Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем

Уолперт Льюис

Такие нейротрансмиттеры, как адреналин, допамин и серотонин, изменяют электрический потенциал клетки, принявшей сигнал, и тем самым побуждают ее передать его дальше. Таким образом электрический импульс преобразуется в химический сигнал, который затем вновь преобразуется в электрический импульс.

Подобные события в области синапсов — это основа взаимодействия нервных клеток в нашем мозгу. Одна нервная клетка, как уже говорилось, может иметь тысячи синапсов, благодаря которым она связана с другими нервными клетками, и все вместе они определяют, станет ли эта нервная клетка источником нервного импульса и будет ли она передавать его дальше.

Сходным образом передаются сигналы мускульным клеткам, что вызывает сокращения скелетных мускулов и приводит к движениям наших

тел. Мускульные клетки могут быть чрезвычайно большими, если сравнивать их размеры с размерами других клеток; они имеют волокнистую структуру и достигают в длину нескольких сантиметров. Это не совсем обычные клетки — они представляют собой соединение множества клеток, слившихся вместе, и поэтому имеют много ядер. Впрочем, есть и другие мускульные клетки — например, мышечные клетки сердца — одноядерные и небольшие по своим размерам. Однако все мускульные клетки, какими бы они ни были, сокращаются благодаря тому, что содержащиеся в них белки актин и миозин скользят относительно друг друга. Инициирует сокращение особое химическое вещество, которое выбрасывается в расположенном на конце мускульного нерва особом месте, подобном синапсу. Выброс этого химического вещества вызывает, по цепочке, изменение электрического заряда в оболочке мускульной клетки, высвобождение в клетке ионов кальция, изменение состояния миозина, вследствие чего он взаимодействует с актином, — и, наконец, происходит сокращение мышц.

Мой коллега Джеффри Бернсток поставил перед собой задачу узнать, как нервы вызывают непроизвольные сокращения гладкой мускулатуры — например, мускулатуры стенок кишечника. Считалось, что этот процесс сходен с процессом произвольных сокращений обычной мускулатуры, тех же мышц рук и ног, — нерв проводит электрический импульс, который вызывает выброс нейротрансмиттера, а тот связывается с оболочкой мускульной клетки и активирует ее. Бернсток разработал метод, с помощью которого он мог регистрировать электрическую активность гладкой мускулатуры, и обнаружил, что блокирование всех известных нейротрансмиттеров не мешало нервам активировать мускулатуру стенок кишечника. Значит, активировало ее что-то доселе неизвестное.

Чтобы определить это вещество, Бернсток проводил эксперимент за экспериментом и наконец сделал в 1970 году фундаментальное открытие: в роли нейротрансмиттера в данном случае выступает молекула АТФ, которую используют все клетки в качестве основного источника энергии. Лишь немногие ученые признали его открытие, большинство же исследователей подняло его на смех, однако время показало, что Бернсток прав. Ни много ни мало, но сделанное им открытие имеет важное значение для лечения целого ряда заболеваний, включая рак, цистит, мигрень.

Основная функция нервных клеток заключается в том, чтобы обработать информацию, поступающую как извне, так и изнутри нашего тела, и затем передать необходимые сигналы мускулам, с тем чтобы вызвать соответствующие моторные реакции. Все это осуществляется благодаря особым группам взаимосвязанных нервов, которые расположены в головном и спинном мозге. Ярким примером действия этих нервов является коленный рефлекс — когда доктор ударяет молоточком по сухожилию под коленной чашечкой, нога непроизвольно подпрыгивает вверх. Воздействие молоточка вызывает кратковременное напряжение разгибающих мышц ноги, что приводит к передаче соответствующего сигнала нервам, контролирующим сокращение этих мышц. Но одновременно поступают сигналы мышцам, которые должны противодействовать проявлению коленного рефлекса, — так что все не столь просто, как может показаться.

Взаимодействие между нервными клетками сложнее, нежели взаимодействие между нервными клетками и мышцами. С мышцами связан лишь один моторный нерв, и они получают лишь возбуждающие сигналы, которые варьируются по силе. Клетки же центральной нервной системы получают как возбуждающие, так и тормозящие сигналы. Одна нервная клетка в составе спинного мозга получает от других нервных клеток благодаря синапсам сотни и даже тысячи сигналов одновременно. И то, выдаст ли получающая эти сигналы нервная клетка необходимый нервный импульс, зависит от соотношения возбуждающих

и тормозящих сигналов. Порой нервной клетке необходимо получить до пятидесяти возбуждающих сигналов для того, чтобы преодолеть тормозящий сигнал и выдать соответствующий импульс.

В нашей коже имеются сенсорные нервные окончания реагирующие на воздействие со стороны окружающей среды. Они воспринимают боль или, скажем, высокую температуру окружающей среды и передают соответствующие сигналы в наш мозг. Наиболее чувствительны подушечки наших пальцев. На прикосновения также реагируют клетки волос. Действие сенсорных нервных окончаний приводит к формированию в мозге человека своеобразной карты, точно отражающей, на какие именно участки кожи приходится воздействие, — ведь прикосновение к гениталиям возбуждает одну часть мозга, а прикосновение к языку — другую. Проводились эксперименты, когда при стимуляции различных зон мозга, отвечающих за формирование осязательных ощущений, испытуемые ощущали прикосновения к различным участкам тела. Тем самым удалось выявить области мозга, от которых зависит реакция на прикосновения к тем или иным частям тела.

Последующие исследования, в ходе которых регистрировалась активность отдельных клеток, выявили области мозга, отвечающие за температурные ощущения в различных частях тела. Благодаря нервным импульсам, которые передаются с поверхности кожи в мозг, мы можем ощутить нежный бриз и избегнуть ожога от контакта с раскаленным предметом. Мы способны ощущать температуры в диапазоне от минус десяти до плюс шестидесяти градусов. Различные клетки-сенсоры, находящиеся в коже, отвечают за передачу данных на нервные окончания. Механизм, позволяющий нам различать тепло и холод, работает благодаря тому, что в зависимости от температуры изменяются каналы прохождения ионов в этих клетках. При этом каждая группа клеток реагирует лишь на узкий диапазон температур. Они с постоянной частотой испускают нервные импульсы в том случае, если температура окружающей среды для них комфортна. Если же температура меняется, скорость передачи нервных импульсов замедляется или ускоряется.

Боль мы ощущаем благодаря рецепторам, которые реагируют на раздражители, потенциально способные нанести вред организму. Одни рецепторы реагируют на химические вещества, которые испускают поврежденные клетки, другие — непосредственно на неблагоприятное механическое воздействие или экстремальные температуры. Необходимость в болевых ощущениях очевидна — боль предупреждает нас о повреждениях, угрожающих телу. Чувство боли передается в мозг с помощью электрических импульсов, проходящих по специальным нервам, в оболочках которых имеются специальные каналы для ионов натрия; эти ионы, собственно, и сигнализируют мозгу о боли. Утрата или повреждение такого канала приводят к неспособности нервов посылать болевые сигналы в мозг, и это может стать фатальным для организма.

Известен случай, когда все члены одной семьи не ощущали боли. Исследования привели ученых к выводу о том, что у них у всех присутствовала мутация одного гена. Она препятствовала поступлению ионов натрия в нервные клетки, которые должны были реагировать на боль и передавать в мозг соответствующий нервный импульс.

Механизм, позволяющий нам видеть, основан на свойствах нашей сетчатки и состоит из двух фаз. Свет, поступающий в глаз, преобразуется в электрические импульсы клетками сетчатки, и эти импульсы передаются через глазные нервы в мозг. В нашей сетчатке представлены клетки-рецепторы двух видов — палочки и колбочки; они действуют соответственно либо ночью, либо днем. Один фотон света может вызвать электрический импульс в палочке, но не в колбочке, которая требует поступления большего количества света для того, чтобы этот импульс сгенерировать. Внешние области палочек и колбочек наполнены светопоглощающими пигментами (фотопигментами), прикрепленными к их оболочкам. Эти пигменты вызывают изменения электрического потенциала по разным сторонам клеточных оболочек, что порождает сигналы, идущие к нервам, связанным с оптическим нервом, в состав которого входят несколько миллионов аксонов. Эти аксоны особым образом связаны с той областью мозга, которая ведает зрением.