Текст книги "Естественные технологии биологических систем"

Автор книги: Александр Уголев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 13 (всего у книги 22 страниц)

Стероидные гормоны.Стероидные гормоны являются универсальными регуляторными блоками, наблюдающимися не только у позвоночных и беспозвоночных организмов, но и у простейших, грибов и растений. Прежде всего следует сделать вывод, что стероидные гормоны – универсальные регуляторы у эукариотов. Изменения уровня гормонов в диапазоне от круглоротых до млекопитающих, т.е. на дистанции, охватывающей 500 млн. лет, очень малы. При этом системы синтеза стероидных гормонов у всех позвоночных близки или идентичны. Различия сводятся скорее к разному соотношению отдельных интермедиаторов. Все стероидные гормоны являются звеньями единого метаболического комплекса, и их взаимоотношения в значительной степени определяются интенсивностью трансформационных, синтетических и деградационных процессов.

Многие особенности конституционных типов человека определяются перераспределением стероидных гормонов. Это может зависеть от ряда условий, в том числе от особенностей питания и состава бактериальной флоры желудочно-кишечного тракта. Благодаря общности молекулярной архитектуры различных организмов, в том числе организма хозяина и населяющих его желудочно-кишечный тракт бактерий, образуются вещества, одинаковые с теми, которые синтезируются в эндокринных клетках организма-хозяина. Это справедливо как в отношении стероидов, так и в отношении дериватов аминокислот, например гистамина, входящего в общий гормональный пул, и даже пептидов (экзорфины), образующихся при переваривании белков злаков и казеина.

Некоторые однолетние растения Калифорнии продуцируют эстрогены, с помощью которых регулируют размножение поедающих их перепелов. В засушливые годы синтез стероидов в растениях возрастает, что приводит к торможению репродуктивных функций перепелов. Во влажные годы концентрация эстрогенов в этих растениях уменьшается и перепела могут усиленно размножаться. Таким образом, растительные экстрогены могут участвовать в регуляции трофически взаимодействующей пары. В обоих случаях общие химические регуляторы гармонизируют отношения в биоценозе.

Существуют данные, указывающие на появление у примитивных видов организмов, включая грибы и одноклеточные эукариоты, гормонов, подобных стероидам позвоночных. Так, у низших организмов описаны белки, связывающие стероиды позвоночных. При исследовании дрожжей также обнаружены макромолекулы рецепторподобных белков в цитозоле, которые связывают кортикоиды позвоночных. Вне концепции универсальных функциональных блоков появление у растений экдизона и эстрогенов, а у дрожжей рецепторов, связывающих кортикостероиды, едва ли поддается научному объяснению. Но если принять, что основные функциональные блоки появились в ходе эволюции давно и стали общими для всех или большинства организмов, то взаимодействия представителей далеких в систематическом положении групп на основе общих молекул уже не кажутся столь удивительными. Предполагается, что эволюционное происхождение стероидной гормональной системы по крайней мере такое же, как у простых одноклеточных эукариотов, причем возможен общий предшественник со стероидной системой млекопитающих.

***

Таким образом, регуляторные блоки (по крайней мере многие из них) широко распространены в мире живых существ, а некоторые универсальны. Это касается серотонина, различных катехоламинов, гистамина и др., выполняющих гормональные и медиаторные функции, а также стероидов и пептидов, выполняющих регуляторные функции. Складывается впечатление, что некоторые гормоны появляются на определенных этапах эволюции, затем исчезают и появляются вновь; исчезают у всей линии первичноротых, но сохранятся у вторичноротых и т.д. Идея молекулярной конвергенции была бы заманчивой, однако идентичность или сходство первичных структур возможны лишь как следствие общности происхождения гормонов. Поэтому во многих случаях отсутствие данных о существовании каких-либо гормонов на определенном уровне филогенеза скорее означает методическую неудачу, а не твердо установленный факт. Будущее покажет, какое из предположений более справедливо.

Нельзя исключить еще одну возможность, которая известна в современной генетике как эффект дремлющих генов. При всех обстоятельствах поиск регуляторных пептидов у беспозвоночных продемонстрировал стабильность функциональных блоков и привел к важной дополнительной аргументации в пользу концепции универсальных функциональных блоков.

5.6. Концепция универсальных функциональных блоков и кишечная гормональная система

Недавно, когда среди гормонов, продуцируемых эндокринными клетками тонкой кишки, оказались гормоны, характерные для гипоталамуса, гипофиза, щитовидной железы, коры надпочечников и т.д., стало ясно, что система кишечных гормонов может служить важным аргументом в пользу концепции универсальных функциональных блоков. Еще в 1960 г. гормоны желудочно-кишечного тракта рассматривались скорее как гормонопободные соединения с местной регуляторной функцией. Однако в том же году мною были опубликованы первые сообщения, что элементы пищеварительного аппарата продуцируют ряд гормонов, контролирующих не только пищеварительные, но и другие жизненно важные функции организма.

Начиная с 1952 г. мы провели ряд операций по удалению двенадцатиперстной кишки, которые первоначально были осуществлены на кошках, а затем на собаках. При сопоставлении здоровых животных и животных после изоляции двенадцатиперстной кишки (когда выключались ее пищеварительно-транспортные, но сохранялись эндокринные функции) и ее удаления были обнаружены неожиданные феномены. После удаления (но не после изоляции) двенадцатиперстной кишки развивается специфическое заболевание, названное нами «синдром дуоденальной недостаточности». В этом синдроме преобладали признаки общих нарушений функций организма, а не местных, которые можно было бы поставить в зависимость от влияния лишь таких «пищеварительных» гормонов, как секретин, холецистокинин, энтерогастрон и т.д. Дуоденальная недостаточность развивается в две фазы: 1) фаза прогрессирующего истощения, заканчивающаяся смертью животного; 2) фаза менее выраженного истощения, сменяющегося первоначально восстановлением массы тела, а затем ожирением гипоталамического типа. Если истощение организма можно, хотя и с трудом, объяснить нарушением пищеварения и всасывания пищи, то последующее ожирение на фоне восстановления аппетита и отсутствия диареи вряд ли можно трактовать как заболевание, возникшее вследствие выпадения местных гормональных эффектов. Тем более невозможно объяснить синдром дуоденальной недостаточности выпадением лишь пищеварительно-транспортных функций двенадцатиперстной кишки. Действительно, после удаления двенадцатиперстной кишки обнаружены изменения структуры щитовидной железы, супраоптического и паравентрикулярного ядер гипоталамо-гипофизарной нейросекреторной системы, коры надпочечников. Это позволяет полагать, что существует специфический гормональный компонент, проявляющийся в продолжительности и глубине сдвигов, возникающих после удаления, но не изоляции двенадцатиперстной кишки.

Общие гормональные эффекты имеют двоякую природу. С одной стороны, такие внесистемные гормоны, как секретин, холецистокинин, энтерогастрон обладают общим действием, с другой – существуют ранее неизвестные гормоны общего действия. Группа А. С. Хохлова и наша получила высокоочищенный препарат аппетитрегулирующего фактора – арэнтерина, вызывающего торможение потребления пищи. Анализ синдрома дуоденальной недостаточности и обнаружение аппетитрегулирующего фактора в двенадцатиперстной кишке позволили заключить, что эндокринные клетки продуцируют гормоны, влияющие не только на деятельность пищеварительного аппарата, но и на функционирование многих других органов и систем. Эти влияния были охарактеризованы нами как непищеварительные эффекты кишечной гормональной системы (рис. 31). Нами высказано предположение, получившее подтверждение, о существовании энтерогепатической, энтеронейрональной, энтерогипоталамической, энтероадреналовой и энтеротиреоидной осей, а также о продукции эндокринными клетками тонкой кишки гипоталамо-, тирео– и адренокортикотропных факторов, или гормонов, имитирующих эффекты гипоталамуса, щитовидной железы и коры надпочечников. Недавно нами в специальных экспериментах с использованием изолированного абдоминального комплекса крыс было показано, что кишечные клетки продуцируют также типично гипофизарный гормон – АКТГ.

Рис. 31. внутрисистемные (непрерывные стрелки) и внесистемные (прерывистые стрелки)эффекты кишечных гормонов.

Таким образом, эндокринные клетки желудочно-кишечного тракта вырабатывают гормоны, типичные для гипоталамо-гипофизарной системы. Многие же гормоны, продуцируемые рядом эндокринных желез организма, оказались истинными гормонами желудочно-кишечного тракта. Эти гормоны и гормоноподобные факторы, которые следует рассматривать как функцио-нальные блоки, способствуют совершенству и пластичности биологических систем, работающих на основе рекомбинации таких блоков.

По-видимому, кишечная гормональная система и ее непищеварительные эффекты имеют непосредственное отношение к механизму специфического динамического действия пищи, под которым подразумевается усиление обмена веществ после приема пищи по сравнению с уровнем основного обмена. Возникновение этого феномена (точнее, его кишечной фазы) обусловлено цепью взаимодействий, в которую включены поступление соляной кислоты и пищи в двенадцатиперстную кишку, выделение кишечных гормонов, их действие на гипоталамические центры и, возможно, на периферические эндокринные структуры (рис. 32). Этот феномен может представлять собой пример эффективного механизма, осуществляемого универсальными функциональными блоками, составляющими уникальную комбинацию.

Рис. 32. Схема, характеризующая роль прямых метаболических стимулов, нейрогенных и внесистемных эффектов кишечных гормонов в возникновении специфического динамического действия пищи (СДД).

5.7. Экзоцитоз и эндоцитоз

Для клеток различных типов характерны процессы экзо– и эндоцитоза. В приближенном виде экзоцитоз – выделение каких-либо продуктов через плазматическую мембрану во внеклеточную среду, эндоцитоз – поступление материалов из внешней среды в клетку. Эти механизмы служат примером сложных систем, сконструированных из функционально взаимосвязанных блоков, реализующих многоступенчатые процессы.

Экзоцитоз – наиболее распространенный механизм секреции – лежит в основе таких различных феноменов, как внешняя секреция слизи, ферментов, гормонов, выделение нейротрансмиттеров при передаче сигналов от одной клетки к другой и т.д. Этот механизм обеспечивает также выделение альбумина и некоторых других белков гепатоцитами, гистамина – тучными клетками и т.д. При экзоцитозе материал, упакованный в секреторных гранулах, покрытых липопротеиновой мембраной, выбрасывается во внешнюю среду клетки (в ряде случаев в межклеточные пространства) .

Полипептидные компоненты секретируемых материалов синтезируются на рибосомах эндоплазматического ретикулума, затем транспортируются в цистерны аппарата Гольджи, где происходит их упаковка в специальные везикулы. Гранулы секрета формируются преимущественно в результате отшнуровывания кусочков аппарата Гольджи. Предполагается, что по ходу движения к плазматической мембране они сливаются и наполняются секретом. Секреторные гранулы приближаются к внутренней поверхности плазматической мембраны и сливаются с ней. В одной из точек мембраны возникает все увеличивающееся отверстие, через которое выбрасывается содержимое гранул. Далее, мембрана секреторной гранулы превращается в часть плазматической мембраны или вновь погружается внутрь клетки, где образуется пустая везикула, наполняющаяся секретом. Так как при экзоцитозе путь секреторной гранулы не идеален, то та часть секрета, которая поступает через латеральную мембрану, представляет собой продукты внутренней секреции. Напротив, при внутренней секреции незначительная часть секрета выделяется через апикальную мембрану и, следовательно, представляет собой остаточную внешнюю секрецию эндокринных клеток. В пользу этой точки зрения свидетельствует то, что при внешней секреции пищеварительных ферментов клетками поджелудочной железы, желудка, слюнных желез часть этих ферментов поступает в кровь. При патологии соотношение между внешней и внутренней секрецией может меняться.

Эндоцитозсводится к тому, что под влиянием чаще всего определенного сигнала участок мембраны начинает инвагинироваться внутрь цитоплазмы. Образовавшаяся везикула, покрытая плазматической мембраной, начинает двигаться по направлению к центральным структурам клетки. Можно выделить несколько типов эндоцитозов: 1) фагоцитоз – поступление во внутриклеточную среду «твердых» структур; 2) пиноцитоз – поступление во внутриклеточную среду жидких субстратов; 3) микропиноцитоз, отличающийся от фаго– и пиноцитоза незначительной величиной образовавшихся везикул.

Ранее предполагалось, что все типы эндоцитоза связаны с внутриклеточным пищеварением. Однако в настоящее время ясно, что эндоцитоз играет важную роль в механизмах внутриклеточного транспорта. При этом часть молекул доставляется внутрь клеток как из внешней, так и из внутренней среды. Механизм эндоцитоза не обладает способностью обеспечить нутритивные потребности не только многоклеточных организмов, но и отдельных клеток. Поэтому во многих случаях эндоцитоз выполняет скорее транспортную, чем нутритивную функцию. Эндоцитоз нередко связан с выполнением защитных функций, как это предполагалось в отношении фагоцитоза И. И. Мечниковым. Во многих случаях поглощение бактерий лимфоцитами сопровождается их умерщвлением без глубокого переваривания. Другими словами, защитный фагоцитоз не всегда и не в полной мере представляет собой разновидность внутриклеточного пищеварения.

Особый интерес представляет процесс, происходящий при сочетании эндо– и экзоцитоза. В этом случае образовавшаяся на поверхности мембраны везикула поступает в клетку путем эндоцитоза, а на другом полюсе клетки путем экзоцитоза освобождает свое содержимое. Этот процесс, который мы предлагаем называть трансцитозом, обеспечивает прохождение через клетку частично или полностью пнтактного материала, а также высокомолекулярных соединений. Например, за счет трансцитоза происходит проникновение белков молока матери через кишечный барьер во внутреннюю среду организма ребенка. Вероятно, таким путем обеспечивается иммунная устойчивость организма в течение самых первых дней постэмбрионального периода. Не исключено, что трансцитоз характерен не только для новорожденных, но и для взрослых.

Опосредованный рецепторами эндоцитоз – специализированный механизм (рис. 33), участвующий по крайней мере в 13 различпых процессах интернализации молекул, главным образом белков, в клетках различных типов в норме и при патологии. Рецепторная функция эндоцитоза сводится к тому, что в результате переноса внутрь клетки везикул, образующихся на поверхности клетки, в частности к аппарату Гольджи и другим внутриклеточным органеллам, реализуется транспорт сигналов к внутриклеточным системам. Это особенно важно, когда мембрана клеток непроницаема для этих сигналов. Существуют аргументы, что таким образом передается влияние различных кортикостероидов и других кортикоидных гормонов, инсулина и ряда других. Во всех случаях имеет место проникновение во внутриклеточную среду организма различных белков и пептидов, а иногда и надмолекулярных агрегаций, не проникающих через мембрану с помощью других механизмов.

Рис. 33. Упрощенная схема рецептормедиированного эндоцитоза (стадии связывания, накопления и поступления типичных лигандов в фибробласт).

Различные типы рецепторов, синтезированных с участием рибосомного аппарата и во многих случаях подвергающихся последующим процессингам в аппарате Гольджи, встраиваются в плазматическую мембрану с помощью недостаточно ясного механизма. Первоначально их распределение диффузно. При поступлении сигналов – гормонов, нейротрансмиттеров, кейлонов и др. – соответствующие рецепторы образуют комплекс лиганд—рецептор, после чего их способность к латеральному движению возрастает и они начинают концентрироваться в определенных участках клетки—«окаймленных ямках». После того как комплексы лиганд—рецептор в окаймленной ямке достигают определенной концентрации, эта ямка начинает углубляться в цитоплазму, образуя везикулу, которая по механизму возникновения и другим характеристикам отличается от эндоцитозной везикулы. Везикула продвигается внутрь цитоплазмы, на некоторое время соединяется с лизосомами или цистернами аппарата Гольджи и затем вновь возвращается к поверхности мембраны. По-видимому, везикула совершает много оборотов.

При соединении везикулы с лизосомами предполагается разрушение сигнальных молекул или других лигандов при сохранении рецепторов. В случае присоединения к другим органеллам клетки, вероятно, происходит передача сигнала на внутренние структуры клетки. Таким образом, этот процесс, получивший название «интернализация», является еще одним механизмом, с помощью которого реализуется управление клеточными функциями. Выпадение или нарушение эндоцитозного блока будет неизбежно сказываться на всех функциях клетки хотя бы уже из-за нарушений системы сигнализации.

***

Концепция функциональных блоков встречает многочисленные трудности, но существуют теоретические и эксперименальные аргументы, позволяющие преодолеть их. К одному из затруднений относится вопрос, не противоречит ли концепция универсальных функциональных блоков представлениям об эволюции на молекулярном или близком к нему уровнях. Однако возможность рекомбинации функциональных блоков можно справедливо рассматривать как эволюционный процесс, поразительный по богатству своих возможностей. Примером может служить эволюция генетического аппарата и других информационных систем, где рекомбинация становится основным механизмом. В ряде случаев идея о существовании универсальных функциональных блоков не только не отвергает изменений, но и постулирует их ускоренную эволюцию. Эта же идея позволяет понять случаи консерватизма некоторых молекул или их частей на протяжении огромных отрезков времени.

Другая трудность касается участия значительного числа различных функциональных блоков – изоферментов, изогормонов – в одном и том же механизме. Такое разнообразие блоков также находит объяснение в рамках основной идеи с учетом современных представлений генетики о свойствах генетического аппарата, а цитофизиологии – о посттрансляционных процессингах.

Под давлением фактов следует отказаться от мысли, что специализация и совершенство сложных физиологических функций связаны со специализацией элементарных функций и осуществляющих их функциональных блоков. Напротив, высокая специализация сложных функций достигается на основе рекомбинации и транспозиции большого, хотя и ограниченного набора молекулярных машин, производящих элементарные физиологические операции. Живые системы представляют собой уникальные наборы определенным образом организованных универсальных функциональных блоков. Уникальность и специализация достигаются благодаря сочетаниям универсальных функциональных блоков в пространстве и времени, а не за счет уникальности элементов, из которых строится данная система.

Концепция универсальных функциональных блоков не только влияет на общие представления биологов и врачей, но и приводит к ряду далеко идущих практических заключений. Прежде всего она открывает перспективы для различных способов химического и фармакологического воздействий на организм человека, а также для более серьезных попыток человечества вмешиваться в окружающий его мир для управления им или, напротив, для извлечения определенной пользы, не влияя на природу в целом.

Глава 6.
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ БЛОКИ. ЭВОЛЮЦИОННЫЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

При рассмотрении эволюции пищеварения мы сталкиваемся с несколькими на первый взгляд исключающими друг друга закономерностями. В самом деле, в ходе эволюции механизмы, участвующие в процессах пищеварения и всасывания пищевых веществ, проделали сложный путь от относительно простых, например у бактерий, до чрезвычайно сложных и высокоспециализированных конвейерного типа у млекопитающих. Вместе с тем нельзя не заметить, что основные функциональные блоки, обеспечивающие экзотрофию, у наиболее «простых» и наиболее «сложных» организмов сходны или даже идентичны. Речь идет прежде всего о молекулярных машинах, реализующих гидролиз и транспорт компонентов пищи. Это же справедливо и в отношении трех основных типов пищеварения – внеклеточного дистантного (полостного), внутриклеточного и мембранного. Они встречаются на всех этапах эволюции живых организмов и, взаимодействуя, образуют специализированные системы переработки и усвоения пищи.

Обращает на себя внимание также фундаментальное сходство в организации операций по перевариванию пищи и ее транспорту у различных организмов. Более того, во многих случаях удается проследить не только сходство или идентичность функциональных блоков, из которых составлены сложные и полные биологического значения «мозаики», но и сходство основной технологической схемы. Так, и в сложнейшей пищеварительной системе высших организмов, и у инфузорий расщепление пищи начинается в кислой среде под влиянием протеаз. Затем оно сменяется процес-

сами гидролиза, происходящими в нейтральной или слабощелочной среде под влиянием всего комплекса ферментов, действующих в пищеварительных полостях (или микрополостях типа пищеварительных вакуолей). Одновременно с этим имеют место так называемые промежуточные и конечные стадии гидролиза. Последние происходят на поверхности мембран с помощью ферментов, которые структурно и функционально интегрированы с транспортными системами для отдельных мономерных молекул или олигомеров.

Анализ эволюции пищеварения и пищеварительных ферментов свидетельствует об их стабильности, или консервативности. В то же время известно, что именно высокая приспособляемость пищеварительных систем служит одним из условий выживания организмов при конкуренции за пищевые ресурсы. Это обеспечивается благодаря стабильности функциональных блоков, участвующих в комплексе пищеварительных процессов, их рекомбинации и формированию более эффективных функциональных систем. Другими словами, на основе весьма стабильных, хотя и подверженных определенным изменениям функциональных блоков происходит быстрая эволюция функций и структур. Мы полагаем, что концепция универсальных функциональных блоков позволяет с новых позиций рассмотреть механизмы эволюции функций.