Временная организация клетки. Динамическая теория внутриклеточных регуляторных процессов - Гудвин Б.
Скачать (прямая ссылка):
системы. Однако мы должны быть готовы к тому, что такой подход окажется
совершенно неадекватным поставленной задаче, т. е. что динамическое
разделение метаболической и эпигенетической систем внутри одной клетки не
имеет смысла. В таком случае придется использовать значительно более
сложные методы.
ЭПИГЕНЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
В эпигенетической системе мы рассматриваем три основных процесса:
биосинтез, диффузию и взаимодействие макромолекул. Время, нужное для
синтеза одной молекулы белка, у бактерий равно приблизительно 5 сек [63];
у высших организмов оно возрастает до нескольких минут [56]. Согласно
грубым оценкам, на синтез одной молекулы РНК требуется около 1 сек у
бактерий и, возможно, около 1 мин у высших организмов.
Некоторое представление о времени релаксации эпигенетической системы у
бактерий дает тот факт, что в культуре Escherichia coli синтез Р-
галактозидазы начинается через 4 мин после добавления Р-галактозы; при
индук-
СИСТЕМА И СРЁДА
41
ции других ферментов имеют место запаздывания того же порядка [73]. В
клетках высших организмов периоды индукции значительно больше. Так,
Фейгельсон и Грингард [23] показали, что в печени крысы синтез
триптофанпирролазы начинается лишь через 2 час после внутривенного
введения триптофана. Серия исследований, проведенная этими учеными, имеет
для нас крайне существенное значение, так как они нашли четкое
экспериментальное различие между временнйми характеристиками реакций двух
систем клеток печени — метаболической и эпигенетической, согласно нашей
терминологии. Первой реакцией ферментной системы на триптофан является
активация апофермента, благодаря чему происходит насыщение
апотриптофанпирролазы по отношению к ее железопротопорфириновому
кофактору. Это характерная «метаболическая» реакция, не включающая
синтеза макромолекул. Посредством введения небольшого количества
триптофана можно показать, что время релаксации этого процесса имеет
порядок нескольких минут, т. е. соответствует нашей оценке для
метаболической системы. «Эпигенетическая» реакция, которую можно
наблюдать приблизительно через 2 час после введения субстрата, как четко
показали Фейгельсон и Грингард, включает синтез фермента de novo. При
этом, очевидно, происходит и синтез гомологичной информационной РНК. Эти
реакции весьма четко разделены во времени, и эпигенетический ответ можно
обнаружить лишь после того, как в метаболической системе установится
стационарное состояние [32]. Таким образом, время релаксации
эпигенетической системы клеток печени должно составлять примерно 2 час.
Итак, мы можем предположить, что время релаксации эпигенетической системы
клетки лежит в диапазоне 102—104 сек (т.е. от 1,5 мин до 3 час) и
варьирует в^'зависимости от типа клеток.
Мы уже отмечали, что эпигенетическую систему одиночной клетки можно
рассматривать как часть среды, в которой находится ее метаболическая
система, при условии, что разница между временами релаксации этих двух
систем достаточно велика. Согласно нашим оценкам, обычно это условие
выполняется, и, следовательно, концентрации макромолекул можно
рассматривать как
42
ГЛАВА 2
постоянные или медленно меняющиеся параметры на отрезке времени,
необходимом для метаболической реакции на малые стимулы. Однако если
стимулы велики и длительны, то сначала может последовать быстрая реакция
метаболической системы, а затем более медленное и, вероятно, более
сильное изменение метаболических переменных, вызванное изменением
концентраций макромолекул. Во время этой второй фазы реакции «параметры»
метаболической системы ? изменяются, и время наблюдения должно быть
увеличено по сравнению с тем, которое необходимо для регистрации
первичной, метаболической реакции. Таким образом, в наших терминах этот
процесс следует описывать как реакцию эпигенетической системы клетки.
Величины, которые можно рассматривать как параметры на отрезках времени,
характерных для метаболической системы, в более долговременных процессах
становятся переменными. В этих условиях «среда» метаболической системы
становится частью некоторой более «крупной» системы, внешнее окружение
которой в свою очередь составляют те величины, которые можно
рассматривать как постоянные на временах, характерных для системы синтеза
макромолекул. Кроме того, первоначальная реакция метаболической системы
может вызвать (и обычно вызывает) медленное изменение концентраций
макромолекул в результате таких процессов, как репрессия и ингибирование
конечным продуктом. Сложное приспособление метаболического и
макромолекулярного уровня к новым условиям осуществляется путем
взаимодействия различных типов молекул. Весь этот процесс в целом можно
рассматривать только как реакцию более высокоорганизованной системы,
включающей и метаболиты, и макромолекулы, т. е. эпигенетической системы.
Эта последняя, таким образом, содержит в себе метаболическую систему.
Если идти дальше, то в одиночной клетке, например в бактериальной клетке
