Регуляция процессов на уровне клетки
Регуляция обеспечивает гомеостаз клетки и организма в целом, что означает сохранение постоянства параметров внутренней среды, а также создание условий для его развития (эпигенеза). Разнообразные реакции, протекающие в организме, должны быть согласованы между собой, и их строгая упорядоченность обеспечивается только эффективной регуляцией.
В многоклеточных организмах клетки различных тканей дифференцированы в функциональном и морфологическом отношениях, хотя они и возникают из похожих друг на друга эмбриональных клеток. Поскольку функции и структура клетки определяются происходящими в ходе развития процессами обмена веществ (например, синтез хлорофилла в зеленеющих и лигнина в древеснеющих клетках), регуляция обмена веществ служит определяющим фактором направления развития клетки.
Для многоклеточного организма системы регуляции разделяют на внутриклеточные, межклеточные и организменные.
К внутриклеточной системе относятся ферментная регуляция (на уровне ферментов), генетическая, мембранная и др. Межклеточные системы включают, по меньшей мере, гормональную, электрофизиологическую, трофическую системы. На организменном уровне следует говорить об организменном уровне интеграции.
Рассмотрим следующие основные типы клеточной регуляции: метаболитную, ферментную, генетическую, мембранную, гормональную, фоторегуляцию, электрическую (электрофизиологическую).
Метаболитная регуляция (регуляция путем изменения концентраций метаболитов, не затрагивающих активности или числа ферментных молекул).
Метаболитная регуляция основывается на двух главных принципах:
а) Метаболит (х) в качестве отрицательного эффектора тормозит свой собственный синтез (по типу обратной связи).
б) Метаболит, выполняющий роль положительного эффектора, ускоряет свое собственное преобразование (по типу управления по возмущению).
Оба принципа имеют одинаковое назначение – помешать образованию лишнего продукта. При метаболитной регуляции на разветвлении путей обмена веществ выбор пути может определяться концентрацией общего для конкурирующих ферментов субстрата.
Например, высокие концентрации СО2 (как метаболита в широком смысле) стимулируют карбоксилирование, низкие – декарбоксилирование пировиноградной кислоты. Поскольку ткани зеленых растений в течение дня испытывают недостаток СО2 (используется при фотосинтезе), а ночью обогащаются углекислотой (образуется при дыхании), то процессы карбоксилирования происходят в основном ночью.
Наилучшим примером метаболической регуляции по принципу обратной связи может служить дыхательный контроль – зависимость интенсивности дыхания от концентрации АДФ.
В результате энергопотребляющих реакций (различные синтезы, поглощение веществ, рост и т.д.) концентрация АТФ уменьшается, а АДФ соответственно возрастает. Поскольку действие дыхательной цепи обязательно связано с фосфорилированием (АДФ + Фн → АТФ) и лимитируется количеством АДФ (дыхательное сопряжение), накопление АДФ при энергопотребляющих процессах вызывает ускорение действия дыхательной цепи и дыхательного процесса в целом и, таким образом, усиление генерации энергии в клетке. В этом случае мы сталкиваемся с исключительно экономичной формой регуляции количества доступной энергии путем «спроса».
Особое место в клетке занимают ферментные регуляции, поскольку все биохимические реакции носят ферментативный характер.
Схема конформационных переходов аллостерического фермента
I – активная форма, стабилизированная эффектором-активатором (А);
II – неактивная форма, стабилизированная эффектором-ингибитором (И),
К – каталитическая субъединица, Р – регуляторная субъединица,
С – субстрат
Ферментные регуляции (регуляции путем изменения активности имеющихся молекул ферментов) – регулирующие факторы, в этом случае действуют непосредственно на фермент. Однако все ферменты и соответственно этапы обмена веществ подчинены регуляторным механизмам. Наиболее эффективно регуляция выражена у ферментов, катализирующих ключевые реакции (ключевые ферменты), и в точках разветвления обменных процессов. Ключевые ферменты – ферменты, катализирующие самые медленные реакции в какой-либо цепи обмена веществ.
Ферментная регуляция затрагивает только один фермент, но происходит очень быстро (доли секунд) и служит для «тонкой настройки» путей обмена веществ.
Ферментная регуляция может осуществляться несколькими путями:
Обратимым или необратимым превращением неактивных предшественников в активные ферменты.
Изменением активности ферментов путем воздействия на его центры (изостерические и аллостерические эффекты, которые являются самыми важными).
Воздействием на процессы распада самих ферментов (например, ферменты могут попасть под атаку протеолитических ферментов).
Генная регуляция (регуляция путем включения или выключения синтеза ферментов) – регулирующие факторы действуют на генетический материал (ДНК) или непосредственный его продукт (РНК).
Генная регуляция, затрагивающая несколько ферментов одновременно, более экономична по сравнению с ферментной, поскольку ферменты, в которых нет надобности, не синтезируются. Генная регуляция занимает больше времени, так как включается трансляция, чаще всего также и транскрипция. Эта форма регуляции служит для «грубой настройки» обмена веществ и играет важную роль в процессах развития.
Физиологическая функция генов заключается в передаче информации клетке через мРНК и ферменты. Никогда не происходит одновременной передачи всей имеющейся информации, т.е. никогда не синтезируются одновременно все потенциально возможные ферменты. Таким образом, существуют одновременно активные (продуцирующие РНК) и неактивные гены. Благодаря генной регуляции осуществляется активация генов (индукция) и инактивация (репрессия); одним из самых первых, экспериментально уловимых, специфических последствий генной регуляции является появление или исчезновение того белка (фермента), синтез которого контролируется регулируемым геном (индукция и репрессия ферментов).
Для регуляции на уровне генов справедливы те же принципиальные закономерности, что и при ферментной регуляции. Активации ферментов субстратом соответствует генетическая субстратная индукция, торможению фермента конечным продуктом – репрессия генов продуктом реакции; оба механизма регуляции в равной мере запускаются метаболитами, различны лишь уровни, на которых регуляция осуществляется.
Гормональная регуляция. Фитогормоны – соединения, с помощью которых осуществляется взаимодействие клеток, органов, тканей, эти соединения в малых количествах необходимы для регуляции физиологических и морфологических процессов. Гормоны – органические молекулы, которые образуются в тканях и органах и действуют в малых концентрациях – 10-11 моль/л и ниже. Образуясь в одной ткани, они перемещаются к другой, и, благодаря специфическим реакциям в ткани-мишени, контролируют процессы роста, развития и дифференцировки. Выделяют пять основных классов фитогормонов: ауксин, гиббереллины, цитокинины, АБК и этилен. Сегодня к фитогормонам относят еще брассиностероиды, жасминовую, салициловую кислоты, системин, а также простагландины.
Мембранная регуляция. Мембранная регуляция хорошо прослеживается по функции мембран. Этот путь регуляции осуществляется благодаря изменениям в мембранном транспорте. Так, изменения в проницаемости мембран клеточных компартментов могут стать фактором регуляции. Примером может служить сокращение митохондриальной мембраны при повышении концентрации АТФ (примета малой потребности в энергии). В результате мембрана становится менее проницаемой и тормозится приток продуктов гликолиза в митохондриях и соответственно дальнейший синтез АТФ.
Особое место в механизмах мембранной регуляции имеет система мембранных хемо-, фото- и механорецепторов, позволяющих клетке отмечать изменения во внешней и внутренней средах и в соответствии с этим изменять свойства мембраны.
Но мембраны не только определяют обмен веществ, но и создают компартменты в клетке. Большинство клеточных ферментов встроены в мембраны, при этом каждый тип мембраны содержит свои ферменты, что обеспечивает ход соответствующих реакций. Более того, изменение проницаемости тесно связано с активностью мембранных ферментов.
Фоторегуляция. У растений существует белковая система, рецептирующая красный и дальний красный свет, – фитохромная система. Фитохром присутствует в клетке в очень малых количествах, поэтому для запуска контролируемых им фотоморфогенетических реакций достаточно малой энергии. К таким реакциям относится: диэтиолирование проростков, выращенных в темноте, стимуляция прорастания некоторых семян, начало цветения и переход в состояние покоя.
Некоторые фотоморфогенетические реакции требуют большей энергии света и вызываются преимущественно синим и дальним красным светом. Эти реакции могут регулироваться фитохромом либо пигментом, поглощающим синий свет, – флавопротеидом.
В природных условиях фитохром, возможно, контролирует форму растений и прорастание семян под пологом листьев, так как листья очень сильно поглощают свет в области 660 нм, но относительно слабо – при 730 нм. Состояние фитохрома может регулировать образование и количество фитогормонов четырех типов – этилена, цитокининов, ауксина и гиббереллина – в разных органах растений. Кроме того, длительное освещение иногда контролирует уровень абсцизовой кислоты. В некоторых случаях внесение гормона снимает эффект трансформации фитохрома (например, действие гиббереллина при диэтилировании).
Остановимся еще на одной очень интересной системе регуляции – электрической или электрофизиологической. У растений существует разность электрических потенциалов (РЭП) как между различными тканями, органами, так и между внутренней и наружной средой клетки, при этом внутренняя среда имеет отрицательный заряд по отношению к внешней. РЭП, например, между цитоплазмой и внешней средой составляет для растительной клетки порядка от -150 до -300 мВ. На каждой биологической мембране существует РЭП, которую называют мембранным потенциалом.
Если принять толщину мембраны 10 нм и величину мембранного потенциала около 100 мВ, то образуется очень высокая напряженность – около 500 В. Изменение такой величины напряженности не может не влиять на мембранные структуры, активность ферментов и т.д.
Более того, около растительных клеток и отдельных органов зарегистрированы электрические токи, которые в зависимости от рассматриваемого объекта имеют величины от 0,5 до 3,0 мкА · см2. Эти токи зарегистрированы для одноклеточных харовых водорослей, прорастающих пыльцевых зерен (лилия), корневых волосков, колеоптилей, гипокотилей и т.д.
Во всех случаях биогенные электрические токи, окружающие и пронизывающие клетки, функционально очень тесно связаны с их ростом. Во всех растительных объектах околоклеточные или трансклеточные токи входят в растущую часть клетки и выходят с противоположной не растущей. Это дало возможность называть эти токи «ростовыми». В целом корне они входят в зону роста (растяжения) и выходят из не растущих частей ризодермальных клеток зоны дифференцировки. В одном из опытов в трех из ста исследуемых волосков не были обнаружены околоклеточные токи. Оказалось, что у волосков отсутствует рост.
Но эти токи еще и индуцируют рост. Это хорошо показано на зиготе одного из видов бурой водоросли. При одностороннем освещении около зиготы регистрируются электрические токи, которые выходят из осветленного полюса и входят в затемненный. Таким образом создается электрическое поле, по которому положительные заряды двигаются внутрь клетки снизу вверх, а отрицательно заряженные везикулы аппарата Гольджи (поставляющие строительный материал для роста растяжением) – в противоположном направлении, сверху вниз. В результате в затененной нижней части возникает вырост, начинается рост растяжением.
Таким образом, освещение индуцирует ток, а ток инициирует рост, создавая ось симметрии, и тем самым задает вектор роста, его направление. Затем первое деление происходит поперек этой оси: нижняя дочерняя клетка дает начало ризоиду, верхняя – таллому.
Электрические токи не только индуцируют начало роста, они контролируют и происходящий рост. Основа этой регуляции – высокая чувствительность мембранных транспортных систем к изменению внешних и, как видно, внутренних условий.
Кроме электрических явлений в обычных условиях (в состоянии покоя) существуют, как и у животных, потенциалы действия, которые возникают при разных воздействиях на растительную клетку и организм в целом. Трофическая регуляция – воздействие с помощью питательных веществ – наипростейший способ связи между клетками, тканями и органами.
В корни и другие гетеротрофные органы растений поступают ассимиляты, образующиеся в листьях в процессе фотосинтеза. Надземные части в свою очередь нуждаются в минеральных веществах и воде, поступающих из почвы. Корни используют на собственные нужды ассимиляты, поступающие из побега, а часть трансформированных органических веществ передвигается в обратном направлении. Таким образом, осуществляется связь между их поставщиками и потребителями.
Изменения в содержании разных элементов питания влияют на обмен веществ, физиологические и морфогенетические процессы в растениях. Известно, что изменения в растительном организме обусловлены также недостатком тех или иных минеральных элементов. Достижения молекулярной биологии и генетики открыли новые пути регуляции физиологических процессов в растительном организме. Большое значение в этом отношении имеет развитие генной инженерии, задача которой состоит в создании in vitro новых генетических структур. Большие успехи достигнуты на бактериальной клетке. В частности, с помощью рекомбинированных бактерий получен ряд ценных медицинских препаратов (интерферон и др.).
Генетическая манипуляция на растениях сложнее. Однако и здесь имеются успехи.
В основе генной инженерии лежит перенос в организм чужеродных генов и получение трансформированных (трансгенных) растений. Это, с одной стороны, позволяет изучить отдельные гены и подойти к раскрытию молекулярных основ физиологических процессов. С другой – получать растения с новыми свойствами. В частности, включать гены, способствующие повышению устойчивости к болезням, вредителям, неблагоприятным факторам среды. Так, в клетки растения табака был введен ген, ответственный за биосинтез токсина, смертельного для насекомых. В растения табака были также введены гены, делающие его устойчивым к гербицидам. В клетки растения подсолнечника были перенесены гены, кодирующие белки бобовых культур, чем повысили их пищевую полноценность.
Процесс получения трансгенных растений включает выделение конкретных генов, внедрение чужеродного гена в наследственный аппарат растительной клетки, регенерацию из отдельной клетки нормального растения с измененным геном. К 2000 г. получено более 120 видов трансгенных растений, используемых в 13 странах. К 2007 г. трансгенные растения выращивались в промышленных масштабах в 22 странах на площади 114,3 млн га. Следует отметить, что возможность практического использования таких растений все еще дискутируется.