В многоклеточном организме клетки окружены поступающей из крови жидкой средой, которую можно сравнить с наваристым бульоном. Особенность этого «бульона» заключается в том, что он содержит много тысяч ингредиентов, причем концентрация большинства из них очень низкая. Одни компоненты межклеточной жидкости представляют собой строительный материал клеток, такой, как аминокислоты, а другие — питательные вещества, например витамины. Каждый ингредиент нужен данной клетке в строго определенном количестве и в строго определенное время.
Во внеклеточной среде содержатся и гормоны, индуцирующие специфические внутриклеточные сигналы, а также отходы метаболизма и токсические вещества, которые должны уничтожаться специализированными клетками. Каждая клетка извлекает из среды только те компоненты, в которых она нуждается, а все прочие внутрь нее не проникают. Эта задача решается с помощью плазматической мембраны, которая окружает каждую клетку и контролирует ее обмен с межклеточной средой, а следовательно, и со всеми остальными клетками организма.
Как и в других биологических мембранах, основной структурный элемент плазматической мембраны — это двойной слой молекул фосфолипидов. В него погружены молекулы различных белков, исполняющие множество разнообразных функций. Одна из них — обеспечение избирательного проникновения в клетки определенных водорастворимых веществ, для которых липидный бислой является непреодолимой преградой. Ионы и небольшие водорастворимые молекулы, такие, как аминокислоты и сахара, проникают в клетки либо просто путем диффузии, либо благодаря активному перекачиванию через специализированные каналы в мембранах.
Каналы построены из белков, называемых пермеазами. Крупные молекулы и частицы вещества проникают в клетки посредством совершенно иного процесса, известного под названием эндоцитоз. Существуют три варианта эндоцитоза. При фагоцитозе связывание частиц или очень больших молекулярных комплексов с клеточной поверхностью вызывает обволакивание мембраны вокруг связанной частицы. Далее происходит впячивание этого участка мембраны, и частица оказывается внутри клетки, заключенной в везикулу диаметром несколько микрометров.
Путем фагоцитоза клетки простейших захватывают бактерий и другие пищевые частицы. У высших животных также есть фагоцитоз: клетки иммунной системы — макрофаги — поглощают таким способом попавших в организм бактерий. Не специфический захват клетками внеклеточной жидкости происходит благодаря эндоцитозу другого типа, называемому пиноцитозом. Заключается он в том, что мелкая капля жидкости окружается участком впячивающейся мембраны и переходит таким образом внутрь клетки в везикуле диаметром около 0, 1 мкм. При этом, естественно, внутри клетки оказываются те ионы и мелкие молекулы, которые были растворены в капле.
В отличие от первых двух видов эндоцитоза опосредуемый рецепторами эндоцитоз высоко специфичен. Рецепторы — это мембранные белки; в каждом есть участок связывания, специально подогнанный для того или иного лиганда — белка или небольшой частицы. Именно рецепторы извлекают из внеклеточного «бульона» специфический ингредиент (даже если его концентрация очень низка, а прочие молекулы находятся в большом избытке) и прочно его удерживают. Связывание ингредиента с рецептором вызывает впячивание мембраны, и лиганд оказывается в составе везикулы. За последние годы удалось узнать много нового о механизме опосредуемого рецепторами эндоцитоза, особенно о том, как попавший в клетки комплекс рецептора с лигандом распадается и лиганд используется по назначению, а рецептор вновь появляется на клеточной поверхности, чтобы связать следующую молекулу лиганда.
Путем опосредуемого рецепторами эндоцитоза в клетку попадают самые разнообразные лиганды, и каждого лиганда ждет там своя «судьба». Впервые такой способ проникновения белка в клетки описали в 1964 г. К. Портер и Т. Рот (они работали тогда в Гарвардском университете). Было выяснено, каким образом яйцеклетки птиц и насекомых захватывают большое количество белков, которые запасаются в желтке для питания зародыша. Эти белки синтезируются в различных тканях организма и затем переносятся в развивающийся ооцит.
Рот и Портер показали, что у самок комаров белок-предшественник вителлогенин синтезируется в печени, секретируется в кровь и переносится с током крови в яичники. Там молекулы вителлогенина связываются с рецепторами, которые расположены в примерно 300 тыс. микроскопических «ямок» на поверхности ооцита. Эти ямки затем, впячиваясь, превращаются в везикулы, которые сливаются и образуют желток.
