Анатомия и физиология волосковых клеток. Структура волосковых клеток очень схематично показана на рис

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. 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.

Стереоцелий двигается как жесткое 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 эндолимфе, 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.

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 (эндолимфу), 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, исчезающе мало (несколько фемтомолей). Можно ли и в этом случае использовать сравнительный подход? Одни из впечатляющих результатов современных молекулярно-биологических исследований заключается в поразительном единстве животного мира на молекулярном уровне.

Косвенные подтверждения были получены при изучении блокаторов каналов. 3NaK очень чувствительны к амилориду — почечные Ма⁺-каналы блокируются наномолярными концентрациями этого 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 нейросенсорной 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 нулю. В отсутствии потока Са²⁺ миозиновый движитель тянет канал по актиновому 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 волосковой 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 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, волосковые клетки развились и в каналах боковой линии, и в ухе.