Естественные технологии биологических систем

Уголев Александр Михайлович

Современный уровень знаний позволяет думать, что на всех этапах эволюции в качестве медиаторов могут выступать молекулы различных типов, в том числе аминокислоты, их производные — адреналин и норадреналин, пептиды, а также некоторые нуклеотиды, эфиры и т.д. К медиаторам могут быть отнесены углеводы, медиирующие феномен узнавания в различных клетках организмов разных видов, начиная с вирусов и бактерий и кончая млекопитающими. Однако роль медиаторов в ходе эволюции меняется, хотя законы, по которым значимость разных нейротрансмиттеров увеличивается или уменьшается, остаются неизвестными. Даже если ограничиться нервно-мышечной передачей, то трудно ответить на вопрос, почему у некоторых беспозвоночных (в частности, ракообразных и насекомых) столь важную роль в качестве нейротрансмиттеров играют аминокислоты, а у млекопитающих — ацетилхолин? Точно так же широкое распространение имеют пептидные

гормоны, первоначально обнаруженные у высших организмов, а затем у многих низших позвоночных и беспозвоночных. Интересно, что у позвоночных, насекомых и ракообразных, несмотря на отсутствие истинной гомологии, наблюдается поразительное сходство не только функций, но и организации эндокринной системы. При этом химическая структура гормонов у этих организмов обладает значительным сходством.

Важно, что процессы осморегуляции у костистых рыб находятся под контролем гормонов, которые известны у других животных, в том числе у млекопитающих. Однако у рыб они выполняют другую функцию. В частности, кортизол, как и NaCl, вызывает дифференциацию и пролиферацию хлоридных клеток, пролактин — их дифференциацию, глюкагон и ВИП оказывают преимущественно стимулирующий эффект. Таким образом, осморегуляция контролируется гормонами, которые у высших организмов мало связаны с водносолевым обменом.

Для организмов различных групп, естественно, общими являются не только химические сигналы, но и воспринимающие их рецепторы и, наконец, системы, связанные с переработкой и ретрансляцией сигналов. Например, универсальна система циклических нуклеотидов. Такие гормоны, как адреналин, глюкагон, парат-гормон, антидиуретический и тиреотропный гормоны, кортикотропин, лютеинизирующий гормон, гипотала-мические рилизинг-факторы и меланоцитстимулирующий гормон стимулируют в клетках-мишенях мембранносвязанную аденилатциклазу. В результате этого количество цАМФ внутри клетки удваивается. Образующийся в клетках цАМФ вызывает гормональный эффект, действуя в качестве вторичного мессенжера. Этот механизм у позвоночных и беспозвоночных организмов весьма сходен. Так, при действии серотонина на мышечную ткань печеночной двуустки посредником служит цАМФ. Существуют также сведения об участии цАМФ в гормональных эффектах у насекомых, а при действии хроматофоротропинов — у ракообразных. У большинства клеток эукариотов токсин холеры активирует аденилатциклазу.

6.3.2. Перемещение функциональных блоков в филогенезе

Перемещение гормонов и рецепторов хорошо документировано. Хотя каждый функциональный блок может выполнять одну или две-три высокоспециализированные операции, при определенных сочетаниях они могут образовывать различные молекулярные машины более высокого порядка. Так, осморегуляторная система, поддерживающая постоянство солевого состава внутренней среды организмов, и секреторные органы, участвующие в процессах пищеварения, состоят из одних и тех же функциональных блоков. Нередко одни и те же органы могут, несколько меняя количественные соотношения различных функциональных блоков, превращаться из секреторных в экскреторные и наоборот. Эволюционный переход секреторных клеток во всасывающие и наоборот, охарактеризованный как следствие временной и пространственной транспозиции определенных каналов и насосов, четко показан (рис. 36 и 37). Ярким примером может служить пищеварительная система насекомых, органы которой переходят от секреторной функции к всасывающей, от всасывающей к экскреторной и т.д.

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

В обеих системах Са ²⁺может активировать Са ²⁺– 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 Са ²⁺– 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.