Александр Уголев - Естественные технологии биологических систем
Этим термином обозначаются случаи, когда не-расщепленные или частично расщепленные пищевые вещества проникают внутрь клетки, где подвергаются гидролизу ферментами цитоплазмы, не выделяемыми за пределы клетки. Внутриклеточное пищеварение распространено у простейших и наиболее примитивных многоклеточных организмов, например у губок и плоских червей. Как дополнительный механизм гидролиза пищевых веществ оно встречается у немертин, иглокожих, некоторых кольчатых червей и многих моллюсков. У высших позвоночных животных и человека оно выполняет главным образом защитные функции, например фагоцитоз.
Различаются два типа внутриклеточного пищеварения. Первый связан с транспортом небольших молекул через клеточные мембраны и последующим перевариванием ферментами цитоплазмы. Внутриклеточное пищеварение может также происходить в специальных внутриклеточных полостях — пищеварительных вакуолях, присутствующих постоянно или образующихся при фагоцитозе и пиноцитозе и исчезающих после расщепления захваченной пищи. Второй тип пищеварения в большинстве случаев связан с участием лизосом, которые содержат широкий набор гидролитических ферментов (фосфатаз, протеаз, глюкозидаз, липаз и др.) с оптимумом действия в кислой среде (pH 3.5—5.5). Пищевые структуры или пищевые растворы в околоклеточной среде вызывают впячивания плазматической мембраны, которые затем отшнуровываются и погружаются в цитоплазму, образуя пиноцитозные и фагоцитозные вакуоли. Соединяясь с последними, лизосомы образуют фагосомы, где происходит контакт ферментов с соответствующими субстратами. Образовавшиеся продукты гидролиза всасываются через мембраны фагосом. После завершения пищеварительного цикла остатки фагосом выбрасываются за пределы клетки путем экзоцитоза. Лизосомы играют также важную роль в расщеплении собственных структур клетки, которые используются в качестве пищевого материала либо данной клеткой, либо за ее пределами.
По своим механизмам внутриклеточное пищеварение может быть рассмотрено как сочетание микрополостного и мембранного гидролиза в пределах клетки. Действительно, при внутриклеточном пищеварении ферменты могут оказывать свой гидролитический эффект в цитоплазме клетки или в фагосоме, т.е. в среде, что свойственно полостному пищеварению, а также на внутренней поверхности фагосомной мембраны, что свойственно мембранному пищеварению.
Внутриклеточное пищеварение лимитировано проницаемостью мембраны и процессами эпдоцитоза, которые характеризуются небольшой скоростью и, по-видимому, не могут играть существенной роли в обеспечении пищевых потребностей высших организмов.
Тем не менее они могут способствовать проникновению в клетку некоторых уникальных веществ, в частности иммуноглобулинов.
Эндоцитозам приписывается важная роль в ассимиляции пищевых веществ в период раннего постнатального развития.
2.3.3. Мембранное (пристеночное, контактное) пищеварениеМембранное пищеварение, открытое в конце 50-х гг., пространственно занимает промежуточное положение между внеклеточным и внутриклеточным и осуществляется ферментами, локализованными на структурах клеточной мембраны и ее дериватов (у высших животных и человека — на апикальной поверхности кишечных клеток). Активные центры ферментов ориентированы определенным образом по отношению к мембране и водной фазе. Свободная ориентация каталитических центров ферментов по отношению к субстратам невозможна. Глубоко расположенные связи, по-видимому, недоступны действию ферментов, осуществляющих мембранное пищеварение. Этим оно существенно отличается от полостного и внутриклеточного типов, если последнее происходит в фагосомах.
Мембранное пищеварение осуществляется как адсорбированными из полости тонкой кишки ферментами (преимущественно панкреатического происхождения), так и собственно кишечными, или мембранными, синтезированными в кишечных клетках и встроенными в состав их апикальной липопротеиновой мембраны (табл. 1). Ферменты, адсорбированные на структурах кишечной слизистой (главным образом в гликокаликсном пространстве), реализуют в основном промежуточные этапы гидролиза всех основных видов пищевых веществ. Собственно кишечные ферменты осуществляют преимущественно заключительные этапы расщепления пищевых биополимеров. По-видимому, адсорбированные ферменты связаны в основном со структурами гликокаликса (рис. 5), а собственно кишечные встроены в структуры плазматической мембраны кишечных клеток. Тем не менее на поверхности липопротеиновой мембраны могут адсорбироваться ферменты, поступающие в полость тонкой кишки с панкреатическим соком, а собственно кишечные ферменты, по крайней мере частично, могут включаться в гликокаликс.
Основные ферменты, реализующие мембранное пищеварение в тонкой кишке млекопитающих
Происхождение фермента Фермент КФ Адсорбированные панкреатические ферменты Амилаза 3.2.1.1 Липаза 3.1.1.3 Трипсин 3.4.21.4 Химотрипсин 3.4.21.1 Карбоксипептидаза А 3.4.12.2 Карбоксипептидаза В 3.4.12.3 Эластаза 3.4.21.11 Рибонуклеазэ 3.1.4.22 Собственно кишечные ферменты Мальтаза 3.2.1.20 Сахараза 3.2.1.48 Изомальтаза 3.2.1.10 Гамма-амилаза 3.2.1.3 Лактаза 3.2.1.23 Трегаяаза 3.2.1.28 Щелочная фосфатаза 3.1.3.1 Моноглицеридлипаза 3.1.1.23 Пептидазы 3.4.11 - 15 Аминопептидаза * 3.4.11.2 Дипептидиламинопепти- даза 3.4.14.1 Карбоксипептидаза 3.4.12.4 Энтерслептидаза 3.4.21.9 Гамма-глутамилтранспептидаза 2.3.2.2 Холестеролэстераза 3.1.1.13* Аминопептидаза М, аминопешчдаза N, аланинаминопептидаза.
Рис. 5. Упрощенная схема распределения адсорбированных ферментов на поверхности гликокаликса (I), в гликокаликсном пространстве (II) и на липопротеиновой мембране (III) кишечной клетки.
1 — полость тонкой кишки; 2 — ферменты;3 — гликокаликс; 4 — мембрана.
Рис. 6. Схема отделения апикального гликокаликса от липопротеииовой мембраны кишечной клетки.
1 — агаровая реплика; 2 — апикальный гликокаликс; 3 — микровор-синки; 4 — латеральный гликокаликс.
Рис. 7. Щеточная кайма кишечной клетки крысы.
А— продольный разрез апикальной зоны интактной клетки; виден гликокаликс на внешней (апикальной) и боковой (латеральной) поверхностях микроворсинок. В — продольный разрез апикальной зоны клетки после отделения агаровой реплики; гликокаликс на внешней поверхности микроворсинок отсутствует, видны неповрежденная липопротеиновая мембрана клетки и латеральный гликокаликс. 80 000х.
Рис. 8. Роль ферментно-транспортных комплексов в предотвращении конкуренции между мономерами на стадии всасывания.
А — конкуренция между мономерами за общий вход в транспортную систему; Б — конкуренция между финальными продуктами гидролиза за общий вход в транспортную систему; В — ферментно-транспортный комплекс: передача конечных продуктов гидролиза с фермента на вход в транспортную систему (без конкуренции). 1 — мономер; 2 — димер; 3 — фермент; 4 — транспортная система; 5 — мембрана.
