Теоретическая биология. Часть 1 - Васильев А.А.
Скачать (прямая ссылка):
Поэтому достижение предельной скорости для всех превращений последовательности предопределяет концентрации интермедиатов заданного метаболического пути. Если в разных метаболических путях участвуют одни и те же интермедиаты (отметим, что использование одних и те же интермедиатов в разных превращениях весьма важно для упрощения схемы воспроизводства живой системы на микроскопическом уровне — см. гл.Ш), то эффективность превращений в каждом из путей требует в общем случае разных концентраций одних и тех же интермедиатов, т.е. эффективность работы ферментов одного пути будет несовместима с эффективностью другого.
118
При предопределенности концентраций интермедиатов метаболического пути ожидаемые кинетические характеристики любого фермента, выполняющего заданное превращение в последовательности, зависят от концентраций участвующих в этом превращении интермедиатов. Если в разных путях происходит одно и то же превращение, то вполне естественно различие кинетических характеристик изоферментов в разных путях, действующих при разных концентрациях интермедиатов. Тем более естественно ожидать такое различие для пары изоферментов, катализирующих одну и ту же химическую реакцию, но в прямом и обратном направлениях (см. например [Райдер, Тейлор, 1983, с.65]).
Уменьшение скорости одного или нескольких превращений по сравнению с предельной при
отличии концентрации интермедиата от требуемой будет примерно линейным: отклонение в любую сторону нужно компенсировать пропорциональным увеличением количества ферментов на предшествующих или последующих этапах в последовательности.
Эффективность превращения по сравнению с предельной уменьшается и в том случае, когда в одном объеме параллельно функционируют несколько метаболических путей, поскольку для каждого пути характерно наличие обратимого превращения с критическим AG или примерно эквивалентные ему нескольких следующих подряд обратимых превращений с тем же суммарным AG. Близкая к предельной эффективность для каждого пути требует вполне определенного соотношения концентраций, при котором суммарная концентрация всех интермедиатов пути близка к предельной. Если же предельная суммарная концентрация интермедиатов распределена между несколькими процессами, то доля в ней каждого процесса, а с ней и эффективность, будет в несколько раз меньше, чем если каждый из процессов функционирует отдельно от других. Уменьшение эффективности можно выразить как уменьшение удельной скорости каждого превращения, отнесенной на единицу объема или единицу массы ферментов. В абсолютно симметричном случае уменьшение будет происходить линейно с ростом числа функционирующих в одной и той же локальной области процессов.
Поэтому при необходимости осуществить несколько метаболических процессов экономически целесообразно, чтобы процессы проходили раздельно -- в различных локальных областях или же в одной области, но в разное время. Имеющиеся данные свидетельствуют, что за счет такого разделения процессов в живой системе и подбора концентраций интермедиатов в последовательностях превращений, по всей видимости, удается достичь высокой эффективности превращений, прежде всего, за счет близости к предельной эффективности использования ферментов с наименьшей производительностью, т.е. наименьшим отношением kES к массе молекулы фермента. Например, активности основных ферментов цикла Кальвина отличаются чуть более, чем на порядок [Эдвардс, Уокер, 1986, с.268] при различии производительных характеристик этих ферментов на 3 порядка. Имеющиеся данные по концентрациям интермедиатов этого цикла и кинетическим константам [там же, с.130-142] также в целом соответствуют ожидаемым, хотя для более однозначного вывода эти данные недостаточно полны.
Для того, чтобы рассчитать ожидаемые значения концентраций ферментов и субстратов в биохимических превращениях, оценить эффективность с учетом всех факторов, а также определить требуемые для достижения высокой эффективности условия (в частности, количественно обосновать гомеостаз) нужны многие данные. С эффективностью использования потенциальных возможностей катализа нужно соотнести обновление макромолекул, ограничения на концентрации, число элементов при различных вариантах воспроизводства -- с универсальным использованием одних субстратов во многих путях и без него, с разделением процессов и без него. Нужно обосновать теоретически выбор суммарной концентрации интермедиатов, который выше был сделан, исходя из феноменологии. После соотнесения осмотических ограничений с другими будет ясно, почему суммарная концентрация интермедиатов
119
составляет порядка 10 мМ, в частности станет ясно, возможно ли увеличить ее за счет уменьшения суммарной концентрации ионов. Важно сравнить также различие возможностей для животной и растительной клетки. Так, для растительной клетки с жесткой клеточной стенкой в принципе возможно значительно большее увеличение осмотического давления по сравнению с соответствующим выбранной суммарной концентрации за счет увеличения суммарного осмотического давления.
