Каждая живая клетка окружена мембраной, состоящей из двойного слоя липидных (жировых) молекул с вкраплениями белков. Примечательное свойство такой мембраны - избирательная проницаемость: эффективно защищая клетку от агрессивной внешней среды, она пропускает внутрь все, что необходимо для жизнедеятельности, в том числе и воду. Ученые еще в середине XIX века высказывали предположения о том, что в клеточной оболочке существуют поры для просачивания воды, однако длительное время преобладало мнение, что вода просто диффундирует через клеточную мембрану.

МЕМБРАННЫЕ КАНАЛЫ: ВОДА ОТДЕЛЬНО ОТ ИОНОВ, А ИОНЫ – ДРУГ ОТ ДРУГАНобелевская премия 2003 года по химии присуждена за исследования, имеющие непосредственное отношение к биологии, а именно к жизнеобеспечению живой клетки - элементарной ячейки биологических организмов. Открытия двух американских ученых - Питера Эгра и Родерика Мак-Киннона - позволили досконально разобраться в том, каким образом протекает водно-солевой обмен клетки с окружающей средой.

Открытие аквапорина - белка, образующего водную пору, - произошло благодаря счастливой случайности. В 1987 году Питер Эгр, изучая белки-антигены эритроцитов, обнаружил мембранный белок с неизвестной функцией. Оказалось, что такой же белок в изобилии присутству ет в почечных канальцах - тканях, которые способны прокачивать огромные количества воды. Это и навело ученого на мысль, что найденный белок имеет отношение к транспорту воды через клеточную мембрану. П. Эгр и его коллеги смогли установить аминокислотную последовательность белка и затем клонировали участок ДНК, кодирующий синтез аквапорина. Ученые провели несколько экспериментов, неоспоримо доказывающих ключевую роль этого белка в транспорте воды. Например, если "заставить" клетку производить аквапорин в больших количествах, она начинает интенсивно всасывать воду, набухает и буквально разрывается от избыточного внутреннего давления.

В конце 1950-х годов было установлено, что в мембранах эритроцитов есть специальные каналы, через которые вода проходит, а ионы - нет. При этом клеточный "водопровод" обладает потрясающей пропускной способностью: до миллиарда молекул воды в секунду. Логично было предположить, что, как и в случае других веществ, например сахаров и аминокислот, транспорт воды через мембрану происходит с помощью белка. Но какой именно белок выполняет данную функцию? Этот вопрос довольно долго оставался без ответа.

Открытый П. Эгром белок - первый, но не единственный из семейства аквапоринов. К настоящему времени известно около 200 разновидностей белков водных каналов у растений и животных, в том числе 11 - у человека. Благодаря аквапоринам клетки не только регулируют свой объем и внутреннее давление, но и выполняют такие важные функции, как всасывание воды в почках животных и корешках растений.

Пространственная структура аквапорина напоминает цилиндрический канал, по которому движутся молекулы воды. Через него проходит только вода, но не ионы. Аминокислоты в белке расположены таким образом, что полярность создаваемого ими электростатического поля "переключается" в центре молекулы на обратную. Поэтому молекулы воды, дойдя до середины канала, переворачиваются так, что их дипольные моменты в верхней и нижней части канала направлены в противоположные стороны. Такое переориентирование предотвращает просачивание через канал ионов. Аквапорин не пропускает даже ионы гидроксония H₃O+ (то есть гидратированны е протоны), от концентрации которых зависит кислотность среды.

Еще в 1890 году Вильгельм Оствальд, нобелевский лауреат 1909 года, показал, что электричес кие токи в живых тканях могут быть вызваны ионами, которые перемещаются через клеточную мембрану. Основные принципы работы ионных каналов и роль ионов в работе нервной системы установлены в 1950-1960-е годы. В 1963 году за открытия в этой области британским исследователям Алану Ходжкину и Эндрю Хаксли присудили Нобелевскую премию, но молекулярные механизмы ионного транспорта оставались неясными до последнего времени.

Создав белковые поры, пропускающие сквозь клеточную мембрану чистую воду, природа позаботилась и о том, чтобы обеспечить каналы для переноса компонентов растворенных в воде солей, прежде всего ионов натрия и калия. Транспорт этих заряженных частиц позволяет клетке генерировать и передавать электрические сигналы.

Изучение мембранных каналов, как водных, так и ионных, имеет не только теоретическое значение. Открытия нобелевских лауреатов 2003 года способствуют пониманию причин заболеваний почек, сердца, мышечной и нервной систем.

Ученых особенно интересовало устройство канала, который пропускал ионы калия, однако почему-то не давал пройти чуть меньшим по размеру ионам натрия. Высказывалось предположение, что белок, образующий канал, содержит фильтр из нескольких атомов кислорода, которые имитируют оболочку из молекул воды, окружающую ион калия в нормальном состоянии. Чтобы внести в этот вопрос окончательную ясность, требовались данные рентгеноструктурного анализа, но получить их оказалось не просто - для этого требовалось выраcтить из белка кристалл. Первым, кто сумел достичь результата, стал Родерик Мак-Киннон. В 1998 году он представил трехмерную структуру калиевого ионного канала бактериальной мембраны. Это позволило изучить работу ионного фильтра во всех деталях. Оказалось, что расстояния между атомами кислорода и ионом калия внутри канала в точности соответствуют расстояниям между калием и кислородом воды в растворе. Именно поэтому калий беспрепятственно проходит через канал, а натрий остается в водном растворе.

В основе магнитно-резонансной томографии лежит явление протонного магнитного резонанса, открытое в 1946 году американскими исследователями Ф. Блохом и Э. Пёрселлом (Нобелевская премия по физике, 1952 год). Суть его состоит в следующем. Ядра атома водорода - протоны - представляют собой своего рода микроскопические компасы. Если их поместить во внешнее магнитное поле, то стрелки "компаса" как бы вытягиваются по стойке "смирно" вдоль силовых линий. Причем вектор магнитного момента протона может быть ориентирован как параллельно вектору магнитного поля (состояние с низкой энергией), так и антипараллельно (состояние с высокой энергией). Если направить на образец радиоволны, то при определенной (резонансной) частоте параллельно ориентированные ядра поглощают энергию радиоволны и переходят из низкоэнергетического состояния в высокоэнергетическое. В принципе, магнитный резонанс наблюдается не только для протонов, но и для некоторых других ядер, поэтому общее название этого явления - ядерный магнитный резонанс (ЯМР).

Кандидат физико-математических наук Е.ЛОЗОВСКАЯ. ДИАГНОЗ СТАВИТ ПРОТОН Наверное, многие слышали об уникальном диагностическом методе - магнитно-резонансной томографии (по-английски: MRI - magnetic resonance imaging), а кое-кто уже испытал ее возможности на себе. За открытия, совершенные в этой области, американский ученый Пол Лотербур и британец Питер Мэнсфилд стали лауреатами Нобелевской премии в области физиологии и медицины за 2003 год. И неудивительно: в последнее десятилетие магнитно-резонансная томография буквально затмила все другие диагностические методы. С ее помощью можно заглянуть внутрь организма человека, получить цветное изображение органа, увидеть своими глазами опухоль, тромб, кровоизлияние, вывих, воспаление.

Тело человека на две трети состоит из воды, каждая молекула которой содержит два атома водорода (протона). Ученым пришла в голову идея обработать резонансные сигналы протонов, находящихся в составе молекул воды человеческого организма, чтобы получить информацию о содержании воды в разных тканях. Так в 1970-х годах появился на свет метод магнитно-резонансной томографии. Слово "ядерный" в названии метода авторы намеренно опустили, поскольку в сознании обывателей оно ассоциируется с гонкой вооружений и экологическими катастрофами.

Энергия радиоизлучения, необходимая для появления резонанса, зависит как от величины приложенного магнитного поля, так и от химического окружения ядра. Именно поэтому в последнее время ЯМР стал мощнейшим инструментом для изучения химического состава соединений, агрегации и ориентации молекул, конформации белков, структуры ДНК и др. На пути своего победного шествия метод неоднократно совершенствовался, что и было отмечено двумя Нобелевскими премиями по химии (1991 и 2002 годы).

Основная задача медиков при постановке диагноза - определить места уплотнений, разрежений, кровяных сгустков в ткани. Магнитно-резонансная томография позволяет это сделать. При выключении электромагнитного излучения протоны относительно медленно возвращаются в исходное состояние, то есть релаксируют. При этом они испускают электромагнитные волны, которые регистрируются катушками. Скорость затухания резонанса и амплитуда испускаемых сигналов напрямую зависят от свойств ткани: плотности, содержания воды, однородности.

В чем же отличие магнитно-резонансной томографии от обычного ЯМР? Как и в ЯМР, объект исследования (в данном случае - это человек) помещают в постоянное магнитное поле, а затем облучают радиоволнами в метровом диапазоне. Для удобства измерения источниками радиоволн служат катушки, по форме повторяющие контуры той или иной части тела. Одно из основных отличий заключается в том, что одновременно начинают работать три градиентных магнита, дополнительно генерирующих более слабое магнитное поле. Поле каждого из этих магнитов имеет градиент, то есть плавно меняется - возрастает или убывает - в одном из трех направлений (x, y и z). Поэтому каждую точку пространства характеризует свое значение напряженности магнитного поля. Это и дает возможность регистрировать сигнал ЯМР от небольшого участка тела (условно говоря, кубика со стороной 1-3 мм). Сигналы от кубиков, расположенных в одной плоскости, создают картину тонкого слоя. Метод позволяет сканировать любую часть тела в нужном направлении. Именно за разработку этого технологического новшества Пол Лотербур получил Нобелевскую премию.

Метод магнитно-резонансной томографии практически не имеет недостатков (если не считать его дороговизну и невозможность поставить диагноз больным, страдающим клаустрофобией или имеющим металлические имплантаты). Уже сегодня с его помощью можно с высокой вероятностью диагностировать злокачественные опухоли, воспалительные процессы, кисты, инсульты, рассеянный склероз, болезнь Альцгеймера, вывихи, переломы, смещение межпозвонковых дисков. А возможности применения метода в будущем ограничены только рамками нашего воображения.

После математической обработки сигналы чудесным образом превращаются в изображение на экране компьютера. За то, что в считанные секунды врач может увидеть, как выглядит больной орган, мы должны быть благодарны нобелевскому лауреату Питеру Мэнсфилду.

Родерик Мак-Киннон (Roderick MacKinnon), Университет Рокфеллера, Нью-Йорк (США), удостоен премии за структурные исследования ионных каналов.

Кандидат химических наук О.БЕЛОКОНЕВА. Питер Эгр (Peter Agre), Медицинская школа Университета Джона Хопкинса, Балтимор (США), получил премию за открытие водных каналов.

В центре водного канала, образованного белком аквапорином, сосредоточен положительный заряд. Поэтому положительно заряженные ионы, например ион гидроксония, через канал пройти не могут.

Эксперимент с незрелыми яйцеклетками шпорцевой лягушки Xenopus laevis, мембрана которых не содержит аквапорина (это необходимое условие выживания яйцеклетки в природной водной среде). Если ввести в клетку РНК, содержащую информацию о синтезе аквапорина, начнется производство этого белка. Такие яйцеклетки интенсивно поглощают воду и набухают.

Меньший по размеру ион натрия не соответствует структуре фильтра и не может пройти через канал.

Этот ионный канал пропускает ионы калия, но не натрия. Вне клеточной мембраны (А) ионы калия и натрия находятся в окружении молекул воды (показаны на рисунке красным цветом). Внутри фильтра (В) атомы кислорода образуют структуру, которая имитирует водную оболочку иона калия.

Питер Мэнсфилд (Университет Ноттингема, Великобритания).

Пол Лотербур (Иллинойский университет, США).

Всего лишь полчаса безопасного для здоровья обследования на магнитно-резонансном томографе позволяют врачу поставить больному точный диагноз.

Любая заряженная частица, в том числе и протон, при вращении создает магнитный момент и превращается в миниатюрный магнитный диполь с двумя полюсами. В обычных условиях магнитные моменты протонов направлены хаотично (А), но во внешнем магнитном поле они выстраиваются вдоль силовых линий (В).



Магнитно-резонансная томография помогает нейрохирургам при сложных операциях не повредить важные участки мозга. На трехмерном срезе головы показаны: злокачественная опухоль (зеленый цвет), а также слуховой (красный цвет), зрительный (голубой цвет) и двигательный (желтый цвет) центры головного мозга.