Естественные технологии биологических систем
Шрифт:
Внутриклеточные эндо- и экзопептидазы могут встречаться и в непищеварительных органах животных. Предполагается, что их функция состоит в поддержании динамического гомеостаза между белками и другими азотистыми соединениями клетки. Важную роль в этих процессах играют синтез и деградация соответствующих ферментативно активных белков.
2.2.2. Гликозидазы
Гликозидазы (глюкозидазы, карбогидразы), принимающие участие в гидролизе углеводов, можно разделить на две группы: 1) эндоферменты (преимущественно амилазы) и 2) экзоферменты (ди- и олиго-сахаридазы). Первые расщепляют a– 1,4-глюкозидные связи в молекулах полисахаридов (крахмал, гликоген, родственные им полисахариды) до олиго- и дисахаридов (количество образующейся глюкозы крайне незначительно),
Многие ферменты, гидролизующие углеводы, представлены различными амилазами. К ним относятся амилаза слюны млекопитающих, в том числе человека, некоторых других хордовых и ряда беспозвоночных; панкреатическая амилаза млекопитающих (КФ 3.2.1.1.), кишечная гамма-амилаза (КФ 3.2.1.3) хордовых и беспозвоночных, внутриклеточные амилазы кишечнополостных и простейших. Все амилазы гидролизуют крахмал и гликоген, но не целлюлозу.
Крахмал растительного происхождения является смесью амилозы и амилопектина, в то время как гликоген (полисахарид животного происхождения) состоит из одного компонента, сходного с амилопектином, но имеющего более разветвленную молекулу. Амилазы в присутствии ионов хлора гидролизуют а– 1,4-глюкозидные связи в молекулах амилозы, амилопектина и гликогена до декстринов (промежуточных продуктов гидролиза полисахаридов) с различной длиной цепи. Затем амилазы расщепляют декстрины до мальтозы и мальтоолигосахаридов, которые в свою очередь гидролизуются до мальтозы и глюкозы. В итоге под действием амилаз происходит полная конверсия крахмала и гликогена в мальтозу, изомальтозу и небольшое количество глюкозы.
Экзогликозидазы ( а– и -глюкозидазы) гидролизуют олиго- и дисахариды (мальтозу и изомальтозу, образованные при гидролизе крахмала и гликогена, сахарозу, лактозу и трегалозу) до конечных продуктов гидролиза — моносахаридов. Так, мальтаза (КФ 3.2.1.20) расщепляет молекулу мальтозы на две молекулы глюкозы, изомальтаза (КФ 3.2.1.10) — изомальтозу на две молекулы глюкозы, сахараза, или инвертаза (КФ 3.2.1.26 и 3.2.1.48) — сахарозу на глюкозу и фруктозу, лактаза (КФ 3.2.1.23) — лактозу на глюкозу и галактозу и т.д. Гамма-амилаза (КФ 3.2.1.3) гидролизует мальтозу, а также отщепляет концевые глюкозидные остатки в полисахаридных цепях, принимая участие в расщеплении крахмала и гликогена.
Перечисленные экзогликозидазы синтезируются в кишечных клетках как хордовых, так и беспозвоночных животных. Важно, что внутриклеточные гликозидазы беспозвоночных животных, у которых имеет место внутриклеточное пищеварение, по своим функциям и многим характеристикам сходны с таковыми внеклеточных ферментов.
Что касается переваривания целлюлозы, составляющей большую часть пищи травоядных, то лишь небольшое число организмов обладает ферментными системами (КФ 3.2.1.4, целлюлаза), которые могут расщеплять это вещество на более простые продукты, способные к всасыванию и дальнейшему усвоению. В эту группу входит ряд брюхоногих и пластиножаберных моллюсков, некоторые ракообразные, рептилии и рыбы, насекомые, а также простейшие, использующие целлюлазу для деградации клеточных стенок зеленых водорослей и утилизации их содержимого. Целлюлаза играет важную роль в переваривании целлюлозы у кольчатых червей и иглокожих. Большинство травоядных животных (как позвоночных, так и беспозвоночных) для гидролиза целлюлозы используют симбионтные организмы. Кроме того, целлюлаза обнаружена у гнилостных бактерий и грибов.
2.2.3. Липазы
Ферменты как внеклеточные, например панкреатическая липаза и кишечная моноглицеридлипаза хордовых, так и липазы беспозвоночных животных, реализующие внутриклеточное пищеварение, расщепляют жиры. Липазы гидролизуют преимущественно триглицериды с образованием 2-моноглицеридов и жирных кислот, при этом активирующее действие оказывают соли желчных кислот.
Панкреатическая фосфолипаза (КФ 3.1.1.4) секретируется в виде профермента профосфолипазы А и активируется трипсином. Фермент гидролизует эфирную связь глицерина и- жирной кислоты у второго атома углерода, превращая лецитин в изолецитин и жирную кислоту. Кишечная моноглицеридлипаза (КФ 3.1.1.23) гидролизует эфирные связи 2-моноглицеридов, образующихся при гидролизе триглицеридов. В гидролизе жиров у беспозвоночных животных, по-видимому, участвуют преимущественно эстеразы. Эти ферменты (кроме липазы) наблюдаются в средней кишке ракообразных, у насекомых, двустворчатых моллюсков,
Кроме указанных групп ферментов, существует несколько других, также играющих важную роль в пищеварительных процессах. Эти ферменты известны главным образом у хордовых животных, но, возможно, существуют также и у беспозвоночных. В качестве примера могут быть приведены щелочная фосфатаза (КФ 3.1.3.1), гидролизующая моноэфиры ортофосфор-ной кислоты, а также нуклеазы (РНКаза и ДНКаза), нуклеотидазы, нуклеозидазы и другие (КФ 3.1.3.—), продуцируемые клетками поджелудочной железы и синтезируемые клетками кишечного эпителия хордовых животных. Эти ферменты расщепляют полинуклеотиды и нуклеиновые кислоты пищи до пуринов, пиримидинов, дезоксирибозы, рибозы и фосфата.
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.