Александр Уголев - Естественные технологии биологических систем
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-гидролазыЭти 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
