Фрэнсис Эшкрофт - Искра жизни. Электричество в теле человека
У людей с нефункционирующим аквапорином 2 выделяется большое количество разбавленной мочи — до 25 литров в день, их организм быстро обезвоживается, и они постоянно хотят пить. Причиной может быть редкая генетическая мутация, при которой болезнь проявляется с момента рождения. Родители, однако, могут не обратить на нее внимания, ведь мокрые пеленки — не такая уж необычная вещь у младенца. Смертоносные орудия
Ионные каналы критически важны не только для начала жизни, они также непосредственно участвуют в ее завершении. Многие клетки и организмы используют ионные каналы в качестве оружия для нападения. Такие каналы действуют как молекулярные дыроколы, которые встраиваются в мембрану клетки-мишени и формируют огромное отверстие — настолько большую пору, что через нее из клетки могут выходить не только ионы, но и небольшие молекулы и существенные питательные вещества. В пору устремляется вода, и клетка набухает до тех пор, пока не лопнет (лизируется) и не умрет. Каналы, используемые в качестве такого смертоносного орудия, особенно интересны, поскольку они находятся внутри клетки-агрессора в неактивной форме и совершенно неопасны. Однако после высвобождения они образуют структуру, способную встраиваться в мембрану жертвы. Это настоящие трансформеры, переходящие из безобидной неактивной формы в смертоносную в течение нескольких секунд.
Такие каналообразующие молекулы играют важную роль в нашей иммунной системе, защищая нас от вторжения болезнетворных микроорганизмов. Один из видов подобных молекул с красноречивым названием «дефензин»[27] находится в нашей коже и в слизистой оболочке дыхательных путей и служит естественным антибиотиком с широким спектром действия против бактерий, грибков и некоторых вирусов. Другие виды молекулы высвобождаются специальными белыми кровяными тельцами, так называемыми Т-лимфоцитами (или естественными клетками-киллерами). Т-лимфоциты убивают вирусы и бактерии разными путями, в числе которых высвобождение перфоринов — ионных каналов, которые пробивают отверстия в мембранах враждебных клеток. Другим порообразующим оружием в арсенале нашей иммунной системы является так называемый комплемент, который пробивает еще более крупные отверстия в проникших клетках.
Бактерии также ведут нескончаемую химическую войну друг с другом, выделяя или, говоря языком физиологов, секретируя каналообразующие белки, которые убивают другие бактерии. К сожалению, некоторые из них нападают и на клетки людей. Альфа-токсин, выделяемый золотистым стафилококком (Staphylococcus aureus), является одним из самых крупных, самых смертельных и самых изящных. Это грибовидный канал, ножка которого проходит через мембрану, а шляпка располагается на ее наружной поверхности, выступая из клетки. Чтобы избежать повреждения самой бактерии, канал формируется из семи отдельных субэлементов, которые выделяются независимо друг от друга, а затем соединяются, образуя гигантскую пору, пробивающую мембрану клетки-мишени. Бактерии стафилококка вызывают появление на коже карбункулов, фурункулов и нарывов, инфицируют раны и, что опаснее всего, становятся причиной сепсиса, когда кровь разносит токсин и бактерии во все ткани, а красные и белые кровяные тельца повреждаются (отравляя кровь). Способность альфа-токсина лизировать красные кровяные тельца послужила поводом для появления другого его названия — гемолизин.
Staphylococcus pyrogenes, инфекционный агент, вызывающий скарлатину, также выделяет токсин, который разрывает красные кровяные тельца и приводит к появлению характерной мелкой красной сыпи на всем теле и окрашиванию языка в ярко-малиновый цвет. Эта болезнь может быть смертельной — от нее умерла мать американской писательницы XIX в. Луизы Мэй Олкотт, которая написала об этом печальном событии в своем романе «Маленькие женщины». Другие ионные каналы, например те, что выпускают простейшие, вызывающие амебную дизентерию, разрушают наш кишечник. Борьба с насекомыми
Люди поставили такие каналообразующие бактериальные токсины себе на службу. Одни, которые атакуют клетки бактерий, но не действуют на клетки млекопитающих, используются как антибиотики. Другие применяются как инсектициды. Самым известным токсином является тот, который выделяют бактерии Bacillus thuringiensis. Он встраивается в клетки, выстилающие пищеварительный канал насекомых, лизирует их, и насекомые в конечном итоге погибают от обезвоживания. Токсин выпускается как неактивное вещество-предшественник, которое должно активироваться в пищеварительном канале насекомых, а поэтому он безвреден для людей.
Bacillus thuringiensis широко используются в качестве биологического агента для ограничения численности гусениц в промышленных тепличных хозяйствах, для уничтожения личинок комаров и мошкары, переносящей «речную слепоту» (онхоцеркоз). В последнее время гены токсина бактерий стали встраивать прямо в растения, которые приобретают способность самостоятельно вырабатывать токсин. Вырабатывающие пестициды виды кукурузы, картофеля и хлопка широко выращиваются в США и позволяют кардинально сократить использование синтетических инсектицидов. Вместе с тем практика выращивания таких растений вызывает неоднозначную реакцию отчасти в результате обеспокоенности по поводу генетически модифицированных продуктов. Другая причина связана с опасением, что постоянное воздействие пестицидов на насекомых приведет к появлению видов, устойчивых токсину. Любая мутация рецептора, предотвращающая присоединение токсина, дает несомненное репродуктивное преимущество, и уже появились сообщения об устойчивых к пестициду насекомых. Как и в случае с антибиотиками, преодоление сопротивления — это непрерывная борьба. Самоубийство клеток
На определенном этапе развития у эмбриона человека руки и ноги перепончатые, как у утки. По мере того как эмбрион растет в материнской утробе, клетки, образующие перепонки между пальцами отмирают в процессе так называемой запрограммированной гибели (или апоптоза), так что к моменту рождения наши пальцы на руках и ногах разделяются. Если процесс формирования тела нарушается, а такое иногда случается, то ребенок рождается с перепонками между пальцев.
Каждый, кто когда-нибудь держал головастиков, наблюдал, как такое самоубийство, т.е. апоптоз с рассасыванием отмирающих клеток, приводит к исчезновению хвоста при превращении головастика в лягушонка. Точно так же апоптоз наблюдает любая женщина каждый месяц, поскольку отторжение слизистой оболочки матки, происходящее в начале цикла, также является результатом запрограммированной гибели клеток. Но главное, пожалуй, то, что самоубийство клеток играет ключевую роль в развитии нервной системы и формировании связей в головном мозге. В начальный период родившиеся нервные клетки выбрасывают свои аксоны в направлении цели случайным образом. Если аксоны достигают правильной цели, то устанавливается предварительная связь, импульсы активно идут по линиям, происходит обмен химическими приветствиями, и связь закрепляется. Нервные клетки, чьи аксоны не отыскали правильную цель, генерируют значительно более слабые импульсы и просто увядают из-за того, что не используются. Многие клетки умирают в процессе развития мозга, и без их самоубийства мозг не смог бы функционировать должным образом. Апоптоз также позволяет избавиться от клеток, которые могут угрожать жизни организма. Иммунная система человека способна убивать клетки, зараженные вирусами, и клетки с поврежденной ДНК, которые приводят к образованию раковой опухоли.
На клеточном уровне, таким образом, смерть вовсе не отрицательное явление. Это неотъемлемая часть жизни каждого многоклеточного организма, и каждый день несколько миллиардов клеток в нашем организме умирают в результате апоптоза. Без этого процесса многоклеточная жизнь невозможна. Если это не приближает нас к пониманию смысла жизни, по крайней мере на клеточном уровне, то смысл смерти определенно становится ясным. Время жить, время умирать
Когда клетка совершает самоубийство, она сжимается, ее мембрана отходит от цитоплазмы, образуя уродливые вздутия. ДНК разрушается, уже не могут синтезироваться белки, а митохондрии, клеточные энергоустановки, отключаются. На поверхности клеточной мембраны появляются специфические липиды, которые являются сигналом для макрофагов, которые поглощают продукты распада умирающей клетки для утилизации.
Существует несколько путей самоуничтожения клетки, однако, как вы, наверное, уже догадались, один из них предполагает участие ионных каналов. В нем задействованы также митохондрии, крошечные органоиды размером с бактерию, которые имеются почти во всех клетках нашего организма. Прародители митохондрий были когда-то самостоятельными организмами, чем-то вроде сине-зеленых водорослей (цианобактерий), которые образуют знакомую всем зеленую пену на поверхности озер в жаркое лето, однако примерно два миллиарда лет назад эти предшественники митохондрий отказались от самостоятельности и стали частью древних клеток. Таким образом, подобно триллам из киноэпопеи «Звездный путь», мы живем в симбиозе с другим организмом, однако никакой фантастики здесь нет, и наши симбионты микроскопические. Практически все клетки растений и животных содержат митохондрии, которые принципиально важны для жизни — без них многоклеточные организмы не могли бы функционировать. Митохондрии действуют как молекулярные топки, в которых такое топливо, как сахар и жиры, окисляется кислородом и дает химическую энергию. Клетки, которым требуется много энергии, например мышечные клетки, содержат большое количество митохондрий.
