Реферат: Регуляторные системы и ритмические явления в клетке

Молекулярные регуляторные механизмы

Достигнутые в последнее время успехи в исследовании механизмов функционирования клеточных систем, кодирования и регуляции биохимических процессов, послужившие причиной небывалого подъема биологии, обусловливают возможность создания единой и твердой основы для понимания внутриклеточных процессов. Наиболее важным результатом этих исследований можно считать доказательство того, что высокоспецифические механизмы, регулирующие концентрации и активность макромолекул, действуют по принципу обратной связи. Сигналы обратной связи, управляющие деятельностью макромолекул, передаются обычно с помощью малых, быстро диффундирующих молекул, принадлежащих по нашей терминологии к метаболической системе. После того как было показано, что метаболиты весьма специфически влияют на активность генов, причинная цепь ДНК – РНК – белок – метаболит оказалась замкнутой. Установлено, что эти метаболиты реагируют с высокой степенью специфичности с определенным генетическим локусом. Таким образом, состояние клетки регулируется значительно более точным механизмом, нежели обычная конкуренция, которой ранее приписывали основную роль в регуляции клеточных процессов. По-видимому, существуют петли связи и более короткие, чем от ДНК к метаболиту и назад к ДНК. Ингибирование ферментов продуктами реакции было обнаружено уже достаточно давно; возможно также, что метаболиты могут ингибировать информационную РНК на рибосомах. Новое, однако, состоит в том, что, как оказалось, ингибитор может не иметь никакого стереохимического сходства с нормальным субстратом.

Регуляторные системы и ритмические явления

Итак, имеется три уровня, на которых метаболиты могут специфически влиять на активность макромолекул: уровень ДНК – действие на синтез ДНК или РНК; уровень т-РНК – действие на синтез белка; уровень белка – действие на ферментативную активность или какую-либо другую функцию белка, например сократимость.

Внимание будет в основном обращено на первый уровень управления – регуляцию функции гена. Действие метаболитов на ферменты и другие макромолекулы лежит, собственно говоря, в рамках временного масштаба метаболической системы. Однако стационарное состояние метаболической системы определяется взаимодействием метаболитов и макромолекул, которое должно быть учтено при вычислении этого стационарного состояния.

Обнаружение специфических, замкнутых причинных цепей в биохимической организации клетки не только облегчило понимание работы внутриклеточных регулирующих систем, но и обеспечило почву для теоретического анализа. До того как была понята истинная природа этих замкнутых цепей, единственной структурой, на которой могла бы базироваться теория внутриклеточного управления, было слабое, конкурентное взаимодействие биосинтетических процессов. Под слабым взаимодействием понимается конкуренция за субстраты, или предшественники, общие для двух или более биосинтетических, или метаболических, систем. В противоположность этому специфическое влияние малых молекул на каталитическую активность или другие свойства поверхности макромолекул мы будем называть "сильным взаимодействием". Недавно было обнаружено, что именно сильные взаимодействия составляют основу регуляторных процессов в живой клетке. Теории регуляции, 'формулируемые в терминах слабых взаимодействий, разбиваются на две группы соответственно тому, концентрируют ли они свое внимание на взаимодействиях в метаболической или в эпигенетической системе. Так, в теории, развитой Уоддингтоном и Кэксером, основное значение придается метаболическим взаимодействиям. Эти авторы показали, каким образом, исходя из конкуренции между двумя метаболическими путями за общий предшественник, можно объяснить установление различных стационарных уровней для концентраций двух метаболитов, имевших равные начальные концентрации. В этих работах было установлено, что для объяснения деятельности биологических систем могут быть привлечены и многие другие свойства открытых метаболических систем, скажем "буферная емкость" сложных метаболических систем по отношению к внешним возмущениям. Однако эти свойства не имеют такого прямого отношения к проблеме регуляции биосинтеза, как конкуренция за общий предшественник.

Вопрос о том, как построить метаболический "переключающий" механизм, обеспечивающий сохранение одного из конкурирующих соединений и исчезновение другого или наоборот, всегда занимал важное место в кинетических исследованиях. При этом часто ссылаются на уравнения, полученные Денбигом, Хиксом и Пэйджем. Основной особенностью этих уравнений является присутствие автокаталитических членов, а также учет "сильного" взаимодействия, или связи, между различными автокаталитическими 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 автокаталитическими 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

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 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", 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, 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 развивающейся клетке зависит от того, насколько различные структуры, синтезирующие ферменты, способны к "выживанию" в среде с конкуренцией. Однако Уоддингтон 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 орнитинтранскарбамилазы, 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 ферментные системы изменяются независимо друг от друга? Конечно, АТФ может специфически контролировать и действительно контролирует синтез ферментов, участвующих в биосинтезе пуринов. В этом случае АТФ действует в цепи обратной связи в качестве репрессора точно так же, как и другие конечные продукты цепей биосинтеза. Но совершенно очевидно, что действие АТФ как общего энергетического источника клетки неспецифично. Если количество АТФ в клетке – ограниченно, то это тормозит все синтетические процессы. По-видимому, не все в одинаковой степени, однако и не столь специфически, чтобы обеспечить селективное управление синтезом различных белков. Такой общий метаболит, как АТФ, может быть использован как фактор отбора специфических состояний эпигенетической системы только при наличии в клетке дополнительных, независимых и специфических регуляторных систем. Фликинджер предложил теорию дифференцировки клеток, в которой высокоспецифичным и детерминированным компонентом системы является часовой механизм, управляющий деятельностью генов.

Таким образом, оказывается необходимым выделить два типа взаимодействий между переменными в клетке; мы назовем их сильными и слабыми по аналогии с физической терминологией. Сильные взаимодействия могут быть строго описаны математически и образуют основу полностью детерминированной модели регуляторных систем клетки. Слабые взаимодействия не представлены в уравнениях явно, поскольку они не составляют четко выделенной части системы регуляции. Однако их следует считать существенной частью всей системы, так как в противном случае мы получим не модель целой клетки, а систему уравнений, описывающую динамику части клетки. Существенными эпигенетическими переменными в нашей теории являются m-РНК, белок и некоторые метаболиты. Эта система погружена в весьма сложную биохимическую среду, о динамических свойствах которой мы почти ничего не знаем. Однако ее влияние на существенные переменные должно быть каким-то образом учтено, и поэтому слабые взаимодействия составляют существенную часть статистической механики. Итак, в нашем подходе клетка делится на детерминированную часть, описываемую уравнениями, содержащими регуляционные переменные, и вероятностную часть – всю остальную клетку, от которой зависит синтез существенных переменных. С точки зрения динамики детерминированной эпигенетической системы регуляции эта "остальная клетка" ведет себя как "шум". Даже детерминированные цепи регуляторных реакций с сильной связью, работающие в метаболической системе, должны действовать как шум на эпигенетические переменные, так как, согласно предпосылкам, скорости метаболических процессов значительно выше, чем эпигенетических. И именно через эту шумовую среду осуществляется слабая связь между регуляционными переменными. Подход с позиций статистической механики точно соответствует подобной ситуации. При этом степень приближения теории к реальной системе зависит от того, насколько правильно выбраны существенные переменные и насколько точно уравнения описывают их динамику.

Колебательный режим работы регуляторных систем

Теперь нас будет в основном интересовать возможность существования незатухающих колебаний концентраций веществ, включенных в замкнутые цепи регуляции. Такие колебания очень часто возникают в регуляторных системах с обратной связью. Инженеры называют их паразитными колебаниями, так как на них расходуется много энергии. Их обычно рассматривают как нежелательные и при конструировании следящих систем по возможности устраняют. Однако есть одно весьма замечательное исключение – самонастраивающиеся устройства, которые осуществляют непрерывный поиск для достижения состояния, оптимального согласно заданному критерию. В этом случае динамические колебания необходимы для эффективной работы устройства, и если они не появляются естественным путем, их нужно вызвать. Эта соблазнительная аналогия все же не имеет столь прямого отношения к деятельности биологических систем, как может показаться с первого взгляда. Основное назначение колебаний в самонастраивающихся системах – это борьба с трением покоя, которое уменьшает чувствительность устройства к изменению внешних параметров. Кроме того, незатухающие колебания около положения равновесия увеличивают скорость отработки контуров, вычисляющих оптимизирующую функцию.

Эти аспекты не имеют прямого отношения к открытым биохимическим системам, которые всегда находятся в движении – даже если в них поддерживается стационарное состояние, оно обеспечивается непрерывным синтезом и распадом отдельных компонентов. Точно так же нет оснований думать, что биохимические "датчики" лучше отвечают на осциллирующий сигнал, чем на постоянный. Однако имеются все основания считать, что в замкнутых цепях с репрессией, включающих ДНК, РНК, белок и метаболиты, могут возникнуть колебания. В такой системе любое изменение скорости синтеза m-РНК в генетическом локусе окажет влияние на состояние метаболической системы с некоторой задержкой во времени. Это вызывается тем, что существует длинная цепь – синтез m-РНК, диффузия m-РНК к месту синтеза белка, синтез фермента, возможная диффузия фермента к месту метаболической активности и, наконец, ферментативная реакция, – и каждая стадия этой цепи требует некоторого времени. Поэтому повышение концентрации репрессора, играющего роль обратного сигнала из метаболической системы в генетический локус, будет уменьшать скорость синтеза m-РНК с некоторым опозданием. При переходе из одного состояния в другое в такой системе обязательно возникнут колебания. Но эти колебания будут затухающими, если временная задержка между синтезом m-РНК и метаболическим сигналом обратной связи достаточна мала или если в системе имеет место "самодемпфирование". Может оказаться, что такие колебания являются помехой для адаптации и выживания, и тогда они могут быть подавлены теми же способами, какие используют инженеры для борьбы с паразитными колебаниями.

Однако имеются факты, показывающие, что в динамической организации клетки заложена некая фундаментальная периодичность. Эти факты накоплены в результате исследования ритмической деятельности клеток и организмов. В этой чрезвычайно быстро развивающейся в последние годы области были получены очень интересные и имеющие фундаментальное значение данные о природе и повсеместном распространении биологических часов. Наиболее активным сторонником представлений о колебательной природе временной организации биологических систем является Питтендрай. Недавно он высказал предположение, что первичные колебания, лежащие в основе этой организации, возникают из-за наличия обратных связей в системах, регулирующих физиологическую активность: "Дарвиновский демон, несомненно, имеет дело со множеством физиологических колебательных процессов, поскольку во всех системах управления – от регулирования ритма сердечных сокращений до синтеза белка – существенным элементом является отрицательная обратная связь. А такие системы обладают врожденной способностью совершать колебания". Еще раньше подобные представления развивались Гастингсом и Суини; А. Львов и М. Львов проанализировали возможность тесной связи между процессами регулирования с обратной связью и ритмическими, или периодическими, явлениями в биологических системах на разных уровнях организации, обратив особое внимание на мышечное сокращение. В этих работах заложены основы будущей теории динамики биологических регуляторных процессов – теории, основные постулаты которой должны быть справедливы в весьма широкой области биологических проблем, от биофизических до демографических, и даже в близко примыкающих к биологии областях, например в экономике.

Создание биологической "статистической механики" и "термодинамики" на основе кинетики периодических регуляторных систем было бы большим достижением теоретической и экспериментальной биологии. Исследование динамических систем, основанное на изучении периодических процессов, так же старо, как сама наука. Оно началось с наблюдений циклических движений небесных тел. Естественно, что математика разработала метод, соответствующий требованиям естественных наук, и теперь "гармонический анализ" занимает важнейшее место в высшей математике. Вообще человеческий ум устроен, по-видимому, таким образом, что он стремится представить все процессы в мире циклическими, как это делали создатели первых космогонических систем; другими словами, человек предпочитает описывать явления с помощью циклов.

Как бы то ни было, существование периодических явлений в динамике сложных систем имеет огромное значение для изучения этих систем. В частности, это было показано Пуанкаре в его исследованиях по небесной механике: "Эти столь драгоценные периодические решения, так сказать, пробили брешь, позволяющую наконец проникнуть в область, до сих пор считавшуюся недоступной". Периодические решения могут обеспечить доступ и в общую динамику клеточных процессов – область науки, до сих пор также почти неприступную. Интересно отметить, что экологические работы Вольтерра тоже имеют своей основой аналитическое исследование колебательных систем. Эти работы имели своей целью объяснить одно из наиболее ярких свойств экологических систем – колебания численности популяций. Вряд ли найдутся специалисты по экологии, которые станут вслед за Вольтерра приписывать взаимодействиям между хищником и жертвой решающую роль в общей экологической регуляции. В настоящее время гораздо большее значение приписывается наличию доступных источников пищи и физиологической регуляции воспроизведения и миграции. Такой подход гораздо ближе к представлениям о регуляции, основанным на принципе обратной связи.

Тем не менее, математическая процедура многим обязана методологии Вольтерра и Пуанкаре, а также более поздним исследованиям в этой области, в особенности очень интересным работам Кернера по статистической механике систем Вольтерра. Периодические явления очень удобны для экспериментального и теоретического изучения, так как позволяют опираться на классические, хорошо разработанные методы наблюдения и анализа.