Временная организация клетки. Динамическая теория внутриклеточных регуляторных процессов - Гудвин Б.
Скачать (прямая ссылка):
очень немногие из них имеют менее 10 мк в диаметре. Это означает, что
объемы этих клеток по крайней мере в 100, а обычно в 1000 раз и больше
превосходят объем бактерий. Кроме того, у многоклеточных по причине
клеточной специализации и диффе-ренцировки общее число различных белков в
клетках одного определенного типа обычно значительно меньше, чем у
бактерий. Средний коэффициент обновления белков в таких клетках
составляет около 1% в час [60]. Это должно быть связано с более высоким
средним уровнем популяций m-РНК в клетках высших организмов по сравнению
с бактериями, поскольку чем выше коэффициент обновления какого-либо
белка, тем большая популяция m-РНК нужна для поддержания популяции этого
белка на нужном уровне. Скорость обновления, равная 1 % в час,
значительно больше скорости обновления белков в экспоненциально растущих
популяциях бактерий, где белки очень стабильны. Так как многие виды
структурных белков в клетке имеют коэффициент обновления значительно
меньше 1% в час, можно ожидать, что метаболически активные белки,
например ферменты, участвующие в замкнутых регуляторных цепях, могут
обновляться на 5—10% в час (и даже больше для таких ферментов, как
оксидаза аскорбиновой кислоты, которая инактивируется в процессе
катализа)г).
По наблюдениям Лофтфилда и Эйгнера [56] время синтеза ферритина в печени
крысы составляет 5 мин. Мы примем эту величину за среднее время синтеза
молекулы белка в высших организмах. Динцис [16], изучая биосинтез
полипептидных цепей гемоглобина в ретикулоцитах кролика, нашел, что для
синтеза полипептидной единицы
’) Проблемы интенсивности обновления внутриклеточных белков рассмотрены в
книге С. 3. Рогинского и С. Э. Шполя «Изотопы в биохимии», Изд. АН СССР,
М., 1963.— Прим. ред.
ЁРЁМЯ РЁЛАКСАЦИИ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ 143
требуется меньшее время — примерно 1,5 мин. Но мы примем все же время
биосинтеза макромолекулы белка равным 5 мин, поскольку для наших целей
необходимо учесть время, требуемое не только для соединения аминокислот в
полипептидную цепь, но и для образования вторичной и третичной структур
белка и агрегации субъединиц в функционально полноценную макромолекулу.
Хотя время, необходимое для синтеза молекулы m-PHK, не известно, его
нижнюю границу можно оценить в 1 мин, если считать, что у высших
организмов, так же как и в бактериальных клетках, синтез m-PHK протекает
в 4—10 раз быстрее, чем синтез белка. Время жизни m-PHK в высших
организмах для тех ее видов, которые осуществляют синтез ферментов,
совершенно не известно. Однако в эритроцитах, синтезирующих главным
образом гемоглобин, молекула m-PHK, по-видимому, весьма стабильна (ее
время жизни — несколько часов), ибо в отсутствие синтеза m-PHK синтез
белка в этих клетках протекает еще много часов. В клетках Не La
полупериод жизни молекулы m-PHK составляет примерно 3 час [75], что
значительно превосходит полупериод жизни этого вида молекул в
бактериальных клетках. Мы примем, что средняя продолжительность жизни
молекулы m-PHK, участвующей в синтезе фермента, включенного в цепь
обратной связи, равна 4 час. Тогда одна молекула m-PHK будет
использоваться в синтезе белка примерно 48 раз. Это не более чем разумное
предположение, но на современном уровне наших знаний о молекулярных
процессах в клетке ничего более определенного сказать нельзя. При таких
предположениях одна матрица ДНК может поддерживать существование
популяции m-PHK, состоящей примерно из 240 молекул, если, как мы приняли
выше, она может синтезировать максимум одну молекулу m-PHK в минуту.
ОЦЕНКА ПЕРИОДОВ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
Предположим, что мы имеем среднюю популяцию в 100 молекул m-PHK какого-
либо вида, численность которой поддерживается на этом уровне двумя ДНК-
матрицами, работающими не на полную мощность. Если,
144
ГЛАВА 6
далее, коэффициент обновления гомологичного белка равен 5% в час, то его
среднее время жизни равно примерно 20 час. Популяция из 100 молекул m-РНК
может поддерживать численность популяций белка из 24 ООО молекул при
условии, что одна молекула m-РНК синтезирует за 5 мин одну молекулу белка
(12 молекул в час). Допустим теперь, что эти популяции образуют
описываемую уравнениями (14) замкнутую регуляторную цепь с обратной
связью типа представленной на фиг. 1 и что белок является ферментом.
Допустим также, в популяции m-РНК происходят колебания со средней
амплитудой в 50 молекул, так что численность популяции меняется, скажем,
между 80 и 130 молекулами (т. е. колебания асимметричны). Полагая среднее
время жизни молекулы m-РНК равным 4 час, оценим период и амплитуду
соответствующих колебаний в популяции белка, а также время, в течение
которого будут продолжаться эти колебания. Две ДНК-матрицы могут
произвести максимум 120 молекул m-РНК в час, и при этом они должны
непрерывно восполнять распадающиеся молекулы m-РНК. Следовательно, когда
популяция m-РНК находится на своем нияшем уровне в 80 молекул, двум ДНК-
