Достигнутые в последнее время успехи в исследовании механизмов функционирования клеточных систем, кодирования и регуляции биохимических процессов, послужившие причиной небывалого подъема биологии, обусловливают возможность создания единой и твердой основы для понимания внутриклеточных процессов. Наиболее важным результатом этих исследований можно считать доказательство того, что высокоспецифические механизмы, регулирующие концентрации и активность макромолекул, действуют по принципу обратной связи. Сигналы обратной связи, управляющие деятельностью макромолекул, передаются обычно с помощью малых, быстро диффундирующих молекул, принадлежащих по нашей терминологии к метаболической системе. После того как было показано, что метаболиты весьма специфически влияют на активность генов, причинная цепь ДНК – РНК – белок – метаболит оказалась замкнутой. Установлено, что эти метаболиты реагируют с высокой степенью специфичности с определенным генетическим локусом. Таким образом, состояние клетки регулируется значительно более точным механизмом, нежели обычная конкуренция, которой ранее приписывали основную роль в регуляции клеточных процессов. По-видимому, существуют петли связи и более короткие, чем от ДНК к метаболиту и назад к ДНК. Ингибирование ферментов продуктами реакции было обнаружено уже достаточно давно; возможно также, что метаболиты могут ингибировать информационную РНК на рибосомах. Новое, однако, состоит в том, что, как оказалось, ингибитор может не иметь никакого стереохимического сходства с нормальным субстратом.

Регуляторные системы и ритмические явления

Итак, имеется три уровня, на которых метаболиты могут специфически влиять на активность макромолекул: уровень ДНК – действие на синтез ДНК или РНК; уровень т-РНК – действие на синтез белка; уровень белка – действие на ферментативную активность или какую-либо другую функцию белка, например сократимость.

Внимание будет в основном обращено на первый уровень управления – регуляцию функции гена. Действие метаболитов на ферменты и другие макромолекулы лежит, собственно говоря, в рамках временного масштаба метаболической системы. Однако стационарное состояние метаболической системы определяется взаимодействием метаболитов и макромолекул, которое должно быть учтено при вычислении этого стационарного состояния.

Обнаружение специфических, замкнутых причинных цепей в биохимической организации клетки не только облегчило понимание работы внутриклеточных регулирующих систем, но и обеспечило почву для теоретического анализа. До того как была понята истинная природа этих замкнутых цепей, единственной структурой, на которой могла бы базироваться теория внутриклеточного управления, было слабое, конкурентное взаимодействие биосинтетических процессов. Под слабым взаимодействием понимается конкуренция за субстраты, или предшественники, общие для двух или более биосинтетических, или метаболических, систем. В противоположность этому специфическое влияние малых молекул на каталитическую активность или другие свойства поверхности макромолекул мы будем называть "сильным взаимодействием". Недавно было обнаружено, что именно сильные взаимодействия составляют основу регуляторных процессов в живой клетке. Теории регуляции, 'формулируемые в терминах слабых взаимодействий, разбиваются на две группы соответственно тому, концентрируют ли они свое внимание на взаимодействиях в метаболической или в эпигенетической системе. Так, в теории, развитой Уоддингтоном и Кэксером, основное значение придается метаболическим взаимодействиям. Эти авторы показали, каким образом, исходя из конкуренции между двумя метаболическими путями за общий предшественник, можно объяснить установление различных стационарных уровней для концентраций двух метаболитов, имевших равные начальные концентрации. В этих работах было установлено, что для объяснения деятельности биологических систем могут быть привлечены и многие другие свойства открытых метаболических систем, скажем "буферная емкость" сложных метаболических систем по отношению к внешним возмущениям. Однако эти свойства не имеют такого прямого отношения к проблеме регуляции биосинтеза, как конкуренция за общий предшественник.

Вопрос о том, как построить метаболический "переключающий" механизм, обеспечивающий сохранение одного из конкурирующих соединений и исчезновение другого или наоборот, всегда занимал важное место в кинетических исследованиях. При этом часто ссылаются на уравнения, полученные Денбигом, Хиксом и Пэйджем. Основной особенностью этих уравнений является присутствие автокаталитических членов, а также учет "сильного" взаимодействия, или связи, между различными автокаталитическими процессами. Такие системы способны не только переключаться из одного состояния в другое в зависимости от начальных условий, но и совершать незатухающие колебания. Система такого типа, способная совершать колебания, – это система Лотка – Вольтерра. Подобные кинетические схемы, интересные сами по себе, трудно интерпретируются биохимически, поскольку в изученных биохимических системах отсутствуют требуемые типы связей между автокаталитическими реакциями. Однако нужно отметить, что область "сильных" взаимодействий между макромолекулами вообще и ферментами в частности сильно расширилась за последнее время благодаря исследованиям в области активации и ингибирования. В результате открылись колоссальные возможности для изучения различных типов динамики метаболической системы.

Регуляторные системы и ритмические явления

Однако в настоящее время кажется очевидным, что при рассмотрении резких переключений из одного состояния в другое, которые имеют место в клетках, нужно пользоваться терминами, описывающими эпигенетические регуляторные системы. Здесь имеются в виду процессы, происходящие в клетках микроорганизмов в ответ на изменение среды или в эмбриональных клетках во время развития. Изучение таких скачков в биологических системах имеет чрезвычайно большое значение, поскольку одним из наиболее очевидных и ярких свойств биологического процесса является образование конечного ряда дискретных "точек органической стабильности", которые образуются в первоначально недифференцированных или малодифференцированных системах. Так, в процессе эмбрионального развития образуются разные клетки и ткани, в процессе обучения у высших организмов – разные типы поведения, в ходе эволюции – разные виды и т.п. В последнее время стало ясно, что во всех этих случаях важное значение имеет какого-то рода конкуренция между компонентами системы. И действительно каждый раз удавалось четко показать, что движущей силой развития служит дарвиновский, или эволюционный, процесс, основанный на конкуренции и отборе. В эмбриологии эта идея, по-видимому, впервые появляется у Вильгельма Ру. Позже она была развита для внутриклеточных процессов Шпигельманом, подход которого можно назвать эпигенетическим, так как он сделал упор на регуляцию синтеза ферментов в процессе дифференцировки клеток, а не на регуляцию их активности. Работа Шпигельмана была выполнена до последних открытий в области молекулярных регуляторных систем, поэтому он ограничился рассмотрением "слабых" взаимодействий между процессами синтеза и подчеркивал цитоплазматические, т.е. неядерные, аспекты этих взаимодействий. Так, он исходил из конкуренции за предшественники между структурами, ответственными за биосинтез ферментов, и полагал, что образование той или иной системы ферментов в развивающейся клетке зависит от того, насколько различные структуры, синтезирующие ферменты, способны к "выживанию" в среде с конкуренцией. Однако Уоддингтон уже в то время придавал большее значение роли генов в регуляции эпигенетических процессов. Эта точка зрения более соответствует современным взглядам и является одним из исходных пунктов данного исследования. Но поскольку Уоддингтон пользовался представлением о слабом, конкурентном взаимодействии, ему трудно было создать что-либо большее, чем качественное описание, хотя в его работах внимание было сосредоточено, несомненно, на очень важных свойствах эпигенетических процессов.