зм? А еще клетка должна избавляться от отходов, но опять-таки где (или как) делать шлюзы, через которые их можно выводить?
Каждое такое отверстие – исключение из правила целостности; в конце концов, дверь наружу одновременно является и дверью внутрь. Вирусы и микробы могут использовать пути для поступления питательных веществ или удаления отходов и через них проникать в клетку. Короче говоря, поры являются необходимым элементом жизни, но одновременно уязвимым местом живого существа. Идеально герметичная клетка – мертвая клетка. Клетка должна обеспечивать две функции: отгораживаться от внешней среды и одновременно открываться ей.
Из чего состоит клеточная мембрана? В 1890-е годы физиолог Эрнест Овертон (троюродный брат Чарльза Дарвина) помещал разные клетки в сотню различных растворов. Он обратил внимание, что жирорастворимые вещества проникали в клетки, в отличие от веществ, которые не растворяются в жирах. Овертон заключил, что клеточная мембрана должна представлять собой жировой слой4, но он не смог объяснить, как входят в клетку и выходят из нее нерастворимые в жирах вещества, такие как ионы или сахара.
Наблюдения Овертона лишь усложнили загадку. Клеточная мембрана толстая или тонкая? Состоит ли она из одного слоя жировых молекул (липидов[33]), образующих единичную пленку, или она многослойна?
Топологическая структура клеточной мембраны была установлена благодаря тщательной работе двух физиологов. В 1920-е годы Эверт Гортер и Франсуа Грендель извлекли все жиры с поверхности известного числа эритроцитов крови, распределили эти молекулы в один слой и подсчитали его площадь5. Затем они определили площадь поверхности клеток, с которых сняли эти мембраны. Площадь слоя экстрагированных липидов почти вдвое превышала площадь поверхности эритроцитов.
Схема строения клеточной мембраны. Изображен липидный бислой с круглыми головками на внешней и внутренней поверхности и длинными хвостами посредине. Головки представляют собой заряженные фосфатные группы, которые растворимы в воде (и поэтому располагаются на поверхности мембраны), а связанные с головками хвосты – длинные последовательности атомов углерода и водорода, которые не растворяются в воде (и потому спрятаны внутри двойного слоя). Плавающие в мембране каплевидные структуры – это белки, играющие роль каналов, рецепторов и пор.
Этот результат открыл неожиданную истину: судя по всему, клеточная мембрана представляет собой двойной липидный слой. Представьте себе два склеенных листа бумаги, из которых сложен некий трехмерный предмет, скажем шар. Если шар – это клетка, то два листа бумаги – двухслойная клеточная мембрана.
Последняя часть загадки – как молекулы вроде ионов или сахаров проходят через двойной липидный слой и как клетки сообщаются с внешней средой – была разгадана в 1972 году, почти через пятьдесят лет после экспериментов Гортера и Гренделя. Биохимики Гарт Николсон и Сеймур Сингер предложили модель, в рамках которой белки встраиваются в клеточную мембрану, проходя через нее и образуя в ней отверстия, или каналы6. Липидный бислой не гладкий и не монотонный; в нем изначально существуют поры. В мембране плавают белки, пронизывающие ее поперек и позволяющие молекулам через нее проходить, а другим белкам и молекулам – связываться с внешней поверхностью клетки.
Отметив мозаичное строение мембраны, в которой соединены многие компоненты, Николсон и Сингер назвали свою модель жидкостно-мозаичной моделью клеточной мембраны, и ее точность была подтверждена методом электронной микроскопии.
Для простоты давайте представим себе, что мы проникаем внутрь клетки и начинаем исследовать ее содержимое, как космонавт исследует незнакомый ему космический корабль. Издали мы видим поверхность “корабля”: продолговатую серо-белую объемную форму ооцита или темно-красный диск эритроцита.
По мере приближения мы с большей четкостью различаем внешний слой мембраны. Из поверхности наружу выдаются белки. Одни служат рецепторами сигнальных молекул, другие играют роль молекулярного “клея” для скрепления клеток друг с другом, третьи выполняют функцию каналов. Если нам повезет, мы заметим, как молекула питательного вещества или ион проскальзывает через такую пору внутрь клетки.
А теперь мы с вами проникнем “на борт”. Нужно пронырнуть через “корпус”, т. е. через двухслойную мембрану: быстро пересечь пространство между двумя слоями мембраны шириной лишь около десяти нанометров (это в десять тысяч раз меньше толщины человеческого волоса) и вынырнуть во внутриклеточном пространстве.
Поглядим вверх и вокруг себя: внутренний слой клеточной мембраны колышется над нами, как жидкая поверхность океана, если смотреть на нее из-под воды. Видны также внутренние части белков, трепыхающиеся над нами, как днища морских буйков.
Сначала мы проплывем по внутриклеточной жидкости, которую называют протоплазмой, цитоплазмой или цитозолем[34]. Протоплазма – это “жизненный флюид”, обнаруженный биологами XIX века в живых клетках и в живых существах[35]. Хотя многие клеточные биологи и раньше видели, что в клетках содержится жидкость, первым данный термин использовал Гуго фон Моль в 1840-е годы. Протоплазма – это насыщенный химическими соединениями суп. В некоторых местах он имеет плотную коллоидную консистенцию, а в других более водянистую[36]. И этот студень поддерживает жизнь.
На протяжении почти половины столетия после работы фон Моля с протоплазмой в 1840-е годы клеточные биологи представляли себе клетку в виде шарика, заполненного подвижной жидкостью. Однако, попав в клетку, мы сразу замечаем, что в цитоплазме имеется молекулярный “скелет”, определяющий форму клетки, – как костный скелет, который поддерживает форму организма[37]. Этот остов, называемый цитоскелетом, главным образом состоит из филаментов, образованных белком актином, и трубчатых структур, образованных белком тубулином[38]. В отличие от костей, эти нитчатые структуры, пересекающие внутриклеточное пространство, не являются статичными и выполняют не только структурную функцию. Они определяют внутреннюю организацию клетки. Цитоскелет сближает клеточные компоненты между собой, а также служит для передвижения клетки. Когда белая клетка крови направляется навстречу микробу, она использует актиновые филаменты (а также другие белки), чтобы двигать “ножками”, попеременно сокращая и расслабляя свою переднюю часть, что напоминает эктоплазматическое движение какого-то инопланетянина7.
Тысячи белков, связанных с цитоскелетом или свободно плавающих в протоплазматической жидкости, обеспечивают протекание жизненно важных реакций (дыхание, метаболизм, удаление отходов жизнедеятельности). Плавая в протоплазме, мы обязательно встретим одну очень важную молекулу: это длинная нитевидная молекула, называемая рибонуклеиновой кислотой (РНК). Нити РНК построены из четырех типов субъединиц: аденина (А), цитозина (С), урацила (U) и гуанина (G). Одна нить может состоять из тысяч таких субъединиц, объединенных в последовательности типа ACUGGGUUUCCGUCGGGGCCC. Эта нить содержит в себе закодированную информацию, необходимую для синтеза белка[39]. Ее можно сравнить с алгоритмом, напоминающим последовательность знаков, передаваемых с помощью азбуки Морзе. Например, одна молекула РНК, только что синтезированная в клеточном ядре, может содержать инструкции для синтеза инсулина. А рядом могут плыть другие нити, кодирующие другие белки.
Как расшифровываются эти инструкции? Поглядев по сторонам, мы заметим массивные макромолекулярные структуры, называемые рибосомами, – составные агрегаты, впервые описанные американским клеточным биологом румынского происхождения Джорджем Паладе в 1940-е годы8. Их нельзя не заметить; например, в клетке печени их содержится несколько миллионов. Рибосома удерживает молекулы РНК и расшифровывает записанные в них инструкции для синтеза белков. Эта клеточная фабрика по синтезу белков сама также построена из белков и РНК. Это еще один замечательный пример природной рекурсии, в рамках которой одни белки позволяют синтезировать другие.
Создание белков – одна из важнейших функций клетки. Из белков строятся ферменты, обеспечивающие жизненно важные химические реакции. Из них же состоят структурные элементы клетки. Белки выполняют функцию рецепторов, принимающих внешние сигналы, образуют поры и каналы клеточной мембраны, а также регулируют включение и выключение генов в ответ на соответствующие стимулы. Белки – это рабочие лошадки клеток.
В клетке мы можем увидеть еще одну макромолекулярную структуру, похожую на мясорубку. Это клеточный мусорный пресс – протеасома, куда белки отправляются в последний путь. Протеасома расщепляет их на составные элементы и выплевывает пережеванные фрагменты обратно в протоплазму, завершая цикл синтеза и расщепления.
Проплывая через клеточную протоплазму, мы обязательно натолкнемся на крупные структуры, связанные с мембраной. Их можно сравнить с отдельными отсеками космического корабля за двойной перегородкой. Здесь есть отделение для производства энергии, для хранения запасов, для приема и отправления сигналов, а также для удаления отходов. Все более и более пристально вглядываясь в клетки, микроскописты и клеточные биологи нашли десятки организованных функциональных подструктур, аналогичных органам (таким как почки, кости, сердце), идентифицированным в человеческом теле Везалием и другими анатомами. Биологи называют их органеллами – миниатюрными органами внутри клетки.
Вероятно, мы очень быстро заметим структуры в форме почки: впервые они были описаны, хотя и без подробностей, в 1840-е годы немецким гистологом Рихардом Альтманом, обнаружившим их в клетках животных