Временная организация клетки. Динамическая теория внутриклеточных регуляторных процессов - Гудвин Б.
Скачать (прямая ссылка):
может постепенно уменьшаться до нуля. Конкретное поведение переменных Х2
и Y2 определяется значениями параметров а2, А2, к2 и Ъ2. «Ведомый»
осциллятор будет стабильным (т. е. значения его переменных будут
ограничены сверху и снизу положительными числами) только при условии, что
при Yi = qx величина dX2/dt = 0. Но в общем случае уравнения (21) не
позволяют определить, будет ли пара (Х2, Y2) стабильной. Мы можем только
сказать, что в поведении неавтономных переменных Х2 и Y2 будет
проявляться периодичность, задаваемая автономным осциллятором,
описываемым первой парой уравнений. У нас есть способы несколько изменить
уравнения, с тем чтобы обеспечить стабильность неавтономной пары, однако
при этом потребуются дополнительные предположения о кинетике синтеза
макромолекул.
Вместе с тем можно рассматривать величины Х2 и Y2 как эпигенетические
переменные, которые вовсе не обязательно должны находиться в стационарном
состоянии. В зависимости от среднего значения переменной Yi переменная
Х2, а следовательно, и Y2 может или возрастать, или убывать. Тогда можно
было бы рассматривать эти величины как компоненты клетки, претерпевающей
дифференцировку. Если многие системы клетки будут путем репрессии
оказывать влияние на пару (Х2, Y2), то стабильность этих компонентов
будет зависеть от средних значений многих переменных. Таким образом,
станет возможной ситуация, при которой часть переменных находится в
стационарном состоянии, а часть необратимо изменяется, возрастая или
убывая. Направление этого изменения будет определяться эпигенетиче-
80
ЦЛ ABA 4
ским состоянием, которое в свою очередь будет зависеть от компонентов,
составляющих саморегулирующиеся внутриклеточные системы с замкнутыми
петлями обратной связи. Таким способом эпигенетическая система клетки
может быть разделена на автономную и неавтономную части, аналогично тому
как Вейсс и Каванау [116] разделили клетку на «генеративную массу»
(репродуктивную часть) и «дифференцированную массу». Однако нужно
подчеркнуть, что при термодинамическом описании эпигенетической системы,
которое будет разработано в следующей главе, неавтономные переменные не
учитываются. Последнее объясняется отсутствием общего интеграла у системы
(21). Здесь мы опять сталкиваемся с ограничениями, присущими классической
динамике, которые могут быть преодолены лишь спомощью болееобщей теории.
Второй недостаток простой системы, состоящей из п независимых структурных
единиц, связан с обстоятельством, прямо противоположным тому, которое
обсуждалось выше. Речь идет о том, что метаболиты, вырабатываемые
некоторыми ферментами, не действуют в качестве сигнала обратной связи,
регулирующего синтез m-PHK. Кажется вероятным, что репрессорами могут
быть только метаболиты, расположенные в ключевых точках биологических
путей. Какие именно точки в сложной сети метаболических путей оказываются
ключевыми, это, по-видимому, в такой же мере определяется историей
эволюции, как и логикой метаболизма. Часто такими ключевыми соединениями
оказываются конечные продукты метаболических цепей [59, 104]. Здесь
имеются в виду те конечные продукты, которые имеют относительно долгое
время жизни в метаболической системе (долгое по сравнению с нестабильными
промежуточными соединениями, часто встречающимися в метаболических
цепях). Эти продукты нередко являются точками ветвления метаболических
цепей, и выгода от их выбора в качестве регуляторов очевидна. Однако
такой ключевой метаболит репрессирует не только генетический локус,
ответственный за синтез того последнего фермента в цепи реакций, который
и вырабатывает этот продукт. Он регулирует также деятельность ферментов,
расположенных в начале цепи. Эту ситуацию можно приблизительно изобразить
ДИНАМИКА ЭПИГЕНЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 81
схемой, представленной на фиг. 6. Здесь локусы Lx, L2, . . Lm (пока мы
предполагаем, что эти локусы не связаны между собой и не могут все
управляться одним оператором, например по схеме, предложенной Жакобом и
др. [44]) осуществляют синтез ферментов, образующих метаболическую цепь,
конечным продуктом которой является Мт. Предположим сначала, что Мт
действует только на локус L± и что «узким местом» всей
Фиг. 6.
цепи является выработка первого метаболита М\. Это значит, что фактором,
определяющим скорость процессов во всей цепи, является концентрация
фермента Ясно, что только в этом случае управляющая система будет
чувствительна к концентрации Мт и регулировать размер метаболического
фонда согласно потребности клетки в этом метаболите. Если бы скорость
лимитировалась другим ферментом цепи, скажем Yif который нечувствителен к
действию Мт, то размер метаболического фонда ограничивал бы именно Yг и
адаптивная обратная связь отсутствовала бы.
Однако в настоящее время представляется вероятным [30, 106], что в
действительности конечный продукт Мт может репрессировать несколько
локусов или даже все локусы в цепи. Таким образом, лимитировать скорость
