Борис Сергеев - Парадоксы мозга

В синаптической щели нет никаких приспособлений, помогающих ключам попасть в отверстие замков. Молекулы медиатора распространяются здесь в силу простой диффузии, и лишь немногие из них случайно находят замок, остальные бесцельно блуждают в своем тесном пространстве и очень скоро оказываются разрушенными. Вот почему ключей должно быть очень много. Однако синаптическая щель не широка, и ключи быстро достигаются ее противоположной стенки. Все же на это уходит гораздо больше времени, чем на движение возбуждения по нервному волокну. Необходимость перехода возбуждения с нейрона на нейрон приводит к замедлению распространения информации в мозгу.

Мы уже познакомились с тем, как удалось разобрать нейрон и собрать для исследования синапсы. А раз удалось извлечь из нервных клеток такую маленькую деталь, невольно напрашивался вопрос, не удастся ли и синапс разобрать на составные части. Эта фантастическая программа также была выполнена. Осуществить демонтаж синапса помог змеиный яд.

Обитатели тропиков змеи крайты относятся к числу наиболее опасных. Действие их яда сходно с кураре. Токсическое вещество крайта забивает замочные скважины на синаптической мембране клетки-адресата и не дает возможности отпирать замки с помощью предназначенных для них ключей – молекул медиатора ацетилхолина. Яд формозского крайта так прочно соединяется с замком, что разделить их почти невозможно. На него не действуют даже вещества, способны растворять нервные оболочки. Разрушатся все остальные части мозговой кашицы, и только крохотные кусочки мембраны предохранит от растворения прилипшая к ним молекула яда. С помощью яда крайтов удается «надергать» из синапсов достаточное для исследования количество замков. Уже подсчитали, что на синаптической мембране, имеющей площадь около 200 миллиардов квадратных ангстрем, – 3 миллиона дверей и у каждой свой замок. Они имеют размер не больше 7–10 квадратных ангстрем, значит, все вместе не занимаются и 0,01–0,02 процента площади синаптической мембраны.

Замок представляет собой крупную белковую молекулу, вмонтированную в толщу полужидкой мембраны нейрона. На поверхность выглядывает лишь небольшая его часть – участок молекулы, несущий электрический заряд. Конфигурация замка и ключа таковы, что они, как осколки разбитого стакана, сложенные надлежащим образом, образуют единое целое и благодаря электрическим зарядам крепко удерживаются друг возле друга. Молекула медиатора, соединяясь с белковой молекулой замка, заставляет последнюю изменить свою форму, при этом в стенке мембраны открывается пора, позволяющая ионам, находящимся в синаптической щели, проникнуть в нейрон или ионам, находящимся внутри нейрона, вылиться наружу. В зависимости от того, для каких ионов медиатор отпирает двери и в каком направлении они движутся, нервная клетка или возбуждается или, напротив, затормаживается.

Одним из важнейших медиаторов является ацетилхолин. Нет на нашей планете таких существ, нервная система которых пользуется химическими синапсами, но не имеет ацетилхолина. Возможно, он был первым медиатором, созданным природой. Его широкое использование связано, видимо, с тем, что построен он достаточно просто, легко синтезируется и организм не испытывает недостатка в необходимом для этого сырье.

Приход нервного импульса в нервное окончание дает возможность выбросить в синаптическую щель 5 миллионов молекул ацетилхолина, однако по прямому назначению будет использовано не больше четверти, но и этого вполне достаточно, чтобы вызвать возбуждение нейрона-адресата.

Молекула ацетилхолина представляет собою цепочку, состоящую из атомов кислорода, азота и 5 атомов углерода. К атому азота, несущему положительный заряд, крепятся три метильные группы (атом углерода с прикрепленными к нему тремя атомами водорода). Эта массивная головка молекулы выполняет функцию бородки ключа. Она попадает в специальное углубление замка и удерживается его отрицательным зарядом.

Об устройстве замка удалось кое-что узнать, попробовав открыть его различными отмычками. Эти исследования подтвердили важность электрических зарядов ключей. Молекулу ацетилхолина легко лишить положительного заряда, если атом азота заменить углеродом. Такая отмычка способна отпирать замок, но действует в 12 тысяч раз слабее, чем настоящий ацетилхолин.

Использование грубо сделанных отмычек подтвердило, что отверстие замка по размеру точно соответствует бородке ключа. Если любую из метильных групп головки ацетилхолина заменить на более крупную этильную, состоящую из двух атомов углерода и пяти атомов водорода, такая молекула в 3–5 раз хуже отпирает ионные двери. Причина понятна – ключ стал велик и с трудом входит в замочную скважину. При замене двух или всех трех метильных групп сильно увеличенный ключ уже не помещается в замочной скважине и мембранных дверей не отпирает.

Точно так же можно испортить ключ, уменьшив у молекулы ацетилхолина размер ее головки. Легко заметить, что все три ее метильные группы могут быть заменены атомами водорода. Замена на водород одной метильной группы снижает результативность медиатора в 50 раз, двух – в 500, а всех трех – в 40 тысяч раз. Ключ легко входит в замочную скважину, но головка стала слишком маленькой, он «хлябает», проворачиваясь в замке, и не может его отпереть.

Ацетилхолин оказался ключом с двумя бородками. Второй бородкой является атом кислорода, несущий отрицательный заряд. Расстояние между бородками известно: атомы кислорода и азота разделяет два атома углерода и они удалены друг от друга на 4,7 ангстрема. Молекулу легко удлинить, вставив в цепочку дополнительно один, два или больше атомов углерода, и это полностью испортит ключ. Такая молекула не войдет в замочную скважину, и двери не откроются.

Зная размеры ключа, подобрать к замку отмычку нетрудно. Атом азота в молекуле ацетилхолина можно заменить любым другим, лишь бы он нес положительный заряд и оказался отделен от кислорода двумя атомами углерода.

Медиков особенно заинтересовали отмычки, которые, как и кураре, способны надежно выводить из строя замок. Это нужно хирургам, чтобы на время сложнейших операций полностью обездвижить человека или устранить судорожные сокращения мышц.

Неожиданно очень эффективными оказались крупные молекулы сходных с ацетилхолином веществ. Особенно значительный эффект давали молекулы с двумя атомами азота на концах, если между ними было 10 или 16 атомов углерода. Именно столько – не больше и не меньше. Не сразу удалось разгадать механизм их действия. А разгадка была проста. Двери, а следовательно и замки, не разбросаны на мембране как попало, а сгруппированы по четыре. Если замочные скважины соединить прямыми линиями – получится квадрат. У длинной отмычки каждый из двух атомов азота, как бородка ключа, попадает в отдельную замочную скважину. Этим объясняется эффективность отмычек. В отличие от молекул кураре отмычка выводит из строя сразу два замка. Меньший из ключей попадает в замки, лежащие по любой из сторон квадрата, а более длинный, чтобы попасть обеими бородками в замочные скважины, должен лечь по его диагонали. Зная размер ключей, нетрудно выяснить и размеры квадрата. В использованных веществах между атомами азота расстояния 14 и 20 ангстрем. Следовательно, замки находятся в углах правильного квадрата. В этом каждый легко убедится сам. Из геометрии мы знаем, что квадрат гипотенузы равен сумме квадратов двух катетов. Проверим цифрами высказанное предположение о расположении замков: