с вышибалами, о которых я рассказывала до сих пор, – не единственные способы попасть в клуб. Есть еще пожарные выходы – потенциал-зависимые натриевые каналы. Они открываются, если чувствуют изменение тщательно поддерживаемого потенциала покоя. Если величина заряда за пределами клуба изменяется сильнее допустимого, в один момент высвобождается вся потенциальная энергия, удерживаемая в хрупком равновесном состоянии[120]. Иными словами, если толпа ионов натрия за пределами клуба становится чрезмерно буйной, она разрывает бархатную ленту у двери и самовольно врывается внутрь. И в клубе начинается паника.

Этап 2: потенциал действия

Мембранный потенциал имеет очень значительную величину по отношению к размеру клетки. Толщина клеточной мембраны составляет около 10 нанометров, а напряжение на одной стороне отличается от напряжения на другой на 70 милливольт. Если бы эквивалентная разность потенциалов могла существовать в масштабах всего нашего тела, она составляла бы 10 миллионов вольт. То есть… много. Удар током, от которого у вас потемнеет в глазах и непроизвольно вырвутся непечатные слова, происходит под действием напряжения около 1000 вольт.

Таким образом, потенциал действия для наших друзей охранников – ионных каналов – является гораздо более сильным шоком. Двери пожарных выходов широко распахиваются. Ионы натрия пользуются всеобщим замешательством и бросаются внутрь, запуская цикл обратной связи: чем сильнее изменение мембранного потенциала, тем больше натриевых каналов открывается и тем больше ионов натрия проникает внутрь. А чем больше ионов натрия проникает внутрь, тем сильнее увеличивается положительный заряд, и открываются новые натриевые каналы. И так далее. За одно мгновение натрий берет всю клетку штурмом.

Этап 3: деполяризация

Теперь ранее закрытый клуб заполонен миллионами ионов натрия, которые теснят и толкают напуганные ионы калия, и напряжение внутри клетки может очень быстро стать на сотню милливольт больше, чем снаружи. Менее чем через миллисекунду после этого открываются калиевые каналы, через которые все ионы калия начинают в массовом порядке с отвращением покидать свой клуб.

Массовый исход ионов калия приводит к возвращению мембраны в состояние покоя. Однако теперь в клубе собрались “неправильные” посетители. Руководство оказывается не в силах вернуть убегающие ионы калия и вновь запирает ворота. Вышибалы начинают нехорошо похрустывать костяшками. Большинство ионов натрия покидают клетку по собственному желанию[121]. А вот для того, чтобы убедить ионы калия вернуться в разгромленный клуб, приходится приложить некоторые усилия. Однако в конечном итоге их все же удается вернуть. А затем снова запускается обратный отсчет до следующего подобного происшествия.

Изменение напряжения приводит к открытию и закрытию каналов[122]. Реагирующие на него натриевые и калиевые каналы регулируют генерацию потенциалов действия, которые позволяют передавать сигналы из одного конца нейрона в другой. Как выяснилось, тот же механизм регулирует высвобождение химических нейромедиаторов. На самом конце аксона, где заканчивается передача потенциала действия, функционируют другие вышибалы – потенциал-зависимые кальциевые каналы. При прибытии потенциала действия они открываются, и в окончание аксона врываются ионы кальция из соленого внеклеточного океана. Это приводит к высвобождению нейромедиаторов (серотонина, дофамина, окситоцина, о которых вы, вероятно, слышали), дрейфующих от окончания аксона к ближайшей точке входа в дендрит соседнего нейрона. Это запускает следующий потенциал действия, и последовательность событий повторяется заново. Все эти процессы, как химические, так и электрические, в конечном итоге контролируются напряжением на мембране, то есть ее электрическим статусом.

Такова история нервного импульса, ответственного за каждое наше ощущение, движение, каждую эмоцию и каждый удар сердца. Электричество – главная движущая сила этих реакций. Источник нашего с вами электричества – не специфический орган, как у электрического угря, а самовозобновляющийся механизм, функционирующий внутри самих клеток за счет точно скоординированного танца ионов при участии белков.

Базовый механизм в основе всех этих сложных процессов удивительно прост. Соберите больше заряженных ионов на одной стороне мембраны, чем на другой, – и получите разность напряжений. Измените напряжение – и произойдет выброс энергии. Примерно так работает батарейка: на двух ее сторонах находится разное количество зарядов. Теперь мы понимаем, что нервные и мышечные клетки – это крохотные перезаряжаемые батарейки.

Сорок триллионов батареек

Однако это не единственные клетки, которые действуют как батарейки. Когда появилась возможность детально исследовать ионные каналы с помощью методов молекулярной биологии, стало ясно, что ионные каналы (и ионы, которым они позволяют или не позволяют проходить) присутствуют и во всех других клетках тела. Это было неожиданностью: что они там делают? Зачем электричество всем остальным клеткам?

Со временем мы узнали ответ. В 1984 году физиолог и специалист по ионным каналам Фрэнсис Эшкрофт обнаружила, что поджелудочная железа, например, для передачи электрических сигналов использует специфические калиевые каналы, которые синхронизируют работу бета-клеток, секретирующих инсулин (электрический сигнал передается в десять раз быстрее химического, так что это единственный способ заставить многие клетки работать в унисон). Для координированной секреции инсулина работа этих ионных каналов должна быть идеально слаженной. В начале 2000-х годов Эшкрофт и Эндрю Хэттерсли обнаружили мутацию, при которой эти каналы остаются открытыми, что приводит к развитию одного из вариантов диабета.

Подобные результаты накапливались и вскоре трансформировали медицину. Возникла самостоятельная биомедицинская дисциплина – физика ионных каналов. Теперь у ученых появились инструменты и подходы для изучения механизмов, с помощью которых ионные каналы в мышечных и нервных клетках поддерживают большинство основных функций человеческого тела. И еще важнее – для изучения того, что происходит, когда они этого не делают. Самое же главное – в арсенале ученых появился новый инструмент для более тонких манипуляций с электричеством, который оказал самое значительное влияние на исследования в области биоэлектричества со времен изобретения батарейки.

Впервые идея о возможности управления электричеством в теле с помощью медикаментов зародилась благодаря изучению нейротоксинов. Исследования 1960-х годов показали, что большинство из этих природных ядов влияют на баланс натрия и калия, нарушая тонкие механизмы клеточной коммуникации: их действие как бы противоположно действию раствора Рингера[123]. Рыбу фугу нельзя есть (если только ее не приготовил специалист, хорошо знакомый со всеми тонкостями разделки) как раз по той причине, что в одном из участков ее тела содержится защитное вещество, называемое тетродотоксином. Даже минимальное количество этого вещества при попадании внутрь человеческого организма может очень быстро вызвать паралич мышц, ответственных буквально за все функции тела, включая мышцы легких, и человек задохнется. Точный механизм этого процесса был раскрыт благодаря углубившемуся в результате работы Неэра и Закмана пониманию функции ионных каналов: тетродотоксин препятствует проникновению в клетку ионов натрия[124]. Он сам внедряется в каналы, блокируя вход, а если нет притока натрия, то нет и оттока калия, и это препятствует каскадной реакции, обеспечивающей