Случайность и необходимость - Жак Моно

этапе все ферменты выполняли свою работу идеально, в клетке царил бы хаос, если только они бы не были каким-то образом взаимосвязаны в согласованную систему. В действительности же мы имеем явные свидетельства чрезвычайной эффективности химических процессов живых существ, от «простейших» до самых сложных.

Нам, конечно, давно известно о существовании у животных систем, координирующих работу организма: такова основная функция нервной и эндокринной систем, обеспечивающих взаимосвязь между органами и тканями, то есть между клетками. Кроме того, сегодня мы знаем, что внутри каждой клетки существует не менее (если не более) сложная кибернетическая сеть, гарантирующая функциональную согласованность внутриклеточных химических механизмов и открытая в ходе недавних исследований. Большинство были проведены всего двадцать, другие – пять-десять лет назад.

Регуляторные белки и механизмы регуляции

В настоящее время мы по-прежнему далеки от полного понимания системы, управляющей метаболизмом, ростом и делением бактерий – простейших из известных нам клеток. Тем не менее благодаря тщательному анализу отдельных частей этой системы сегодня мы достаточно хорошо понимаем принципы, по которым она работает. Именно эти принципы мы и обсудим в этой главе. В частности, мы увидим, что элементарные операции управления выполняются специализированными белками, служащими детекторами и преобразователями химической информации.

Наиболее изученными регуляторными белками являются так называемые аллостерические ферменты. Они составляют особый класс в силу особенностей, отличающих их от «обычных» ферментов. Подобно последним, аллостерические ферменты распознают и избирательно связывают определенный субстрат и активируют его превращение в конечные продукты. Но эти ферменты обладают еще одним свойством: они способны избирательно распознавать одно или несколько других соединений, чья (стереоспецифичная) ассоциация с белком оказывает модифицирующее действие – иными словами, усиливает или подавляет их активность по отношению к субстрату.

Регуляторная, координирующая функция взаимодействий данного типа (известных как аллостерические взаимодействия) доказана бесчисленными примерами. Все такие взаимодействия можно подразделить на некоторое число «регуляторных паттернов» в зависимости от взаимосвязи между рассматриваемой реакцией и метаболическим происхождением контролирующих ее аллостерических эффекторов. Основные регуляторные паттерны таковы (Рис. 2):

1. Ингибирование по принципу обратной связи. Фермент, катализирующий первую реакцию последовательности, конечным продуктом которой является незаменимый метаболит[19] (например, компонент белков или нуклеиновых кислот), ингибируется конечным продуктом последовательности. Таким образом, внутриклеточная концентрация этого метаболита определяет скорость его синтеза.

2. Активация по принципу обратной связи. Фермент активируется продуктом распада конечных метаболитов, высокий химический потенциал которых служит источником энергии для обменных процессов внутри клетки. Данный регуляторный паттерн способствует поддержанию доступного химического потенциала на заданном уровне.

3. Параллельная активация. Первый фермент цепи реакций, ведущей к образованию незаменимого метаболита, активируется метаболитом, синтезируемым независимой и параллельной последовательностью реакций. Данный способ регуляции способствует поддержанию равновесия между метаболитами, принадлежащими к одному семейству и предназначенными для сборки макромолекул одного класса.

4. Активация предшественником. Фермент активируется соединением, являющимся более или менее дальним предшественником его непосредственного субстрата. Этот способ регуляции предполагает зависимость «спроса» от «предложения». Распространенный вариант такого рода взаимодействий – активация фермента самим субстратом. В данном случае субстрат играет свою «обычную» роль и в то же время роль аллостерического эффектора по отношению к ферменту.

Рис. 2. Различные способы регуляции, обеспечиваемые аллостерическими взаимодействиями. Жирными стрелками обозначены реакции, в которых образуются промежуточные соединения (буквы A, Б и т. д.). Буквой М обозначен конечный метаболит, завершение цепи реакций. Пунктирные стрелки указывают на происхождение и место применения метаболита, действующего в качестве аллостерического эффектора, ингибитора или активатора реакции.

Аллостерическим ферментам редко свойственен только один способ регуляции. Как правило, такие ферменты находятся под одновременным контролем нескольких аллостерических эффекторов. Одни действуют сообща, другие являются взаимными антагонистами. Достаточно часто наблюдается «тройственная» регуляция, включающая:

а) активацию субстратом (способ 5);

б) ингибирование конечным продуктом цепи реакций (способ 1);

в) параллельную активацию метаболитом то-го же семейства, что и конечный продукт (способ 3).

Фермент одновременно распознает все три эффектора и «измеряет» их относительные концентрации; в любой момент времени его активность представляет собой интегрирование данных, поступающих из этих трех источников.

Для иллюстрации невероятной сложности этих систем можно привести регуляторные паттерны «разветвленных» метаболических путей (Рис. 3). Последние весьма многочисленны. В этих случаях, как правило, не только первоначальные реакции на метаболической вилке регулируются ингибированием конечным продуктом, но и более ранняя реакция, расположенная выше на общей ветви, сорегулируется двумя (или несколькими) конечными метаболитами[20]. Опасность блокировки синтеза одного метаболита избытком другого устраняется, в зависимости от конкретных обстоятельств, одним из двух способов:

а) вовлечением в реакцию двух разных ферментов, каждый из которых ингибирует один метаболит, но не другой;

или

б) с помощью одного фермента, ингибируемого двумя метаболитами, действующими «сообща», но не любым из них по отдельности.

Рис. 3. Аллостерическая регуляция разветвленных метаболических путей. Значение символов (букв и стрелок) см. на рис. 2.

Необходимо подчеркнуть, что, если вынести за скобки субстрат, эффекторы, регулирующие активность аллостерического фермента, не принимают участия в самой реакции. С ферментом они образуют нековалентный комплекс, полностью и мгновенно обратимый, из которого выходят абсолютно неизмененными. Потребление энергии, связанное с регуляторным взаимодействием, практически равно нулю: оно составляет лишь ничтожную долю внутриклеточного химического потенциала эффекторов. С другой стороны, каталитическая реакция, управляемая этими очень слабыми взаимодействиями, может, в свою очередь, предполагать перенос относительно большого количества энергии. Следовательно, такие системы сравнимы с системами, используемыми в электронных схемах. В частности, незначительная доля энергии, потребляемая реле, может вызвать крупномасштабную операцию, например пуск баллистической ракеты.

* * *

Как электронное реле может управляться одновременно несколькими электрическими потенциалами, так и аллостерический фермент обычно управляется несколькими химическими потенциалами. Однако на этом аналогия не заканчивается. В большинстве случаев желательно, чтобы релейная система реагировала на изменения управляющего ею потенциала нелинейно; таким образом мы можем добиться пороговых эффектов, позволяющих проводить более тонкое регулирование. То же относится и к большинству аллостерических ферментов. Кривая, отражающая изменение активности в зависимости от концентрации эффектора (включая субстрат), почти всегда принимает S‐образную форму. Иными словами, на начальных стадиях эффект лиганда[21] возрастает быстрее, чем его концентрация. Это поведение тем более примечательно, что оно, по всей видимости, характерно для всех аллостерических ферментов. У обычных, «классических» ферментов, наоборот, эффект всегда растет медленнее концентрации.

Я точно не знаю, каков минимальный вес электронного реле, обладающего теми же логическими свойствами, что и средний аллостерический фермент (получающий и интегрирующий входные сигналы от трех или четырех источников и реагирующий с пороговым эффектом). Скажем, около сотой доли грамма. Вес молекулы аллостерического фермента составляет порядка 10–17 грамма. Это в миллион миллиардов раз меньше, чем вес электронного реле. Данная астрономическая цифра дает некоторое представление о «кибернетической» (т. е. телеономической) мощи клетки, содержащей сотни и тысячи