1 октября 1999

Ласкер Нобеля спросил (часть 1)

Научных Нобелей начнут давать в понедельник 11 октября, а пока оглашено только имя лауреата в области литературы - немецкого писателя Гюнтера Грасса. А пока Нобелевский комитет заканчивает свои раздумья, в США уже назвали лауреатов второй по престижу научной награды для биологов и медиков - Ласкеровской премии.

Ласкеровская премия была учреждена в 1945 году американскими филантропами Альбертом и Мэри Ласкер (никакого отношения к знаменитому шахматисту не имеющих). Премий всяких вообще много, но Ласкеровская выделяется среди них своей завидной способностью предсказывать будущих нобелевских лауреатов. За последние 30-40 лет больше половины удостоенных вниманием Фонда Ласкера получили и Нобелевскую премию, причем большинство из них - через год-другой после Ласкеровской, а в промежутке между 1979 и 1989 годами ВСЕ нобелевские лауреаты в области физиологии и медицины были отмечены до того Ласкеровской премией.

Ласкеровская премия присуждается в трех номинациях - за достижения в области фундаментальной медицинской науки, за достижения в области прикладной медицинской науки и за особые достижения в области медицины (обычно по общему вкладу за всю научную карьеру). Сегодня наш рассказ о лауреатах этого года в области фундаментальных исследований. Вот они: Клей Армстронг (Пенсильванский университет), Бертиль Хилле (Университет штата Вашингтон) и Родерик Мак-Киннон (Рокфеллеровский университет). Все трое из США, и награждены они "за определение функциональной и структурной архитектуры белков ионных каналов, которые регулируют электрический потенциал на мембранах у всех живых существ, генерируя таким образом нервные импульсы и контролируя мышечное сокращение, сердечный ритм и гормональную секрецию".

Чтобы понять, что же сделали лауреаты для современной биологии, требуется небольшой исторический экскурс. В начале 1950-х годов англичане Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли, работая с гигантскими нейронами кальмаров, создали основы современной теории прохожденния нервного импульса. Нервные (да и другие) клетки активно поддерживают разность концентраций определенных ионов между окружающей средой и своим внутренним пространством. Поскольку мембрана представляет собой гидрофобную липидную структуру, то просто так заряженные ионы ее пересечь не могут - только если в ней есть дырки. А если их нет? Тогда и получается, что ионов калия K⁺ в клетке намного больше, чем снаружи, а ионов натрия Na⁺, наоборот, меньше. Также существует разница между концентрациями ионов хлора и кальция. В сумме это создает на мембране потенциал около -70 милливольт (внутренняя поверхность клеточной мембраны заряжена отрицательно по отношению к внешней поверхности). Как обнаружили Ходжкин и Хаксли, если мембрану деполяризовать, то резко изменяется ее проницаемость для ионов натрия - как будто появляются те самые дырки. Ионы, разумеется, сразу начинают выравнивать градиент концентрации, входя внутрь клетки. Таким образом деполяризация одного участка мембраны вызывает деполяризацию соседнего участка, и именно так распространяется вдоль нейрона нервный импульс. Через доли секунды после повышения проницаемости мембраны для Na⁺ повышается и ее проницаемость для K⁺, и происходит реполяризация, вследствие чего "дырки" закрываются. Потом за счет активного переноса ионов градиенты восстанавливаются, и нервная клетка вновь готова к работе.

Но, как ни хорошо модель Ходжкина-Хаксли описывала происходящее, оставалась маленькая деталь. А именно - определить, что представляют из себя эти самые дырки, которые таинствено образуются при деполяризации мембраны. Тут-то и вступает в действие первый из наших героев, Клей Армстронг. В конце 1960-х годов он выдвинул гипотезу о том, что в мембране всегда присутствуют узкие поры или каналы, пронизывающие ее насквозь. Ширина этой поры определяет ее специфичность - через натриевые каналы не проходит калий, и наоборот. Армстронг блестяще подтвердил свою гипотезу, открыв специфические вещества, которые могут избирательно блокировать определенные каналы и препятствовать прохождению ионов (например, яд рыбы фугу, тетродотоксин, блокирует натриевые каналы и является самым сильным известным человеку ядом). Позже, в 1970-х, Армстронг определил и механизм активации и инактивации ионных каналов, показав, что они на самом деле друг от друга независимы. Если представить себе грубую механическую модель, то можно сказать, что на внутреннем (то есть, направленном внутрь клетки) конце канала есть крышка, в нормальном состоянии закрытая, а на внешнем - затычка, к нормальном состоянии открытая. При активации открывается крышка, и ионы могут проходить насквозь, а при реполяризации мембраны канал "затыкается" сверху. Долгое время эта конструкция вызывала недоверие коллег Армстронга (возможно, тем, что подозрительно похожа на механизм сливного бачка), но сейчас она считается общепринятой. Ну и наконец, сама крышка тоже недолго оставалась загадкой для Клея Армстронга. Он показал, что она состоит из двух спиралей, одной заряженной положительно, другой - отрицательно, и что в поляризованной мембране они частично входят друг в друга (поразив коллег еще одним сравнением - на этот раз с застежкой-молнией), а при деполяризации расходятся и открывают путь ионам.

Второй лауреат, Бертиль Хилле, начинал примерно в одно время с Армстронгом - то есть тогда, когда в существование ионных каналов мало кто еще верил. Собственно, именно Хилле доказал, что дырки в мембране вообще существуют до ее деполяризации, показав, что импульс может генерироваться только в определенных участках мембраны, а не в любом ее месте, как считалось до него. Он открыл несколько веществ, специфически блокирующих калиевые и натриевые каналы, и доказал, что они действительно различаются между собой. Здесь его поджидал вполне естественный вопрос - как именно каналы различают эти ионы? Почему один ион, по размерам меньший, чем другой, не проходит через оба вида пор? Как показал Хилле, натриевый канал построен совчем иначе, чем калиевый. Ионы в растворе сольватированы - окружены своеобразной водяной "шубой". Ион натрия, проходя через натриевый канал, свою "шубу" теряет, по пути образуя временные химические связи с внутренней поверхностью канала, а затем вновь сольватируется. Ион калия такого сделать не может, потому что энергии связей, которые он может образовать с каналом, недостаточно для компенсации потери сольвентной оболочки. Калиевый же канал способен пропускать сразу несколько ионов калия, а натриевые ионы тоже не могут эффективно формировать связи с его порой.

В отличие от Армстронга, увлеченного фундаментальными аспектами биологии ионных каналов, Хилле всегда уделял внимание возможным медицинским приложениям. Именно это помогло ему сделать, пожалуй, самое значительное свое открытие - как работают обезболивающие средства. Оказалось, что самые обычные анестетики - новокаин и его родственники - вызывают обезболивание именно за счет связывания с натриевыми каналами и блокирования нервного импульса. Это открытие, сделанное в 1977 году, сразу превратило биологию ионных каналов из занятия, представляющего сугубо научный интерес, в цель многих крупных фармацевтических компаний. Вскоре было обнаружено, что еще один важный класс лекарств - антиаритмические средства, применяющиеся при многих сердечных заболеваниях - тоже представляют собой блокаторы ионных каналов. Что, разумеется, никак не помешало финансовому состоянию данной области науки.

Окончательно разобрался с ионными каналами третий ласкеровский лауреат этого года - Родерик Мак-Киннон. В современной биологии описание белка не считается полным, пока не определена его трехмерная структура - обычно это делается с помощью рентгеновской кристаллографии, иногда ядерного магнитного резонанса. Но белки, живущие в мембране, этими способами исследовать очень трудно. Однако именно это и сделал Мак-Киннон - используя рентгеновскую кристаллографию, определил структуру калиевого канала (попутно открыв еще один специфический блокатор - яд скорпиона). Канал оказался состоящим из четырех одинаковых молекул белка и похожим на воронку с крышкой, в которой есть дырка. Более того, Мак-Киннон сумел увидеть три иона калия внутри канала, непосредственно подтвердив таким образом выводы Хилле.

Последний раз Нобелевская премия была присуждена за работы, связанные с нейробиологией, всего два года назад датчанину Йенсу Скоу, открывшему натрий-калиевую АТФазу - белок, который создает тот самый градиент концентраций ионов Na⁺ и K⁺, о котором речь шла в начале нашей статьи. Сколько осталось ждать ионным каналам?

Ссылки:

1. http://www.laskerfoundation.org/ - официальный сайт Фонда Ласкера.

Обратно к списку заметок