Рассмотрим теперь, как же образуются составные части молока.
Ранее отмечалось, что предшественником молочного сахара является глюкоза, которая поступает в кровь через стенки желудочно-кишечного тракта, образуясь там после переваривания углеводов и микробной массы, поступившей из рубца. Однако указывалось и на то, что основная масса углеводов корма у крупного рогатого скота преобразуется в рубце, где из них вместо глюкозы образуется в основном уксусная, пропионовая и масляная кислоты. Эти кислоты через стенку рубца тоже попадают в кровь. Вся кровь, оттекающая от желудка, прежде чем разнестись по кровеносным сосудам по всему телу, попадает в печень. Печень у животных является уникальнейшей лабораторией, где производятся самые разнообразные превращения веществ. Глюкоза, попадая сюда, в основном превращается ею в гликоген — животный крахмал. Суть синтеза сводится к соединению молекул глюкозы в длинные цепочки, которые и образуют молекулы гликогена. Образовавшийся гликоген откладывается про запас в основном здесь же, в печени.
Однако того количества глюкозы, которое поступает в печень коровы после переваривания в сычуге микробных углеводов и неразрушенных в рубце остатков углеводов корма, было бы явно недостаточно для образования нужного количества гликогена. Поэтому клетки крупного рогатого скота умеют превращать в глюкозу те низкомолекулярные органические кислоты, которые образуются микроорганизмами рубца. Таким образом, часть летучих жирных кислот, особенно пропионовая, превращаясь в глюкозу, идет также на образование гликогена. Считается, что около 60% глюкозы, используемой печенью для синтеза гликогена, образуется из пропионовой кислоты.
Запасы гликогена в печени являются как "бы центральным складом организма и используются для наиболее неотложных нужд. Гликоген образуется и в клетках других тканей, например мышечной. Таким образом, почти каждая клетка организма имеет свой автономный запас гликогена. Синтезируется он, как и в печени, из глюкозы, извлекаемой клетками из крови. Гликоген служит в организме главным образом в качестве кратковременного энергетического запаса, но иногда используется и в качестве источника глюкозы, идущей на строительные цели.
Оставшаяся после образования в печени гликогена часть глюкозы и летучих жирных кислот вместе с кровью попадает в молочную железу. Клетки железы, вылавливая из крови глюкозу и летучие жирные кислоты, прежде всего обеспечивают себя энергией, окисляя их до углекислоты и воды, которые затем выделяются обратно в кровь. Используя запасенную энергию и поступающее в клетку сырье — глюкозу и летучие жирные кислбты, клетки молочной железы начинают строить молекулы молочного сахара.
'Мы уже знаем, что молекула лактозы, или молочного сахара, состоит из остатков молекул глюкозы и галактозы, отличающихся между собой только пространственным расположением атомов. Мы также знаем, что в крови животных имеется только глюкоза. Моносахарид галактоза в крови не встречается и образуется только в молочной железе. Для построения глюкозной части молочного сахара клетки используют главным образом глюкозу крови. А вот для образования галактозной части используются летучие жирные кислоты, поступившие сюда с кровью из рубца. Клетки молочной железы имеют и запасной путь синтеза молочного сахара, который, видимо, используется, когда основная часть продуктов распада углеводов корма превращается в гликоген и глюкозу. В таком случае в клетки молочной железы поступает только глюкоза, и клетка строит как глюкозную, так и галактозную часть молочного сахара только из нее.
Если углеводы составляют основную массу растительных кормов и при переваривании дают достаточно большое количество предшественников молочного сахара, то жиров в обычном корме крупного рогатого скота содержится значительно меньше.
Какова же судьба составных частей жира кормов, образовавшихся в процессе пищеварения? Напомним, что в желудочно-кишечном тракте коровы всасываются превращенные из жидких в твердые жирные кислоты кормов и вновь образованные жирные кислоты микроорганизмов рубца. Жир микроорганизмов является основным источником и другой составной части жира — глицерина. Всосавшиеся жирные кислоты и глицерин в стенке кишечника соединяются вновь, образуя жир, не характерный по составу ни жиру кормов, ни жиру тела животного, и в таком виде поступают в печень.
Однако если у животных с однокамерным желудком жирнокислотный состав молока сходен с составом подкожного жира, то у жвачных, в частности у коровы, химический состав жира тела и молока неодинаков. Следовательно, жир, поступивший из желудка в печень, должен быть по крайней мере переработан дважды, прежде чем превратится в жир молока. Первая переработка жира кормов происходит в печени, где жир, синтезированный в кишечных стенках, распадается опять до глицерина и жирных кислот. Печень из полученных жирных кислот вновь синтезирует жир, но уже характерный для организма коровы. Образовавшийся в печени жир кровью разносится по всему организму, где клетками преобразуется в специфический для тех или иных тканей и откладывается в них в запас.
Образовавшийся в печени жир приносится с кровью и к клеткам молочной железы. Здесь происходит второе и уже окончательное превращение нейтрального жира крови в жир молока. Нетрудно догадаться, что и здесь молекула жира опять распадается на свои составные части — глицерин и жирные кислоты. Жирные кислоты окончательно переделываются и из них синтезируется всем известный по сливочному маслу молочный жир.
Но это ведь только часть жира, выделяемая коровой с молоком. Откуда же взялась вторая часть, ведь корова выделяет с молоком в два с лишним раза больше жира, чем потребляет его с кормом? Нам не трудно будет ответить на этот вопрос, если вспомним, что в организме животного есть специальные ферментные системы, способные превращать в жиры поступающие в излишке углеводы. Это, несомненно, результат эволюционного приспособления животных к характеру пищи. Основным связующим звеном между жирами и углеводами является известная уже нам уксусная кислота. Именно это вещество клеточные ферменты могут превращать в углеводы, жиры и даже аминокислоты, и именно этого вещества больше всего образуется при переваривании углеводов корма в рубце у коровы. Уксусная кислота, всасываясь через стенки рубца в кровь, попадает в клетки молочной железы, где из нее синтезируются специфические кислоты молочного жира. Сейчас твердо установлено, что чем больше образуется уксусной кис-лоты в рубце, тем выше процент молочного жира. Это открытие позволило, наряду с мочевиной, использовать в кормлении коров уксусно-кислые соли, дающие при разложении свободную уксусную кислоту. Скармливание таких солей позволяет значительно повышать жирность молока.
Мы еще не знаем, сколько времени продолжается процесс переработки в молочный жир задержанных клетками железы «предшественников» жира. Однако известно, что вскоре после доения или высасывания молока из вымени самки детенышами многие клетки молочной железы оказываются «опустошенными», т. е. в клетках нельзя установить скопления жира. Но уже примерно через час после этого можно обнаружить энергичное выделение клеткой капелек жира в полость альвеол. Это дает основание считать, что для превращения поступивших в молочную железу «предшественников» в молочный жир требуется около часа.
Молочный жир выделяется клетками молочной железы в виде мельчайших шариков, которые, будучи легче молока, при отстаивании всплывают наверх, образуя так называемые сливки. В промышленности сливки получают путем сепарации молока, суть которой заключается в использовании центробежных сил для разделения веществ разной плотности.
Процесс образования белков вообще и белков молока в частности качественно отличается от биосинтеза в клетках жиров и гликогена. На первый взгляд образование длинных цепочек белковой молекулы, состоящих из аминокислот, может показаться одинаковым с образованием цепочек гликогена. Но процесс синтеза белка не исчерпывается только образованием цепей, как это происходит в молекуле гликогена, где цепь образуется только одними остатками молекул глюкозы. В связи с этим и ферментная система, катализирующая синтез гликогена, оказалась сравнительно не сложной. Это же можно сказать и о синтезе жира. В отличие от этих веществ цепочка белковой молекулы построена из 20 разных видов аминокислот, связанных друг с другом в уникальной, неповторяющейся последовательности. В клетке синтезируется около тысячи разных белков, и каждый белок имеет свою, только ему свойственную аминокислотную последовательность. Другими словами, каждый белок специфичен.
Можно было бы предположить, что цепочка белковой молекулы строится по принципу последовательного присоединения молекул аминокислот друг к другу до тех пор, пока не будет построена полностью вся цепь. В этом случае для построения одной молекулы белка потребовалось бы 299 ферментов, а для синтеза тысячи видов белка в клетке их должно было бы существовать около 300 тыс. Ни в одной клетке такое невозможно.
Не подтвердились также предположения о накоплении в каком-то месте всех аминокислот, необходимых для данной цепи, и одновременное связывание их друг с другом (наподобие застегивания «молнии» на одежде). Экспериментальные данные опровергли и гипотезу о ступенчатом ферментативном синтезе белка, согласно которой сначала строятся крупные части молекулы белка, которые, затем соединяясь, образуют целую молекулу.
Наиболее правильным оказалось предположение о наличии в клетке своеобразного шаблона, или матрицы, для белкового синтеза. Матрица имеет ту же длину, что и синтезируемая белковая цепь. Вдоль молекулы матрицы располагается множество участков, соответствующих индивидуальным аминокислотам белка. Каждый такой участок обладает способностью «узнавать» аминокислоты и присоединять к цепи только одну определенную. В качестве шаблона белкового синтеза в клетке служат молекулы нуклеиновых кислот. Матрицей для синтеза белка являются молекулы рибонуклеиновой кислоты, находящиеся на рибосомах. Аминокислоты при помощи специальных ферментов соединяются в цепи вдоль шаблона, образуя молекулу белка. Поскольку в состав белков входит около 20 аминокислот, в синтезе белка принимает участие такое же количество ферментов, а на каждый вид белка имеется свой шаблон.
Цепи молекул нуклеиновых кислот служат не только шаблонами при синтезе белка, но и являются источником информации, которая передается от клетки к клетке при их размножении. Ведь новая клетка, образовавшаяся в результате деления другой клетки или при слиянии мужской и женской клеток во время оплодотворения, всегда синтезирует белки, присущие только ей. Клетки молочной железы коровы строят молекулы казеина, который отличается от белков молока всех других животных. В большинстве случаев рождающиеся потомки и внешне похожи на своих родителей, т. е. все характерные признаки отца и матери передаются по наследству детям.
Установлено, что ответственность за весь этот удивительный порядок в живой природе лежит именно на нуклеиновых кислотах. Причем вся информация, вся будущая «судьба» развивающегося организма заключена в небольшом количестве тонких нитей, которые можно увидеть под микроскопом в виде перепутанных ленточек. Эти нити называются хромосомами. У крупного рогатого скота их насчитывается 30 пар. Эти нити построены из длинных молекул нуклеиновых кислот, причем каждая нить образует двойную спираль. Когда клетка, делясь, воспроизводит себе подобную, каждая хромосома расщепляется на две половинки, одна из которых переходит во вновь образовавшуюся, дочернюю, клетку, а вторая остается в старой, материнской. Поэтому получается, что каждая дочерняя клетка содержит то же количество близнецов-хромосом, что и родительская.
Половые клетки содержат в себе половинное количество хромосом, причем эти половинки, как правило, несколько отличаются друг от друга, т. е. несут характерные черты определенного организма, например масть животного. При оплодотворении мужская и женская клетки, сливаясь в одну, объединяют и свои половинки хромосомы, образуя молекулу новой нуклеиновой кислоты. Этот новый шаблон объединяет в себе основные черты обоих родителей, но одновременно несет и что-то новое. Зачастую при этом нового образуется столько, что потомок бывает не похож ни на отца, ни на мать. Следовательно, каждая новая клетка независимо от способа ее образования (слияния половых клеток или деления какой-либо клетки) имеет в конечном счете одно и то же количество хромосом.
Каждая нить — хромосома состоит из большого количества звеньев, размещенных вдоль ее цепи подобно бусинкам на ожерелье. Каждое такое звено ответственно за передачу новой клетке какого-то одного специфического свойства. Большие и красивые рога или комолость, черно-пестрая или красная масть коровы — все это примеры того типа информации, которая размещена на звеньях-бусинках хромосом. Эти звенья цепей хромосом называются генами. Каждый ген есть не что иное, как молекула нуклеиновой кислоты, которая, как мы уже отмечали, и является шаблоном для синтеза белка. Следовательно, именно гены являются ответственными за белковый синтез. А если вспомнить, что ферменты являются белками, то станет ясно, что оригинальность каждого организма — масть, форма рога, жирность молока — есть результат деятельности генов. Именно они, гены, являются тем проектом, по которому клетка строит молекулы собственных белков и прежде всего белков-ферментов, а они в свою очередь обеспечивают развитие тех или иных особенностей организма в целом. Вся рабочая программа клетки находится в ядре, которое и управляет ее деятельностью. Механизмом же, обеспечивающим синтез белков, являются рибосомы клеток. Каждая рибосома, если сравнить ее с автоматической линией современного производства, имеет свою, более узкоспециализированную программу в виде рибосомальных нуклеиновых кислот. Вот эти молекулы нуклеиновых кислот, размещенные на рибосомах клетки, и являются тем шаблоном, на котором образуются белковые молекулы. Мы намеренно упростили весь процесс передачи наследственной информации и синтеза белка в клетке. На самом же деле это сложнейший механизм.
Зная теперь основные механизмы образования белков в клетке, проследим, как же синтезируются белки молока. Как уже говорилось выше, растительный белок съеденного коровой корма превращается в рубце в основном в белок микроорганизмов в виде аминокислот, образовавшихся в результате разрушения его ферментами желудка. Аминокислоты, всосавшись в кровь, в основном используются организмом для построения белков и реже — для получения энергии. Как и другие продукты распада питательных веществ корма, аминокислоты попадают прежде всего в печень, где из них синтезируются белки крови — альбумины и глобулины. Оставшаяся часть аминокислот разносится кровью по всем клеткам организма. Поступают они и в клетки молочной железы, где используются в качестве основного материала для строительства белка казеина молока. Считается, что около 90% казеина молока образуется из аминокислот, приносимых в железу кровью. Но соотношение поступающих с кровью аминокислот может значительно отличаться от аминокислотного состава синтезируемого казеина. Поэтому клетки молочной железы задерживают не все аминокислоты, а только необходимые им в данный момент. Но вполне возможно, что этих необходимых аминокислот в крови может не оказаться вообще или имеется недостаточное количество.
Природа предусмотрела такой вариант и обеспечила клетки молочной железы механизмами превращения одних видов аминокислот в другие и синтеза их заново. В качестве материала для синтеза аминокислот служит глюкоза. Но возможности молочной железы в синтезе аминокислот ограничены. Незаменимые аминокислоты гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан и валин не могут быть синтезированы клетками молочной железы и обязательно должны быть доставлены сюда с кровью. Поскольку эти аминокислоты не синтезируются другими клетками организма, значит, они в обязательном порядке должны поступать с кормами. В противном случае клетки не будут обеспечены сырьем для образования важнейшей части молока и его секреция сократится.
