рассудили, что, если эти крохотные поры действительно существуют, можно зафиксировать слабые токи, возникающие при прохождении через них ионов. Но поскольку эти токи в сотню тысяч миллионов раз слабее тока, от которого работает наш кухонный тостер, для их регистрации требовалось оборудование гораздо более чувствительное, чем что-либо созданное ранее.

Поэтому Неэр и Закман сконструировали новое устройство, которое могло отделять небольшой участок нейрона, содержащий лишь несколько таких гипотетических пор или вовсе лишь одну. Ионы и поры слишком малы, чтобы их можно было увидеть с помощью инструментов того времени, но, когда Неэр и Закман смогли зарегистрировать слабенький ток, протекающий через единственную ионную пору в мембране живой клетки, они доказали само существование этих пор. Они действительно существовали.

Более того, эти двое ученых установили, как функционируют эти поры. Форма электрических импульсов показывала, что поры могут существовать в одном из двух состояний: они либо полностью открыты, либо полностью закрыты. Они не могут быть открыты наполовину[115]. А уж если они открыты, они открыты по полной. Ионы калия и натрия проходят через одну открытую ионную пору со скоростью от 10 000 до 100 000 ионов за миллисекунду. Это огромное количество единичных зарядов.

Через несколько лет Уильям Эгнью и его исследовательская группа в Калифорнийском технологическом институте (Калтехе) окончательно установили структуру натриевого канала: это не просто дырочка в сите, это белок[116]. И с этого момента молекулярная биология превратилась из конкурента и врага биоэлектричества в его лучшего друга. Дело в том, что открытие структуры ДНК Уотсоном и Криком дало ученым возможность читать генетический код любого белка, а если белок можно выделить и секвенировать, значит, его можно клонировать. А это, в свою очередь, позволяет всерьез заняться изучением ионных каналов. Появилась возможность создавать клетки, в которых все поры будут закрыты или, наоборот, открыты, и анализировать, как это будет сказываться на организме.

В 1986 году Масахару Нода впервые клонировал белок потенциал-зависимого натриевого канала (такие натриевые каналы открываются, если на поверхности мембраны вокруг них происходит изменение напряжения)[117]. Ученые принялись синтезировать белки разной формы и клонировать клетки с разным видом и количеством ионных каналов[118]. Стало возможным создавать клетки вообще без каналов какого-то конкретного типа. При желании стало можно создавать клетки со специфическими “дизайнерскими” каналами “франкенштейновского” типа и смотреть, что при этом будет происходить. Подобные исследования вскоре позволили получить полный перечень всех ионных каналов: натриевых, кальциевых, хлорных и калиевых. Дело не в полупрозрачном занавесе: на деле именно эти белки решают, каким ионам разрешается проходить, в какой момент и в каком направлении.

Как белки принимают такие сложные решения? Эта загадка была решена биофизиком Родериком Маккинноном[119] в 1991 году (в том же году, когда Закман и Неэр были удостоены Нобелевской премии за прорыв в этой области исследований).

Для описания невероятно сложной системы, обнаруженной Маккинноном, использовались много сложных метафор. Мне нравится представлять себе ионные каналы в виде сит, просеивающих вещества в зависимости от их формы: знаете такую игрушку для маленьких детей, в которой нужно просовывать фигуры разной формы в деревянную коробку через прорези соответствующего размера? Одни фигуры округлые, другие треугольные, или квадратные, или в форме звезды. В квадратные прорези проходят только квадратные фигуры и т. д. Таким образом, хотя некоторые поры по каким-то геометрическим параметрам могут быть крупнее определенных ионов, они не позволят им пройти. Эти ионы несовместимы с какими-то параметрами каналов и поэтому не могут через них проходить (на самом деле ситуация чуть сложнее, поскольку прорези в этом варианте “детской игрушки” изменяют свою геометрию, чтобы пропускать те элементы, которые они предпочитают).

Когда Маккиннон завершил описание структуры клеточной мембраны, мы впервые поняли набор взаимосвязанных механизмов, лежащих в основе биологического электричества: как белки в мембране работают с ионами для создания потенциала действия и как все возвращается к исходному состоянию после прохождения потенциала действия. Узнав структуру ионных каналов, мы смогли окончательно понять суть потенциала действия.

Это очень похоже на пропуск в закрытый ночной клуб.

В клубе

Сразу скажу, что эта аналогия и близко не учитывает всего разнообразия ситуаций внутри клетки и на ее поверхности, а отражает только то, что происходит в точке возникновения напряжения. Но книга у нас, в конце концов, как раз о биоэлектричестве.

Итак, клетку можно сравнить с ночным клубом с чрезвычайно тщательно контролируемой пропускной системой. Ионы играют роль постоянных клиентов, а ионные каналы – роль вышибал на входе для VIP-клиентов. И вместе они осуществляют три этапа прохождения потенциала действия (моя смехотворная аналогия с ночным клубом опирается на превосходное объяснение из книги Фрэнсис Эшкрофт “Искра жизни”).

Этап 1: потенциал покоя

Спокойному состоянию, когда по нерву не распространяется потенциал действия, соответствует так называемый потенциал покоя. Это та самая разность напряжений в 70 милливольт, которую зафиксировали Ходжкин и Хаксли. В этом состоянии внутренняя среда клетки имеет более выраженный отрицательный заряд, чем внеклеточный суп.

Публика внутри нашего клуба в основном состоит из положительно заряженных ионов калия, теснящихся в крохотном пространстве в концентрации, в пятьдесят раз превышающей их концентрацию за стенами клуба. Снаружи на двери клуба напирают многочисленные желающие: главным образом ионы натрия, тоже обладающие положительным зарядом. Но, увы, большинство дверей для них закрыто. Управляющий клубом имеет выраженное предпочтение к представителям группы калия – действует жесткое правило “Натрию вход воспрещен”. Ионы натрия – совсем как мы – все больше и больше скапливаются у дверей, ожидая возможности проникнуть внутрь. Но руководство не дремлет. Если вышибала, имя которому – ионный насос, обнаруживает в клетке ион натрия, каким-то образом проникший внутрь, он немедленно его выдворяет и в назидание тут же впускает на его место три любых иона калия.

Но и ионы калия, в свою очередь, тоже похожи на нас. Они устают от пребывания в клубе и время от времени покидают его, оставляя после себя отрицательный заряд. Им путь ничто не преграждает.

Это тонкое и строго соблюдаемое “менеджментом” равновесие между отчаянной целеустремленностью ионов натрия и чопорностью ионов калия, а также некоторых других факторов удерживает потенциал покоя на клеточной мембране на уровне –70 милливольт (снаружи положительных ионов больше натрия, чем положительных ионов калия внутри, и поэтому внутренняя среда имеет отрицательный заряд по сравнению с внешней).

Неудивительно, что клеточный биолог Роберт Кемпенот сравнивал состояние нервной клетки до прохождения потенциала действия с пороховой бочкой с тлеющим фитилем. Нужен только повод. Любое небольшое изменение равновесия приведет к взрыву.

Но прежде, чем мы начнем об этом говорить, нужно сделать еще одно замечание. Двери