Текст книги "Естественные технологии биологических систем"

Автор книги: Александр Уголев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 22 страниц)

1.4. Физиологическая эволюция

В нашей стране Л.А. Орбели были сделаны попытки, развитые А.Г. Гинецинским, Е.М. Крепсом и другими учеными, на основе частных концепций эволюции функций (например, таких, как кровообращение, дыхание, пищеварение, выделение и др.) сформулировать общие закономерности, свойственные всем системам. Однако можно допустить, что возможен еще один путь, при котором предметом изучения становится физиологическая эволюция. На первый взгляд такое понятие кажется излишним. Тем не менее предшествующий опыт демонстрирует, что понятие физиологической эволюции или представления о биохимической эволюции плодотворны, так как позволяют указать на круг исследуемых закономерностей. Важно, что физиологическая эволюция включает в себя не только эволюцию функций, но и эволюцию тех механизмов, которые такие функции осуществляют. Физиологическая эволюция включает в себя также ряд закономерностей, относящихся исходно к сфере других наук – биохимии, математики, биофизики и т.д. в той мере, в какой они необходимы для описания физиологии. Именно в рамках физиологической эволюции могут быть доказаны или опровергнуты «функциональные» гипотезы, первоначально лишенные филогенетических корней. Следовательно, для эволюционной физиологии и физиологической эволюции необходимо технологическое направление, которое в свою очередь нуждается в них. Если учесть исключительную важность эволюционной физиологии и физиологической эволюции, то тем более удивительным кажется то малозаметное положение, которое они занимают в общебиологических концепциях живого.

Следует отметить, что при характеристике эволюции отдельных функций чрезвычайно важно то содержание, которое вкладывается исследователем в понимание функций. Последние становятся предметом изучения и рассматриваются как объект эволюционных перестроек. Именно на подходах к основным теоретическим обоснованиям возникает потребность в надежных представлениях, которых особенно не хватает. Технологические подходы к физиологии, где функции понимаются как некоторые процессы, состоящие из определенных операций и контролируемого алгоритма их выполнения, дают возможность внести наряду с уже известными некоторые новые и вместе с тем четкие элементы анализа. Анализируются определенные технологии и их эволюционные преобразования, операции и их составляющие, роль и характер операций, изменение этой роли в ходе эволюции, а не только изменения структур, реализующих каждую из операций. В связи с тем, что физиология рассматривается здесь как технологическая наука, физиологическая эволюция может быть охарактеризована как эволюция технологий. При этом рассматриваются как эволюция процессов, так и эволюция устройств, с помощью которых эти процессы реализуются.

Таким образом, физиология включает в себя изучение эволюции процессов, эволюции отдельных операций, эволюции устройств, выполняющих эти операции. Операции и устройства могут относиться как к процессам эффекторным, т.е. связанным с реализацией действия, так и к различным этапам управления. Развитие и понимание законов физиологической эволюции – проблема, ждущая своего решения.

1.5. Экзотрофия как модель для анализа естественных технологий

В биологии решение даже наиболее важных и общих проблем часто зависит от счастливого выбора подходящих экспериментальных моделей, т.е. объектов исследования. Примерами могут служить гигантский аксон кальмара при изучении свойств нервных проводников, слюнная железа при изучении условных рефлексов, дрозофила при формировании генетики, кишечная палочка при решении многих вопросов молекулярной биологии и т.д.

Для анализа технологических аспектов физиологии модельная система также должна обладать определенным сочетанием важных свойств. Алиментарная система является именно такой системой, а процессы, осуществляемые ею, удобны для того, чтобы совершить первые шаги на пути к созданию технологической физиологии и технологической концепции эволюции. Рассмотрим эту аргументацию более подробно.

1. Функция, или система, избираемая в качестве модели, должна обладать большим филогенетическим возрастом, так как суждения о природе и в особенности об эволюции процесса должны иметь возможно более общий характер. Ясно, что функция дыхания не подходит, так как она достаточно молода и ее формирование связано с образованием кислородсодержащей атмосферы, являющейся продуктом жизнедеятельности фотосинтезирующих аутотрофов. Другие функции, например кровообращение, еще более молоды. Напротив, экзотрофия, т.е. усвоение пищевых веществ, поступающих из внешней среды, – это такой же древний процесс, как и сама жизнь.

2. Функция, служащая моделью, должна быть достаточно общей, т.е. присущей всем живым системам. С этой точки зрения экзотрофия также служит подходящим объектом, так как она характерна для всех бионтов.

3. Модельная функция должна наблюдаться на всех уровнях организации живых систем. В этом смысле процессы трофики особенно привлекательны. На всех уровнях организации – от клеточного до планетарного – они относятся к проблемам первостепенной важности и подчиняются общим законам, которые рассматриваются в быстро развивающейся науке трофологии, основные положения которой сформулированы мною в 1980 г. (см. гл. 3).

4. Система, используемая как модель, должна обладать ярко выраженными характеристиками. Процессы, протекающие в алиментарной системе, т.е. пищеварение и всасывание, имеют выраженную технологичность и сходство с производственными технологиями, что послужило причиной сопоставления пищеварения с работой химического завода.

5. Модель должна отражать некоторый круг явлений. Поскольку нас интересует применимость технологических подходов к различным высокоспециализированным функциям, возникает вопрос: подходит ли для этой цели пищеварительная система? Весь предшествующий опыт физиологии свидетельствует, что пищеварительная система как модель чрезвычайно удобна. Именно ее изучение стимулировало развитие общих концепций в области физиологии К. Людвигом и Р.-П.-Г. Гейденгайном в Германии и К. Бернаром во Франции, которые оказали решающее влияние на физиологию и экспериментальную биологию XIX в. Работы в области пищеварения явились источником формирования идей И. П. Павлова относительно высшей нервной деятельности и У. Кеннона относительно физиологии эмоций. Работы в области физиологии пищеварительной системы сыграли большую роль в формировании многих важных представлений, касающихся активного транспорта и других вопросов мембранологии, в представлениях о системных эффектах желудочно-кишечных гормонов и т.д. Наконец, автор должен иметь в какой-то области свой собственный опыт. Этот опыт относится к пищеварительной системе и связан с работой по разным проблемам пищеварения.

***

Итак, на примере систем, обеспечивающих ассимиляцию пищевых веществ, постараемся проанализировать возможности и границы технологических подходов для понимания процессов жизнедеятельности и путей эволюции живых систем.

Процессы ассимиляции пищи сопоставлялись с технологическими процессами не только в античном естествознании, но и в развитом естествознании конца XIX в. И.П. Павловым.

В следующих главах будут рассмотрены некоторые наиболее характерные стороны ассимиляции пищевых веществ пищеварительной системой высших организмов и человека. Перед нами пройдет поражающая своей логичностью и эффективностью программа операций, в результате которых из пищевого продукта извлекаются всевозможные компоненты, необходимые организму-ассимилятору. Бесчисленные и лишь отчасти успешные попытки искусственно воспроизвести естественную технологию этого процесса позволяют оценить достижения и масштабы эволюции.

Вслед за этим в сжатой форме будет нарисована далеко не завершенная картина пищеварительного процесса, будут охарактеризованы некоторые отдельные операции, их взаимодействие и ряд общих принципов построения ассимиляторных процессов у организмов различных типов па разных уровнях организации (клетка, орган, организм, экосистема, биосфера).

Глава 2. ЭКЗОТРОФИЯ. МЕХАНИЗМЫ ПИЩЕВАРЕНИЯ

Метаболический цикл начинается с поступления веществ, необходимых для выполнения живыми системами их основных функций. Все живые организмы нуждаются в пище, т.е. источниках энергии, строительных и пластических материалах, солях и других элементах, обеспечивающих состав внутренней среды.

Принципиальной особенностью представителей царств животных и грибов, а также большинства простейших является обязательное использование органических молекул, синтезируемых другими организмами. Добывание, поглощение и усвоение пищи как растительного, так и животного происхождения характеризуется как питание. Как правило, биологический материал не может быть усвоен без’ предварительной деградации полимерных молекул до сравнительно простых элементов, лишенных видовой специфичности и способных проникать во внутреннюю среду организма или клетки. Деградация сложных пищевых структур в алиментарной системе, происходящая под влиянием гидролитических ферментов с образованием преимущественно мономеров, обозначается как пищеварение.

За пищеварением следуют процессы, реализующие перенос веществ во внутренние среды организма или клетки, объединяемые под названием «всасывание». Весь комплекс ассимиляции пищевых веществ из окружающей среды может быть объединен термином «экзотрофия».

2.1. Деятельность пищеварительного аппарата

Процессы экзотрофии у большинства животных и человека реализуются пищеварительной системой. На протяжении XIX в. было дано множество технологических описаний этой системы. Одно из самых ярких в 1897 г. сделал И.П. Павлов, который писал: «В своей основной задаче в организме пищеварительный канал есть, очевидно, химический завод, подвергающий входящий в него сырой материал – пищу – обработке, главным образом химической, чтобы сделать его способным войти в сока организма и там послужить материалом для жизненного цикла. Этот завод состоит из ряда отделений, в которых пища, смотря по ее свойствам, более или менее сортируется и или задерживается на время, или сейчас же переводится в следующее отделение. В завод, в его различные отделения, подвозятся специальные реактивы, доставляемые или из ближайших мелких фабрик, устроенных в самих стенках завода, так сказать, на кустарный лад, или из более отдаленных обособленных органов, больших химических фабрик, которые сообщаются с заводом трубами, реактиво-проводами. Это так называемые железы с их протоками. Каждая фабрика доставляет специальную жидкость, специальный реактив, с определенными химическими свойствами, вследствие чего он действует изменяющим образом только на известные составные части пищи, представляющей обыкновенно сложную смесь веществ» (с. 20).

Из этого описания ясно, что И.П. Павлов характеризует идеализированный «химический завод» конца XIX в. Поражает технологичность описания И.П. Павловым такого «завода». Современный «химический завод» несравненно совершеннее того, каким его можно было представить себе столетие назад. Крупнейшие научные открытия и теоретические обобщения в корне изменили представления об оснащении этого «завода<> и о главных технологических принципах его работы. Начнем с наиболее фундаментальных проблем, касающихся общих представлений об экзотрофии и механизмах переваривания пищи.

Пищеварение, т.е. превращение исходных пищевых веществ во всасываемые продукты, – основной технологический процесс переработки пищи – происходит в результате действия различных гидролитических ферментов. Они осуществляют поэтапное расщепление биополимеров за счет особо организованных ферментных систем, или цепей. Примером такой цепи может служить протеазная цепь, включающая в себя кислые протеазы желудка, нейтральные протеазы поджелудочного сока и пептидазы кишечного происхождения, реализующие конечные стадии расщепления белков также в нейтральной среде. Аналогичные цепи существуют для гидролиза углеводов, липидов, фосфолипидов и других полимеров.

Общей закономерностью, справедливой, по-видимому, для всех живых существ, является первоначальное переваривание в кислой среде и последующий гидролиз и всасывание в нейтральной. У примитивных организмов это достигается изменением реакции, например, в пищеварительных вакуолях. У высших животных и человека отдельные звенья цепи реализуются в различных отделах желудочно-кишечного тракта, что позволило выделить следующие специализированные регионы пищеварительной системы.

1. Регион поглощения.

2. Передающий регион, который может также осуществлять функцию хранения.

3. Пищеварительный регион: а) регион начального пищеварения, б) регион конечного пищеварения и всасывания.

4. Регион всасывания воды, который имеет особое значение для всех наземных организмов, включая человека.

Однако такая классификация нуждается в некоторых уточнениях и дополнениях. Так, регион 1 должен быть охарактеризован как область механической обработки пищи и ее подготовки к дальнейшей обработке, в частности под действием слюны. Регион 3б следует называть пищеварительно-транспортным, а регион 4 – реабсорбции, так как в нем осуществляется всасывание не только воды и солей, но и ряда эндогенных компонентов (например, конъюгированных желчных кислот и др.).

Все существующие организмы (за исключением некоторых эндопаразитов) в качестве пищевых веществ используют преимущественно макромолекулы. Последние включают белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. В ходе эволюции был сформирован набор специфических гидролитических ферментов, осуществляющих деполимеризацию всех указанных групп пищевых веществ до мономеров, пригодных к всасыванию и ассимиляции. Деградация пищи включает в себя три этапа: механическое измельчение, физико-химическое разрушение (кислый pH, биологические детергенты) и ферментативный гидролиз. По-видимому, последний механизм играет наиболее существенную роль в деполимеризации пищевых веществ.

2.2. Общая характеристика пищеварительных ферментов

Обращает на себя внимание принципиальное сходство, а иногда и поразительное совпадение ферментных систем, реализующих пищеварение у различных организмов. Поэтому те характеристики, которые будут представлены ниже, применимы для ферментных систем как высших, так и низших организмов, включая простейших. Все пищеварительные ферменты являются гидролазами и делятся на три основные группы: 1) пептид-гидролазы (КФ 3.4.—), расщепляющие пептидные связи в белках и полипептидах; 2) гликозидазы, или карбогидразы (КФ 3.2.1.—), гидролизующие глюкозидные связи в углеводах; 3) липазы (КФ 3.1. —), действующие на эфирные связи в жирах.

2.2.1. Пептид-гидролазы

Эти ферменты, называемые также протеиназы, протеазы, пептидазы, подразделяются на эндо– и экзоферменты. Первые связаны с инициацией протеолизаи расщепляют пептидные связи во внутренних областях белковых молекул, образуя более короткие полипептид-ные цепи (однако они могут также расщеплять пептидные связи, расположенные на концах молекул белков или полипептидов). Ферменты действуют как внутриклеточно (в пищеварительных вакуолях), так и внеклеточно. Экзоферменты последовательно расщепляют концевые пептидные связи полипептидных цепей, образованных эндопептидазами при гидролизе белков и более высокомолекулярных полипептидов. Они освобождают аминокислоты и образуют более короткие полипептиды, а также олиго-, три– и дипептиды. Последние вновь атакуются соответствующими экзофер-мептами, завершающими гидролиз белковой молекулы до составляющих ее аминокислот.

Эндоферменты специфичны по отношению к определенным пептидным связям, и поэтому только часть свободных внутренних пептидных связей фактически атакуется каким-либо из них. Эндоферменты (протеазы, КФ 3.4.21—24), расщепляющие до полипептидов большую часть белков пищи, обладают как сходством, так и определенными различиями с ферментами, действующими внутри клеток. Внутриклеточные протеазы, называемые катепсинами, с оптимумом активности при слабокислых значениях pH, локализованы в лизосомах и обладают относительно широкой субстратной специфичностью. Так называемые кислые протеазы (пепсин) у беспозвоночных животных практически не встречаются. У позвоночных животных пепсин (КФ 3.4.23.1) секретируется клетками желудка в форме профермента пепсиногена, который после активации соляной кислотой желудочного сока гидролизует преимущественно связи, прилегающие к остаткам ароматических или дикарбоновых L-аминокислот полипептидных цепей. Пепсин расщепляет белки главным образом до полипептидов, хотя среди продуктов гидролиза встречаются низкомолекулярные пептиды и аминокислоты.

В желудке представителей одного вида можно встретить несколько различающихся форм пепсина. У человека в желудочном соке идентифицирована еще одна протеаза – гастриксин. В желудке жвачных животных, еще сосущих молоко, обнаружен химозин, или реннин (КФ 3.4.23.4) – фермент, створаживающий молоко.

На том основании, что частично известная последовательность аминокислотных остатков пепсина, гаст-риксина и реннина весьма близка, высказано предположение, что эти ферменты произошли в ходе эволюции от одного общего предшественника – кислой протеазы – в результате удвоения гена через гипотетическую промежуточную протеазу.

У представителей всех позвоночных животных, а также у человека, клетки поджелудочной железы секретируют сериновые протеазы – трипсин, химотрипсин (несколько изоферментов) и эластазу (панкреатопепгидазу). Все эти ферменты первоначально продуцируются в неактивном состоянии в виде предшественников трипсиногена, химотрипеиногена и проэластазы (пропанкреатопептидазы). Трипсиноген после активации энтеропептидазой (энтерокиназой) или аутолитической активации расщепляет пептидные связи, образованные карбоксильными группами L-apгинина и L-лизина. Химотрипсин образуется из химотрипсиногена после активации последнего трипсином и гидролизует преимущественно пептидные связи, образованные карбоксильными группами ароматических а-аминокислот. Эластаза секретируется в виде профермента проэластазы. После активации трипсином фермент гидролизует связи, образованные нейтральными аминокислотами, особенно в эластине.

Сопоставление последовательности аминокислотных остатков у трипсина, химотрипсина и эластазы выявило ее отчетливую гомологию. Их активные центры также идентичны и включают остатки серина и гистидина. Высказана гипотеза, что эти ферменты произошли от общей нейтральной протеазы в результате эволюционного процесса, предполагаемого для пепсина.

Ферменты, обладающие трипсино– и химотрипсино-подобной активностями, обнаружены в кишечнике целого ряда беспозвоночных животных (в частности, у кишечнополостных, насекомых и др.). Следует отметить, что микроорганизмы, и в том числе актиномицеты, продуцируют ряд протеолитических ферментов. Так, у некоторых из них обнаружена кератиназа (КФ 3.4.99.11), обладающая способностью расщеплять нативный кератин.

Коллагеназа (КФ 3.4.24.3) выявлена в гепатопан-креасе некоторых крабов, а также в ядах различных змей. При этом протеазы беспозвоночных животных (например, коллагеназа и фибринолизин бактерий), а также трипсино– и химотрипсиноподобные активности по своей молекулярной структуре и молекулярным массам близки с пепсином, трипсином и химотрипси-ном позвоночных. Однако в отличие от ферментов позвоночных они продуцируются в активной форме. Эти свойства внеклеточных протеаз сходны с таковыми внутриклеточных ферментов, например таких, как ка-тепсипы. Основное различие между этими группами ферментов состоит в том, что внеклеточные ферменты требуют предварительной активации, что может рассматриваться как предосторожность против самопереваривания. Не исключено, что физиологическая роль ингибиторов Кунитца и Казеля, продуцируемых клетками поджелудочной железы позвоночных, также заключается в предупреждении внутриклеточной активации протеолитических ферментов.

В число экзопептидаз (КФ 3.4.11 —15) входит несколько групп ферментов, среди них карбоксипептидазы (КФ 3.4.12. – ), аминопептидазы (КФ 3.4.11.—) и дипептидазы (КФ 3.4.13. —), которые специфичны по отношению к одному или группе субстратов. Карбоксипептидазы А и В позвоночных секретируются клетками поджелудочной железы в неактивном состоянии как прокарбоксипептидазы А и В. Активация происходит под влиянием комбинированного действия трипсина и энтеропептидазы в случае карбоксипептидазы А и трипсина в случае карбоксипептидазы

В. Карбоксипептидаза А гидролизует пептиды, отщепляя С-концевой остаток L-аминокислоты. Карбоксипептидаза В гидролизует пептиды с остатками L-apгинина и L-лизина на С-концевом участке цепи, отщепляя эти остатки. Эти карбоксипептидазы обнаружены также в кишечнике беспозвоночных.

Аминопептидазы составляют основную часть пептидазной активности щеточной каймы клеток кишечного эпителия. Они отвечают также за ариламидазную и всю аминопептидазную активность по отношению к олигопептидам, за половину трипептидазной активности и имеют несомненное отношение к части дипептидазной активности. Ферменты этой группы содержатся также в клетках поджелудочной железы и желудка различных животных. Аминопептидазы реализуют гидролиз пептидной связи, образованной терминальной аминокислотой, имеющей свободную аминогруппу.

Завершает гидролиз белков третий тип экзопептидаз – дипептидазы, расщепляющие оставшуюся пептидную связь между двумя аминокислотными остатками. Дипептидазы обычно обладают групповой специфичностью, и одна дипептидаза может гидролизовать ряд пептидов, если они обладают общей аминокислотой. Дипептидазы участвуют в мембранном гидролизе пептидов в тонкой кишке высших животных и человека, а также в пищеварительных органах ряда беспозвоночных. Существуют сведения, что дипептидазы, локализованные в цитоплазме клеток, участвуют во внутриклеточном гидролизе дипептидов у бактерий и в тонкой кишке млекопитающих. Однако скорее внутриклеточные дипептидазы кишечной слизистой высших организмов участвуют в сложных процессах катаболизма белков, а не в расщеплении поступающих в клетку пищевых субстратов. Таким образом, дипептидазы пищеварительного аппарата в зависимости от организации животных могут участвовать как во внеклеточном, так и во внутриклеточном пищеварении.

Внутриклеточные эндо– и экзопептидазы могут встречаться и в непищеварительных органах животных. Предполагается, что их функция состоит в поддержании динамического гомеостаза между белками и другими азотистыми соединениями клетки. Важную роль в этих процессах играют синтез и деградация соответствующих ферментативно активных белков.