Когда я более или менее свыкся с идеей, что мембраны – неотъемлемый атрибут разумной жизни, я решил внимательно разобраться в их структуре и функциях. В результате у меня сложилась своеобразная гастрономическая аналогия (шуточная, разумеется), хорошо иллюстрирующая базовую структуру клеточной мембраны. В основе этой аналогии лежит обычный бутерброд – два куска хлеба со слоем масла между ними. Чтобы аналогия была более полной, я украсил его двумя видами оливок – обычными и нафаршированными душистым перцем. Гурманы, только не надо стонов! Когда я в одном из курсов лекций решил обойтись без своего бутерброда, слушатели тут же спросили меня, куда он подевался!

Вот простой эксперимент, демонстрирующий работу такой мембраны-бутерброда. Соорудите бутерброд из хлеба и масла (пока что без оливок). В нашем эксперименте он будет изображать участок клеточной мембраны. А теперь вылейте на него чайную ложку подкрашенной жидкости.

Как хорошо видно на втором снимке, краска проникает сквозь хлеб, но останавливается, дойдя до масла – жидкий слой посередине бутерброда оказывается довольно-таки эффективным барьером.

А теперь сделаем бутерброд с фаршированными и пустыми оливками.

Если мы теперь польем наше сооружение краской и рассмотрим его поперечное сечение, то картина будет иной. Дойдя до оливок, заполненных душистым перцем, жидкость остановится точно так же, как и в случае масла. А вот пустотелая оливка с удаленной косточкой образует в бутерброде канал, пройдя сквозь который, жидкость сможет достичь нижнего куска хлеба и просочиться на тарелку, которая в нашей аналогии выступает в роли цитоплазмы клетки. Иными словами, благодаря пустотелым оливкам подкрашенная жидкость благополучно проникает сквозь на первый взгляд непроницаемый мембранный барьер.

Для клетки чрезвычайно важно обеспечивать молекулам возможность проникать сквозь мембрану, ведь в нашей «бутербродной» аналогии подкрашенная жидкость – это необходимые клетке питательные вещества. Если бы мембрана представляла собой просто бутерброд из двух кусков хлеба и слоя масла, она представляла бы собой несокрушимый барьер, не пропускавший внутрь весь тот шумный спектр молекулярных и энергетических сигналов, который составляет окружение клетки. Но за такой неприступной крепостной стеной клетка погибнет – она просто не будет получать питательных веществ. А вот с пустыми оливками мембрана превращается в важнейший и чрезвычайно изощренный механизм, позволяющий информации и пище проникнуть внутрь точно так же, как в нашем опыте проникла внутрь ложечка подкрашенной жидкости.

В реальной клеточной биологии наши хлеб и масло соответствуют фосфолипидам – одному из двух основных компонентов мембраны. (Другой ее главный компонент – это белки-«оливки», которые мы рассмотрим чуть позже.) Полушутя-полусерьезно я называю фосфолипиды «двуличными» из-за того, что их молекулы содержат полярные и неполярные участки.

Последнее обстоятельство может показаться вам не имеющим особого отношения к двуличию, но я хочу вас заверить, что связь здесь есть. Все молекулы в нашей Вселенной можно подразделить на полярные и неполярные – в зависимости от характера связей, удерживающих вместе составляющие их атомы. В полярных молекулах связи таковы, что разные концы этих молекул имеют положительный или отрицательный электрический заряд. Поэтому они ведут себя подобно магнитам – притягивают или же отталкивают другие заряженные молекулы.

К полярным молекулам в числе прочих относятся молекулы воды и растворимых в воде веществ. А вот молекулы жиров и жирорастворимых веществ неполярны – составляющие их атомы не несут ни положительного, ни отрицательного электрического заряда. Помните пословицу, что вода и масло друг с другом не смешиваются? Неполярные жировые и полярные водные молекулы ведут себя в точности так же. Вам не приходилось готовить заправку для салатов по-итальянски? Сколько ни тряси бутылочку с оливковым маслом и уксусом, стоит поставить ее на стол, как эти вещества разделятся. Это происходит потому, что молекулы, как и люди, предпочитают окружение, которое обеспечивало бы их стабильность. Стремясь к устойчивости, полярные молекулы уксуса тяготеют к полярному водоподобному окружению, а неполярные молекулы оливкового масла – к неполярному. Что же до молекул фосфолипидов, состоящих как из полярных, так и из неполярных (липидных) участков, то им в поисках стабильности приходится туго. В то время как фосфатная часть такой молекулы тяготеет к воде, ее липидная часть отталкивает воду и пытается раствориться в жире.

Электронная микрофотография мембраны человеческой клетки. Чередование темного, светлого и еще одного темного слоев связано с ориентацией фосфолипидных молекул мембраны. Светлый средний слой (эквивалент масла в нашем бутерброде) соответствует гидрофобной области, сформированной «хвостами» фосфолипидов. Темные слои сверху и снизу липидной области (эквиваленты кусков хлеба) соответствуют фосфатным «головкам», тяготеющим к воде.

Но вернемся к нашему бутерброду. Фосфолипидные молекулы мембраны своей формой напоминают круглый леденец на палочке – точнее, на двух палочках (см. рисунок на стр. 109). Круглая часть «леденца» полярная и электрически заряжена, она соответствует хлебу в нашем бутерброде. Два «хвоста» у каждой из молекул неполярны и соответствуют в нашей модели слою масла. Из-за своей неполярности «масляный» слой мембраны не позволяет положительно или отрицательно заряженным атомам и молекулам проходить сквозь нее. По существу, этот липидный внутренний слой является электроизолятором – что как нельзя более уместно в мембране, предназначенной для ограждения клетки от напора множества окружающих ее молекул.

Но если бы мембрана была простым эквивалентом бутерброда из двух кусков хлеба с маслом, клетка не смогла бы выжить. Большинство необходимых ей питательных веществ представляют собой полярные, электрически заряженные молекулы, неспособные проникнуть сквозь сплошной неполярный липидный барьер. Точно так же клетка не смогла бы исторгнуть наружу отработанные шлаки – они ведь тоже поляризованы.