Анатомия и физиология волосковых клеток

Структура волосковых клеток очень схематично показана на рис. 8.1. Из кути-кулярной пластинки на дистальном конце клетки вырастает группа до 60 «во­лосков». Волоски — двух типов: стереоцилии и одиночная киноцилия.

Рис. 8.1. Волосковая клет­ка. Схематический рису­нок показывает основные элементы типичной воло-сковой клетки позвоноч­ных. Обычно стереоцилии намного больше (до 60), чем показано на рисунке, но киноцилия — всегда одна.

50—60 стереоцилии — это окруженные оболочкой пучки микрофиламентов, а единственная длинная киноцилия — это истинная неподвижная ресничка, ча­сто — с булавовидным кончиком. Рисунок показывает, что все волоски сужа­ются к тонкой «шейке», где они входят в кутикулярную пластинку, а их размер увеличивается по направлению к киноцилии.

Если рассмотреть стереоцилию при большом увеличении, мы увидим, что она намного длиннее большинства ресничек — 5 мкм, а у ящерицы — даже 30 мкм. У них больше и диаметр — до 900 нм, сужающийся, однако, к основа­нию до 100 нм. Помимо актиновых микрофиламентов стереоцилии содержат заметное количество миозина и кальмодулина. Наконец, и это существенно, электронно-микроскопическое исследование показывает, что кончики сте­реоцилии связаны между собой тонкими полипептидными нитями (рис. 8.2). Они начинаются с клубочка на самой короткой стереоцилии и идут к более длинной соседней. Связывающие стереоцилии волокна находятся под некото­рым натяжением, так что, если они повреждаются, мембрана стереоцилии, из которой они исходят, расслабляется.

Уже упоминалась чрезвычайная чувствительность волосковых клеток к ме­ханическим стимулам. В этом можно удостовериться, двигая стереоцилию тонким микрозондом в ту и другую сторону. Стереоцилия двигается как жест-

кое тело — вращаясь вокруг своего суженого основания. Пороговые сдвиги вызывают на мембране волосковой клетки рецепторный потенциал амплиту­дой около 100 мкВ. Знак этого потенциала зависит от направления движения стереоцилий относительно киноцилии (рис. 8.3). Если пучок стереоцилий на­клоняется по направлению к киноцилии, наблюдается деполяризация; если в противоположную сторону — гиперполяризация. Движение под прямым уг­лом к этой оси не влияет на мембранный потенциал. Эти рецепторные потен­циалы достигаются при сдвигах, превышающих ок. 100 нм.

Процесс передачи сигнала очень быстр. Многие млекопитающие, напри­мер представители китообразных и рукокрылых, реагируют на звуковые часто­ты до по крайней мере 100 кГц. В этом случае не хватает времени на биохими­ческие процессы рецепторных взаимодействий и формирование вторичных мессенджеров, которые работают в хемо- и фоторецепции. Воротные механиз­мы каналов мембраны волосковых клеток должны открываться и закрываться очень быстро. Электрический ответ должен наступать в результате почти мгно­венного потока ионов по градиенту концентрации. Где же расположены эти во­ротные механизмы?

Чтобы ответить на этот вопрос, пришлось провести тонкие эксперименты. Вероятно, наибольший ионный поток в ответ на сдвиг наблюдается вблизи от кончика стереоцилий. Было показано, что ответ развивается очень быстро — начинается через несколько микросекунд после включения стимула, а насы­щения достигает за прибл. 100 мкс. Проводимость (ок. 50 пСи при 30°С), глав­ным образом для ионов К⁺, которые, как мы увидим, присутствуют а эндолим-фе, в которую погружены стереоцилий, в высокой концентрации. То обстоя­тельство, что через канал способны проходить и другие катионы, включая Са²⁺ и даже малые органические ионы, такие как холин, показывает, что канал имеет достаточно широкую пору — вероятно, ок. 0,7 нм в диаметре. Расчеты показали, что на каждой стереоцилий порядка четырех таких каналов.

Рис. 8.3. Электрический ответ волосковых клеток на движение стереоцилий. Дви­жение стереоцилий в одном из направлений вызывает деполяризацию волосковой клетки; движение в противоположном направлении — гиперполяризацию. Эти ва­риации полярности преобразуются в повышение или понижение активности в сенсорном нервном волокне. Из Flocke, 1965. Воспроизводится с разрешения Cold Spring Harbor Laboratory Press.

Биофизическая модель стереоцилий предложена Хадспетом и другими. Мы уже отмечали, что каждая стереоцилия связана вблизи от кончика молеку­лярной нитью (концевой связью) с соседней более длинной (рис. 8.2). Нако­пились данные, показывающие, что эти нити просоединены к ионным кана­лам. Предполагается, что, когда стереоцилия находится в покое, наблюдается небольшая утечка через каналы. Рис. 8.4 показывает, что вероятность откры­того состояния составляет около 0,1. Когда механический стимул вызывает сдвиг группы стереоцилий в сторону киноцилии, у более длинных стереоци­лий вероятность открытия каналов сдвигается к единице. Поскольку, как мы увидим ниже, реснички погружены к богатую ионами калия среду (эндолим-фу), К⁺ — это основной ион, входящий в ресничку. Это вместе с потоком Са²⁺ в клетку вызывает деполяризацию мембраны. Если стереоцилий сдвигаются в противоположном направлении, вероятность открывания каналов смещается к нулю. Поток К⁺/Са²⁺ прекращается и мембрана гиперполяризуется.

Идентификация ионных каналов затруднена, поскольку на каждой стерео­цилий их всего по одному — двум. Количество белка, таким образом, исчеза-юще мало (несколько фемтомолей). Можно ли и в этом случае использовать сравнительный подход? Одни из впечатляющих результатов современных мо-лекулярно-биологических исследований заключается в поразительном един­стве животного мира на молекулярном уровне. В гл. 7 мы рассматривали так­тильные рецепторы Caenorhabditis elegans и отмечали их сходство с эпителиаль­ными Ка⁺-каналами (3NaK). Могут ли ионные каналы стереоцилий принад­лежать к тому же семейству? Косвенные подтверждения этому были получены при изучении блокаторов каналов. 3NaK очень чувствительны к амилориду — почечные Ма⁺-каналы блокируются наномолярными концентрациями этого

Рис. 8.4. Воротно-сдвиговая модель стимуляции волосковых клеток. Объяснения в тексте. Из Gillespie, 1995, с разрешения.

вещества. Показано, что амилорид блокирует также и каналы стереоцилий. Следовательно, возможно, что каналы С. elegans и волосковых клеток позво­ночных сходны. Если это так, то элегантные данные, полученные на нематоде, могут быть пригодны для понимания работы человеческого уха.

Описанный выше механизм делает возможным почти мгновенный ответ на механическую стимуляцию (что и наблюдается), в то же время известно, что большинство волосковых клеток очень быстро адаптируется (за несколько де­сятков миллисекунд).Иными словами, когда отклонение стереоцилий поддер­живается более миллисекунды, поток К⁺/Са²⁺ внутрь клетки и последующая деполяризация прекращаются. Как это происходит? Недавние исследования показали существование в стереоцилий удивительного механизма. Схема его ультраструктуры показана на рис. 8.5. Из рисунка видно, что канальный белок, помимо концевой связи, соединен через миозиновый «движитель» с внутрен­ними актиновыми микрофиламентами. Это соединение обеспечивает основу для стабилизации положения канала в мембране, так что усиление натяжения на концевой связи не сдвигает весь канальный белок по стереоцилий в плос­кости мембраны. Снова напрашивается интересное сравнение с тем, как так­тильный рецептор С. elegans прикрепляется к молекулам тубулина в нейросен-сорной клетке (рис. 7.5 и 7.6).

Механизм, ответственный за адаптацию, зависит от потока Са²⁺ внутрь клетки при открытом канале. Одна из теорий предполагает, что это приводит к разрыву савязи между миозиновым «движителем» и актиновыми микрофи­ламентами в стереоцилий. Это в свою очередь позволяет ионному каналу скользить по мембране стереоцилий, устраняя тем самым натяжение конце­вой связи. Вероятность открытого состояния канала снижается и поляризация мембраны возвращается к уровню покоя. Когда стереоцилия возвращается к нормальному неизогнутому состоянию, вероятность открытого состояния ка­нального белка, который теперь не испытывает натяжения, приближается к

Рис. 8.5. Адаптация волос-ковых клеток. Когда рес­нички отклонены, канал открыт, а «моторный ком­плекс» отсоединен от ак-тиновых филаментов. Ка­нальный комплекс сколь­зит по стереоцилии и натя­жение на воротном меха­низме устраняется. Канал закрывается. Затем, когда стереоцилия возвращается к вертикальному положе­нию, «моторный комплекс» поднимается по актиново-му филаменту, таща за со­бой канал к его положению покоя. Дальнейшие объяс­нения в тексте. Из Gillespie and Corey, 1997, с разреше­ния.

нулю. В отсутствии потока Са²⁺ миозиновый движитель тянет канал по акти-новому филаменту, возвращая натяжение концевой связи к исходному значе­нию и вероятности открытого состояния канала к 0,1. Следует оговориться — хотя гипотетический механизм адаптации выглядит весьма привлекательно, еще очень много исследований потребуется, чтобы установить его реальность несомненно.

Помимо потока Са²⁺ через трансдукционные каналы ресничек, ионы Са²⁺ входят также в клетку через потенциал-зависимые каналы в кутикулярной пластинке. Эти каналы открываются, когда мембрана деполяризуется вследст­вие, как мы видели, отклонения стереоцилии. Поток Са²⁺ приводит в свою очередь (через сложный ряд событий, описанных в книгах по молекулярной нейробиологии) к выделению медиаторного вещества из основания волоско-вой клетки (рис. 8.6). В зависимости от природы медиатора и природы подле­жащего дендрита это инициирует или ингибирует синаптический потенциал. В первом случае запускается потенциал действия, который распространяется по сенсорному нерву в центральную нервную систему.

Хотя пионерские работы по биофизике волосковых клеток позвоночных выполнены на клетках внутреннего уха, мало оснований сомневаться, что дан­ные о механизме, продемонстрированном здесь, могут быть перенесены на ра­боту волосковых клеток в других частях организма позвоночного. Волосковые

Рис. 8.6. Механо-электрохимическая передача в волосковых клетках. (А) стереоци-лии сдвинуты влево, К⁺/Са²⁺-каналы открыты. Поток катионов вызывает деполя­ризацию, что приводит к открыванию других Са²⁺-каналов в кутикулярной плас­тинке и других участках клетки. Поток Са²⁺ приводит к выделению медиатора на дендрит афферентного нейрона. (Б) Стереоцилия возвращена к положению покоя. Ионные каналы закрываются и клетка реполяризуется. Са²⁺ откачивается из цито-золя, а выделение медиатора прекращается.

клетки эволюционно очень древние и развились во всех классах позвоноч­ных — от бесчелюстных до млекопитающих. У круглоротых с их двумя совре­менными представителями, миксиной Myxine и миногой Lampetra, волоско-вые клетки развились и в каналах боковой линии, и в ухе.