Искра жизни. Электричество в теле человека

Все на местах и готовы к действию

Иногда говорят, что содержимое клетки напоминает гороховый суп, в котором химические вещества и органоиды распределены случайным образом. Однако такое сравнение очень далеко от истины. Внутри клетки все имеет свое место и удерживается в правильном положении с помощью высокоструктурированной белковой сети, называемой цитоскелетом. Это особенно хорошо видно в нервном окончании, где везикулы, содержащие нейромедиатор, раскрываются только в определенных местах – «активных зонах». Там несколько везикул находится в пристыкованном к мембране состоянии в полной готовности к немедленному выбросу нейромедиатора при поступлении сигнала. Кальциевые каналы располагаются рядом с местами стыковки так, чтобы кальцию нужно было пройти как можно меньшее расстояние после попадания в клетку. Это помогает передавать информацию очень быстро. В течение одной миллисекунды (тысячной доли секунды) электрический импульс достигает нервного окончания и приводит к выбросу примерно 30 млн молекул ацетилхолина. Эти молекулы быстро диффундируют через щель к своим рецепторам на мембране мышечной клетки и присоединяются к ним всего на пару миллисекунд, так что весь процесс завершается примерно за 20 миллисекунд.

Небольшое число пристыкованных везикул раскрываются «самопроизвольно», не дожидаясь поступления кальция, и стихийно выбрасывают нейромедиатор, однако их слишком мало, чтобы вызвать сокращение мышцы. Система, где все на местах и готовы к действию, позволяет при поступлении нервного импульса очень быстро выбросить нейромедиатор – свойство, за которое мы должны быть очень благодарны природе, именно оно позволяет нам быстро отдернуть руку от горячей ручки сковороды по сигналу мозга.

Чтобы преодолеть огромный энергетический барьер, обычно не дающий мембране синаптической везикулы слиться с мембраной клетки, требуется сложный молекулярный механизм. Он включает в себя многочисленные белки, которые образуют стыковочный и выпускной комплекс, он действует как молекулярная повивальная бабка, облегчающая стыковку везикулы и слияние мембран. Как именно присоединение ионов кальция к этим белкам инициирует каскад конформационных изменений, приводящих к слиянию мембран везикулы и клетки, в точности не известно. Однако ингибирование функционирования содействующих процессу белков блокирует нервно-мышечную передачу информации. Токсин ботулизма, например, препятствует выбросу нейромедиатора и сокращению мышц путем разрушения определенного набора таких белков.

Не все синаптические везикулы готовы к выбросу нейромедиатора. Большинство из них находятся на некотором расстоянии от мест выброса и должны сначала подойти к мембране. Им нужно также пройти процесс созревания, подготовки к пристыковке и выбросу нейромедиатора. Кальций, помимо прочего, дает сигнал к мобилизации этого войска везикул.

Отравленные дротики

После высвобождения из нервного окончания ацетилхолин диффундирует через крошечную щель к постсинаптической мембране мышечного волокна, где взаимодействует с ее рецепторами. Присоединение нейромедиатора вызывает конформационное изменение в ацетилхолиновом рецепторе, которое открывает ионный канал, обеспечивая одновременный приток ионов натрия и истечение ионов калия. Это понижает разность потенциалов на мышечной мембране и генерирует электрический импульс в мышечном волокне. Таким образом ацетилхолин передает потенциал действия от нерва к мышце, вызывая ее сокращение.

Действие большого числа лекарств и ядов основано на вмешательстве в функцию ацетилхолина и его мышечного рецептора. Самым известным является кураре – яд, используемый южноамериканскими индейцами для изготовления отравленных дротиков для духовых трубок. Кураре препятствует присоединению ацетилхолина к его рецепторам в мышечной мембране и, таким образом, не дает нерву стимулировать мышечное волокно. В результате у животного, пораженного дротиком, наступает полный паралич, и оно падает с дерева на землю, где его добивает охотник или оно само погибает от остановки дыхания. К счастью, кураре очень плохо усваивается пищеварительной системой, поэтому убитое с его помощью животное можно спокойно съесть.

Кураре когда-то использовался также в военном деле, и даже небольшая царапина от отравленной им стрелы несла смерть. Его очень боялись. В своем отчете об открытии Гайаны сэр Уолтер Рэли писал, что «те, кто был ранен, испытывали самые непереносимые муки в мире и умирали самой ужасной смертью». В зависимости от дозы жертва может оставаться в сознании, чувствовать боль, но быть неспособной двигаться или дышать – при отсутствии искусственной вентиляции легких она в конечном итоге умирает от удушья. Токсины, подобные кураре, использовались для отравления наконечников стрел и копий в течение сотен лет, а древнегреческое слово «токсикон», от которого берет начало термин «токсин», означает «лук» или «яд для стрел».