Саморегуляция процессов метаболизма

Уже на метаболическом уровне в клетке осуществляется отно­сительно автономное управление и регулирование; необходимость такого регулирования связана с системным характером процесса обмена веществ. Если реакции будут несогласованными, это при­ведет к накоплению одних продуктов, недостатку других и в ко­нечном счете к разрушению клетки как единого целого. Эта уп­равляемость всех стадий и согласованность течения огромного (~1000) числа химических процессов, протекающих в крошеч­ном объеме (~ 10^-9 см), придает метаболизму клетки существен­но новые черты по сравнению с теми, которые наблюдает химик в неживой природе.

Системы регулирования реакций обеспечивают постепенное вы­деление энергии. Вне клетки, например, глюкоза, соединяясь с кислородом, сгорает с выделением большого количества тепла и резким повышением температуры. Тот же процесс окисления глю­козы в клетке происходит при температуре, равной 30—40° С, вследствие того, что он разбит на много стадий, каждая из которых освобождает небольшую долю суммарной энергии и ведет к записанию ее в макроэргических связах АТФ.

Кооперативные процессы

Кооперативными процессами в молекулярной физике называют такие процессы, в которых продукт процесса влияет на скорость протекания этого же самого процесса вследствие того, что закон взаимодействия между частицами зависит от количества продукта.

С точки зрения кибернетики, кооперативные процессы — это не что иное, как процессы с обратной связью, которая осуществля­ется в силу наличия зависимости между законом взаимодействия частиц системы и количеством продукта.

Кооперативными являются, например, «переходы спираль—клубок», заключающиеся в том, что при критических условиях (опоп­ределяемых температурой или ионами) водородные связи, поддер­живающие спиральную структуру белка, становятся неустойчи­выми и молекула сворачивается в неупорядоченный клубок. Од­нако для того чтобы эта неустойчивость реализовалась, нужно, чтобы появилось хотя бы несколько «затравочных» разрывов. Дальше процесс развивается кооперативно: чем больше водород­ных связей разрушено, тем легче разрушать остальные. В резуль­тате разрушается вторичная и третичная структура белка и поли­мер превращается в статистически свернутый клубок. Аналогичные переходы имеют место и для нуклеиновых кислот.

Кооперативные процессы, связанные с перестройкой воды или конформационными изменениями макромолекул, могут лежать в основе действия биологических усилительных систем. Заметим, что лавинная перестройка структур возможна лишь потому, что эта структура при данных условиях является неравновесной. Такая структура существует устойчиво лишь до тех пор, пока есть энер­гия и регулирование. Когда в силу изменившихся условий грани­цы устойчивости превзойдены, избыточная энергия, имеющаяся в неравновесной структуре, может выделится. Слабое воздействие приводит к мощному результату, т. е. осуществляется усиление сигнала.

Вопрос о биологических усилителях является чрезвычайно инте­ресным, но пока еще слабо разработанным. Экспериментально по­казано, что для возникновения зрительного ощущения достаточно 1—2 квантов света. Это значит, что ничтож­но слабое воздействие на входе (с энергией порядка 10-¹² эрг) по­рождает целую серию импульсов (с энергией 10^-6 эрг на импульс) на выходе воспринимающего аппарата сетчатки. Система сетчат­ки, следовательно, имеет коэффициент усиления 10⁶!

Не менее эффективными должны быть системы усиления, свя­занные, например, с митогенетическими лучами. Имеются опыты, на основании которых делается вывод о том, что достаточно всего лишь одного фотона для запуска такого сложнейшего процесса, как деление клетки. Интересным является и то, что длины волн этих фотонов лежат в области 300—190 нм, т. е. в области, где исклю­чены «помехи», как со стороны видимого света, так и от сверхсла­бых свечений в видимой и ближней ультрафиолетовой части спектра, возникающих при некоторых биохимических реакциях окисления. Усилительные системы не обязательно связаны с кван­товыми процессами. Примером заведомо бесквантовых процес­сов могут служить процессы восприятия звука или процессы в ося­зательных рецепторах. Здесь смещение мембраны на доли нано­метра способно привести к возникновению серий нервных импуль­сов. Коэффициент усиления опять-таки ^~ 10^б.

Следующим важным фактором управления, связанным с кооперативностью макромолекул, являются аллостерические влияния. Так называются изменения конформации активного центра (или его способности к перестройкам), возникающие при присоедине­нии какого-либо вещества к ферменту в области, удаленной от ак­тивного центра. Известно, какую огромную роль в регулировании физиологических функций играют гормоны — вещества, химичес­ки весьма мало активные, несмотря на это, способные резко вли­ять на самые разнообразные биохимические процессы. Действие гормонов в большинстве случаев, по-видимому, связано именно с аллостерическим эффектом; без этого предположения очень труд­но понять, почему сравнительно инертное вещество, совершенно не сходное по структуре с метаболитом, оказывает столь сильное влияние на его превращения, даже и присутствуя в очень малых концентрациях.

В основе аллостерического влияния, как и в основе индуциро­ванного соответствия фермент-субстрат, лежат кооперативные про­цессы, обеспечивающие структурную подвижность белковой моле­кулы.

Наконец, существуют такие ферменты, активный центр которых не сосредоточен на одной молекуле, а возникает при образовании комплекса. В этом случае распад и образование комплекса являют­ся определяющими факторами в управлении. Аллостерические эф­фекты позволяют осуществлять саморегулирование метаболических процессов по принципу обратной связи. Во многих случаях продукт реакции способен влиять на активность фермента, катализирующе­го эту реакцию или какую-либо из реакций, предшествующих дан­ному участку метаболизма. Продукт, таким образом, является сиг­налом обратной связи, лежащей в основе большей части систем ре­гулирования. Если обратная связь отрицательна, т. е. продукт является аллостерическим ингибитором фермента, то система после определенного переходного режима приходит к стационарному сос­тоянию, обеспечивающему определенную концентрацию продукта в клетке. В случае положительной обратной связи в системе могут возникнуть автоколебания, как, например, в системе гликолиза при определенных условиях. В последнем случае причина автоколебаний связана с ферментом фосфофруктокиназой, который активируется продуктами той реакции, которую он катали­зирует.

Рассмотренные примеры позволяют оценить степень сложности «элементарных» процессов, на базе которых образуются клеточные синергии. Уже на уровне метаболических превращений видны кар­динально новые черты, отличающие метаболизм клетки от простой совокупности химических реакций и превращающие клетку в це­лостную саморегулируемую систему.

1.Практически все реакции проводятся с помощью высокоспе­циализированных ферментов. Ферменты являются ключевыми точками для приложения управляющих сигналов. Наиболее изученны­ми в настоящее время являются сигналы химической природы.

2.В отличие от «обычных» химических реакций клетка широко использует принцип матричного синтеза, который является осно­вой кодирования и передачи информации на уровне макромоле­кул.

3.Существенной чертой метаболических реакций является то, что поверхности, на которых протекает большая их часть, не яв­ляются просто пассивными барьерами, подобно стенкам пробир­ки. Биологические мембраны являются активными компонентами происходящих на них химических процессов. В ряде случаев сами ферменты непосредственно «встроены в архитектуру» мембраны. Молекулярные компоненты мембран, в частности фосфолипиды, могут быть субстратами метаболических превращений. Возможно, что мембранные структуры способны служить каналами передачи энергии, необходимой для протекания реакции. С мембранами свя­зана и вторая по важности после ферментативной фундаментальная управляющая система клетки — свободно-радикальная система ре­гулирования.