3. Внутриклеточное пищеварение нередко сочетается с мембранным, поэтому наличие пищеварительных везикул в цитоплазме не исключает мембранного пищеварения, а ферментативная активность поверхности — внутриклеточного. Соотношения этих типов гидролиза еще не ясны.
Возникает вопрос, являются ли сделанные заключения чисто теоретическими или они подтверждаются современными исследованиями? Многочисленные прямые и косвенные данные свидетельствуют, что в тех случаях, когда ранее констатировалось лишь внутриклеточное или внеклеточное (полостное) пищеварение, имеет место взаимодействие двух и более типов переваривания.
Распределение ферментативных активностей в пищеварительной полости и гепатопанкреасе краба
| Фермент | Зобный сок (полостное пищеварение) | Гепатопанкреас (мембранное пищеварение) |
| Амилаза | +++ | + |
| Мальтаза | +++ | ++ |
| Сахараза | ||
| Лактаза | — | — |
| Протеиназы | +++ | + |
| Дипептидаза | — | +++ |
| Липаза | +++ | — |
| Моноглицеридлипаза | — | +++ |
В нашей лаборатории показано сочетание внеклеточного и мембранного пищеварения у многих представителей беспозвоночных животных, в частности у насекомых, ракообразных, моллюсков и червей. Мембранный гидролиз и транспорт пищевых веществ являются важнейшими функциями эпителия средней кишки и ее дериватов, например гепатопанкреаса у ракообразных и моллюсков (табл. 6). Уже сейчас известны случаи, когда эффекты, характерные для мембранного пищеварения, обнаруживаются в передней кишке и структурах эктодермы. В частности, это показано для цестод и для двух видов стригеидных спороцист, эктодермальная поверхность которых покрыта типичной щеточной каймой (рис. 19). Мембранное пищеварение выявлено и у таких паразитирующих форм, как круглые и плоские черви.
У ленточных червей наружная поверхность тела (тегумент) также представляет собой щеточную кайму. В ее зоне обнаружены ферменты как самого паразита, так и организма хозяина, а также транспорт аминокислот, гексоз, витаминов, нуклеотидов, различных ионов и т.д.
Существует гипотеза, что в мембранном пищеварении эхинококков (в области их головки) принимают участие ферменты митохондрий (рис. 20). Эти ферменты поступают в окружающую среду при экзоцитозе митохондрий и их последующей деградации, а затем адсорбируются на структурах внешних покровов тела паразита.
Рис. 19. Ультраструктура тегумента цестод и различные органеллы клеткн тегумента.
1 — микротрихии; 2 — внешняя плазматическая мембрана; 3 — вакуоль; 4 — базальный мембранный комплекс; 5 — липидное включение; б — эндоплазматический ретикулум; 7 — белковое тело; 8 — клетка тегумента; 9 — ядро; 10 — аппарат Гольджи; 11 — зона гликогена; 12 — продольная мышца; 13 — кольцевая мышца; 14 — волокнистая базальная пластинка (тропоколлаген?); 15 — внутренняя плазматическая мембрана; 16 — митохондрии; 17—дискообразное тело; 18 — везикула (пиноцитозная?); 19 — гликокаликс.
Рис. 20. Схема распределения ферментов в области головки эхинококка. 1 — ферменты; 2 — субстрат; 3 — мембранное пищеварение в интерфазе.
Мембранное пищеварение изучалось у дрожжей и бактерий. Было продемонстрировано, что ферменты, действующие в составе мембраны протопласта, обеспечивают расщепление пептидов, олигосахаридов, эфиров фосфорной кислоты и т.д. с образованием активно транспортируемых продуктов.
Итак, сравнительные данные свидетельствуют, что мембранное пищеварение может быть обнаружено на всех этапах эволюционной лестницы. На схеме (рис. 21) показано, что в ходе эволюции от бактерий до млекопитающих не удается описать фундаментальных различий в процессах гидролиза пищевого материала. И у наиболее примитивных организмов, и у наиболее сложных форм обнаруживается как внутриклеточное, так внеклеточное и мембранное пищеварение. Однако создается впечатление, что в случае усвоения пептидов у бактерий преобладает внутриклеточное переваривание, а у млекопитающих — мембранное. Следовательно, идея о развитии пищеварения от примитивного внутриклеточного к совершенному внеклеточному не выдержала испытания временем, так как в природе имеет место взаимоотношение трех основных типов пищеварения — внеклеточного, внутриклеточного и мембранного, а также симбионтного и индуцированного аутолиза.
Рис. 21. Взаимоотношения пептидного транспорта н мембранного гидролиза при ассимиляции пищевых веществ.
А — превалирует внутриклеточное пищеварение; Б — превалирует мембранное пищеварение. Д — дипептид; ММ — мономеры; М — мембрана; Tд — транспортная система для дипептидов; Тм — транспортная система для свободных аминокислот; Тф — ферментно связанная транспортная система; Фм — мембранный фермент; Фи — интрацеллюлярный (внутриклеточный) фермент.
4.3. Примеры деятельности пищеварительной системы у животных, стоящих на разных ступенях эволюции
На примерах пищеварения у животных, стоящих на разных ступенях эволюции, можно проследить его постепенную эволюцию, а также адаптацию клеток и региональную специализацию функций в пределах пищеварительной системы. При этом основные характеристики процессов гидролиза пищевых веществ по существу являются одинаковыми у животных всех групп.
Этот процесс рассмотрим на примере парамеций, пищей которых служат бактерии, одноклеточные водоросли, органические остатки. У парамеций при питании происходит образование вакуолей, которые, подвергаясь конденсации и слиянию, проделывают сложный путь внутри одноклеточного организма, а затем снова сливаются с клеточной мембраной вблизи цитостомы (рис. 22). С помощью движения ресничек вдоль орального отверстия пища заглатывается в пищевод (цитофаринкс), слепая оконечность которого (цитостома) образует карман, где она накапливается. Этот мешок в виде пищевой вакуоли отделяется от цитостомы, а на его месте начинает образовываться другой карман. Пищевая вакуоль, проделав определенный путь вокруг органелл одноклеточного организма, возвращается к точке, близкой к цитостоме. Во время этого цикла содержимое вакуоли гидролизуется и растворимые продукты всасываются в окружающую цитоплазму. Непереваренные остатки пищи выводятся наружу через анальную пору, открывающуюся вблизи цитостомы.
Рис. 22. Пути потока мембран во время эндоцитоза у парамеции.
Пища проникает в преддверие (II) ротовой полости (РП); образующаяся пищеварительная вакуоль (ОПВ) переносится в цитофаринкс (ЦФ). Пищеварительная вакуоль ПВ-I соединяется с везикулами и затем конденсируется, образуя пищеварительную вакуоль ПВ-II с высокой кислотностью. Вакуоль ПВ-II сливается с лизосомами, образуя пищеварительную вакуоль ПВ-III, которая подвергается зкзоцитозу в цитопрокте (ЦП).
Выйдя из фаринкса, пищевая вакуоль благодаря всасыванию воды в цитоплазму уменьшается в размерах, ее содержимое становится более компактным, а pH снижается до 1.4. Однако неизвестно, является ли такое снижение pH результатом истинной секреции кислоты, аутолиза или даже всасывания щелочного материала, заключенного в вакуоли. По-видимому, правильна первая точка зрения. Почти не имеется данных о пищеварении, происходящем в кислой среде. Однако эта фаза играет важную роль в умерщвлении жертвы и денатурации ее белков, как это имеет место у многих других животных. Хотя она и не гомологична первой фазе пищеварения у высокоорганизованных животных, тем не менее ее можно рассматривать как предвестник действительно кислотной фазы гидролиза.
Уменьшение размеров вакуоли является временным; в конце концов она вновь увеличивается, однако ее диаметр никогда не достигает исходной величины. При этом pH содержимого быстро повышается до 7.5—8.0, что, по-видимому, вызвано секрецией в вакуоль щелочных соков из окружающей цитоплазмы. Секрет, поступающий в вакуоль во время щелочной фазы, содержит протеазы, карбогидразы и липазы. Протеазы сходны с трипсином хордовых тем, что они активны в щелочной среде; пепсинподобных ферментов не обнаружено. Пищеварение в щелочной среде происходит очень быстро. По мере пищеварения, а также всасывания продуктов гидролиза и воды вакуоль уменьшается в размерах и, достигнув области анальной поры, содержит только непереваренные элементы. Имеются данные, что пищеварение (по крайней мере протеолиз) у парамеций не заканчивается в пищевой вакуоли, а продолжается в цитоплазме за счет содержащихся в ней катепсинов и дипептидаз.
У простейших других групп последовательность событий аналогична. В экстрактах цитоплазмы различных амеб обнаружены эндопептидазы, дипептидазы, карбогидразы, липазы, щелочная фосфатаза, часть которых, вероятно, секретируется в вакуоли. Однако, как и в случае парамеций, о месте синтеза и последовательности образования этих гидролаз известно мало.
Для свободноживущих плоских червей характерно внутриклеточное пищеварение. Однако большинство животных этого типа способно и к внеклеточному пищеварению, а их пищеварительная система обладает признаками клеточной и региональной специализации в этом направлении. У большинства плоских червей передняя кишка специализирована для питания и заглатывания пищи, а пищеварение происходит в результате сочетания внутриклеточных и внеклеточных процессов.
Пищеварение может быть охарактеризовано на примере турбеллярий. Как водные, так и наземные животные являются плотоядными. Они захватывают пищу (олигохеты, ракообразные, насекомые, моллюски или водоросли) и удерживают ее, пока фаринкс не проникнет в тело жертвы. В этот момент железистые клетки фаринкса начинают секретировать эндопептидазу, способствующую проникновению фаринкса и расщеплению тела добычи, всасываемого фаринксом. При поступлении пищи в отдел, следующий за фаринксом, железистые клетки секретируют эндопептидазу с оптимумом pH 5.0, участвующую во внеклеточном пищеварении. Этот фермент сходен (если не идентичен) с эндопептидазой фаринкса. Он также во многих отношениях сходен с пепсином хордовых, за исключением того, что эндопептидаза активируется веществами, содержащими сульфгидрильные группы, и, следовательно, по этому показателю больше похожа на внутриклеточную эндопептидазу хордовых. Первая внеклеточная фаза гидролиза происходит в кислой среде и сводится к протеолизу. Однако неизвестно, идет ли он до конца и образуются ли при этом дипептиды и аминокислоты. Эндопептидаза расщепляет часть белков до полипептидов, что в конечном итоге превращает пищу в однородную массу, суспензированную в жидкостях тела самой добычи. Кроме внеклеточного пищеварения, в этот период отмечается значительный фагоцитоз и со временем вся пища переходит в фагоцитарные клетки.