Естественные технологии биологических систем

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.