Основным следствием описанных выше процессов слияния и разделения является возможность временного соединения и разделения содержимого клетки между всеми ограниченными мембранами отсеками, которые могут вовлекаться в указанные процессы. Термином «пространство», или «компартмент», принято обозначать группу отсеков, связанных подобным образом.

Лизосомы, число которых в одной клетке достигает нескольких сотен, образуют типичное пространство. Случайному наблюдателю это родство лизосом далеко не всегда очевидно. Дело в том, что разнообразие и полиморфизм — наиболее характерные черты лизосомального компартмента. Встречаются лизосомы всевозможных форм и размеров; особым разнообразием отличается их внутренняя структура. Это разнообразие отражено в морфологической терминологии. Имеется множество терминов для обозначения частиц, которые нам сейчас известны как лизосомы. Среди них: плотные тельца, остаточные тельца, миелиновые тельца, мультивезикулярные тельца, цитосомы и цитосегресомы и многие, многие другие. Терминология патологических образований еще более многочисленна, так как многие из видоизмененных внутриклеточных включений, наблюдаемые в пораженных тканях, также являются лизосомами.
Однако, как только мы обратимся к их биологической функции, выяснится, что все они — места, где перевариваются поступающие в клетку вещества. И тогда нам станет понятной их структурная гетерогенность: содержимое лизосом составляют в основном вещества в процессе переваривания и непереваренные остатки. Если исследовать несколько сотен взятых наугад желудков, то обнаружится, что их содержимое тоже значительно варьирует в зависимости от того, когда и что ел хозяин того или иного желудка. Но, поняв, что разнообразное содержимое желудка и является его характерной чертой, можно без особого труда определить, что рассматриваемый орган во всех случаях идентичен. Разнообразие его содержимого может даже оказаться диагностическим фактором. Аналогичное явление наблюдается и в биологии клетки. Сейчас, рассматривая в электронный микроскоп частичку, окруженную однослойной мембраной, с беспорядочной внутренней структурой, исследователь знает, по предшествующему опыту, что, по-видимому, перед ним лизосома.

Захват и переваривание внеклеточных материалов называется гетерофагией . Эту способность мы унаследовали от наших далеких одноклеточных предков, которые первыми научились преследовать живую добычу, убивать ее и переваривать внутри клетки. Гетерофагия представляет собой основной механизм пищеварения у простейших одноклеточных организмов и низших беспозвоночных и сохраняется почти в неизменном виде у лейкоцитов, в функцию которых входит преследование и уничтожение не-прошеных гостей.
Однако между свободно живущими простейшими и лейкоцитами имеется принципиальная разница. Для простейших одноклеточных организмов эндоцитоз — вопрос жизни и смерти. Само их существование зависит от ежедневного захвата бактерий. Что же касается лейкоцитов, то они живут в богатой жирами жидкости, полной Сахаров, аминокислот и других мелких молекул, которые можно использовать непосредственно, без предварительного переваривания. Лейкоциты в гетерофагии не нуждаются. Наоборот, гетерофагия их убивает. Лейкоциты созданы таким образом, что только раз в жизни они могут наесться вволю. Они образуются в костном мозгу, загружаются лизосомальными гидролазами и другим смертоносным оружием и затем отправляются на поиски врага. При встрече с ним они пожирают столько врагов, сколько в силах съесть, после чего умирают, превращенные естественным отбором в самоубийственных обжор во благо человеческого организма. До роковой встречи лейкоциты питаются в основном мелкими молекулами, которые они захватывают из окружающей среды посредством различных транспортных систем, расположенных в их плазматической мембране. Лейкоциты в основном осмотрофические , тогда как свободно живущие простейшие одноклеточные — фаготрофические.

Помимо гетерофагии клетки занимаются и аутофагией, иными словами, «поедают» и переваривают небольшие кусочки своего собственного вещества . Это происходит не только тогда, когда они лишены пищи и вынуждены обходиться собственными ресурсами, но и тогда, когда в изобилии снабжаются питательными веществами. Удивительна скорость этого саморазрушения. Обычной клетке печени, например, требуется меньше недели для разрушения большей части своего содержимого.
О том, что такой процесс происходит, трудно предположить, даже изучая клетку с помощью тончайших морфологических и химических методов. Клетка печени может жить в течение многих лет, и все это время ее структура и химический состав мало изменяются. Интенсивный молекулярный обмен, происходящий за этим внешне неизменным фасадом, обнаружился только тогда, когда в распоряжении исследователей появились изотопы и с их помощью удалось отличить химически идентичные молекулы друг от друга. Тогда и обнаружилось, что клетки постоянно разрушают и восстанавливают свои составные части с удивительной быстротой. Клетки напоминают те старые дома, которые на первый взгляд кажутся такими же, какими они были в момент их строительства, хотя на самом деле их столько раз ремонтировали, что от первоначальных оконных рам, черепицы или даже кирпичей и досок почти ничего не сохранилось. Но процесс, который для дома может длиться столетиями, укладывается в дни для живой клетки.
Кругооборот , как назван этот процесс молекулярного обновления, представляет собой тонко отрегулированный процесс. Каждая составная часть клетки имеет свою собственную характерную среднюю продолжительность жизни. Молекулы белка, например, в зависимости от их структуры живут от нескольких часов до нескольких дней. Из этого следует, что для каждого вида белка существуют специфичные скорости синтеза и распада и, чтобы клетка оставалась неповрежденной, они должны быть идеально сбалансированы. То же характерно и для большинства других клеточных компонентов, за исключением ДНК, которая полностью не заменяется, хотя и подвергается местным повреждениям и восстановлениям.

В кишечнике конечные продукты пищеварения (переваривания) «очищаются» в результате кишечной абсорбции: они удаляются клетками слизистой, обычно при помощи активных насосов, и попадают в кровеносное русло. Нечто подобное происходит и в лизосомах. Различные мелкие молекулы, образовавшиеся в процессе переваривания, диффундируют или переносятся через лизосомальную мембрану в цитоплазму, где их используют метаболические системы клетки. Вполне вероятно, что очищение лизосом происходит не. без участия специальных систем переносчиков, расположенных в мембране, но они пока не охарактеризованы.
Но что случается, если переваривания не происходит или оно неполное и не достигает той стадии, на которой его продукты могут быть очищены? Что, к примеру, происходит, если клетки захватывают устойчивый к перевариванию материал или если они страдают какой-либо недостаточностью пищеварения?
У большинства простейших организмов и низших беспозвоночных подобные ситуации не вызывают особых последствий, так как их клетки обладают способностью избавляться от содержимого своих старых лизосом, попросту выбрасывая его в окружающую среду. Этот процесс, образно названный клеточной «дефекацией» (очищением), зависит от экзоцитоза. У высших животных многие клетки, вернее большая их часть, по-видимому, неспособны опорожнять свои лизосомы таким образом. Они, так сказать, находятся в состоянии хронического «запора». Как мы увидим дальше, именно этот серьезный недостаток лежит в основе многочисленных патологических состояний, связанных с перегрузкой лизосом. Альтернатива, к сожалению, столь же плоха, а возможно даже хуже, что следует из патологии: выброс содержимого лизосомы в окружающие ткани вызывает значительное повреждение внеклеточных структур ферментами лизосом, которые выходят вместе с непереваренными остатками. Можно предположить, что описанное клеточное опорожнение подавлялось в ходе естественного отбора, в результате чего эволюция развивалась в направлении все большей многоклеточной организации.

Лизосомальные гидролазы, как и все ферменты, представляют собой белки. Следовательно, они сами повторяют путь всех других белков, проникающих в лизосомы, и должны быть переварены соответствующими протеолитическими ферментами. Тот факт, что они выполняют свою работу должным образом, свидетельствует о медленном процессе протеолитического переваривания. Это не должно нас удивлять, ибо без устойчивых к перевариванию ферментов не могли бы существовать и сами лизосомы. Что же касается природы этой устойчивости, то, судя по всему, в ее основе лежит способность ферментов сохраняться в плотно упакованной форме в кислой среде, преобладающей в их естественной среде обитания. Как правило, белковая нить должна быть хотя бы частично расплетена, или денатурирована (гл. 2), чтобы стать доступной для протеолитических ферментов. Многие белки денатурируются в кислой среде. Очевидно, лизосомальные ферменты представляют собой исключение, чем и объясняется их жизнеспособность в лизосомальной среде.Они, разумеется, не вечны и должны 5 замещаться по мере разрушения. Чтобы выяснить, как именно происходит такое замещение, мы должны проникнуть в другой отдел клетки, ее экспортный компартмент, одной из функций которого является производство лизосомальных ферментов. Это мы сделаем в следующей главе, а сейчас нам остается только наблюдать конечную стадию доставки ферментов в лизосому. Как и следовало ожидать, вновь образованные ферменты прибывают в мембранной упаковке и проникают в лизосомальное пространство посредством слияния мембран (чисслияние). Такие свежие ! упаковки ферментов называют первичными, или девственными, лизосомами в отличие от активно переваривающих вторичных лизосом.

Диспепсия, повышенная кислотность, запор и другие расстройства пищеварения — удел всего человечества, источник малоприятного состояния дискомфорта страдающих этим людей, а также весьма прибыльной индустрии по производству обезболивающих препаратов. И все же эти неприятности — ничто по сравнению с болезнями пищеварения, поражающими клетки. Сейчас, когда исследователи-медики перешли на субклеточный и молекулярный уровни изучения, обнаружилось, что очень многие болезни — не что иное, как проявления того или иного пищеварительного расстройства, поражающего определенные клетки.Как мы уже имели возможность убедиться, большинство наших клеток страдает от «запора», который нельзя рассматривать как болезнь, ибо это естественное состояние клетки. Вместе с тем это и серьезный недостаток, делающий наши лизосомы весьма уязвимыми из-за риска оказаться перегруженными непереваренными веществами. Наиболее драматические примеры перегрузки лизосом можно увидеть у детей, страдающих генетическим дефицитом какого-то лизосомального фермента. В настоящее время известно более 25 таких дефицитов. Они составляют группу генетических болезней накопления (хранения), примером которых может быть хорошо изученная болезнь Тея — Сакса1. При каждой из них наблюдается' выраженный дефицит лизосомального фермента. В результате лизосомы переполняются веществами, которые не могут быть переварены из-за отсутствия соответствующего фермента; они постепенно разбухают и достигают огромных размеров, в итоге приводя к смерти клетки. К счастью, такие болезни накопления в лизосомах встречаются редко, но они причиняют большие страдания: больные дети часто страдают выраженной задержкой умственного развития и умирают в раннем возрасте.

Существует много причин для целенаправленного введения лекарственных веществ в лизосомы. Наиболее очевидная — исправление некоторых местных расстройств, многие из которых, как мы только что видели, имеют разное происхождение. Но в других случаях лизосомы используются не столько как мишени, сколько как средство терапевтического вмешательства. Большая группа веществ — среди них многие лекарственные препараты, а также ряд красителеи, в частности нейтральный красный — спонтанно направляется в лизосомы, где происходит очень быстрое их накопление до концентрации, в несколько сотен раз превышающей их концентрацию в других частях клетки. Все эти вещества, называемые лизосомотропными, представляют собой слабые основания; они легко проходят сквозь мембраны, включая лизосомальную, в непротонированной, незаряженной и соответственно липофильной форме. Под влиянием кислой среды лизосом эти вещества получают протоны и приобретают один-два положительных заряда, которые не позволяют им пересечь мембрану в обратном направлении.
Этот феномен протонной ловушки не ограничивается лизосомами. Он встречается в эндосомах и в других структурах (некоторые отделы комплекса Гольджи?), сохраняя кислую среду за счет работы протонного насоса, и лежит в основе ряда интересных явлений. Наиболее эффектным является прижизненное (витальное) окрашивание, при котором все эндосомолизосомальное пространство светится подобно созвездию ярких звезд. Известный более сотни лет, этот феномен лишь недавно получил объяснение. Другим примером лизосомотропизма может служить вакуолизация клеток, возникающая в результате -осмотического набухания захваченных структур.

Большинство исследователей живого преисполнены глубокого восхищения биосинтезом, этой удивительной способностью живых организмов, включая даже простейших бактерий, производить сотни специфических веществ, многие из которых настолько сложны, что даже современная наиболее сложная химическая технология не в состоянии их воспроизвести. В противовес биосинтезу биодеградация видится как естественный и неминуемый «путь всего живого», рок, постоянно угрожающий «чудотворно хрупкой» фабрике цитоплазмы; она представляется скорее как угроза жизни, нежели жизненная функция.
В самом деле, биосинтез представляет собой поистине замечательное явление, и значительную часть нашего путешествия мы посвятим рассмотрению его ключевых энергетических и информационных аспектов. Однако биодеградация, будучи значительно проще биосинтеза, как теперь начинает выясняться, не менее важна. Не появись соответствующие гидролазы приблизительно в тот же период, что и первые белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и другие биополимеры, не было бы биосферы, а существовала бы только «пластосфера». Не было бы ни адаптации, ни дифференцйровки, ни эволюции, ни самой жизни. «Фабрика жизни» на самом деле отнюдь не хрупкая. Она в значительной степени образована очень прочными молекулами, которые при нормальных условиях не менее прочны, чем полистирол или поливинилхлорид. Переваривание, как мы уже видели, происходит только в присутствии соответствующих катализаторов.