Самоорганизация в неравновесных системах - Николис Г.
Скачать (прямая ссылка):
14.7. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ цАМФ
Циклический АМФ (цАМф), выделяемый живыми клетками, по-видимому, служит для управления рядом важнейших жизненных процессов, характеризующихся различной степенью сложности. В качестве одного из наиболее ярких примеров такого рода можно назвать агрегацию слизевиков 01с1уо$1еНит (Изсога'еит, в результате которой из отдельных клеток возникают различные многоклеточные образования [371]. Начальная стадия агрегации состоит в том, что слизевики ориентируются в поле градиента цАМФ во внеклеточной среде. Такая ориентация называется хемотаксисом. Уже давно известно, что слизевики упомянутого вида способны к волнообразной агрегации вблизи различных центров. Периодически испускаемые этими центрами импульсы цАМФ с интервалами порядка нескольких минут распространяются от центра к другим клеткам посредством релейного мехйнизма, в результате чего процесс агрегации может охватывать довольно большие участки пространства [120]. В связи с этим явлением изучались метаболические колебания в культуре агрегирующих клеток О. фзсо1а*еит [121]. Показано, что
Ре улпторные процессы на субклеточном уровне
391
-атф-
*3
Рис. 14.9. Схема колебательного синтеза цАМФ у слизевиков ВгМу^еИшп 11'шсо'и1еигп.
5ти колебания регулируются с помощью цАМФ и возникают независимо от гликолитических колебаний.
В настоящем разделе мы рассмотрим возможный механизм колебаний цАМФ, основанный на ферментативной регуляции непосредственно в процессе синтеза этого метаболита [135]. Как следует из рис. 14.9, рассматриваемые в данной модели регуля-торные ферменты — АТФ-пирофосфогидролаза (Е]) и адепил-циклаза (Е2) — способствуют превращению АТФ в 5'АМФ и цАМФ. У слизевиков О. <И$со1<1еит эта система имеет положительную регуляцию [343]. При э"ом аденилциклаза активируется Ь'АМФ, а АТФ-пирофосфогидролаза —цАМФ. В обоих случаях взаимодействие фермента с эффектором носит существенно кооперативный характер, что указывает на аллостерическую природу ферментов. Наконец, оба продукта сопряжены через фос-фодиэстеразу, способствующую превращению цАМФ в 5'АМФ. Вывод 5'АМФ нз системы происходит с помощью еще одной ферментативной реакции с участием 5'нуклеотидазы *).
Для такой модели кинетические уравнения можно получить точно так же, как и в разд. 14.3 в случае реакции с участием ФФК- Различие состоит лишь в том, что здесь мы имеем дело
*) Роль цАМФ п модели циркадного ритма, основанной на отрицательных обратных связях, рассмотрена в работе [71].
392
Глава 14
с тремя переменными, т. е. с концентрациями АТФ, 5'АМФ и цАМФ, и с двумя регуляторними ферментами. Обозначим через Ы и Омі {і — 1, 2) соответственно аллостсрическую постоянную и максимальную нормированную активность фермента Ей Кроме того, пусть от будет нормированной скоростью поступления субстрата; А и ?2 —скорости отвода 5'АМФ и цАМФ, а а, р и у—соответственно нормированные концентрации АТФ, 5'АМФ и цАМФ. Тогда можно записать
= °і — ^\ (а. V) — /2 (а. Р). &г=и (о. ї)™?іР + *2У,
dt
-3f = /2(a.P)-A2Y. (14.33J
где
h Li + {i +ay-(i +Y)2.
Эти уравнения следует сравнить с уравнениями (14.13) н (14.14). Дополнительное упрощение здесь достигается за счс i того, что для обоих ферментов коэффициент связывания субстрата принят равным нулю.
Анализ устойчивости стационарного решения системы (14.33) показывает, что соответствующая особая точка может стать неустойчивым фокусом. При этом в системе шблюдаются колебания в режиме предельного цикла, как это изображено на рис. 14.10. Как следует из экспериментов, период колебаний в пределах 3—5 мин практически не зависит от ферментативных констант и скорости поступления субстрата. Как и в реакции с участием ФФК, роль кооперативное™ в возникновении колебаний сводится к тому, что область существования колебаний характеризуется большими значениями аллостерической постоянной (порядка 106). Пульсирующий характер колебаний, изображенных на рис. 14.10, а также устойчивость периода хорошо согласуются с экспериментально наблюдаемым импульсным высвобождением нАМФ агрегациопными центрами [120]. Сравнительно недавно в суспензиях клеток D. discoideum был продемонстрирован колебательный характер реакции с участием аде-пилциклазы [122].
Дальнейшее изучение этой системы показало 141], что тот же механизм, который приводит к колебаниям цАМФ, может быть ответственным и за передачу сигнала цАМФ в процессе агрегации. Основной результат здесь сводится к тому, что вне
регулнторные процессы на субклеточном уровне
393
О 100 00 300 4 500 600 700 600 900 1000 Время, с
Ряс. 14.10. Периодические колебания нормированной концентрации цАМФ, полученные путем численного интегрирования уравнений (14.33).
Значения параметре-!!: *=0,4 с""1, °'М2=*Сс~1' ?|=Ла=0.1 с-1, Ь1=^2=10б, о"|~ =0.5 с~1.
области существования колебаний, описываемой уравнениями (14.33), система способна усиливать внешний импульс цАМФ, если такой импульс активирует адепилциклазу при связывании цАМФ с соответствующим рецептором. При выполнении этих условий происходит импульсный синтез некоторого количества цАМФ, что и приводит к передаче хемотактического сигнала.
