Химические посредники
Человечество для общения применяет язык и речь, но еще до того, как мы сами научились говорить, наши клетки уже общались между собой. Они шлют друг другу сообщения из одной части тела в другую и передают нервные сигналы, благодаря которым мы можем двигаться и думать. Как они это делают?
Клетки вашего организма живут не отдельно друг от друга. Они постоянно общаются, сотрудничают и координируют свои действия в вашу пользу, чем бы вы ни занимались. И осуществляют они это посредством химических веществ.
Гормоны контролируют развитие вашего тела, аппетит, настроение и отклики на опасность. Гормоны бывают стероидные — например, тестостерон и эстроген, или белковые — инсулин, допустим. Сигнальные молекулы — часть иммунной системы, они вовлекают клетки, которые помогают вам побороть простуду или грипп, но, вероятно, наиболее впечатляющий пример того, как в человеческом организме работают химические посредники, — ваше мышление и движения, от малейшего трепета век до физической победы в марафоне. Все это — результаты химических сообщений, именуемых нервными импульсами.
Нервные начинания
Не так давно ученые по-прежнему ломали копья на тему природы нервных импульсов. Еще в конце 1920-х самой распространенной теорией была электрическая, а не химическая. Нервы обычных лабораторных животных исследовать непросто, поскольку они очень хрупкие, и потому английские ученые Ален Ходжкин и Эндрю Хаксли решили обратить внимание на зверя покрупнее — кальмара. Хотя нервные волокна у кальмара всего 1 мм в диаметре, мышечные нервы этого головоногого все же примерно в сто раз толще, чем у лягушек, с которыми ученые работали прежде. В 1939 году Ходжкин и Хаксли принялись за исследование потенциала действия — разницы потенциалов между внутренним пространством нервной клетки и внешней средой: осторожным введением электрода в нервное волокно кальмара они обнаружили, что в момент передачи импульса потенциал действия куда выше, чем в состоянии покоя.
Однако лишь после Второй мировой войны, отсрочившей эти исследования на несколько лет, Ходжкин и Хаксли наконец смогли продолжить изучение потенциала действия. Их открытия помогли нам понять, что «электрические импульсы», перемещающиеся вдоль нерва, — результат движения ионов вдоль внутренней и внешней поверхности клетки. Ионные каналы в мембране нервной клетки позволяют ионам натрия, когда приходит импульс, проникать внутрь, а ионам калия, когда импульс уходит, — наружу.
Как же импульсы передаются от одной нервной клетки к другой, образуя релейную цепь, которая способна транслировать сообщения? «Сообщение» в данном случае — цепочка химических реакции, одна начинает другую, как в игре в «сломанный телефон», но с бешеной прытью. Передача нервного импульса следующей клетке требует от вещества, именуемого нейромедиатором (посредником), проскочить синаптическую щель и прикрепиться к мембране принимающей клетки, откуда исходит следующий импульс. Такие цепи химической передачи транслируют сигналы от мозга до кончиков пальцев и всюду в промежутке.
«Гитлер вошел в Польшу, объявил войну, а мне пришлось бросить методику на восемь лет, прежде чем я смог вернуться в Плимут в 1947-м» Ален Ходжкин (1914-1998), британский нейрофизиолог, биофизик об исследовании нервных импульсов у кальмара
Со времен открытия нейромедиаторов, начиная с ацетилхолина в 1913 году, мы успели разобраться, какую роль эти молекулы-посредники играют в мозговой деятельности, где они обеспечивают срабатывание 100 миллиардов нервных клеток. Профилактика и лечение болезней мозга основаны на представлении о химической природе нейрофизиологических расстройств. При депрессии, например, такая химическая причина — в нейромедиаторе серотонине, и антидепрессант прозак, разработанный в 1987 году, как считалось, повышает концентрацию серотонина в мозге, что, впрочем, по-прежнему спорно.
Потолкуем промеж собою
Однако услугами химических посредников пользуются не только люди и другие животные. В любом многоклеточном организме клеткам нужны способы «разговаривать» между собой. У растений, положим, нервов нет, зато гормоны они производят. Примерно тогда же, когда физиологи совершали свои великие прорывы в исследовании нервных импульсов, исследователи растений открыли, что этилен (то же вещество, из которого мы делаем полиэтилен, см. с. 160) не просто помогает фруктам дозреть, он еще и активно вовлечен в процессы роста растения. Это вещество производится большинством растительных клеток и, как многие животные гормоны, передает сигналы, активируя молекулы-рецепторы на клеточных мембранах. Ученые все еще разбираются в хитросплетениях этого воздействия на развитие растений и уже открыли, что этилен в одиночку способен активировать тысячи разных генов.
Даже у бактерий, о которых все привыкли думать как об одиночках, клетки обязаны сотрудничать, а поскольку микробы в общении не могут полагаться на язык или повадки, они общаются посредством химических веществ. Лишь за последние примерно десять лет ученые открыли, что среди бактерий это универсальный навык. Вообразите, что происходит, когда вы хвораете. Одна крошечная бактерия вас, скорее всего, с ног не свалит. Но тысячи или миллионы их, атакующие вас слаженно, — совсем другое дело. Как же они строят план захвата и стягивают армии? С помощью химических веществ, а точнее, веществ, отвечающих за чувство кворума. Молекулы этих веществ и соответствующие им рецепторы дают бактериям одного вида возможность общаться. Вещества, распознаваемые за пределами отдельного вида, — своеобразный «химический эсперанто» — обеспечивают общение между микробами разных видов.
Бессчетное множество способов общения между клетками — фундаментальное свойство живого. Без сигнальных веществ ни многоклеточные, ни одноклеточные организмы не смогли бы действовать сообща. Любая клетка была бы тогда островом, обреченным на одинокую жизнь и смерть.
Половые гормоны
Тестостерон и эстроген - стероидные гормоны, их молекулы за многое отвечают в организме, от метаболизма до полового развития. Хотя эти гормоны, как всем известно, играют важную роль в различиях физиологии и внешнего вида самцов и самок, устройство тестостерона и эстрогена поразительно похоже. Обе молекулы состоят из четырех кольцевых структур и отличаются лишь в одном месте. Хотя тестостерон считается «мужским» гормоном, у мужчин его просто вырабатывается больше, а в женском теле из него синтезируется эстроген, потому молекулы этих веществ так близки по устройству. Что интересно, концентрация тестостерона у женщин выше всего по утрам и в течение дня меняется - меняется и в течение месяца, в точности так же, как содержание традиционно «женского» гормона.
Ионные каналы
Химик Родерик Маккиннон получил Нобелевскую премию по химии 2003 года за применение рентгеноструктурного анализа в представлении трехмерной структуры калиевых каналов. Это помогло ученым разобраться, как устроена селективность ионных каналов: почему канал определенного типа пропускает один тип ионов (калия), а другого (натрия) - нет.
