Разрешите сделать последнее замечание, пока мы еще не отправились в путь. Клетки живут в воде, даже если организмы, частью которых они являются, живут на суше. Возьмем, например, наши собственные клетки. За исключением внешних слоев кожй, состоящих из мумифицированных, мертвых клеток, все клетки нашего тела погружены в какую-нибудь жидкость, будь то кровь или производное от нее. Точно так же клетки растений омываются растительным соком. Даже наиболее устойчивые бактерии нуждаются во влаге. Они могут выжить и в отсутствие влаги, но только переходя в состояние спячки; все процессы приостанавливаются, и это состояние длится до тех пор, пока вода не вернет их к жизни. Состояние спячки может наступать и в жизни более сложных клеток, например плесени или семян.
Таким образом, путешественники в мир живой клетки напоминают исследователей подводного царства из фильмов Жака Кусто. Они путешествуют вплавь, ибо без воды многое из того, чем они любуются, сморщилось бы наподобие тех хрупких существ, которые покрывают поверхность подводных камней.
Итак, наденьте акваланг и прыгайте в воду.
Мы отправляемся в путь!

Перед тем как войти в живую клетку, взглянем на ее поверхность, имеющую заслуживающие интереса особенности. Однако найти одиночную клетку нелегко, так как по большей части клетки окружены довольно развитой сетью внешней защиты и «лесами», которые часто полностью прячут клетку от глаза и значительно затрудняют подход к ней. Эти структуры не являются составными частями клетки, но они создаются ими из веществ-предшественников, которые секретируются самими клетками и впоследствии соединяются в различные комбинации практически любой возможной формы и последовательности, от мягкого геля до плотного дерева и скорлупы. Иногда они пропитаны минералами, которые могут придавать их органическому матриксу прочность камня или твердость эмали. Эти внеклеточные конструкции служат своеобразными опорами клетки; именно им клетка обязана той формой, которую жизнь создает на нашей планете. Без них не было бы ни деревьев, ни цветов, ни животных — ничего, кроме аморфной массы илистой слизи, представляющей собой мириады беспорядочно двигающихся друг по другу клеток.

Внеклеточные структуры особенно выражены у растений, где они формируют непрерывный жесткий каркас, в котором каждая отдельная клетка имеет собственную камеру — начальные «клетки», впервые обнаруженные Робертом Гуком в виде микроскопических ячеек в куске пробки. Основной компонент этой твердой сети получил название целлюлозы. Наиболее распространенная среди всех органических веществ на земле, целлюлоза, по определению химиков, есть не что иное, как полимер простого сахара — глюкозы. Полимеры — это гигантские молекулы, образованные многими частями , так называемыми мономерами . Все пластмассы и искусственные волокна представляют собой полимеры. Полимерами являются также основные составные элементы живых организмов, включая полисахариды , к которым принадлежит целлюлоза, и белки (протеины), к которым мы вскоре перейдем. В отличие от искусственных полимеров, которые обычно имеют неопределенную величину, ограниченную по существу матрицей в момент полимеризации, естественные полимеры имеют определенную молекулярную величину. Они состоят из макромолекул , в которых строительные блоки собраны определенным образом. Их молекулярные массы варьируют в основном от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч дальтон (дальтон — масса атома водорода). В исключительных случаях макромолекулы достигают одного миллиона дальтонов или более. Соответственно объем молекул, если они имеют глобулярную структуру, измеряется несколькими нанометрами. Фибриллярные молекулы могут вырастать до нескольких сотен нанометров в длину. Большая часть макромолекул по своему характеру фибриллярна и от природы наделена свойством образовывать характерные мультимакромолекулярные соединения. Часто эти соединения закрепляются химическими поперечными мостиками.

В 1838 г. голландский химик Герардус Иоганнес Мульдер, один из пионеров в области анализа альбуминоидов (лат. а1- Ьиз — белый, а1Ьитеп — белок яйца), употребил термин «протеин» (греч. рго1еюз — основной, первичный) применительно к веществу, которое он считал основной составной частью коагулирующих при высокой температуре азотных соединений, таких, как фибрин крови, казеин молока и альбумин яйца (как раз к тому времени эти соединения начали относить к одному общему классу). Сам термин «протеин» был предложен Мульдеру шведским ученым Йёнсом Якобом Берцелиусом, одним из основоположников химии и «отцом» теории катализа.
Если вспомнить, когда все это происходило, то не приходится удивляться тому, что и Мульдер, и Берцелиус многое понимали чрезмерно упрощенно, тем не менее предложенная ими терминология окaзалась пророческой. Как выяснилось позднее, протеины не только первичные агенты всех процессов жизнедеятельности, — они, подобно своему тезке Протею, древнегреческому морскому божеству, обладают способностью принимать бесчисленные, самые разнообразные формы1.
Мы в этом легко убедимся, настроив наши «молекулярные очки» до высокой разрешающей способности, позволяющей детально рассмотреть предметы величиной всего в несколько нанометров. Даже при увеличении в миллион раз такие объекты все еще будут выглядеть не больше комара. Однако если рассмотреть под соответствующим увеличительным стеклом структуру комаров и других существ, равных им по размеру, то нашему взору откроется множество разнообразнейших форм и структур. Ту же картину можно наблюдать, изучая белки при дальнейшем увеличении. Разница лишь в том, что их формы более абстрактны и своими изящными изгибами скорее напоминают биоморфные скульптуры Ганса Арпа, нежели суставные угловатости (изгибы) насекомых.

Кровеносные сосуды, особенно крупные артерии, с которых мы начинаем наше путешествие, представляют собой бурные водные пути, ритмически приводимые в движение мощной волной, поднимающейся при каждом ударе сердца. Нас окружают клетки, которые, как и мы сами, крутясь, проносятся мимо в быстром потоке плазмы — жидкой части крови.
Большинство клеток крови представляют собой мелкие двояковогнутые диски, наполненные рубиново-красным веществом. Это красные клетки крови, или эритроциты . Их основные функции заключаются в переносе кислорода из легких в ткани и помощи при возвращении в легкие «отхода» — углекислого газа. Эритроциты играют чрезвычайно важную роль в энергетике организма и содержат необходимый для организма белок — красный переносчик кислорода — гемоглобин. Однако сами по себе клетки вряд ли заслуживают особого внимания, ибо они полностью дегенерируют и по существу обречены на смерть. Эритроциты не содержат ни митохондрий, ни рибосом, ни системы внутриклеточных мембран, а у млекопитающих они не имеют даже ядра.
Изредка мы можем столкнуться с белыми клетками крови, или лейкоцитами . Лейкоциты различаются формой и размерами, но сейчас, во время мимолетных столкновений с ними, мы не успеваем их хорошенько рассмотреть. Позже, в более спокойной обстановке мы познакомимся с ними поближе.
По мере того как сужаются артерии и скорость течения замедляется, нам удается бросить взгляд на клетки, выстилающие стенки кровеносных сосудов. Это эндотелиальные клетки , образующие сплошной слой, чем-то напоминающий неравномерно выложенную черепичную крышу или мостовую. Они настолько плоские, что их ядра выдаются в просвет сосуда; от этого стенка сосуда приобретает холмистый вид.

При выходе из сосуда во внеклеточное пространство нашему взору открывается поистине устрашающее зрелище, при виде которого на память невольно приходят сцены из диких джунглей, столь любимые художниками-иллюстраторами первых книг о дальних путешествиях. Разница лишь в том, что наблюдаемые нами сцены разыгрываются в подводном царстве. Между толстыми стволами, наклонившимися во всех' направлениях, тянутся густые переплетения лианоподобных нитей (филаментов). В одних местах эта сеть почти непроходима, в других она представляет собой тончайшую филигранную вязь. Так, по крайней мере, нами воспринимается этот мир на молекулярном уровне через наши увеличивающие в миллион раз «очки». Если мы уменьшим увеличение в несколько сотен раз, то обнаружим, что этот кажущийся молекулярный беспорядок преобразуется в микроскопический порядок в виде волокон, покрытий, пластин и других структурных элементов.
Основным молекулярным компонентом этих внеклеточных структур является коллаген — вещество, которое промышленным способом извлекается из костей, и используется для получения желатина и клея. Отсюда и произошло его название . Коллаген представляет собой белок. Основной его единицей является длинная полипептидная цепь из 1055 аминокислот. Особенно богат он такими аминокислотами, как глицин, пролин и гидроксипролин. Обратите внимание на то, что гидроксипролин не значится в списке 20 аминокислот, приведенном в табл. 1. Он образуется из остатков пролина уже после синтеза полипептида и характерен для коллагена. Специфичной чертой этого полипептида является также его скручивание в лево-закрученную спираль с шагом примерно 1 нм, совершенно отличную от а-спирали, упомянутой раньше. Три такие цепи объединяются в правозакрученную спиральную нить толщиной примерно 1,5 нм и длиной 300 нм с 3-нм повторением (или 9-нм шагом каждой отдельно взятой цепи).

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.