На путешественника, впервые увидевшего поверхность клетки, наибольшее впечатление производит ее неровность и изменчивость. За редкими исключениями, клетки характеризуются чрезвычайно сложно устроенной поверхностью, специфичной для каждого типа клеток. Поверхность одних испещрена глубокими щелями или покрыта кратероподобными углублениями. Поверхность других деформирована выростами (выбуханиями), называемыми псевдоподиями , или усеяна пальцевидными выростами — микроворсинками или ресничками . Имеются и клетки со складчатой поверхностью—кажется, будто она покрыта тонкими вуалями. Короче, разнообразие их бесконечно.

Сканирующий электронный микроскоп раскрыл перед нами редкую красоту поверхности клетки, однако он не в состоянии показать постоянное движение этих узоров и их калейдоскопические изменения. Колеблются реснички; волнуются мембранозные вуали; склоняются и извиваются микроворсинки; выдвигаются наружу псевдоподии; там, где только что была спокойная поверхность, внезапно взрываются кратеры, извергающие продукты секреции, или, наоборот, зияют инвагинации (впячивают), втянутые в глубь клетки. Иногда, как мы недавно наблюдали, вся клетка содрогается или начинает уползать под влиянием какого-то неуловимого химического сигнала.
Несмотря на все эти непрерывные, порой беспорядочные изменения, клетка всегда остается охваченной плотно прилегающей мембраной, которая приспосабливается к любому изменению ее формы с кажущейся легкой пластичностью. Эта мембрана называется плазматической мембраной, или плазмалеммой . Она представляет собой тонкую пленку толщиной около 10 нм. Даже при увеличении в миллион раз мы получим не более 1 см. На первый взгляд, это слишком тонкая оболочка для структуры величиной с большую аудиторию (а именно таков объем клетки при увеличении в миллион раз). В действительности же, когда мы поближе рассмотрим внутреннюю поверхность мембраны, окажется, что она не единственная структура, несущая на себе всю тяжесть содержимого: с внутренней стороны ей помогает целый ряд поддерживающих структур.
Заключение внутри себя содержимого клетки — лишь одна из многочисленных функций плазматической мембраны, которая по сути представляет собой важнейший орган клетки. Плазмалемма — очень сложная и динамичная структура, регулирующая практически каждое взаимодействие между клеткой и ее окружением, включая взаимодействие с другими клетками. А осуществляется это благодаря ее уникальной структуре, включающей два основных типа составляющих молекул: фосфолипиды и белки.

Секрет устройства мембран — не только плазматической, но и всех биомембран — заключается в липидном двойном слое — бислое . Простейшим примером липидного бислоя служит мыльный пузырь. Мыла (соли жирных кислот) представляют собой линейные молекулы, в состав которых входят только углерод и водород, если не считать концевую отрицательно заряженную карбоксильную группу СОО-. Пользуясь терминологией, к которой мы прибегали в гл. 2, когда говорили об аминокислотах, мы можем сказать, что эти молекулы имеют длинный гидрофобный хвост и гидрофильную головку. Такие молекулы называются амфипатическими (или амфифилическими), что по-гречески означает «любящий двоих». Липиды, входящие в состав мембран, сложнее, чем простые виды мыла, но они тоже амфипатические. Их разветвленная гидрофобная хвостовая часть состоит из двух цепей жирных кислот, а большая гидрофильная головка содержит отрицательно заряженную группу фосфорной кислоты, которая в свою очередь связана с другой, часто положительно заряженной группой; такие образования носят названий фосфолипидов.
Когда амфипатические вещества смешиваются с водой, их молекулы спонтанно принимают конфигурацию, удовлетворяющую одновременно двум противоположным требованиям. Они связываются таким образом, что их гидрофильные головки погружаются в воду, в то время как гидро-фобные хвосты в контакт с водой не вступают, а контактируют только между собой и с другими гидрофобными веществами — маслом, пластмассой или воздухом, которые могут быть вокруг. По существу, таким путем могут образоваться три структуры: однослойные (монослойные), мицеллы и двуслойные (бислойные). Молекулярные монослои образуются на границе между водой и воздухом или какой-либо гидрофобной жидкостью. Мицеллы возникают в воде в виде сферических кластеров с обращенными вовнутрь хвостами и смотрящими наружу головками. Смешайте раствор мицелл с воздухом, и мицеллы соединятся и окружат пузырьки воздуха однослойной пленкой (эффект пены, поверхностный эффект). Если же смешать мицеллы с маслом или потереть ими загрязненную, засаленную поверхность, мицеллы изменятся с образованием монослоев, покрывающих диспергированные капли масла или жира (эмульсифицирующий или очищающий эффект).

Как уже говорилось в предыдущей главе, белки, не способные прятать свои гидрофобные группы внутрь гидрофильной оболочки, обычно находят удобное для себя место в мембранах. Внутри мембраны проблема разрешается таким образом, что они погружают свои гидрофобные части в липидные бислои, в то время как гидрофильные части выходят в окружающую воду. В зависимости от структуры гидрофильных и гидрофобных групп молекулы могут либо плавать на липидном бислое наподобие айсберга, либо сидеть на нем «верхом». В первом случае все гидрофильные группы будут направлены в одну сторону, во втором гидрофильные группы будут выступать по обе стороны мембраны (трансмембранные белки). Некоторые из этих расположений чрезвычайно сложны. Бактериородопсин, основной компонент фотохимического аппарата микроба На1оЫит (см. гл. 10), опоясывает бислой семь раз. Ацетилхолиновый рецептор (см. гл. 13) состоит из двух единиц, каждая из которых в свою очередь состоит из пяти трансмембранных полипептидов, сгруппированных вокруг центрального канала. В этих и других известных примерах такого рода белковые части, пересекающие бислой, состоят из а-спиральных стержней, содержащих 21—27 аминокислотных остатков, по большей части гидрофобных.Белки, у которых одна или более гидрофобных групп погружены в липидный бислой мембраны, носят название интегральных, или внутренних мембранных, белков (независимо от того, пересекают они бислой или нет). Те белки, которые с какой-либо стороны прикреплены к мембране, но внутрь липидного бислоя не проникают, называются периферическими, или наружными.

Концепция рецепторов была выдвинута в начале текущего столетия немецким ученым Паулем Эрлихом, известным своим вкладом в иммунологию и химиотерапию. Эрлих воспользовался принципом «замок — ключ», выдвинутым его современником, химиком Эмилем Фишером, для объяснения того, что происходит на поверхности клеток в некоторых стратегически расположенных химических группировках — рецепторах или местах (сайтах) связывания, которые специфически связывают определенные молекулы, например антитела или лекарственное вещество, под общим названием лиганды . Подобно тому как имеется множество различных замков и соответствующих им ключей, встречается множество рецепторов и лигандов.
Современная химия дополнила концепцию Эрлиха положением о конформационном изменении: занятый лигандом рецептор
приобретает другую, по сравнению с исходной, форму, иными словами, изменяется конфигурация полипептида. При подобных изменениях трансмембранного белка или молекул, способных повредить конформацию трансмембранного белка,между внутриклеточной и внеклеточной средой устанавливается сообщение. Многие важнейшие виды взаимодействия клетки с окружающей средой или с другими клетками протекают именно благодаря рецепторам.

Жизнедеятельность клетки зависит от непрерывного проникновения внутрь клетки и от выхода из нее многочисленных разнообразных веществ. Все они проходят через плазматическую мембрану, и большинство из них высоко гидрофильны. Поступают в клетку для удовлетворения потребностей, связанных с ростом и энергией, сахара, аминокислоты и другие питательные вещества, а удаляются продукты обмена и отходы, которые в противном случае загромождали бы клетку. Кроме того, ионы должны переходить из окружающей среды в клетку и обратно, с тем чтобы поддерживался ионный состав внутриклеточной среды, который очень отличен от ионного состава во внеклеточной среде. Так, внутриклеточная среда значительно богаче ионами калия и гораздо беднее ионами натрия, чем внеклеточная. Эти различия вызывают просачивание, которое должно компенсироваться ионным транспортом в обратном направлении. В результате осуществляется значительный двусторонний транспорт через границу, которая, как мы помним, состоит в основном из непрерывного фосфолипидного бислоя, почти непроницаемого для большинства гидрофильных молекул.
Для поддержания такого транспорта прежде всего необходима достаточно большая площадь поверхности клетки. В самом деле, основной функцией микроворсинок, этих пальцевидных выступов, плотно покрывающих поверхность некоторых клеток , как раз и является увеличение размеров площади, доступной для обменов между клеткой и окружающей ее средой. Вот почему их чаще находят на поверхности клеток, особенно активно участвующих в обмене, таких, например, как клетки, выстилающие слизистую желудочно-кишечного тракта или канальца почек.

У плазматической мембраны есть еще одна важная функция: снабжать клетки «удостоверением личности». В качестве такового клетке служит ряд специфических химических групп, известных под названием трансплантационных антигенов, или антигенов гистосовместимости. Первыми были открыты антигены, определяющие группы крови А и В. Известно, что некоторые из нас имеют группу крови А, а другие — В, АВ или О. Иными словами,по составу крови людей можно разделить на четыре группы, представляющие собой четыре возможных комбинации , которые получаются в зависимости от присутствия или отсутствия одного из двух признаков.
Сейчас в человеческом организме открыты многие трансплантационные антигены. Их число и полиморфизм столь велики, что вряд ли возможно отыскать двух индивидов с полностью идентичными их комбинациями. Такие случаи наблюдаются лишь у однояйцовых близнецов. Трансплантационные антигены представлены (более или менее полно) на поверхности каждой клетки данного индивида; они специфичны для каждого человека. Вот почему их с полным правом считают таким же надежным средством идентификации человека, как отпечатки пальцев.
В организме эти химические опознавательные знаки постоянно подвергаются проверке со стороны специальных защитных клеточных сил — лимфоцитов, агентов иммунной системы, которые обладают способностью по поверхностным маркерам распознавать любой вторгшийся в пределы организма агент и разрушить его или участвовать в его уничтожении. Лимфоциты из ряда основных органов, таких, как селезенка, тимус, лимфатические узлы, миндалины и различные так называемые лимфоидные бляшки, циркулируют в крови и лимфе.

Описанные вкратце в предыдущей главе пути проникновения в клетку посредством переноса, облегченного транспорта или активного транспорта ограничены только небольшими молекулами. За редкими исключениями, даже единичные макромолекулы не в состоянии преодолеть плазматическую мембрану; ясно, что для нас этот путь нереален. К счастью, существует другой, более пригодный путь проникновения в клетку, который открыт не только для макромолекул, но и для более крупных объектов, включая вирусы, бактерии и фрагменты различных клеток. И связан этот путь с эндоцитозом — опосредованным мембранами процессом захвата объектов.

Для того чтобы лучше понять, что такое эндоцитоз, нам придется вернуться в прошлый век. Место действия — сицилийский город Мессина, где русский зоолог Илья Мечников, живший там в добровольной ссылке, наблюдал в микроскоп за прозрачной личинкой морской звезды. Как вспоминал ученый в своих мемуарах, «семья ушла в цирк полюбоваться выступлениями необыкновенных обезьян». В тот момент, когда Мечников следил за странствующей клеткой, передвигающейся наподобие амебы по тканям личинки, ему вдруг пришла в голову неожиданная мысль: что, если в каждом организме имеется группа подвижных клеток, назначение которых обнаруживать, преследовать, поглощать и уничтожать непрошеных пришельцев, например вирусы или микробы? Этот интуитивный вывод сделал Мечникова одним из основоположников иммунологии. С помощью друга-эллиниста он придумал термин для «пожирающей клетки», назвав ее фагоцитом . Сам же процесс поглощения твердой частицы, например бактерии, стал называться фагоцитозом, что буквально означает «клеточный процесс поедания».
В начале 30-х гг. нашего столетия американский биолог Уоррен Льюис обнаружил, что клетки в состоянии поглощать также капельки жидкости; он назвал это явление пиноцитозом . Со временем оказалось, что фагоцитоз и пиноцитоз — проявления более общего механизма захвата, которому дали название эндоцитоз.
Эндоцитоз может осуществляться по- разному, но неизменно зависит от плазматической мембраны, служащей «перевозочным средством» для проникновения внутрь клетки. Каким бы ни был захваченный клеткой объект, он всегда входит в нее, окутанный мембранозным мешком, образованным из инвагинации (впячивания) плазматической мембраны. Как мы уже знаем, биомембраны характеризуются текучестью и свойством самозамыкания. Это поможет нам лучше понять физические аспекты рассматриваемого явления. Представим себе такую картину: небольшой участок оболочки мыльного пузыря втягивается внутрь, после чего, отделившись от этого мыльного пузыря, образует маленький пузырь, заключенный внутри большого. Вопрос о том, каким образом происходит втягивание участка оболочки и каков его механизм, весьма сложен. Мы ответим на него, когда окажемся внутри клетки и увидим процесс изнутри.

Теперь мы готовы отправиться внутрь клетки. Но прежде надо соответствующим образом одеться. По причинам, которые нам вскоре станут понятными, мы должны надеть на себя кислотоустойчивую и недоступную для лизосом одежду, если хотим избежать внезапного — и фатального — окончания нашего путешествия. Материалом для нашего костюма послужит восковое вещество, экстрагированное из клеточной стенки бацилл проказы, которое придаёт этой бацилле удивительную резистентность к внутриклеточному перевариванию. Поверх костюма следует надеть плащ, имеющий на поверхности подходящий лиганд, чтобы клетка, которую мы планируем посетить, могла нас узнать и впустить. Если это будет лейкоцит, то на плаще должны находиться антитела для Рс-рецепторов. Для других клеток может понадобиться другая одежда — помните, что поверхностные рецепторы варьируют от клетки к клетке. Это значит, что мы можем до известной степени выбрать цель нашего путешествия, не забывая покрыть себя соответствующим лигандом.
С учетом наших размеров (даже после уменьшения в миллион раз мы сопоставимы с крупной бактерией) мы должны внедриться в клетку путем фагоцитоза Однако мы узнаем больше, если попросим клетку сделать исключение и поместить нас в окаймленное углубление. Это даст нам возможность участвовать в эндоцитозе совместно с различными связанными с рецепторами молекулами и испытать его с точки зрения его жертв или объектов. Мы знали, на что идем, тем не менее очень неприятно, когда тебя постепенно обволакивают складки наползающей мембраны. Но еще тяжелее становится на душе, когда, разорвав последнюю связь с внешним миром, наше непрочное суденышко погружается в глубокий мрак цитоплазмы, проплывая мимо огромных теней, едва различимых сквозь полупрозрачную мембрану.