"Кожа" клетки

Итак, все живое на Земле, и растения и животные, сложено из клеток, как молекулы из атомов. Мало кого в наши дни это утверждение удивит, мало для кого оно будет новым. Но открытие этой, теперь можно сказать, прописной истины сделано сравнительно недавно и совершенно случайно.

Имя человека, который первым из людей увидел клетку, - Роберт Гук. Он был ассистентом известного физика Бойля. Случилось это в Англии в 1665 году. В то время, как известно, натуралисты и ненатуралисты, которые могли позволить себе подобное развлечение, увлекались лупами и микроскопами. Покупали или делали их сами и смотрели в увеличительные стекла на все, что попадалось под руку.

Роберт Гук сделал микроскоп сам. И рассматривал в него разные вещи, которые открывали перед ним свои невидимые для невооруженного глаза свойства. Позднее он рассказал об этом в книге "Микрография".

Однажды ему попалась в руки пробка. Гук нарезал ее на тонкие ломтики и положил под объектив. И увидел... стройные ряды ячеек, или клеток, как назвал их он. Роберт Гук, как смог, зарисовал клетки пробкового дуба. Но открытие Гука и его рисунки не произвели большого впечатления на современников.

Прошло почти 175 лет, и только в 1839 году была создана, так сказать, общая теория клеточного строения. Ботаник Маттиас Шлейден и зоолог Теодор Шванн независимо друг от друга доказали, что из клеток сложена не только кора пробкового дуба, но и все вообще растительные и животные ткани, все живое на нашей планете.

Размеры клеток обычно очень малы. В капле нашей крови плавает около 5 миллионов красных кровяных шариков, каждый из которых клетка. В длину они около 7-8 микрон. А микрон - тысячная часть миллиметра.

Бактерии, каждая из которых тоже клетка, еще меньше: в капле воды 40 миллионов бактерий живут так же просторно, как рыбы в пруду.

Но бывают клетки и очень большие. Например, куриное яйцо, вернее - его желток. Это тоже клетка. А яйцо страуса? Или эпиорниса, вымершей гигантской птицы Мадагаскара? Его скорлупа вмещала ведро воды.

Клетки растений и животных в общем похожи. Разница только в том, что у растений оболочки клеток сложены из клетчатки - высокомолекулярного сахара. А у животных в основном из липидов - жироподобных веществ.

Молекулы липидов лежат, по-видимому, двумя слоями. Параллельно друг другу, но перпендикулярно плоскости мембраны, клеточной оболочки. Снаружи и изнутри липидная основа покрыта белком, образующим прочные и эластичные сплетения.

Помимо своего чисто механического назначения, клеточная оболочка играет роль очень важного в жизни клетки селективного органа. Она должна пропускать внутрь клетки (и из нее) одни вещества и не пропускать другие.

Какие силы обеспечивают проникновение избранных молекул в клетку?

Прежде всего, конечно, силы диффузии. Живые клетки почти всегда находятся в жидкой среде: в водном растворе разной концентрации и состава. Либо это морская или пресная вода, либо тканевый сок растения или межклеточная жидкость животного. Частицы веществ, растворенных в воде, под действием тепловой энергии стремятся равномерно распределиться в пространстве. Это известно из физики. В соответствии с тем же физическим законом вещества, растворенные в среде, окружающей клетку, проникают через ее оболочку. Если их концентрация внутри клетки мала, а в среде велика, они идут внутрь клетки. Если наоборот - пробираются наружу.

Для некоторых веществ клеточная мембрана может быть непроницаемой. Тогда, если их концентрация в клетке выше, чем вне ее, в клетку начнет проникать вода. Клетка разбухнет. Но вода может и уйти из клетки, когда концентрация веществ, которые ее оболочка не пропускает, в окружающей среде выше. Диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану называется осмосом. Диализ - это диффузия молекул растворенного вещества через ту же мембрану.

Обе эти формы диффузии - и осмос и диализ - физическая основа, от которой зависит жизнь клетки.

Вторая сила, помогающая переносу веществ через клеточные барьеры, - электрическая. Многие растворенные вещества диссоциированы на ионы. А клеточные мембраны обычно сохраняют разность потенциалов на своих внутренних и наружных поверхностях. Разность потенциалов побуждает соответствующие ионы мигрировать внутрь клетки.

Наконец, третья сила, принимающая участие в пассивном переносе веществ через мембрану, - это так называемое втягивание. В том случае, когда мембрана пористая, раствор может протекать через нее по порам, как по капиллярам.

Однако этими тремя методами пассивного проникновения поступление веществ в клетку не ограничивается. Цитологи часто наблюдали, как некоторые вещества устремлялись в клетку, так сказать, против воли стихий, описанных выше. Они направлялись в сторону не понижения, а повышения градиентов сил, обеспечивающих пассивный перенос. Значит, при этом совершалась физическая работа. Энергию для нее поставляет клетка.

Примером веществ, концентрация которых в клетке противоречит законам пассивного переноса, могут служить калий и натрий. Во многих клетках калия значительно больше, а натрия меньше, чем в окружающей среде. В эритроцитах калия в двадцать раз больше, а натрия - в двадцать раз меньше, чем в плазме крови. Предоставленные самим себе, и калий и натрий распределились бы равномерно и в плазме и в эритроцитах. А раз этого не происходит, значит, в кровяных клетках действует какой-то механизм, который постоянно "накачивает" в клетку ионы калия и "выкачивает" из нее ионы натрия.

Этот механизм до конца еще не изучен. Для его объяснения предложен целый ряд гипотез. Одна из них, получившая название модели Шоу, представляет дело так.

Гипотетические молекулы-переносчики на наружной поверхности мембраны соединяются с ионами калия. При этом они теряют часть энергии, но приобретают способность диффундировать со своим грузом через оболочку внутрь клетки. Здесь, на внутренней ее поверхности, молекула-переносчик отдает в цитоплазму калий и получает от нее энергию. Под действием полученной энергии превращается тут же в переносчика натрия. Соединившись с ним, снова устремляется к наружной поверхности клеточной мембраны. Там отдает натрий и энергию и, снова превратившись в переносчика калия, вместе с ним перебирается на внутреннюю поверхность мембраны. А там опять подхватывает калий, чтобы устремиться с ним внутрь клетки.

Есть еще одна очень интересная форма активной охоты клетки за нужными ей веществами. Это пиноцитоз - питье, или, вернее, заглатывание клеткой окружающей ее жидкости.

Происходит это так. На поверхности клеточной мембраны образуется углубление, которое замыкается в пузырек, или вакуоль. Та отрывается от оболочки и мигрирует внутрь клетки. Впечатление такое, будто клетка действительно пьет раствор, который ее окружает.

Пиноцитозу предшествует адсорбция молекул поглощаемого растворенного вещества на поверхности мембраны. Когда его концентрация здесь достигнет определенной нормы, оболочка начинает втягиваться внутрь, образуя пиноцитозную вакуоль.

Некоторые амебы за полчаса успевают "испить" из воды, в которой живут, столько растворенного белка, что весь его вес составляет четверть веса амебы до пиноцитозной трапезы.