Нейроперсоналии: Бернард Кац. Нейрокванты

30 марта 2020

нобелевские лауреаты

Несколько дней назад отмечалось 109 лет со дня рождения одного из самых выдающихся нейробиологов XX века. О том, зачем еврей из Могилева переехал в Лейпциг, о «квантах» нейромедиаторов, о путешествии из Англии в Австралию и обратно и о человеке, которого все — и коллеги, и ученики — называли просто БК, рассказывает наша статья.

Бернард Кац в лаборатории

Сэр Бернард Кац

Родился 26 марта 1911 года, Лейпциг, Королевство Саксония, Германская империя

Умер 20 апреля 2003 года, Лондон, Великобритания

Нобелевская премия 1970 года по физиологии или медицине (1/3 премии, совместно с Ульфом фон Эйлером и Джулиусом Аксельродом). Формулировка Нобелевского комитета: «За открытия, касающиеся гуморальных передатчиков в нервных окончаниях и механизмов их хранения, выделения и инактивации (for their discoveries concerning the humoral transmittors in the nerve terminals and the mechanism for their storage, release and inactivation)».

Наш сегодняшний герой происходил из еврейской российской семьи, правда ни его отец, ни его мать не жили на территории современной России – но на территории Российской империи.

Отец, Макс (на самом деле – Мордехай, Мордух) был потомственным торговцем мехом и жил в ныне белорусском Могилеве. Мать, Евгения Нохим Кац родилась в Варшаве от мамы-полячки с фамилией Гласс и отца-немца (ну то есть еврея из Германии) Бернарда Рабиновича. Где-то между 1904 и 1906 годами отец переехал в Лейпциг (только потому, что именно этот немецкий город был центром торговли мехом и именно там Макс открыл свой меховой магазин. А в 1909 году в Вене он женился на Евгении. Через два года у них родился Бернард.

После Октябрьской революции семья Кац не приняла советского гражданства – и утратила гражданство Российской империи, получив статус беженцев без гражданства и так называемые Нансеновские паспорта, с которыми они прожили до своей натурализации в Австралии в начале 1940 годов. Но это будет много позже. А пока что Бернард Кац (BK, как его часто называли) отучился в начальной школе и поступал в 1921 году в Шиллеровскую реальную гимназию (в очередной раз напомним, что реальная – это не «чисто конкретная» и не «не мнимая», а лишь гимназия с уклоном в преподавание естественных наук). Но оказалось, что для того, чтобы поступить, набрать высший балл – мало. Еврея в элитную гимназию не брали. Вместо этого следующие восемь лет БК отучился в гимназии Короля Альберта (Альбертине). Правда, там тоже пришлось нелегко – евреям-ученикам доставалось, хотя бы и словесно. Как-то отец другого ученика предложил «заманить всех евреев в торговый зал мехового магазина и отравить их там». Бернард был шокирован. Кто бы мог подумать, что менее, чем через два десятка лет такие вещи станут реальностью…

1929 год. Гимназия окончена. Кац поступил в Лейпцигский университет на медицинский факультет. Он никогда не работал по специальности – хотя потом, по дороге в Австралию, когда он с семьей застрянет на Цейлоне, ему придется консультировать еще несколько десятков человек, с которыми они ждали следующего парохода по их недомоганиям: люди не хотели слушать БК, который говорил всем «Ну я же не врач!».

В университете его заинтересовали электрофизиология нервных клеток и то, как они соединяются друг с другом. Как вы помните, современная нейронаука началась с грандиозного спора между двумя нейробиологическими школами о природе нервной ткани. Камилло Гольджи и его последователи держались ретикулярной теории, которая говорила о том, что нейроны плавно перетекают один в другой. Сантьяго Рамон-и-Кахаль и его сторонники придерживались нейронной теории, говорившей о том, что между нейронами есть разрывы – позже еще один нобелевский лауреат, Чарльз Скотт Шеррингтон сумел наконец показать, что эти разрывы есть и назвал их синапсами.

Потом остался еще один вопрос: как между ними осуществляется передача сигнала – электрическим или химическим путем. Работы еще двух нобелевских лауреатов, Генри Дейла и Отто Лёви показали: сигнал передается посредством нейромедиаторов, особых веществ, которые выбрасываются в этот разрыв.

Именно этим собирался заниматься Кац. Однако заниматься этим в том самом университете, который в 1934 году окончил наш герой (годом раньше он получил премию Зигфрида Гартена) ему было не суждено: в Германии пришел к власти Гитлер и Кац, как и многие другие, поспешно убрались из страны. Каца пригласил в Лондон Нобелевский лауреат Арчибальд Хилл.

Арчибальд Хилл

Однако потом отсутствие официального статуса, гражданства стало напрягать – и очень кстати пришло приглашение другого (будущего) нобелевского лауреата, Джона Экклса – уехать к нему в Австралию. За несколько дней до начала Второй мировой войны Кац перетащил в Англию родителей и уплыл с ними в страну антиподов.

Экклс был уже тогда знаменитым исследователем синапсов (правда, до самой Второй мировой он придерживался электрической теории синаптической передачи). А работы самого Каца прервала война: была опасность нападения Японии на Австралию, и он записался в Королевские ВВС, работая офицером радиолокации до самого конца войны.

После войны пути Каца и Экклса разошлись: наш герой уехал обратно в Англию, а Экклс отправился в Новую Зеландию, где и сделал свои работы, которые принесли ему Нобелевскую премию вместе с Ходжкиным и Хаксли.

Джон Экклс

Исследуя синаптически связанные между собой нейроны, Экклс нашел возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП), при котором постсинаптическая клетка приближается к состоянию, в котором возникает потенциал действия. Для этого нужна целая цепочка ВПСП, а исследуя эти цепочки, Экклс совершил важнейшее открытие: некоторые из них не возбуждающие, а тормозящие. До того не было известно, как распространяется возбуждение по синапсам и чем отличаются тормозные импульсы от возбуждающих. Сообщив о своем открытии в 1951 году, Экклс называет его «смертельным ударом» по собственной гипотезе электрического проведения в синапсах.

А что же Кац?

Поначалу он присоединился к работам Ходжкина и Хаксли по изучениям потенциала действия (и многое сделал для установления ионных механизмов его возникновения, сформулировав натриевую гипотезу), но в 1950 году он вернулся к работам по изучению нервно-мышечного соединения и вместе со своим коллегой Полом Феттом применил новые методики для регистрации электрических импульсов в отдельных нейронах. Ученые изучали электрическую активность так называемых концевых пластинок мышечного волокна, которую они записывали прямо через синапс, образованный нервным окончанием.

На то время Генри Дейл уже давно установил , что эта активность концевых пластинок появляется, когда из нервных окончаний выделяется ацетилхолин.

Сэр Генри Дейл

Было понятно, что взаимодействие ацетилхолина и клеток мышечного волокна приводит к проведению сигнала и сокращению мышц. Однако, по словам Каца, исследователи «столкнулись с совершенно неожиданным явлением. Оказалось, что даже без какого-либо раздражения концевая пластинка мышечного волокна не находится в состоянии покоя, а, напротив, в ней регистрируется электрическая активность в виде отдельных и возникающих случайным образом слабых потенциалов концевой пластинки». Дальше БК и Хосе дель Кастильо открыли, что «каждый слабый потенциал концевой пластинки обусловлен одновременным действием большого количества молекул ацетилхолина, выделяющихся в виде “кванта»» из окончаний эфферентного нервного волокна».

Потом с помощью электронной микроскопии ученые выяснили, что «квантованность» ацетилхолина вызвана тем, что он содержится в особых пузырьках – везикулах. Когда один из таких пузырьков сливается с постсинаптической мембраной, в синаптическую щель выбрасывается один «квант» ацетилхолина. Кац сделал вывод, что «обычный потенциал концевой пластинки образуется в результате статистического суммирования отдельных квантов, аналогичных спонтанно возникающим слабым потенциалам».

И после этого ученый задал очень хороший вопрос: «Каким же образом импульс, приходящий в нервное волокно… увеличивает вероятность одного «квантового события»?»

Еще 10 лет исследований и Кац и его коллега, нейробиолог мексиканского происхождения Рикардо Миледи смогли во-первых, показать, что выделение медиатора связано с ионами кальция, а во-вторых, показать, что каждый слабый потенциал концевой пластинки соответствует эффекту нескольких тысяч этих молекул – примерно такому количеству, что и содержится в одном синаптическом пузырьке…

Рикардо Миледи

На церемонии вручения Нобелевской премии представитель Нобелевского комитета Берье Увнес сказал:

«Нейрохимия и нейрофармакология превратились в быстро расширяющиеся отрасли науки. Возникло множество новых вопросов. Каким образом были синтезированы, сохранены и высвобождены такие высокоактивные вещества-передатчики? Как они могут появляться, производить свои эффекты и исчезать в течение доли секунды, что должно произойти, если химическое опосредование должно объяснить очень быструю цепь событий, происходящих в нервных процессах. Какие именно вещества были задействованы? Каждый из сегодняшних лауреатов премии внес свой особый вклад в решение проблем в этой области.

Бернард Кац особенно интересовался электрическими событиями, которые происходят, когда импульсы в двигательных нервах вызывают мышечную активность, действуя на моторные концевые пластины. Эти особые структуры в мышце с конденсаторными свойствами заряжаются нервными импульсами и их разрядка в свою очередь активизирует мышцу. Благодаря открытию существования «миниатюрных потенциалов концевой пластинки» Кац продемонстрировал, что вещество-посредник между двигательным нервом и мышечной концевой пластинкой, ацетилхолин, высвобождался из нервных окончаний в небольших квантах, небольших упаковках, если хотите».

«Нобелевский» портрет Каца

После Нобелевской премии Бернард Кац прожил еще ровно треть века. Еще до премии он получил рыцарский титул и стал сэром Бернардом, он воспитал «несколько поколений молодых исследователях, вдохновленных его гипотезами, его безупречным поведением, скрупулезностью его как исследователя, а также прямолинейным, незатейливым стилем его выступлений – хотя некоторые были пугались его случайной неприступностью или его неумолимостью по отношению к чужим ошибками! Возможно, его самое ценное и долговечное наследие для сотрудников и студентов заключается в том, что, когда данные трудно интерпретировать, и мы видим только слабый проблеск света в конце длинного туннеля, мы можем спросить себя: «что бы сделал БК сейчас?»» – так написал его ученик Берт Закман в некрологе-биографии Каца.

Текст: Алексей Паевский