Над сельской кузницей каштан
Раскинул полог свой.
Кузнец, могучий исполин
С курчавой головой,
Железо там кует весь день
Железною рукой.
Генри Уодсворт Лонгфелло
Деревенский кузнец
[…]
Электропроводка наших мышц
Мышцы, которые приводят в движение наши конечности, состоят из множества клеток, называемых мышечными волокнами. Они собраны в пучки, придающие мясу волокнистую структуру. Нервные клетки, управляющие мышцами, называют двигательными нейронами. В случае их повреждения или нарушения работы мышцы теряют способность двигаться в ответ на наше желание и постепенно атрофируются от бездействия. Это случается, например, при поражении двигательных нейронов, когда их прогрессирующая дегенерация приводит к слабости и атрофии мышц и в конечном итоге к нарастающей неспособности двигать конечностями и затруднениям при разговоре, глотании и дыхании.
Каждая мышечная клетка возбуждается отдельным двигательным нервным волокном, клеточное тело которого находится в головном или спинном мозге. Вместе с тем одна нервная клетка может возбуждать несколько тысяч мышечных волокон, поскольку ее концевая часть имеет множество ответвлений. Нерв и обслуживаемые им мышечные волокна совместно называются двигательной единицей, и, когда нерв возбуждает мышечные волокна, все они сокращаются синхронно. Мышечные волокна, входящие в двигательную единицу, распределены по мышце и нередко находятся довольно далеко друг от друга. Хотя это может показаться странным, в такой организации есть глубокий смысл. Она обеспечивает распределение усилия, генерируемого при возбуждении отдельного двигательного нерва, по всей мышце. В противном случае усилие было бы сконцентрировано в одном месте, а это чревато разрывом мышцы. В мышцах, отвечающих за мелкие движения, двигательные единицы формируются из меньшего числа мышечных волокон — мышцы пальцев человека, например, имеют меньше волокон на двигательную единицу, чем мышцы ног.
Три двигательные единицы окрашены в темно-серый, светло-серый и белый цвет. Каждый двигательный нерв начинается в спинном мозге и возбуждает множество мышечных волокон, из которых сложена мышца.
Контакт нерва с мышцей располагается около центральной части волокна, где нерв разделяется на несколько крошечных ответвлений, каждое из которых образует синапс с мышцей. О строении синапса мы говорили в предыдущей главе. Мышечная мембрана у нервного окончания образует многочисленные складки, увеличивающие площадь поверхности и позволяющие разместиться значительно большему числу ацетилхолиновых рецепторов. Возбуждение нерва приводит к обильному выбросу ацетилхолина, который диффундирует через синаптическую щель и присоединяется к рецепторам.
Как и в нервном волокне, да и во всех остальных клетках нашего организма, в мышечных волокнах существует разность потенциалов на мембранах, при этом потенциал внутри клетки более отрицателен, чем снаружи. Открытие каналов ацетилхолиновых рецепторов приводит к снижению этой разности потенциалов и смещает мембранный потенциал в положительную сторону. Точно так же, как и в нервных клетках, в результате изменения мембранного потенциала открываются натриевые каналы мышцы и генерируется электрический импульс (потенциал действия), который течет по мышечному волокну в обоих направлениях от точки зарождения. Потенциал действия быстро распространяется по поверхности мышечной клетки и затем достигает сети трубчатых впячиваний внешней мембраны, которые идут прямо в центр волокна (так называемых T-трубочек). Это позволяет потенциалу действия глубоко проникнуть в волокно и обеспечить одновременное согласованное сжатие всех сокращающихся нитей. Тот факт, что сокращение отдельно взятой мышечной клетки подчиняется закону «все или ничего», т. е. либо полностью, либо никак, был известен задолго до того, как выяснилось, что и потенциал действия подчиняется этому закону.
В нормальном мышечном волокне один нервный импульс приводит к возникновению одного потенциала действия, который вызывает одно сокращение, например при моргании глаза.
Чтобы восстановиться, мышце требуется некоторое время, поэтому продолжительность отдельного мышечного сокращения значительно больше длительности электрического импульса. Это означает, что при повторяющемся возбуждении сокращения сливаются и в мышце поддерживается стойкое сокращение, известное как контрактура. Это позволяет прикладывать постоянное усилие к тому или иному предмету. Силу, прикладываемую мышцей, можно увеличивать не только путем более частого возбуждения отдельного мышечного волокна, но и через задействование большего числа двигательных единиц. Любое действие, от ввода этих слов с помощью клавиатуры до удара по мячу при игре в сквош, требует сложного согласованного движения множества мышц и точного управления их сокращением мириадами электрических импульсов в нервах и мышцах.
Потенциал действия мышц аналогичен потенциалу действия нервных клеток — он инициируется открытием натриевых каналов и прекращается открытием калиевых каналов. Вместе с тем различие генов участвующих в этом ионных каналов объясняет, почему мутация в натриевом канале мышцы не влияет на натриевые каналы нерва (и наоборот) и почему токсины, которые поражают нервы, не всегда действуют на мышцы. В генерировании потенциала действия в мышце, кроме того, задействовано больше типов ионных каналов, чем в аксонах. Особо важную роль играют кальциевые и хлоридные каналы, называемые так потому, что они избирательно пропускают соответствующие ионы. Мутации в любом из типов каналов, участвующих в генерировании мышечного потенциала действия, могут приводить к нарушениям функционирования мышц.
Импрессив — троянский конь
Лошади породы американская четвертьмильная были выведены для забегов на дистанцию четверть мили (отсюда и название породы), их, кроме того, использовали для перегона крупного рогатого скота, поскольку они демонстрировали исключительную резвость на коротких дистанциях. В наши дни их чаще держат как выставочных лошадей. У некоторых самых красивых представителей этой породы наблюдается мутация гена мышечного натриевого канала, которая вызывает расстройство, называемое гиперкалиемическим периодическим параличом (HYPP). Лошади с HYPP-мутацией очень чувствительны к концентрации ионов калия в крови — у них наступает паралич при ее повышении. К сожалению, высокая концентрация калия естественна для такой кормовой культуры, как люцерна, и поедание люцернового сена нередко приводит к приступам вялого паралича. Он начинается с мышечной дрожи и слабости, переходит в нетвердую походку и пошатывание, а иногда может быть таким сильным, что лошадь запинается и падает. Страдающие таким недугом животные переносят приступы без последствий, но продолжительность жизни имеющих мутацию часто меньше, чем у здоровых.
Мутация, вызывающая HYPP, приводит к тому, что мышечные натриевые каналы инактивируются не полностью. В результате ионы натрия непрерывно поступают в клетку, снижая градиент потенциала на мышечной мембране и повышая возбудимость мышц. Мышцы при этом могут сокращаться, даже когда лошадь стоит на одном месте. Такие спонтанные сокращения мышц создают впечатление, будто под кожей животного извиваются черви. Кроме того, они приводят мышцы в потрясающее физическое состояние — ведь животное фактически непрерывно выполняет изометрические упражнения. Во время приступа потенциал на мышечной мембране падает настолько, что натриевые каналы закрываются (говорят, что они инактивируются). Как результат мышцы не могут поддерживать сокращение, сколько бы их ни возбуждали, они становятся слабыми и вялыми, и лошадь падает.
Хорошо развитая мускулатура — очень ценное качество для выставочной лошади, и животные с HYPP нередко получают призы. Как следствие программы селекционного отбора по уровню развития мышц 4% лошадей породы американская четвертьмильная находятся в группе риска по этому заболеванию. Все они имеют общего предка — жеребца по кличке Импрессив (т. е. впечатляющий). Эту кличку он получил не за численность произведенного потомства, а за силу мышц. Его потрясающее физическое состояние и куча завоеванных призов породили огромный спрос на него как на производителя. Лишь впоследствии выяснилось, что его потомство унаследовало не только великолепные мышцы, поскольку жеребец по кличке Импрессив, подобно троянскому коню, нес в себе еще и зловещий дар.
Из-за того, что для заболевания требуется всего один экземпляр мутантного гена, примерно половина потомства этого жеребца подвержена HYPP. Животные, которые несут два экземпляра мутантного гена, подвержены более тяжелым формам заболевания. Поскольку болезнь диагностируется с помощью простого генетического теста, от нее можно было бы легко избавиться, если бы владельцы согласились исключить разведение животных с одним экземпляром мутантного гена. Эту идею, однако, оказалось трудно реализовать, учитывая, что страдающие генетическим нарушением лошади приносят больше призов и, как следствие, больше ценятся. Тем не менее с 2007 г. жеребята — носители двух экземпляров мутантного гена больше не регистрируются в Ассоциации лошадей породы американская четвертьмильная.
Люди тоже могут страдать от подобных нарушений. При употреблении в пищу богатых калием продуктов вроде абрикосов и бананов больные чувствуют слабость и не могут двинуться после большой физической нагрузки или когда просыпаются.
Во время приступа их конечности становятся дряблыми и безвольно висящими как у тряпичной куклы.
При редкой форме заболевания, известной как врожденная парамиотония, у людей наблюдается мышечная ригидность, когда они переохлаждаются, и этот симптом становится еще более выраженным после физической нагрузки. Это не смертельно, но страшно неприятно, когда вы обнаруживаете, что руки буквально прирастают к лопате при уборке снега, что не можете выпустить из рук металлический руль велосипеда после поездки в холодную погоду, что деревенеете и чувствуете слабость при пробежке по морозцу, что от обычного мороженого невозможно разжать челюсти и вы не можете разговаривать.
HYPP у людей может возникать в результате множества разных мутаций, однако, как и в случае заболевания лошадей, все они делают мышечные натриевые каналы «неплотными». В одних случаях это приводит к чрезмерной возбудимости мышечных волокон, заставляя мышцы дрожать или деревенеть, как при врожденной парамиотонии. В других случаях мышцы совершенно теряют возбудимость так, что больше не могут сокращаться, и человека парализует. Такие состояния провоцируются незначительным увеличением концентрации калия в крови, именно поэтому употребление в пищу богатых калием продуктов вызывает приступ. Хотя любой из нас будет чувствовать мышечную слабость при слишком сильном увеличении уровня калия в крови, люди с HYPP отличаются чрезвычайной чувствительностью к концентрации калия.
Остолбеневший от страха
Натриевые каналы — не единственные ионные каналы мышечных клеток, которые могут создавать проблемы. Наследственное расстройство, похожее на заболевание обморочных коз из штата Теннесси, встречается и у людей. Его впервые описал в 1876 г. немецкий врач Асмус Юлиус Томсен. И он сам, и вся его семья (более 20 человек) на протяжении пяти поколений страдали этим заболеванием. Томсен назвал болезнь врожденной миотонией (от слов myotonia — мышечное напряжение и congenita — наследственный). Любопытно, что он скрывал свою болезнь, пока ему не перевалило за 60, а его сына, который также страдал от нее, не обвинили в симуляции и использовании своего состояния для уклонения от военной службы. Томсен опубликовал результаты своего исследования, чтобы защитить сына.
Люди с врожденной миотонией не могут расслабить мышцы. Все, что требует сильного сокращения мышц, приводит к мышечному «спазму». Стоит им поднять тяжелый чемодан, например, и они не могут разжать руки после того, как поставят его. Известен случай, когда человек, схватившийся за поручень движущегося трамвая, но не успевший запрыгнуть на подножку, не смог разжать руку, и его протащило вдоль трамвайных путей.
Проявления этой болезни усиливаются, когда страдающие ею пытаются сделать резкое движение после отдыха, и постепенно ослабевают в результате постоянной тренировки. Даже во время отдыха их мышцы постоянно испытывают очень слабые подпороговые сокращения. Как и лошади с HYPP, они словно выполняют непрерывные изометрические упражнения. В результате такие люди имеют отличное телосложение и очень хорошо развитую мускулатуру — настолько хорошо, что они смахивают на занимающихся бодибилдингом. Однако, несмотря на атлетическую фигуру, мышцы нередко подводят их. Один больной рассказывал, что стоит ему присесть и занять положение низкого старта, а потом резко встать, как его мышцы тут же застывают. Он говорил, что его «ноги будто защелкиваются в полностью вытянутом состоянии. Это похоже на ходьбу на ходулях». Фактически он начинал бежать лишь на последних 20–30 метрах.
Козы показывают направление
Миотонические козы оказались ключом к пониманию причин врожденной миотонии у человека. Физиолог Ширли Брайант из Цинциннати всегда интересовался мышечными расстройствами. Выдающийся и жизнерадостный человек, который щеголял «конским хвостом» на голове даже в семидесятилетнем возрасте, Брайант активно настаивал на том, что изучение болезней животных может пролить свет на сходные заболевания людей, и держал необычный зверинец, все обитатели которого имели наследственное расстройство функции движения, в том числе голуби-турманы, сизоворонки и редкое австралийское сумчатое животное роттнестская квокка. Поэтому, прочитав в конце 1950-х гг. о козах из штата Теннесси, которые падают каждый раз, когда слышат гудок проезжающего мимо поля поезда, он решил провести исследование.
Брайант отправился в путь на нанятом грузовике, за рулем которого сидел бывший осужденный. С первого захода ему так и не удалось получить коз для экспериментов. Опасаясь жалоб с его стороны на то, что ему подсунули дефектных животных, фермеры предлагали только здоровых коз. Брайанту пришлось еще раз объехать Теннесси и постараться убедить фермеров, что ему нужны именно обморочные козы.
Вернувшись в свою лабораторию, Брайант взял у коз под наркозом небольшой образец межреберной мышечной ткани. Операция была простой, безболезненной и не причинявшей вреда животному — на практике множеству пациентов приходится проходить такую процедуру. Особенность таких межреберных мышц заключалась в том, что они были очень короткими и их можно было вырезать от сухожилия до сухожилия без повреждений. Сначала Брайант ввел один тонкий стеклянный электрод в клетку, чтобы замерить разность потенциалов на клеточной мембране, а затем второй электрод, чтобы стимулировать электрическую активность. Он знал, что в нормальном мышечном волокне приложение небольшого положительного тока приводит к появлению одного потенциала действия и к однократному сокращению мышцы. Однако в мышечных волокнах миотонических коз такой ток вызывал шквал импульсов, которые порою долго не прекращались после окончания стимулирования. Фактически они генерировались без поступления соответствующего сигнала. Это заставляло мышцу долго оставаться в сокращенном состоянии и объясняло, почему ноги коз деревенели, а сами животные падали — просто их мышцы возбуждались слишком сильно. Аналогичная реакция была обнаружена и у больных с врожденной миотонией, что указывало на одинаковое происхождение заболеваний человека и коз.
При стимулировании миотоническая мышца генерирует больше электрических импульсов, и импульсы продолжаются даже после прекращения стимулирования. Если электрический сигнал подать на усилитель звуковой частоты, то нормальная мышца будет давать однократный «щелчок» при стимулировании, а миотоническая мышца звучит как пикирующий бомбардировщик.
В отличие от нервных волокон мышечные волокна имеют высокую плотность хлоридных каналов, и в нормальной мышце поток ионов хлора через мембрану снижает электрическую возбудимость, гарантируя, что один нервный импульс вызовет только одно мышечное сокращение. Брайант предположил, что в миотонической мышце могут отсутствовать функционирующие хлоридные каналы, что повышает возбудимость и приводит к устойчивому сокращению. Его эксперименты поддерживали эту идею, хотя отсутствие в то время подходящего инструмента для фиксации напряжения в мышце не позволяло напрямую измерить хлоридный ток. Несколько лет спустя Ричард Эдриан, специалист по физиологии мышц из Кембриджского университета в Англии, изобрел именно такой инструмент, который требовался Брайанту для подтверждения его теории.
В 1973 г. Брайант получил разрешение приехать в Англию вместе с его четырьмя драгоценными козами. Ввезти коз в Англию было непросто из-за опасения завезти вместе с ними болезнь, известную как «синий язык», и требовалось специальное постановление парламента. В конце концов оно было получено и выглядело как «Постановление № 1 об импорте коз». Эта история привлекла внимание средств массовой информации, она даже попала на первую полосу газеты The Wall Street Journal. Несмотря на все это, коз чуть было не завернули. Их задержали в лондонском аэропорту Хитроу, поскольку на них не было документов. Брайант уехал в Кембридж заранее, чтобы организовать там все необходимое для приема коз, а оформление сопроводительных документов поручил своему коллеге. Но тот забыл сделать это! Опасаясь, что коз просто застрелят, Брайант стал звонить своему кембриджскому коллеге. Оторванному от завтрака Эдриану, хотя и с друдом, удалось убедить власти в том, что требование немедленно уничтожать животных без необходимых документов при прибытии применяется только в том случае, если их «выгружают на берег», но не тогда, когда их «выгружают из самолета». Козам дали отсрочку один день, но этого, к счастью, хватило, чтобы получить нужные документы.
Перфекционист по натуре и немного канительщик, Брайант так и не собрался опубликовать значительную часть результатов, которые он и Эдриан получили в Кембридже с помощью метода фиксации напряжения. Они добавились к массе других неопубликованных документов, занимавших целый шкаф (посетители лаборатории Брайанта нередко удивлялись тому, что он не публикует никакой информации об элегантных экспериментах, поставленных им ранее, — ведь они могли быть полезными для решения некоторых текущих проблем). Тем не менее их исследования ясно показали, что в миотонических мускулах наблюдаются более слабые хлоридные токи и что это вполне объясняет причину многократности повторения потенциала действия, характерной для миотонии.
В 1992 г. ген, кодирующий мышечный хлоридный канал человека, был секвенирован, что позволило страдающим врожденной миотонией пройти тестирование для выявления мутаций.
Первые мутации обнаружились практически сразу же — а вскоре они были найдены и у потомков Томсена. В настоящее время описаны десятки других мутаций гена хлоридных каналов, в том числе и тот, что является причиной миотонии у коз. Все они приводят к потере функции. Помимо этого, как оказалось, одеревенение мышц, подобное тому, что наблюдается при врожденной миотонии, может возникать и при мутациях генов других ионных каналов. Миотония Томсена, однако, имеет особое научное значение, поскольку она является первым расстройством, которое было связано с дефектом ионных каналов. Впоследствии было обнаружено множество других связанных с ионными каналами заболеваний, такое множество, что они получили собственное собирательное наименование. Их называют каналопатиями.
Сопряжение «возбуждение — сокращение»
Вопрос о том, как мышечный потенциал действия заставляет скелетное мышечное волокно сокращаться, не давал покоя ученым на протяжении столетий. Сейчас мы знаем, что сокращение мышцы инициируется повышением внутриклеточной концентрации ионов кальция. В состоянии покоя концентрация кальция внутри мышечной клетки предельно низкая. Электрическое стимулирование мышцы вызывает резкий рост концентрации кальция, который прикрепляется к сократительным белкам и укорачивает мышцу. Ионы кальция при этом поступают не столько из внеклеточного пространства, сколько из ограниченного мембраной внутриклеточного хранилища, называемого саркоплазматической сетью. Кальциевые каналы, известные как рианодиновые рецепторы, располагаются в мембране саркоплазматической сети и регулируют поступление кальция. Когда они открыты, кальций выбрасывается внутрь мышечного волокна и инициирует сокращение мышцы. Когда они закрыты, кальций быстро выкачивается обратно в хранилище, и мышца расслабляется. Рианодиновые рецепторы получили такое название из-за того, что они имеют очень высокое сродство к растительному алкалоиду рианодину.
Как в точности потенциал действия скелетной мышцы инициирует открытие рианодиновых рецепторов, остается в определенной мере загадкой. В конце концов, потенциал действия генерируется в внешней мембране мышечной клетки, а рианодиновые рецепторы расположены в мембранах внутриклеточных хранилищ. Хотя эти мембраны находятся близко друг от друга в местах прилегания в зоне трубчатых впячиваний внешней мембраны, они реально не соприкасаются. Понятно, что в процессе каким-то образом участвуют чувствительные к потенциалу кальциевые каналы в мембранах T-трубочек. В соответствии с одним из наиболее популярных предположений два вида кальциевых каналов находятся в непосредственном физическом контакте, и каналы рианодиновых рецепторов фактически управляются датчиками потенциала кальциевых каналов T-трубочек. В результате потенциал действия мышечной клетки открывает рианодиновые рецепторы, обеспечивая выброс ионов кальция из внутриклеточных хранилищ и инициируя сокращение мышцы.
Мембраны наших мышечных клеток насыщены ионными каналами. Кальциевые каналы в T-трубочках реагируют на разность потенциалов и передают эту информацию рианодиновым рецепторам, которые находятся во внутриклеточных мембранах саркоплазматической сети, хранилища кальция в мышечной клетке. Когда рианодиновые рецепторы открыты, кальций выходит наружу, присоединяется к сократительным нитям и заставляет мышцу укорачиваться. Мышца расслабляется, когда кальций закачивается обратно в хранилище, и его внутриклеточная концентрация падает. Хлоридные каналы также расположены на внешней мембране и в T-трубочках.
Разрази меня гром!
Мутации в рианодиновых рецепторах — каналах для выбрасывания кальция из внутриклеточных хранилищ — также могут приводить к различным расстройствам. Злокачественная гипертермия — редкая патология, поражающая небольшое число людей (примерно одного человека на 20 000 взрослых), однако оно является кошмаром для анестезиологов. Когда страдающему заболеванием дают общий наркоз, например, используют галотан или определенные виды миорелаксантов, эта процедура инициирует непроизвольное сокращение скелетных мышц и заметное усиление мышечного метаболизма, что повышает тепловыделение и приводит к очень быстрому подъему температуры тела — иногда на 1 °С каждые пять минут. По существу, у пациентов просто начинается горячка. Такой приступ требует неотложного медицинского вмешательства — если его не снять немедленно, то повышение температуры тела может стать фатальным. Это одна из основных причин гибели пациентов от наркоза.
Злокачественная гипертермия бывает также у свиней, в этом случае ее называют синдромом стресса у свиней. Когда-то она была распространена в Великобритании и оказывала серьезное воздействие на экономику, поскольку не только приводила к гибели свиней, но и делала их мясо очень бледным, мягким и негодным для продажи. Как следует из названия этого заболевания, оно инициируется любыми формами стресса, включая физическую нагрузку, секс (у кабанов), опорос, перевозку на рынок или просто содержание в стесненных условиях. Причиной является мутация в рианодиновых рецепторах, которая приводит к увеличению вероятности открытия и сбою механизма закрытия каналов и, как следствие, к увеличению концентрации кальция в мышечной клетке, стимулированию метаболизма, сокращению мышц и повышению температуры тела. Кожа животного становится красной и покрытой пятнами, и оно может умереть от теплового удара в течение 20 минут после начала приступа.
Все больные свиньи имеют одну и ту же мутацию и общего предка, у которого эта мутация возникла случайным образом. Распространение синдрома стресса у свиней в Великобритании было связано с тем, что целью селекционной работы было выведение породы с постным мясом и уменьшенной прослойкой хребтового сала, а эти признаки, к несчастью, оказались связанными с геном, несущим злокачественную гипертермию. Нежирные животные с развитой мускулатурой намного чаще имеют мутировавший ген. Ген синдрома стресса у свиней в настоящее время почти полностью исключен в поголовье британских свиней с помощью простого приема — каждому животному дают вдохнуть немного препарата для общего наркоза (например, галотана). Свиней, у которых наблюдается напряжение мышц и подъем температуры тела на 2 °С в течение пяти минут, исключают из числа производителей.
Свиньи стали ключом для понимания молекулярной основы заболевания людей. После установления причины синдрома стресса у свиней соответствующие мутации довольно быстро обнаружили в рианодиновых рецепторах примерно трети семей, страдавших злокачественной гипертермией. Считается, что у них наркоз приводит к необычной «неплотности» рианодиновых рецепторов и свободному прохождению ионов кальция через них. Их выброс из внутриклеточных хранилищ инициирует устойчивое сокращение мышц и одеревенение. Это, в свою очередь, стимулирует мышечный метаболизм настолько сильно, что температура тела может подскочить до опасного уровня.
Поскольку болезнь передается наследственным путем, в настоящее время есть возможность заранее определить, может ли анестезия вызывать проблемы у членов семьи, и принять соответствующие меры. Кроме того, такое лекарственное средство как дантролен, блокирующее выброс кальция из внутриклеточных хранилищ, теперь держат наготове во всех операционных на случай злокачественной гипертермии. Первыми обнаружили эффект дантролена Ширли Брайант и Кит Эллис.
Их открытие позволило спасти множество жизней, поскольку оно снизило смертность от приступов с 80% в 1970-х гг. до 10% в наши дни.
У Брайанта был давний интерес к электричеству — в самом начале карьеры его здорово тряхнуло. Еще во время учебы он участвовал в разработке генератора молний для стенда General Electric на всемирной выставке и получил удар электрическим током напряжением 30 000 В. К счастью для страдающих врожденной миотонией и злокачественной гипертермией, Брайант выжил.
