Александр Уголев - Естественные технологии биологических систем

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.

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 +-АТФазаподдерживает 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).

Ca 2+, Mg 2+-ATФaзaиграет важную роль в поддержании градиента Са 2+. Первоначально фермент был выявлен в саркоплазматическом ретикулуме клеток поперечнополосатых мышц и в их мембране, а затем — в клетках других структур, бтом числе вмембранах 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 +-АТФазаучаствует 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 +-АТФазанеобходима 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 АТФазыучаствуют 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.