Нобелови лауреати – 1963 година - Физиология или медицина - Алън Лойд Ходжкин

Алън Лойд Ходжкин (Alan Lloyd Hodgkin)

5 февруари 1914 г. - 20 декември 1998 г.

Нобелова награда за физиология или медицина (Андрю Хъксли и Джон Екълс)

(За откритията му, свързани с йонните механизми, участващи във възбуждането и задържането в периферните и централните части на мембраната на нервните клетки.)

Английският биофизик Алън Лойд Ходжкин е роден в Банбъри (Оксфордшир). След смъртта на баща му Джордж Л. Ходжкин в Багдад по време на Първата световна война Ходжкин и по-малките им братя-близнаци се възпитават от майка им Мери (Уилсън) Ходжкин. Алън ходи на училище в Малвърн и Холт до постъпването си през 1932 г. в колежа „Тринити“ към Кеймбриджкия университет. От ранна възраст го увлича историята на естествознанието, особено орнитологията, но в Кеймбридж Ходжкин започва да се интересува от физиологията, особено от деленето на нервните клетки.

Електрическият произход на нервните импулси е установен при експериментите на Луиджи Галвани в края на XVIII в. В началото на ХХ в. в Германия физиологът Юлиус Бернщайн предполага, че нестимулираните нервни клетки са галванични елементи с потенциал на покой (разликата между електрическите потенциали между външната и вътрешната повърхност на клетките е в покой), което се определя от нееднаквото разпределение на йоните (заредените частици) в мембраната. Бернщайн изказва хипотезата, че нервният импулс е потенциал на действие – като проницаемостта на мембраната временно се променя – и йоните от двете страни осъществяват връзка помежду си и неутрализират потенциала на покой; когато мембраната възстановява изходното си състояние, се възстановява и изходният потенциал на покой. „Централен момент в теорията – казва по-късно Ходжкин – е това, че разпространението на импюлса от една точка до друга се осъществява с помощта на електрически токове, които текат между областите, намиращи се в покой, и активните области. Потенциалът на действие не е просто електрическа следа на импулса, а причина за неговото разпространение“.

По време на обучението в „Тринити“ Ходжкин се занимава с предварителни изследвания на електрическите свойства на нервите. Един от неговите учители, физиологът Едгар Д. Ейдриън, му предлага да използва относително големите и здрави аксони (нервни влакна) на морския рак Carcinus maenas. Ходжкин следва този съвет и открива, че единичните влакна могат да се изолират лесно за опити. През 1936 г. той става стипендиант на колежа „Тринити“, като работи под ръководството на Арчибалд В. Хил, който изпраща копие от дисертацията му на Хърбърт Х. Гасер. Гасер кани Ходжкин през 1937-1938 г. в института „Рокфелер“ (днес – университета „Рокфелер“) в Ню Йорк. По това време Ходжкин посещава Океанографския институт в Масачузетс, където се среща с Кенет С. Коле и Н. Д. Къртис, които използват за експериментите си отделни нервни влакна, изолирани от калмари. Аксоните на калмара са най-големите от познатите по това време и достигат 1 мм в диаметър, докато аксоните на морските раци не са по-големи в диаметъра си от 0,3 мм, а аксоните на млекопитаещите имат даже по-малък диаметър. „Коле и Къртис бяха разработили метод, позволяващ да се измени електрическата проводимост на мембраната по време на протичането на импулса – пише по-късно Ходжкин – и при анализ техните експерименти доказаха, че в мембраната настъпва значително увеличаване на проводимостта, което съвпада по време с електрическите изменения“. Тези резултати предизвикват особения интерес на Ходжкин, защото свидетелстват за наличието на проницаемост на мембраната за йоните. Ако това се потвърди, може да се намери причината за потенциала на покой.

Ходжкин се връща в Кеймбридж през 1938 г. и започва да работи с Андрю Хъксли, талантлив студент последна година. Те използват методите, разработени от Ходжкин в САЩ при експериментите с аксони на Carcinus. „За наше учудване открихме, че потенциалът на действие често се оказва значително по-голям от потенциала на покой“ – съобщава по късно Ходжкин. Учените установяват, че – за разлика от предсказанията на Бернщайн - потенциалът на действие не само неутрализира (или деполяризира) потенциала на покой, но и значително го превишава.

Ходжкин и Хъсли започват да използват по-късно за експериментите си аксони от калмар, които са достатъчно големи и могат да позволят пълно вкарване на микроелектроди в техните мембрани. Тези изследвания потвърждават резултатите от опитите с аксоните на рак, като доказват, че вътрешната повърхност на мембраната на нервната клетка е заредена отрицателно по отношение на външната. Когато възниква потенциал на действие, вместо очакваната разлика в потенциалите от 60 миливолта Ходжкин и Хъксли регистрират разлика в потенциалите от 90 миливолта и повече, което показва временна поява на по-голям положителен заряд върху вътрешната повърхност на аксонната мембрана по отношение на външната.

Втората световна война спъва Ходжкин да завърши своите изследвания. През по-голямата част от военните години той работи за радиолокационните системи на ВВС.

Като се връща в Кеймбридж след войната, Ходжкин работи във физиологическата лаборатория и през 1954 г. той и Хъксли публикуват резултатите от своята предвоенна работа. Техните разработки за йонните механизми в живите организми привличат вниманието на други кеймбриджки учени и скоро е сформирала малка група за продължаване на изследванията в това направление. Ейдриън ги подкрепя, като намалява педагогическия им товар и осигурява субсидия от фонда „Рокфелер“.

Потенциалът на покой възниква благодарение на проницаемостта на мембраната само за някои йони, което довежда до нееднаква концентрация на различни йони от двете страни на мембраната. Концентрацията на положително заредени натриеви йони отдолу на мембранната повърхност е по-ниска в сравнение с концентрацията върху външната повърхност; за положително заредените калиеви йони положението е противоположно. Много големи органични молекули вътре в клетката са заредени отрицателно и макар че порите в мембраната позволяват на калиевите йони да се движат в двете посоки, натриевите йони и органичните йони, които са значително по-големи, не могат да минават през мембраната. В резултат от това възниква потенциал на покой, защото положително заредените калиеви йони се преместват от клетките (където се намират във висока концентрация) навън (където концентрацията им е по-ниска). Предвоенните изследвания на Ходжкин и Хъксли показват, че причина за възникването на потенциала на действие не може да бъде само преместването на калиевите йони; за да се превиши определения от калиевите йони потенциал на покой и да се предизвика потенциал на действие, е необходимо участието на друг йон и най-подходящият йон, според тях, може да бъде йонът на натрия.

Според натриевата хипотеза отначало клетъчната мембрана става по-проницателна за йоните на натрия, отколкото за йоните на калия, което се постига с отваряне на натриеви канали, или врати. Натриевите йони нахлуват в клетката, правейки вътрешната повърхност на аксонната мембрана временно положително заредена, както предполагат Ходжкин и Хъксли. Ходжкин заедно с Бърнард Кац прави първите опити за проверка на това предположение и през 1947 г. доказва, че потенциалът на действие – но не и потенциалът на покой – се променя в зависимост от концентрацията на натриевите йони в извънклетъчното пространство.

Ходжкин, Хъксли и Кац започват серия от експерименти за проверка на проницаемостта на аксонната мембрана по отношение на различните йони при различни равнища на електрическо напрежение. През 1952 г. те представят математическа теория, чиито детайли са разработени от Хъксли; в съответствие с тази теория потенциалът на действие се обяснява като придвижване на натриевите йони в клетката с последващо преместване на калиевите йони от клетката за възстановяване на потенциала на покой. През същата година Ходжкин става професор към Кралското дружество. Теорията, предложена от Ходжкин и Хъксли, предлага пълно биофизическо описание на потенциала на действие, макар че методите за изследване на молекулярните механизми на нервния импулс (мембранните структури, контролиращи преместването на йоните) стават достъпни едва през 80–те години.

От 1970 до 1981 г. Ходжкин е професор по биофизика. От 1978 г. до 1984 г. е ръководител на колежа „Тринити“. От 1966 до 1976 г. е президент на Морската биологична асоциация, а от 1959 до 1963 г. е член на Медицинското изследователско дружество.

По време на първото си посещение в САЩ ходжкин среща в института „Рокфелер“ Кей Роус, дъщеря на Пейтън Раус. Те се женят през 1944 г., когато Ходжкин отива в САЩ по военни дела. Семейството има син и три дъщери.

Освен с Нобелова награда Ходжкин е награден с Кралския медал (1958 г.) и с медала Копли на Лондонското кралско дружество (1965 г.). Притежава многобройни почетни степени, член е на Кралското дружество и на Кралската академия на науките на Дания, чуждестранен член е на Американската академия на науките и изкуствата, на Националната академия на Индия, на Академията на науките на СССР и на Кралската академия на Ирландия.

Превод от руски: Павел Б. Николов