Кинетика биологических процессов - Рубин А.Б.
Скачать (прямая ссылка):
Помимо проанализированного выше параметрического, или неспецифического, управления триггерной системой существует еще
силовой способ переключения
(специфический) — путем изменения значений динамических
переменных. Опишем процесс силового переключения. Рассмотрим реакцию при фиксированных значениях всех параметров, в том числе а = а*, и предположим, что первоначально она находится в состоянии <Ti. Если в результате внешнего воздействия или флуктуаций значение переменной a(t) станет больше а2 (которое отвечает неустойчивому положению равновесия), система попадает в область влияния другого устойчивого состояния, самопроизвольно перейдет в это состояние и будет оставаться в нем до тех пор, пока новое внешнее воздействие не уменьшит о до уровня ниже 02. Тогда система вновь окажется в области влияния исходного устойчивого состояния О) и совершит самопроизвольный переход в это состояние. Кинетика перехода описывается первым уравнением системы (II.2—-3). При этом переменная o(t) может вести себя во времени примерно так, как показано на рис. 11.10, А, Б, где стрелки — моменты силового воздействия на систему.
Множественные стационарные состояния и гистерезис, обнаруженные при исследовании математической модели реакции (11.2—1), наблюдаются в экспериментах. Первое экспериментальное подтверждение этих явления было получено в 1968 г. (DegnH., 1968) при исследовании пероксидазной реакции в проточных условиях. Фермент -этой реакции сильно угнетался одним из своих ' субстратов — кислородом. Обнаружено, что открытая уратокси-дазная реакция, угнетаемая мочевой кислотой, также представляет собой биохимический триггер (Naparstek A. et al.,-1974). Альтернативные стационарные состояния и гистерезис наблюдали также в кинетике роста микроорганизмов в условиях непрерывного культивирования (Harrison, Degn, 1969; Bergter F., Roth М., 1977/; Rergter et al., 1977). Таким образом, эти явления действительно свойственны биологическим системам.
Концентрационные автоколебания в открытых моноферментных реакциях
Анализ периодических режимов в биохимических реакциях представляет большой теоретический и практический интерес. В настоящее время не вызывает сомнений тот факт, что автоколебательные явления глубоко свойственны живым системам на всех уровнях организации — от простейшей ферментативной реакции до экологических сообществ. Исследование таких явлений позво-
Рис. 11.10 Л, Б- Силовое переключение реакции с субстратным угнетением и обратимым потоком субстрата
ляет приблизиться к пониманию движущих сил, механизмов важных биологических процессов, протекающих в периодическом режиме. Анализ колебательных свойств биохимических систем оказывается мощным средством изучения их внутренней структуры и организации, а также механизмов саморегулирования таких систем. Представления о биохимических автоколебаниях оказались весьма плодотворными в исследованиях природы клеточных часов.
Из обширного класса ферментативных систем, допускающих существование незатухающих периодических изменений концентраций реагентов, рассмотрим открытую необратимую реакцию с субстратным и продуктным угнетением (Сельков, 19676; Самой-ленко, Сельков, 1972), а также обратимую ферментативную реакцию с субстратным угнетением (Каймачников, Сельков, 1976).-
На примере названных реакций детально проанализируем механизм генерации концентрационных автоколебаний в достаточно простых биологических системах.
Первые сообщения о колебательных . изменениях активности ряда ферментов появились около пятидесяти лет назад. Однако мысль о возможности периодических явлений в биологии в те времена не привлекла должного внимания исследователей. На основе представлений о квазистационарном течении биохимических реакций успешно развивалась стационарная кинетика ферментативного катализа. Существование же колебательных биохимических реакций долгое время считалось сомнительным. Такое мнение во многом было обусловлено наличием термодинамических ограничений, согласно котбрым колебания вблизи положения термодинамического равновесия невозможны.
Позднее развитие термодинамики необратимых процессов показало возможность колебаний около неравновесных стационарных состояний, которые как раз характерны для биологических систем (Гленсдорф, Пригожин, 1973).
Одновременно шло накопление объективных экспериментальных данных о том, что некоторые биологические процессы могут протекать с периодически меняющейся интенсивностью. Так, в 1955 г.-Вильсоном и Кальвином были обнаружены колебания концентраций различных метаболитов цикла темновых реакций фрто-синтеза (рис. 11.11). Дюйзенс и Амез зарегистрировали периодические изменения концентрации восстановленного пиридиннуклео-тида в ходе гликолиза дрожжевых клеток.
В шестидесятые годы появилось большое число работ Чанса и его сотрудников и других исследователей, посвященных исследованию колебательной кинетики концентраций гликолитических метаболитов (рис. 11.12—11.14). Было установлено, что наиболее вероятным генератором периодических- колебаний в гликолизе будет реакция, катализируемая фосфофруктозокиназой, и что значения концентраций субстрата (фруктозо-6-фосфат) и продукта (фруктозо-1, 6-дифосфат) изменяются в противофазе, период ко-, лебаний в интактных дрожжевых клетках варьирует от 23 до 77 с.
