Решающий эксперимент Эдельмана

В 1971 году Людвиг Эдельман, тогда еще молодой немецкий биофизик, сумел осознать принципиальное значение различий в физическом смысле коэффициентов в двух внешне сходных уравнениях — первом от признанных авторитетов ионной теории, известном в научном мире как уравнение Ходжкина-Катца-Гольдмана, описывающее потенциал клеток в покое, и втором от ученого-«диссидента» Гильберта Линга — и решил выяснить, какой из смыслов ближе к истине.

Необходимый экскурс в историю. К моменту публикации своего уравнения Ходжкин и Катц уже сделали открытие, согласно которому потенциал действия сопровождается временным местным повышением избирательной проницаемости только для ионов Na+, а не для всех веществ, как полагал Бернштейн. Затем Ходжкин и Катц показали, что и потенциал покоя, и потенциал действия можно описать одним уравнением, в которое входили концентрации трех элементов — калия, натрия и хлора, — варьируя лишь три константы проницаемости. Тогда еще не было известно, что потенциал покоя в условиях диффузионного равновесия безразличен к уровню основного внеклеточного аниона — Cl-.

Состоявшееся позже открытие того неожиданного факта, что потенциал покоя не зависит от уровня Cl- в среде, стало еще одной угрозой для ионной теории (в дополнение к уже нависшим над ней). Поскольку проницаемость для ионов Cl- такая же высокая, как и для ионов К+, то изменение концентрации Cl- в среде должно влиять на потенциал покоя не меньше, чем изменение в среде концентрации ионов К+. Однако этот вывод не получил экспериментального подтверждения. К сожалению, те немногие ученые, которые занимались этим, либо не осознали важности своих результатов, либо по понятным (шкурным) причинам не сделали надлежащих выводов. Вместо этого они просто выбросили ионы Cl- из уравнения Ходжкина-Катца-Гольдмана, придав ему кастрированный вид — весьма «удобный» маневр, чтобы не связываться с реальностью. Однако противоречия с действительностью на этом не закончились. Впрочем, это отдельная и очень большая тема. Здесь можно только отметить, что вся возня вокруг существующей и принятой во всем научном мире клеточной теории (теории мембран и мембранных насосов), от которой, в буквальном смысле, зависит жизнь всего и вся на планете, напоминает бесконечное подправление разваливающегося здания многочисленными перепланировками, пристройками и архитектурными излишествами с приданием ему все более эклектичного вида.

Так вот Эдельман сначала измерил то, что принято называть константами проницаемости ионов К+, Rb+ и Cs+ в папиллярной мышце морской свинки, а затем — соответствующие константы локализованной поверхностной адсорбции. Далее он определил характер влияния каждого из этих катионов на потенциал покоя папиллярной мышцы. Следующий шаг: он сравнил результаты, полученные с использованием уравнения Ходжкина-Катца-Гольдмана (подставив в него константы проницаемости) с результатами, полученными из уравнения Линга (подставив в него константы локализованной адсорбции). Вывод был однозначным: физический смысл коэффициентов — константы локализованной адсорбции катионов на поверхностных анионных центрах. Иными словами, прав Линг.

За столь важное открытие, а также за принципиальность в его отстаивании, в октябре 1973 года Людвиг Эдельман потерял работу и был вынужден переквалифицироваться в специалиста по электронной микроскопии. О подробностях этой постыдной для чиновников от науки истории и о том, как он и в новой для себя области науки стал столь же блестящим и преданным профессии специалистом, можно узнать в книге Линга.

Остановимся более подробно еще на двух тяжелых заблуждениях — заблуждениях относительно потенциала действия (благодаря которому живые существа вообще способны проявлять активность), вошедших в учебники.

Потенциал действия, физическая основа мышечного и нервного импульса, представляет собой локальное изменение потенциала покоя, распространяющееся по поверхности клетки по принципу падающего домино.

Теория потенциала действия Ходжкина-Хаксли

Согласно учебникам, каждая клетка покрыта сплошным фосфолипидным бислоем, усеянным пронизывающими его частично или полностью белками. Предполагается, что в такой мембране имеются более широкие «натриевые каналы» (3 х 5 Å) и более узкие «калиевые» (3 Å в диаметре). И те, и другие закрыты, пока возбудимая клетка находится в покое. Это, собственно, и составляет суть жидкостно-мозаичной теории Зингера и Николсона, которая совершенно несовместима с реальными экспериментальными данными (см. главу 13 книги Линга).

В 1952 году Ходжкин и Хаксли предложили теорию потенциала действия, согласно которой его передний фронт — результат мгновенного перехода натриевых каналов в открытое состояние. Поскольку в покое имеется постоянный (предсуществующий) трансмембранный «натриевый потенциал» ввиду гораздо большего уровня ионов Na+ в среде, чем в клеточной воде (которую авторы считали свободной), ионы Na+ стремительно входят в клетку, мгновенно обнуляя локальный мембранный потенциал покоя и, более того, меняя знак потенциала на внутренней стороне мембраны с минуса на плюс — так называемый «проскок» (от англ. overshoot). Сразу после этого натриевые каналы закрываются и открываются калиевые. Поскольку в покое имеется также постоянный (предсуществующий) калиевый потенциал ввиду гораздо более высокого уровня свободного (как считалось и считается) К+ внутри нервного или мышечного волокна, чем в окружающей среде, открытие калиевых каналов освобождает путь клеточному К+ наружу, что возвращает мембранный потенциал к исходному уровню, вызывая, в том числе, «следовые» колебания потенциала.

Как уже не раз подчеркивалось, и первая теория мембранных потенциалов Бернштейна, и более поздняя ионная теория Ходжкина столкнулись с целым рядом серьезных противоречий, среди которых:

• К+ в клетке связан, а не свободен (раздел 10.2, п. 4)
• гипотетический натриевый насос использует для своей работы гипотетическую энергию, потому что реальная клетка не способна выработать столько энергии, сколько этому насосу нужно (гл. 12)
• отсутствие модельных систем, работающих так, как того требуют постулаты мембранной теории (раздел 4.2, п. 3)
• нечувствительность потенциала покоя к ионам Cl- и Mg2+, несмотря на то, что и тот (раздел 12.9 п. 1.1), и другой (раздел 15.5, п. 2.2) легко проникают через «мембрану»
• нечувствительность потенциала покоя к внутриклеточной концентрации К+ (раздел 4.2, п. 1).

Кроме того, существуют и веские свидетельства против конкретных утверждений теории потенциала действия Ходжкина-Хаксли. Рассмотрим два наиболее важные из них.

1. Постоянный натриевый потенциал в действительности существовать не может.

Идея постоянно существующего натриевого потенциала казалась правдоподобной лишь до тех пор, пока не было доказано, что мембрана покоящейся клетки вполне проницаема для Na+ (рис. 60, раздел 15.2, п. 1), и что клеточная вода отличается от обычной воды в том отношении, что является плохим растворителем для этого иона (раздел 11.3, п. 5). Поэтому, даже если на мгновение допустить существование такого потенциала, то уже в следующее мгновение от него не осталось бы и следа.

Чтобы изменить разность потенциалов в конденсаторе емкостью в одну микрофараду (что сопоставимо с емкостью мембраны клетки) на 120 мВ требуется положительных зарядов в количестве 0,12 х 10-6 кулон, что эквивалентно числу электрических зарядов, которое несут 1,2 х 10-12 моль/см2 одновалентных катионов, таких как Na+. По последним данным, скорость поступления Na+ в покоящееся мышечное волокно лягушки при комнатной температуре составляет 6,87 х 10-11 см2 х с. Разделив 1,2 х 10-12 моль/см2 на 6,87 х 10-11 см2 х с, мы обнаружим, что постоянный натриевый потенциал, если бы он существовал, исчезнет уже через 17 мс, при том что гипотетические натриевые каналы, реагирующие на потенциал действия, будут все это время закрыты. Имеющиеся экспериментальные данные и расчеты на их основе никак не вяжутся с представлением о том, что в покое эти (гипотетические) натриевые каналы закрыты. Возникновение потенциала действия происходит благодаря чему угодно, но только не открытию натриевых каналов, которые и без того всегда широко открыть — если в решете засорилось несколько отверстий, это никак не скажется на его пропускной способности.

2. Натриевые каналы в действительности не специфичны к Na+

Для того чтобы служить заявленным целям, и натриевые и калиевые каналы должны быть строго специфичны к своим ионам. Иначе при открытии натриевых каналов поступление в клетку Na+ будет сведено к нулю одновременным выходом из нее К+ через эти же каналы. Если так, то называть натриевые каналы натриевыми станет бессмысленно. В результате

• не будет наблюдаемой в эксперименте очередности событий: сначала входит Na+, а затем выходит К+
• не будет и соответствующих изменений мембранного потенциала
• в итоге, не будет потенциала действия.

В 1965 году Чандлер и Мевес показали на аксоне кальмара, что структуры, называемые «натриевыми» каналами, пропускают в открытом состоянии и К+. После таких фактов придерживаться авторитетной ионной теории потенциала действия становится просто невозможным.

ОДНАКО…

Согласно мембранной теории, на которой выстроена вся фармакопея, каждая клетка покрыта фосфолипидным бислоем, в который встроены островки частично или полностью пронизывающих его белков, в числе которых и так называемые мембранные насосы.

Линг доказал, что представление о клеточных мембранах как о двойных липидных слоях, пронизанных своего рода порами или каналами, полностью ошибочно — соответственно, в корне ошибочная и вся медицина. В связи с этим такие вот рекламные акции (было всучено в подарок в одной поликлинике):

выглядят как реальное шарлатанство. Эффективное средство от того, чего в Природе не существует.

Так вот, оказалось, что фосфолипидные двухслойные мембраны в высшей степени непроницаемы для ионов вроде K+, Na+ и Cl-. Более того, неспособность найти природный ионофор для К+ (а также для массы других ионов и электролитов) лишила фосфолипидную модель мембран механизма, объясняющего относительно высокую проницаемость покоящихся клеток для K+, Na+, Cl- и других электролитов.

Так, например, ферроцианид меди не содержит ни нейтральных жиров, ни фосфолипидов (также как и парчовая бумага, желатин, металлосиликаты, металлотаннаты и берлинская лазурь). Однако все эти вещества, если придать им форму мембраны, демонстрируют свойства полунепроницаемости аналогичные таковым мембран живых клеток.

Несмотря на то, что фосфолипиды несомненно входят в состав большинства клеточных мембран, их роль в обеспечении проницаемости таковых для воды, ионов и неэлектролитов — в лучшем случае вторична, да и то наблюдается лишь в очень ограниченном числе клеток. Удаление 95% липидов из мембран митохондрий печени (Фляйшер, 1967), а также из мембран микробных клеток (Моровиц и Терри, 1969) не привело даже к малейшим разрушениям трехслойной мембранной структуры.

Подготовлена с использованием материалов книги Гильберта Линга "Физическая теория живой клетки"