Путь от одной клетки к многоклеточному организму, состоящему из ста триллионов отдельных «кирпичиков», дался человеку нелегко. Это потребовало развития сложнейших систем регуляции, использующих электрические импульсы и сигнальные молекулы самого различного происхождения. Правда, за такое «совершенство» периодически приходится расплачиваться: редкие сбои в работе нескольких нейронов могут стоить жизни.
Распространенный пример — припадки, происходящие по не выясненным пока причинам: небольшие очаги «сверхактивации» в головном мозге заставляют тело содрогаться в конвульсиях.
Ученые из американского Университета Айовы смогли справиться с этой проблемой за счет умений, дошедших до нас от одноклеточных предков, умевших реагировать на изменения температуры и кислотности окружающей среды.
Джон Вемми и его коллеги доказали, что прекратить судороги помогает способность клеток распознавать «кислотность» среды с помощью специального ионного канала — ASIC1a (acid sensing ion channel 1a).
У более чем 1% населения хотя бы раз в жизни был характерный эпилептический припадок. Часто эпилептические припадки являются единственным проявлением заболевания, которое продолжается всю жизнь и требует постоянного лечения. В других случаях припадки осложняют течение неврологического или соматического заболевания либо травмы головного мозга. Болеют этим заболеванием также и некоторые животные, например собаки.
По современным представлениям эпилепсия — это неоднородная группа заболеваний, клиника которых характеризуется судорожными повторными приступами, в основе заболевания лежат пароксизмальные разряды в нейронах головного мозга.
Характеризуется эпилепсия главным образом типичными повторными припадками различного характера (существуют так же эквиваленты эпилептических припадков в виде внезапно наступающих расстройств настроения (дисфории) или характерные расстройства сознания (сумеречного помрачения сознания, сомнамбулизма, трансов), а также постепенным развитием характерных для эпилепсии изменений личности и (или) характерным эпилептическим слабоумием. Следует отметить, что только если эти изменения психики наступают, что происходит в меньшинстве случаев, речь идёт об эпилепсии.
Возникновение эпилептического приступа зависит от комбинации двух факторов самого мозга: активности судорожного очага (иногда его ещё называют эпилептическим) и общей судорожной готовности мозга. Иногда эпилептическому приступу предшествует аура (греческое слово, означающее «дуновение», «ветерок»). Проявления ауры очень разнообразны и зависят от расположения участка мозга, функция которого нарушена (то есть от локализации эпилептического очага). Так же те или иные состояния организма могут быть провоцирующим фактором эпиприпадка (эпиприступы, связанные с наступлением месячных, эпиприступы, наступающие только во время сна). Кроме того, эпилептический приступ может провоцировать целый ряд факторов внешней среды (к примеру, мерцающий свет).
Судорожный очаг является результатом органического или функционального повреждения участка мозга, вызванного любым фактором (недостаточное кровообращение (ишемия), перинатальные осложнения, травмы головы, соматические или инфекционные заболевания, опухоли и аномалии головного мозга, нарушения обмена веществ, инсульт, токсическое воздействие различных веществ). На месте структурного повреждения рубец (в котором иногда образуется заполненная жидкостью полость (киста). В этом месте периодически может возникать острый отек и раздражение нервных клеток двигательной зоны, что ведёт к судорожным сокращениям скелетных мышц, которые, в случае генерализации возбуждения на всю кору головного мозга, заканчиваются потерей сознания.
Причем взгляды на эту проблему даже в научном сообществе весьма противоречивые: одни авторы пишут, что припадку способствуют понижение содержания кислорода, недостаток глюкозы и АТФ — основного расходного энергоресурса внутри клеток, в то время как другие придерживаются диаметрально противоположной точки зрения. Отсюда и отсутствие адекватных методов лечения.
Для «профилактики» припадков врачи попросту подавляют общую активность нервных клеток головного мозга, блокируя разнообразные ионные каналы и высвобождение нейромедиаторов, участвующих в активации и возбуждении нейронов. Не последнее место в этом арсенале противосудорожных средств занимают барбитураты и схожие по действию препараты. К сожалению, они оказывают «замедляющее» действие на всю нервную систему, что не лучшим образом сказывается на жизни больных.
мера активности (в случае разбавленных растворов совпадает с концентрацией) ионов водорода в растворе, количественно выражающая его кислотность, вычисляется как отрицательный десятичный логарифм концентрации водородных ионов, выраженной в молях на литр:
pH = -lg H+
Это понятие было введено в 1909 году датским химиком Сёренсеном. Показатель называется pH, по первым буквам латинских слов potentia hydrogeni — сила водорода, или pondus hydrogenii — вес водорода.
Кислотность среды имеет важное значение для множества химических процессов, и возможность протекания или результат той или иной реакции часто зависит от pH среды. Для поддержания определённого значения pH в реакционной системе при проведении лабораторных исследований или на производстве применяют буферные растворы, которые позволяют сохранять практически постоянное значение pH при разбавлении или при добавлении в раствор небольших количеств кислоты или щёлочи.
Водородный показатель pH широко используется для характеристики кислотно-основных свойств различных биологических сред.
Кислотность реакционной среды особое значение имеет для биохимических реакций, протекающих в живых системах. Концентрация в растворе ионов водорода часто оказывает влияние на физико-химические свойства и биологическую активность белков и нуклеиновых кислот, поэтому для нормального функционирования организма поддержание кислотно-основного гомеостаза является задачей исключительной важности. Динамическое поддержание оптимального pH биологических жидкостей достигается благодаря действию буферных систем организма.
Вемми и его коллеги решили выяснить, как этот принцип реализуется на клеточном уровне.
Кислотность, так же как и температура, поддерживается в организме на постоянном уровне — 7,35–7,37. Кровь выступает в качестве буферного раствора, смягчающего повреждающее действие продуктов обмена веществ на ткани.
растворы с определенной устойчивой концентрацией водородных ионов; смесь слабой кислоты и ее соли (например, СН3СООН и CH3COONa) или слабого основания и его соли (например, NН3 и NH4CI). Величина рН буферного раствора мало изменяется при добавлении небольших количеств свободной сильной кислоты или щелочи, при разбавлении или концентрировании.
Буферные растворы широко используют в различных химических исследованиях. Буферные растворы имеют большое значение для протекания процессов в живых организмах. Например, в крови постоянство водородного показателя рН поддерживается буферными смесями, состоящими из карбонатов и фосфатов.
Система бикарбонатного буфера состоит из относительно слабой угольной кислоты , образующейся при гидратации углекислого газа , и сопряженного основания - бикарбоната .
Бикарбонатная буферная система играет большую роль в создании общей буферной емкости крови, так как буферный эффект этой системы существенно увеличивается благодаря ее тесной связи с дыханием . Механизмы, направленные на поддержание напряжения углекислого газа в артериальной крови (40 мм рт.ст.), способствуют созданию высокой концентрации бикарбоната в плазме (24 ммоль/л). Другими словами, поддерживая напряжение углекислого газа в крови , дыхательная система обеспечивает высокое содержание буферных соединений.
Буферные свойства белков крови обусловлены способностью аминокислот ионизироваться. Конечные карбокси- и аминогруппы белковых цепей играют в этом отношении незначительную роль, так как таких групп мало. Значительно больший вклад в создание буферной емкости белковой системы вносят боковые группы, способные ионизироваться, особенно имидазольное кольцо гистидина .
К буферным белкам крови относятся как белки плазмы (в особенности альбумин ), так и содержащийся в эритроцитах гемоглобин . На долю последнего приходится большая часть буферной емкости белковой системы, что связано как со значительной концентрацией его в крови, так и с относительно высоким содержанием в нем гистидина.
Особое значение гемоглобинового буфера заключается в том, что кислотность гемоглобина зависит от его степени окисления. При нормальных пределах рН оксигемоглобин является более сильной кислотой, чем дезоксигемоглобин. Это обусловлено влиянием кислорода, связанного с железом, на сродство ближайших имидазольных групп гистидина к ионам водорода. Благодаря этому гемоглобин, освобождаясь в тканях от кислорода, приобретает большую способность к связыванию ионов водорода, а в венозной крови в результате выделения углекислого газа тканями, происходит накопление в крови этих ионов. При поглощении кислорода в легких происходят обратные процессы.
В экспериментах на мышах американские учёные продемонстрировали, что повышение количества этих каналов значительно уменьшает активность «эпилептических очагов». А выключение соответствующего гена продлевало и усиливало судороги, нередко заканчивавшиеся летальным исходом.
Но главное — наблюдаемый эффект зависел от pH, достигая «максимума полезности» при pH около 6,8. Таких значений кислотности у мышей удавалось добиться при повышении концентрации углекислого газа до 10% с «атмосферных» 0,038%.
Вемми даже после проделанной работы, результаты которой опубликованы в Nature Neuroscience, не удалось предложить нового медикамента. Зато фундаментальный механизм можно использовать весьма простым способом: повышение во вдыхаемом воздухе содержания углекислого газа обязательно скажется на кислотности крови и остальных тканей. Правда, неясно, сколько нужно дышать «в пакет», чтобы активировать упомянутые каналы нейронов за счет «скисания мозга».
