Кинетика биологических процессов - Рубин А.Б.
Скачать (прямая ссылка):
В основе колебательной кинетики и соответствующих механизмов авторегулирования- полиферментных систем могут лежать как свойства отдельных реакций, так и особенности их взаимодействия в пределах целостной системы. Для понимания кинетической и функциональной организации сложной полиферментной цепи прежде всего необходимо детальное знание характеристик составляющих эту цепь элементов, т. е. отдельных ферментативных реакций.
В настоящее время мы располагаем достаточно исчерпывающими знаниями, такого рода. Например, исходя из теории одноферментных реакций, можно ожидать, что и в сложной системе реализуются такие свойства, как множественные стационарные состояния и автоколебания, при одном лишь условии, что какой-либо фермент системы угнетается своим субстратом и продуктом или активируется своим же продуктом. Это предположение подтверждается исследованиями природы гликолитических колебаний. Источник одночастотных периодических изменений интенсивности гликолиза заключен в единственной узловой стадии цепи, фермент которой — фосфофруктокиназа активируется своими продуктами: фруктозо-1,6-фосфатом или АМФ (одним из продуктов этой реакции является АДФ, из которого под действием аденилаткиназы и образуется АМФ).
В кинетике сложных биохимических систем наблюдается еще один характерный эффект — большой период концентрационных колебаний, для объяснения которого Е. Е. Сельковым в 1972 г. был предложен механизм запасания метаболитов в виде неактивных резервных веществ. Принимая во внимание результаты недавних работ по исследованию простых ферментативных реакций с обратимым депонированием субстрата или продукта, есть все основания утверждать, что длительность периода автоколебаний в полиферментной цепи также может контролироваться аналогичным механизмом: сопряжением биохимического осциллятора с резервированным в неактивной форме веществом — посредством быстрой параллельной обменной реакции (схема (II.3—11)):
...Sni=iPn^... (II. 3 —11)
It
Pd
Известно, что механизмы депонирования различных, жизненно важных веществ необходимы клетке прежде всего как стабилиза-
торы процессов ее жизнедеятельности. Значительное увеличение периода концентрационных автоколебаний, свойственное биохимическим генераторам, сопряженным с клеточными «депо», можно рассматривать как еще одно проявление стабилизирующего действия таких механизмов. Заметим, что ' регуляторная функция механизмов резервирования метаболитов хорошо, известна также-и для неколебательных биохимических процессов, например для фотосинтетического переноса электронов (Пытьева и др.,' 1970,
Наряду с явлениями, известными для отдельных ферментативных реакций, полиферментные системы могут обладать и иными, качественно новыми регуляторными связями и динамическими свойствами, отсутствующими у составляющих их реакций. Одними из таких системных эффектов являются двухчастотные автоколебания, наблюдаемые при определенных условиях в гликоли-тической системе. Природа этого явления выяснена в теоретических работах Е. Е. Селькова и С. Н. Дынника (1973, 1975а, б, 1977а,б). Авторы об’ВЯснили, что двухчастотные колебания в гликолизе происходят за счет взаимодействия двух одночастотных автогенераторов. Один из них — хорошо известная фосфофрук-токиназная реакция, активируемая посредством АМФ; другой генератор представляет собой сложную систему реакций, поскольку захватывает всю нижнюю часть гликолитицеской цепи. Источником колебаний в этой системе является активация фермента пируваткиназы фруктозо-1,6-фосфатом, либо субстратное угнетение другого фермента — глицеральдегидфосфатдегидрогеназы, либо совместное действие названных механизмов (Дынник, Сель-ков, 1975 а, 1977 б).
Таким образом, понимание системных свойств многоступенчатых биохимических процессов возможно лишь с учетом взаимодействий, составляющих их звеньев. Какова природа таких взаимодействий и в какой мере они контролируют течение сложных биохимических превращений — вот важнейшие вопросы, на выяснение которых направлены усилия исследователей. Остановимся кратко на результатах некоторых теоретических работ, внесших определенный вклад в решение проблемы.
По мнению ряда авторов, одним из системных механизмов, контролирующих функциональное и динамическое состояние по-лиферментной цепи, является перекрестное угнетение двух ферментов своими продуктами (II.3—12):
(Л. 3~72)
Этот механизм был впервые предложен Дельбрюком в 1948 г. Автор с помощью простой кинетической модели показал сущест-
вование в схеме (II.3—12) множественных стационарных состояний. Позднее Спэнглер н Снелл, несколько модифицировав модель Дельбрюка, установили возможность возникновения автоколебаний в такой системе.
Идеи Дельбрюка о механизмах регулирования на основе перекрестного взаимодействия элементов ферментативной системы были использованы в серии работ Жакоба н Моно, .рассмотревших триггерные и автоколебательные модели генетической регуляции (Жакоб, Моно, 1964; Чернавский и др., 1967, 1975; Ратнер, 1966, 1975; Хиггинс, 1967, 1973 и др.).
