Естественные технологии биологических систем

Анализ процессов пищеварения и транспорта на современном уровне и в особенности эволюции этих процессов открывает новые горизонты для понимания принципов организации сложных биологических систем и физиологических функций. В этой главе рассмотрен один из наиболее фундаментальных принципов естественных технологий — принцип блочности (см. также гл. 8). Долгое время я обдумывал этот принцип и подвергал его сомнению. Потребовались многократные повторения фактов, для того чтобы принцип организации сложных биологических систем на основе комбинирования ограниченного числа универсальных функциональных блоков перестал мне казаться противоречащим неисчерпаемому многообразию живых систем и их индивидуальной и эволюционной адаптивности. Более того, при построении взаимодействующих различными способами биологических систем лишь блочная организация дает им возможность существовать длительное время. Следует иметь в виду, что принцип блочности основан на экспериментальных данных, а не на чисто теоретических предпосылках. Поэтому целесообразно сопоставить факты, которые неизбежно приводят к выводу, что в основе организации всех живых систем и реальных физиологических функций, а также их эволюции лежит комбинирование универсальных функциональных блоков, реализующих различные элементарные функции и операции.

Любой физиологический процесс состоит из определенной последовательности событий, которые в большинстве случаев могут быть разделены на более простые операции. В конце концов мы подойдем к таким

операциям, или функциям, которые могут быть рассмотрены как элементарные. Современная революция в биологии позволила понять элементарные функции специализированных клеток и приблизиться к пониманию и расшифровке болезней сердца, пищеварительных органов, эндокринных желез, легких, почек, мозга и т.д. Одно из таких направлений, которое можно обозначить как частную молекулярную физиологию, привело к развитию концепции универсальных функциональных блоков как основе построения специализированных систем и эволюции функций.

5.1. Концепция универсальных функциональных блоков. Общие положения

Суть концепции, охарактеризованной мною в 1985 г., сводится к следующему.

1. Различные функции, в том числе специализированные, выполняемые клетками различных тканей и органов высших организмов, складываются из элементарных функций, реализуемых определенными комбинациями ограниченного числа функциональных блоков — молекул или надмолекулярных комплексов. Эти стандартные блоки, сочетаясь между собой и распределяясь в разных количественных соотношениях и в разных отделах клеток и органов, обеспечивают их специализацию.

2. Эволюция одноименных структур связана с перераспределением функциональных блоков, которые близки или идентичны у организмов, стоящих на разных уровнях эволюционной лестницы.

3. Изменения функциональных эффектов клеток и органов также связаны с перераспределением функциональных блоков.

Для понимания функций звено, обозначаемое как функциональный блок, имеет фундаментальное значение. В первом приближении может быть выделено несколько типов функциональных блоков: 1) транспортные блоки, т.е. блоки, участвующие в переносе различных молекул: насосы, каналы, мобильные переносчики, связывающие белки и т.д.; 2) энергизирующие блоки, т.е. системы, снабжающие энергией эффекторные блоки, выполняющие транспортные, сократитель-ные или рецепторные функции; 3) ферментные блоки, т.е. структуры, реализующие гидролитические функции; 4) сократительные блоки, т.е. блоки, способные к изменению длины или положения относительно других блоков, например в актомиозиновом комплексе; 5) рецепторные блоки, которые во многих случаях имеют олигомерную структуру и состоят из нескольких первичных блоков — акцепторного, медиирующего и транслирующего; нередко существуют интегрирующие блоки, обеспечивающие соединение перечисленных блоков; 6) специализированные химические сигналы — гормоны, нейротрансмиттеры, медиаторы, которые могут быть также рассмотрены как специализированные блоки; 7) комбинированные блоки высшего порядка, которые могут быть образованы из одного или нескольких функциональных блоков более низкого иерархического уровня, или порядка (например, натриевый насос, в сущности являющийся олигомерным комплексом); 8) специально организованные системы функциональных блоков, выполняющие «сложные элементарные» специализированные функции (например, эндо- и экзоцитозы).

Структура функциональных блоков в одних случаях представляет собой молекулы, в других — надмолекулярные комплексы, а иногда несколько самостоятельных, хотя и взаимосвязанных молекул. Функциональным блоком может быть и часть определенной молекулы, например каталитический домен фермента. Для реализации некоторых элементарных функций (например, рецепторных, ферментативных, антигенных) достаточно небольших участков молекул — доменов. Для проявления ряда других функций (например, эндо- и экзоцитозов) требуется значительное число различных молекул, организованных определенным образом. Следовательно, функциональный блок — это структура, связанная с функцией, т.е. понятие физиологическое.

Благодаря развитию молекулярной биологии и исследованиям физиологии и биохимии отдельных систем на клеточном и молекулярном уровнях появились сведения, что различные высокоспециализированные функции — всасывание, секреция и др. — реализуются с помощью сходных или даже идентичных функциональных блоков. Функциональная и структурная близость таких блоков обнаружена у организмов, стоящих на различных ступенях эволюционной лестницы. Эго противоречит доминирующему ранее мнению, что специализированные функции являются результатом деятельности молекулярных машин, приспособленных для реализации именно этих функций. В пользу такой точки зрения принято приводить органную и клеточную специфичность белков, огромное число изоферментов, изогормонов и т.д. Согласно развиваемой концепции, уникальные выоокоспециализированные системы, осуществляющие определенные функции, состоят из универсальных блоков. Высокая эффективность, специфичность и функциональное своеобразие таких систем в конечном итоге достигаются в результате сочетания блоков в пространстве и времени. Такой принцип организации функционирования в биологии является одним из наиболее распространенных. Он, в частности, лежит в основе первичной структуры белков, нуклеиновых кислот, углеводов и т.д. Функциональные блоки, реализующие как общие, так и специализированные функции, в сущности стандартны и их число сравнительно невелико.

Идентификация некоторых элементарных функций и осуществляющих их структур, казалось бы, подтверждала бесконечную изменчивость функциональных блоков, из которых собирались такие сложные специализированные системы, как секреторная или пищеварительно-всасывательная клетки. Однако исследование последних и сравнение их функциональных блоков с блоками других специализированных клеток показало, что кишечные клетки не содержат ни одного уникального функционального блока. Рассмотрим работу кишечной клетки, которая при сегодняшнем уровне знаний представляется чрезвычайно сложной технологической системой.

5.2. Кишечная клетка

Схема кишечной клетки представлена на рис. 26. Известно, что численность кишечных клеток составляет 10¹⁰, а соматических клеток взрослого человека— 10 ¹⁵. Следовательно, одна кишечная клетка обеспечивает питание около 100 000 других клеток. Такая эффективность, вероятно, не имеет аналогий в производственных технологиях. На первый взгляд клетка кажется сверхспециализированной и приспособленной к выполнению именно пищеварительных и транспортных функций. В плане нашей задачи особый интерес представляет структурно-функциональная организация апикальной поверхности кишечных клеток, т.е. поверхности, обращенной в полость тонкой кишки.

Рис. 26. Схема кишечной клетки.

1 — терминальная сеть; 2 — микротрубочки; 3 — свободные рибосомы; 4 — латеральная мембрана; 5 — базальная мембрана; 6 — межклеточное пространство; 7 — аппарат Гольджи; 8 — гладкий ретикулум; 9 — гранулярный эндоплазматический ретикулум; 10 — лизосомы; 11 — десмосома; 12 — плотный контакт; 13 - микроворсинки.

Щеточная кайма. Характерная особенность кишечной клетки заключается в наличии щеточной каймы, образованной микроворсинками — плазматическими выростами, ограниченными мембраной. Щеточная кайма является универсальной структурой, свойственной клеткам самых различных животных, а также человека. На апикальной поверхности каждой кишечной клетки находится около 3000—4000 микроворсинок; на 1 мм² поверхности кишечного эпителия приходится до 50— 100 млн. микроворсинок. У человека и других млекопитающих высота микроворсинок в среднем составляет 1 мкм, диаметр в 10 раз меньше (около 0.1 мкм),хотя у низших позвоночных, включая амфибий, микроворсинки могут быть и длиннее. Наименьшее расстояние между микроворсинками — 15—20 нм. Благодаря микроворсинкам поверхность тонкой кишки увеличивается примерно в 40 раз, что способствует включению в мембрану значительного количества различных ферментативно активных и транспортных белков.

Гликокаликс. Внешняя поверхность плазматической мембраны большинства клеток, в том числе кишечных, покрыта гликокаликсом. Последний является компонентом мембраны и образует на апикальной поверхности кишечных клеток слой толщиной до 0.1 мкм. Гликокаликс состоит из мукополисахаридных нитей, или филамент, связанных кальциевыми мостиками и образующими особую сеть. Он обеспечивает не только механическую прочность плазматической мембраны. Благодаря лабильности кальциевых мостиков связи между отдельными филаментами периодически разрушаются, что способствует проникновению относительно крупных молекул в глубину гликокаликса. Так как кислотные остатки гликокаликса имеют отрицательный заряд, то проникающие ионы и диполи будут определенным образом ориентироваться по отношению к гликокаликсу. Таким образом, гликокаликс представляет собой молекулярное сито, сепарирующее молекулы по величине и заряду, имеет отрицательный заряд, характеризуется значительной гидрофильностью и придает процессам переноса пищевых веществ векторный и селективный характер.

Гликокаликс определяет ряд других важнейших функций клеток: «узнавание», связь молекул определенных типов (т.е. специализированные акцепторные и рецепторные функции), иммунологическое дифференцирование, межклеточные взаимодействия и т.д. По-видимому, он играет роль в связывании поверхностного слоя слизи. Гликокаликс является не только диффузионным барьером, препятствующим проникновению бактерий, но и специфическим барьером, определяющим проницаемость пищевых веществ. Благодаря ему апикальная мембрана практически недоступна для высокомолекулярных соединений типа ксенобиотиков. В то нее время гликокаликс обеспечивает высокую проницаемость для молекул пищевых веществ, так как в его пространстве адсорбированы пищеварительные ферменты панкреатического происхождения.

От состояния гликокаликса и содержащихся в нем ферментов могут зависеть многие нарушения функций желудочно-кишечного тракта. В частности, нарушение адсорбции панкреатических ферментов имеет значение в формировании явлений малнутриции, а атрофия гликокаликса может явиться причиной повреждающего действия токсических агентов химуса на липопротеиновую мембрану.

Быстрое обновление гликокаликса обеспечивает эффективное функционирование щеточной каймы как пористого реактора, так как благодаря сбрасыванию «зрелого» гликокаликса создается своеобразный эффект постоянной очистки пор. Недавно показано активное сбрасывание гликокаликса в результате активации фибриллярных структур микроворсинок терминальной сети.

Следует подчеркнуть, что гликокаликс представляет собой универсальную структуру и встречается у клеток всех организмов от амебы до человека, включая эритроциты и нейроны. В то же время гликокаликс характеризуется вариабельностью свойств не только в клетках разного типа, но и в одной клетке. Например, он сильно развит на апикальной поверхности микроворсинок кишечных клеток, менее — на их латеральной поверхности и лишь биохимически (но не структурно) определяется на базальной мембране.

Актомиозиновый комплекс. Сократительные структуры характерны для возбудимых тканей (мышечной и нервной) и контролируют форму клеток. Однако оказалось, что эти структуры присутствуют в самых различных клетках. Недавно некоторые блоки сократительной системы описаны в невозбудимых клетках, и в том числе в кишечных.

На рис. 27 представлена сократительная система апикальной части кишечной клетки. Как можно видеть, сердцевина микроворсинки занята фибриллярными структурами, которые достигают апикальной области цитоплазмы, где сливаются с поперечной фибриллярной структурой — терминальной сетью. Последняя, согласно существующим представлениям, выполняет функцию опоры для щеточной каймы, принимает участие в регуляции подвижности мембраны, а также разделяет клетку на два компартмента — щеточнокаемный и цитозольный.

Рис. 27. Схема мембраны микроворсинок и апикальных соединительных комплексов латеральной мембраны кишечных клеток.

1 — гликокаликс; 2 — микрофиламенты; 3 — терминальная сеть; 4 — межклеточное пространство; 5 — тонофиламенты; в — плотное пятно; 7 — промежуточная плотная линия; 8 — десмосома; 9 — промежуточный контакт; 10 — плотный контакт.

Возникает вопрос о функциях сократительных структур в невозбудимых клетках. Нами еще в начале 60-х гг. было высказано предположение, получившее подтверждение, что благодаря актомиозиновому комплексу реализуются расслабления и сокращения микроворсинок, что может существенно влиять на скорость мембранного пищеварения и всасывания. Недавно выявлена еще одна функция сократительного аппарата кишечных клеток — контроль их десквамации, обеспечивающий гомеостатирование барьерных свойств эпителиального пласта.

Наличие сократительных белков в различных клетках немышечной ткани говорит об их универсальности.

При этом актины немышечных и мышечных клеток сходны по своей структуре. Вероятно, актомиозиновый комплекс, присутствующий во всех эукариотических клетках и участвующий в двигательных процессах, включен в функционирование как возбудимых, так и невозбудимых тканей. Актомиозиновые структуры обнаружены также у большинства растений, у высших и низших грибов. Наличие актомиозиновых белков, по-видимому, служит той эволюционной основой, благодаря которой периодически возникают уникальные способности двигательного аппарата. Примером этому могут служить насекомоядные растения. Возникновение у них двигательных функций не кажется теперь столь неожиданным, так как присутствие сократительных структур характерно для клеток всех типов.

В сократительном блоке принцип регуляции является общим и мало меняется на протяжении эволюции от примитивных грибов до человека. Во всех случаях сокращение связано с активирующим действием Ca²⁺ и АТФазной активностью миозина. Характерно варьирование компонентов актомиозинового комплекса, при котором один из них может выпадать. Как правило, в филогенезе наиболее стабилен актиновый компонент, тогда как миозиновый по своему составу варьирует в широких пределах, так же как и их соотношения.

Гидролитические ферменты апикальной мембраны кишечных клеток. Эти ферменты — один из основных типов функциональных блоков в системе, выполняющей пищеварительные и транспортные функции в организме (т.е. в тонкой кишке). Особое значение имеют сравнительные исследования клеток тонкой кишки и почки. Эти органы, выполняющие различные физиологические функции, обладают такими идентичными ферментами, как мальтаза, аминопептидазы, эндопептидаза, щелочная фосфатаза, трегалаза и др. (табл. 7). Недавно из щеточнокаемных мембран клеток почки и плаценты выделены такие одноименные ферменты, как аланинаминопептидаза, мальтаза, сахараза, щелочная фосфатаза и др. Многие из этих ферментов обнаружены в мембранах клеток печени и поджелудочной железы, в кровеносной системе и т.д. В некоторых случаях удается показать близость или даже идентичность таких ферментов. Так, свойства щелочной фосфатазы клеток печени, почки, тонкой кишки, плаценты и сыворотки крови обладают значительным сходством. Обнаружено также сходство в иммунохимических характеристиках аланинаминопептидазы клеток поджелудочной железы, почки и печени человека.

Ферменты мембраны микроворсинок клеток почки и тонкой кишки млекопитающих

Одни и те же ферменты, например щеточноrаемные гидролазы, могут присутствовать не только в мембране микроворсинок щеточной каймы, но и в латеральных и базальных мембранах, мембранах различных внутриклеточных органелл и даже в цитоплазме. Если присутствие щеточнокаемных ферментов в базолатеральной мембране свидетельствует об одном из физиологических путей от места синтеза к области их действия, то другая локализация, возможно, является полностью или частично результатом побочных эффектов. Однако

такие эффекты могут быть исходным материалом для формирования новых типов функций. Действительно, ферменты мембраны микроворсинок щеточной каймы, накапливаясь во внутриклеточных структурах, могут давать неожиданные физиологические эффекты.

Наконец, ранее предполагалось, что кишечные клетки отличаются от клеток других типов наличием мембранного пищеварения и отсутствием сократительных структур. Однако, как отмечено выше, пищеварительными свойствами обладают не только кишечные клетки, но и, в частности, клетки кровеносных сосудов. В начале 60-х гг. нами выявлено, что крахмал, проходя через сосуды пищеварительной системы и ряда других органов лягушки, подвергается значительному гидролизу. При этом расщепление крахмала обусловлено преимущественно ферментами, связанными со структурами периферического кровообращения. В 1980 г. нами совместно с коллегами из Военно-медицинской академии им. С. М. Кирова и Института физики АН СССР (Красноярск) показано, что мембранный гидролиз имеет место в ряде органов, в том числе в сосудистой системе кишечника, а также задних конечностей собак.

Таким образом, мембранное пищеварение и пищеварительные свойства мембран — не уникальное свойство кишечных клеток, а характерное для многих соматических клеток организма. Как продемонстрировано выше, типичные гидролазы мембраны микроворсинок кишечных клеток обнаружены в плазматических мембранах клеток многих непищеварительных органов, где эти ферменты, вероятно, выполняют другие функции.

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.

5.3. Транспортные системы клеток. Насосы

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⁺-АТФаза поддерживает 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).

Ca²⁺, Mg²⁺-ATФaзa играет важную роль в поддержании градиента Са²⁺. Первоначально фермент был выявлен в саркоплазматическом ретикулуме клеток поперечнополосатых мышц и в их мембране, а затем — в клетках других структур, б том числе в мембранах 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⁺-АТФаза участвует 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⁺-АТФаза необходима 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 АТФазы участвуют 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.

Таким образом, существует несколько типов ионных насосов, которые, комбинируясь между собой, осуществляют разнообразные функции клеток с различной специализацией. Общим для насосов является формирование ионных градиентов за счет энергии АТФ.

В ряде случаев благодаря сочетанному котранспорту или антипорту возможно варьирование градиентов в широких пределах. Например, Na⁺, К⁺-АТФаза в комбинации с противотоком Na⁺ и Са²⁺ может поддерживать не только градиенты одновалентных ионов, но и высокий градиент Са²⁺, который выкачивается из клетки за счет энергии движущегося по градиенту Na⁺.

Исследование молекулярных структур насосов мембраны различных клеток показало их сходные принципы функционирования, а также использование идентичных или близких по структуре молекулярных машин.

5.4. Транспортные системы клеток. Транспортеры

Перенос веществ через мембрану в большинстве случаев осуществляется с помощью неспецифических и специфических систем активного и пассивного транспорта — переносчиками, каналами и порами. Больших различий между этими понятиями не делается.» В последнее время используется термин «транспортер».

Переносчики и каналы — устройства, обеспечивающие специфические транспортные процессы. В клетках высших организмов, и в том числе в кишечных, существуют транспортеры многих типов. К ним относятся переносчики глюкозы, аминокислот и др. Каждое такое устройство переносит один или ограниченное число типов органических молекул через мембрану по электрохимическому градиенту или благодаря сопряжению с механизмом транспорта другого вещества, движение которого до градиенту концентраций служит источником энергии для сопряженного с ним процесса.

Для вторичной энергизации используются многие ионные градиенты, но преимущественно градиент Na⁺ без участия АТФ (табл. 8). Na⁺-зависимые переносчики используются в различных системах, включающих в себя систему всасывания (например, тонкая кишка), систему обеспечения собственных энергетических и пластических потребностей, транспорт ряда веществ (например, тех же глюкозы и аминокислот) для собственных синтезов и т.д. В печени механизмы активного транспорта глюкозы используются для депондрования веществ и их иммобилизации из депо. Мобильный переносчик, представляющий собой, как правило, белковую молекулу, движется от одной поверхности мембраны к другой, совершая вертикальные или вращательные движения, с тем чтобы связывать транспортируемые субстраты на одной поверхности мембраны и освобождать с другой. Типичным примером такого переносчика служат ионофоры. Канал как устройство характеризуется наличием постоянной или индуцированной поры, через которую проходит транспортируемое вещество.

Nа⁺-зависимый транспорт органических веществ в клетках животных

Несмотря на то что механизм Na⁺-зависимoro транспорта не вполне ясен, ряд фактов свидетельствует о его сходстве или идентичности в разных клетках и органах. Так, не удается выявить переносчиков аминокислот, характерных для клеток одного типа и отсутствующих у других (табл. 9). В пользу идентичности транспортных блоков в разных клетках свидетельствуют генетические дефекты, в том числе точечные. Так, при нарушении всасывания одной из субстанций в кишечных клетках наблюдаются аналогичные нарушения всасывания в клетках почечных канальцев (см. гл. 7). Распространенность таких нарушений говорит, что дефект локализован в одном гене. У человека идентифицировано более 20 «транспортных» болезней. Однако молекулярная природа недостающих компонентов в транспортной системе не ясна. Примеры некоторых генетических нарушений приведены в табл. 10. При дефиците различных транспортных или связывающих белков в кишечных клетках наблюдается малабсорбция глюкозы и галактозы, нейтральных аминокислот, цистина и глицина, фолиевой кислоты и т.д.

Ткани и клетки, для которых характерен Na⁺-завксимын транспорт аминокислот

Вместе с тем, как упомянуто выше, наряду с Na⁺-зависимым транспортом существует Ма⁺-пезависимый транспорт. Этот тип транспорта обнаружен при изучении переноса через мембрану кишечных клеток моносахаридов, аминокислот и других мономеров, образующихся в результате мембранного гидролиза соответствующих олигомеров.

Таблица 10

Некоторые примеры генетических нарушений транспортных систем у человека

Благодаря распространению Na⁺-зависимых транспортеров на апикальной мембране, а натриевых насосов — на базолатеральной создается транзитный перенос, необходимый для обеспечения за счет работы каждой кишечной клетки потребностей многих тысяч других соматических клеток. Транспортные функции клеток других типов реализуются практически тем же самым набором функциональных блоков. Действительно, транспортные характеристики клеток тонкой кишки и плаценты во многом совпадают.

Ряд клеток характеризуется тем, что универсальные транспортные блоки расположены на клеточной поверхности иначе. В частности, в ацинарных клетках поджелудочной железы, осуществляющих внешнюю секрецию ферментов, насосы и Na⁺-зависимые транспортеры расположены в базолатеральной мембране. Этого достаточно для обеспечения градиента Na⁺ между вне- и внутриклеточной жидкостями и поступлением нутриентов из крови в цитоплазму, а также для энергизации многих других процессов. Кроме того, локализация насосов и каналов в базолатеральной мембране исключает интенсивное поступление потоков воды и солей в апикально-базальном направлении.

Рис. 28. Схема действия транспортера глюкозы и натрия в плазматической мембране.

А — исходное состояние транспортера: оба канала закрыты; Б — после связывания глюкозы с аллостерическим центром на воротном устройстве: натриевый канал открылся; В — при прохождении натрия по натриевому каналу произошла аллостерическая активация глюкозного канала и молекула глюкозы перешла с воротного устройства на вход своего канала; Г — освобождение центра на воротном устройстве влечет за собой закрытие натриевого и глюкозного каналов. 1 — натриевый канал; 2 — глюкозный канал; 3 — воротное устройство. Светлые пружки — молекулы глюкозы, черные — ионы натрия.

Согласно современным представлениям, при Na⁺-зависимом транспорте глюкозы через плазматическую мембрану клеток эукариотов происходит образование тройного комплекса: Na⁺—глюкоза—транспортер. Однако более адекватной представляется наша модель транспортера (рис. 28). Она характеризуется наличием двух параллельно взаимодействующих каналов (для Na⁺ и для глюкозы) и поверхностного (воротного) белка, связывающего глюкозу на входе в транспортную систему. Транспортный цикл такой модели состоит в следующем: 1) исходно глюкозный и натриевый каналы неактивны; 2) при связывании глюкозы с аллостерическим центром на воротном белке натриевый канал активируется (эта стадия напоминает контроль натриевой проницаемости ацетилхолином) и Na⁺ движется из экстра- в интрацеллюлярную жидкость; 3) на определенном этапе движения Na⁺ по каналу происходит аллостерическая активация глюкозного канала; 4) через активированный канал транспортируется молекула глюкозы, первоначально фиксированная в воротном устройстве; 5) освобождение воротного устройства сопровождается дезактивацией натриевого канала. Реактивация последнего происходит при связывании с аллостерическим центром следующей молекулы глюкозы. При температуре 16° С глюкозный канал инактивируется, а натриевый продолжает функционировать. Из нашей модели вытекает, что скорость транспорта глюкозы и Na⁺ в определенном диапазоне зависит от концентрации Na⁺ во внеклеточной жидкости. Важно, что Ка⁺-зависимые транспортеры глюкозы и аминокислот, поскольку показана их идентичность в клетках различных типов и у организмов разных групп, должны соответствовать одной из моделей молекулярных машин.

Насколько можно судить, все разнообразие процессов, связанных с мембранной проницаемостью электролитов и их мембранным транспортом (по крайней мере у всех эукариотов), осуществляется с помощью тех же стандартных функциональных блоков, которые описаны выше. Поразительно, но «примитивные» функции низших организмов и совершенные функции высших организмов реализуются близкими или идентичными функциональными блоками. На уровне элементарных функций организмы, занимающие крайнее положение на вершине и у основания эволюционной лестницы, трудно различимы. Одноименные транспортеры органических субстанций у животных разных видов, по-видимому, также близки или сходны по своей молекулярной структуре и принципам функционирования, хотя этот вопрос изучен меньше, чем в отношении АТФаз. В пользу большой близости этого типа функциональных блоков говорит сходство, а иногда идентичность реакций различных транспортеров на действие ингибиторов и активаторов.

Несмотря на то что сравнительная физиология ионных каналов изучена недостаточно, существуют данные о значительном сходстве их молекулярной структуры и функциональной организации. Вероятно, у млекопитающих и насекомых имеются все основные типы ионных каналов — натриевые, калиевые, хлорные и др.

Далее, у млекопитающих, рыб и насекомых продемонстрировано наличие специализированных натриевых каналов, чувствительных к амилориду, а также каналов, реализующих котранспорт Na⁺ и Сl^-, чувствительных к фуросемиду. Интересно, что те же самые ингибиторы специфически тормозят транспорт ионов в мальпигиевых канальцах и толстой кишке насекомых. Недавно выявлен котранспортер, осуществляющий котранспорт в клетку одного иона Na⁺, одного иона К⁺ и двух ионов Сl^-. Этот механизм обнаружен в клетках почки и тонкой кишки млекопитающих, в клетках различных органов рыб и насекомых.

До недавнего времени считалось, что функции секреции, экскреции и всасывания имеют глубокие различия, касающиеся механизмов функционирования и эволюционного происхождения. Однако между этими процессами принципиальной разницы не существует. Все основные функциональные блоки, упомянутые выше, лежат и в основе перечисленных функций, в ряде случаев полярных по своему физиологическому значению (например, всасывание и экскреция).

Характеристики ферментных и транспортных систем клеток, выполняющих различные функции (например, всасывание в тонкой кишке, реабсорбция воды в протоках пищеварительных желез и т.д.), очень близки. В апикальной мембране клеток тонкой кишки и почечных канальцев присутствуют трансмембранные ферменты, Ка⁺-зависимые транспортеры глюкозы, аминокислот и других нутриентов. В базолатеральной мембране этих клеток локализованы близкие или идентичные по молекулярной структуре АТФазы. Системы с множеством транспортеров, локализованных в апикальной мембране, и натриевых насосов, расположенных в базолатеральной мембране, распространены очень широко. В некоторых структурах они выполняют не только резорбтивную, но и секреторную функцию.

Существенно, что при электронной микроскопии многие субклеточные и молекулярные структуры клеток тонкой кишки человека и высших животных неотличимы от таковых клеток кишки рыб, насекомых, моллюсков, круглых червей и т.д., а клетки тонкой кишки — от клеток плаценты, канальцев почек и других клеток.

5.5. Регуляторные блоки

В течение долгого времени постулировалась специфичность регуляторных сигналов и рецепторов, воспринимающих эти сигналы. В отношении химических сигналов идея специфичности достигла наибольшего развития. Действительно, эти сигналы, действующие через кровь, должны находить свои клетки-мишени и оказывать на них определенный эффект. В то же время число сигнальных молекул по сравнению с тем количеством, которое следовало бы ожидать, исходя из специфичности химических сигналов, невелико. Рецепторы для каждого типа сигнальных молекул локализованы практически в клетках всех типов. Кроме того, на примере кишечной гормональной системы продемонстрировано, что клетки, продуцирующие казавшийся ранее уникальным гормон, могут быть дублированы или даже мультиплицированы.

Попытаемся показать, что многообразные высокоразвитые формы управления в сложных организмах достигаются благодаря комбинации стандартных функциональных блоков, образующих специализированные и приспособленные для определенных задач цепи.

Химические сигналы. Первоначально предполагалось, что каждый эффект и каждый источник физиологически активного вещества связан с особым гормоном. При действии на мишень нескольких гормонов принималось, что лишь один из них оказывает физиологическое действие, а другие — фармакологическое. Однако множественный контроль клеток различных типов пищеварительной системы известен. Например, обмен воды между тканями тонкой кишки и ее полостью контролируется многими гормонами (гастрин, секретин, холецистокинин, ВИП, ГИП, вазопрессин, субстанция Р, бомбезин, серотонин и др.), продуцируемыми эндокринными клетками как желудочно-кишечного тракта, так и другими эндокринными органами, а также простагландинами. Чувствительность к различным гормонам и другим физиологически активным веществам означает наличие рецепторов многих типов или сложных рецепторов, способных связывать не один, а два или более видов лигандов. (Под рецепторами понимается большая группа структур, обладающих высоким сродством и способностью связываться с определенными типами лигандов). Можно ли считать, что рецепторные блоки различных органов идентичны или они специфичны для каждого соответствующего органа? Мембранные рецепторы являются гликопротеинами, и варьирование их свойств может зависеть от уровня посттрансляционного гликозилирования. В то же время существуют данные в пользу сходства или идентичности одноименных рецепторов в различных органах. В частности, это показано для таких ранее казавшихся локальными факторов, как субстанция Р, холецистокинин, ВИП, гастрин и др.

Внутриклеточные сигналы. На уровне сигнальных рецепторных блоков концепция их универсальности и специализации на основе рекомбинации находит новое подтверждение. Например, секреторные процессы в ацинарных клетках поджелудочной железы контролируются системой нервных и гормональных сигналов. В частности, выброс секреторных гранул происходит под влиянием холецистокинина и ацетилхолина. Холецистокинин длительное время рассматривался как специфический стимулятор секреции ферментов. Однако позднее было обнаружено, что этот механизм не специфичен, а включен в систему вторичных мессенжеров — цАМФ и Са²⁺. Так, холецистокинин контролирует многие цАМФ- и Са²⁺-зависимые процессы, в том числе внутренней секреции, стимулируя выделение ряда гормонов, и действует аналогично медиатору. Многие гормоны выполняют также функции нейротрансмиттеров. Эту роль могут играть гастрин и холе-цистокинин; серотонинподобные вещества, вызывающие возбуждение в межнейронных синапсах; АТФ — скорее всего в тормозящих нейронах; субстанция Р, выполняющая функции возбуждающего, а энкефалин и соматостатин — тормозящего нейротрансмиттеров. Предполагается также нейротрансмиттерная функция ВИПа (рис. 29).

Рис. 29. Схема способа передачи пептидов, действующих в качестве паракринных мессенжеров (А), кишечных гормонов ( Б ), нейротрансмиттеров (В) и нейрогормонов (Г).

Те же самые молекулы могли бы функционировать в каждой из систем одного и того же организма.

Принцип работы рецепторных блоков можно проиллюстрировать на примере рецепторно-аденилатциклазного комплекса. Такой комплекс осуществляет передачу сигналов путем их ретрансляции с помощью аденилатциклазы. Сущность процесса сводится к образованию комплекса рецептор—гормон, что приводит к стимуляции активности аденилатциклазы, локализованной на внутренней стороне мембраны. Активация аденилатциклазы первичным мессенжером связана с его взаимодействием с рецептором, каталитической и, возможно, промежуточной субъединицами фермента. При стимуляции активности фермента происходит увеличение образования цАМФ, что вызывает цепную реакцию с отрицательной обратной связью, приводящую к ее выключению. Ниже приведен список гормонов, стимулирующих или подавляющих активность аденилатциклазы (табл. 11).

Таблица 11

Гормоны, оказывающие влияние на аденилатциклазную активность различных тканей

Ясно, что с помощью различных соотношений стандартных рецепторных и циклазных блоков может быть достигнута высокая избирательность регуляции различных органов (рис. 30). Вместе с тем при некоторых условиях даже небольшое количество определенных рецепторов может быть важным при развитии адаптационных (например, адаптационно-компенсаторных) реакций или при развитии патологических процессов, например вследствие побочных эффектов гормональных веществ.

Рис. 30. Предполагаемая схема действия цАМФ на транспорт ионов в ворсинках и криптах тонкой кишки млекопитающих.

Показаны два секреторно-чувстительных процесса, разделенных пространственно: абсорбтивный электронезависимый, локализованный в клетках ворсинок, и электрогенный секреторный, локализованный в клетках крипт. Эта же схема иллюстрирует предполагаемую цАМФ-медиироваввую секрецию электролитов в тощей кишке. Антиабсорбтивные (в клетках ворсинок) и секреторные (в клетках крипт) эффекты ввутриклеточных мессенжеров разделены. Гипотеза может иметь отношение ко всей секреции, стимулируемой циклическими нуклеотидами и Са²⁺, так как цАМФ и Са²⁺ -ионофоры оказывают эффект на транспорт, сходный с эффектами цАМФ.

Таким образом, наряду с воспринимающим блоком — собственно рецептором — существует эффекторный блок — аденилатциклаза. Эта система универсальна и присутствует в клетках всех органов и тканей. Система циклических нуклеотидов имеется не только у позвоночных, большинства беспозвоночных, включая первичноротых, но и у одноклеточных организмов. У последних, так же как и у грибов, цАМФ выполняет роль передатчика сигналов не внутрь клеток, а от одной особи к другой. Следовательно, цАМФ первично возникает на весьма ранних стадиях формирования эукариотов как типичный гормон и, сохраняясь как химический мессенжер и постепенно подвергаясь интернализации, превращается во вторичный мессенжер.

Таблица 12

Внутриклеточные ферменты, регулируемые кальмодулином

Одновременно с цАМФ существует и взаимодействует с ним другой регуляторный механизм — система Са²⁺—кальмодулин. Многие Са²⁺-зависимые процессы обусловлены присутствием внутриклеточного белка — кальмодулина. Последний служит основным Са²⁺-связывающим белком как мышечных, так и немышечных клеток. Многие известные процессы, опосредованные Са²⁺, включают кальмодулин как промежуточный комплекс. Тот факт, что кальмодулин служит внутриклеточным рецептором Са²⁺, позволяет думать, что Са²⁺ играет роль вторичного мессенжера подобно цАМФ. Они имеют много общего в механизме действия. С влиянием кальмодулина на метаболизм циклических нуклеотидов и гликогена, а также на транспорт Са²⁺ связана регуляция многих ферментов в клетках различных типов (табл. 12). Это относится также к контролю сократительной активности клеток. Кальмодулин является компонентом цитоскелета кишечных клеток и обнаружен в микроворсинках этих клеток и клеток плаценты, в клетках мозга, матки, семенников, скелетной мускулатуры и т.д. Кальмодулин и Са²⁺ универсальны и характерны для всех эукариотов и прокариотов. У эукариотов кальмодулин связан в единый регуляторный блок с системой циклических нуклеотидов. Сходный феномен наблюдается и у простейших, для которых характерна развитая система Са²⁺—кальмодулин, взаимодействующая с аденилатциклазной системой.

Таким образом, системы управления организмов также являются общими.

В течение длительного времени гормоны рассматривались как филогенетически новый механизм химического управления. Однако сейчас известно, что многие гормоны, обнаруженные у человека и млекопитающих, присутствуют и выполняют важные функции у прими-

тивных организмов, включая простейших. Рассмотрим две группы гормонов: 1) пептидные гормоны (в основном желудочно-кишечные) и нейропептиды; 2) стероидные гормоны.

Пептидные гормоны. Одной из сенсаций последнего десятилетия было открытие единства регуляторных механизмов у столь далеких организмов, как человек с его высокоспециализированной нервной и эндокринной системами, и весьма примитивные кишечнополостные. Оказалось, что нейропептиды и некоторые другие гормоны, характеризующие, как предполагалось, высшие этапы эволюции, встречаются на обоих указанных полюсах. Сопоставление гормонально активных пептидов млекопитающих и насекомых показало их поразительное сходство. Идентичность этих пептидов может означать лишь одно: такие пептиды возникли очень давно.

Уже в начале 60-х гг. мною обращалось внимание на необходимость признания древнего происхождения гормональной регуляции, так как к этому времени у кишечнополостных был выявлен окситоцин. В дальнейшем многие гормоны, первоначально обнаруженные в клетках млекопитающих, были продемонстрированы у примитивных многоклеточных и даже у простейших. К числу таких гормонов относятся некоторые гормоны гипофиза, иммуноподобные факторы и т.д. Существуют сведения, что у одноклеточных организмов обнаружены субстанции, подобные таким гормонам, как АКТГ, β-эндорфин, соматостатин, хорионный гонадотропин, а также рецепторы этих субстанций.

Некоторые основные пептиды, используемые в качестве химических мессенжеров простыми организмами, очевидно, сохранились на всем протяжении эволюции лишь с весьма незначительными изменениями. Однако у высших организмов эти пептиды применяются для самых различных целей, т.е. обладают мультифункциональностью. Например, активная часть АКТГ, по-видимому, используется как сигнал в регуляции репродукции на реем протяжении ряда эукариотов. Кроме того, она включается в контроль выделения глюкокортикоидов и т.д. Сходная аминокислотная последовательность этого пептида у различных организмов позволяет полагать, что он играет универсальную роль в активации специфических рецепторов.

Пептиды, идентичные или родственные кишечным гормонам млекопитающих, широко встречаются не только в кишечных эндокринных клетках, но и в клетках центральной или периферической нервной системы, кожных желез амфибий, в ряде тканей беспозвоночных и т.д. Такая локализация пептидных гормонов в кишке и мозгу, возможно, существовала уже в начале линии позвоночных. Действительно, локализация того же самого пептида в кишке и мозгу обнаружена у самых древних позвоночных. У представителей этой группы — круглоротых (речные миноги) в экстрактах мозга и кишки обнаружены два фактора с холецистокининподобной иммунореактивностью. Эти факторы сходны, но не идентичны холецистокинину-8, но оба обладают холецистокинин-8-подобной иммунореактивностью. Присутствие холецистокинина-8 и соматостатинподобной иммунореактивности в кишке и мозгу круглоротых, так же как у челюстноротых, позволяет полагать, что такое распределение характерно для всех позвоночных и получено ими «в наследство» от беспозвоночных животных.

Многие физиологически активные пептиды были уже у беспозвоночных организмов. Так, гастрин-холецистокининподобная и соматостатинподобная активности обнаружены в эндокринных клетках кишечного эпителия протохордовых Amphioxus и Ciona. Сходные пептиды, возможно, существуют и у первичноротых. Имеются сведения об иммунореактивном гастрине в кишечных экстрактах и гемолимфе моллюсков и в ганглиях насекомых. Из ганглиев моллюска Macrocallista изолирован пептид, обладающий сходством с активным С-терминальным тетрапептидом гастрина и холецистокинина млекопитающих. Выявленный у кишечнополостных гормон, активирующий генерацию головы, присутствует также в гипоталамусе и кишечнике млекопитающих. Гормон FMRF-амид, выделенный из нервных ганглиев моллюсков и вызывающий у них ряд эффектов, в том числе стимуляцию сердечной деятельности, обнаружен в центральной нервной системе и в кишечнике млекопитающих (табл. 13). Эти данные могут рассматриваться как новое подтверждение правила «эволюционной универсальности», вытекающего из концепции функциональных блоков.

Категории пептидов мозга млекопитающих

Сходная последовательность аминокислотных остатков у ряда кишечных пептидов, а именно у гастрина и холецистокинина (семейство гастрин-холецистокинина) и секретина, глюкагона, ВИПа, ГИПа (семейство секретина), указывает на эволюцию общих предшественников молекул путем дупликации генов и дивергенции, причем в плане концепции функциональных блоков важно, что функционально значимые аминокислотные остатки сохраняются. Существуют также эволюционные изменения на уровне рецепторных механизмов органов-мишеней. Например, секретин регулирует секрецию панкреатического сока у млекопитающих, тогда как структурно близкий ему ВИП вызывает сходный эффект у птиц.

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.

Эндоцитоз сводится 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.