Естественные технологии биологических систем

Уголев Александр Михайлович

1. Ферменты, реализующие этот процесс, относятся к структурированным. В связи с этим возможна пространственная организация как ферментных, так и транспортных систем, объединяющих заключительные этапы переваривания и начальные этапы всасывания.

2. Структурирование ферментов приводит к изменению их свойств. Так, отделение ферментов от мембраны меняет их каталитические и регуляторные характеристики.

3. Зона мембранного пищеварения обладает особыми физико-химическими свойствами, в частности такими как pH, концентрация органических и неорганических ионов, неперемешиваемый слой жидкости.

4. Мембранное пищеварение осуществляется в стерильной зоне, недоступной для бактерий, что предотвращает поглощение последними легко усвояемых низкомолекулярных пищевых веществ.

5. Благодаря ферментному аппарату гликокаликсный слой превращается в высокоспецифический фильтр. Через этот слой проникают те вещества, для

которых на поверхности и внутри гликокаликсного пространства имеются адекватные ферменты, но не проникают другие вещества с такими же размерами молекул.

6. Для понимания эффективности мембранного пищеварения и трансмембранной проницаемости важны сведения о сократительной функции щеточной каймы, регулируемой кальцием. Показано, что микрофиламенты микроворсинок, выполняющие эти функции, содержат актин и миозин и связаны с апикальной мембраной кишечных клеток.

7. Следует учитывать не только процессы синтеза кишечных ферментов и их включения в состав апикальной мембраны кишечных клеток, по и скорость их деградации. (Более подробно см. гл. 5).

Рис 9. Схема последовательных конформационных взаимодействий и транспортной частей комплекса.

1 - субстрат; 2 - продукт; 3 - трансмембранный фермент; транспортная система; 5 - мембрана

2.4. Схема переваривания пищи как сочетание трех основных типов пищеварения

После обнаружения мембранного пищеварения классическая схема ассимиляции пищи претерпела существенные изменения. Согласно классическим представлениям, пищевые вещества — нутриенты, способные к всасыванию и ассимиляции, освобождаются в результате ферментативного гидролиза сложных органических соединений за счет внеклеточного (полостного) и внутриклеточного типов пищеварения. При этом усвоение пищевых веществ происходит в два этапа: полостное пищеварение—всасывание. Согласно современной схеме, усвоение пищи реализуется не в два, а в три этапа: полостное пищеварение—мембранное пищеварение—всасывание с более или менее выраженным компонентом внутриклеточного пищеварения. Таким образом, мембранное пищеварение, занимая по функциональной позиции промежуточное положение между полостным пищеварением и всасыванием, является акцепторным механизмом по отношению к полостному гидролизу и донорным по отношению к всасыванию. Следовательно, полостное пищеварение без мембранного не имеет существенного значения, так как всасывание без предварительного мембранного гидролиза невозможно из-за отсутствия адекватных субстратов. Вместе с тем нельзя недооценивать роль полостного пищеварения, так как обычные пищевые продукты не способны проникать в зону щеточной каймы и гликокаликсное пространство без обработки в пищеварительных полостях.

В реальных условиях имеет место сочетание двух или трех механизмов пищеварения (вне-, внутриклеточного и мембранного) у одного и того же организма. Возможно, благодаря этому достигается особенно высокая эффективность и экономичность работы пищеварительного аппарата.

Для высших животных и человека наиболее характерным является сочетание полостного и мембранного пищеварения (рис. 11). Начальные стадии гидролиза реализуются с помощью секретируемых в полость тонкой кишки преимущественно панкреатических ферментов. Здесь происходит разрушение клеточных структур пищевых продуктов и гидролиз некоторой части химических связей в молекулах биополимеров. Сравнительно мелкие молекулы проникают в зону щеточной каймы, где под влиянием адсорбированных и собственно кишечных мембранных ферментов гидролиз завершается и осуществляется переход к всасыванию. Важно, что за счет мембранного пищеварения расщепляется около 80—90% химических связей.

Рис. 10. Упрощенная схема аллостерических взаимодействий ферментной и транспортной частей комплекса,

А— аллостерические влияния фермента на вход в транспортную систему; Б— аллостерические влияния транспортной системы на активность фермента. 1— субстрат; 2 — продукт; 3— фермент; 4 -транспортная система; 5 — мембрана.

Большинство надмолекулярных агрегаций и крупных молекул (белки и продукты их неполного гидролиза, углеводы, жиры) у млекопитающих расщепляются в полости тонкой кишки в нейтральной или слабощелочной средах преимущественно

под влиянием ферментов (эндогидролаз), секретируемых клетками поджелудочной железы. Пептиды, образовавшиеся в кислой среде желудка под влиянием кислых протеаз, и нерасщепленные белки гидролизуются трипсином, химотрипсином, карбоксипептидазами А и В и эластазон. В результате последовательного действия этих ферментов в полости тонкой кишки из крупных белковых молекул образуются ннзкомолекулярные пептиды и незначительное количество аминокислот. Углеводы (полисахариды крахмал и гликоген) расщепляются амилазой поджелудочного сока до три- и дисахаридов без значительного накопления глюкозы. Жиры подвергаются гидролизу в полости тонкой кишки панкреатической липазой, которая поэтапно отщепляет жирные кислоты, что приводит к образованию ди- и моноглицеридов, свободных жирных кислот и глицерина. В гидролизе жиров существенную роль играет желчь.

Рис. 11. Схема взаимодействий полостного и мембранного пищеварения.

А— последовательная деполимеризация пищевых субстратов в полости и на поверхности тонкой кишки; Б — фрагмент липопротеиновой мембраны с адсорбированными и собственно кишечными ферментами. М — мембрана; МБ— микроворсинки; Га— апикальный гликокаликс; Гл— латеральный гликокаликс; С ₁ —С ₂— субстраты; Фп— панкреатические ферменты; Фм— мембранные ферменты; Т транспортная система; Р — регуляторные центры ферментов; К — каталитические центры ферментов; НЭ— неэпзиматические факторы.

Образующиеся в полости тонкой кишки продукты гидролиза благодаря перистальтическим движениям кишечной мускулатуры контактируют с поверхностью кишки, где происходит их дальнейшая обработка за счет мембранного пищеварения. Продукты частичного гидролиза поступают из полости тонкой кишки в зону щеточной каймы кишечных клеток (если размеры их молекул не слишком велики), чему способствует их перенос в потоках растворителя, возникающих за счет всасывания ионов натрия и воды кишечными клетками. Именно в зоне щеточной каймы и происходит мембранный гидролиз. При этом промежуточные стадии гидролиза биополимеров осуществляются панкреатическими ферментами (амилазой, трипсином, химотрипсином, карбоксипептидазами А и В и др.), адсорбированными на структурах щеточной каймы в гликокаликсном пространстве, а заключительные — собственно кишечными мембранными ферментами (гамма-амилазой, мальтазой, Пзомальтазой, сахаразой, лактазой, трегалазой, ди- три- и тетрапептидазами, аминопептидазой, щелочной фосфатазой, моноглицеридлипазой и др.), встроенными в липопротеиновую мембрану микроворсинок кишечных клеток. Некоторые ферменты (гамма-амилаза и аминопептидаза) гидролизуют высокополимеризованные продукты.

Олигопептиды, поступающие в зону щеточной каймы, расщепляются до аминокислот, способных к всасыванию, за исключением глицилглицина и некоторых дипептидов, содержащих пролин и оксипролин, которые всасываются в нерасщепленном виде. Дисахариды, поступающие с пищей и образующиеся при расщеплении крахмала и гликогена, гидролизуются собственно кишечными гликозидазами до моносахаридов, которые транспортируются через кишечный барьер во внутреннюю среду организма. Триглицериды расщепляются не только под действием панкреатической липазы, но и под влиянием кишечной моноглицеридлипазы.

На рис. 12 представлена схема структуры и функций кишечной клетки. Ее апикальная и базолатеральная мембраны содержат различные функциональные элементы, реализующие мембранный гидролиз и транспорт различных нутриентов, ионов, воды, а также энергизацию этих процессов.

Рис. 12 Схема структурных и функциональных компартментов кишечной слизистой оболочки.

А - структура компартментов; Б - потоки веществ; В - потоки воды.