Временная организация клетки. Динамическая теория внутриклеточных регуляторных процессов - Гудвин Б.
Скачать (прямая ссылка):
пенсии), а также учет «сильного» взаимодействия, или связи, между
различными автока-талитическими процессами. Такие системы способны не
только переключаться из одного состояния в другое в зависимости от
начальных условий, но и совершать незатухающие колебания. Система такого
типа, способная совершать колебания,— это система Лотка — Вольтерра.
Подобные кинетические схемы, интересные сами по себе, трудно
интерпретируются биохимически, поскольку в изученных биохимических
системах отсутствуют требуемые типы связей между автокаталитиче-скими
реакциями. Однако нужно отметить, что область «сильных» взаимодействий
между макромолекулами вообще и ферментами в частности сильно расширилась
за последнее время благодаря исследованиям в области активации и
ингибирования. В результате открылись колоссальные возможности для
изучения различных типов динамики метаболической системы.
РЕГУЛЯТОРНЫЕ СИСТЕМЫ И РИТМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ 49
Однако в настоящее время кажется очевидным, что при рассмотрении резких
переключений из одного состояния в другое, которые имеют место в клетках,
нужно пользоваться терминами, описывающими эпигенетические регуляторные
системы. Здесь имеются в виду процессы, происходящие в клетках
микроорганизмов в ответ на изменение среды (индуцированный синтез
ферментов при добавлении субстрата у бактерий, изменение поверхностных
антигенов у Paramecium в ответ на изменение температуры [3]) или в
эмбриональных клетках во время развития. Изучение таких скачков в
биологических системах имеет чрезвычайно большое значение, поскольку
одним из наиболее очевидных и ярких свойств биологического процесса
является образование конечного ряда дискретных «точек органической
стабильности» [2], которые образуются в первоначально
недифференцированных или малодифференцированных системах. Так, в процессе
эмбрионального развития образуются разные клетки и ткани, в процессе
обучения у высших организмов — разные типы поведения, в ходе эволюции —
разные виды и т. п. В последнее время стало ясно, что во всех этих
случаях важное значение имеет какого-то рода конкуренция между
компонентами системы. И действительно каждый раз удавалось четко
показать, что движущей силой развития служит дарвиновский, или
эволюционный, процесс, основанный на конкуренции и отборе. В эмбриологии
эта идея, по-видимому, впервые появляется у Вильгельма Ру. Позже она была
развита для внутриклеточных процессов Шпигельманом [91], подход которого
можно назвать эпигенетическим, так как он сделал упор на регуляцию
синтеза ферментов в процессе дифференцировки клеток, а не на регуляцию их
активности. Работа Шпигельмана была выполнена до последних открытий в
области молекулярных регуляторных систем, поэтому он ограничился
рассмотрением «слабых» взаимодействий между процессами синтеза и
подчеркивал цитоплазматические, т. е. неядерные, аспекты этих
взаимодействий. Так, он исходил из конкуренции за предшественники между
структурами, ответственными за биосинтез ферментов, и полагал, что
образование той или иной системы ферментов в разви-
4 Б. Гудвин
50
ГЛАВА 3
вающейся клетке зависит от того, насколько различные структуры,
синтезирующие ферменты, способны к «выживанию» в среде с конкуренцией.
Однако Уоддингтон [110] уже в то время придавал большее значение роли
генов в регуляции эпигенетических процессов. Эта точка зрения более
соответствует современным взглядам и является одним из исходных пунктов
данного исследования. Но поскольку Уоддингтон пользовался представлением
о слабом, конкурентном взаимодействии, ему трудно было создать что-либо
большее, чем качественное описание, хотя в его работах внимание было
сосредоточено, несомненно, на очень важных свойствах эпигенетических
процессов.
СИЛЬНАЯ И СЛАБАЯ СВЯЗЬ
Несмотря на открытие специфических механизмов, управляющих синтезом
макромолекул, нельзя, однако, игнорировать тот факт, что все
биохимические процессы в клетке так или иначе связаны между собой. Именно
эта связь обеспечивает органическое единство живой клетки. Мы попытаемся
разделить эти связи на 2 класса. Связи первого типа образуют
специфические системы управления, регулирующие состояние эпигенетической
системы. Связи второго типа являются неспецифическими в том смысле, что
они осуществляются между всеми без исключения биохимическими процессами в
клетке. Например, выработка энергии в цикле Кребса и синтез ферментов
глутаминсинтетазы и орнитинтранскарбами-лазы, несомненно, как-то связаны
между собой. Но можно ли сказать, что эта связь специфична, т. е. что
существует индивидуальная зависимость синтеза каждого из этих ферментов
от активности цикла Кребса, которую можно описать с помощью уравнений?
Другими словами, можно ли сказать, что эта связь является сильной, т. е.
что уровень глутаминсинтетазы специфически зависит от количества АТФ,
вырабатываемого в цикле Кребса, и что уровень орнитинтранскарбамилазы
также контролируется этой переменной, но как-то иначе, поскольку эти
