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.

---

Несколько лет назад нами впервые препаративно отделен апикальный гликокаликс от плазматической мембраны кишечных клеток крыс без повреждения этой мембраны (рис. 6, 7). Было обнаружено, что в апикальном гликокаликсе, отделяющем мембрану от внеклеточной среды, сосредоточено около 60% панкреатической амилазы, более 80% трипсина и около 20% химотрипсина, адсорбированных на структурах кишечной слизистой оболочки. Следовательно, примерно 40% амилазы, 20% трипсина и 80% химотрипсина, адсорбированных на этой оболочке, могут быть локализованы в латеральном гликокаликсе, т.е. в межмикрозорсинчатом пространстве, а также, возможно, частично на липопротеиновой мембране. В этих же экспериментах продемонстрировано, что такие собственно кишечные ферменты, как сахараза, гамма-амилаза, ди- и трипептидазы, связаны преимущественно с липопротеиновой мембраной. Однако щелочная фосфатаза, рассматриваемая как трансмембранный интегральный фермент, присутствует в довольно значительных количествах (до 20%) в апикальном гликокаликсе. (Сходные данные получены па курах). Кроме того, выявлено, что в апикальном гликокаликсе содержится 3.6% лейцинариламидазы, менее 2% пролилглициндипептидазы и менее 1% глицилпролинди-пептидазы.

Благодаря локализации кишечных ферментов на липопротеиновой мембране в непосредственной близости от транспортных систем мембранное пищеварение обеспечивает сопряжение конечных этапов переваривания и начальных этапов всасывания. Это достигается в результате специальной организации пищеварительных и транспортных функций клеточной мембраны в виде своеобразного пищеварительно-транспортного конвейера, способствующего передаче конечных продуктов гидролиза с фермента на вход в транспортную систему и предотвращению конкуренции между ними за обладание входом в последнюю (рис. 8). Иными словами, мембранный фермент и транспортная система образуют олигомерный комплекс, между частями которого существуют кооперативные и аллостерические взаимодействия (рис. 9, 10).

Мембранное пищеварение наблюдается у организмов на всех уровнях эволюционного развития, т.е. является универсальным механизмом. Оно обнаружено у всех млекопитающих, включая человека, у птиц, рыб, амфибий, круглоротых, а также у беспозвоночных животных, в том числе у насекомых, ракообразных, моллюсков, у различных паразитирующих форм. Существуют данные о наличии мембранного пищеварения у дрожжей, бактерий и в корнях растений.

Для правильной оценки мембранного пищеварения существенны следующие факторы.

1. Ферменты, реализующие этот процесс, относятся к структурированным. В связи с этим возможна пространственная организация как ферментных, так и транспортных систем, объединяющих заключительные этапы переваривания и начальные этапы всасывания.

2. Структурирование ферментов приводит к изменению их свойств. Так, отделение ферментов от мембраны меняет их каталитические и регуляторные характеристики.

3. Зона мембранного пищеварения обладает особыми физико-химическими свойствами, в частности такими как pH, концентрация органических и неорганических ионов, неперемешиваемый слой жидкости.

4.    Мембранное пищеварение осуществляется в стерильной зоне, недоступной для бактерий, что предотвращает поглощение последними легко усвояемых низкомолекулярных пищевых веществ.

5.    Благодаря ферментному аппарату гликокаликсный слой превращается в высокоспецифический фильтр. Через этот слой проникают те вещества, для которых на поверхности и внутри гликокаликсного пространства имеются адекватные ферменты, но не проникают другие вещества с такими же размерами молекул.

6.    Для понимания эффективности мембранного пищеварения и трансмембранной проницаемости важны сведения о сократительной функции щеточной каймы, регулируемой кальцием. Показано, что микрофиламенты микроворсинок, выполняющие эти функции, содержат актин и миозин и связаны с апикальной мембраной кишечных клеток.

7.    Следует учитывать не только процессы синтеза кишечных ферментов и их включения в состав апикальной мембраны кишечных клеток, по и скорость их деградации. (Более подробно см. гл. 5).

Рис 9. Схема последовательных конформационных взаимодействий и транспортной частей комплекса.

1 - субстрат; 2 - продукт; 3 - трансмембранный фермент; транспортная система; 5 - мембрана

2.4. Схема переваривания пищи как сочетание трех основных типов пищеварения

После обнаружения мембранного пищеварения классическая схема ассимиляции пищи претерпела существенные изменения. Согласно классическим представлениям, пищевые вещества — нутриенты, способные к всасыванию и ассимиляции, освобождаются в результате ферментативного гидролиза сложных органических соединений за счет внеклеточного (полостного) и внутриклеточного типов пищеварения. При этом усвоение пищевых веществ происходит в два этапа: полостное пищеварение—всасывание. Согласно современной схеме, усвоение пищи реализуется не в два, а в три этапа: полостное пищеварение—мембранное пищеварение—всасывание с более или менее выраженным компонентом внутриклеточного пищеварения. Таким образом, мембранное пищеварение, занимая по функциональной позиции промежуточное положение между полостным пищеварением и всасыванием, является акцепторным механизмом по отношению к полостному гидролизу и донорным по отношению к всасыванию. Следовательно, полостное пищеварение без мембранного не имеет существенного значения, так как всасывание без предварительного мембранного гидролиза невозможно из-за отсутствия адекватных субстратов. Вместе с тем нельзя недооценивать роль полостного пищеварения, так как обычные пищевые продукты не способны проникать в зону щеточной каймы и гликокаликсное пространство без обработки в пищеварительных полостях.

В реальных условиях имеет место сочетание двух или трех механизмов пищеварения (вне-, внутриклеточного и мембранного) у одного и того же организма. Возможно, благодаря этому достигается особенно высокая эффективность и экономичность работы пищеварительного аппарата.

Для высших животных и человека наиболее характерным является сочетание полостного и мембранного пищеварения (рис. 11). Начальные стадии гидролиза реализуются с помощью секретируемых в полость тонкой кишки преимущественно панкреатических ферментов. Здесь происходит разрушение клеточных структур пищевых продуктов и гидролиз некоторой части химических связей в молекулах биополимеров. Сравнительно мелкие молекулы проникают в зону щеточной каймы, где под влиянием адсорбированных и собственно кишечных мембранных ферментов гидролиз завершается и осуществляется переход к всасыванию. Важно, что за счет мембранного пищеварения расщепляется около 80—90% химических связей.

Рис. 10. Упрощенная схема аллостерических взаимодействий ферментной и транспортной частей комплекса,

А — аллостерические влияния фермента на вход в транспортную систему; Б — аллостерические влияния транспортной системы на активность фермента. 1 — субстрат; 2 — продукт; 3 — фермент; 4 - транспортная система; 5 — мембрана.

Большинство надмолекулярных агрегаций и крупных молекул (белки и продукты их неполного гидролиза, углеводы, жиры) у млекопитающих расщепляются в полости тонкой кишки в нейтральной или слабощелочной средах преимущественно под влиянием ферментов (эндогидролаз), секретируемых клетками поджелудочной железы. Пептиды, образовавшиеся в кислой среде желудка под влиянием кислых протеаз, и нерасщепленные белки гидролизуются трипсином, химотрипсином, карбоксипептидазами А и В и эластазон. В результате последовательного действия этих ферментов в полости тонкой кишки из крупных белковых молекул образуются ннзкомолекулярные пептиды и незначительное количество аминокислот. Углеводы (полисахариды крахмал и гликоген) расщепляются амилазой поджелудочного сока до три- и дисахаридов без значительного накопления глюкозы. Жиры подвергаются гидролизу в полости тонкой кишки панкреатической липазой, которая поэтапно отщепляет жирные кислоты, что приводит к образованию ди- и моноглицеридов, свободных жирных кислот и глицерина. В гидролизе жиров существенную роль играет желчь.

Рис. 11. Схема взаимодействий полостного и мембранного пищеварения.

А — последовательная деполимеризация пищевых субстратов в полости и на поверхности тонкой кишки; Б — фрагмент липопротеиновой мембраны с адсорбированными и собственно кишечными ферментами. М — мембрана; МБ — микроворсинки; Га — апикальный гликокаликс; Гл — латеральный гликокаликс; С1—С2 — субстраты; Фп — панкреатические ферменты; Фм — мембранные ферменты; Т транспортная система; Р — регуляторные центры ферментов; К — каталитические центры ферментов; НЭ — неэпзиматические факторы.