книги из ГПНТБ / Жаботинский А.М. Концентрационные автоколебания

Рис. 50. Режим, соответствую­ щий границе полосы синхрони­ зации (/) и биения, возникаю­ щие при небольшом увеличении периода внешней силы (2)

Таким образом, границы полосы синхронизации для первой гармо­

ты. Качественная картина полос синхронизации для первых трех гармоник представлена на рис. 51 (случай 7\ <; Т2). Расположение полос относительно точек 1; 0,5; 0,33 совпадает с экспериментом (см. рис. 48). При уменьшении 7\ полосы сдвигаются вправо. При у/р 0 («треугольная» форма импульса) синхронизация в

Рис. 51. Теоретические области синхронизации в релаксацион­ ном режиме

согласии с моделью наблюдается практически только на частотах ниже собственной.Однако в противоречии с моделью границы полос синхронизации в эксперименте немонотонны. Это показывает, что УФ-облучение действует на систему более сложно, чем представ­ лено в модели.

В заключение нужно отметить, что внешняя синхронизация ко“- лебательных химических систем позволяет стабилизировать частоту и осуществить синхронное детектирование с накоплением сигнала за много периодов колебаний. Это дает возможность исследовать процессы, происходящие в системе в чеченке отрезков времени, ма-> лых^по сравнению с периодом колебаний, и в любой фазе колебаний.

Гл Ава Пятая

КОЛЕБАНИЯ В СИСТЕМЕ ГЛИКОЛИЗА

V

Гликолиз — это один из основных катаболических путей, на котором осуществляется распад глюкозы и других сахаров с одно­ временным образованием АТФ. Он может происходить в анаэроб­ ных условиях и в этом случае является практически единственным источником свободной энергии. Гликолиз сильно уступает окисли­ тельному фосфорилированию по эффективности преобразования свободной энергии С—Н- и С—С- связей в энергию так называемых макроэргических связей, однако мощность гликолиза значительно выше. Поэтому в тех случаях, когда потребность в универсальном топливе — АТФ очень высока, гликолиз интенсивно протекает и

ваэробных условиях, например, в сердечной мышце.

Впервом приближении гликолиз не связан ни с какими внутри­ клеточными структурами и может происходить в гомогенной систе­ ме. Поэтому гликолитический путь изучен лучше других метабо­ лических систем.

Исследование колебаний, обнаруженных в гликолитической системе, интересно не только само по себе, но и тем, что, по-види­ мому, позволяет выявить новые свойства механизма регуляции всего процесса.

СХЕМА И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГЛИКОЛИТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Упрощенная схема гликолиза приведена на рис. 52. На ней не показаны обратные реакции, ведущие к синтезу глюкозы, которые не существенны для механизма, ответственного за регулирование скорости гликолиза и за колебания (Малер, Кордес, 1970).

При превращении глюкозы в ФДФ расходуются две молекулы АТФ на молекулу глюкозы. Далее при образовании пирувата из £АФ синтезируются два эквивалента АТФ. Таким образом, в пол­ ной цепи гликолиза синтезируются две молекулы АТФ на каждую молекулу глюкозы. Этот синтез должен быть уравновешен реакция­ ми гидролиза АТФ, независимыми от гликолитического пути. Этот внешний потребитель — «обобщенная аденозинтрифосфатаза» — доказан на схеме. Кроме того, на схеме представлена аденилаткиназная реакция

Она является источником АМФ, выполняющего важную роль ре­ гулятора всей цепи. В анаэробных условиях в дрожжах течение гликолиза обеспечивается превращением пирувата в спирт с помо­ щью восстановленного пиридиннуклеотида, который вырабатывает­ ся на предыдущей стадии процесса. Таким образом, в цепи имеется несколько сильных обратных связей через коферменты. Схема, по­ казывающая пункты сопряжения, приведена на рис. 53.

Концентрация НАД-Н2 является наиболее удобной величиной для регистрации в кинетических экспериментах благодаря весь-

ма интенсивной флуоресценции НАД-Н2. Использование микрофлуориметра позволяет регистрировать колебания концентрации НАД-Н2 в одиночной дрожжевой клетке (Chance et а]. 1967). Концентрации промежуточных субстратов и коферментов лежат в диапазоне 10~4 ч - 10-2 М, концентрации ферментов — в диапазоне ГО-6 ч - 10~4 М (Hess et al., 1969). Концентрации субстратов на по­ рядок и более превышают концентрации соответствующих фермен­ тов. Исключением является участок от ГАФ до ФЕП, где концен­ трации субстратов меньше 10-4 М и близки к концентрациям соот­ ветствующих ферментов. Когда интенсивность гликолиза макси­ мальна, узким местом цепи является фосфофруктокиназная реак­ ция.

ФФК — это ключевой фермент гликолитической цепи. Актив­ ность этого фермента зависит от многих эффекторов. Так, например, АДФ и АМФ активируют его, а АТФ угнетает. Это — важнейшие регуляторы, которые обеспечивают правильное взаимодействие гликолиза и внутриклеточного дыхания. Если в результате интен­

Этим достигается трансформация энергии С—С- и С—Н-связей в энергию пирофосфатных связей с высоким КПД. Если же расход АДФ очень велик, то включается гликолиз.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ

В 1957 г. были описаны затухающие колебания концентрации Ь?*АД-Н2, возникающие в суспензии дрожжевых клеток при пере­ ходе от аэробных к анаэробным условиям (Duysens, Amesz, 1957). Интенсивное исследование этого явления началось в J964 г,

Колебания были зарегистрированы как в суспензии дрожжевых клеток (Ghosh, Chance, 1964), так и в очищенном от всех крупных частиц экстракте из этих клеток (Chance et al., 1964). Последнее да-’* ло основание считать, что механизм колебаний связан только с ра­ створимой (гомогенной) системой гликолиза. Периоды колебаний в суспензиях клеток ( ~ 0,5 мин.) и в экстрактах (3—10 мин.) отли­ чаются примерно на порядок. Однако можно думать, что это4 отличие не вызывается принципиальными изменениями в механизме генерации колебаний, а есть результат изменения концентраций ферментов.

Позже было показано, что колебания возникают и в экстрактах из клеток сердечной мышцы (Frenkel, 1965). Основные исследова­ ния механизма гликолитических колебаний проведены на экстрак­ тах.

С самого начала решающая роль была приписана фосфофруктокиназе. Было установлено, что концентрации Ф-6-Ф и ФДФ ко­ леблются практически в противофазе. Способность ФФК активи­ роваться своими продуктами сразу навела на мысль использовать схему Лотка для построения колебательной модели. Первая мо­ дель (Higgins, 1964) базировалась на активации ФФК фруктозодифосфатом. Вскоре было обнаружено, что если в качестве исход­ ного субстрата использовать не глюкозу, а дисахарид-трегалозу, то колебания становятся незатухающими (Руе, 1966; Pye, Chance, 1966). Сельков, анализируя другую модель (3.33), основанную напредположении об активации ФФК аденозиндифосфатом, заметил, что автоколебания возникают лишь при малой скорости притока ис-" ходного вещества. Он предположил, что возникновение автоколе­ баний при использовании трегалозы определяется низкой актив­ ностью фермента трегалазы, и указал, что это предположение мож­ но проверить с помощью инъекции различных субстратов в систе­ му извне с контролируемой постоянной скоростью (Sel’kov, 1968).

Гессом, Буато и Крюгером было показано, что .при инъекции ГЛЮ, Г-6-Ф и Ф-6-Ф с малой постоянной скоростью возникают автоколебания, при инъекции ФДФ колебания не возникают ни при каких условиях (Hess et al., 1969), Инъекция Г-6-Ф и Ф-6-Ф при­ водит к одинаковому эффекту. Табл. 4 дает представление о влия­ нии скорости притока субстрата на характер колебаний.

Следует отметить, что данные табл. 4 получены, по-видимому, в одной серии экспериментов, поскольку воспроизводимость резуль­ татов при работе с различными препаратами невысока. Так, при-од- них и тех же условиях в одних экспериментах наблюдаются квазигармонические колебания, а в других — импульсы или колебания сложной формы (многомаксимумные). Периоды колебаний также сильно изменяются (иногда в два раза). По оценке авторов, колеба­ ния происходят в диапазоне от 20 до 120% скорости гликолитического потока в физиологических условиях (100 мкмолей на 50 мгбел-

Дальнейшее построение моделей производится с помощью допуще­ ний, не вытекающих непосредственно из схемы (5.2). Первые мо­ дели, описывающие колебания, были построены на основе простей­ шей схемы:

АТФ АДФ

10 - С Н , С О О Н

скорость ФФК-реакции в тех условиях, когда происходят колеба­ ния, не зависит от концентрации АТФ.Кроме того,хотя в одних мо­ делях существенным продуктом (5.3) считался ФДФ, а в других АДФ, во всех случаях принималась линейная или гиперболиче­ ская зависимость скорости стока продукта от его концентрации.С по­ мощью таких допущений схема, в которой ключевые стадии являют­ ся двухсубстратными, сводится к различным вариантам одно­ субстратных схем, динамика которых хорошо изучена (глава 3).

Первая модель такого типа была предложена Хиггинсом, ко­ торый пренебрег влиянием АДФ на скорость реакции (5.3) (Higgins, 1964, 1967). Он предположил, что определяющим фактором являет­ ся линейная активация ФФК фруктозодифосфатом, причем сток ФДФ насыщен по его концентрации:

Эта схема приводит к модели (3.25), в которой возможны автоколе­ бания.

Сельков показал, что в тех условиях , когда наблюдаются коле­ бания, ФФК не активируется своими непосредственными продук­ тами (ФДФ и АДФ). Активатором является АМФ, образующийся из АДФ в реакции (5.1) (Сельков, 1968; Betz, Sel’kov, 1969). Считая АМФ единственным активатором, Сельков построил модель, удо-