Протон спасает от запора

Протон – основа всего сущего, одна из трех частиц, из которых состоит все обычное вещество Вселенной. Тем удивительней, что эта простейшая элементарная частица способна в одиночку регулировать невероятно сложный и отвественный процесс – дефекацию.

Сокращение мышц, как правило, вызывается молекулой нейромедиатора, передаваемой из нервных клеток к мышечным. Последним достижением в этой области стало открытие примитивного, но очень эффективного агента – протона, ядра водорода Н⁺, способного вызвать сокращение кишечных мышц круглых червей-нематод и обеспечить тем самым процесс выделения фекалий.

Вообще говоря, молекул-нейромедиаторов не так много, открытия новых не происходило уже порядка 20 лет. Тем удивительнее способность единичного протона выбрасываться одним типом белков и заставлять белки-рецепторы мышечных тканей сокращать мышцы червей в процессе дефекации. Ученым удалось не только изучить функционирование протонов в этом качестве, но и идентифицировать гены, занятые в этом процессе.

Нейромедиаторы, известные до сегодняшнего дня, такие как серотонин или допамин, состоят из нескольких десятков атомов и превышают протоны по размерам в сотни раз.

Когда ученые начинали цикл работ, посвященных выделительной системе круглых червей, они даже не предполагали о такой неожиданной роли протона в качестве переносчика нервных импульсов.

Нематоды – простые животные, организм которых состоит примерно из тысячи клеток. Кишечних этих червей состоит из тех же тканей, что и человеческий, и образующие их белки кодируются схожими генами. Это и провоцирует большой интерес к этим созданиям при изучении биологических процессов в человеческом организме.

Как оказалось, процесс дефекации круглых червей неожиданно сложен. Кишечные мышцы этих животных сокращаются каждые 50 секунд, что приводит к выбросу содержимого кишечника. Эти пятидесятисекундные импульсы – одно из проявлений биологических часов, определяющих периодические процессы в организмов всех живых существ.

Задачей ученых являлось изучение каждого компонента биологических часов, определяющих дефекацию, для чего они искали мутации, приводящие к сбоям в этом отлаженном механизме.

Подвергая червей воздействию химических агентов, нарушающих функциональность ДНК, ученые обнаружили, что черви, находящие в постоянном процессе поглощения пищи, могут страдать тяжелыми запорами. Исследователям удалось обнаружить две различных генетических мутации, предотвращающие сокращение кишечных мышц и нарушающие процесс испражнения.

Один из генов, pbo-4, отвечает за выработку протеина, выбрасывающего протоны из кишечных тканей. Его работа похожа на работу вращающихся дверей, выводящих протоны из окружения мышц и наполняющих это пространство катионами натрия.

Второй же ген, pbo-5, занят в процессе выработки белка рецептора для мышечных тканей, окружающих кишечник. После того как протоны удаляются из области кишечника, они прикрепляются именно к этим рецепторам, непосредственно связанным с мышцами.

Активированный протоном рецептор заставляет соответствующую мышечную клетку расширяться и засасывать большое количество других катионов, таких как Na⁺, которые и провоцируют сокращение мышечной ткани.

В одном из экспериментов ученые поместили в небольшое пространство между кишечником и окружающими его мышцами флуоресцирующие белки, меняющие интенсивность свечения в зависимости от концентрации протонов.

Выключение работы pbo-4 приводило к неизменному уровню свечения этих белков, что означало отсутствие передачи протонов от кишечника к окружающим мышцам и приводило к остановке биологических часов, отсчитывающих секунды до следующего акта дефекации.

На следующем этапе ученые с помощью очень тонкой иглы добавили протоны в эту область извне, что привело к изменению флуоресценции и резкому сокращению мышечных тканей, обеспечив процесс испражнения.

Именно это обстоятельство и позволило ученым сделать вывод о функционировании протонов в качестве нейромедиаторов.

В ряде предыдущих исследований было показано, что мозговые ткани млекопитающих – мышей и людей – также содержат источники протонов и их рецепторы, позволяющие ионам водорода мигрировать между клетками. По всей видимости, новое исследование определяет участие протонов в передаче нервных сигналов и в мозге.

До сих пор же роль протонов и протонных каналов была описана только для процесса переработки пищи в кишечнике.

Ученые склоняются к возможности функционирования протонов в качестве нейромедиаторов еще и потому, что мыши, мозг которых обеднен протонными рецепторами и каналами не способны к обучению. Это наводит на мысль о важности этих простейших частиц и для процесса запоминания.