Песнь клетки. Медицинские исследования и новый человек - Сиддхартха Мукерджи
Организованная клетка. Внутренняя анатомия клетки
Дайте мне органическую везикулу [клетку], наделенную жизнью, и я верну вам весь организованный мир1.
Франсуа-Венсан Распай
Клеточная биология наконец помогла реализовать столетнюю мечту: анализ болезней на клеточном уровне, первый шаг к окончательному контролю над ними2.
Джордж Паладе
Как писал Рудольф Вирхов в 1852 году, “клетка является замкнутой единицей жизни, которая несет внутри себя… законы, управляющие ее существованием”3. Таким образом, ограниченная самостоятельная живая единица, “замкнутая единица”, которая несет в себе законы собственного существования, должна иметь границы.
Эти границы представлены мембраной – внешним пределом собственного пространства клетки. Тела ограничены многоклеточной мембраной – кожей. В человеческой психике тоже есть граница – собственное “я”. Границы есть у домов и у наций. Определить внутреннее содержимое означает определить контуры: установить, где заканчивается внутреннее пространство и начинается наружное. Без границы нет “своего”. Чтобы быть клеткой, чтобы существовать в таком качестве, необходимо разграничивать “свое” и “чужое”.
Что же такое граница клетки? Где заканчивается одна клетка и начинается другая? Все клетки начинаются и заканчиваются окружающими их мембранами.
Мембрана – парадоксальная структура. Если она герметична и не допускает никакого обмена между внутренней и внешней средой, она будет поддерживать целостность внутреннего содержимого. Но как в таком случае клетка удовлетворяет свои жизненные потребности и обязанности? Чтобы питательные вещества могли поступать в клетку и выходить из нее, клетке нужны некие поры.
Ей нужны станции приема сигналов, приходящих извне и переправляемых внутрь. А если организм голодает – и клетке нужно накапливать пищу и остановить метаболизм? 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
