Александр Уголев - Естественные технологии биологических систем

• Название: Естественные технологии биологических систем
• Автор: Александр Уголев
• Жанр: Биология

Книга посвящена концепции естественных технологий живых систем на различных уровнях организации последних и изложению доказательств, позволяющих преодолеть противопоставление естествознания и технологии. Эта концепция обосновывается на примере наиболее важных процессов в живых системах, их эволюции и происхождения. Охарактеризованы некоторые закономерности, которые могут быть интерпретированы как общие для естественных технологий живой природы и производственных технологий. Показано, что такие подходы плодотворны для понимания биологии в целом, процессов, протекающих в живых системах различной сложности, взаимодействий естественных и производственных технологий, в частности в медицине, экологии, питании и т.д. Библиогр. 196 назв. Ил. 48. Табл. 19.

На обложке: «Рука творца». Скульптура Огюста Родена (Париж, музей О. Родена).

---

Опосредованный рецепторами эндоцитоз — специализированный механизм (рис. 33), участвующий по крайней мере в 13 различпых процессах интернализации молекул, главным образом белков, в клетках различных типов в норме и при патологии. Рецепторная функция эндоцитоза сводится к тому, что в результате переноса внутрь клетки везикул, образующихся на поверхности клетки, в частности к аппарату Гольджи и другим внутриклеточным органеллам, реализуется транспорт сигналов к внутриклеточным системам. Это особенно важно, когда мембрана клеток непроницаема для этих сигналов. Существуют аргументы, что таким образом передается влияние различных кортикостероидов и других кортикоидных гормонов, инсулина и ряда других. Во всех случаях имеет место проникновение во внутриклеточную среду организма различных белков и пептидов, а иногда и надмолекулярных агрегаций, не проникающих через мембрану с помощью других механизмов.

Рис. 33. Упрощенная схема рецептормедиированного эндоцитоза (стадии связывания, накопления и поступления типичных лигандов в фибробласт).

Различные типы рецепторов, синтезированных с участием рибосомного аппарата и во многих случаях подвергающихся последующим процессингам в аппарате Гольджи, встраиваются в плазматическую мембрану с помощью недостаточно ясного механизма. Первоначально их распределение диффузно. При поступлении сигналов — гормонов, нейротрансмиттеров, кейлонов и др. — соответствующие рецепторы образуют комплекс лиганд—рецептор, после чего их способность к латеральному движению возрастает и они начинают концентрироваться в определенных участках клетки—«окаймленных ямках». После того как комплексы лиганд—рецептор в окаймленной ямке достигают определенной концентрации, эта ямка начинает углубляться в цитоплазму, образуя везикулу, которая по механизму возникновения и другим характеристикам отличается от эндоцитозной везикулы. Везикула продвигается внутрь цитоплазмы, на некоторое время соединяется с лизосомами или цистернами аппарата Гольджи и затем вновь возвращается к поверхности мембраны. По-видимому, везикула совершает много оборотов.

При соединении везикулы с лизосомами предполагается разрушение сигнальных молекул или других лигандов при сохранении рецепторов. В случае присоединения к другим органеллам клетки, вероятно, происходит передача сигнала на внутренние структуры клетки. Таким образом, этот процесс, получивший название «интернализация», является еще одним механизмом, с помощью которого реализуется управление клеточными функциями. Выпадение или нарушение эндоцитозного блока будет неизбежно сказываться на всех функциях клетки хотя бы уже из-за нарушений системы сигнализации.

***

Концепция функциональных блоков встречает многочисленные трудности, но существуют теоретические и эксперименальные аргументы, позволяющие преодолеть их. К одному из затруднений относится вопрос, не противоречит ли концепция универсальных функциональных блоков представлениям об эволюции на молекулярном или близком к нему уровнях. Однако возможность рекомбинации функциональных блоков можно справедливо рассматривать как эволюционный процесс, поразительный по богатству своих возможностей. Примером может служить эволюция генетического аппарата и других информационных систем, где рекомбинация становится основным механизмом. В ряде случаев идея о существовании универсальных функциональных блоков не только не отвергает изменений, но и постулирует их ускоренную эволюцию. Эта же идея позволяет понять случаи консерватизма некоторых молекул или их частей на протяжении огромных отрезков времени.

Другая трудность касается участия значительного числа различных функциональных блоков — изоферментов, изогормонов — в одном и том же механизме. Такое разнообразие блоков также находит объяснение в рамках основной идеи с учетом современных представлений генетики о свойствах генетического аппарата, а цитофизиологии — о посттрансляционных процессингах.

Под давлением фактов следует отказаться от мысли, что специализация и совершенство сложных физиологических функций связаны со специализацией элементарных функций и осуществляющих их функциональных блоков. Напротив, высокая специализация сложных функций достигается на основе рекомбинации и транспозиции большого, хотя и ограниченного набора молекулярных машин, производящих элементарные физиологические операции. Живые системы представляют собой уникальные наборы определенным образом организованных универсальных функциональных блоков. Уникальность и специализация достигаются благодаря сочетаниям универсальных функциональных блоков в пространстве и времени, а не за счет уникальности элементов, из которых строится данная система.

Концепция универсальных функциональных блоков не только влияет на общие представления биологов и врачей, но и приводит к ряду далеко идущих практических заключений. Прежде всего она открывает перспективы для различных способов химического и фармакологического воздействий на организм человека, а также для более серьезных попыток человечества вмешиваться в окружающий его мир для управления им или, напротив, для извлечения определенной пользы, не влияя на природу в целом.

Глава 6. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ БЛОКИ. ЭВОЛЮЦИОННЫЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

При рассмотрении эволюции пищеварения мы сталкиваемся с несколькими на первый взгляд исключающими друг друга закономерностями. В самом деле, в ходе эволюции механизмы, участвующие в процессах пищеварения и всасывания пищевых веществ, проделали сложный путь от относительно простых, например у бактерий, до чрезвычайно сложных и высокоспециализированных конвейерного типа у млекопитающих. Вместе с тем нельзя не заметить, что основные функциональные блоки, обеспечивающие экзотрофию, у наиболее «простых» и наиболее «сложных» организмов сходны или даже идентичны. Речь идет прежде всего о молекулярных машинах, реализующих гидролиз и транспорт компонентов пищи. Это же справедливо и в отношении трех основных типов пищеварения — внеклеточного дистантного (полостного), внутриклеточного и мембранного. Они встречаются на всех этапах эволюции живых организмов и, взаимодействуя, образуют специализированные системы переработки и усвоения пищи.

Обращает на себя внимание также фундаментальное сходство в организации операций по перевариванию пищи и ее транспорту у различных организмов. Более того, во многих случаях удается проследить не только сходство или идентичность функциональных блоков, из которых составлены сложные и полные биологического значения «мозаики», но и сходство основной технологической схемы. Так, и в сложнейшей пищеварительной системе высших организмов, и у инфузорий расщепление пищи начинается в кислой среде под влиянием протеаз. Затем оно сменяется процес-

сами гидролиза, происходящими в нейтральной или слабощелочной среде под влиянием всего комплекса ферментов, действующих в пищеварительных полостях (или микрополостях типа пищеварительных вакуолей). Одновременно с этим имеют место так называемые промежуточные и конечные стадии гидролиза. Последние происходят на поверхности мембран с помощью ферментов, которые структурно и функционально интегрированы с транспортными системами для отдельных мономерных молекул или олигомеров.

Анализ эволюции пищеварения и пищеварительных ферментов свидетельствует об их стабильности, или консервативности. В то же время известно, что именно высокая приспособляемость пищеварительных систем служит одним из условий выживания организмов при конкуренции за пищевые ресурсы. Это обеспечивается благодаря стабильности функциональных блоков, участвующих в комплексе пищеварительных процессов, их рекомбинации и формированию более эффективных функциональных систем. Другими словами, на основе весьма стабильных, хотя и подверженных определенным изменениям функциональных блоков происходит быстрая эволюция функций и структур. Мы полагаем, что концепция универсальных функциональных блоков позволяет с новых позиций рассмотреть механизмы эволюции функций.

6.1. Основные принципы эволюции в свете концепции универсальных функциональных блоков

В какой степени закономерности и принципы функционирования организмов, органов и клеток справедливы для молекулярных и близких к ним структурно-функциональных систем, какими являются функциональные блоки? По этому поводу нет полного согласия. Некоторые исследователи обращают внимание на определенные различия в эволюции организмов и белков, входящих в их состав. Например, Г. Шульц и Р. Ширмер (1982) указывают, что хотя специализацию белков и можно использовать для изучения эволюции, это еще не означает, что эволюция организмов, заключающаяся в эволюции их структур и функций, протекает параллельно эволюции их белков. В качестве примера они ссылаются на отсутствие корреляции между сравнительно большой изменчивостью белков у амфибий в диапазоне одинаковых таксонов по сравнению с млекопитающими. Вместе с тем отмечается, что специализация белков создает предпосылки для исследования эволюции на более высоких иерархических уровнях. С другой стороны, предполагается, что белки эволюируют как клетки, ткани и органы, подчиняясь тем же закономерностям. В основе такой эволюции на макро- и макроуровнях лежат принципы мультифункциональности, смены, ослабления и расширения функций, интенсификации функций и т.д. Все это связано с тем, что белки — такие же органы организма, но только молекулярные. Я привожу это выражение Б. М. Медникова (1981), которое сочетает удивительную образность и точность. В дальнейшем будет сделана попытка показать, что в биологическом микромире, так же как и в физическом, наряду с универсальными законами действует ряд специфических законов и отсутствуют некоторые закономерности, справедливые для макросистем.