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.

За каких-нибудь несколько минут, подобно призракам, мы просочились сквозь несколько герметически закрытых стен — «барьеров»: сначала из внеклеточной среды во внутриклеточную эндосому, а затем из эндосомы в лизосому. Одновременно мы видели, как целые участки мембран — «пэтчи» присоединялись к окружающей нас тонкой структуре или отделялись от нее, ни разу не повредив или разорвав эту структуру. Вне всяких сомнений, это обстоятельство озадачило бы самого Шерлока Холмса, хотя он, по всей вероятности, оглушил бы доктора Уотсона целой лекцией об основных свойствах липидных бислоев, ибо ключ к нашим перемещениям лежит в способности мембран соединяться. Этот феномен является физической основой везикулярного транспорта, основного средства массовых транспортировок через множественные, окруженные мембранами компартменты клетки, к изучению которых мы приступили на этом первом маршруте нашего путешествия.
Везикулярный транспорт зависит от 'двух четко разграниченных событий, которые на языке перевозок могут быть описаны как слияние и разделение, в плане содержимого — как смешивание и отделение (разделение), а в плане механизма — как цис- и грамс-мембранные соединения (слияния). Чтобы яснее представить себе эти определения, присмотримся сначала внимательнее ко второму этапу нашего путешествия, когда эндосома соединилась с лизосомой. Это, несомненно, было образцом слияния, приведшего к перемешиванию содержимого. Слияние произошло при соединении и реорганизации мембран двух телец, которые приблизились одно к другому своими цитоплазматическими поверхностями (поверхностями мембран, находящимися в прямом контакте с цитоплазмой). Такой тип соединения мы будем называть цысмембранным соединением. Этот термин удобен не только потому, что он напоминает су1, но и потому, что префикс цис означает «по эту сторону»,а транс — «по ту сторону». В справедливости такого обозначения мы убедимся, посмотрев на мембраны изнутри клетки.

Вряд ли можно охарактеризовать клетку как радушного хозяина, если иметь в виду, что первой ее приемной для гостей является лизосома. Но клетки и в самом деле гостей не жалуют. Им нужно, чтобы их кормили. Эндоцитоз—прежде всего и больше всего механизм питания клетки Для многих одноклеточных организмов, таких, например, как простейшие, и низших беспозвоночных, эндоцитоз — единственный механизм питания. Пища, как все мы знаем, должна поступать в желудок для переваривания. Это и есть задача, выполняемая при слиянии эндосом и лизосом.
Правда, чем выше по эволюционной лестнице живых организмов мы поднимаемся, тем меньше они нуждаются в таком механизме питания. Клетки человека, например, находят в крови и во внеклеточных жидкостях достаточное количество пита тельных мелких молекул, которые все вместе формируют то, что французский физиолог Клод Бернар назвал «внутренней средой». Таким образом, наши клетки могут скорее позволить себе питаться при помощи молекулярного транспорта, чем при помощи поглощения (захвата) веществ. Однако путь эндоцитоза не был отвергнут эволюцией—просто эндоцитоз стал более тонким, избирательным и приспособленным к широкому кругу функций. Большинство из них связано с процессом переваривания в лизосомах и будет рассмотрено в следующей главе. Вместе с тем имеются и исключения из этого правила. Так, большинство эндосом, формирующихся на обращенной в просвет сосудов поверхности выстилающих их плоских эндотелиальных клеток, не перехватываются лизосомами. Они мигрируют к той стороне клетки, которая обращена к тканям, и там, сливаясь с плазматической мембраной, выгружают свое содержимое. В данном случае за эндоцитозом непосредственно следует экзоцитоз, что служит средством транспортировки некоторых компонентов крови через клеточный слой (пласт). Этот процесс называется диацитозом или иногда грансцитозом.

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.