Могущество ионных каналов

Возникновение некоторых болезней относительно недавно удалось связать с нарушениями транспортировки ионов натрия, калия, хлора и прочих элементов через клеточные мембраны. Эти ионы движутся по белковым каналам, которые называют ионными, а связанные с ними заболевания - каналопатиями. В том, что там происходит, разбирается Алексей Левин.

Клетка как электрическая машина

Любой сложный организм - это сообщество клеток. Тело человека содержит около 100 трлн собственных клеток плюс квадриллион бактерий, населяющих пищеварительный тракт. 

Клетки контактируют с тканевой жидкостью, лимфой и плазмой крови, а также с межклеточным веществом - матриксом. Каждая клетка окружена плазматической мембраной - оболочкой толщиной 7-10 нм. Эта оболочка образована двойным молекулярным слоем (состоящим в основном из фосфолипидов), в который встроено множество белковых структур. К примеру, в клеточных мембранах находятся рецепторы, принимающие внешние химические сигналы и обеспечивающие «общение» клетки с соседями, как близкими, так и далекими. Мембрану пронизывают транспортные комплексы, с помощью которых клетка обменивается веществом со своим окружением. В частности, среди них имеются каналы, через которые ионы пассивно диффундируют в направлении меньшей концентрации. Обычно они пропускают лишь определенные ионы, такие как калий или магний. Некоторые ионные каналы оснащены своими собственными рецепторами. 

В мембраны встроены специальные устройства для активного транспорта ионов - ионные насосы. Они перекачивают заряженные частицы в сторону большей концентрации и тем самым поддерживают разность электрических потенциалов между внутренней и внешней поверхностью мембраны. Фактически это тоже каналы, только снабженные «поршнями». Но для перекачивания этим молекулярным машинам необходима энергия, причем в больших количествах. Около трети потребляемого кислорода и почти половина калорий, получаемых с пищей, уходят на обеспечение их работы. Иногда «поршни» выходят из строя, и насос превращается в канал, пассивно пропускающий ионы в направлении меньшей концентрации. От подобных поломок (которые тоже относятся к каналопатиям) страдают и клетки, и организм в целом. 

Главная роль в электрической активности клетки принадлежит положительным ионам (катионам) натрия и калия. Во внутриклеточной жидкости, цитозоле, концентрация натрия на два порядка ниже, нежели в плазме крови и прочих внеклеточных жидкостях, а калия, наоборот, на два порядка выше. Эту разницу обеспечивают ионные насосы, убирающие из цитозоля натрий и закачивающие туда калий. В результате внутренность клетки оказывается отрицательно заряженной по отношению к ее окружению. В невозбужденной клетке эта разность потенциалов обычно составляет 60-90 мВ. 

Сложнее ситуация с катионами кальция, чрезвычайно важными для работы нервных и мышечных клеток. В состоянии покоя их концентрация в цитозоле в 12 тыс. раз меньше, нежели в околоклеточной среде. Столь гигантская разница (градиент, как говорят ученые) поддерживается системой активной транспортировки ионов кальция, направляющей их из цитозоля не только во внеклеточную жидкость, но и во внутриклеточные кальциевые депо (где их концентрация может на те же четыре порядка превысить концентрацию в цитозоле). Работа этого механизма обеспечивается специфическими ферментами, которые и служат кальциевыми насосами. Однако клетка порой нуждается в притоке кальция, исполняющем важнейшую роль в процессах передачи нервных импульсов и мышечного сокращения. В таких случаях активируются кальциевые каналы, которые пропускают эти ионы внутрь. 

Электрохимия нервных импульсов

Наша нервная система включает порядка сотни миллиардов нейронов и триллионы глиальных клеток. Если нейрон не активен, его мембранные натриевые и калиевые каналы закрыты. При возбуждении нейрона открываются натриевые каналы, и отрицательный внутриклеточный потенциал становится положительным. Затем натриевые каналы снова запечатываются, а калиевые обретают проницаемость, так что ионы калия покидают клетку, и межмембранный потенциал возвращается на круги своя. Этот скачок электрического напряжения между внутренней средой нейрона и его окружением называется потенциалом действия. Распространение потенциала действия вдоль контактирующих друг с другом нейронов и есть нервный импульс. 

От клетки к клетке импульс передается с помощью нейротрансмиттеров. Эти вещества нейроны синтезируют сами и хранят в крошечных жировых пузырьках - везикулах. Везикулы сосредоточены в нервных окончаниях вблизи синапсов, тонких щелей между нейронами или между нейронами и клетками, получающими нервную команду. Когда потенциал действия достигает нервного окончания, в цитозоль проникают ионы кальция, везикулы сливаются с плазматической мембраной и выбрасывают наружу трансмиттеры. Молекулы трансмиттера проникают сквозь синапс и связываются со своими рецепторами на внешней стороне мембраны соседней (постсинаптической) клетки, которая тем или иным образом отвечает на полученный сигнал. Например, постсинаптический нейрон под действием нейротрансмиттера глутамата открывает натриевые каналы и переходит в возбужденное состояние. 

Как болеют каналы

Ну вот мы и добрались до каналопатий. Обо всех них не расскажешь, так что ограничимся лишь несколькими примерами. 

Начнем с клеток мышечной ткани. Подобно нейронам, они проводят электрические сигналы, запускаемые раскрытием натриевых каналови завершаемые исходом из клеток ионов калия. Известно множество генных мутаций, которые увеличивают проницаемость клеточных мембран для ионов натрия - в натриевых каналах образуется натуральная «протечка», клетки чрезмерно насыщаются положительными ионами и надолго задерживаются в фазе возбуждения, что приводит к мышечной слабости и судорогам. Некоторые мутации вызывают противоположный эффект: мышечные волокна время от времени теряют способность возбуждаться, и это приводит к параличам. Носителям таких генных аномалий противопоказаны изюм, курага и другие продукты, богатые калием, поскольку они способствуют обострениям. Слишком высокий уровень калия в крови приводит к мышечной слабости и у людей с нормальной наследственностью. 

У мышечных клеток потенциал действия генерируется с участием не только ионов натрия и калия, но и других заряженных частиц, особенно ионов кальция и хлора. Поломки трансмембранных каналов, по которым диффундируют эти ионы, могут вызвать целый ряд патологий. Среди них и врожденная миотония, которую в 1876 году описал (и назвал) немецкий врач Август Томсен, страдавший ею с раннего детства. При этом заболевании мышцы конечностей, туловища и лица долго пребывают в сокращенном состоянии и чрезвычайно медленно расслабляются. От этого возникают судороги, интенсивность которых зависит от степени стресса. Эти же симптомы характерны и для миотонии Беккера, только они проявляются в более тяжелой форме. 

В конце прошлого века было доказано, что эти патологии возникают из-за дефицита нормально функционирующих каналов хлора. Такой дефицит обусловлен мутациями гена CLCN1, определяющего структуру одного из хлорных каналов скелетных мышц. К слову, миотония Томсена вошла в историю медицины как первая из болезней, причину которой удалось связать с неисправностью ионных каналов. 

Дефектами этих каналов обусловлены и некоторые кардиологические проблемы. Таков, например, синдром, который в 1992 году описали испанские кардиологи Педро и Хосеп Бругада. Для этого генетического заболевания характерны внезапные изменения сердечного ритма, которые происходят в состоянии покоя и даже во сне и зачастую приводят к аритмии желудочков, чреватой летальным исходом. Причиной синдрома Бругада, от которого зачастую гибнут практически здоровые молодые мужчины, служат мутации нескольких генов, не обязательно связанных с ионными каналами. Однако не менее чем в 20% случаев это заболевание вызвано дефектным геном SCN5A, ответственным за натриевые каналы клеток сердечной мышцы. 

К числу каналопатий относят и пока неизлечимое генетическое заболевание кистозный фиброз, или муковисцидоз. Оно обусловлено дефектами белка CFTR, задействованного в транспорте ионов хлора через мембраны клеток внутренней выстилки легких, поджелудочной железы, протоков потовых желез и еще ряда органов. Клиническая картина этой болезни настолько тяжела, что лучше о ней умолчать. 

С некоторыми каналопатиями врачи умеют бороться. Взять, скажем, злокачественную гипертермию, которая еще недавно была кошмаром анестезиологов. Чаще всего этот синдром связан с мутациями гена RYR1, хотя, возможно, имеет и другие причины. Белок, кодируемый этим геном, управляет работой каналов, по которым ионы кальция покидают внутриклеточные депо и выходят в цитоплазму волокон скелетных мышц. Эти мутации проявляются как во время вдыхания некоторых препаратов, применяемых для ингаляционного наркоза, так и при интенсивных физических нагрузках и прочих стрессах. В подобных ситуациях у носителей дефектного гена мышечные клетки переполняются ионами кальция и остаются в сокращенном состоянии без возможности расслабиться. Из-за этого резко возрастают уровень метаболизма и интенсивность образования углекислого газа, а температура тела быстро повышается - иногда на целый градус в пять минут. В организме развиваются патологические процессы, чреватые летальным исходом. Лет сорок назад смертность от этого синдрома доходила до 80%. В наше время людям с подозрительной наследственностью перед операцией делают генетический анализ, позволяющий выявить носителей мутаций. Кроме того, в операционных держат наготове расслабляющий мышцы препарат дантролен, который блокирует выбросы кальция. Сейчас приступы злокачественной гипертермии заканчиваются гибелью больных менее чем в 10% случаев. 

Многие каналопатии если и лечатся, то сложно и дорого. Так, почти все мутации гена, вызывающие кистозный фиброз, препятствуют формированию хлорных каналов. Однако у 4% больных с мутацией типа G551D эти каналы всё же имеются, хотя работают скверно. В прошлом году в США разрешили использовать Kalydeco (ivacaftor, ивакафтор) - первое в мире лекарство, которое восстанавливает у этих пациентов нормальное функционирование каналов и посему устраняет источник недуга, а не просто убирает симптоматику. Ивакафтор фантастически дорог, стоимость годового курса составляет около 300 тыс. долларов. Это типичная проблема фармакологии редких заболеваний - лекарства очень затратны в разработке, а объем их выпуска крайне ограничен. Фирма Vertex Pharmaceuticals, которая производит ивакафтор под торговой маркой Kalydeco, проводит также клинические испытания экспериментального препарата VX-809, который вроде бы помогает носителям наиболее распространенной мутации гена CFTR. Однако время его появления на рынке и предполагаемая цена пока неизвестны. 

Имя им - легион

Принято считать, что в печати термин channelopathies впервые появился в опубликованной в 2005 году статье Альфреда Джорджа, руководителя Отделения генетической медицины университета Вандербильта (США) и директора университетского Института интегративной геномики. Однако же сам профессор Джордж рассказал «НвФ», что в первый раз его услышал в начале 1990-х годов на конференции в Германии. Как нередко бывает, это слово циркулировало в устной речи специалистов и лишь потом укоренилось в научной литературе. 

Профессор Джордж отметил, что число выявленных каналопатий быстро увеличивается. Лет десять назад оно не превышало  пары десятков, а ныне перевалило за полсотни. Обычно они обусловлены генными мутациями, однако иногда возникают из-за дефектов иммунной системы. Таков, например, синдром Ламберта - Итона. При этом заболевании организм вырабатывает антитела, атакующие кальциевые каналы моторных нейронов. Когда потенциал действия доходит до нейрона, в цитоплазму попадает слишком мало ионов кальция, вследствие чего в синаптическую щель не поступает необходимого количества молекул ацетилхолина. Жертвы синдрома Ламберта - Итона мучаются от хронической слабости мышц конечностей. 

Почти все выявленные каналопатии, говорит Джордж, затрагивают скелетные мышцы, сердце и нервную систему. Однако известно несколько патологий, которые поражают почки, кишечник и органы зрения. Они могут возникнуть и в добавление к ранее известным болезням. Так, около процента заболеваний эпилепсией обусловлено генными мутациями, нарушающими работу ионных каналов. 

Некоторые каналопатии поддаются лечению с помощью лекарств и электронных устройств, но многие попросту еще не изучены, и неизвестно, как с ними бороться. Но наука не стоит на месте. По словам Джорджа, сейчас известно не меньше девяти основных генов, кодирующих натриевые каналы в тканях и органах, причем у семи из них выявлены мутации, чреватые риском каналопатий. Такие исследования необходимы как для диагностики, так и для поиска методов их лечения. 

Все известные патологии ионных каналов - относительно редкие заболевания. Например, в США на 10 тыс. жителей приходится один больной муковисцидозом, примерно такова же российская статистика. Однако изучение каналопатий весьма перспективно. Когда мы разговаривали с Фрэнсис Эшкрофт, профессором Оксфордского университета и членом Лондонского Королевского общества, она постоянно возвращалась к этой мысли. Кстати, книга Эшкрофт «На грани возможного. Наука выживания» (Life at the Extremes: The Science of Survival), признанная международным бестселлером, в прошлом году была опубликована в России. 

Эшкрофт подчеркнула, что выявление мутаций, которые стоят за каналопатиями, превратилось в метод получения информации о молекулярной физиологии человеческого организма. Уже обнаружено около пары сотен ионных каналов, и это, по-видимому, еще не предел. Любые дефекты этих трансмембранных транспортных систем сказываются на жизнедеятельности клеток. Если изучаемый дефект удается связать с конкретной мутацией, то появляется возможность разобраться в механизмах взаимодействия белков в затронутых этой мутацией тканях. В общем, ионные каналы стали предметом изучения не только медицины, но и молекулярной биологии. Но это уже совсем другая история.