Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634938)
Контекстум
Руконтекст антиплагиат система
Журнал эволюционной биохимии и физиологии

Журнал эволюционной биохимии и физиологии №3 2017 (1100,00 руб.)

0   0
Страниц68
ID558149
АннотацияОснован в 1965 г. Публикуются экспериментальные, теоретические и обзорные статьи по разным проблемам эволюционной, сравнительной и экологической физиологии, биохимии и морфологии. Журнал является рецензируемым, включен в Перечень ВАК для опубликования работ соискателей ученых степеней.
Журнал эволюционной биохимии и физиологии .— Москва : НАУКА .— 2017 .— №3 .— 68 с. — URL: https://rucont.ru/efd/558149 (дата обращения: 02.05.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

При описании ФБ, реализующих симбионтное пищеварение и индуцированный аутолиз, анализируются данные, касающиеся ферментов бактерий и беспозвоночных. <...> ФБ, участвующие в реализации пищеварения и транспорта нутриентов У всех позвоночных близки закономерности пищеварения, включающие 5 типов—полостное, мембранное, внутриклеточное и симбионтное пищеварение, а 155 также индуцированный аутолиз [1]. <...> Если ФБ, синтезируемые пищеварительной системой позвоночных, появлялись в период от Кембрия до Триаса, то ФБ, осуществляющие индуцированный аутолиз и симбионтное пищеварение, возникли значительно раньше. <...> Резюме C-пептид, образующийся при протеолизе проинсулина, не только является шапероном для инсулина в b-клетках, но и выполняет функции сигнальной молекулы, которая через специфичные к С-пептиду рецепторы регулирует множество физиологических и биохимических процессов. <...> Регуляторные эффекты С-пептида характеризуются тканевой специфичностью и в значительной степени зависят от физиологического состояния организма, концентрации С-пептида и его способности к комплексообразованию. <...> Действуя на ряд эффекторных белков и транскрипционных факторов в клетках пигментного эпителия сетчатки, С-пептид предотвращает нарушение гематоретинального барьера и неоваскуляризацию сетчатки, что делает его одним из перспективных препаратов для лечения и профилактики диабетической ретинопатии. <...> Установлено, что С-пептид вовлечен в регуляцию синтеза и секреции адипокинов, что указывает на его роль в контроле энергетического гомеостаза. <...> До сих пор неясно, какие регуляторные эффекты С-пептида реализуются через сигнальные каскады, сопряженные с рецептором GPR146, а какие через другие сигнальные пути. <...> Повышение уровня С-пептида связано с усилением секреции инсулина b-клетками в условиях инсулиновой резистентности, характерной для метаболического синдрома и ранних стадий СД 2-го типа. <...> Это связано с тем, что низкий уровень <...>
Журнал_эволюционной_биохимии_и_физиологии_№3_2017.pdf
Журнал эволюционной биохимии и физиологии, 2017 ã., ò. 53, ¹3 ОБЗОРЫ РОЛЬ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ В ЭВОЛЮЦИИ ПРОЦЕССОВ ЭКЗОТРОФИИ У ПОЗВОНОЧНЫХ (НА ПРИМЕРЕ РЫБ И МЛЕКОПИТАЮЩИХ) © Â. Â. Кузьмина Институт биологии внутренних вод им. И. Д. Папанина РАН, п. Борок Ярославской обл., Россия E-mail: vkuzmina@ibiw.yaroslavl.ru В. В. КУЗЬМИНА РОЛЬ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ В ЭВОЛЮЦИИ ПРОЦЕССОВ... Приведены данные о наличии у рыб и млекопитающих идентичных элементарных, или универсальных функциональных блоков (ФБ) — молекул и надмолекулярных комплексов, обеспечивающих процессы экзотрофии. Особое внимание уделено ФБ, участвующим в регуляции пищевого поведения, пищеварения и транспорта нутриентов. При описании ФБ, реализующих симбионтное пищеварение и индуцированный аутолиз, анализируются данные, касающиеся ферментов бактерий и беспозвоночных. Предполагается, что структурное и функциональное сходство ФБ у различных организмов, поддерживающее существование трофических сетей, базируется на необходимости выполнять сходные функции, что привело к выработке сходных механизмов адаптаций ФБ у организмов, далеко отстоящих друг от друга по филогенетической лестнице (бактерий, беспозвоночных, рыб и млекопитающих). Ключевые слова: эволюция, функциональные блоки, экзотрофия, рыбы, млекопитающие, бактерии, беспозвоночные. В 2016 году исполнилось 90 лет со дня рождения А. М. Уголева — выдающегося ученого, открывшего мембранное пищеварение, описавшего симбионтное пищеварение и механизм индуцированного аутолиза, а также предложившего теорию адекватного питания, оказавших революционное влияние на развитие гастроэнтерологии [1,2]. Вместе с тем вклад À. Ì. Уголева в развитие теоретической гастроэнтерологии и биологии не ограничился этими открытиями. Одним из важных направлений его деятельности была разработка концепции элементарных, или универсальных функциональных блоков, позволившая представить эволюцию, как результат рекомбинации и транспозиции различных элементарных функциональных блоков, близких или идентичных у организмов, стоящих на разных уровнях эволюционной лестницы [1, 3]. Согласно этой концепции, элементарные, или универсальные функциональные блоки, представляют собой молекулы и надмолекулярные комплексы, способные выполнять элементарную функцию или функции. Принято выделять следующие типы ФБ: 1) трансформационные — ферменты, реализующие гидролитические функции, 2) транспортные — насосы, каналы, мобильные переносчики и другие, 3) сократительные, 4) рецепторные, 5) энергизирующие, 6) сигнальные — гормоны, нейротрансмиттеры и медиаторы, 7) комбинированные блоки высшего порядка. Общебиологические и клинические аспекты ФБ наиболее подробно исследованы на примере ФБ, обеспечивающих процессы экзотрофии [1, 4]. Как известно, экзотрофия—совокупность процессов, обеспечивающих поиск, поглощение и начальные этапы ассимиляции пищи и включающих три основных этапа: питание, пищеварение и всасывание. Для анализа роли ФБ в эволюции процессов экзотрофии наиболее важно сопоставление характеристик трансформационных, транспортных, рецепторных и сигнальных ФБ у позвоночных, возникших в разные периоды эволюции биосферы. Сопоставление механизмов усвоения нутриентов и регуляции процессов экзотрофии свидетельствует об их принципиальном сходстве у рыб, предки которых появились в раннем Кембрии, и млекопитающих, появившихся в Триасе, соответственно 530 и 230 млн лет тому íàçàä. При этом в процессах пищеварения всех позвоночных участвуют ФБ бактерий, возникших в Архее 3.8 млрд лет тому назад [5]. Начальным этапом процесса экзотрофии является поиск пищи, реализуемый при участии сенсорных систем—зрения, слуха, обоняния, вкуса, сейсмо-сенсорной системы, общего химического чувства и электрорецепции. Сопоставление структурно-функциональной организации сенсорных систем, связанных с обеспечением поиска и поглощения объектов питания у рыб и млекопитающих (зрительный анализатор, обонятельная, вкусовая и слуховая системы), свидетельствует о значительной близости структурной организации и функциональных характеристик ФБ на фоне целого ряда анатомических различий. Однако для рыб характерна меньшая специализация и более широкая локализация некоторых ФБ по сравнению с млекопи
Стр.1
154 В. В. КУЗЬМИНА тающими, а также наличие ФБ, обеспечивающих электрорецепцию, наружную вкусовую чувствительность и общее химическое чувство, утраченных в процессе эволюции [6]. ФБ, участвующие в регуляции пищевого поведения Потребление пищи у всех позвоночных включает ряд сложных поведенческих актов, контролирующихся различными системами мозга. Несмотря на существование значительных различий в структурной организации эндокринной, центральной и периферической нервной системы у рыб и млекопитающих, у тех и других присутствуют ФБ — сигнальные молекулы и рецепторы, участвующие в анализе информации, поступающей из внешней и внутренней среды, интеграция которых осуществляется при участии гипоталамо-гипофизарной портальной системы. У всех позвоночных питание регулируется стимулирующими (орексигенными) или ингибирующими (анорексигенными) эндокринными факторами, которые действуют на пищевые центры головного мозга при участии центральной и периферической нервной системы, а также периферических органов, таких как желудочно-кишечный тракт, поджелудочная железа, печень и жировая ткань [6—8]. Нейросекреторные клетки гипоталамуса синтезируют пептиды, способные стимулировать (либерины, или рилизинг-гормоны) или ингибировать (статины) синтез гормонов аденогипофиза. Кроме того, в гипоталамусе вырабатываются эндорфины и энкефалины, способные модифицировать нейро-гормональные эффекты [7, 9]. Важно отметить, что в регуляции пищевого поведения рыб участвует большинство выявленных у млекопитающих нейротрансмиттеров и нейропептидов [6, 8, 10, 11]. В многочисленных работах получены как прямые доказательства наличия у рыб тех или иных ФБ, так и косвенные доказательства их влияния на пищевое поведение рыб. Нейротрансмиттеры и нейропептиды, стимулирующие питание. Одним из наиболее сильных аппетит-стимулирующих нейропептидов является нейропептид Y, который синтезируется во многих отделах мозга, но в особенно больших количествах—в аркуатном ядре гипоталамуса млекопитающих. Введение экзогенного нейропептида Y, как правило, стойко стимулирует питание у позвоночных и снижает термогенез, а пищевая депривация вызывает увеличение экспрессии мРНК нейропептида Y в гипоталамусе [9]. Нейропептид Y обнаружен в нейроэндокринных центрах мозга и центрах питания у разных видов костистых рыб [12—14]. При исследовании карася Ñarassius auratus [15] и атлантической трески Gadus morhua [16] в переднем мозге установлен высокий уровень мРНК нейропептида Y, варьирующий в зависимости от приема ïèùè. При голодании у чавычи Oncorhynchus tshawytscha и серебряного карася обнаружено увеличение экспрессии мРНК нейропептида Y в гипоталамусе [12]. ОрексиныАиВ увеличивают не только потребление пищи, но и скорость локомоторных реакций млекопитающих [17]. При этом орексины не только идентифицированы у нескольких видов рыб, в том числе пещерной рыбы Astyanax fasciatus mexicanus [18], но и доказано увеличение под их воздействием потребления пищи [8, 19]. Интрацеребровентрикулярное введение орексинов А и B вызывает значительное увеличение аппетита у ðûá. На примере данио Danio rerio установлено, что долговременная пищевая депривация провоцирует значительное увеличение в мозге уровня mRNAпреорексинов [20]. Эти факты свидетельствуют как об участии орексинов в регуляции пищевого поведения и потребления пищи, так и о наличии соответствующих рецепторов. Подобно орексигенному фактору у рыб, как и у млекопитающих, действует апелин. При этом у карася и периферические, и центральные инъекции апелина вызывают увеличение потребления пищи, а также увеличение уровня мРНК апелина в гипоталамусе и переднем мозге, причем в большем количестве у голодных ðûá, чем у сытых [19, 21]. Также есть сведения о том, что у серебряного карася центрально введенный b-эндорфин стимулирует потребление пищи [22], a m-îïèîèäíûå рецепторы линя Tinca tinca включены в индуцированное b-эндорфином питание рыб [23]. Нейротрансмиттеры и нейропептиды, ингибирующие питание. Ингибируют потребление пищи такие ÔÁ, как холецистокинин (ÕÖÊ), серотонин (5-HT), бомбезин и бомбезиноподобные олигопептиды, дофамин, кортиколиберин, тиролиберин, соматостатин, нейротензин, вазоактивный кишечный пептид, вазопрессин, окситоцин, ангиотензин, субстанция Р, гистамин, a-меланоцитстимулирующий гормон, пептид YY, тиреотропный гормон, глюкагоноподобный пептид-1, глюкагон, адреномедуллин, анорексин, тиреотропин-рилизинг гормон и èíòåðëåéêèí-1 [11, 24]. Также доказано анорексигенное действие кокаин- и амфетамин-регулируемого транскрипта (CART) — пептида, первоначально выделенного из головного мозга крыс [25]. ВЦНСмлекопитающих среди регуляторных пептидов наиболее обильно представлен ХЦК [26]. Наибольшая концентрация ХЦК и его рецепторов отмечена в коре головного мозга, обонятельной луковице, хвостатом ядре, гиппокампе, гипоталамусе, мозжечке и спинном мозге [26, 27]. Высокая концентрация ÕÖÊ-8 выявлена в гипоталамусе [28]. Также в мозге обнаружены рецепторы ХЦК [29]. При изучении разных видов млекопитающих установлено значительное торможение потребления пищи вскоре после введения ХЦК [7]. У разных видов рыб бомбезин, ХЦК, 5-HT и кортиколиберин также уменьшают потребление пищи [30—35]. Наиболее подробно исследован ХЦК, локализованный в области мозга, представляющий у рыб пищевой центр, а также в области, включенной в нейроэндокринную регуляцию функций гипофиза [19, 30, 35, 36]. Показано, что центральная инъекция холецистокинина вызывают не только насыщение, но и изменение уровня гормона роста в сыворотке крови серебряного карася, сходное с возникающим при нормальном приеме пищи [35]. Активная экспрессия гена ХЦК обнаружена в разных областях мозга серебряного карася, в том числе в обонятельных луковицах, переднем
Стр.2
РОЛЬ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ В ЭВОЛЮЦИИ ПРОЦЕССОВ... мозге и преоптической области, гипоталамусе, оптическом тектуме-таламусе и задних регионах мозга. Наиболее высокий уровень отмечен в гипоталамусе [36]. При исследовании желтохвоста Seriola quinqueradiata чрезвычайно высокие уровни мРНК ХЦК были выявлены в головном мозге. При этом уровень мРНК пептида Y, напротив, был низким. После голодания уровень мРНК ХЦК снижается, пептида Y — увеличивается (Murashita et al., 2006). У атлантического лосося Salmo salar были получены полноразмерные кДНК, кодирующие две изоформы ХЦК. Оба типа ХЦК активно экспрессируются в головном мозге. Значительно снижает потребление рыбами пищи интрацеребровентрикулярное введение 5-HT [33]. При этом голодание в течение трех недель значительно уменьшает количество 5-HT в различных областях мозга, особенно в гипоталамусе и теленцефалоне радужной форели Oncorhynchus mykiss. Уровень метаболитов 5-HT, а также метаболитов дофамина при этом не изменяется [37]. Центральная стимуляция D1-и D2-дофаминергических рецепторов угнетает потребление пищи у серебряного карася [38]. Этот же эффект на потребление пищи у рыб оказывает кортиколиберин [32]. При этом голодание вызывает уменьшение в гипоталамусе серебряного карася уровня норадреналина и дофамина, а также увеличение уровня метаболитов норадреналина. Кроме того, есть сведения, что лептин [39], будучи периферическим регулятором питания, подобно гормонам млекопитающих [40], способен значительно снижать потребление пищи. Недавно доказано, что в регуляцию потребления пищи позвоночных включены два фермента — тирозингидроксилаза и mTOR. Тирозингидроксилаза — фермент, катализирующий превращение L-тирозина в L DOPA (L-дигидроксифенилаланин) и лимитирующий скорость синтеза катехоламина, вызывающая у мышей гипофагию [41]. mTOR—ñåðèí-òðåîíèíîâàÿ протеинкиназа, являющаяся составной частью PI3K/AKT/mTOR внутриклеточного сигнального пути, который регулирует питание клеток и их энергетический статус. При исследовании грызунов показано, что активность mTOR в нейронах аркуатного ядра уменьшается у голодных особей и увеличивается после их кормления [42]. Есть сведения об увеличении экспрессии мРНК тирозингидроксилазы у голодающей пещерной рыбы Astyanax fasciatus mexicanus [18], а также о влиянии экспрессии тирозингидроксилазы и mTOR на эффекты ХЦК, арелина, орексина и грелина у рыб этого вида [19]). Также получены доказательства участия в качестве анорексигенного фактора у рыб, в том числе êàðàñÿ, данио-рерио и канального сомика Ictalurus punctatus CART — êîêàèí- и амфетамин-регулируемого транскрипта [îáçîð: 6]. ФБ, участвующие в реализации пищеварения и транспорта нутриентов У всех позвоночных близки закономерности пищеварения, включающие 5 типов—полостное, мембранное, внутриклеточное и симбионтное пищеварение, а 155 также индуцированный аутолиз [1]. Вместе с тем до последнего времени сведения о гидролазах — ФБ, обеспечивающих деструкцию органических веществ, рассматривались лишь на уровне консументов. Важно отметить, что полостное и мембранное пищеварение у рыб и млекопитающих реализуют близкие по структуре и субстратной специфичности ферменты, синтезируемые слизистой оболочкой пищеварительного тракта и поджелудочной железой. В желудке белки гидролизуются аспартатными эндопептидазами, такими как пепсины А (ÊÔ 3.4.23.1) и B (ÊÔ 3.4.23.2), а также гастриксин (ÊÔ 3.4.23.3), в кишечнике — сериновыми эндопептидазами, такими как трипсин (ÊÔ 3.4.21.4), химотрипсин (ÊÔ 3.4.21.1), а также пептидазами (ÊÔ 3.4.11—17). Гидролиз углеводов осуществляют a-àìèëàçà (ÊÔ 3.2.1.1), g-àìèëàçà (ÊÔ 3.2.1.3), мальтаза (ÊÔ 3.2.1.20), изомальтаза (ÊÔ 3.2.1.10) и сахараза (КФ 3.2.1.48). Начальные этапы гидролиза липидов реализует липаза (ÊÔ 3.1.1.3), заключительные — эстеразы (ÊÔ 3.1.1.1), эфиры фосфорной кислоты — щелочная фосфатаза (КФ 3.1.3.1). Для некоторых специализированных видов позвоночных характерно наличие хитиназы (КФ 3.2.1.14). Внутриклеточное пищеварение осуществляется при участии идентичных ферментов цитозоля (ÊÔ 3.4.11—17) и лизосом (ÊÔ 3.4.18—23), в которых разрушаются все типы химических связей [6, 43—45]. Анализ обширной литературы свидетельствует о том, что видовые различия в уровне активности одноименных гидролаз и их характеристик у рыб и у млекопитающих обусловлены как разным количеством идентичных ФБ, так и адаптивным изменением свойств одних и тех же ФБ. Хорошо документированы нутритивные адаптации протеиназ и гликозидаз к составу пищи: у плотоядных животных выше активность протеиназ, у растительноядных—гликозидаз. Наиболее яркие примеры адаптаций к температурным условиям функционирования получены при сопоставлении характеристик ФБ рыб, питающихся в разном диапазоне температур. Так, температурный оптимум a-амилазы у бореальных рыб, питающихся на протяжении всего годового цикла, находится при 30 °С, у рыб, не питающихся в зимний ïåðèîä, — 40 °Ñ. При этом относительная активность в зоне низких температур у первых колеблется в пределах 70—80 %, у вторых — не превышает 15 % максимальной активности. Близкие значения относительной активности в зоне низких температур выявлены и при исследовании протеиназ. Также значительно различаются величины энергии активации (Еакт) процесса гидролиза белков и углеводов у тех и других. У рыб, питающихся при низкой температуре, значения Еакт не превышают 2—3 ккал/моль, у рыб, неспособных питаться в зимний период, величины Åàêò, как ïðàâèëî, выше в 5 раз [44]. Если ФБ, синтезируемые пищеварительной системой позвоночных, появлялись в период от Кембрия до Триаса, то ФБ, осуществляющие индуцированный аутолиз и симбионтное пищеварение, возникли значительно раньше. Это связано с тем, что присутствующие в различных тканях потенциальных жертв лизосомальные гидролазы, особенно у беспозвоночных, и
Стр.3