Огромное многообразие живых организмов, начиная от бактерий и инфузорий и кончая человеком, имеют одну общую черту, резко выделяющую эти организмы на фоне неживой природы. Все они имеют клеточное строение. Клетки — это маленькие и очень сложные кирпичики, из которых построен весь живой организм. Форма и размеры клеток могут быть самыми разнообразными. Наиболее мелкие клетки (например, бактерии) могут иметь размер порядка 1 мкм, а самые крупные могут достигать длины 1 м и более. Несмотря на существенные различия в форме и размерах, клетки даже очень непохожих друг на друга организмов имеют поразительное сходство. Все они окружены внешней оболочкой — клеточной мембраной, внутри которой содержится клеточное ядро и другие частицы — внутрлклеточные органеллы. Каждая органелла отвечает за какие-то жизненно важные функции клетки. Так, например, в ядре хранится запас генетической информации, определяющей все наследуемые признаки данного организма, митохондрии можно назвать «электростанциями» клетки, преобразующими энергию пищевых веществ в биологически полезную форму, рибосомы—это «фабрика стройматериалов», на которой производится синтез белковых молекул, и т. д. Все органеллы отделены от внутриклеточной жидкости также с помощью тонких оболочек (мембран), выполня-ющих чрезвычайно важные функции, которые стоит рассмотреть специально. Начать, наверное, нужно с того, что внешняя (плазматическая) мембрана является механической опорой и электрическим изолятором клеток, позволяющим клеткам сохранять свою це-вого организма снару- лостность и специфику.

Известно, далее, что при построении живой ткани клетки легко узнают своих собратьев и активно отторгают «чужаков». Опознавание своих сородичей также осуществляет внешняя мембрана клетки. О том, что происходит, когда эта функция нарушена, мы узнаем в конце этой главы.

В клетке идет постоянная работа всех ее органелл, i на это требуется энергия. Энергия поступает за счет окисления молекул пищевых продуктов при клеточном дыхании и первоначально преобразуется в энергию химических связей фосфатных групп сложной биологической молекулы, сокращенно называемой АТФ. Этот процесс окислительного фосфорилирования идет в мембране, окружающей клеточные митохондрии.

Состав жидкости снаружи и внутри клетки не является одинаковым. В частности, концентрации ионов определенного типа по разные стороны клеточной мембраны могут отличаться в десятки раз. Мембрана в этом случае играет роль тонко работающего активного фильтра, вводящего внутрь клетки и выводящего наружу самые разнообразные вещества. При этом мембране часто приходится перегонять ионы (например, натрия) из того места, где их мало, туда, где их много. С помощью простой диффузии такой процесс, конечно, идти не может, и мембрана выполняет роль насоса, перекачивающего ионы. Такой активный перенос веществ через мембрану чрезвычайно важен для поддержания постоянства внутренней среды организма при изменении внешних условий.

Внешняя мембрана обладает также удивительной способностью захватывать различный материал, находящийся вне клетки, чисто механическим образом. Она может «проглатывать» довольно крупные частицы, которые никогда не смогли бы пройти сквозь мембрану благодаря диффузии или даже активному переносу. Процесс этот называется пиноцитозом, и одну из моделей, объясняющих это явление, мы рассмотрим чуть позже.

Мембраны же являются матрицами для биологически важных молекул, которые играют ключевую роль в работе различных рецепторов (зрительных, обонятельных и др.). В зеленых листьях идет процесс фотосинтеза углеводов из углекислого газа с выделением газообразного кислорода. Он осуществляется молекулами хлорофилла, внедренными в мембраны специальных органелл — хлоропластов.

Наконец, мембраны клеток нервных тканей (нейронов) играют решающую роль в процессах распространения электрических импульсов по нервным волокнам. Из этого простого перечисления видно, что мембраны участвуют практически во всех жизненно важных процессах, идущих в организме. Изучение мембран оказывается удивительно плодотворным подходом при попытках разгадать тайны жизнедеятельности клетки. И хотя это было понято сравнительно недавно, уже создана целая новая наука — мембранология, на которую сейчас возлагаются очень большие надежды.

Конечно, мембраны вещь интересная, скажет недовольный читатель, но о них можно почитать и в других книжках. А причем тут жидкие кристаллы? Вот сейчас мы как раз хотим показать, что мембраны есть не что иное, как знакомые нам слоистые структуры.

По современным представлениям биологическая мембрана представляет собой двойной слой, составленный из фосфолипидов и некоторых других молекул «головасти-ков», свойства которых мы уже рассматривали. Внутрь этого двойного слоя вмонтированы крупные молекулы белков. Они могут пронизывать мембрану насквозь, погружаться в нее только частично или вообще находиться на поверхности двойного слоя. Именно эти молекулы белка играют роль катализаторов химических реакций, идущих на мембранах, опознавателей своих и чужих клеток, рецепторов сигналов и т.д 

Биологическая мембрана представляет собой антипод оболочке мыльного пузыря. Это и неудивительно, так как клетка функционирует в жидкой среде, а мыльный пузырь «живет» в воздухе, удерживая воду внутри своей оболочки. В то же время периодическая слоистая структура содержит в себе основной элемент мембраны — двойной липидный слой. А достаточно ли этого сходства, чтобы считать мембрану жидким кристаллом? По-видимому, нет — ведь молекулы ее могут, в принципе, образовывать и кристаллическую упаковку. Были, однако, проведены специальные эксперименты (на искусственных двуслойных мембранах), показавшие, что длинные молекулярные хвосты внутри мембраны находятся в неупорядоченном состоянии, характерном для жидкого кристалла. В таких экспериментах используются специальные молекулярные метки, которые вводятся внутрь мембраны. Тонкие оптические и радиотехнические методы позволяют следить за движением этих меток и тем самым изучать свойства мембраны. Наблюдение за метками показало, что хвостатые молекулы фосфолипидов сравнительно свободно перемещаются вдоль поверхности мембраны, оставаясь в пределах своего слоя. Скорости такого перемещения сравнительно велики: за 1 с молекула может передвинуться вдоль слоя на несколько микрометров, что составляет десятые доли периметра клетки. А вот перепрыгнуть из верхнего слоя мембраны в нижний или наоборот молекулам фосфолипидов чрезвычайно трудно — такие события случаются очень редко, например, один раз в час или реже. Большие молекулы белков сравнительно малоподвижны даже в плоскости двойного слоя.

Таким образом, мембрана имеет слоистое строение, но внутри слоя порядка не существует. Значит, ее строение, соответствует смектическому (А) жидкому кристаллу. И такое устройство принципиально важно для работы мембраны. Так, например, мембраны отказываются выполнять свои обязанности при кристаллизации, вызванной понижением температуры.