В 1905 году кембриджский физиолог Джон Ньюпорт Ленгли ввел никотин курице под наркозом. За 6-40 дней до опыта у нее перерезали нервы, идущие к мышце голени, и нервные волокна успели отмереть. Но мышца все равно сократилась, и сокращение держалось долго. Нервных волокон уже не было, а никотин действовал. Значит, в самой мышце было нечто, что принимало никотин. Это «нечто» Ленгли назвал рецептивным веществом.
С этого понятия начинается история, которая через 65 лет привела к никотиновому рецептору - первому рецептору нервной системы, который удалось выделить в чистом виде. Для самого Ленгли никотин был не предметом изучения, а инструментом, и пользовался он им больше пятнадцати лет.
Кисточка с никотином и карта нервов
Первые опыты с никотином Ленгли и его кембриджский коллега Уильям Ли Дикинсон поставили в 1889 году. Они смазывали раствором никотина нервный узел на шее подопытных животных, верхний шейный ганглий. В таком узле одно нервное волокно передает сигнал следующему. После никотина передача в узле останавливалась, хотя волокна, шедшие через него транзитом, продолжали работать.
Так никотин стал инструментом картографа. Нанося его на один узел за другим, Ленгли выяснял, где волокно переключается, а где просто идет дальше. Из этих опытов выросло описание нервов, которые управляют железами, сосудами и внутренними органами без участия воли. И название «автономная нервная система» для этой части нервов придумал тоже Ленгли.
Никотин против кураре - опыты 1905 года
Вторым инструментом стал кураре, яд, которым южноамериканские индейцы смазывали наконечники стрел. Еще в 1857 году французский физиолог Клод Бернар показал, что кураре не мешает мышце сокращаться, а нарушает действие двигательного нерва на мышцу.
Опыты 1905 года сталкивали два вещества. Никотин вызывал долгое сокращение мышцы, кураре его снимал, а новая порция никотина возвращала. Оба вещества как будто спорили за одно и то же место. Причем этим местом не был ни нерв, ни сами сократительные волокна мышцы. Ленгли заключил, что в мышце есть дополнительное вещество, которое получает стимулы и передает их дальше, сократительному материалу, «поэтому мы можем говорить о нем как о рецептивном веществе мышцы».
Ученый допускал, что перед ним часть какой-то крупной молекулы, но предупреждал, что судить о ее химическом устройстве рано. Ждать ответа пришлось больше шестидесяти лет.
К этой мысли Ленгли шел долго. Еще в 1878 году он изучал на слюнной железе кошки два растительных алкалоида, пилокарпин и атропин, которые гасят действие друг друга. Ленгли написал, что «без большой опрометчивости» можно допустить в нервных окончаниях или клетках железы некое вещество, способное соединяться с обоими.
Слово «рецептор» придумал Пауль Эрлих
Само слово появилось в соседней науке. Немецкий врач Пауль Эрлих в 1897 году объяснял, как организм вырабатывает противоядия от токсинов. По его теории, на клетках есть «боковые цепи», которые цепляют молекулы яда, и в 1900 году он заменил «боковые цепи» словом «рецепторы». Но лекарства, считал Эрлих, действуют иначе. Распространить идею рецепторов и на лекарства он согласился только в 1907 году, уже после работы Ленгли.
Многие коллеги идею не приняли. Одни считали, что лекарство не соединяется с клеткой химически, а просто накапливается в ней. Даже британский физиолог Генри Дейл в 1943 году сомневался, что разговор о рецепторах объясняет что-то сверх того, что и так видно в опыте.
Ученик Ленгли и формула для никотина
Самую сильную поддержку идея получила от ученика Ленгли. Арчибальд Вивиан Хилл окончил Кембридж как математик и в 1909 году начал заниматься физиологией, а изучать мышцы его направил сам Ленгли. В одной из первых работ Хилл помещал полоску мышцы живота лягушки в растворы никотина разной концентрации и записывал, как она сокращается.
Зависимость получилась простой - гипербола. Хилл объяснил ее тем, что никотин обратимо присоединяется к определенному веществу мышцы, и чем выше концентрация, тем больше мест занято. Историки фармакологии называют это уравнение первой количественной моделью рецептора. Позже Альфред Кларк, тоже ученик Ленгли, заметил, что точно такую же формулу химик Ирвинг Ленгмюр вывел для молекул газа, которые оседают на поверхности твердого тела.
Как никотиновые рецепторы получили свое имя
Никотин - вещество табачного листа. Оставалось понять, какое собственное вещество организма действует на то же место. Генри Дейл в 1914 году изучал экстракты спорыньи, грибка на колосьях ржи. Его коллега-химик Артур Юинс выделил из них вещество с необычным действием, и оно оказалось ацетилхолином.
Дейл заметил у ацетилхолина два разных эффекта. Один повторял действие мускарина, вещества из мухомора, и Дейл назвал его мускариновым. Второй получил имя никотинового - он, по словам Дейла, «близко напоминал действие этого алкалоида».
В 1921 году австрийский фармаколог Отто Леви опытами на сердце лягушки доказал, что нервы передают сигнал с помощью химического вещества. Нобелевскую премию 1936 года за открытия, связанные с химической передачей нервного импульса, Дейл и Леви разделили поровну. Название никотинового ацетилхолинового рецептора восходит к «никотиновому» эффекту, который описал Дейл. Через этот рецептор ацетилхолин действует в мышцах и нервных узлах. Имя ему дало вещество из табака, хотя работает этот белок на собственном ацетилхолине организма.
Электрический угорь и яд крайта
Рецептивное вещество Ленгли до конца 1960-х оставалось гипотезой, его никто не держал в руках. Чтобы выделить белок, нужны были ткань, где рецепторов очень много, и метка, которая пристает только к ним.
Ткань нашлась у электрических рыб. Биохимик Давид Нахмансон еще в 1936 году обратил внимание, что электрические о́рганы угря Electrophorus и ската торпедо необычайно богаты никотиновыми синапсами, то есть местами, где нерв передает сигнал. Метку дал змеиный яд. Тайваньский фармаколог Чэнь-Юань Ли выделил из яда многополосого крайта альфа-бунгаротоксин, белок, который избирательно перекрывает передачу сигнала с нерва на мышцу.
Ли однажды без предупреждения приехал в лабораторию Жан-Пьера Шанже в Институте Пастера и привез образцы токсина. В 1970 году Шанже, его сотрудник Касаи и Ли опубликовали работу, в которой токсин пометил искомый белок в экстракте электрического органа угря. В начале 1971 года к тому же результату независимо пришла группа Рикардо Миледи в Лондоне, работавшая со скатом торпедо.
Давид Нахмансон, который за тридцать с лишним лет до этого указал на электрические о́рганы, написал Шанже 29 ноября 1970 года, что его успех «открывает новую главу молекулярной нейробиологии».
Дальше события пошли быстро:
- в 1971 году рецептор выделили в чистом виде на бусинах с привязанным токсином - бусины удерживали большую часть рецептора из экстракта;
- в 1976 году немецкие ученые Эрвин Неер и Берт Закман записали ток через одиночный рецептор в мембране мышечного волокна лягушки;
- в 1982-1983 годах японские биохимики из группы Нумы прочитали полную последовательность белка рецептора ската торпедо;
- под электронным микроскопом рецептор оказался кольцом из пяти белков диаметром 8-9 нм с отверстием посередине.
Шанже объяснял, как работает это кольцо. Место, к которому присоединяется ацетилхолин, отделено от канала, но управляет им на расстоянии и открывает его. Такое взаимодействие называют аллостерическим.
Тот же прием сто лет спустя
Ленгли искал рецептор с помощью молекулы растения, и этот прием пережил его. Датчик тепла TRPV1 нашли через капсаицин из перца чили, а датчик холода TRPM8 в 2002 году - через ментол из мяты. Цепочка, которая началась с курицы и раствора никотина, привела к тому, что рецептор перестал быть словом из учебника физиологии. Это белок, который выделяют из электрической рыбы, метят змеиным ядом и рассматривают в микроскоп.
