Временная организация клетки. Динамическая теория внутриклеточных регуляторных процессов - Гудвин Б.
Скачать (прямая ссылка):
Глава S
Регуляторные системы и ритмические явления в клетке
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ РЕГУЛЯТОРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
Достигнутые в последнее время успехи' в исследовании механизмов
функционирования клеточных систем, кодирования и регуляции биохимических
процессов, послужившие причиной небывалого подъема биологии,
обусловливают возможность создания единой и твердой основы для понимания
внутриклеточных процессов. Наиболее важным результатом этих исследований
можно считать доказательство того, что высокоспецифические механизмы,
регулирующие концентрации и активность макромолекул, действуют по
принципу обратной связи. Сигналы обратной связи, управляющие
деятельностью макромолекул, передаются обычно с помощью малых, быстро
диффундирующих молекул, принадлежащих по нашей терминологии к
метаболической системе. После того как было показано, что метаболиты
весьма специфически влияют на активность генов, причинная цепь ДНК — РНК
— белок — метаболит оказалась замкнутой. Установлено, что эти метаболиты
реагируют с высокой степенью специфичности с определенным генетическим
локусом. Таким образом, состояние клетки регулируется значительно более
точным механизмом, нежели обычная конкуренция, которой ранее приписывали
основную роль в регуляции клеточных процессов. По-видимому, существуют
петли связи и более короткие, чем от ДНК к метаболиту и назад к ДНК.
Ингибирование ферментов продуктами реакции было обнаружено уже достаточно
давно; возможно также, что метаболиты могут ингибировать информационную
РНК на рибосомах. Новое, однако, состоит в том, что, как оказалось,
ингибитор может не иметь никакого стереохимического сходства с нормальным
субстратом [27].
РЕГУЛЯТОРНЫЕ СИСТЕМЫ И РИТМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ 47
Итак, имеется три уровня, на которых метаболиты могут специфически влиять
на активность макромолекул: уровень ДНК — действие на синтез ДНК или РНК;
уровень m-РНК — действие на синтез белка; уровень белка — действие на
ферментативную активность или какую-либо другую функцию белка, например
сократимость.
В данной книге наше внимание будет в основном обращено на первый уровень
управления — регуляцию функции гена. Действие метаболитов на ферменты и
другие макромолекулы лежит, собственно говоря, в рамках временного
масштаба метаболической системы, как мы показали в предыдущей главе.
Однако стационарное состояние метаболической системы определяется
взаимодействием метаболитов и макромолекул, которое должно быть учтено
при вычислении этого стационарного состояния. Эта проблема будет
рассмотрена в следующей главе.
Обнаружение специфических, замкнутых причинных цепей в биохимической
организации клетки не только облегчило понимание работы внутриклеточных
регулирующих систем, но и обеспечило почву для теоретического анализа. До
того как была понята истинная природа этих замкнутых цепей, единственной
структурой, на которой могла бы базироваться теория внутриклеточного
управления, было слабое, конкурентное взаимодействие биосинтетических
процессов. Под слабым взаимодействием понимается конкуренция за
субстраты, или предшественники, рбщие для двух или более
биосинтетических, или метаболических, систем. В противоположность этому
специфическое влияние малых молекул на каталитическую активность или
другие свойства поверхности макромолекул мы будем называть «сильным
взаимодействием». Недавно было обнаружено, что именно сильные
взаимодействия составляют основу регуляторных процессов в живой клетке.
Теории регуляции,'формулируемые в терминах слабых взаимодействий,
разбиваются на две группы соответственно тому, концентрируют ли они свое
внимание на взаимодействиях в метаболической или в эпигенетической
системе. Так, в теории, развитой Уоддингтоном [111, 112] и Кэксером [45],
основ-
48
ГЛАВА 3
ное значение придается метаболическим взаимодействиям. Эти авторы
показали, каким образом, исходя из конкуренции между двумя
метаболическими путями за общий предшественник, можно объяснить
установление различных стационарных уровней для концентраций двух
метаболитов, имевших равные начальные концентрации. В этих работах было
установлено, что для объяснения деятельности биологических систем могут
быть привлечены и многие другие свойства открытых метаболических систем,
скажем «буферная емкость» сложных метаболических систем по отношению к
внешним возмущениям [45]. Однако эти свойства'не имеют такого прямого
отношения к проблеме регуляции биосинтеза, как конкуренция за общий
предшественник.
Вопрос о том, как построить метаболический «переключающий» механизм,
обеспечивающий сохранение одного из конкурирующих соединений и
исчезновение другого или наоборот, всегда занимал важное место в
кинетических исследованиях. При этом часто ссылаются на уравнения,
полученные Денбигом, Хиксом и Пэйд-жем [15]. Основной особенностью этих
уравнений является присутствие автокаталитических членов (которые могут,
например, описывать самоактивацию таких ферментов, как трипсин или
