Естественные технологии биологических систем
Шрифт:
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 Са 2+, так как цАМФ и Са 2+– ионофоры оказывают эффект на транспорт, сходный с эффектами цАМФ.
Таким образом, наряду с воспринимающим блоком — собственно рецептором —
Таблица 12
Внутриклеточные ферменты, регулируемые кальмодулином
| Фермент | Локализация фермента |
| Фосфодиэстераза циклических нуклеотидов | Мозг, щитовидная железа, легкие, эмбрионы цыпленка, околоушная железа, гепатома, околощитовидные железы |
| Аденилатциклаза | Мозг, поджелудочная железа, сперма, прокариоты |
| Гуанилатциклаза | Тетрахимена |
| цГМФ-протеинкиназа | Мозг |
| Киназа легких цепей миозина | Гладкие мышцы, скелетная мускулатура, сердечная мышца, почки, кровяные тельца |
| Са 2+, Mg 2+– ATФaзa | Эритроциты и адипоциты (плазматическая мембрана), мозг (синаптическая плазматическая мембрана), сердечная мышца (саркоплазматический ретикулум) |
| Динеин | Реснички тетрахимены, растения (мембраны микро-сом) |
| Фосфорилаза-кина за | Скелетная мускулатура, кровяные тельца, сердечная мышца |
| Синтаза-киназа гликогена | Печень |
| НАД-киназа | Растения, морской еж |
| Фосфопротеин-фосфатаза | Печень, мозг |
| Фосфолипаза А 2 | Кровяные тельца |
| Триптофан-5-монооксигеназа | Мозг |
| Сукцинатдегидрогеназа | Печень |
| О-Метилтрансфераза | Слизевик |
| N-Метилтрансфераза | Мозг |
Одновременно с цАМФ существует и взаимодействует с ним другой регуляторный механизм — система Са 2+—кальмодулин. Многие Са 2+– зависимые процессы обусловлены присутствием внутриклеточного белка — кальмодулина. Последний служит основным Са 2+– связывающим белком как мышечных, так и немышечных клеток. Многие известные процессы, опосредованные Са 2+, включают кальмодулин как промежуточный комплекс. Тот факт, что кальмодулин служит внутриклеточным рецептором Са 2+, позволяет думать, что Са 2+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 Са 2+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 Са 2+универсальны
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, -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.