Molekuljarnaja Biologija Kletki v3
.pdf
331
Рис. 19-40. Морская улитка Aplysia punctata (вид сверху). Лежащий сверху лоскут ткани отогнут, что позволяет видеть жабру, защищенную мантией и раковиной. (По J. Giart, Mem. Soc. Zool. France, 14, 219, 1901.)
прикосновение к сифону. Этот эффект сенситизации сохраняется в течение многих минут или даже часов в зависимости от силы вызвавшего его стимула и представляет собой простую форму кратковременной памяти. Если воздействие болевого стимула повторяется в течение нескольких дней, сенситизация (т. е. проявление памяти) становится долговременной и сохраняется несколько недель. Описанные модификации поведения удалось связать с изменениями, происходящими в определенной группе синапсов нейронной сети, ответственной за рефлекс втягивания жабры. У аплизии имеются очень крупные (100 мкм) нейроны, которых сравнительно немного (~ 105), и их можно распознавать индивидуально по их внешнему виду и положению. Прикосновение к сифону приводит к возбуждению группы сенсорных нейронов. Эти нейроны образуют возбуждающие синапсы на двигательных нейронах, ответственных за втягивание жабры. В основе поведенческих феноменов лежат изменения в этих синапсах. Во время привыкания величина постсинаптического потенциала в упомянутых двигательных нейронах уменьшается при повторной стимуляции их сенсорными клетками. При сенситизации наблюдается обратный эффект - постсинаптический потенциал возрастает. И в том и в другом случае изменение величины потенциала - это результат изменения количества медиатора, высвобождаемого из пресинаптических окончаний возбужденных сенсорных нейронов. Таким образом, проблема сводится к вопросу о том, как регулируется высвобождение медиатора в этих синапсах.
19.5.4. За сенситизацию у аплизии ответственны рецепторы, связанные с G-белком [35]
Как уже отмечалось в разд. 19.3.2, количество высвобождаемого в синапсах нейромедиатора регулируется количеством ионов Са2 + ,
входя-
332
щих в нервное окончание во время потенциала действия. В случае привыкания повторяющееся возбуждение сенсорных клеток модифицирует белки каналов в окончаниях их аксонов таким образом, что приток Са2+ в клетку уменьшается и количество высвобождаемого медиатора снижается. Напротив, при сенситизации эти белки изменяются так, что поступление Са2+ в клетку возрастает и выделение нейромедиатора повышается. Лучше всего изучены молекулярные механизмы изменений, происходящих при сенситизации.
При сенситизации, вызванной, например, ударами по голове, количество нейромедиатора, выделяемого сенсорными нейронами, изменяется в результате возбуждения еще одной группы нейронов, реагирующих на болевой стимул. Эти облегчающие нейроны образуют на пресинаптиче-
Рис. 19-41. Упрощенная схема нейронных путей, участвующих в привыкании и сенситизации по отношению к рефлексу втягивания жабры у аплизии. Показано только по одному нейрону из каждой группы.
Рис. 19-42. Механизмы, лежащие в основе адаптации и сенситизации рефлекса втягивания жабры у аплизии. Электрически активные нейроны выделены цветом. На верхней схеме представлен нормальный механизм передачи от сенсорного нейрона к мотонейрону, участвующему во втягивании жабры. На обеих нижних схемах справа объяснен механизм возникновения в окончании сенсорного нейрона стойких изменений, лежащих в основе памяти, а слева показано, каким образом эти изменения влияют на синаптическую передачу от сенсорного нейрона к мотонейрону, ответственному за втягивание жабры. Представленное объяснение более достоверно для сенситизации, чем для адаптации.
333
Рис. 19-43. А. Цепь событий, происходящих при сенситизации рефлекса втягивания жабры и приводящих к инактивации особого класса калиевых каналов (так называемых S-каналов) в окончании сенсорного нерва (см. рис. 19-42). Б. Записанные с помощью метода пэтч-клапма токи, проходящие через эти каналы во время их перехода из открытого состояния в закрытое и обратно. Участок мембраны, отделенный от клетки, содержит четыре канала, которые в контрольных условиях большую часть времени открыты. Когда в среду со стороны цитоплазмы добавляют каталитическую субъединицу сАМР-зависимой протеинкиназы (А-киназы), два из четырех каналов фосфорилируются и вследствие этого закрываются, тогда как оставшиеся два канала продолжают находиться большей частью в открытом состоянии; в результате ток, проходящий через данный участок мембраны, уменьшается по сравнению с контролем в два раза. (Данные метода пэтч-клампа перепечатаны с разрешения M.J. Schuster, J.S. Camardo, S. A. Siegelbaum, E.R. Kandel, Nature, 313, 392-395, 1985. Copyright 1985 Macmillan Journals' Limited.)
ских окончаниях сенсорных нейронов синапсы (рис. 19-41), выделяющие серотонин (а также некоторые нейропептиды). Эффект облегчающих нейронов можно имитировать, воздействуя серотонином непосредственно на мембрану сенсорных нейронов, у которых окончания пресинаптического аксона содержат серотониновые рецепторы. Действие этих рецепторов опосредуется G-белком: серотонин, связываясь с рецепторами, активирует аденилатциклазу, в результате чего повышается внутриклеточная концентрация циклического AMP, который в свою очередь активирует А-киназу (разд. 12.4.1). Именно эта протеинкиназа изменяет электрические свойства мембраны сенсорного нейрона, фосфорилируя особую группу калиевых каналов (рис. 19-42).
Поведение таких калиевых каналов, называемых S-каналами, можно детально проследить с помощью метода пэтч-клампа (см. разд. 6.4.17). При связывании серотонина мембранными рецепторами эти каналы закрываются (рис. 19-43). Калиевые каналы закрываются таким же образом и в том случае, если содержащий их участок мембраны перенести в кювету с искусственной средой, где каналы подвергаются прямому фосфорилированию каталитической субъединицей А-киназы. Это заставляет предполагать, что фосфорилирование S-каналов (или тесно связанных с ними белков) способно надолго задержать каналы в закрытом состоянии. Так как в норме именно ток калиевых ионов помогает восстановить потенциал покоя, блокада S-каналов продлевает потенциалы действия, приходящие в окончание аксона. «Продленные» потенциалы действия удерживают потенциал-зависимые кальциевые каналы в открытом состоянии более длительное время, вследствие чего приток ионов кальция возрастает, а это в свою очередь ведет к опорожнению большего числа синаптических пузырьков; в результате в мотонейроне создается более значительный постсинаптический потенциал и происходит более энергичное втягивание жабры.
Эти эксперименты показывают, каким образом рецепторы, связанные с G-белком, могут передавать кратковременные сигналы, приводящие к стойким изменениям электрических свойств синапса и, следовательно, поведения животного. Фосфорилирование S-каналов представляет собой одну из форм памяти, но это лишь кратковременная память, которая легко стирается при воздействии фосфопротеинфосфатаз (дефосфорилирующих S-каналы) и ограничена временем жизни белков, образующих S-каналы. Механизм долговременной памяти, возникающей при повторном воздействии болевого стимула, не известен, но он отличается от кратковременной памяти: он требует синтеза новой РНК
334
и новых белков, а также, вероятно, изменений как в строении, и в химии пресинаптических окончаний (разд. 19.8.12).
Полагают, что циклический AMP и А-киназа тоже oпосредуют подобные изменения, вероятно путем фосфорилирования других клеточных белков, которое может изменять экспрессию генов. Этот : пока не изучен в деталях, но один из промежуточных этапов в создании следов долговременной памяти, видимо, состоит в длительной активации А-киназы в результате снижения концентрации регуляторных субъединиц, ингибирующих этот фермент (см. разд. 12.4.1). Как полагают,
при высоких уровнях циклического AMP эти регуляторные субъединицы разрушаются, так как при связывании циклического AMP они отделяются от каталитических субъединиц и подвергаются протеолизу.
19.5.5. Са2+ и циклический AMP-важные внутриклеточные посредники, участвующие в ассоциативном научении у позвоночных [36]
Рассмотренные выше явления привыкания и сенситизации - это лишь очень простые формы научения. Главная особенность более сложных типов научения, наиболее широко изучаемых психологами, - это их ассоциативный характер. Например, в знаменитых экспериментах Павлова собака научалась связывать звук колокольчика с получением пищи. Аплизия тоже способна к ассоциативному научению. Например, если сенситизирующий раздражитель (сильный электрический удар) постоянно воздействует одновременно с определенной мягкой стимул которая в норме вызывает лишь слабый рефлекс втягивания жабры, то животное начинает вести себя так, как если бы оно запомнило, что специфическая мягкая стимуляция связана с электрическим ударом, и оно сильно и специфически сенситизируется к слабому раздражителю. Полагают, что в этом случае участвуют те же группы нейронов, что и при простой сенситизации, описанной ранее. Одновременная стимуляция различных частей тела ведет к одновременному возбуждению сенсорных и облегчающих нейронов. Таким образом, когда потенциал действия приходит в окончания сенсорного аксона, открывая в них потенциал-зависимые кальциевые каналы, из облегчающих нейронов выделяется серотонин (или какой-либо нейропептид), вызывающий повышение концентрации циклического AMP внутри аксона. Циклический AMP и сам по себе вызывает простую сенситизацию; как полагают, приток Са2+ усиливает этот эффект, приводя к гораздо более сильный сенситизации по сравнению с той, которая возникла бы в результате возбуждения облегчающих нейронов на фоне бездействия сенсорных нейронов.
Неясно, как далеко можно экстраполировать данные, полученные на аплизии. Вопрос, регистрируются ли следы памяти у других животных в виде преили постсинаптических изменений химической природы или структуры синапсов и вообще в синапсах, остается открытым. Однако эксперименты на мутантах плодовой мушки Drosophila позволяют предполагать, что молекулярные механизмы, подобные описанным у аплизии, лежат в основе многих других форм научения. Например, в норме дрозофилы могут научаться избегать специфического запаха, если этот запах неоднократно сочетался с получением электрического удара. Тех мушек, которые быстро забывают ассоциативную связь или вообще не способны ее усвоить, можно легко изолировать благодаря тому, что они не избегают участков с острым специфическим запахом. Таким способом удавалось отделить «бестолковых» и «забывчивых» мутантов. Две разновидности подобных мутантов, dunce (dnc) и rutabaga (rut), способны обучаться, но обладают поразительно короткой памятью - порядка не-
335
скольких десятков секунд в случае dunce. Оказывается, у dunce мутация затрагивает фосфодиэстеразу, расщепляющую циклический AMP, а у rиtabaga-Cа2+-зависимую аденилатциклазу, синтезирующую это вещество. Видимо, и слишком большие, и слишком малые концентрации циклического AMP препятствуют закреплению следов памяти. Другие мутанты, называемые Ddc, похоже, не способны научаться вообще: у них отсутствует ген, кодирующий ДОФА-декарбоксилазу, которая катализирует важный этап в синтезе серотонина и дофамина. У всех мутантов с нарушениями ассоциативного научения нарушен и процесс сенситизации. Очевидно, эти два процесса имеют общие механизмы, которые реализуются, так же как сенситизация у аплизии, через моноаминовый нейромедиатор (на начальном этапе) и фосфорилирование белков (регулируемое циклическим AMP и ионами Са2+ ) для получения стойкого эффекта.
19.5.6. У млекопитающих при обучении происходят изменения в гиппокампе, вызванные притоком Са2 + через двояко регулируемые каналы [37]
Практически все животные способны к научению, но особенно хорошо, вероятно, обучаются млекопитающие (или нам просто приятно так думать?). В основе этих процессов могут лежать какие-то уникальные молекулярные механизмы. Полагают, что у млекопитающих особую роль играет гиппокамп- особый участок коры головного мозга: если он разрушен в обоих полушариях, то способность запоминать новые события резко падает, хотя прежние следы долговременной памяти сохраняются. В некоторых синапсах гиппокампа при многократно повторяющемся возбуждении возникают выраженные функциональные изменения. В то время как случайные единичные потенциалы действия не оставляют в постсинаптической клетке заметного следа, короткий залп следующих друг за другом разрядов приводит к долговременной потенциации, и последующие единичные импульсы, приходящие в пресинаптическое окончание, вызывают в постсинаптической клетке ответ значительно большей силы. В зависимости от числа и интенсивности залпов эффект сохраняется в течение нескольких часов, дней или недель. Потенциация возникает только в активированных синапсах: синапсы на той же самой клетке, оставшиеся в покое, не изменяются. Но если одновременно с тем, как одна группа синапсов получает залп последовательных импульсов, через другой синапс на той же клетке передается одиночный потенциал действия, то в этом последнем синапсе тоже возникает долговременная потенциация, хотя одиночный импульс, пришедший сюда в другое время, не оставит стойкого следа. Несомненно, этот механизм лежит в основе ассоциативного научения.
Правило, которому подчиняются происходящие в гиппокампе процессы, состоит в следующем: долговременная потенциация происходит в тех синапсах, в которых пресинаптическая клетка возбуждается в тот момент, когда постсинаптическая мембрана сильно деполяризована (в
результате многократного возбуждения той же самой пресинаптической клетки или по другим причинам). Есть веские данные в пользу того, что это правило отражает поведение специфических ионных каналов в постсинаптической мембране. Деполяризующий ток, ответственный за возбудительный ПСП, возникает в основном обычным путем благодаря лиганд-зависимым ионным каналам, связывающим глутамат. Однако деполяризующий ток имеет также вторую, более загадочную составляющую, которая создается при участии особого подкласса каналов, связанных с глутаматными рецепторами: их называют NMDA-peцепторами, так как они селективно активируются синтетическим анало-
336
гом глутамата N-метил-D-аспартатом. Каналы, связанные с NMDA-peцепторами, имеют «двойные» ворота, открывающиеся только тогда, когда одновременно выполняются два условия: мембрана должна быть сильно деполяризована (это особенные потенциал-зависимые каналы, регулируемые внеклеточным Mg2+), а к рецептору должен присоединиться медиатор глутамат. NMDA-рецепторы играют ключевую роль в долговременной потенциации. Если такие каналы селективно блокировать с помощью специфического ингибитора, то долговременной потенциации не происходит, хотя обычная синаптическая передача не нарушается. Под воздействием подобного ингибитора животное теряет способность к тому виду научения, который, как полагают, зависит от гиппокампа, но в остальном ведет себя почти нормально.
Каким образом NMDA-рецепторы обеспечивают столь поразительный эффект? Ответ, по-видимому, заключается в том, что эти каналы в открытом состоянии свободно пропускают Са2+, который около места своего поступления в постсинаптическую клетку действует как внутриклеточный посредник и вызывает локальные изменения, приводящие к долговременной потенциации. Потенциацию можно предотвратить, значительно снизив уровень Са2+ путем введения в постсинаптическую клетку хелатирующего кальций вещества ЭГТА, и можно, наоборот, вызвать, искусственно повысив концентрацию ионов кальция. Природа долговременных изменений, вызываемых этими ионами, точно не известна, но полагают, что изменяется структура синапса.
Несмотря на различия в механизмах памяти у беспозвоночных и у млекопитающих (см. рассмотренные выше примеры), здесь можно усмотреть нечто общее. Нейромедиаторы, высвобождаемые в синапсах, могут не только передавать кратковременные сигналы, но и изменять концентрацию внутриклеточных молекул-посредников, активирующих каскады ферментативных реакций, что ведет к долговременному изменению эффективности синаптической передачи. Остается, однако, ряд важных неразрешенных вопросов. До сих пор не известно, каким образом подобные изменения сохраняются на протяжении недель, месяцев или всей жизни в условиях нормального обновления компонентов клетки. Как мы увидим позже, сходные вопросы возникают и при изучении развития нервной системы.
Заключение
В отличие от рецепторов, связанных с каналами, не связанные с ионными каналами рецепторы нейромедиаторов, присоединяя лиганд, запускают в постсинаптической клетке каскад ферментативных реакций. В большинстве изученных случаев первая реакция этого каскада ведет к активации G-белка, который либо прямо взаимодействует с ионными каналами, либо регулирует образование таких внутриклеточных посредников, как циклический AMP и Са2 + . Эти посредники в свою очередь или непосредственно влияют на ионные каналы, или активируют киназы, фосфорилирующие различные белки, в том числе и белки ионных каналов. Во многих синапсах имеются как связанные, так и не связанные с каналами рецепторы, присоединяющие одни и те же или различные медиаторы. Если рецептор не связан с каналом, то опосредуемый им эффект, как правило, бывает замедленным и продолжительным и может влиять на эффективность последующей синаптической передачи, что составляет основу по меньшей мере некоторых форм памяти. Рецепторы, связанные с каналами и пропускающие в клетку Са2 + (такие, как NMDA-peцenmop), могут тоже быть ответственны за проявление долговременной памяти.
337
19.6. Прием сенсорной информации [38]
Выше было показано, как нервные клетки проводят, перерабатывают и регистрируют электрические сигналы, а затем посылают их мышцам, чтобы вызвать их Сокращение. Но откуда берутся эти сигналы? Имеются два типа источников: спонтанное возбуждение и сенсорные стимулы. Существуют спонтанно активные нейроны, например нейроны мозга, задающие ритм дыхания; весьма сложная картина самопроизвольной активности может генерироваться в одиночной клетке с помощью надлежащих комбинаций ионных каналов тех типов, с которыми мы уже встречались при обсуждении механизмов переработки информации нейронами. Прием сенсорной информации тоже основан на уже известных нам принципах, но в нем участвуют клетки весьма разнообразных и удивительных типов.
Органы чувств должны удовлетворять очень строгим требованиям - с высокой точностью различать стимулы разных типов, воспринимать изменения силы стимула в феноменально широких границах и обладать такой высокой чувствительностью, какую только допускают законы физики. Обонятельная клетка самца непарного шелкопряда способна обнаружить в воздухе одну-единственную молекулу специфического полового аттрактанта (так называемого феромона), выделяемого самкой на расстоянии мили от места нахождения самца. Глаз человека видит и при ярком солнечном свете, и в звездную ночь, когда освещение в 1012 раз слабее, и пять фотонов, поглощенных сетчаткой, воспринимаются как вспышка света.
Мы сконцентрируем внимание на двух органах чувств, в которых клеточные механизмы получения сенсорной информации начинают становиться понятными: на органах слуха и зрения позвоночных. Каждый из этих двух входов в нервную систему содержит высокоспециализированные сенсорные клетки, очень различные, но в обоих случаях обладающие необычайной избирательностью и чувствительностью в широком диапазоне стимулов. Но прежде чем переходить к деталям, полезно будет рассмотреть некоторые общие принципы.
19.6.1. Силу стимула отражает величина рецепторного потенциала [38, 39]
Любой сигнал, получаемый нервной системой, должен прежде всего превратиться в электрический. Превращение сигнала одного вида в другой называется преобразованием, поэтому все сенсорные клетки-преобразователя. В более общем смысле почти каждый нейрон является преобразователем: получая в синапсах химические сигналы, он преобразует их в электрические. Хотя одни сенсорные клетки реагируют на свет, другие на температуру, третьи на определенные химические вещества, четвертые на механическую силу или перемещение и т.д., во всех этих клетках преобразование основано на ряде основных принципов, которые уже рассматривались при обсуждении синаптической передачи с помощью нейромедиаторов. В некоторых органах чувств преобразователь составляет часть сенсорного нейрона, проводящего импульсы, а в других это часть сенсорной клетки, специально приспособленной для преобразования сигнала, но не участвующей в осуществлении дальней связи: такая клетка передает свои сигналы связанному с нею нейрону через синапс (рис. 19-44). Но в обоих случаях воздействие внешнего стимула вызывает в клеткепреобразователе электрический сдвиг, называемый рецепторным потенциалом, который аналогичен постсинаптическому потенциалу и тоже в конечном счете служит для регуляции высвобождения нейромедиатора из другой части клетки.
338
Рис. 19-44. Различные способы передачи сенсорной стимуляции нервной системе. В некоторых случаях сенсорный преобразователь составляет часть нервной системы (верхняя схема); в других случаях это отдельные сенсорные клетки (две нижние схемы). Во всех трех случаях возникающий в Сенсорном преобразователе градуальный рецепторный потенциал преобразуется в частоту импульсов, которые быстро передают сигнал в ЦНС.
Так же как в синапсе, внешние раздражители способны влиять на электрическое состояние клетки как непосредственно, воздействуя на ионные каналы, так и косвенно - через молекулы-рецепторы, запускающие синтез внутриклеточного посредника, который уже воздействует на ионные каналы. Как полагают (хотя здесь еще не все ясно), слуховые сенсорные клетки используют прямой механизм действия с участием рецепторов, связанных с каналами, а сенсорные клетки глаза - непрямой путь через рецепторы, связанные с G-белком.
19.6.2. Волосковые клетки внутреннего уха реагируют на отклонение стереоцилий [40]
Ухо предназначено не только для слуха: внутреннее ухо воспринимает также информацию о направлении силы тяжести и об ускоренном движении, поэтому оно необходимо для сохранения равновесия и координации движений. В основе всех сенсорных функций уха лежит механорецепция, а именно улавливание небольших смещений среды, окружающей сенсорные клетки. В случае звуковых волн эти смещения представляют собой быстрые вибрации, а восприятие ускоренного движения или силы тяжести связано с более медленными и плавными перемещениями. Все клетки внутреннего уха, ответственные за различные виды механорецепции, имеют характерное строение: на верхней поверхности такой клетки находится пучок гигантских микроворсинок, получивших название стереоцилий (рис. 19-45; см. также разд. 11.6.10). Поэтому такие клетки называют волосковыми.
У высших позвоночных все волосковые клетки находятся в эпителии перепончатого лабиринта внутреннего уха, где они образуют отдельные группы, или «пятна». Волосковые клетки каждой группы закреплены на месте с помощью промежуточных поддерживающих клеток, а сверху над ними нависает слой студенистого внеклеточного матрикса, соединенный с кончиками стереоцилий (рис. 19-46). При смещении слоя матрикса стереоцилий наклоняются, и в результате механической деформации волосковых клеток в них создается рецепторный потенциал (рис. 1947), Специфические функции различных групп волосковых клеток определяются главным образом природой структур, которые окружают эти клетки и через которые передается силовое воздействие. В случае волосковых клеток, реагирующих на линейное ускорение и силу тяжести, нависающий матрикс оттягивается вниз благодаря плотным кристаллам карбоната кальция: при ускоренном движении головы или ее наклоне матрикс смещается относительно волосковых клеток и стереоцилий
Рис. 19-45. А. Микрофотография сенсорной волосковой клетки, выделенной из внутреннего уха лягушки-быка. Можно видеть пучок стереоцилий, расположенный на верхушке клетки. Б. Микрофотография (полученная при малом увеличении с помощью трансмиссионного электронного микроскопа) волосковой клетки в естественном окружении опорных клеток. (A.J. Hudspeth, Science, 230, 745-752, 1985. Copyright 1985 by the AAAS.)
339
Рис. 19-46. Схематический поперечный разрез органа слуха (кортиева органа) во внутреннем ухе млекопитающих. Видно, что слуховые волосковые клетки находятся внутри сложных структур, образуемых опорными клетками; над слуховыми клетками нависает текториальная мембрана (слой внеклеточного матрикса). Полагают, что внутренние волосковые клетки ответственны в основном за слух - благодаря особому механизму преобразования, описанному в тексте. Эти клетки образуют синапсы с нейронами, передающими слуховые сигналы от уха к мозгу. В отличие от этого наружные волосковые клетки богато иннервированы дополнительной группой аксонов, передающих сигналы от мозга; функция этих клеток все еще загадочна. Имеются данные, позволяющие предполагать, что наружные волосковые клетки способны каким-то образом действовать как преобразователи в обратном направлении и составляют часть системы обратной связи, регулирующей передачу механических стимулов внутренним волосковым клеткам.
сгибаются. В отличие от этого волосковые клетки, чувствительные к вращательному ускорению, расположены так, что при повороте головы на нависающий матрикс воздействует боковая сила, вызванная током жидкости в полукружных каналах внутренного уха.
Волосковые клетки, улавливающие звук в ухе млекопитающего, образуют наиболее сложно организованную систему (рис. 19-46). Слуховые волосковые клетки располагаются рядами на базилярной мембране - узкой и длинной упругой перегородке между двумя заполненными жидкостью спиральными каналами, идущими параллельно в особом отделе внутреннего уха, называемом улиткой. Звуковые волны вызывают вибрацию барабанной перепонки, и через крошечные косточки среднего уха эта вибрация передается жидкости в каналах улитки и далее базилярной мембране, колебания которой заставляют стереоцилии слуховых волосковых клеток наклоняться. Благодаря особому устройству улитки, разные участки которой резонируют в разной степени в зависимости от частоты звуковых волн, распределение активируемых волосковых клеток доставляет информацию о высоте звука.
Рис. 19-47. Здесь показано, каким образом движение нависающего слоя внеклеточного матрикса (текториальной мембраны) отклоняет стереоцилии слуховых волосковых клеток во внутреннем ухе млекопитающих. Стереоцилии ведут себя как жесткие палочки с «шарнирным» прикреплением у основания. Верхушки пучков стереоцилии способны механически взаимодействовать с нависающим матриксом, либо непосредственно соприкасаясь с ним, либо через вязкую жидкость, находящуюся в промежутке между ними.
340
19.6.3. При наклоне пучков стереоцилий открываются механически регулируемые катионные каналы в их кончиках [40, 41]
При резком сдвиге слоя матрикса, нависающего над группой волосковых клеток, стереоцилий отклоняются в сторону на несколько градусов: при этом проницаемость клеточной мембраны изменяется и возникает направленный внутрь клетки ток, называемый рецепторным током (рис. 19-48). Величина ответа выходит на плато через 100-500 мкс, что соответствует времени, необходимому для открытия ацетилхолинактивируемого катионного канала в нервно-мышечном соединении, но гораздо меньше, чем нужно для возникновения электрических изменений при активации любого из известных рецепторов, не связанных с каналами. Поэтому кажется весьма вероятным, что механический стимул непосредственно открывает ионный канал. Как показали эксперименты с изменением внеклеточных концентраций ионов, механически регулируемый ионный канал, подобно рецептору ацетилхолина, практически одинаково проницаем для всех небольших катионов, и проходящий через него ток образуют главным образом ионы калия. (Ионная среда внутри уха несколько необычна, и на мембране волосковой клетки создается большой электрохимический градиент К + .) Но в какой части волосковой клетки находятся такие каналы и как преобразование сигнала связано со сложным строением клетки?
На каждой клетке стереоцилий располагаются плотными рядами разной высоты (подобно трубам в органе) (см. рис. 19-45 и 19-49). Позади середины самого высокого ряда часто имеется одна настоящая ресничка, или киноцилия, которая всегда присутствует в период развития, хотя не принимает участия в преобразовании сигнала и иногда потом исчезает (как у слуховых волосковых клеток млекопитающих). Если с помощью микрозонда отклонять стереоцилий, то они будут вести себя как упругие палочки, связанные в пучок; при этом каждая палочка поворачивается вокруг точки прикрепления к поверхности волосковой клетки и скользит относительно соседних палочек, так что и кончики стереоцилий смещаются относительно друг друга. Как показывает электронная микроскопия, помимо бокового сцепления, связывающего стереоцилий в пучок, имеются еще тонкие нити, направленные более или менее вертикально от верхушки каждой более короткой стереоцилий к расположенной выше точке на ближайшей более длинной стереоцилий (рис. 19-49). Как показали опыты с микроэлектродом, максимальная деполяризация мембраны волосковой клетки наблюдается при таком наклоне стереоцилий, когда тонкие вертикальные нити сильнее всего натянуты. По-видимому, трансмембранный ток, возникающий в резуль-
Рис. 19-48. Записи рецепторных токов (слева), входящих в волосковые клетки внутреннего уха лягушки-быка при внезапном отклонении пучков стереоцилий. Чем больше отклоняются стереоцилий, тем сильнее ток. (По данным D.P. Corey, A.J. Hudspeth, J. Neurosci., 3, 962-976, 1983.)