Замок и ключ

Проблема передачи возбуждения с нейрона на нейрон, с нервного волокна на мышцу возникла одновременно с образованием нервной системы. Электрический способ передачи возбуждения, который использовался на ранних стадиях эволюции, имел одно несравненное достоинство: не требовал сколько-нибудь значительного времени. Химический способ – длинная процедура. Она занимает от 0,5 до 2 миллисекунд. В случае спешки задержка весьма чувствительная.
Электрический синапс хорошо функционирует, если щель между клетками невелика. Он работает как выпрямитель, пропускающий ток от одного нервного волокна к другому значительно легче, чем в обратном направлении. Двустороннее проведение возбуждения тоже не исключено, и в этом одно из отличий электрического способа. Развитый мозг использует химические синапсы и разнообразные медиаторы.
Ученые проникли в тайны передачи возбуждения еще недостаточно глубоко, но уже сейчас ясно, что главным передатчиком служит ацетилхолин. Нет на нашей планете таких существ, нервная система которых использует химические синапсы, но не имеет ацетилхолина. У высших млекопитающих он находится в синапсах нервных окончаний, передающих приказы мышцам. В волокнах, по которым информация бежит в мозг, используется какой-то другой, еще неизвестный науке медиатор. У насекомых, наоборот, приказы мозга на периферию передаются с помощью глютаминовой кислоты, а в мозг информация поступает и циркулирует внутри центральной нервной системы, видимо, с помощью ацетилхолина.
Ацетилхолин, вероятно, был первым медиатором, созданным природой, ключом, открывающим двери соседней клетки. Его широкое использование связано с тем, что построен он достаточно просто, легко синтезируется, и организм не испытывает недостатка в необходимом сырье. На изготовление этого медиатора используется холин, который образуется в процессе естественного обмена при распаде жироподобных веществ – липидов, и уксусная кислота – обычный продукт обмена углеводов.
В нервных окончаниях, передающих приказы, ацетилхолин упакован в синаптических пузырьках, вмещающих по нескольку тысяч молекул медиатора. Видимо, некоторые двери в клеточной оболочке прикрыты неплотно, так как пузырьки постоянно выливаются в синаптическую щель, по одному в секунду. Такая ничтожная порция ключей не может отпереть двери противоположного фасада. Приказ должен быть более весомым. Когда первый импульс придет в нервное окончание, он всего за 1 миллисекунду выпускает 200–300 пузырьков. В результате выбрасывается солидная связка ключей, достаточная для того, чтобы открыть необходимое количество дверей.
На дверях противоположного фасада находятся замки – холинорецепторы. О них известно немного. Холинорецепторы слишком малы, чтобы изучать их каждый в отдельности. Можно попробовать сорвать их с дверей, как сдирают с забора старые афиши, и, собрав все вместе, исследовать. Химическим путем удается что-то «отскоблить» в достаточном для исследований количестве. Только как узнать, содержит ли соскоб замки?
На фасаде здания, имеющего площадь около 200 миллиардов квадратных ангстрем, три миллиона дверей. И на каждой замок. Размер замка сопоставим с величиной ключа, молекулой ацетилхолина, а ее длина при разной степени растянутости не превышает 7–10 ангстрем. Значит, все замки занимают меньше 1 процента площади фасада.
Во время прихода в синапс нервного импульса, в синаптическую щель выбрасывается 5 миллионов ключей, казалось бы, вполне достаточное количество, чтобы отпереть все двери. Однако далеко не все ключи достигают противоположного фасада и еще меньше их попадает в замочные скважины. В результате отпирается не более четверти дверей. Этого с лихвой хватает, чтобы по ту сторону синаптической щели возникло возбуждение.
Молекулы ацетилхолинэстеразы многочисленнее. Только, на противоположном фасаде их 15–20 миллионов, то есть в 3–4 раза больше, чем молекул ацетилхолина. Так что у медиатора достаточно возможностей полностью разрушиться. Его осколки всасываются обратно и используются для синтеза новых молекул медиатора.
Ацетилхолин не очень крупная молекула. Она представляет собой цепочку, состоящую из одного атома азота, двух атомов кислорода, 7 атомов yглерода и 16 атомов водорода. На одном ее конце азот удерживает три метиловые группы (СН 3). Эта группа несет положительный заряд. На другом конце находится сложноэфирная группа. А вся молекула имеет следующий вид:

Об устройстве замка можно кое-что узнать, попробовав открыть его отмычкой. Химики так и поступили. Активной частью молекулы ацетилхолина является азот, несущий положительный заряд. Построили молекулу, в которой азот заменили углеродом. Одновременно с этим молекула потеряла свой положительный заряд. Новое вещество вызывало эффект, подобный ацетилхолину, но только в 12 тысяч раз слабее. Значит, бородка у ключа в виде электрического заряда. Это она зацепляется за кулачки замка и открывает его.
Отверстие замка, видимо, имеет форму чаши строго определенного объема. Молекулы с увеличенной головкой работали хуже. Укрупнить головку несложно, заменив метиловые группы из атома углерода и трех атомов водорода на этиловые , где атомов углерода два, а водорода – пять. Замена одной метиловой группы снижала эффективность медиатора в три-пять раз, замена двух – в сотни раз, трех – полностью уничтожала его действие. Головка ключа становится так велика, что не лезет в замочную скважину. Не лучше обстоит дело при уменьшении размера головки. Легко заметить, что все три метильные группы могут быть заменены атомами водорода. Замена одной метильной группы на водород снижает результативность медиатора в 50 раз, двух – в 500 раз, а всех трех – в 40 тысяч раз. Головка становится слишком маленькой, хлябает в замочной скважине, и ключ не может отпереть замок.

Ацетилхолин, как двуглавый орел, оказался с двумя головками. Расстояние между ними известно. В молекуле ацетилхолина атом азота отстоит от атома кислорода на 4,7 ангстрема. Если увеличить это расстояние, вставив в цепочку молекулы дополнительно один, два или больше атомов углерода, ключ не войдет в замочную скважину и двери не откроются.
Зная размер, отмычку подобрать нетрудно. Азот можно заменить любым другим атомом, лишь бы он нес положительный заряд и был отделен от атома кислорода двумя атомами углерода. Главное – размер. Атомы углерода тоже могут быть заменены. Головка этой стороны ключа имеет электрический заряд: третий от азота атом углерода несет положительный заряд, а один из атомов кислорода – отрицательный.
Ну хорошо, двери соседнего фасада открыты, что же дальше? Кто в них должен пройти? Оказывается, не сам медиатор (он всего лишь ключ), а положительно заряженный ион натрия.
Концентрация ионов в клетке и окружающей ее среде неодинакова. Внутри клетки много калия, а снаружи много натрия и хлора. Неравномерное распределение ионов приводит к тому, что внутри клетка заряжена отрицательно, а снаружи положительно. Когда медиатор открывает дверь, в нее устремляются малые катионы: натрий, калий и кальций. Более крупные не проходят, дверной проем для них слишком мал. Отрицательно заряженные ионы дверь не пропускает. Видимо, дверные косяки заряжены отрицательно, а одноименные заряды, как известно, отталкиваются.
Энергичнее всех движется натрий. Сзади его подталкивают силы диффузии, спереди притягивает отрицательный заряд. Навстречу натрию идет калий. Выбираться ему из клетки трудно. Правда, силы диффузии подталкивают, но сзади держит отрицательный заряд, а спереди отталкивает положительный. Поэтому калий движется значительно медленнее натрия. Перемещение ионов приводит к изменению наружного и внутреннего зарядов клетки, они начинают уравниваться.
Это можно сравнить с коротким замыканием. Если оно произошло, автоматически открываются новые двери, специально предназначенные для иона натрия. Он в еще больших количествах устремляется внутрь клетки. В результате внутренний заряд клетки становится положительным, а наружный из-за убыли положительно заряженного иона – отрицательным. Это приводит к возникновению потенциала действия, то есть к возбуждению клетки.
В тормозных синапсах дверь открывается только для определенного иона. Если открыта калиевая дверь, он устремляется из клетки наружу. Происходит не уравнивание зарядов, а усиление прежних, и клетка становится невозбудимой. В других случаях медиатор открывает двери для отрицательно заряженного иона хлора, сосредоточенного главным образом снаружи. Устремившись в открытую дверь, хлор также увеличивает отрицательный заряд внутри клетки и положительный – снаружи, делая клетку невозбудимой.
О самих дверях известно меньше, чем о запорах. Предполагают, что клеточная мембрана состоит из четырех слоев: два внутренних слоя образуются липидами, а два наружных – белками. Вероятно, липидный слой не сплошной. В местах разрыва липидной оболочки молекулы белка могут проникать – внутрь, двигаясь навстречу друг другу по его краям, пока не встретятся. В этом месте сначала должна появиться вмятина, а затем и дырочка. Электрические заряды ключа-медиатора являются толчком, вызывающим дырообразование.
Изучение роли медиаторов позволило выяснить, что же ломает кураре: замок или ключ. Оказалось, ни то и ни другое. Молекула курарина имеет сродство к холинорецептору, то есть к замку. Оно, как ключ, вставляется в замочную скважину, однако открыть дверь не может. У нее нет электрического заряда. Настоящий ключ (ацетилхолин) в заткнутую замочную скважину попасть не может. Двери остаются запертыми, возникает паралич.
Нарушить работу синапса можно многими способами. Удалось синтезировать вещества, которые препятствуют холину, образовавшемуся в результате распада ацетилхолина, всасываться обратно в нервное окончание. Тогда, если мозг беспрерывно шлет приказы и ацетилхолин постоянно выделяется в синаптическую щель, запасы его могут вскоре иссякнуть, а синтез прекратится из-за отсутствия исходного материала. Можно «подсунуть» в нервное окончание вещество, из которого вместо ацетилхолина синтезировались бы похожие молекулы, но не обладающие его активностью. В обоих случаях наступит паралич.
Кураре не получил применения в медицинской практике, но фармакологи отыскали немало соединений, которые можно использовать для устранения судорожных сокращений мышц. В их числе обнаружились вещества, отлично блокирующие холинорецептор, хотя их строение сильно отличалось от структуры ацетилхолина. Их молекулы были значительно крупнее, и вместо одной они имели две отрицательно заряженные головки. У наиболее эффективных веществ атомы азота были разделены 10 или 16 атомами углерода, то есть расстояние между ними равнялось соответственно 14 и 20 ангстремам. Загадка не из легких.
Наиболее достоверно предположение, что двери или, во всяком случае, замочные скважины не разбросаны как попало, а сгруппированы по четыре. Тогда молекула курареподобного вещества длиною 14 ангстрем будет иметь возможность, располагаясь вдоль любой из сторон квадрата, блокировать сразу два холинорецептора. В этом случае, чтобы подавить все холинорецепторы, нужно вдвое меньше молекул, а эффект окажется более надежным, так как ключ прочнее удерживается в двух замочных скважинах сразу. Понятен и эффект действия более длинных молекул. Они, располагаясь по диагоналям квадрата, также могут одновременно заткнуть две замочные скважины, блокировав два холинорецептора. Возможно, квартеты замочных скважин тоже сгруппированы и длинные молекулы курареподобных веществ могут блокировать две замочные скважины из разных квартетов. Вероятно, холинорецепторы функционально объединены, поэтому введение в одно из отверстий ключа повышает активность остальных трех замочных скважин, и они охотнее соединяются с ацетилхолином.

Расположение мышечных рецепторов было не всегда так строго упорядочено. У низших моллюсков и асцидий (одного из наиболее примитивных хордовых) замочные скважины разбросаны беспорядочно. Упорядочение холинорецепторов по два наблюдается у осьминогов, морских звезд и миног. Мышцы этих животных очень чувствительны к веществам, в которых атомы азота разделены 16 атомами углерода. У рыб обнаруживается активность и к препаратам с 10 атомами углерода. Значит, у них уже появляются квартеты холинорецепторов. А у птиц и млекопитающих отдельных пар, видимо, нет, и существуют только квартеты. Новорожденные малыши квартетов не имеют. У мышат, крысят, котят, щенят они формируются по мере роста.
Как медиаторы попадают в синаптическую щель, еще неясно. Существует предположение, что нервный импульс открывает очень немного дверей, но ключи, высыпавшиеся из них, используются в первую очередь для того, чтобы снаружи открыть остальные двери. Только теперь, когда ключей в синаптической щели оказывается достаточно много, они попадают в замочные скважины дверей на противоположном фасаде.
Есть мнение, что собственные двери нервные волокна-корреспонденты отпирают всегда с помощью ацетилхолина (он упакован в более мелкие пузырьки и проходит в узкие отверстия), а дверь на другой стороне синаптической щели может открываться другим медиатором. Замочные скважины основных дверей находятся только снаружи. Изнутри отпереть их нельзя. Нервный импульс распахивает только маленькие дверки, через которые протискиваются худенькие пузырьки ацетилхолина. С помощью оказавшихся снаружи ключей отпираются ворота для другого медиатора, а он отворяет двери клетки-соседа.
Чтобы ключи не использовались дважды, молекулы ацетилхолина разрущает энзим холинэстераза. Другое вещество уничтожает холинэстеразу. Введенное в организм, оно значительно удлиняет время действия порции ацетилхолина. Еще значительнее возрастает время работы синапса там, где ацетилхолин лишь выполняет роль привратника, открывающего дверь другому медиатору. В этом случае, пропустив связку ключей, распахнутые двери не захлопнутся тотчас же, и в синаптическую щель в течение многих часов будет поступать медиатор, пока клетка не израсходует своих запасов.
Действие многих биологических ядов основывается на блокировании ацетилхолина. Морские моллюски и рыбы содержат сенециоилхолин, уроканоилхолин и другие холины, обладающие курареподобным действием. Их укус или укол шипами так же опасен, как стрелы воинов «золотого короля».
Иного характера яд змей. В южных районах Азии и на Цейлоне обитает не очень крупная змея – индийский крайт, наводящий ужас на местное население. По количеству смертельных случаев крайт занимает в Индии второе место. В железках, находящихся у корней зубов, содержится 5 смертельных для человека порций яда. Почти так же страшны пама из южных районов Азии, а в Австралии – великолепная денисония. Действующее начало яда – антихолинэстеразные вещества. Один грамм сухого яда индийского крайта может уничтожить за час около полукилограмма ацетилхолина. Такого количества ключей, вероятно, не найдется в организме самого крупного кита. Оставшись без ключей, нервная система утрачивает работоспособность и перестает руководить работой мышц. Функции организма постепенно угасают, нарушается сознание, из-за паралича мышц прекращается дыхание, и наступает смерть.
Медики не отстали от природы. Они создали много холиноподобных веществ. Тубокурарин и сходные соединения способны заблокировать мышечные холинорецепторы и прекратить судороги. Другие курареподобные вещества проникают в мозг и снимают судороги мозгового происхождения. Созданы вещества, имеющие сходное с ацетилхолином действие. Их используют для стимуляции дыхания.