Александр Уголев - Естественные технологии биологических систем

• Название: Естественные технологии биологических систем
• Автор: Александр Уголев
• Издательство: Наука
• Жанр: Биология
• Год: 1987

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.

---

Рис. 36. Предполагаемая локализация систем, транспортирующих одновалентные ионы, в эпителиальных клетках, секретирующих (А) и всасывающих (Б) хлор.

В обеих системах Са2+ может активировать Са2+-зависимые каналы для транспорта К+. Эти каналы вместе с потоком Сl- через возможные каналы для транспорта С1- откачивают КСl из цитоплазмы, снижая электрохимический градиент, вызванный выходом Na+ и поступлением К+ за счет Na+, К+-АТФазы. Симпорт NaCl/KCl может быть активирован цАМФ зависимой или цАМФ-независимой протеиназой в различных тканях.

Рис. 37. Схема асимметричной локализации системы, транспортирующей одновалентные ионы, в эпителиальных клетках почки.

Локализация Са2+-актнвируемых каналов для К+ не ясна. Механизм транспорта Сl- через мембрану эпителиальных клеток не определялся.

Остановимся на процессах экскреции у млекопитающих и насекомых. Исходя из того, что эти организмы представляют собой высшие и, следовательно, наиболее разошедшиеся точки дивергентной эволюции первично- и вторичноротых, можно допустить следующее. Значительные различия в строении экскреторной системы насекомых и млекопитающих основаны на использовании различных молекулярных механизмов. Однако системы насосов и каналов, реализующие транспорт воды и ионов, практически идентичны в почке млекопитающих, в выделительной системе насекомых, где терминальная кишка превратилась в экскреторный орган, а также в кишке млекопитающих, выполняющей пищеварительные функции. Во всех случаях обнаружена уабаинчувствительная Na+,K+-АТФаза, которая служит главным первично энергизованным насосом. Идентифицированы также системы натриевых и хлорных каналов, чувствительных соответственно к эпокриновой кислоте и амилориду (рис. 38).

Рис. 38. Схема поперечного среза мальпигиева сосуда насекомых, иллюстрирующая мембранный механизм, связанный с секрецией жидкости.

До сих пор не удалось обнаружить ни одной транспортной системы у насекомых, которая отсутствовала бы у млекопитающих. Так, механизм транспорта аминокислот у насекомых и многих других животных обладает многими общими свойствами. Однако распределение транспортных систем и поэтому многие характеристики процессов экскреции существенно различны. Формирование мочи у насекомых и млекопитающих, как и у большинства многоклеточных организмов, состоит из двух этапов: 1) образование первичной мочи, которая у позвоночных напоминает безбелковую плазму крови; 2) последующие процессинги, которые приводят к образованию вторичной мочи, содержащей в повышенной концентрации многие конечные продукты метаболизма и ряд других веществ, избыток которых удаляется из организма для поддержания ионного гомеостаза. В то же время первичная моча у насекомых образуется в результате секреции, а не фильтрации, как это имеет место у млекопитающих и многих других организмов.

Насколько можно судить, экскреторный аппарат насекомых может обеспечить удаление избытка воды и солей и строгую экономию воды. Это достигается вариациями в распределении насосов и каналов и интенсификацией поглощения солей и воды (рис. 39).

Рис. 39. Схема типичной экскреторной системы насекомых.

Указаны основные транспортные процессы и конечная осмолярность жидкости, покидающей каждый сегмент. Тонкие стрелки — выделение мочи, толстые — активный транспорт, светлые — пассивный транспорт.

Таким образом, адаптация выделительной системы насекомых и млекопитающих основана на использовании идентичных или близких функциональных блоков. Последние, однако, принадлежат к структурам, происходящим из различных зародышевых листков и, казалось бы, с различной эволюционной специализацией. Еще более замечательным является то, что многие регуляторные функции млекопитающих и насекомых осуществляются с помощью идентичных молекул.

Одним из примеров перемещения гормонально активных веществ и изменений контура эндокринной регуляции может служить формирование двух источников АКТГ — нейроэндокринного (гипоталамо-гипофизарная система) и желудочно-кишечного. Ясно, что в ходе эволюции подобные взаимоотношения могли складываться лишь как результат перераспределения функциональных блоков.

Интересно, что одни и те же пептиды могут синтезироваться в тканях, имеющих различное фило- и онтогенетическое происхождение. Так, холецистокинин и гастрин могут синтезироваться в эпителиальных клетках экто- и энтодермального происхождения и в нервных клетках.

АТФ — основной макроэрг в механизме первичной энергизации, в ходе эволюции может выступать также в роли нейротрансмиттера. При этом АТФ включен в синаптические везикулы, и его эффект, как и других нейротрансмиттеров, реализуется с помощью экзоцитоза. Не менее выразительным примером является использование для передачи сигналов синапсов аминокислот, которые накапливаются в гранулах и действуют при экзоцитозе. В настоящее время известны глициновая и глутаминовая сигнализации, а также рецепторы для связывания аминокислот.

Перестановка функциональных блоков в пределах клетки, их перераспределение между различными частями одного органа или различных органов не связаны с какими-либо ограничениями. Действительно, увеличение или уменьшение количества рецепторов инсулина, изменение типов секреции и количества выделяемого гормона не нарушают взаимоотношений рецептора и лиганда, но создают ряд новых ситуаций в таких взаимодействиях. Некоторые изменения могут оказаться полезными. Так, инсулинпродуцирующие клетки, первоначально локализованные в тонкой кишке (например, у круглоротых), затем переместились в поджелудочную железу. Глюкагонпродуцирующие клетки, также первоначально локализованные в тонкой кишке у высших позвоночных, частично сохранились в этой области. В то же время другая часть таких клеток транслоцировалась в поджелудочную железу.

Н. Трак в 1973 г. высказал гипотезу о существовании универсального кишечного прогормона. Автор предположил, что кишечные гормоны произошли в результате мутации из проинсулинподобной молекулы-предшественника в ходе эволюционного развития. При дупликации гена из проинсулинподобной молекулы возникли две молекулы проинсулина, одна из которых стала предшественником инсулина, а другая (при дальнейшей мутации и дупликации гена) — гастрина и секретина. Секретинподобная молекула стала, в свою очередь, предшественником секретина и глюкагона.

Еще более ярким примером того, как концепция функциональных блоков дает ключ к пониманию ранее таинственных явлений, может быть происхождение различных ядов. Этот пример демонстрирует перемещение функциональных блоков в филогенезе.

6.3.3. Происхождение ядов. Гормоны и яды

Еще Ч. Дарвин обращал внимание на трудности в объяснении происхождения ядов. Недавно мною высказано предположение, что объяснение происхождению ядов следует искать в концепции универсальных функциональных блоков. Допускается, что яды появляются в результате постепенного формирования новых физиологически активных факторов ради защиты, нападения и добывания пищи и образуются в специализированных органах благодаря транслокации гена или его экспрессии из одного оперона в другой. При этом первоначальная физиологическая роль данного фактора могла заключаться в поддержании регуляторных функций организма. Тот же фактор, продуцируемый в больших количествах и вводимый при защите и нападении, вызывает токсикоз у жертвы. Например, фосфолипазы — физиологические ферменты в составе мембран, при введении в кровь с ядом змей провоцируют ее гемолиз и другие деградационные процессы, приводящие к смерти. Точно так же функцию физиологических регуляторов в своем организме могут выполнять батрахотоксин и другие вещества. В то же время накопленные в слюнных железах и введенные в организм человека, они вызывают токсический эффект.

При анализе молекулярной структуры показано, что яды, как и гормоны, представляют собой пептиды и в ряде случаев имеют сходную структуру. В коже амфибий обнаружено много активных пептидов с широким спектром действия. Кожные яды амфибий присутствуют в качестве гормонов в желудочно-кишечном тракте млекопитающих, а также в качестве рилизинг-факторов в их организме. Примером этому может служить бомбезин — один из наиболее известных ядов кожи лягушки. Этот пептид у млекопитающих, в том числе у человека, по отношению к гормонам желудочно-кишечного тракта служит рилизинг-фактором, т.е. гормоном, обеспечивающим освобождение из клеток других гормонов. Точно так же бомбезин и некоторые другие гормоны и кожные яды присутствуют в центральной нервной системе высших организмов.