Искра жизни. Электричество в теле человека

Глава 2
Молекулярные поры

 
Американский скакун
По кличке Импрессив,
Свинья, которую трясет лихорадка,
Стадо коз в Техасе, и кто-то
Из вас в первом ряду
Со своими пороками
Вздрогнут,
Почувствуют трепет в ионных каналах,
Увидев, как я падаю в бездну.
 

Джо Шапкотт. Рассуждения

Во время устного экзамена в Оксфордском университете примерно в 1890 г. студента спросили, может ли он объяснить феномен электричества. Тот, запнувшись, ответил, что знал это, но забыл. «Какая жалость! – заметил экзаменатор. – Доселе всего лишь двое знали, что такое электричество: Создатель и вы. А теперь остался один».

Сегодня все мы хорошо знакомы с электричеством, поскольку именно оно обеспечивает энергией наше индустриальное общество. Почти все, что мы используем, – транспорт, осветительная и коммуникационная аппаратура, в том числе и компьютер, на котором я набираю эти строки, приводится в действие электричеством. Намного менее известен тот факт, что мы тоже являемся своего рода электрическими машинами и что электрический ток лежит в основе самой жизни. Этот ток, в свою очередь, возникает в процессе функционирования ионных каналов. Чтобы понять, как связаны эксперименты Гальвани с лягушачьими лапками с нашей способностью лечить расстройства электрической активности организма вроде эпилепсии или неонатального диабета, которым страдает Джеймс, нужно выяснить, что такое ионные каналы и какова их роль в электрических процессах в клетках.

Более полутора столетий после Гальвани ученые искали методы измерения электрических импульсов нашей нервной системы и пытались понять, что они означают. Еще больше времени потребовалось для обнаружения ионных каналов, которые отвечают за электрическую активность, однако их открытие перевернуло наши представления. Идеи, которые я пыталась постичь в студенческие годы и которые не раз были причиной бессонных ночей (особенно накануне экзаменов), вдруг обрели предельную ясность. В этой главе мы перенесемся в сегодняшний день и познакомимся с современными представлениями о работе ионных каналов. Сначала, однако, полезно дать определение электричеству и понять, чем электричество в наших головах отличается от электричества в розетке.

Святая троица

Электричество представляет собой форму энергии, связанную с электрическим зарядом – одним из фундаментальных свойств внутриатомной материи. Электрический ток, который течет по проводам в наших домах – и по нашим нервным волокнам, – описывается количественно с помощью трех базовых единиц: ампера (А), вольта (V) и ома (Ω). Они названы так в честь трех выдающихся европейских физиков XVIII в.: француза Андре Мари Ампера, итальянца Алессандро Вольта и немца Георга Ома. Ток измеряют в амперах, сопротивление току – в омах, а напряжение, силу, которая вызывает электрический ток, – в вольтах.

Законы течения электричества через проводник нередко объясняют с помощью аналогии – законов течения воды в трубе. Ток зависит от интенсивности движения потока заряженных частиц, при этом одному амперу соответствует прохождение примерно шести квинтиллионов (6 × 1018) частиц в секунду.

Сопротивление – это мера легкости или затрудненности потока. Сужение в трубе ограничивает поток воды, а увеличение диаметра трубы приводит к усилению ее потока. В электрической цепи материалы, которые обладают низким сопротивлением току, например металлы, называют проводниками, а материалы, препятствующие течению электричества, например бумагу или воздух, называют изоляторами. Прикоснитесь к оголенному проводнику электрической изгороди – и вы получите неприятный удар током, а прикосновение к изолированной ручке на калитке в этой изгороди ничем вам не грозит.

Напряжение между двумя точками эквивалентно перепаду давления, которое заставляет воду течь из одного места в другое. По существу это сила, которая создает электрический ток. Его также называют разностью электрических потенциалов (или просто потенциалов). Если две точки не соединены друг с другом, то вода не будет течь между ними. Аналогичным образом электрический ток течет только тогда, когда цепь замкнута. Именно поэтому между грозовой тучей и землей может возникать огромное напряжение, но ток не будет течь до тех пор, пока молния не пробьет разделяющий их слой воздуха. Это также объясняет, почему электроны не движутся по проводнику, пока электрическая цепь не замкнута, иными словами, почему ваша настольная лампа не горит до тех пор, пока вы не нажмете на выключатель, связывающий провода. Точно так же, как повышение давления усиливает течение воды, повышение напряжения увеличивает ток. При повышении подаваемого на лампу напряжения, например, лампа светит ярче.

Земля имеет наименьший потенциал, поэтому ток, как и вода, которая течет в сторону более низкой точки, всегда течет в направлении земли^[8]. Люди обнаружили это давно. В 1785 г. Жозеф-Эньян де Лафон был озадачен, обнаружив, что в опыте с сильно заряженной лейденской банкой и 60 взявшимися за руки людьми удар электрического тока ощущали всего лишь шесть человек в начале цепочки. Почему ток останавливался на шестом человеке, было загадкой. Возможно, его организм обладал особыми качествами. Возникла гипотеза, что молодой человек, стоявший шестым в цепочке, был наделен «не всем, что полагалось мужчине», иными словами, он обладал не всеми естественными атрибутами. По Парижу быстро разнесся слух о том, что евнухи не проводят ток.

Герцог Шартрский, обладавший научным складом ума, потребовал доказательств. Для проверки предположения был проведен эксперимент на трех королевских вокалистах с понятными опасениями как со стороны испытуемых, так и тех, кто обладал всеми мужскими достоинствами. К всеобщему удивлению, все три кастрата в полной мере ощутили удар током. Загадка разрешилась лишь после многократного повторения эксперимента, когда заметили, что люди, дальше которых электрический разряд не распространялся, стояли на влажной почве. Поскольку сырая земля лучше проводит электричество, чем человеческое тело, ток уходит в землю^[9]. Именно по этой причине вы получаете удар током при случайном прикосновении к оголенному проводу: земля имеет более низкий потенциал, чем провод в вашей руке, и ток течет через ваше тело в землю.

Амперы, вольты и омы неразрывно связаны друг с другом. Эту связь открыл Георг Ом, он сформулировал известный закон, который гласит, что ток (I) равен напряжению (V), деленному на сопротивление (R), или, если записать это в виде формулы: I = V/R. Иначе говоря, если сопротивление остается неизменным, то повышение напряжения приводит к увеличению силы тока. Аналогичным образом если сопротивление падает, а напряжение остается неизменным, то сила тока возрастает. И так далее. Эта простая формула, которая выражает закон Ома, является ключом к пониманию того, как работают нервы – и электричество^[10].

Разные, как два полюса

Впрочем, между электричеством, обеспечивающим энергией наш организм, и электричеством, которое освещает наши города, есть фундаментальное различие. Электричество, подаваемое в наши дома, представляет собой поток электронов. Эти неделимые элементарные частицы имеют отрицательный заряд, и, поскольку противоположные заряды притягиваются друг к другу (а одноименные заряды отталкиваются), электроны всегда текут из области с отрицательным зарядом к области с положительным зарядом. Несколько сбивает с толку то, что за направление тока принимают направление потока положительных зарядов, т. е. мы считаем, что ток в проводе движется в направлении, противоположном тому, в котором текут электроны!^[11]

В отличие от этого практически все токи в живых существах представляют собой потоки ионов – атомов, имеющих электрический заряд. Токи в нашем организме обусловлены движением пяти основных видов заряженных частиц. Четыре из них имеют положительный заряд – натрий, калий, кальций и водород (протон), а один, хлор (хлорид-анион), – отрицательный заряд. В силу того, что ионы несут электрический заряд, их движение создает электрический ток. В случае положительных ионов ток течет в том же направлении, что и поток ионов, а в случае отрицательных ионов (как и электронов) – в противоположном направлении.

Стоит также отметить, что ток в электрической цепи течет вдоль проводника. В отличие от этого ионные токи, обеспечивающие передачу нервных импульсов, текут через клеточные мембраны внутрь клеток и из них. Таким образом, хотя электрические импульсы распространяются вдоль нервных и мышечных волокон, ионные токи, которые генерируют их, проходят под прямым углом к направлению распространения импульса.

Еще одно различие электрических сигналов в наших головах и в сети электроснабжения домов заключается в скорости их распространения. Электрический сигнал в проводах распространяется почти со скоростью света, составляющей 300 000 км/с. Именно поэтому свет загорается сразу же после щелчка выключателя, а телефоны и Интернет обеспечивают практически мгновенную связь по всему земному шару. Нервные импульсы по сравнению с этим ужасно медленные, самые быстрые из них распространяются со скоростью всего 0,12 км/с (120 м/с). Даже самый сообразительный из нас не может думать со скоростью света.

Помимо того, что генерируемые нами электрические импульсы медленные, они еще и очень слабые. Если электрическому чайнику для работы нужен ток силой три ампера, то сила токов, заставляющих сокращаться сердце, составляет всего несколько миллионных долей ампера. Наконец, хотя энергия необходима в обоих случаях, ее источник – батарея, если хотите, – производит ток совершенно разными способами, как будет показано далее.

Эти различия между животным электричеством и электричеством, подаваемым в наши дома, сейчас довольно легко перечислить, однако на то, чтобы выявить их, потребовались многие годы. Хотя фундаментальные свойства электричества были известны уже в начале XIX в., мы лишь в последние 60 лет стали понимать происхождение биоэлектричества и всего 15 лет назад узнали, что представляют собой молекулярные структуры (ионные каналы), с которыми связана электрическая активность клеток нервной и мышечной ткани.

Кирпичики жизни

Наш организм – не более чем скопление клеток, миллионов и миллионов клеток, число которых так же велико, как и число звезд в галактике. Они очень разнообразны – клетки мышечной ткани, клетки мозга, крови и т. д., имеют разные формы и размеры, но все равно это один и тот же фундаментальный элемент организма. Роберт Гук открыл их в 1665 г., когда рассматривал небольшой кусочек пробки под микроскопом. Он назвал увиденное образование клетками, поскольку они ассоциировались у него с крошечными кельями, в которых жили монахи^[12]. Чтобы лучше понять, на что они похожи, представьте себе пчелиные соты, сильно уменьшенные в размере.

Клетки изобилуют молекулами, которые вступают в сложные реакции, связанные с синтезом белков, воспроизводством ДНК и генерированием энергии. Однако для получения представления об электрических свойствах клеток нам достаточно рассмотреть процессы, происходящие на их поверхности, поскольку именно там возникает разность потенциалов и передаются нервные импульсы.

На этой схеме представлено строение клеточной мембраны. На ней видны два слоя липидных молекул и мембранные белки, в частности, ионные каналы и насосы. K+ – принятое в науке обозначение иона калия, Na+ – иона натрия.

Поверхность клетки представляет собой мембрану, которая окружает клеточное содержимое и служит границей с внешним миром наподобие стенки мыльного пузыря. Мембрана выстроена из жиров (научное название – липиды), а следовательно, она непроницаема для большинства водорастворимых веществ. Это следует из того простого факта, что жиры и вода не смешиваются. Любой, кто делал когда-либо заправку из уксуса и оливкового масла для салата, знает, что через некоторое время ингредиенты расслаиваются – внизу оказывается уксус, а наверху более легкое масло. Молекулы фосфолипидов, образующие клеточную мембрану, имеют притягивающие воду (гидрофильные) фосфатные головки и «любящие воду» (гидрофобные) липидные хвосты. Эти молекулы организуются и образуют двухслойную мембрану так, что их водоотталкивающие хвосты оказываются внутри между слоями фосфатных головок. Не думайте, однако, что мембранные липиды такие же твердые, как сливочное масло, – по консистенции они больше напоминают машинное масло, и белки, погруженные в них, плавают и должны каким-то образом крепиться к цитоскелету, чтобы занимать правильное положение.

Растворы внутри наших клеток и клеток всех других организмов на Земле богаты ионами калия и бедны ионами натрия. В отличие от этого кровь и другие внеклеточные жидкости, в которых находятся наши клетки, бедны ионами калия и богаты ионами натрия. За счет перепадов ионного состава генерируются электрические импульсы в наших нервных и мышечных клетках, поскольку они, как и перепад в уровнях воды перед плотиной и за ней, позволяют эффективно накапливать потенциальную энергию. Стоит открыться шлюзам, как тут же начинает высвобождаться энергия в результате перераспределения ионов, стремящихся к выравниванию концентраций с обеих сторон мембраны. Это движение ионов и порождает нервные и мышечные импульсы.

Трансмембранные градиенты концентрации натрия и калия (т. е. разница в их концентрациях внутри и вне клеток) поддерживаются крошечным молекулярным двигателем, так называемым натриевым насосом, пронизывающим клеточную мембрану. Этот белок выкачивает избыточные ионы натрия, которые просачиваются в клетку, и заменяет их на ионы калия. Если насос прекращает работать, то градиенты концентраций ионов постепенно снижаются, и когда они полностью исчезают, перестают генерироваться электрические импульсы точно так же, как разряженный аккумулятор перестает приводить в действие стартер вашего автомобиля. Как следствие, органы чувств, нервы, мышцы, в общем, все клетки организма просто впадают в ступор. Именно это происходит, когда мы умираем. Поскольку у нас больше нет энергии, чтобы питать натриевый насос и поддерживать перепад концентраций ионов на клеточных мембранах, наши клетки быстро прекращают функционировать. И хотя внешние разряды электричества способны создавать электрические импульсы в нервных и мышечных клетках, они не могут восстановить градиент концентрации ионов на клеточных мембранах после того, как насосы перестают работать. Вот почему нам не удается реанимировать мертвое тело с помощью электричества, и вот почему искра жизни отличается от электричества, подаваемого в наши дома.

Поддержание градиентов концентрации ионов требует больших затрат энергии, поскольку электричество не бывает дешевым, даже когда оно генерируется в наших организмах. Только представьте себе, что около трети вдыхаемого нами кислорода и половины потребляемой пищи идет на создание градиентов концентрации ионов на клеточных мембранах. Один лишь мозг использует около 10 % вдыхаемого кислорода для поддержания работы натриевого насоса и подзарядки аккумуляторов нервных клеток. Ничего не поделаешь – умственная деятельность очень энергоемка.

Замечательные физиологические жидкости

Почему наши клетки наполняются именно ионами калия, не совсем понятно. Проще всего предположить, что изначально клетки развивались в растворе с высоким содержанием калия. Если им ничто не мешает, липиды самопроизвольно образуют липосомы – крошечные наполненные жидкостью сферы, окруженные оболочкой из фосфолипидов. Не исключено, что такие липидные пленки представляли собой прототип мембран и липосомы, которые появлялись в результате их образования, были предшественниками настоящих клеток. Предположительно более трех с половиной миллиардов лет назад липосомы захватили самовоспроизводящиеся молекулы, такие как РНК или ДНК^{5}, и превратились в первые клетки.

Жидкость внутри этих первых примитивных клеток неизбежно должна была иметь такой же состав, как и жидкость, которая их окружала. Таким образом, высокая внутренняя концентрация калия, характерная для всех клеток, – от простейших бактерий до самых сложных организмов – может отражать состав «первичного бульона». Загадка, однако, остается. Где находились эти древние воды, насыщенные калием? Одна из современных популярных теорий предполагает, что жизнь зародилась в «черных курильщиках» на дне океана – гидротермальных источниках, которые выбрасывают богатую минералами перегретую воду. С точки зрения физиолога, это маловероятно, поскольку в докембрийских морях, как и в нынешних, всегда было много натрия. Лично я придерживаюсь точки зрения Чарльза Дарвина, который считал, что жизнь зародилась миллиарды лет назад в «небольшом теплом пруду». Неглубокие заводи, где скапливались молекулы органических веществ и куда поступали ионы калия из окружающих горных или глинистых пород, вполне могли быть местом рождения первых клеток.

В какой-то момент очень далекого прошлого разрозненные клетки обнаружили, что совместная жизнь дает преимущества в естественном отборе, и в результате появились многоклеточные организмы. Поскольку внеклеточный раствор, в котором находятся наши клетки, богат натрием, есть вероятность, что первые многоклеточные организмы зародились в море, представляющем собою по большому счету раствор хлорида натрия (поваренной соли). Очень заманчиво думать, что внутриклеточные растворы и внеклеточные жидкости несут отпечаток нашей истории и говорят о том, где именно зародилась жизнь.

Пограничный контроль

Наличие клеточной мембраны дает множество преимуществ. Молекулы больше не рассеиваются случайным образом, а удерживаются внутри клетки и, что более важно, взаимодействуют друг с другом. Клетки могут становиться специализированными и выполнять разные функции, например образовывать мышечную ткань, печень и нервные волокна. Подобно крепостной стене средневекового города мембрана защищает клетку от токсинов в ближайшем окружении и ограничивает поступление и выделение различных веществ, поскольку липиды, из которых она выстроена, непроницаемы для большинства субстанций. В результате появляется необходимость в строго охраняемых воротах, которые впускают в клетку жизненно важные питательные вещества и выпускают из нее отходы жизнедеятельности.

Электрохимическая битва за калий

В состоянии покоя на мембране всех клеток существует разность потенциалов – внутренний потенциал обычно на 60–90 мВ более отрицателен, чем наружный. Потенциал покоя возникает в результате противоборства концентрационного и электрического градиентов на клеточной мембране, которые воздействуют на ионы калия.

В состоянии покоя многие калиевые каналы в клеточной мембране открыты. Поскольку концентрация ионов калия внутри клетки выше, чем снаружи, эти ионы уходят из клетки, понижая градиент концентрации, а в результате того, что ионы калия заряжены положительно, их исход приводит к потере положительного заряда. Иначе говоря, внутри клетки начинает накапливаться отрицательный заряд. В какой-то момент внутриклеточный отрицательный заряд начинает препятствовать выходу ионов калия. Он притягивает ионы калия и останавливает их утечку. Мембранный потенциал, при котором химическая сила, выталкивающая ионы калия из клетки, и электрическая сила, удерживающая ионы калия, уравновешиваются, называют равновесным потенциалом.

 

Если бы мембрана была проницаема только для ионов калия, то мембранный потенциал покоя в точности соответствовал бы калиевому равновесному потенциалу. Однако в реальном мире не все так просто, и в большинстве клеток имеются ионные каналы других типов, которые позволяют другим положительным ионам проникать внутрь и таким образом смещают потенциал покоя в положительную сторону.

Возникновение потенциала покоя приводит к тому, что клетка начинает действовать как крошечная батарея, в которой электрические заряды (в форме ионных градиентов) разделяются неэлектропроводной липидной мембраной. Накопленная в ней энергия используется для формирования электрических импульсов в нервных и мышечных волокнах.

Такими воротами являются высокоспециализированные транспортные белки. Их великое множество, однако самыми важными следует считать ионные каналы. Как заметил однажды Примо Леви^[13], «все знают, что такое канал: он направляет поток воды между двумя непроницаемыми берегами от истока к устью». Каналами называют и другие направляющие поток структуры, включая и те, что пропускают потоки ионов через клеточную мембрану. По существу ионный канал – не более чем крошечная белковая пора. Она имеет центральное отверстие, через которое проходят ионы, и одни или несколько ворот, открывающихся и закрывающихся по мере необходимости для регулирования движения ионов. Когда ворота открыты, ионы, например натрия и калия, входят в клетку или выходят из нее со скоростью более миллиона ионов в секунду^[14]. Когда ворота закрываются, поток ионов прекращается.

Самые большие ионные каналы – это просто гигантские отверстия, настолько крупные, что могут пропускать сразу множество ионов, через них могут проходить как отрицательно заряженные ионы (анионы), так и положительно заряженные ионы (катионы), а также довольно крупные молекулы. Каналы такого типа встречаются сравнительно редко, и нетрудно понять почему – если они откроются, то градиенты концентрации ионов, так заботливо создаваемые и поддерживаемые клеткой, сразу же исчезнут, и клетка погибнет. Если говорить откровенно, то некоторые бактериальные токсины убивают клетки именно таким образом. Большинство каналов, однако, избирательно пропускают ионы через свои поры. Хотя среди них есть такие, которые открывают ворота для любых катионов (или для любых анионов), большинство намного более селективны. Калиевый канал, например, позволяет проходить только ионам калия и не пропускает ионы натрия и кальция, а натриевый канал дает дорогу только ионам натрия, закрывая путь ионам калия или кальция. Как вы уже, наверное, поняли, обычно каналы называют по тем ионам, которые они пропускают.

Ионы выбирают путь наименьшего сопротивления и движутся в направлении градиента концентрации, т. е. из области высокой концентрации в область низкой концентрации. Снаружи клетки количество ионов натрия намного выше, чем внутри, поэтому ионы натрия текут внутрь клетки, когда ворота натриевых каналов открыты. В свою очередь ионы калия, поскольку внутри клетки их намного больше, чем снаружи, стремятся покинуть клетку, когда калиевые каналы открыты. В силу того, что ионы заряжены, их поток приводит к возникновению электрического тока. Именно эти токи, рождаемые движущимися через каналы ионами, лежат в основе нервных и мышечных импульсов и регулируют биение наших сердец, работу мышц и генерирование электрических сигналов в мозге, когда мы думаем. По существу это процесс преобразования энергии, запасенной в форме градиентов концентрации, в электрические импульсы в нервных и мышечных волокнах.