Представьте, что вы едете на автомобиле по темному тоннелю на белом автомобиле. И вдруг замечаете, что рядом с вами в одном направлении едут машины исключительно такого же цвета. Вы беспрепятственно проезжаете тоннель насквозь, выруливаете на белый свет и понимаете, что вам нужно было не в этот тоннель. Что делать? Перестраиваемся и снова направляемся в темное жерло. Но вас останавливают и не пропускают дорожные полицейские. Оказывается, обратно могут ехать только желтые машинки!
Это не страшный сон автолюбителя, так образно можно описать принцип работы ионных канальцев, пронизывающих любую живую клетку и обеспечивающих ее нормальную работу.
Каналы и насосы
Все мы знаем, что тело человека состоит из очень большого количества клеток разного вида (около 100 трлн собственных клеток и квадриллион бактерий внутри желудочно-кишечного тракта), которые слаженно выполняют свои функции. Каждая из клеток имеет свое сложное строение и контактирует своей мембраной с межклеточной жидкостью и другими клетками. Толщина клеточной мембраны 7-10 нм, и хоть это ничтожно мало, в «толще» оболочки умудряются поместиться весьма важные для жизни клетки, да и организма в целом, образования. Одни из них — это рецепторы, особые молекулы, чья конфигурация и химическая активность позволяют распознавать и передавать сигналы, блокировать и пропускать различные вещества.
Другое важное образование — транспортные комплексы, с помощью которых клетка обменивается веществом со своим окружением. В частности, каналы, через которые ионы пассивно диффундируют в направлении меньшей концентрации вещества, и насосы, которые активно переносят одноименные ионы в сторону большей концентрации.
Обычно каналы и насосы имеют строгую специализацию: одни «отвечают» за перенос калия, другие, например, магния. Цель всего этого движения — либо создать разность электрических потенциалов между внутренней и внешней поверхностью мембраны (как в случае с насосами), или, наоборот, ее ликвидировать (как при пассивном транспорте по канальцам). Для перекачивания ионов насосами тратится большое количество энергии: около трети потребляемого кислорода и почти половина калорий, получаемых с пищей, уходит на реализацию этой задачи.
Иногда «поршни» насосов выходят из строя, и насосы становятся пассивными каналами. В результате нормальное функционирование клетки, а чаще целых групп клеток страдает: возникает каналопатия.
Электрохимия и физиология
Ярким примером важности электрической активности клеток является передача нервного импульса, в котором задействованы и сами нервные клетки (не важно, на периферии организма или в центральной нервной системе скопище нервной ткани), а также их короткие отростки (дендриты) и длинные (аксоны) — своеобразные нервные кабели, передающие сигнал. Нервный импульс, который, по сути, является электрическим, бежит по нервному волокну именно благодаря разности электропотенциалов снаружи и внутри мембраны.
Ведущую роль в электрической деятельности клетки играют катионы натрия и калия. Внутри клетки концентрация натрия примерно в два раза ниже, чем снаружи, а калия, наоборот, больше снаружи. Таким образом, ионные насосы создают отрицательный заряд внутри клеточной мембраны и положительный снаружи. В невозбужденной клетке получившаяся разница потенциалов составляет примерно 60-90 мВ.
Не менее важны и катионы кальция, играющие огромную роль в работе нервных волокон и мышц. В спокойном состоянии их концентрация внутри клетки в 12 тысяч раз меньше, чем в межклеточном веществе. Столь большой градиент поддерживается системой насосов, направляющих катионы кальция из клетки наружу. Но и внутри самой клетки есть кальциевые депо, где концентрация этих катионов на четыре порядка выше, чем в цитоплазме. В момент мышечного сокращения картина резко меняется, и ионы устремляются внутрь клетки с большой скоростью. Так обеспечивается сокращение или передача нервного импульса. Эти мгновенно происходящие процессы регулируются специальными ферментами, выполняющими в данном случае роль ионных насосов.
Нервная система человека состоит из сотен миллиардов нейронов и триллионов глиальных клеток. Если нейрон находится в покое, его натриевые и калиевые каналы закрыты. Как только наступила необходимость в возбуждении, натриевые каналы открываются, и внутренний отрицательный потенциал становится положительным. Затем натриевые каналы перекрываются, а калиевые, получая проницаемость, пропускают калий из клетки, и все возвращается на круги своя. Такой скачок электрического напряжения называется потенциалом действия. Совокупность потенциалов действия соседствующих клеток и есть нервный импульс.
С тонусом и без
Болезни, имеющие в своей основе нарушения проводимости ионных каналов и насосов, называются каналопатиями. Их многообразие столь велико, что перечислить все виды не представляется возможным. Упомянем лишь о некоторых примерах.
И первый из них — о мышечной ткани. Мускульные клетки, подобно нейронам, проводят электрические (нервные) импульсы, инициируемые раскрытием натриевых каналов и прекращаемые выходом из клеток ионов калия. Существует много генных мутаций, увеличивающих проницаемость клеточных стенок для ионов натрия, те просто перестают быть сколь-нибудь серьезной преградой для катионов, поэтому клетка перенасыщается положительным зарядом и надолго застревает в фазе возбуждения. Это приводит к мускульной слабости и судорогам, чаще тоническим.
Иные патологии ионных канальцев, наоборот, приводят к неспособности миоцитов возбуждаться и сокращаться, этот вариант характеризуется параличом и тоже мышечной слабостью. Больным с этой патологией рекомендуется исключить из рациона богатые калием продукты: курагу, изюм, орехи, так как они вызывают обострение болезни. Впрочем, слишком большой уровень содержания калия в крови не полезен и здоровым людям, и у них это приводит к мышечной слабости.
Целая категория недугов (миотоний) вызывается поломками в работе каналов, пропускающих кальций и хлор. Среди них и миотония Томсена, и более тяжелая миотония Беккера. Разумеется, проблемы с сократительной способностью мышц не могут не оказывать влияние на деятельность сердечно-сосудистой системы. Так, синдром, который впервые описали в 1992 году испанские кардиологи Хосеп и Педро Бругада, характеризуется внезапными изменениями сердечного ритма, которые приводят к злокачественной аритмии желудочков, часто заканчивающейся летальным исходом. Основным виновником в этом деле становится ген, ответственный за натриевые каналы клеток сердечной мышцы.
К каналопатиям относят и печально известное генетическое заболевание муковисцидоз (здесь нарушен транспорт ионов хлора через стенки клеток бронхов, легких, поджелудочной железы, протоков потовых желез и еще некоторых органов).
Как известно, в медицине на сегодняшний день еще масса «белых пятен». Патологии ионных каналов как предмет изучения находятся на стыке интересов медицины и молекулярной биологии. Возможно, с развитием их обеих ученые получат объяснения патогенеза многих болезней, а значит, и способы борьбы с ними.