В 1960-х гг. я начал изучать клеточную биологию. Если бы тогда кто-то сказал, что мембрана – это мозг клетки, то его просто-напросто подняли бы на смех. Ничего особенного в мембране ученые тогда не видели. Для них это была только лишь незамысловатая трехслойная полупроницаемая оболочка, не позволяющая вытекать цитоплазматическому содержимому.
Одна из причин такой недооценки мембраны была в том, что она очень тонкая. Толщина клеточной мембраны составляет всего лишь семь миллионных долей миллиметра. При такой толщине рассмотреть ее можно лишь в электронный микроскоп, который был разработан только после Второй мировой войны. Так что до 50-х гг. XX века биологи даже не могли экспериментально подтвердить, что клеточная мембрана существует. Вплоть до этого времени многие из них думали, что цитоплазма клетки не растекается, потому что имеет желеобразную консистенцию. Но вооружившись микроскопами, биологи установили, что все живые клетки окружены мембраной и что во всех случаях она имеет фактически одно и то же трехслойное строение. Между тем за этой простотой кроется существенная функциональная сложность.
Исследователи в области клеточной биологии открыли для себя поразительные способности клеточной мембраны, изучая самые примитивные организмы нашей планеты – прокариоты
[16]. Прокариоты, к которым относятся бактерии и некоторые другие микроорганизмы, состоят только из капельки водянистой цитоплазмы, заключенной в клеточную мембрану. И хотя прокариоты представляют собой жизнь в ее наиболее примитивной форме, их существование вполне осмысленно. Они реализуют основные физиологические процессы жизнедеятельности точно так же, как и более сложные клетки. Бактерии поглощают пищу, переваривают ее, дышат, выделяют наружу отходы и даже демонстрируют «нервную» деятельность. Они способны чувствовать, где находится пища, и передвигаться к ней. Они способны распознавать опасные для себя вещества и организмы и целенаправленно избегать их для сохранения собственной жизни. Иными словами, прокариоты демонстрируют разумное поведение!
Но какая же структура придает клетке-прокариоте ее «разумность»? В ее цитоплазме нет таких явных органелл, как в более высокоразвитых клетках эукариот, например ядер или митохондрий. Единственная организованная клеточная структура, которую можно рассматривать в качестве кандидата на мозг прокариоты, – это ее мембрана.
Хлеб, масло, оливки и душистый перец
Когда я более или менее свыкся с идеей, что мембраны – неотъемлемый атрибут разумной жизни, я решил внимательно разобраться в их структуре и функциях. В результате у меня сложилась своеобразная гастрономическая аналогия (шуточная, разумеется), хорошо иллюстрирующая базовую структуру клеточной мембраны. В основе этой аналогии лежит обычный бутерброд – два куска хлеба со слоем масла между ними. Чтобы аналогия была более полной, я украсил его двумя видами оливок – обычными и нафаршированными душистым перцем. Гурманы, только не надо стонов! Когда я в одном из курсов лекций решил обойтись без своего бутерброда, слушатели тут же спросили меня, куда он подевался!
Вот простой эксперимент, демонстрирующий работу такой мембраны-бутерброда. Соорудите бутерброд из хлеба и масла (пока что без оливок). В нашем эксперименте он будет изображать участок клеточной мембраны. А теперь вылейте на него чайную ложку подкрашенной жидкости.
Как хорошо видно на втором снимке, краска проникает сквозь хлеб, но останавливается, дойдя до масла – жидкий слой посередине бутерброда оказывается довольно-таки эффективным барьером.
А теперь сделаем бутерброд с фаршированными и пустыми оливками.
Если мы теперь польем наше сооружение краской и рассмотрим его поперечное сечение, то картина будет иной. Дойдя до оливок, заполненных душистым перцем, жидкость остановится точно так же, как и в случае масла. А вот пустотелая оливка с удаленной косточкой образует в бутерброде канал, пройдя сквозь который, жидкость сможет достичь нижнего куска хлеба и просочиться на тарелку, которая в нашей аналогии выступает в роли цитоплазмы клетки. Иными словами, благодаря пустотелым оливкам подкрашенная жидкость благополучно проникает сквозь на первый взгляд непроницаемый мембранный барьер.
Для клетки чрезвычайно важно обеспечивать молекулам возможность проникать сквозь мембрану, ведь в нашей «бутербродной» аналогии подкрашенная жидкость – это необходимые клетке питательные вещества. Если бы мембрана представляла собой просто бутерброд из двух кусков хлеба и слоя масла, она представляла бы собой несокрушимый барьер, не пропускавший внутрь весь тот шумный спектр молекулярных и энергетических сигналов, который составляет окружение клетки. Но за такой неприступной крепостной стеной клетка погибнет – она просто не будет получать питательных веществ. А вот с пустыми оливками мембрана превращается в важнейший и чрезвычайно изощренный механизм, позволяющий информации и пище проникнуть внутрь точно так же, как в нашем опыте проникла внутрь ложечка подкрашенной жидкости.
В реальной клеточной биологии наши хлеб и масло соответствуют фосфолипидам – одному из двух основных компонентов мембраны. (Другой ее главный компонент – это белки-«оливки», которые мы рассмотрим чуть позже.) Полушутя-полусерьезно я называю фосфолипиды «двуличными» из-за того, что их молекулы содержат полярные и неполярные участки.
Последнее обстоятельство может показаться вам не имеющим особого отношения к двуличию, но я хочу вас заверить, что связь здесь есть. Все молекулы в нашей Вселенной можно подразделить на полярные и неполярные – в зависимости от характера связей, удерживающих вместе составляющие их атомы. В полярных молекулах связи таковы, что разные концы этих молекул имеют положительный или отрицательный электрический заряд. Поэтому они ведут себя подобно магнитам – притягивают или же отталкивают другие заряженные молекулы.
К полярным молекулам в числе прочих относятся молекулы воды и растворимых в воде веществ. А вот молекулы жиров и жирорастворимых веществ неполярны – составляющие их атомы не несут ни положительного, ни отрицательного электрического заряда. Помните пословицу, что вода и масло друг с другом не смешиваются? Неполярные жировые и полярные водные молекулы ведут себя в точности так же. Вам не приходилось готовить заправку для салатов по-итальянски? Сколько ни тряси бутылочку с оливковым маслом и уксусом, стоит поставить ее на стол, как эти вещества разделятся. Это происходит потому, что молекулы, как и люди, предпочитают окружение, которое обеспечивало бы их стабильность. Стремясь к устойчивости, полярные молекулы уксуса тяготеют к полярному водоподобному окружению, а неполярные молекулы оливкового масла – к неполярному. Что же до молекул фосфолипидов, состоящих как из полярных, так и из неполярных (липидных) участков, то им в поисках стабильности приходится туго. В то время как фосфатная часть такой молекулы тяготеет к воде, ее липидная часть отталкивает воду и пытается раствориться в жире.
