Временная организация клетки. Динамическая теория внутриклеточных регуляторных процессов - Гудвин Б.
Скачать (прямая ссылка):
больших возмущениях для сильного изменения стационарного состояния
метаболизма требуется время порядка 1—2 мин. Например, после прибавления
7,5 ммоль глюкозы содержание глюкозо-6-фосфата в системе увеличивается от
очень низкого значения (*« 0,05 мкмоль на 1 г клеток) до нового
стационарного значения, приблизительно равного 0,8 мкмоль на 1 г клеток,
примерно за 1 мин. Что касается взаимодействий между малыми молекулами и
макромолекулами, то здесь (например, после изменения концентрации
ингибитора) новое стационарное состояние достигается за время, измеряемое
секундами. Даже если в переходный процесс включается реакция всей клетки
на новое окружение, как в случае удаления индуктора из бактериальной
культуры, то и тогда новое стационарное состояние достигается менее чем
за 15 сек [65] (предполагается, что молекулы репрессора, участвующие в
этом процессе, являются макромолекулами). Поскольку данное нами
определение времени релаксации предусматривает значительно меньшие
возмущения, чем указанные выше, кажется резонным предположить, что время
релаксации метаболической системы будет лежать в интервале 10'1—10"2 сек.
Эта оценка опирается на наблюдения, проводившиеся над системами, сама
природа которых, по-ви-димому, такова, что они могут находиться в истинно
стационарном состоянии, т. е. достигать определенного состояния и
оставаться в этом состоянии, пока не происходит дальнейшего изменения
параметров. Однако существует класс динамических процессов, к которым
этот метод анализа неприменим; и как раз эти процессы играют центральную
роль во всем нашем подходе к динамической организации клетки. Речь идет о
возможности колебательного режима деятельности метаболической системы,
при котором концентрации некоторых метаболитов подвержены незатухающим
периодическим изменениям. Спенглер и Снелл [90], например, показали, что
колебания могут возникнуть в системе, в которой два фермента сопряжены
взаимным ингибированием по типу обратной связи. Существование мета-
СИСТЕМА И СРЕДА
39
болических осцилляторов усложняет анализ временной организации клетки,
так как в этих условиях необходимо учитывать влияние осцилляторов на
динамику эпигенетической системы. И в этом случае ситуация зависит от
соотношения времен релаксации метаболической и эпигенетической систем.
Если, однако, колебания существенно влияют на динамику метаболической
системы, наша оценка ее времени релаксации в 10'1—10-2 сек окажется,
вероятно, слишком низкой. Этот вывод основан на возможности сложных
взаимодействий в системах с нелинейными осцилляторами (а метаболические
осцилляторы, конечно, нелинейны), для которых характерны субгармонические
явления (см. гл. 7). Таким образом, даже если период метаболического
осциллятора равен 1 или 2 мин и, значит, как мы вскоре увидим, находится
за пределами динамического диапазона эпигенетической системы, явление
деления частоты может дать колебания с любым периодом от 5 до 30 мин и
более. Эти верхние значения уже близки к собственным временам
эпигенетической системы, и, таким образом, метаболит, участвующий в
относительно медленных колебаниях, может стать существенным динамическим
элементом эпигенетических процессов.
Описанные наблюдения вынуждают нас всегда учитывать следующее: во-первых,
строгое разделение различных систем в клетке невозможно; во-вторых,
использование временного критерия для такого разделения предполагает
чисто динамический подход к внутриклеточным процессам. Иными словами,
«медленные» переменные должны быть включены в динамическую систему,
имеющую время релаксации того же порядка, независимо от материальной
природы этих переменных. Например, медленные изменения разности между
окислительно-восстановительными потенциалами анималь-ного и вегетативного
полюсов, наблюдающиеся в оплодотворенном яйце после активации,
продолжаются несколько часов [5] и должны рассматриваться как
эпигенетическое явление. Таким образом, при использовании временного
критерия явление может быть отнесено к той или иной системе даже и в тех
случаях,
40
ГЛАВА 2
когда детали его молекулярного механизма неизвестны. Однако на самом деле
существует естественное разделение собственных времен ферментативных
реакций и синтеза макромолекул, которое и составляет основу
классификации, на которой базируется данное исследование. При обсуждении
клеточных процессов трудно избежать употребления таких чисто
таксономических терминов, как «малые молекулы» и «макромолекулы», хотя,
строго говоря, времена релаксации связаны только со скоростью перехода
между различными состояниями системы и не имеют никакого отношения к
физической природе системы и ее компонентов.
Итак, рассматривая колебательные явления в метаболической системе, мы
будем считать, что их частоты достаточно велики и что они лежат вне
временного диапазона эпигенетической системы. В этом случае можно будет
использовать допущение об относительной стационарности метаболической
