5. Первое знакомство с молекулярной биологией

5. Первое знакомство с молекулярной биологией

Ранее в этой главе мы уже показали, что в сильно неравновесных условиях протекают процессы самоорга­низации различных типов. Одни из них приводят к уста­новлению химических колебаний, другие — к появлению пространственных структур. Мы видели, что основным условием возникновения явлений самоорганизации явля­ется существование каталитических эффектов.

В то время как в неорганическом мире обратная связь между «следствиями» (конечными продуктами) нелинейных реакций и породившими их «причинами» встречается сравнительно редко, в живых системах об­ратная связь (как установлено молекулярной биологи­ей), напротив, является скорее правилом, чем исключе­нием. Автокатализ (присутствие вещества Х ускоряет процесс образования его в результате реакции), автоингибиция (присутствие вещества Х блокирует катализ, необходимый для производства X) и кросс-катализ (каждое из двух веществ, принадлежащих различным цепям реакций, является катализатором для синтеза другого) лежат в основе классического механизма регу­ляции, обеспечивающего согласованность метаболиче­ской функции.

Нам бы хотелось подчеркнуть одно любопытное раз­личие. В примерах самоорганизации, известных из не­органической химии, молекулы, участвующие в реак­циях, просты, тогда как механизмы реакций сложны (например, в реакции Белоусова—Жаботинского уда­лось установить около тридцати различных промежуточ­ных соединений). С другой стороны, во многих примерах самоорганизации, известных из биологии, схема реакции проста, тогда как молекулы, участвующие в реакции веществ (протеинов нуклеиновых кислот и т. д.), весьма сложны и специфичны. Отмеченное нами различие вряд ли носит случайный характер. В нем проявляется некий первичный элемент, присущий различию между физикой и биологией. У биологических систем есть прошлое. Об­разующие их молекулы — итог предшествующей эволю­ции; они были отобраны для участия в автокаталитиче­ских механизмах, призванных породить весьма специ­фические формы процессов организации.

Описание сложной сети метаболической активности и торможения является существенным шагом в понима­нии функциональной логики биологических систем. К последней мы относим включение в нужный момент синтеза необходимых веществ и блокирование тех хими­ческих реакций, неиспользованные продукты которых могли бы угрожать клетке переполнением.

Основной механизм, с помощью которого молекуляр­ная биология объясняет передачу и переработку генети­ческой информации, по существу, является петлей об­ратной связи, т. е. нелинейным механизмом. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), содержащая в линейно упорядоченном виде всю информацию, необходимую для синтеза различных основных протеинов (без которых невозможно строительство и функционирование клетки), участвует в последовательности реакций, в ходе кото­рых вся информация кодируется в виде определенной последовательности различных протеинов. Некоторые ферменты осуществляют обратную связь среди синтези­рованных протеинов, активируя и регулируя не только различные стадии превращений, но и автокаталитиче­ский механизм репликации ДНК, позволяющий копиро­вать генетическую информацию с такой же скоростью, с какой размножаются клетки.

Молекулярная биология — один из наиболее ярких примеров конвергенции двух наук. Понимание процес­сов, происходящих на молекулярном уровне в биологи­ческих системах, требует взаимно дополняющего разви­тия физики и биологии, первой — в направлении слож­ного, второй — простого.

Фактически уже сейчас физика имеет дело с иссле­дованием сложных ситуаций, далеких от идеализации, описываемых равновесной термодинамикой, а молеку­лярная биология добилась больших успехов в установ­лении связи живых структур с относительно небольшим числом основных биомолекул. Исследуя множество са­мых различных химических механизмов, молекулярная биология установила мельчайшие детали цепей метабо­лических реакций, выяснила тонкую, сложную логику регулирования, ингибирования и активации каталитиче­ской функции ферментов, связанных с критическими стадиями каждой из метаболических цепей. Тем самым молекулярная биология установила на микроскопиче­ском уровне основы тех неустойчивостей, которые могут происходить в сильно неравновесных условиях.

В некотором смысле живые системы можно сравнить с хорошо налаженным фабричным производством: с од­ной стороны, они являются вместилищем многочислен­ных химических превращений, с другой — демонстри­руют великолепную пространственно-временную органи­зацию с весьма неравномерным распределением биохи­мического материала. Ныне перед нами открывается возможность связать воедино функцию и структуру. Рассмотрим кратко два примера, интенсивно исследо­вавшиеся в последние годы.

Начнем с гликолиза: цепи метаболических реакций, приводящих к расщеплению глюкозы и синтезу аденозинтрифосфата (АТФ) — универсального аккумулятора энергии, общего для всех живых клеток. При расщепле­нии каждой молекулы глюкозы две молекулы АДФ (аденозиндифосфата) превращаются в две молекулы АТФ. Гликолиз может служить наглядным примером взаимной дополнительности аналитического подхода биологии и физического исследования устойчивости в сильно неравновесной области.

В ходе биохимических экспериментов были обнару­жены колебания во времени концентраций, связанных с гликолитическим циклом. Было показано, что эти ко­лебания определяются ключевой стадией в цепи реак­ций — стадией, активируемой АДФ и ингибируемой АТФ. Это — типично нелинейное явление, хорошо при­способленное к регулированию метаболизма. Всякий раз, когда клетка черпает энергию из своих энергети­ческих резервов, она использует фосфатные связи, и АТФ превращается в АДФ. Таким образом, накопление АДФ внутри клетки свидетельствует об интенсивном потреблении энергии и необходимости пополнить энер­гетические запасы, в то время как накопление АТФ оз­начает, что расщепление глюкозы может происходить в более медленном темпе.

Теоретическое исследование гликолиза показало, что предложенный механизм действительно может порож­дать концентрационные колебания, т. е. обеспечивать работу химических часов. Вычисленные из теоретических соображений значения концентраций, необходимые для возникновения колебаний, и величина периода цикла согласуются с экспериментальными данными. Гликолитические колебания вызывают модуляцию всех энерге­тических процессов в клетке, зависящих от концентрации АТФ, и, следовательно, косвенно влияют на другие метаболические цепи.

Можно пойти еще дальше и показать, что в гликолитическом цикле ход реакций регулируется некоторыми ключевыми ферментами, причем сами реакции проте­кают в сильно неравновесных условиях. Такие расчеты были выполнены Бенно Хессом, а полученные резуль­таты обобщены и на другие системы. При обычных условиях; гликолитический цикл соответствует химиче­ским часам, но изменение этих условий может привести к образованию пространственных структур в полном соответствии с предсказаниями на основе существующих теоретических моделей.

С точки зрения термодинамики живая система отли­чается необычайной сложностью. Одни реакции проте­кают в слабо неравновесных условиях, другие — в силь­но неравновесных условиях. Не все в живой системе «живо». Проходящий через живую систему поток энер­гии несколько напоминает течение реки — то спокойной и плавной, то низвергающейся водопадом и высвобож­дающей часть накопленной в ней энергии.

Рассмотрим еще один биологический процесс, также исследованный «на устойчивость»: образование колоний у коллективных амеб Dictyostelium discoideum. Этот процесс интересен как пример явления, пограничного между одноклеточной и многоклеточной биологией.

Образование колоний у коллективных амеб — один из наиболее ярких примеров явления самоорганизации в биологической системе, в которой важную роль играют химические часы (см. рис. А).

Выйдя из спор, амебы растут и размножаются как одноклеточ­ные организмы. Так продолжается до тех пор, пока пищи (главным образом, бактерий) достаточно. Как только пищевой ресурс исто­щается, амебы перестают репродуцироваться и вступают в промежу­точную фазу, которая длится около восьми часов. К концу этого периода амебы начинают сползаться к отдельным клеткам, выпол­няющим функции центров агрегации. Образование многоклеточных колоний, ведущих себя как единый организм, происходит в ответ на хемотаксические сигналы, испускаемые центрами. Сформировавшаяся колония мигрирует до тех пор, пока не обнаружит участок среды с условиями, пригодными для образования плодового тела. Тогда масса клеток начинает дифференцироваться, образуя стебель, несу­щий на конце мириады спор.

У Dictyostelium. discoideum сползание одноклеточных амеб в многоклеточную колонию происходит не монотонно, а периодически. Как показывает киносъемка процесса образования колоний, сущест­вуют концентрические волны амеб, сходящиеся к центру с периодом

в несколько минут. Природа хемотаксического фактора известна. Это циклическая АМФ (цАМФ) — вещество, встречающееся во многих биохимических процессах, например в процессах гормональной регу­ляции. Центры скопления амеб периодически испускают сигналы — порции цАМФ, на которые другие клетки реагируют, перемещаясь к центру и в свою очередь испуская аналогичные сигналы к перифе­рии территории, занимаемой колонией. Существование такого меха­низма передачи  хемотаксических сигналов позволяет каждому центру контролировать колонию, состоящую примерно из 10 амеб.

Как показывает анализ модели образования многоклеточной колонии, существуют два типа бифуркаций: во-первых, агрегация сама по себе представляет нарушение пространственной симметрии; во-вторых, происходит нарушение временной симметрии.

Первоначально амебы распределены равномерно. Когда неко­торые из них начинают испускать хемотаксические сигналы, возника­ют локальные флуктуации в концентрации цАМФ. При достижении критического значения некоторого параметра системы (коэффициента диффузии цАМФ, подвижности амеб и т.д.) флуктуации усилива­ются: однородное распределение становится неустойчивым и амебы эволюционируют к неоднородному распределению в пространстве. Это новое распределение соответствует скоплению амеб вокруг цен­тров.

Для того чтобы понять происхождение периодичности в сполза­нии D. discoideum к центрам, необходимо изучить механизм синтеза хемотаксического сигнала. На основе экспериментальных данных этот механизм можно изобразить в виде следующей схемы (рис. В).

На поверхности клетки рецепторы (Р) захватывают молекулы

цАМФ. Рецептор обращен во внеклеточную среду и функционально связан с ферментом аденилатциклазой (Ц), преобразующим внутри­клеточную АТФ в цАМФ (на рис. цАМФ не обозначена). Синтези­рованная цАМФ транспортируется через мембрану во внеклеточную среду, где расщепляется фосфодиэстеразой — ферментом,  выде­ляемым амебами. Эксперименты показывают, что захват внемолекулярной цАМФ мембранным рецептором активирует аденилатциклазу (положительная обратная связь обозначена знаком +).

Анализ модели синтеза цАМФ на основе такой автокаталитической регуляции позволил унифицировать различные типы поведения, наблюдаемые при образовании колонии коллективных  амеб.

Двумя ключевыми параметрами модели являются концентрации аденилатциклазы (s) и фосфодиэстеразы (k). На рис. С, заимствован­ном из работы Goldbeter A., Segel L.. Differentiation, 1980, 17, p. 127—135, показано поведение модельной системы в пространстве параметров s и k.

В зависимости от значений s и k все пространство этих парамет­ров подразделяется на три области. Область А соответствует устойчи­вому, невозбудимому стационарному  состоянию, область В — устойчивому, но возбудимому стационарному состоянию и область С — режиму незатухающих колебаний вокруг неустойчивого стаци­онарного состояния.

Стрелка указывает возможный «путь развития», соответствую­щий повышению концентрации фосфодиэстеразы (k) и аденилатциклазы (s), наблюдаемому после начала голодания. Переход из об­ласти А в области В и С соответствует наблюдаемым изменениям в поведении: клетки сначала неспособны реагировать на сигналы — внеклеточную цАМФ, затем начинают передавать сигналы дальше и, наконец, обретают способность автономно синтезировать цАМФ в периодическом режиме. Центры колоний являются клетками, для которых параметры k и s быстрее достигают точки внутри области С после начала голодания.

Когда запас питательных веществ в той среде, в ко­торой живут и размножаются коллективные амебы, ис­сякает, происходит удивительная перестройка (рис. А): отдельные клетки начинают соединяться в колонию, на­считывающую несколько десятков тысяч клеток. Обра­зовавшийся «псевдоплазмодий» претерпевает дифферен­циацию, причем очертания его непрерывно изменяются. Образуется «ножка», состоящая примерно из трети всех клеток, с избыточным содержанием целлюлозы. Эта «ножка» несет на себе круглую «головку», напол­ненную спорами, которые отделяются и распространя­ются. Как только споры приходят в соприкосновение с достаточно питательной средой, они начинают размно­жаться и образуют новую колонию коллективных амеб. Перед нами наглядный пример приспособления к окру­жающей среде. Популяция обитает в некоторой области до тех пор, пока не исчерпывает имеющиеся там ресур­сы. Затем она претерпевает метаморфозу, в результате которой обретает способность передвигаться и осваивать другие области.

Исследование первой стадии образования колонии показало, что она начинается с волн перемещения отдельных амеб, распространяющихся по их популяции к спонтанно возникающему «центру притяжения». Экспе­риментальные исследования и анализ теоретических моделей установили, что миграция является откликом клеток на существование в среде градиента концентра­ции ключевого вещества — циклической АМФ, периоди­чески испускаемого сначала амебой, ставшей центром притяжения, а затем — после срабатывания механизма задержки — и другими амебами. И в этом случае мы видим, какую важную роль играют химические часы. Как уже неоднократно подчеркивалось, они, по сущест­ву, являются новым средством связи. В случае коллек­тивных амеб механизм самоорганизации приводит к установлению связи между клетками.

Мы хотели бы подчеркнуть еще один аспект. Образование колоний коллективных амеб — типичный пример того, что можно было бы назвать «порядком через флуктуации»: возникновение «центра притяжения», ис­пускающего циклическую АМФ, сигнализирует о потере устойчивости нормальной питательной среды, т. е. об исчерпании запаса питательных веществ. То, что при нехватке пищевого ресурса любая амеба может начать испускание химических сигналов — циклической АМФ — и, таким образом, стать «центром притяжения» для ос­тальных амеб, соответствует случайному характеру флуктуации. В данном случае флуктуация усиливается и организует среду.