Если бы мембрана была неприступной крепостной стеной, клетка попросту погибла бы от голода. Но благодаря пустотелым оливкам мы увидели, что мембрана представляет собой очень важный, чрезвычайно изощренный механизм, благодаря которому информация и питательные вещества проникают внутрь клетки — так же, как окрашенная жидкость проникла сквозь бутерброд.
Что касается «двуличных» фосфолипидов клеточной мембраны, я называю их так потому, что они состоят из двух родов молекул — полярных и неполярных. Вам может показаться, что последнее обстоятельство не имеет никакого отношения к двуличию, но хочу вас заверить, что это не так. Все молекулы в нашей Вселенной можно подразделить на полярные и неполярные — в зависимости от характера связей, которые удерживают вместе их атомы. Разные концы полярных молекул имеют положительный и отрицательный электрический заряд. По этой причине они, подобно магнитам, притягивают либо 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. Вспомните, 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 смеси для заправки салатов по-итальянски? Вспомните: 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 обеспечивает их стабильность. Стремясь к стабильности, полярные молекулы уксуса тяготеют к полярному окружению, а неполярные молекулы оливкового масла — к неполярному.
Ищущим стабильности молекулам фосфолипидов, имеющим как полярные, так и неполярные (липидные) части, приходится туго. В то время как фосфатная часть такой молекулы тяготеет к воде, ее липидная часть отталкивает воду и тянется к жиру.
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 (см. следующую иллюстрацию) соответствует гидрофобной области, образованной «ножками» фосфолипидов. Темные слои выше и ниже липидной области — эквиваленты кусков хлеба, соответствуют фосфатным «головкам», тяготеющим к воде.
Фосфолипидные молекулы мембраны своей формой напоминают круглые леденцы на палочке — точнее, на двух палочках (см. иллюстрацию). Круглая часть «леденца» полярно электрически заряжена; в нашей аналогии с бутербродом она соответствует хлебу. Две «ножки» каждой из молекул неполярны и соответствуют в той же аналогии 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 электрическим изолятором — качество, как нельзя более уместное в мембране, ограждающей клетку от напора множества окружающих ее молекул.
Но если бы мембрана была простым эквивалентом обычного 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. И точно так же клетка не смогла бы исторгнуть наружу отработанные шлаки — они ведь тоже поляризованы.
Однако клеточная мембрана содержит еще один, поистине гениальный компонент, представленный в нашем бутерброде оливками. Это так называемые интегральные мембранные белки (ИМБ), которые позволяют питательным веществам и шлакам проходить сквозь мембрану. ИМБ, встроенные в «масляный» слой мембраны точно так же, как оливки на моей иллюстрации, пропускают в клетку только те молекулы, которые нужны для бесперебойного функционирования ее цитоплазмы, и непроходимы для всякого молекулярного мусора.
Как же удается ИМБ внедриться в «масло» мембраны? Вспомните, что белки представляют собой линейные цепочки связанных друг с другом аминокислот, одни из которых представляют собой тяготеющие к воде гидрофильные полярные молекулы, а другие — гидрофобные, неполярные молекулы. Та область белковой цепочки, которая составлена из гидрофобных аминокислот, стремится достичь устойчивости, отыскав окружение, тяготеющее к жирам, — в данном случае речь идет о липидной сердцевине мембраны (см. стрелку на рисунке). Именно таким образом гидрофобные части белка встраиваются во внутренний слой мембраны. Из-за того, что некоторые области белковой цепочки состоят из полярных аминокислот, а другие из неполярных, белковая молекула изгибается внутри и снаружи нашего «бутерброда».
Существует масса разновидностей ИМБ, но все они могут быть подразделены на две функциональные группы: белки-рецепторы и белки-эффекторы.
ИМБ-рецепторы — это органы чувств клетки, эквивалент наших глаз, ушей, носа и т. д. Они действуют как молекулярные «наноантенны», настроенные на восприятие определенных сигналов внешнего окружения. Одни ИМБ-рецепторы погружены внутрь клетки и отслеживают состояние ее внутренней среды; другие же ИМБ-рецепторы выведены наружу и улавливают сигналы извне.
Как и все прочие белки, о строении которых мы говорили выше, ИМБ-рецепторы переходят от неактивной к активной конформации, когда меняется их электрический заряд. Когда белок-рецептор связывается с сигналом внешней среды, возникающее в результате перераспределение электрического заряда заставляет белковую цепочку свернуться по-новому, и она принимает «активную» конформацию.
У клетки имеются нужным образом настроенные белки-рецепторы для всех внешних сигналов, которые необходимо улавливать. Некоторые белки-рецепторы реагируют на сигналы физического характера, — например, эстрогенный рецептор, устройство которого в точности соответствует конфигурации и заряду молекулы белка эстрогена (аналогичным образом, гистаминные рецепторы по своей конфигурации соответствуют молекулам гистамина, инсулиновые рецепторы — молекулам инсулина и т. д.). Когда молекула эстрогена оказывается рядом с эстрогенным рецептором, он надежно сцепляется с ней, подходя, как ключ к замку. Как только это происходит, электрический заряд эстрогенного рецептора перераспределяется и он переключается в свою активную конформацию.
«Наноантенны» белков-рецепторов также способны улавливать колебания энергетических полей, таких, как свет, звук и радиоволны. Такие «антенны» вибрируют наподобие камертона, и если колебания энергии во внешней среде оказываются в резонансе с антенной белка-рецептора, в нем происходит перераспределение заряда и он изменяет свою конфигурацию [Tsong 1989]. Я остановлюсь на этом более подробно в следующей главе, а сейчас хочу подчеркнуть вот что: коль скоро белки-рецепторы могут воспринимать энергетические поля, нам необходимо отказаться от представления, что на физиологические процессы в клетке могут влиять только молекулы того или иного вещества. Поведение клетки может быть обусловлено незримыми силами, такими, как мысль, в не меньшей степени, чем пенициллином. Вот надежный научный фундамент для нефармацевтической, энергетической медицины.
После того как белки-рецепторы проинформируют клетку о внешних сигналах, ей надлежит предпринять адекватные ответные действия, направленные на поддержание своей жизнедеятельности. Это задача белков-эффекторов. В целом тандем рецепторов и эффекторов можно назвать коммутатором. Он функционирует по типу «раздражение — отклик», наподобие той рефлекторной реакции, которую невропатологи проверяют во время медосмотра. Когда врач ударяет вас по колену молоточком, ваш сенсорный нерв получает сигнал и тут же передает информацию моторному нерву, который и заставляет ногу дергаться. По своим функциям белки-рецепторы клеточной мембраны эквивалентны сенсорным нервам, а белки-эффекторы — моторным нервам, вызывающим действие.
Поскольку клетке для обеспечения ее нормального функционирования требуется решать целый ряд задач, существует множество разновидностей белков-эффекторов. Операция белкового транспорта требует участия обширного семейства так называемых канальных белков, переносящих молекулы и информацию с одной стороны мембранного барьера на другую. В связи с этим нам настало время вспомнить о душистом перце из нашей «бутербродной» модели. Многие канальные белки имеют форму туго смотанного клубка и напоминают фаршированные душистым перцем оливки. Когда электрический заряд канального белка меняется, он изменяет форму — так, что возникает открытый канал, проходящий сквозь сердцевину его клубка. Канальный белок — это, по существу, одна и та же, единая в двух лицах, «оливка», меняющая свой облик в зависимости от электрического заряда. В активном состоянии его структура напоминает пустотелую оливку, открывающую свободный проход. В неактивном состоянии он похож на фаршированную, наглухо закрытую от внешнего мира оливку.
