В дождевых лесах северо-востока Австралии растёт невысокое дерево с широкими сердцевидными листьями — гимпи-гимпи. Внешне оно не страшнее крапивы, и это его родственник: оба растения относятся к семейству крапивных. Но ожог гимпи-гимпи вызывает сильнейшую боль, которая может длиться дни и недели. В 2020 году биологи выяснили, какое вещество за это отвечает и как оно действует на нервные клетки. В статье разобраны устройство жгучих волосков, химия яда, механизм действия на натриевые каналы и эволюционный смысл такой защиты.
- 1. Что за растение
- 2. Жгучие волоски
- 3. Чем жжётся крапива
- 4. Гимпиетиды
- 5. Как возникает боль
- 6. Зачем растению такая защита
- 7. Для олимпиад
- Задания с разбором
1. Что за растение
Гимпи-гимпи (Dendrocnide moroides) — растение семейства крапивных, обычно 1–3 м высотой. Растёт в тропических дождевых лесах Квинсленда, особенно на прогалинах, вдоль дорог и на месте поваленных деревьев, где много света. Название «гимпи» происходит от города Гимпи в Квинсленде, где растение рано стало известно поселенцам. Род Dendrocnide («жгучее дерево») насчитывает несколько десятков видов в Юго-Восточной Азии, Австралии и на островах Тихого океана; некоторые из них — настоящие деревья высотой до 40 м.
Листья, черешки, стебли и плоды гимпи-гимпи покрыты жгучими волосками. Даже опавшие сухие листья и засушенные гербарные образцы десятилетиями сохраняют способность обжигать.
2. Жгучие волоски
Жгучий волосок — трихома, вырост эпидермиса, состоящий из одной вытянутой клетки, сидящей на многоклеточном основании. Его устройство похоже на шприц:
- стенка верхней части волоска пропитана кремнезёмом (диоксидом кремния) и хрупка, как стекло;
- на самом конце — маленькая головка, под которой стенка особенно тонкая: это заранее подготовленное место разлома;
- при касании головка обламывается по косой линии, и остаётся острый скошенный конец, как у медицинской иглы;
- волосок прокалывает кожу, а содержимое клетки под давлением впрыскивается в ранку;
- основание волоска пропитано кальцием (карбонатом и фосфатом кальция) и поддерживает волосок жёстким.
У гимпи-гимпи обломки волосков застревают в коже и трудно извлекаются; считается, что это одна из причин длительной боли. Чтобы удалить их, используют полоски воска для эпиляции; тереть место ожога нельзя — волоски обломятся ещё глубже.
3. Чем жжётся крапива
Жгучие волоски крапивы двудомной устроены так же, но их яд другой. В жидкости волоска найдены:
- гистамин — вызывает расширение сосудов, покраснение, отёк и зуд;
- ацетилхолин и серотонин — возбуждают нервные окончания;
- щавелевая и винная кислоты — по данным исследования 2006 года, именно они отвечают за длительную (несколько часов) боль.
Часто пишут, что крапива жжётся муравьиной кислотой. Муравьиная кислота в волосках действительно есть, но в малых количествах; главный вклад в ощущение вносят перечисленные вещества. Ожог крапивы проходит за часы, а ожог гимпи-гимпи может сохраняться дни и недели — значит, дело не в тех же веществах.
4. Гимпиетиды
Долгое время считали, что за боль отвечает моройдин — циклический пептид, выделенный из гимпи-гимпи в 1980-е годы. Но когда его проверили на нервных клетках, оказалось, что моройдин боли не вызывает.
В 2020 году группа австралийских исследователей под руководством Ирины Веттер выделила из волосков гимпи-гимпи настоящие болевые вещества и назвала их гимпиетидами. Их свойства:
- это небольшие пептиды примерно из 35 аминокислот (масса около 4 кДа);
- их молекула стабилизирована тремя дисульфидными мостиками, которые образуют особую укладку — цистиновый узел (одна цепь проходит через кольцо, образованное двумя другими мостиками);
- такая укладка делает пептид очень устойчивым к нагреванию и ферментам — это может объяснять, почему засушенные листья сохраняют активность;
- цистиновый узел характерен для ядов пауков и конусов (хищных морских моллюсков), хотя гимпиетиды с ними не родственны.
Сходство пептидов растения и ядов животных — пример конвергенции на молекулярном уровне: неродственные организмы независимо пришли к сходной устойчивой молекуле, действующей на одну и ту же мишень.
5. Как возникает боль
Боль воспринимают ноцицепторы — окончания чувствительных нейронов. Нервный импульс (потенциал действия) возникает, когда в мембране открываются потенциалзависимые натриевые каналы и ионы Na+ входят в клетку. В норме канал открывается на доли миллисекунды и сам закрывается — инактивируется, благодаря чему импульс короткий, а нейрон быстро готов к следующему.
Гимпиетиды связываются с натриевыми каналами ноцицепторов (в том числе с каналом Nav1.7, важнейшим для болевой чувствительности) и изменяют их работу двумя способами:
- канал открывается при меньшей деполяризации, то есть легче;
- канал инактивируется медленнее и не полностью — натрий продолжает поступать в клетку.
В результате нейрон становится сверхвозбудимым и генерирует импульсы самопроизвольно и в ответ на слабые стимулы — прикосновение, холодную воду, трение одежды. Человек ощущает это как жгучую, «простреливающую» боль.
Значение канала Nav1.7 для боли известно из медицинской генетики: люди с мутацией, выключающей этот канал, совсем не ощущают боли, а при мутациях, делающих его сверхактивным, страдают приступами жгучей боли в конечностях. Поэтому гимпиетиды интересны фармакологам как инструмент для изучения болевых каналов и поиска обезболивающих.
6. Зачем растению такая защита
Жгучие волоски — защита от растительноядных животных. Защита направлена прежде всего против млекопитающих: болевые каналы, на которые действуют гимпиетиды, есть у них. Многие насекомые (жуки, гусеницы) спокойно поедают листья гимпи-гимпи, а некоторые сумчатые — например, кенгуру-падемелоны — тоже объедают листья без видимого вреда, хотя механизм их устойчивости не изучен.
Гимпи-гимпи — растение прогалин, которое быстро растёт на свету и должно сохранить нежные крупные листья. Химическая защита пептидом дешевле, чем толстые жёсткие листья. Пептиды — продукты генов, и растение может синтезировать их, расходуя относительно немного азота, поскольку токсин вводится точечно, прямо в ткани животного.
Частые ошибки. 1) «Волоски крапивы и гимпи-гимпи — это шипы» — шипы и колючки бывают видоизменёнными органами или выростами коры, а волоски — производные эпидермиса, одна клетка. 2) «Крапива жжётся муравьиной кислотой» — главную роль играют гистамин, ацетилхолин, серотонин и органические кислоты (щавелевая, винная). 3) «Гимпиетиды держат канал постоянно открытым» — они облегчают его открывание и замедляют инактивацию, и нейрон становится сверхвозбудимым.
Строение тканей растений, в том числе эпидермиса и его выростов, можно повторить в статье «Ткани растений» и в тренажёре по теме 4.2.
7. Для олимпиад
Потенциалзависимый натриевый канал
Канал состоит из четырёх похожих доменов, в каждом — шесть трансмембранных участков. Четвёртый участок каждого домена несёт положительно заряженные аминокислоты и служит датчиком напряжения: при деполяризации он смещается, и канал открывается. Инактивацию обеспечивает внутриклеточная петля между третьим и четвёртым доменами, которая закупоривает пору изнутри. Токсины разных организмов действуют на разные участки канала: тетродотоксин рыбы-фугу закупоривает пору снаружи, а многие токсины скорпионов, пауков и, по-видимому, гимпиетиды связываются с датчиками напряжения и меняют их движение.
Жгучие волоски возникали много раз
Жгучие волоски есть не только у крапивных, но и у некоторых молочайных, бурачниковых, лоазовых. Их строение сходно (кремнезём или кальций в стенке, обламывающаяся головка), но возникли они независимо. Это ещё один пример конвергенции: одинаковое давление растительноядных животных приводит к сходным решениям.
Задания с разбором
Сначала ответьте сами, затем откройте разбор.
Задание 1
К какой ткани относятся жгучие волоски крапивы? Как они устроены и как действуют?
Разбор
1) Это выросты эпидермиса — покровной ткани. 2) Волосок — одна крупная клетка с хрупким, пропитанным кремнезёмом концом и головкой, которая обламывается при касании. 3) Острый обломок прокалывает кожу, и содержимое клетки (гистамин, ацетилхолин, серотонин, органические кислоты) попадает в ранку, вызывая жжение и воспаление.
Задание 2
Почему гимпиетиды вызывают боль, если они не повреждают клетки? Объясните, используя понятие «потенциал действия».
Разбор
1) Боль воспринимают нейроны-ноцицепторы; импульс возникает при открывании натриевых каналов. 2) Гимпиетиды облегчают открывание натриевых каналов и замедляют их инактивацию. 3) Нейроны становятся сверхвозбудимыми и посылают импульсы при слабых раздражителях и самопроизвольно — мозг воспринимает это как сильную боль.
Задание 3
Пептиды гимпи-гимпи похожи по укладке молекулы на яды пауков и конусов, хотя не родственны им. Как называется такое сходство? Почему оно возникло?
Разбор
1) Конвергенция (на молекулярном уровне). 2) Яды разных организмов действуют на одну мишень — натриевые каналы нервных клеток. 3) Для действия вне организма-хозяина пептид должен быть устойчив к нагреванию и ферментам; цистиновый узел обеспечивает такую устойчивость, поэтому сходная укладка возникла независимо.
Задание 4
Многие насекомые поедают листья гимпи-гимпи без вреда. Предложите возможные объяснения.
Разбор
1) Натриевые каналы насекомых отличаются от каналов млекопитающих по строению участков, с которыми связываются гимпиетиды, и токсин на них не действует. 2) Насекомые могут объедать лист между волосками или повреждать волоски, не ломая головку. 3) Возможно также разрушение пептидов ферментами кишечника насекомых.
Задание 5 (олимпиадное)
У человека с мутацией, полностью выключающей натриевый канал Nav1.7, нет болевой чувствительности. Предскажите, как подействует на него ожог гимпи-гимпи. Какое значение такие наблюдения имеют для медицины?
Разбор
1) Если главная мишень гимпиетидов — Nav1.7, такой человек будет ощущать от ожога гораздо меньшую боль или не ощутит её вовсе (хотя гимпиетиды действуют и на другие натриевые каналы, и полностью исключить боль нельзя). 2) Сочетание генетических данных и действия токсинов показывает, какие каналы определяют боль. 3) Это позволяет искать обезболивающие, избирательно подавляющие Nav1.7 и не влияющие на каналы сердца и мышц.
Литература
- Gilding E. K. et al. Neurotoxic peptides from the venom of the giant Australian stinging tree // Science Advances. 2020. Vol. 6. eabb8828.
- Fu H. Y. et al. Щавелевая и винная кислоты в жгучих волосках крапивы (на англ. яз.) // Annals of Botany. 2006. Vol. 98. P. 57–65.
Обсуждение
Загружаем обсуждение…