смог впервые увидеть каждый атом калиевого канала. Ионы калия удалось поймать «на месте преступления» — в различных точках внутри поры, так что их путь через мембрану был виден во всех деталях.
Человек хрупкого сложения с лицом эльфа, Маккиннон — один из самых талантливых ученых, которых я знаю. Он твердо вознамерился решить загадку каналов и намного раньше других понял, что единственный способ добиться этого — напрямую разобрать структуру канала, атом за атомом. Подобная задача была не для слабых духом, никто не делал этого ранее, никто реально не знал, как сделать это, а большинство вообще не верило, что такое может быть сделано даже в ближайшем будущем. Технические сложности казались непреодолимыми, да к тому же Маккиннон был далек от профессии кристаллографа. Однако он не только блестящий ученый, но и бесстрашный, целеустремленный и чрезвычайно трудолюбивый человек (он славится своей способностью работать круглые сутки, урывая всего несколько часов на сон между экспериментами). Трудности его не останавливали, он сменил сферу своей научной деятельности и место работы — оставил должность в Гарварде и перебрался в Рокфеллеровский университет, поскольку считал, что условия там лучше. Некоторые думали, что он просто сошел с ума. В ретроспективе, впрочем, видно, что его решение было правильным. Всего через два года Маккиннона встретили бурной овацией — беспрецедентное явление для научного заседания, — когда он впервые представил структуру калиевого канала. Ионные каналы снова и снова приводили в Стокгольм2.
Рентгеновская структура показывала в мельчайших деталях, как работает калиевый канал, как он обеспечивает очень быстрый перенос ионов калия, настолько быстрый, словно на пути ионов не было никаких препятствий, и одновременно не пропускает более мелкие ионы натрия. Калиевые каналы, как оказалось, имели специальные «селективные фильтры» — короткие зоны, в которых пора сужается настолько, что проникающие ионы взаимодействуют со стенками. Попросту говоря, ширина такой зоны достаточна, чтобы протиснулся ион калия, но ничто более крупное пройти через нее не может. Фактически проход настолько мал, что калию приходится сбрасывать оболочку из молекул воды. В растворах все ионы окружены толстым слоем воды, и нужно немало усилий, чтобы освободиться от нее. Калий довольно легко освобождается от оболочки, поскольку селективный фильтр имитирует объятия водяной оболочки. С натрием же дело обстоит иначе. Хотя натрий довольно мал, чтобы проскользнуть через пору в обезвоженном состоянии, для удаления воды требуется слишком большое усилие — намного большее, чем энергия, которая генерируется в результате сжатия селективного фильтра, — поэтому он так и остается в водяной рубашке. А вместе с рубашкой натрий просто слишком велик, чтобы войти в пору. Открытое и закрытое состояние
Ионные каналы — шлюзы клетки. Их важнейшее свойство состоит, пожалуй, в том, что они открываются и закрываются, регулируя движение ионов, а самое главное, процесс открывания и закрывания (их «воротный» механизм) жестко контролируется посредством присоединения внутриклеточных или наружных химических веществ, механического напряжения или изменения разности потенциалов на клеточной мембране.
Нервные клетки общаются друг с другом через химические посланники, известные как медиаторы, которые взаимодействуют со специализированными ионными каналами в мембране целевой клетки. Медиатор присоединяется к определенному участку белка канала, входя в него, как ключ в замок. Это вызывает конформационное изменение белка канала, который открывает пору и позволяет ионам проходить через нее. Мы пока еще мало знаем о том, как происходит такое изменение формы, или о том, каким образом присоединение химического вещества в определенном месте приводит к структурному изменению другой части белка, которая может находиться на значительном удалении. Такой механизм управления каналами имеет очень большое значение не только потому, что он обеспечивает передачу информации между клетками, но и потому, что многие медицинские препараты и яды воздействуют на активность каналов (и, таким образом, на клеточные функции), присоединяясь к тому же участку, что и естественный медиатор, и блокируя или имитируя действие этого медиатора.
Например, яд кураре, который южноамериканские индейцы наносят на стрелы, присоединяется к ионным каналам, участвующим в процессе передачи импульсов в нервных и мышечных волокнах, и блокирует действие естественного медиатора, вызывая паралич. А галюциноген ЛСД имитирует действие медиатора серотонина, вызывая чрезмерную стимуляцию определенных нейронов мозга. Мой любимый АТФ-зависимый калиевый канал закрывается при присоединении АТФ, генерируемого при расщеплении глюкозы, — именно таким образом метаболизм глюкозы приводит к закрыванию канала и секреции инсулина. Если связывающий участок изменяется, например в результате мутации, как в случае Джеймса, то АТФ не может присоединиться, АТФ-зависимый калиевый канал не закрывается, а инсулин не вырабатывается. Итогом является диабет.
При «потенциал-зависимом» механизме управления (воротном механизме) канал должен быть чувствительным к изменению потенциала электрического поля на мембране. На мембране всех клеток существует разность потенциалов, причем внутренний потенциал примерно на 70 мВ более отрицателен, чем наружный. Когда нерв генерирует электрический импульс, этот внутренний потенциал резко возрастает приблизительно на 100 мВ и на короткое время становится положительным по отношению к наружному. Сотня милливольт может показаться незначительной величиной, однако это не так, поскольку мембрана очень тонкая. С учетом толщины мембраны напряженность электрического поля, действующего на канал, может быть огромной — порядка 100 000 В/см. Напряжение бытовой сети электроснабжения в Великобритании составляет 240 В, и если вы по неосторожности прикоснетесь к оголенному проводу (надеюсь, что с вами этого никогда не случится), то получите представление о том, какой удар током получает ионный канал, когда нерв генерирует импульс. Если посмотреть на проблему под таким углом, то способность изменения потенциала преобразовывать конформацию белка и переводить его из одного состояния в другое уже не вызывает удивления. О том, что каналы реагируют на напряженность электрического поля, мы узнали всего 25 лет назад, и точные детали этого явления все еще горячо обсуждаются.
