Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем

Клетки должны иметь возможность воспринимать сигналы соседних клеток, а также сигналы, которые поступают им издалека в виде гормонов. Например, гормон инсулин сигнализирует клеткам о том, что они должны позволить молекулам сахаров проникать в себя. В силу того, что белки внешней оболочки клетки играют определяющую роль в связях клетки с окружающим ее миром, число разновидностей таких белков достигает десяти тысяч, и они представляют собой значительную составляющую часть общей армии белков.

Основу клеточной оболочки составляют молекулы жиров, или липиды, и молекулы белков. Ключевая роль молекул жиров в строительстве клеточной оболочки основана на том, что они по природе своей отталкивают воду. Молекулы жиров не смешиваются с водой, а также держатся отдельно друг от друга. Они покрывают оболочку клетки тончайшим двойным слоем, благодаря чему она становится гибкой и подвижной и одновременно практически непроницаемой для молекул, растворимых в воде, — таких, как молекулы глюкозы. Размещенные в клеточной оболочке жировые молекулы похожи на крошечных животных, которые не выносят воду: головная часть этих молекул делает все, чтобы убраться из области, где есть вода, а хвостовая часть способна вынести лишь незначительный контакт с водой.

В образующем клеточную оболочку жировом слое размещены и молекулы белков, составляющие примерно половину всех молекул клеточной оболочки; они способны контролировать перенос и перемещение молекул сквозь клеточную оболочку. Благодаря этому клеточная оболочка обладает высокой степенью подвижности и гибкости, что позволяет ей принимать любую форму при изменении формы самой клетки, и не разрываться даже тогда, когда что-то протыкает ее извне. Новая клеточная оболочка формируется клеточным пузырьками — мельчайшими образованиями, которые, в свою очередь, также имеют оболочку. Легкость, с которой жировые молекулы образуют двойной защитный слой, сыграла важную роль в эволюции клеточной оболочки и самой клетки в целом.

Несмотря на то что жировые молекулы не терпят воды, вода все же способна проникать сквозь клеточную оболочку внутрь клетки, а также выводиться из нее. Но жировая оболочка пропускает внутрь в основном молекулы воды, не имеющие электрического заряда. Те же молекулы, что содержат электрический заряд — например, натрий и ионы калия, — проникают сквозь оболочку с большим трудом.

Ион — это атом или молекула, которая либо потеряла, либо приобрела один или два электрона, в результате чего получила отрицательный или положительный электрический заряд. Клеточную оболочку ионы преодолевают при помощи специального механизма транспортировки, состоящего из белков. Размещенные в клеточной оболочке белки также обеспечивают проникновение в клетку и вывод из нее крупных молекул. Клеточная оболочка содержит в себе две белковые системы по транспортировке молекул: одни белки обеспечивают чужим молекулам каналы проникновения сквозь оболочку, а другие выступают в роли их непосредственных переносчиков.

Концентрация ионов натрия вне клеток примерно в 20 раз выше их концентрации внутри клеток. Концентрация ионов калия вне клеток, наоборот, примерно в 20 раз ниже их концентрации внутри клеток. Подобная разница достигается за счет работы белкового «натриевого насоса» — белка, который выносит из клетки молекулы натрия и закачивает молекулы калия. Работа этого «насоса» чрезвычайно важна для того, чтобы не допустить разрыв клеточной оболочки под напором нагнетаемой в клетку воды. Если работа белкового «насоса» остановится, то давление разорвет оболочку клетки и клетка погибнет. Около одной трети всей энергии клетки — то есть около одной трети вашей энергии — уходит на обеспечение работы этого насоса.

Для того чтобы в клетку могла проникнуть глюкоза, являющаяся необходимым компонентом для обеспечения ее энергией, требуется особый белковый механизм; его роль осуществляет белок инсулин. В присутствии инсулина глюкоза переносится сквозь клеточную оболочку при помощи особых групп молекул, которые называются «транспортировщиками глюкозы». Они размещаются в мельчайших пузырьках внутри клетки. Когда инсулин связывается с оболочкой клетки, пузырьки перемещаются по системе микротрубочек, пока также не достигают оболочки и не связываются с ней. После этого транспортировщики глюкозы проникают в оболочку клетки и переносят сквозь нее молекулы глюкозы. Отказы в работе этого механизма приводят к развитию диабета.