Как увидеть горение нервных потенциалов

Светящиеся точки потенциалов действия нервной клетки.

Мы почти бессознательно произносим выражение «сгорел на работе» и «пламень страсти». Естественно, что никто не ждет в связи с этим знание о тех сложных процессах, которые происходят в мозге и его нервных клетках. Сегодня наука далеко ушла от нейрофизиологии 1930-х годов, когда на фоне полного отсутствия знания о реальных клеточных процессах, протекающих с большой скоростью в органе мышления, упражнялась в придумывании слов. Например, знаменитых «разлитое» и «охранительное» торможение, «временные» связи и т.д. Сейчас в распоряжении нейробиологов гены и их белковые продукты, позволяющие воочию увидеть потенциалы действия, или нервные разряды.

Нервные клетки обычно находятся в покоящемся состоянии. Однако при «коммутации» достаточного количества приходящих импульсов или химико-физического воздействия, улавливаемых белковыми рецепторами нейронов, происходит открытие ионных каналов. Через эти каналы в клетку устремляются ионы кальция, а затем и натрия, генерируя ионный ток. Поэтому такие каналы получили название ионотропных. Есть и метаботропные каналы, открывающиеся в ответ на действие продуктов метаболизма (обмен веществ).

Сгенерированный ток ионов, как и всякий ток, имеет напряжение, поэтому о некоторых каналах говорят, что они вольтрегулируемые. Сотрудники университетов канадской провинции Альберта, Гарвардского и Йельского «наладили» новую белковую систему, которая в ответ на приход электрических сигналов генерирует флюоресценцию (свечение), дав ей название FlicR, то есть флуоресцентный индикатор вольтизображения. Новый белковый комплекс имеет хорошее разрешение, позволяя «увидеть» нейронный потенциал действия и колебание напряжения с частотой 100 Гц. (У нас стандарт для осветительных приборов составляет 50 Гц.)

Потенциал действия (узкий белый пик) вверху – внизу потенциал покоя.  Иллюстрация Physorg

Авторы полагают, что такой подход даст возможность динамического наблюдения за изменениями в нейронах при развитии нейродегенеративных состояний, например болезней Альцгеймера и Паркинсона. Известно, например, что белок Park, мутации гена которого приводят к паркинсонизму, «сидит» в митохондриях – энергетических станциях клетки,  снабжающих нейроны энергией.

Метод удобен при изучении преобразования химических связей в митохондрии, в которых «сжигается» глюкоза и синтезируется АТФ. Недавно выяснилось, что в яичниках одна яйцеклетка образуется за счет «трансфера» ей митохондрий пяти сестринских. Возможно, что это открытие позволит в будущем эффективнее бороться с женским бесплодием, например за счет митохондриальной «накачки» клеток при использовании методов «дети из пробирок».

Но гораздо более широкое применение технология может получить для омоложения кожных фибробластов, то есть клеток, синтезирующих белковые нити, волокна (fibres). Исследователи университета в английском Ньюкасле, в котором впервые заменили митохондрии больной матери на здоровые от другой женщины, выяснили, что митохондрии фибробластов убывают в числе с возрастом. Возможно, что это одна из причин появления морщин и связана она с уменьшением энергоснабжения фибробластов. А они, заметим, способны репрограммироваться, давая новые стволовые клетки.

Подтверждение этому получено в американском Институте медицинских открытий, сотрудники которого показали, что тонкая настройка клеточных энергопотоков позволяет увеличить продолжительность жизни на 25%. Речь идет о круглых червячках Caenorabditis elegans, в теле которых чуть больше 1 тыс. клеток. Ученые достигли успеха «накачкой» клеток этого червячка молекулами фермента аргинин-киназа (ArgК), переносящего энергоемкий фосфат на аминокислоту аргинин.

У людей тоже есть этот фермент под названием «креатин-киназа», которая транспортирует аргинин с фосфатом в те места клетки, где требуется энергетическая подпитка. В опытах на мышах доказано, что креатин – кислота, содержание которой повышено в мышцах и мозге, – улучшает здоровье и продлевает жизнь животных. Помогает креатин и мышам с моделью болезни Паркинсона. Теперь необходимо точно понять, как ArgK действует в клетках, что, возможно, не продлит жизнь человека, но позволит понять, почему старение идет на фоне снижения клеточных функций.

Старение считается защитным механизмом, препятствующим развитию трансформации, приводящей к раку. В некоторых опухолях существенно повышена активность другой киназы, выключение гена которой продлевает жизнь мышей. Этот фермент необходим для питания раковых клеток и снабжения их дополнительной энергией. Функция этого энзима прямо противоположна креатин-киназе, что делает оба протеина перспективной мишенью для разработки новых лекарств тонкой настройки клеточной энергетики.