Кинетика биологических процессов - Рубин А.Б.
Скачать (прямая ссылка):
Реальные биохимические процессы клетки могут включать и большее число промежуточных реакций. Количество различных состояний таких комплексов составляет несколько сотен. Вместе с тем организация многостадийных ферментативных процессов по принципу временной иерархии позволяет существенно упрощать их математическое описание (с помощью методов редукции, изложенных выше), которое зачастую сводится к нескольким линейным дифференциальным уравнениям (Фрейдлин и др., 1980).
Часто однотипные комплексы ферментов, ответственные за определенный участок обмена веществ клетки, образуют конгломераты, или ансамбли, заключенные внутри соответствующих клеточных органелл. При рассмотрении процессов, идущих с участием ансамблей из достаточно большого числа идентичных ферментных комплексов, вероятную модель можно заменить обычной, усредненной, или концентрационной моделью, так как в этом случае вероятность застать полиферментный комплекс в каком-либо состоянии практически равна доле комплексов, находящихся в этом состоянии, т. е. относительной концентрации этого состояния.
Линейность кинетики переходов между различными состояниями полиферментного комплекса и автономность соответствующих систем дифференциальных уравнений обусловливают существование в таких реакциях единственного стационарного состояния и лишь затухающих концентрационных колебаний в отличие от реакций в гомогенных растворах полиферментиых систем. Напомним, что существенная нелинейность последних обусловлена основной особенностью биокатализаторов их способностью образовать в процессе реакции комплексы с молекулами субстратов и модификаторов.
Далее мы рассмотрим основные особенности регулирования и важнейшие динамические характеристики многоступенчатых ферментативных реакций на примере систем идеального перемешива-
ния. Там, где результаты теории гомогенных реакций оказываются справедливыми и для комплексов ферментов, будем отмечать это особо. Подробный анализ вероятностных математических моделей полиферментных комплексов проведен в гл. III.
Системные свойства кинетики и регуляции, временная организация полиферментных цепей
Одной из важнейших задач энзимологии до сегодняшнего дня остается выяснение механизмов регулирования многоступенчатых ферментативных реакций, сплетенных в клетке в единую систему метаболизма. Очевидно, управление сложными биохимическими процессами может осуществляться двояко: на основе самоорганизации полиферментных систем и с помощью внешних регуляторных сигналов. В зависимости от внешних условий и выполняемой функции «вес» названных механизмов может быть различным. Так, в условиях относительно автономного функционирования отдельных полиферментных цепей решающую роль играют свойства самоорганизации, т. е. внутренние механизмы авторегулирования таких систем. Напротив, управление сопряженными, совместно действующими полиферментными процессами, как и общая координация клеточного метаболизма, осуществляется во многом с помощью регуляторных сигналов, или.команд, носителями которых могут служить молекулы аллостерических регуляторов. Источником управляющих сигналов могут являться внутриклеточная среда или программа, записанная в молекулах ДНК или РНК, либо клеточное окружение.
Рассмотрим два фундаментальных свойства временной самоорганизации биохимических процессов клетки — принцип временной иерархии и его следствия, а также периодическую временную организацию полиферментных систем.
Определяющее звено в цепи ферментативных реакций
В основе функциональной самоорганизации клеточных процессов лежит важнейшее системное свойство всесо живого — временная иерархия отдельных стадий сложных биохимических систем. Это свойство наряду со свойствами специфичности отдельных катализаторов обеспечивает строгую последовательность взаимодействия ферментов в растворах, создает подчинение одних реакций, ведомых, другим — ведущим, а также отвечает за разделение во времени противоположно направленных процессов (таких, как синтез и распад различных веществ). Следствием временной иерархии ферментативных реакций будет определяющая, регуляторная роль лимитирующих, узловых стадий полиферментных цепей.
Итак, важнейшее свойство кинетики полиферментных процессов — так называемый принцип узкого места, согласно которому стационарная скорость последовательной цепи реакций определяется наиболее медленной стадией. Этот принцип играет важней-
шую роль в регулировании процессов метаболизма, так как позволяет изменять активность полиферментной системы, управляя лишь одной, определяющей реакцией. При этом остальные звенья цепи никак не влияют на скорость образования конечного продукта.
Эффект минимума, широко известный в практике биохимических исследований, получил строгое, математическое обоснование в работе Чернавского и Иерусалимского (1965).
Поскольку ход теоретического исследования, выполненного в названной работе, неоднократно воспроизводился (Романовский и др., 1975; Рубин и др., 1977), опустим его в настоящем издании и остановимся на основных его результатах.
