Естественные технологии биологических систем

Уголев Александр Михайлович

Часть фермента может выступать над поверхностью трехслойной мембраны примерно на 10—15 нм. Простетическая группа молекулы фермента — олигосахаридная цепь (цепи) занимает наружное положение по отношению к мембране и выдается в полость тонкой кишки, возможно, принимая участие в формировании структур гликокаликса, рецепции биологически активных веществ и связывании субстратов (рис. 2).

Мембранные интегральные ферменты обладают амфипатической структурой и состоят из гидрофильного и гидрофобного доменов. Гидрофильный домен, составляющий от 90 до 95% массы фермента, несет на себе углеводные остатки и каталитический центр, обращенный в полость тонкой кишки. Такая локализация каталитического центра постулирована нами еще в начале 60-х

гг. и окончательно подтверждена в последние годы. Остальная масса фермента относится к гидрофобному домену, который состоит преимущественно из гидрофобных аминокислот и пронизывает насквозь фосфолипидный бислой, в некоторых случаях заканчиваясь небольшим гидрофильным пептидом, экспонированным на внутренней поверхности мембраны (рис. 3). По мнению ряда исследователей, роль гидрофобного домена фермента заключается во взаимодействии с фосфолипидным матриксом мембраны и в фиксации гидрофильного каталитического домена (якорная функция).

В нашей лаборатории в дополнение к якорной функции гидрофобного домена фермента продемонстрированы его некоторые другие жизненно важные функции: 1) поддержание оптимальной конформации гидрофильного каталитического домена; 2) стабилизация структуры фермента при действии различных факторов; 3) реализация регуляторных функций и ряда других. Действительно, при отделении гидрофобного домена от гидрофильного утрачиваются регуляторные свойства фермента. На этом основании мы высказали предположение, что гидрофобные субъединицы ферментов участвуют в передаче регулирующих сигналов из цитоплазмы клетки на внешнюю поверхность мембраны и таким образом выполняют функции не только внешнего, но и внутреннего регулирования. Регулирующими сигналами могут служить пищевые вещества. Благодаря регулируемости многих ферментов происходит саморегуляция естественного пищеварения на молекулярном уровне. Кроме того, гидрофобный домен участвует в температурных адаптациях, как и фосфолипидный матрикс мембраны.

Благодаря системе регулируемых ферментов ферментный пул кишечной поверхности представляет собой систему, легко адаптируемую к различным программам работы в зависимости от состава пищи. Ферментные и транспортные системы обеспечивают высокую приспособляемость ассимиляторного аппарата к условиям функционирования, так как их регулируемость способствует повышению или понижению активности в широких пределах без изменений состава соответствующего пула. В последние годы документировано, что обмен мембранных белков, в частности ферментов и транспортеров, превращает плазматическую мембрану кишечных клеток в поверхность, обладающую высокой динамичностью и способностью к быстрым адаптивным перестройкам.

2.3. Основные типы пищеварения

По механизму действия ферментов на субстраты, по механизмам их поступления к месту функционирования, по взаимоотношениям пищеварительных процессов и клеточной границы и, наконец, по отношению к процессам транспорта можно выделить три основных типа пищеварения: внеклеточное дистантное, внутриклеточное и мембранное (рис. 4).

2.3.1. Внеклеточное дистантное пищеварение

Этот тип пищеварения характеризуется тем, что синтезированные секреторными клетками ферменты выделяются во внеклеточную среду, где реализуется их гидролитический эффект. Этот тип пищеварения является основным у организмов, стоящих на более высоком этапе эволюционного развития, чем плоские черви, и преобладает у кольчатых червей, ракообразных, насекомых, головоногих, оболочников и хордовых. Он особенно развит у высокоорганизованных животных и человека, у которых обеспечивает начальное переваривание пищевых веществ. У этих организмов секреторные клетки расположены достаточно далеко от полостей, где реализуется действие ферментов, поэтому внеклеточное пищеварение определяется как дистантное. Дистантное пищеварение, происходящее в специальных полостях, обозначается как полостное. Дистантное пищеварение может происходить и за пределами организма, продуцирующего ферменты. Так,

насекомые вводят пищеварительные ферменты в обездвиженную добычу, а бектерии выделяют разнообразные ферменты в культуральную среду.

Так как секретируемые в составе пищеварительных соков ферменты растворены в водной фазе, их пространственная организация невозможна или весьма ограничена. Если в растворе действует несколько ферментов, то их распределение имеет вероятностный характер. Растворенные ферменты эффективны при расщеплении как поверхностно, так и глубоко локализованных пептидных, глюкозидных, эфирных и других связей благодаря любой ориентации активного центра фермента относительно атакуемых молекул субстрата.

Рис. 4. Основные типы пищеварения.

А— внеклеточное дистантное пищеварение; Б— внутриклеточное цитоплазматическое пищеварение; В— внутриклеточное вакуолярное, или вне-плазматическое, пищеварение, связанное с эндоцитоэом (фаго- и пиноцитозом); Г— мембранное пищеварение. 1 — внеклеточная среда; 2 — внутриклеточная среда; 3 — внутриклеточная пищеварительная вакуоль; 4— лизосома; 5— ядро; 6 — мембрана; 7 — ферменты; 8 —субстраты и продукты их гидролиза.

Вместе с тем целостное пищеварение не обеспечивает эффективного перехода от гидролиза к транспорту, так как резорбирующая мембрана и освобождающиеся в процессе гидролиза мономеры разделены значительным расстоянием и требуется определенное время, чтобы мономеры достигли поверхности всасывающей клетки. Существует определенная вероятность перехвата продуктов гидролиза (прежде чем они достигнут резорбирующей поверхности) бактериями, населяющими полость тонкой кишки высших организмов.

2.3.2. Внутриклеточное пищеварение

Этим термином обозначаются случаи, когда не-расщепленные или частично расщепленные пищевые вещества проникают внутрь клетки, где подвергаются гидролизу ферментами цитоплазмы, не выделяемыми за пределы клетки. Внутриклеточное пищеварение распространено у простейших и наиболее примитивных многоклеточных организмов, например у губок и плоских червей. Как дополнительный механизм гидролиза пищевых веществ оно встречается у немертин, иглокожих, некоторых кольчатых червей и многих моллюсков. У высших позвоночных животных и человека оно выполняет главным образом защитные функции, например фагоцитоз.

Различаются два типа внутриклеточного пищеварения. Первый связан с транспортом небольших молекул через клеточные мембраны и последующим перевариванием ферментами цитоплазмы. Внутриклеточное пищеварение может также происходить в специальных внутриклеточных полостях — пищеварительных вакуолях, присутствующих постоянно или образующихся при фагоцитозе и пиноцитозе и исчезающих после расщепления захваченной пищи. Второй тип пищеварения в большинстве случаев связан с участием лизосом, которые содержат широкий набор гидролитических ферментов (фосфатаз, протеаз, глюкозидаз, липаз и др.) с оптимумом действия в кислой среде (pH 3.5—5.5). Пищевые структуры или пищевые растворы в околоклеточной среде вызывают впячивания плазматической мембраны, которые затем отшнуровываются и погружаются в цитоплазму, образуя пиноцитозные и фагоцитозные вакуоли. Соединяясь с последними, лизосомы образуют фагосомы, где происходит контакт ферментов с соответствующими субстратами. Образовавшиеся продукты гидролиза всасываются через мембраны фагосом. После завершения пищеварительного цикла остатки фагосом выбрасываются за пределы клетки путем экзоцитоза. Лизосомы играют также важную роль в расщеплении собственных структур клетки, которые используются в качестве пищевого материала либо данной клеткой, либо за ее пределами.