Временная организация клетки. Динамическая теория внутриклеточных регуляторных процессов - Гудвин Б.
Скачать (прямая ссылка):
у Е. coli полностью индуцирован, синтезом этого фермента заняты около 840
активных рибосом, и доля его в общем количестве синтезируемого белка
клетки достигает около 20%. В этом полностью индуцированном состоянии
локус щелочной фосфатазы должен производить примерно 1—2 молекулы m-PHK в
секунду, так как время жизни этих молекул составляет всего около 2 мин
[54]. Таким образом, один индуцированный локус может поддерживать
численность популяции молекул m-PHK на уровне 120 —240 молекул; в одной
же бактериальной клетке обычно имеется 2—3 таких локуса. Следовательно,
при полной индукции популяция молекул информационной РНК, ответственных
за синтез данного индуцируемого фермента, может насчитывать сотни
молекул.
Условием индукции щелочной фосфатазы у Е. coli является недостаток
фосфата; при наличии фосфата скорость синтеза уменьшается примерно до
одной молекулы в 60 сек, что в 15 раз меньше скорости синтеза,
наблюдаемой при экспоненциальном росте (время генерации 1 час), когда 1
молекула синтезируется за 4 сек [7].
138
ГЛАВА 8
Таким образом, ясно, что эпигенетическое состояние бактериальной клетки
и, следовательно, размеры популяций различных видов яг-РНК и белков очень
сильно меняются в зависимости от условий Ьреды. Имеют ли все локусы
бактериальной клетки столь большие возможности для синтеза яг-РНК, как и
индуцируемые локусы, неизвестно; это кажется маловероятным. Однако вполне
возможно, что в принципе все локусы могут быть индуцированы, но механизмы
их регуляции гораздо сложнее, чем у локусов, регулирующих синтез
гидролитических ферментов типа щелочной фосфатазы или Р-галактозидазы.
На основании этих оценок очевидно, что число молекул многих видов
информационной РНК в бактериальной клетке в среднем меньше 10. Конечно,
эти величины слишком малы, чтобы кинетику этого вида молекул можно было
описать с помощью непрерывных переменных. Поведение такой популяции во
времени должно быть крайне нерегулярным. Число молекул яг-РНК будет
случайно меняться в пределах примерно от 5 до 15, вызывая соответствующие
изменения, в размерах популяций гомологических видов белков; правда,
«шум», производимый в популяции белков, будет несколько меньше, чем в
популяции яг-РНК. Так, если за 10 мин число молекул информационной РНК
изменится, скажем, от 10 до 20 молекул и затем обратно до 10, то эти
«лишние» информационные молекулы произведут за это время примерно 1200
«лишних» молекул белка. При средней величине белковой популяции около 4-
103 (1,8 -10е белковых молекул 500 различных видов) изменение популяции в
процентах со-120
ставит = 30%, тогда как изменение популяции молекул яг-РНК составляло
50%.
Из этого краткого рассмотрения бактериальных систем можно сделать
следующий вывод. Любые непрерывные колебания, которые могли бы иметь
место в бактериальной клетке в результате действия отрицательной обратной
связи в системах биохимической регуляции, будут из-за их малых размеров
почти целиком подавляться шумом, существующим в популяциях яг-РНК.
Совершенно неразумно использовать дифференциальные уравнения и
непрерывные переменные для описания кинетики тех видов
ВРЕМЯ РЕЛАКСАЦИИ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ 139
молекул, общее число которых в клетке меньше 10. Поэтому при изучении
временной организации бактерий такой подход не может быть использован.
Существует, однако, одно довольно утешительное обстоятельство: до сих пор
у бактерий не было обнаружено никаких ритмических или циклических
явлений, аналогичных суточным, лунным, приливно-отливным и другим ритмам,
столь часто наблюдаемым у высших организмов, начиная от простейших и
выше. Эре и Барлоу [19] высказали предположение, что причина этого
заключается в отсутствии у бактерий четко отграниченного ядра. По мнению
этих авторов, двухоболочечная структура х), которой обладают все более
высоко организованные клетки, является необходимым условием возникновения
колебаний в цепях регуляции с обратной связью. Как показывают приведенные
выше соображения, другая и, возможно, более важная причина отсутствия
суточных и иных ритмов у бактерий состоит, вероятно, в том, что создание
и использование периодического сигнала в этих клетках крайне затруднены
из-за очень высокого уровня шума в очень малой популяции молекул
бактериальной m-PHK.
Существует, однако, ситуация, при которой, согласно нашим исходным
положениям, в бактериальной клетке могут происходить правильные
колебания; это будет в том случае, когда локус активирован настолько,
чтобы среднее число молекул m-PHK, соответствующих синтезируемым видам
белка, поддерживалось на уровне 100—200. Так, в уже рассмотренном выше
случае щелочной фосфатазы, в котором синтез m-PHK регулируется
концентрацией неорганического фосфата в клетке, в последней существует
замкнутая цепь обратной связи типа указанной на фиг. 1. После того как
произошла индукция фермента и размер популяции m-PHK достиг порядка
нескольких сотен молекул, относительный уровень шума должен, вероятно,
