Алан Колок - Современные яды: Дозы, действие, последствия

Электрический сигнал, передаваемый моторными нейронами (нервными клетками, посылающими сигналы к мышцам) так же прост, как азбука Морзе. Только вместо точек и тире в нем есть, по сути, одни точки. Возможно, лучше сравнить его с двоичным компьютерным кодом, где сигнал может быть только «1» или «0». Нервный сигнал – это результат потока ионов, и он одинаков практически у всех животных (см. главу 2). «Точка» электрического сигнала создается скачком напряжения, за которым следует возвращение к исходному состоянию. В проводящей ткани сигналом служит изменение полярности – или заряда – клеточной мембраны. В состоянии покоя на мембране аксона имеется небольшой отрицательный заряд; при возникновении сигнала (потенциала действия) по мембране проходит положительный заряд.

Потоки ионов изменяются при возникновении потенциала действия – это результат открытия и закрытия ионных каналов. В состоянии покоя концентрация положительно заряженных ионов натрия снаружи аксона примерно в 12 раз выше, чем внутри, а концентрация положительно заряженных ионов калия примерно в 40 раз выше внутри, чем снаружи. Поэтому при возникновении потенциала действия ионно-специфические каналы открываются, и в аксон попадает натрий. Когда потенциал действия заканчивается, открываются каналы, по которым из аксона выходит калий. Изменения содержания ионов внутри и снаружи аксона во время единичного потенциала действия на самом деле невелики, но при быстрых движениях (например, во время марафонского забега) количество отдельных потенциалов, посылаемых по моторным нейронам к мышцам ног, настолько огромно, что общий приток натрия и отток калия может начать снижать градиент концентрации. Постоянная разница концентрации ионов внутри и снаружи клетки поддерживается благодаря работе натриево-калиевого АТФ-насоса, который выкачивает натрий из клетки и закачивает в клетку калий с затратой энергии.

В нервном окончании, где утолщенный конец аксона переплетается с мышечным волокном, существует еще несколько белков, участвующих в межклеточных взаимодействиях, необходимых для скоординированного движения. Электрический сигнал – потенциал действия, который преодолел весь путь от тела нейрона, расположенного в спинном мозге, к окончанию аксона, – слегка изменяется, так что вместо притока в клетку натрия происходит приток кальция. Эти ионы, в свою очередь, способствуют высвобождению пузырьков (везикул) из аппарата Гольджи, находящегося в кончике аксона. Везикулы представляют собой сферы, окруженные двойной липидной мембраной, внутри которых содержится белковый «бульон».

Высвободившись из аппарата Гольджи, пузырьки мигрируют к мембране нервного окончания и выбрасывают свое содержимое в наполненную жидкостью щель между оболочкой нейрона и мембраной мышечного волокна. Практически у всех животных эти пузырьки заполнены ацетилхолином, который затем, преодолевая щель между нервным окончанием и мышечным волокном, связывается с рецептором на мембране последнего. При стимуляции в ацетилхолиновом рецепторе открывается канал, по которому через мембрану мышечного волокна может проходить натрий, так что электрическая «точка», переданная по нейрону, начинает вторую часть своего путешествия уже по волокну, что в конечном итоге вызывает его сокращение.

Последнее в этой цепочке событий – выключение электрического сигнала. Ацетилхолин обратимо присоединяется к холинэстеразному рецептору и после его активации может высвобождаться снова. Однако, если молекула ацетилхолина остается в синапсе (пространстве между мембранами нейрона и мышечного волокна) неиспользованной, она может реактивировать рецептор. Чтобы окончательно отключить это сигнальное вещество, требуется еще один белковый фермент, ацетилхолинэстераза. Он находится в мембране мышечного волокна. Ацетилхолинэстераза расщепляет молекулу ацетилхолина на ацетат и холин, и, таким образом, рецептор больше не может активироваться.

Если рассматривать всю систему в целом, для возникновения и проведения потенциала действия, стимулирующего скоординированное движение мышц, требуется ни много ни мало шесть белков. Для того чтобы произошло движение, необходима совместная работа натриевых, калиевых и кальциевых каналов, натриево-калиевого насоса, ацетилхолинового рецептора и ацетилхолинэстеразы. Хотя эта система превосходно настроена и универсальна для всех животных, она все же представляет собой «ахиллесову пяту» процесса движения. Вещества, способные нарушить функции любого из этих белков, могут вызвать не только нескоординированные спазмы и тремор, но и быструю гибель при воздействии на мышцы, задействованные в дыхании и кровообращении (сердце). Так что чем элегантнее система, тем проще устроить в ней «засор».

Как мы уже говорили, змеи – это медлительные засадные хищники, охотящиеся на быструю и опасную добычу. Чтобы уравнять шансы, змеи с нейротоксичным ядом вводят жертве вещества, препятствующие коммуникации между нервной и мышечной системами. Укушенная крыса или мышь теряет контроль над своими движениями, так что змее становится легко схватить и проглотить ее. Интересно, что разные змеиные нейротоксины влияют на разные белки и процессы нейромышечного соединения. Например, один из токсинов крайта (а-бунгаротоксин) необратимо освобождает ацетилхолиновые рецепторы, в то время как другой (b-бунгаротоксин) блокирует высвобождение везикул с ацетилхолином из аппарата Гольджи. Яд черной мамбы содержит нейротоксин, который, наоборот, присоединяется к ацетилхолиновым рецепторам, не давая ацетилхолину связываться с ними.

Химическая гонка вооружений – прерогатива не одних лишь змей. Например, улитки-конусы из засады нападают на рыбу, пронзают ее своим выдвижным хоботом и вводят конотоксин, блокирующий приток кальция к нервным окончаниям. Но яд есть не только у хищников. Лягушки-древолазы из тропиков Южной Америки выделяют эпибатидин поверхностью кожи. Этот токсин блокирует ацетилхолиновые рецепторы хищника, рискнувшего напасть на лягушку, блокируя связи между нейронами и мышцами. В растении рода стробантус содержится уабаин, способный инактивировать натриево-калиевый насос. Грибы рода Anabella производят кураре, токсин, блокирующий ацетилхолиновые рецепторы. Токсины можно найти даже у бактерий: ботулотоксин А, продуцируемый бактериями Clostridium botulinum , считается одним из самых сильных известных ядов. Любое воздействие этого вещества, даже в концентрациях порядка нанограмма на литр, смертельно, так как препятствует высвобождению ацетилхолина из нейронов.

Первые яды, с которыми познакомился человек, были природными. Некоторые из них обладают грубым действием, просто разрушая клетки и ткани, но другие более хитроумны и точны. Яды, поражающие тонко организованную нервную систему животных, нарушая работу одного или более простых белков, вызывают драматические последствия. У некоторых организмов в ходе эволюции выработались химические механизмы, нарушающие нейромышечные связи; однако человек тоже способен на это – умышленно или случайно, как мы увидим в последующих главах.