Естественные технологии биологических систем - Александр Уголев

Одни и те же ферменты, например щеточноrаемные гидролазы, могут присутствовать не только в мембране микроворсинок щеточной каймы, но и в латеральных и базальных мембранах, мембранах различных внутриклеточных органелл и даже в цитоплазме. Если присутствие щеточнокаемных ферментов в базолатеральной мембране свидетельствует об одном из физиологических путей от места синтеза к области их действия, то другая локализация, возможно, является полностью или частично результатом побочных эффектов. Однако

такие эффекты могут быть исходным материалом для формирования новых типов функций. Действительно, ферменты мембраны микроворсинок щеточной каймы, накапливаясь во внутриклеточных структурах, могут давать неожиданные физиологические эффекты.

Наконец, ранее предполагалось, что кишечные клетки отличаются от клеток других типов наличием мембранного пищеварения и отсутствием сократительных структур. Однако, как отмечено выше, пищеварительными свойствами обладают не только кишечные клетки, но и, в частности, клетки кровеносных сосудов. В начале 60-х гг. нами выявлено, что крахмал, проходя через сосуды пищеварительной системы и ряда других органов лягушки, подвергается значительному гидролизу. При этом расщепление крахмала обусловлено преимущественно ферментами, связанными со структурами периферического кровообращения. В 1980 г. нами совместно с коллегами из Военно-медицинской академии им. С. М. Кирова и Института физики АН СССР (Красноярск) показано, что мембранный гидролиз имеет место в ряде органов, в том числе в сосудистой системе кишечника, а также задних конечностей собак.

Таким образом, мембранное пищеварение и пищеварительные свойства мембран — не уникальное свойство кишечных клеток, а характерное для многих соматических клеток организма. Как продемонстрировано выше, типичные гидролазы мембраны микроворсинок кишечных клеток обнаружены в плазматических мембранах клеток многих непищеварительных органов, где эти ферменты, вероятно, выполняют другие функции.

Пищеварительные ферменты на всех этапах эволюции обладают примерно одинаковыми кинетическими константами и молекулярными характеристиками. Это справедливо, в частности, для таких универсальных пищеварительных ферментов, как кислые протеазы, амилазы и др., возникших на ранних стадиях эволюции и обнаруженных у наиболее примитивных форм, а также сохранившихся у высших организмов и растений. Даже когда ферменты распространены но столь широко, как, например, сериновые протеазы, их молекулярная структура и функции если не идентичны, то весьма близки. Что касается кислых протеаз, обнаруженных у микроорганизмов, высших растений, животных и человека, то, по-видимому, они возникли путем дупликации и слияния генов из общего предшественника.

Именно анализ эволюции пищеварительных ферментов, точнее, их стабильности, или консервативности в ходе эволюции наряду с очевидной адаптивностью экзотрофических процессов, явился одним из краеугольных камней для представлений о рекомбинации универсальных функциональных блоков как важном механизме эволюции.

Таким образом, мембранные пищеварительные ферменты распространены чрезвычайно широко, причем между мембранными ферментами различных органов существует большое сходство.

Транспортеры и ферментно-транспортные комплексы кишечных клеток. Многие общие и специализированные функции клеток различных типов связаны с деятельностью транспортных систем, обеспечивающих активную и пассивную, селективную и неселективную проницаемость. Предполагается, что все многообразие разновидностей молекулярного специфического транспорта через мембрану, включая активный транспорт против градиента концентраций, реализуется с помощью нескольких типов молекулярных машин — насосов, переносчиков, каналов и пор. Одним из примеров универсальных функциональных блоков мембраны кишечных клеток служат транспортеры, реализующие перенос нутриентов через мембрану. Так, перенос глюкозы осуществляется в результате взаимодействия этого вещества с олигомерным белком, представляющим собой скорее всего трансмембранную олигомерную структуру с молекулярной массой около 100 000 даль-тон. Эта структура путем изменения либо конформации, либо своего положения способна переносить глюкозу через гидрофобный фосфолипидный матрикс мембраны в цитоплазму. В клетках кишечника, мозга, мышц, почек, жировой ткани и других транспорт глюкозы, как и аминокислот, зависит от натрия. Более того, Na+-зaвисимым является трансмембранный перенос этого моносахарида у всех организмов — от дрожжей до высших эукариотов, включая простейших, растения, животных и человека. Другой широко распространенный блок, деятельность которого не зависит от натрия, — комплекс, состоящий из ферментной и транспортной частей. Один из компонентов комплекса реализует гидролиз олигомера, например олигосахарида или олигопептида, до мономеров, например глюкозы или аминокислот, а другой — Na+-независимый перенос продуктов реакции с ферментной части блока на транспортную без выхода в водную фазу. Такой пищеварительно-транспортный блок универсален и обнаружен у всех организмов, находящихся на различных ступенях эволюции. У высших животных и человека он описан не только в мембранах клеток пищеварительного аппарата, но и в соматических клетках.

5.3. Транспортные системы клеток. Насосы

Под насосами подразумеваются системы, в которых сочетаются механизмы энергизации и трансмембранного переноса. Принимается, что источником энергии в большинстве случаев служит энергия макроэргических связей АТФ. Деятельность насосов лежит в основе функционирования практически всех известных типов клеток. Мы рассмотрим несколько типов насосов, участвующих в переносе через мембрану различных ионов и представляющих собой транспортные АТФазы.

Na+, К+-АТФаза поддерживает градиенты Na+ и К+ между вне- и внутриклеточными жидкостями, необходимые для вторичной энергизации процессов, зависящих от натриевых градиентов, и для мембранного потенциала. Фермент, реализуя гидролиз АТФ на внутренней поверхности плазматической мембраны, переносит Na+ против градиента концентраций во внеклеточную среду, а К+ — во внутриклеточную в соотношении 3 молекулы Na на 2 молекулы К в расчете на молекулу АТФ. Таким образом, Na+, К+-АТФаза является комплексом, в котором энергия АТФ обеспечивает транспорт ионов. Во всех поляризованных клетках фермент локализован преимущественно в базолатеральной мембране независимо от того, выделяется ли Na+ во внутреннюю (при всасывании) или во внешнюю (при секреции) среды. Первоначально этот сложный фермент был обнаружен в нервах краба, а впоследствии — в плазматической мембране кишечных клеток и в мембране клеток всех органов и тканей различных животных, а также растений (но не у прокариотов).

Ca2+, Mg2+-ATФaзa играет важную роль в поддержании градиента Са2+. Первоначально фермент был выявлен в саркоплазматическом ретикулуме клеток поперечнополосатых мышц и в их мембране, а затем — в клетках других структур, б том числе в мембранах эритроцитов, клеток мозга, плаценты, почечных канальцев, слюнных желез, нервных клеток и т.д. Фермент представляет собой универсальный насос, характерный практически для клеток всех организмов.

К+, Н+-АТФаза участвует в выделении протонов в присутствии АТФ, а также в поддержании градиента К+. Вначале фермент был обнаружен в препаратах слизистой желудка. Позднее оказалось, что он уникален по своей органной локализации и широко распространен, если можно так сказать, по эволюционной вертикали, так как идентифицирован не только в париетальных клетках млекопитающих, но и в оксинтных клетках амфибий. Однако недавно фермент выявлен в клетках толстой кишки млекопитающих.

Н+-АТФаза необходима для реализации процессов окислительного фосфорилирования и транслокации Н+. Фермент универсален и широко распространен у представителей всех царств. Например, у эукариотов он изолирован из митохондрий, у прокариотов — из мембран хлоропластов. Он характерен для плазматической мембраны бактерий и для фотосинтезирующих растений.

Анионные АТФазы участвуют в транспорте анионов через плазматическую мембрану клеток. Вначале ферменты были обнаружены в апикальной мембране клеток, секретирующих соляную кислоту, а затем во фракции микросом и митохондрий многих тканей, в том числе клеток средней кишки амфибий, в плазматической мембране клеток поджелудочной железы, слюнных желез, почек, печени, эритроцитов и т.д. Их наибольшая активность продемонстрирована в микросомах клеток слизистой желудка, во фракции митохондрий клеток мозга крыс, в мембранах клеток поджелудочной железы и слюнных желез млекопитающих.