Фрэнсис Эшкрофт - Искра жизни. Электричество в теле человека Страница 11

Учитывая важность ионных каналов, может показаться странным, что об их существовании даже не подозревали до середины прошлого столетия, а еще в начале 1970-х гг. идея о том, что ионы проходят через мембрану сквозь специализированные белковые поры, была не более чем предположением. Для прямой демонстрации их существования нужно было измерить ток, который течет через отдельный канал, когда он открыт. Сделать это было непросто, поскольку такой ток чрезвычайно мал и для измерений требовалось высокоспециализированная электронная аппаратура. Чтобы понять, насколько ток, текущий через отдельно взятый ионный канал, ничтожен, представьте себе, что он составляет примерно триллионную часть того тока, который питает ваш электрочайник, — всего несколько пикоампер.

Слева: здесь показано, как при использовании метода локальной фиксации потенциала стеклянный электрод изолирует отдельный канал на участке клеточной мембраны и позволяет измерять ничтожные токи, которые текут через канал, когда он открыт. Справа: график тока в отдельном канале (сверху). Когда канал открывается (снизу), ток, создаваемый движущимися через него ионами, отображается как смещенная вниз линия. Канал, показанный ниже, закрывается, когда к нему присоединяется внутриклеточная АТФ, и открывается, когда АТФ отсоединяется.

Проблема была решена с помощью оригинальной методики, разработанной двумя немецкими учеными — Эрвином Неером и Бертом Закманом. За это достижение Неер и Закман были удостоены Нобелевской премии. Поистине инновационные направления в науке нередко возникают на стыке разных дисциплин, и сочетание талантов этих двух ученых служит прекрасным подтверждением данного тезиса. Неер был физиком, Закман — медиком, поэтому они подходили к проблеме с разных сторон. Их сотрудничество обеспечило широту взглядов, необходимую, чтобы понять, куда может привести предложенная ими технология, и достаточное внимание к деталям, которое требуется для отработки метода. Как выразился их коллега Дэвид Кохун, они являются «настоящими учеными» — скромными, непретенциозными, смелыми и вдохновленными.

Неер и Закман рассудили, что если ионные каналы реально существуют, то наверняка есть способ, позволяющий регистрировать текущие через них ничтожные токи, и взялись в начале 1970-х гг. за его поиск. Они решили использовать тончайшую наполненную жидкостью стеклянную трубку в качестве измерительного электрода. Кончик этой трубки должен был при осторожном прикосновении к поверхности клетки изолировать отдельный ионный канал на участке мембраны, попавшем под него. В случае успеха это позволило бы измерять токи, текущие через канал, когда он открывается. Метод назвали «локальная фиксация потенциала», поскольку он давал возможность регистрировать ток, текущий через крошечный участок клеточной мембраны.

Чтобы добиться успеха, Нееру и Закману понадобились годы. Дело в том, что им требовалась специальная аппаратура, способная усиливать очень слабые сигналы, а она не только не выпускалась серийно, ее просто не существовало. Поэтому ученым пришлось создавать усилители самим. Каждый раз при появлении какого-нибудь технического новшества они переделывали свою аппаратуру и снова пытались провести измерения. Ключевой проблемой был шум, в котором терялся нужный им ничтожный сигнал. Электрические цепи (в том числе и биологические) всегда генерируют шум вроде того шипения и свиста, которые мы слышим в старом радиоприемнике. Неер и Закман перепробовали массу способов снижения фонового шума, и их упорство принесло результат. Примерно в 1974 г. им удалось выделить токи, возникающие в отдельно взятом канале, — они выглядели на графике как крошечные прямоугольные импульсы, которые возникали в результате течения ионов через пору каждый раз, когда канал открывался. Некоторое время ученые не осмеливались сообщать о полученных результатах, поскольку токи регистрировались только при самых благоприятных условиях, но в конце концов, проделав огромную работу, они убедились в их надежности и решились на публикацию.

Их статья произвела фурор, однако из-за сложности предложенного метода мало кто попытался тут же воспроизвести результат. Фоновый шум по-прежнему оставался проблемой и препятствовал измерению малых токов. В течение следующих двух лет ученые безуспешно пытались повысить качество измерений — никакие ухищрения не помогали. А потом совершенно неожиданно пришла идея относительно того, что нужно сделать. Иногда при проведении экспериментов шум резко падал — настолько низко, что график тока превращался в плоскую линию. Полагая, что кончик электрода забился инородными частицами, ученые немедленно прекращали эксперимент (и выплескивали младенца вместе с водой). Однако в очень редких случаях эксперимент продолжался, и тогда ионные токи проявлялись с удивительной ясностью. Причины такого явления они тогда не знали, а происходило это потому, что клеточная мембрана очень плотно прижималась к стеклянному электроду, устраняя практически полностью фоновый шум. Таким образом, становилось возможным скачкообразное повышение разрешения измерительной системы.

Надежно воспроизвести подобное идеальное измерение не удавалось вплоть до января 1980 г., когда Неер понял, что при использовании свежего электрода шансы на плотное прилегание к мембране повышаются. В приподнятом настроении он позвонил своему коллеге и сказал: «Я знаю, как добраться до каналов!» История на этом, однако, не закончилась — даже свежие пипетки не всегда плотно прилегали к мембране. Удаление инородных частиц с клеточной мембраны с помощью ферментов или использование клеток искусственно выращенной ткани, которые заведомо имеют очень чистые мембраны, повышало вероятность успеха. Окончательным решением проблемы стало создание небольшого разрежения в электроде. Это, по всей видимости, приводило к частичному втягиванию мембраны в электрод и обеспечивало более плотное прилегание. Чтобы дойти до этого, потребовалось почти 10 лет.

Настоящие прорывы в науке случаются намного реже, чем можно подумать, глядя на сообщения в газетах, и происходят они не в одночасье, а обычно требуют долгих лет упорного труда, как показывает эта история. Усовершенствованный метод локальной фиксации потенциала был в подлинном смысле революционным. Очень быстро выяснилось, что он намного более универсален, чем представлялось первоначально. Удивительная стабильность контакта между стеклянной пипеткой и клеточной мембраной позволяла изолировать небольшие участки мембраны без ее повреждения и исследовать активность каналов на них. Этот метод открывал возможность изучения любых клеток организма, недоступную прежде, поскольку более старые технологии приводили к слишком сильному повреждению клеток.

Статья команды Неера и Закмана, содержавшая подробное описание метода осуществления измерений с высоким разрешением, взбудоражила научное сообщество и быстро стала классической. Практически на следующий день все захотели попробовать локальную фиксацию потенциала. Неер и Закман великодушно распахнули двери своих лабораторий, и весь мир отправился в Гёттинген осваивать метод. Даже тогда это было непростым делом, поскольку аппаратуру приходилось создавать самостоятельно. Я, например, не одну неделю билась над сложными электрическими схемами, держа паяльник в одной руке и утирая слезы другой. К счастью эта пытка продолжалась недолго — уже через несколько лет каждый мог купить отличные серийно выпускаемые усилители (если, конечно, у него были для этого деньги).

Теперь, когда можно было видеть электрический сигнал канала, настало время поиска ответов на самые разные вопросы. Сколько видов каналов существует? Какие функции они выполняют? Как именно они работают — какие молекулярные процессы в них происходят, когда они открываются и закрываются, как происходит отбор ионов, которые проходят через канал? Генетический инструментарий

Практически в то же время, когда Неер и Закман дали нам возможность видеть ионные каналы в действии, произошла другая научная революция. Информация для синтеза каждого белка, который есть в нашем организме, закодирована в ДНК, и разработка новых методов молекулярной биологии сделала возможной идентификацию и манипулирование последовательностью ДНК, отвечающей за отдельный белок. Белки строятся из линейной цепи аминокислот, однако — подобно бусам, упавшим на пол, — они свертываются и приобретают значительно более сложные формы. Одни белки могут встраиваться в мембрану, а другие располагаются внутри или снаружи клетки. Белок может даже изгибаться так, что часть его структуры переворачивается, или, перефразируя Т. С. Элиота[15], конец становится началом. Трехмерная форма, которую принимает белок, имеет критически важное значение — ионные каналы должны образовывать проход, через который текут ионы, сигнальные молекулы должны удобно стыковываться с их целевыми рецепторами, структурные белки должны плотно прилегать друг к другу. Иногда несколько белковых цепочек образуют еще более сложную структуру. Калиевые каналы, например, как правило, формируются из четырех одинаковых элементов, которые связаны друг с другом так, что образуют центральную пору, пропускающую ионы.