Молекулы как элементы системы регуляции и управления

Выше рассмотрены примеры стабилизации концентрации АТФ как составной части гомеостаза. Поддержание постоянных концентраций – частный случай управления концентрациями химических компонентов клетки.

Общая проблема регуляции скоростей молекулярных процессов – обеспечить достаточное изменение скорости при воздействии, которое само может быть слабым. Поэтому требуется некоторое преобразование исходного стимула в изменение концентрации какого-то вещества (или т.п., например, «2-мерная концентрация» для вещества в мембране, степень заполнения…) и его последующее усиление.

При этом решаются те же проблемы, что и при организации технических систем, и поэтому обсуждение можно вести в терминах теории управления: коэффициент усиления, устойчивость, контуры обратных связей и т.п. Например, коэффициент усиления – это отношение сигнала на выходе из устройства к сигналу на входе.

U = (∆y/y)/(∆c/c)

Если входной и выходной сигналы – концентрации некоторых веществ, то коэффициент усиления – это отношение относительных изменений этих концентраций.

В примере выше с усилителем АТФ–АДФ–АМФ

U = (∆АМФ/АМФ)/(∆АТФ/АТФ) = 300

В управлении скоростями молекулярных процессов использованы некоторые стандартные решения. Как правило, скорость и ход процесса регулирует, так или иначе, некоторая концентрация или воздействие на нее (например, энергетический обмен регулируется через концентрацию АТФ, как описано выше).

Молекула регулятора (c) может связаться с функциональной молекулой (обычно – белком, обозначим ее E), а от этого зависит ее активность. В предельном случае функциональная молекула активна в одном случае (например, при наличии связавшейся с ней молекулы регулятора, т.е в форме Ec) и неактивна в противоположном случае (т.е. в форме E).

Механизм, который обеспечивает такой результат – изменение пространственной структуры белка. Например, при связывании с регулятором становится возможной посадка реагирующих частиц в активный центр (в противном случае он недоступен для какой-то из взаимодействующих молекул).

Регуляция при связывании с одной молекулой регулятора

Если центр связывания один, то схема связывания

E + c = Ec

и т.д. (уже обсуждали ее выше на примере связывания кислорода с миоглобином)

… можно выразить концентрацию активной формы белка (например, действующей как фермент переносчик, сократимый белок…).

[Ec] = Kc[E] = E₀ Kc /(1 + Kc )

и аналогично для степени насыщения

Тогда скорость регулируемого процесса будет пропорциональна этой концентрации (если не предусмотрена некая более сложная регуляция).

Иными словами, в этом простейшем случае типовая зависимость скорости процесса от концентрации регулятора – гиперболическая.

Гиперболическая зависимость дает достаточно слабое усиление малого изменения концентрации регулятора. При малых концентрация активной формы пропорциональна концентрации регулятора, т.е. для изменения скорости в 10 раз нужно в 10 раз увеличить концентрацию. А при более высоких концентрациях эффект еще слабее, падая до нуля при высоких концентрациях регулятора, т.к. в этом случае концентрация активной формы перестает изменяться.

Иными словами, ясно, что усиление малого изменения концентрации регулятора в данном случае достаточно слабое (низкий коэффициент усиления с этой точки зрения).

получили, что при связывании с одной молекулой регулятора нужно очень большое изменение концентрации (особенно для полного переключения – с использованием или выключением всех возможностей)

Такое свойство для схемы связывания с одной молекулой регулятора не изменяется также, если активной формой является свободная форма, которой отвечает концентрация [E] (а не [Ec], как выше).

А требуется и фактически часто осуществляется очень резкое переключение. Например, у мухи при переходе к полету и уменьшении АТФ на 10% наблюдается 100-кратное увеличение скорости гликолиза, т.е. в данном случае реальная система регуляции обеспечивает коэффициент усиления, равный 1000.

Во многих других ситуациях реальной жизнедеятельности коэффициент усиления необходим высокий (в сравнении с единицей как стандартном отсутствия усиления), в предельном случае зависимость скорости процесса от концентрации регулятора – ступенчатая.