Александр Уголев - Естественные технологии биологических систем
2.2.4. Молекулярная структура и некоторые характеристики мембранных пищеварительных ферментов
Основные процессы гидролиза и транспорта у высокоорганизованных животных и человека, а также у ряда беспозвоночных реализуются в кишечнике. В связи с этим рассмотрим особенности структуры пищеварительных ферментов апикальной мембраны кишечных клеток млекопитающих, которые осуществляют заключительные этапы гидролиза основных групп пищевых веществ. При этом возможна прямая экстраполяция характеристик кишечных мембранных ферментов теплокровных организмов на характеристики ферментов более низкоорганизованных животных, так как строение мембраны и ферментативно активных белков, встроенных в фосфолипидный матрикс мембраны, практически универсально.
Большинство кишечных ферментов является трансмембранными интегральными белками (точнее, гликопротеинами) с большой молекулярной массой. Так, молекулярная масса кишечной щелочной фосфатазы — около 120 000—130 000 дальтон, аминопептидазы — варьирует от 225 000 до 280 000 в зависимости от вида животного, карбогидраз, в том числе сахаразно-изомальтазного комплекса, более 200 000. Однако некоторые ферменты, например дипептидаэы апикальной мембраны кишечных клеток, могут быть периферическими интегральными белками, т.е. лишь частично включенными в фосфолипидный бислой мембраны, о чем можно судить по их спонтанной солюбилизации (рис. 1). По-видимому, в естественных условиях мембранные ферменты существуют в виде олигомеров, примером чему служит сахаразно-изомальтазный комплекс.
Рис. 1. Схема различных типов локализации интегральных белков в мембране.
1,4 — трансмембранные интегральные белки; 2 — периферический интегральный белок; 3 — периферический белок.
Рис. 2. Положение сахаразно-изомальтазного комплекса в щеточнокаемной мембране клеток тонкой кишки.
(СНО) — углеводные цепи; с — С-конец цепи; N—N-конец цепи; С — сахаразная субъединица; И — изомальтазная субъединица; М — мембрана.
Рис. 3. Модель включения кишечной щеточнокаемной аминопептидазы в мембрану за счет N-концевых аминокислотных остатков.
1 — внеплазматическая поверхность; 2 — цитоплазматическая поверхность; 3 —мембрана; 4 — гидрофобный домен фермента, состоящий примерно из 20 аминокислотных остатков; «+» — положительно заряженный N-концевой тирозин и лизин в позиции 4; «—» — отрицательно заряженные внутренние фосфолипидные головки (или цвиттерионы). I — связывание образующейся цепи благодаря электростатическим взаимодействиям с цитоплазматической поверхностью мембраны; II — прямое перемещение гидрофобной части фермента во внутреннюю область мембраны; III, IV — дальнейший рост цепи за счет предполагаемого механизма, выдвигающего цепь на внеплазматическую поверхность мембраны.
Часть фермента может выступать над поверхностью трехслойной мембраны примерно на 10—15 нм. Простетическая группа молекулы фермента — олигосахаридная цепь (цепи) занимает наружное положение по отношению к мембране и выдается в полость тонкой кишки, возможно, принимая участие в формировании структур гликокаликса, рецепции биологически активных веществ и связывании субстратов (рис. 2).
Мембранные интегральные ферменты обладают амфипатической структурой и состоят из гидрофильного и гидрофобного доменов. Гидрофильный домен, составляющий от 90 до 95% массы фермента, несет на себе углеводные остатки и каталитический центр, обращенный в полость тонкой кишки. Такая локализация каталитического центра постулирована нами еще в начале 60-х гг. и окончательно подтверждена в последние годы. Остальная масса фермента относится к гидрофобному домену, который состоит преимущественно из гидрофобных аминокислот и пронизывает насквозь фосфолипидный бислой, в некоторых случаях заканчиваясь небольшим гидрофильным пептидом, экспонированным на внутренней поверхности мембраны (рис. 3). По мнению ряда исследователей, роль гидрофобного домена фермента заключается во взаимодействии с фосфолипидным матриксом мембраны и в фиксации гидрофильного каталитического домена (якорная функция).
В нашей лаборатории в дополнение к якорной функции гидрофобного домена фермента продемонстрированы его некоторые другие жизненно важные функции: 1) поддержание оптимальной конформации гидрофильного каталитического домена; 2) стабилизация структуры фермента при действии различных факторов; 3) реализация регуляторных функций и ряда других. Действительно, при отделении гидрофобного домена от гидрофильного утрачиваются регуляторные свойства фермента. На этом основании мы высказали предположение, что гидрофобные субъединицы ферментов участвуют в передаче регулирующих сигналов из цитоплазмы клетки на внешнюю поверхность мембраны и таким образом выполняют функции не только внешнего, но и внутреннего регулирования. Регулирующими сигналами могут служить пищевые вещества. Благодаря регулируемости многих ферментов происходит саморегуляция естественного пищеварения на молекулярном уровне. Кроме того, гидрофобный домен участвует в температурных адаптациях, как и фосфолипидный матрикс мембраны.
Благодаря системе регулируемых ферментов ферментный пул кишечной поверхности представляет собой систему, легко адаптируемую к различным программам работы в зависимости от состава пищи. Ферментные и транспортные системы обеспечивают высокую приспособляемость ассимиляторного аппарата к условиям функционирования, так как их регулируемость способствует повышению или понижению активности в широких пределах без изменений состава соответствующего пула. В последние годы документировано, что обмен мембранных белков, в частности ферментов и транспортеров, превращает плазматическую мембрану кишечных клеток в поверхность, обладающую высокой динамичностью и способностью к быстрым адаптивным перестройкам.
2.3. Основные типы пищеварения
По механизму действия ферментов на субстраты, по механизмам их поступления к месту функционирования, по взаимоотношениям пищеварительных процессов и клеточной границы и, наконец, по отношению к процессам транспорта можно выделить три основных типа пищеварения: внеклеточное дистантное, внутриклеточное и мембранное (рис. 4).
2.3.1. Внеклеточное дистантное пищеварение
Этот тип пищеварения характеризуется тем, что синтезированные секреторными клетками ферменты выделяются во внеклеточную среду, где реализуется их гидролитический эффект. Этот тип пищеварения является основным у организмов, стоящих на более высоком этапе эволюционного развития, чем плоские черви, и преобладает у кольчатых червей, ракообразных, насекомых, головоногих, оболочников и хордовых. Он особенно развит у высокоорганизованных животных и человека, у которых обеспечивает начальное переваривание пищевых веществ. У этих организмов секреторные клетки расположены достаточно далеко от полостей, где реализуется действие ферментов, поэтому внеклеточное пищеварение определяется как дистантное. Дистантное пищеварение, происходящее в специальных полостях, обозначается как полостное. Дистантное пищеварение может происходить и за пределами организма, продуцирующего ферменты. Так, насекомые вводят пищеварительные ферменты в обездвиженную добычу, а бектерии выделяют разнообразные ферменты в культуральную среду.
Так как секретируемые в составе пищеварительных соков ферменты растворены в водной фазе, их пространственная организация невозможна или весьма ограничена. Если в растворе действует несколько ферментов, то их распределение имеет вероятностный характер. Растворенные ферменты эффективны при расщеплении как поверхностно, так и глубоко локализованных пептидных, глюкозидных, эфирных и других связей благодаря любой ориентации активного центра фермента относительно атакуемых молекул субстрата.
Рис. 4. Основные типы пищеварения.
А — внеклеточное дистантное пищеварение; Б — внутриклеточное цитоплазматическое пищеварение; В — внутриклеточное вакуолярное, или вне-плазматическое, пищеварение, связанное с эндоцитоэом (фаго- и пиноцитозом); Г — мембранное пищеварение. 1 — внеклеточная среда; 2 — внутриклеточная среда; 3 — внутриклеточная пищеварительная вакуоль; 4 — лизосома; 5 — ядро; 6 — мембрана; 7 — ферменты; 8 — субстраты и продукты их гидролиза.
Вместе с тем целостное пищеварение не обеспечивает эффективного перехода от гидролиза к транспорту, так как резорбирующая мембрана и освобождающиеся в процессе гидролиза мономеры разделены значительным расстоянием и требуется определенное время, чтобы мономеры достигли поверхности всасывающей клетки. Существует определенная вероятность перехвата продуктов гидролиза (прежде чем они достигнут резорбирующей поверхности) бактериями, населяющими полость тонкой кишки высших организмов.
