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. Сегодня химическая коммуникация бактерий, включая «чувство кворума», хорошо изучена и известна у множества видов. 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.
