21.04.2017

Токсины медуз увеличивают число ионных каналов в клетке

Группа ученых из Италии и Австрии выяснила, почему ожог медузы так неприятен. Оказалось, что токсины медузы пелагии ночесветки (Pelagia noctiluca), распространенной в прибрежных водах теплых и умеренных широт, меняют проводимость клеточных мембран млекопитающих. При обработке этими токсинами нарушается естественная система поддержания клеточного объема. В результате клетки набухают и разрушаются. Ученым удалось показать, что через плазматическую мембрану клеток, подвергшихся воздействию токсинов, внутрь клетки усиленно поступают ионы Na+ и вода. Набухание и разрушение клеток можно остановить с помощью блокаторов натриевых каналов. Благодаря этим данным можно будет найти эффективное средство от ожогов медуз. Кроме того, способность этих токсинов избирательно повышать проводимость клеточных мембран может быть использована и в других разделах как прикладной, так и экспериментальной медицины.

Так называемые роения медуз, вспышки их численности, всегда неприятны для купальщиков. В зависимости от вида медузы ожоги могут иметь разные по характеру и серьезности последствия: от легкого раздражения до угрожающего жизни сердечно-сосудистого коллапса. Большинство медуз не опасны для здорового человека, но всё же встреча с ними удовольствия не приносит. Так, например, медуза кассиопея создает вокруг себя нечто вроде «жгучих водных облаков». Особенно дурную славу имеют кубомедузы.

Так как же жалят медузы? Все дело в так называемых стрекательных клетках, или книдоцитах — именно они являются общим характерным признаком медуз и их родственников, из-за них тип и называется стрекающие. Стрекательная клетка имеет стрекательную капсулу и чувствительный волосок — книдоциль (рис. 2а). Во всех стрекательных капсулах имеется ввернутая внутрь скрученная спиралью нить. Отклонение книдоциля от его нормального положения при контакте с предполагаемой добычей активирует стрекательную капсулу, в результате под действием высокого внутреннего давления стрекательная нить выворачивается наружу с большой скоростью (рис. 2б-г). Этот процесс занимает всего 3 миллисекунды. Любая стрекательная клетка используется только один раз.

Стрекательная капсула может содержать смесь токсинов, которые вводятся в тело жертвы при выстреле стрекательной нити (рис. 3). Природа и механизм действия этих токсинов пока плохо изучены, они зависят от вида медузы и типа стрекательной капсулы. Однако уже сейчас можно предполагать, что эти токсины найдут свое применение в качестве инсектицидов, акарицидов и т. п. А уникальная способность некоторых из этих токсинов действовать избирательно, только на определенные типы клеток, делает возможным их применение в терапевтических целях, например в качестве обезболивающего. С другой стороны, все эти полезные свойства и возможные применения не могут быть воплощены в жизнь, пока не известен точный механизм действия стрекательных ядов.

Собственно, ожог — это разрушающее действие яда медузы на клетки. Если в нормальных условиях клетку поместить в гипотонический раствор (с пониженным содержанием солей), то ее объем сначала несколько увеличивается (это так называемая осмотическая стадия), а затем уменьшается до прежнего состояния. Возвращение к начальному объему происходит за счет активного транспорта ионов Cl– и K+ из клетки. А вот при ожоге от медузы этой второй стадии регуляторного уменьшения объема клетки не происходит: клетка разбухает всё больше и в конце концов разрывается.

Требовалось понять, почему яд мешает восстановлению обычного объема клетки. Этим вопросом занялись исследователи из Мессинского университета (Италия) и Парацельсовского медицинского университета в Зальцбурге (Австрия). Они исследовали яд сцифомедузы пелагии ночесветки (Pelagia noctiluca), которую часто называют «розовато-лиловое жало» (рис. 1). В Средиземном море эта медуза является самой распространенной причиной ожогов под водой.

Для анализа воздействия токсинов исследователи помещали клетки экспериментальных клеточных культур (человеческие HEK 293 Phoenix и HeLa и мышиные NIH/3T3) в растворы, содержащие яд стрекательных клеток медузы. Сами же стрекательные клетки в эксперименте не использовались. При концентрации яда более 0,04 мкг/мкл абсолютно все клетки быстро погибают, а концентрация 0,025 мкг/мкл приводит к набуханию клеток всех линий, как в гипотоническом, так и в изотоническом растворе (рис. 4d), но не разрушает их полностью. При этой концентрации яда клетки не восстанавливают свой прежний объем (рис. 4а–с). Интересно, что действие токсинов сохраняется даже в том случае, когда обработанные ядом клетки перемещаются потом в гипотонический раствор, не содержащий яда. Мы видим длительное последействие яда: отсутствие нормальной регуляции клеточного объема. Клетка не в состоянии управлять ионными потоками, чтобы за счет осмоса избавиться от лишней воды.

Чтобы узнать, почему клетки теряют способность к восстановлению своего объема, ученые решили измерить ионные токи, идущие через мембраны клеток. Все измерения проводились при концентрации стрекательного яда 0,025 мкг/мкл. Понятно, что ученых в первую очередь интересовали ионы Cl^– и K⁺; кроме того, исследователи измерили и проанализировали токи Ca²⁺, Mg²⁺ и Na⁺.

Яд, как выяснилось, не менял тока ионов Cl^– и K⁺ из клетки, то есть не блокировал работу системы регуляторного уменьшения объема клеток. Также постоянными оставались и токи двухвалентных ионов. А что же тогда происходит? Оказалось, что резко увеличивается поток ионов Na⁺ внутрь клетки. Вслед за потоком натрия в клетку идет вода, клетка разбухает и лопается. Участие натриевых токов подтвердили с помощью обработки клетки блокаторами натриевых (алмилоридом, см. Amiloride) и хлоридных/анионных (мозговым натрийуретическим пептидом и DIDS) каналов (см. Ионные каналы). Ионные токи оказались относительно устойчивы к блокаторам хлоридных каналов, однако резко ослабевали при обработке клеток блокатором натриевых каналов. Совместное действие блокаторов натриевых и хлоридных каналов полностью нейтрализовало действие яда. Также в растворах без соли NaCl яд на клетки не действовал, а добавление NaCl в присутствии яда вызывало у клеток осмотический шок. Всё это логично увязывается в картину действия токсинов медузы. Яд вызывает поступление ионов натрия в клетки, а за счет осмотических сил в клетки поступает вода. Токи калия и хлора, активированные системой регуляторного уменьшения объема клетки, не способны скомпенсировать поступление воды, что и приводит к разрыву клеток.

Еще один важный момент, выявленный в ходе экспериментов, состоит в том, что после кипячения действие стрекательного яда полностью нейтрализуется. Термическая обработка, по-видимому, разрушает активное вещество стрекательного яда и делает его безопасным для клеток млекопитающих. Это говорит о том, что активное вещество, по всей вероятности, имеет белковую природу.

Каков механизм действия этого вещества? Было выдвинуто две гипотезы. Первая состоит в том, что активное вещество стрекательного яда непосредственно связывается с мембраной клетки и формирует натриевые каналы. Вторая гипотеза, напротив, предполагает активацию уже существующих натриевых каналов через связывание активного вещества с внеклеточными канальными рецепторами. Различить эти механизмы непросто, но решение всё же было найдено. Исследователи с помощью микропипетки ввели раствор яда внутрь клетки, устранив таким образом возможность участия внеклеточных рецепторов. Яд, введенный внутрь клетки, подействовал: через мембрану пошел ток натрия. Следовательно, яд медузы действует на клетки не путем активации существующих натриевых каналов, а через образование новых. Эту гипотезу подтверждает также и линейная зависимость степени набухания клетки от концентрации яда (рис. 4е). Явление насыщения, неизбежное при воздействии на ограниченное число ионных каналов, в данном случае не наблюдается. И это еще один кусочек сложной биохимической мозаики.

А мы теперь вооружены знанием о том, как действует яд этих медуз: что дело тут в образующем поры веществе белковой природы, приводящем к осмотическому набуханию и разрушению клеток. Полученные данные о том, какие условия способны предотвратить создание новых ионных каналов, пригодятся для разработки средств от ожогов. А для искушенных читателей полезно будет узнать, что вареная медуза (по крайней мере, именно этого вида) может быть употреблена в пищу без риска получить ожог стрекательными ядами.

Подготовлено по материалам: Rossana Morabito, Roberta Costa, Valentina Rizzo, Alessia Remigante, Charity Nofziger, Giuseppa La Spada, Angela Marino, Markus Paulmichl & Silvia Dossena. Crude venom from nematocysts of Pelagia noctiluca (Cnidaria: Scyphozoa) elicits a sodium conductance in the plasma membrane of mammalian cells // Scientific Reports. 2017. V. 7. Article number: 41065. Doi: 10.1038/srep41065.

Алёна Сухопутова

Источники:

1. elementy.ru