Временная организация клетки. Динамическая теория внутриклеточных регуляторных процессов - Гудвин Б.
Скачать (прямая ссылка):
Глава 6
Время релаксации .эпигенетических систем
РАЗМЕРЫ ПОПУЛЯЦИЙ МАКРОМОЛЕКУЛ В КЛЕТКАХ
Содержание этой главы имеет решающее значение для настоящего
исследования, посвященного динамике клеточных регуляторных механизмов. Мы
произведем количественные оценки, которые покажут нам, действительно ли
возможно упорядоченное динамическое поведение различных видов /n-РНК и
белка, как мы до сих пор считали. Может оказаться, что размеры популяций
молекул (в особенности лг-РНК) столь малы, что предположение о
непрерывности становится несправедливым и имеет смысл лишь вероятностное
описание. Введение стохастических (т. е. случайных) переменных в нашу
теорию отнюдь не изменяет основных динамических характеристик тех
регуляторных систем с обратной связью, колебательное поведение которых мы
изучаем. Такое вероятностное рассмотрение было проведено Феллером [24]
относительно систем Вольтерра. Феллер нашел, что после усреднения
случайных отклонений в стохастической системе хищник — жертва можно
обнаружить явные колебания численности популяции. Необходимо будет,
однако, более подробно рассмотреть, при каком уровне шума биохимические
регуляторные системы сохраняют способность к периодическому, или
ритмическому, поведению. Другими словами, основной вопрос состоит в
следующем: насколько сильным должен быть колебательный сигнал при наличии
данного уровня шума самих биосинтетических процессов (но не
биохимического окружения, в которых эти процессы происходят), чтобы его
можно было зарегистрировать как периодическое изменение? Это, конечно,
важный вопрос. Но он требует рассмотрения многочисленных аспектов
процессов фильтрации, исправления ошибок и проблемы надежности в
применении к процессам регуляции матричного синтеза, что находится за
пределами
136
ГЛАВА 6
нашего исследования; к тому же у нас слишком мало надежных фактов. Наш
подход состоит в том, кто мы принимаем существование регулярных колебаний
в системе и вводим шум как особенность той биохимической среды («бани»),
в которую погружены компоненты колебательной системы. Такая ситуация
полностью удовлетворяет требованиям статистической механики, которую
можно использовать для определения величины тех нерегулярностей, или
флуктуаций, переменных системы, источником которых служит шум среды.
Ясно, что подобная процедура является аппроксимацией, которая справедлива
только при наличии непрерывных переменных, т. е. когда размеры
макромолекулярной популяции достаточно велики. Посмотрим, так ли это.
Единственные надежные оценки размеров популяций макромолекул в клетках,
которые в настоящее время имеются в нашем распоряжении, получены для
бактерий, главным образом на Escherichia coli. Однако на основе этих
оценок можно сделать некоторые разумные предположения относительно
размеров популяций у простейших и высших организмов. Недавнее
исследование Бирна [7] показывает, что в бактериальной клетке,
находящейся в стадии логарифмического роста (в этот период деления
происходят приблизительно каждый час), имеется примерно 1,6 -104 рибосом.
Около 13,7% этих рибосом активны, так что имеется около 2-103 рибосом,
осуществляющих синтез белка. Это совсем не значит, что в клетке в каждый
данный момент присутствуют 2000 молекул m-РНК, поскольку исследования
Уорнера, Рича и Холла [114] показали, что одна молекула m-РНК высокого
молекулярного веса (~10в) может «считываться» несколькими рибосомами
одновременно. Эти наблюдения были сделаны на материале, полученном из
ретикулоци-тов кролика, и до сих пор не известно, имеет ли место это
явление у бактерий. Примем, однако, что в каждый данный момент в
бактериальной клетке имеется примерно 2-103 молекул информационной РНК.
Согласно оценке Дэвиса [12], в клетке, экспоненциально растущей в богатой
среде (так что ей не надо синтезировать аминокислоты или нуклеотиды),
присутствуют 400—500 различных видов белка.
ВРЕМЯ РЕЛАКСАЦИИ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ 137
Примем, что для одного вида белка нужно в среднем 4—5 молекул m-PHK. Это
удивительно маленькое число. Однако синтез молекулы белка в бактериальной
клетке, по расчетам Бирна, занимает около 4 сек (другие авторы [63]
оценивают это время в 5 сек). Следовательно, одна молекула m-PHK может
произвести в 1 мин 15 молекул белка, и эти белки очень стабильны для
экспоненциально растущих клеток [60]. 'При такой скорости синтеза 2-103
молекул информационной РНК могут синтезировать за час 2-103-15-60 = 1,8-
106 молекул белка, что близко к числу молекул белка, нужных для
построения новой бактериальной клетки [34].
Эти вычисления, конечно, весьма приблизительны, и достоверным можно
считать лишь порядок величины полученных оценок. Наиболее слабым их
пунктом является то, что средний размер популяции молекул информационной
РНК в бактериальной клетке, на котором они базируются, очень мал. При
некоторых условиях этот размер может сильно меняться. Так, например,
согласно оценке Бирна [7], в тех случаях, когда локус щелочной фосфатазы
