Кинетика биологических процессов - Рубин А.Б.
Скачать (прямая ссылка):
Считая АМФ единственным активатором, Сельков (1971) построил модель, удовлетворительно описывающую колебания. При определенных значениях параметров модель предсказывает релаксационные колебания, обнаруженные в других экспериментах.
1973).
1 + а,
2 А Д Ф :«=*: АТ Ф + AM Ф.
Теоретическое исследование открытых ферментативных реакций с субстратным угнетением дает исчерпывающую информацию об основных свойствах динамических режимов работы ферментов в проточных условиях.
Характерной чертой открытых необратимых моноферментных реакций является существование устойчивых стационарных состояний в отличие от закрытых необратимых реакций, в которых возможны лишь квазистационарные режимы, предшествующие достижению термодинамического равновесия. Число стационарных состояний открытой ферментативной реакции может быть различным в зависимости от ее нелинейности. Если в необратимой реакции с субстратным угнетением наряду с притоком субстрата имеет место его отток из сферы катализа (вовне), то при определенных значениях параметров в системе реализуются три стационарных состояния, два из которых устойчивы. Между альтернативными устойчивыми стационарными режимами возможно жесткое (скачкообразное) параметрическое или силовое переключение. Таким образом, реакции рассматриваемого типа могут работать как биологические триггеры.
Результаты анализа математической модели реакции (И.2—1) подтверждаются в экспериментах по исследованию действия ферментов, угнетаемых своими субстратами, в проточных условиях.
Установлено, что большинство открытых одноферментных реакций, содержащих регуляторные связи типа субстратного угнетения, являются генераторами концентрационных колебаний.
В зависимости от параметров реакций возможно существование альтернативных стационарных состояний, а также альтернативных автоколебательных режимов. Колебания концентраций реагентов могут иметь различную форму — от почти синусоидальной до резко релаксационной.
В открытых реакциях, сопряженных с параллельным процессом запасания субстрата или продукта в метаболически неактивной форме, наблюдаются также явления типа странного аттрактора, т. е. устойчивые стохастические, концентрационные колебания.
В закрытых необратимых ферментативных реакциях автоколебания не могут существовать ни при каком порядке нелинейности системы. Действительно, автоколебательный режим является в определенном смысле стационарным, а стационарные режимы с ненулевыми значениями концентраций, как мы знаем, в закрытых необратимых ферментативных реакциях любого типа недостижимы. Кроме того, в таких реакциях нет постоянного источника энергии, необходимого для поддержания незатухающих колебаний. Вместе с тем в закрытых, непроточных системах могут существовать квазистационарные режимы, в которых концентрации реагентов совершают медленно затухающие колебания. Из* вестный пример такой квазиавтоколебательиой системы — реак-
ция Белоусова— Жаботинского, протекающая в закрытом сосуде-В этой реакции при соответствующем подборе исходных концеит-раций взаимодействующих веществ реализуется до нескольких сот периодов процесса, наблюдаемых по колебаниям окраски раствора.
§ 3. МОДЕЛИ ПОЛИФЕРМЕНТНЫХ СИСТЕМ
Многоступенчатые ферментативные реакции, каждая из стадий которых катализируется своим строго специфическим ферментом, составляют основу метаболизма клетки. В настоящее время достаточно хорошо изучены важнейшие биохимические процессы:, цикл трикарбоновых кислот, пентозофосфатный путь окисления глюкозы, перенос электронов по фотосинтетической цепи, окислительное фосфорилироваиие в митохондриях и др.'
Отдельные реакции обмена веществ клетки исследованы в основном в 1930—1950 гг. с помощью таких методических подходов, как ингибиторный анализ, использование радиоактивных меток, а также путем выделения ферментов и изучения химии индивидуальных реакций. Результаты этих исследований суммированы в хорошо известных картах метаболических путей. Вместе с тем такие карты не дают полного, исчерпывающего представления о процессе, называемом «метаболизмом». В настоящее время внимание исследователей привлекает проблема самоорганизации и регулирования полиферментиых реакций. Теоретический анализ совместно с другими кинетическими методами является необходимым звеном таких исследований.
Проблема математического описания сложных, многоступенчатых ферментативных процессов сопряжена с определенными трудностями: биохимические процессы клетки включают множество стадий и десятки промежуточных метаболитов. Так, дыхательная цепь митохондрий содержит до 25 переносчиков электронаКроме того, полиферментиые системы могут взаимодействовать друг с другом через общие продукты и кофакторы, образуя сложную, многократно пересеченную сеть метаболических путей (Дегли,. Никольсои, 1973; Ленинже^, 1974). Вместе с тем в определенных условиях отдельные цепи ферментативных реакций работают практически автономно. Это облегчает их теоретический анализ. Опыт математического моделирования таких систем показывает, что при определенных условиях длинная цепочка биохимических превращений ведет себя так же, как простая ферментативная реакция. Это означает, что модели сложных полиферментиых систем можно редуцировать к модели одной эквивалентной реакции и: изучать динамические свойства полифермеитной цепи с помощью
