Временная организация клетки. Динамическая теория внутриклеточных регуляторных процессов - Гудвин Б.
Скачать (прямая ссылка):
ферментные системы изменяются независимо друг
РЕГУЛЯТОРНЫЕ СИСТЕМЫ И РИТМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ 51
от друга? Конечно, АТФ может специфически контролировать и действительно
контролирует синтез ферментов, участвующих в биосинтезе пуринов [59]. В
этом случае АТФ действует в цепи обратной связи в качестве репрес-сора
точно так же, как и другие конечные продукты цепей биосинтеза. Но
совершенно очевидно, что действие АТФ как общего энергетического
источника клетки неспецифично. Если количество АТФ в клетке- ограниченно,
то это тормозит все синтетические процессы. По-видимому, не все в
одинаковой степени, однако и не столь специфически, чтобы обеспечить
селективное управление синтезом различных белков. Такой общий метаболит,
как АТФ, может быть использован как фактор отбора специфических состояний
эпигенетической системы только при наличии в клетке дополнительных,
независимых и специфических регуляторных систем. Фликинджер [26]
предложил теорию дифференцировки клеток, в которой высокбспецифичным и
детерминированным компонентом системы является часовой механизм,
управляющий деятельностью генов. Эта теория, предлагающая биохимическую
интерпретацию компетенции, будет обсуждаться в гл. 8.
Таким образом, оказывается необходимым выделить два типа взаимодействий
между переменными в клетке; мы назовем их сильными (или специфическими) и
слабыми (неспецифическими) по аналогии с физической терминологией.
Сильные взаимодействия могут быть строго описаны математически и образуют
основу полностью детерминированной (не статистической) модели
регуляторных систем клетки. Слабые взаимодействия не представлены в
уравнениях явно, поскольку они не составляют четко выделенной части
системы регуляции. Однако их следует считать существенной частью всей
системы, так как в противном случае мы получим не модель целой клетки, а
систему уравнений, описывающую динамику части клетки. Существенными
эпигенетическими переменными в нашей теории являются m-РНК, белок и
некоторые метаболиты. Эта система погружена в весьма сложную
биохимическую среду, о динамических свойствах которой мы почти ничего не
знаем. Однако ее влияние на существенные переменные должно быть каким-то
4*
52
ГЛАВА 3
образом учтено, и поэтому слабые взаимодействия составляют существенную
часть статистической механики, которая будет построена в гл. 5. Итак, в
нашем подходе клетка делится на детерминированную часть, описываемую
уравнениями, содержащими регуляционные переменные, и вероятностную часть
— всю остальную клетку, от которой зависит синтез существенных
переменных. С точки зрения динамики детерминированной эпигенетической
системы регуляции эта «остальная клетка» ведет себя как «шум». Даже
детерминированные цепи регуляторных реакций с сильной связью, работающие
в метаболической системе, должны действовать как шум на эпигенетические
переменные, так как, согласно предпосылкам, принятым в предыдущей главе,
скорости метаболических процессов значительно выше, чем эпигенетических.
И именно через эту шумовую среду осуществляется слабая связь между
регуляционными переменными. Как будет показано в гл. 5, подход с позиций
статистической механики точно соответствует подобной ситуации. При этом
степень приближения теории к реальной системе зависит от того, насколько
правильно выбраны существенные переменные и насколько точно уравнения
описывают их динамику. Мы надеемся, что уравнения, выведенные в следующей
главе, обеспечивают хотя бы качественное предсказание макроскопического
поведения клетки и что их уточнение позволит перейти и к количественным
предсказаниям.
КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ РЕГУЛЯТОРНЫХ СИСТЕМ
Теперь нас будет в основном интересовать возможность существования
незатухающих колебаний концентраций веществ, включенных в замкнутые цепи
регуляции. Такие колебания очень часто возникают в регуляторных системах
с обратной связью. Инженеры называют их паразитными колебаниями, так как
на них расходуется много энергии. Их обычно рассматривают как
нежелательные и при конструировании следящих систем по возможности
устраняют. Однако есть одно весьма замена-
РЕГУЛЯТОРНЫЕ СИСТЕМЫ И РИТМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ 53
тельное исключение — самонастраивающиеся устройства, которые осуществляют
непрерывный поиск для достижения состояния, оптимального согласно
заданному критерию. В этом случае динамические колебания необходимы для
эффективной работы устройства, и если они не появляются естественным
путем, их нужно вызвать [103]. Эта соблазнительная аналогия все же не
имеет столь прямого отношения к деятельности биологических систем, как
может показаться с первого взгляда. Основное назначение колебаний в
самонастраивающихся системах — это борьба с трением покоя, которое
уменьшает чувствительность устройства к изменению внешних параметров.
Кроме того, незатухающие колебания около положения равновесия увеличивают
скорость отработки контуров, вычисляющих оптимизирующую функцию.
Эти аспекты не имеют прямого отношения к открытым биохимическим системам,
