2. Основные термины и определения
Система – это совокупность устройств (или процессов), которые выполняют определенную функцию, причем между частями системы предполагается наличие связей, в том числе и обратных.
Входной сигнал - это результирующий фактор влияния внешней среды на систему (например, изменение температуры среды и/или концентрации веществ в среде и т.п.).
Выходной сигнал - это реакция системы на входной сигнал, характеризующая изменение её первоначального состояния. Обнаруживают по изменению какой-либо переменной характеристики системы (например, концентрация клеток в популяции, состав жирных кислот в липидах биологических мембран и т.п.)
Устойчивая система - это система, у которой выходной сигнал при отсутствии входного возвращается к нулю. Если входной сигнал конечен, то устойчивая система также будет характеризоваться конечным выходным сигналом.
«Чёрный ящик» - это система неизвестной конструкции», имеющая «вход» и «выход» и заключённая в «оболочку», исключающую возможность ее исследования. Понятие «чёрный ящик» широко используется в физиологии, когда исследуются функции сложных биологических систем (на уровне организмов, органов, тканей) в их нативном (жизнедеятельном) виде. Исследуя во времени характер ответов системы типа «чёрный ящик» на заданные входные сигналы, мы можем делать заключения об устойчивости данной системы и её предположительного устройства на основании некоторых интегральных характеристик.
Регулирование - это поддержание значений параметров в заданных границах. В регулируемой равновесной системе отклонение от состояния равновесия приводит к возврату в исходное состояние. Стабилизация состояния неравновесной системы требует включения в её состав неравновесного механизма, осуществляющего регулирование, например, по принципу обратной связи.
Регуляция – упорядоченное, координирование протекание многообразных путей и реакций обмена веществ.
Регуляция метаболизма - это управление скоростью биохимических процессов путем обратимого изменения количества белковых посредников, участвующих в этих процессах, или их активности.
Регуляция жизнедеятельности прокариотных организмов происходит на транскрипционном, трансляционном и метаболическом, субклеточном, клеточном и популяционном уровнях.
3. Роль регуляторных механизмов в поддержании клеточного гомеостаза
В интактной клетке практически все протекающие метаболические процессы регулируются. Одна и та же реакция может одновременно подвергаться нескольким видам регуляторного воздействия, неравноценным по направлению и силе действия. Следствием этого является строгая координация активности отдельных метаболических процессов, приводящая к тому, что любой организм в норме представляет собой хорошо отлаженное устройство с системой развитых регуляторных связей.
О существовании высокоразвитой системы регуляции микробного метаболизма свидетельствуют многие наблюдения. Одно из них состоит в том, что макромолекулярный состав бактерий зависит от питательных веществ, доступных для клеток. Первое систематическое исследование этого аспекта регуляции было проведено почти 20 лет назад О. Маалё и его сотрудниками на энтеробактериях, в основном Salmonella typhimurium. Энтеробактерии могут синтезировать все клеточные компоненты из одного источника углерода и неорганических солей, а в качестве источников углерода они могут использовать множество органических соединений. Некоторые из них, такие, как ацетат, метаболизируются медленно и поддерживают низкую скорость роста, другие, например глюкоза, метаболизируются быстрее и обеспечивают более быстрый рост. Если в среду добавлены предшественники макромолекул (например, аминокислоты), то рост идет еще быстрее. Таким образом, изменяя состав среды при постоянной температуре, можно добиться, чтобы время удвоения биомассы культуры S. typhimurium варьировало от 20 мин до нескольких часов (при 37°С). Более того, размер и состав клеток систематически изменяются в зависимости от скорости роста (таблица). Как видно из таблицы, клетки, растущие с высокими скоростями, более богаты РНК, содержат меньше ДНК и имеют более крупные размеры, чем клетки, растущие с низкой скоростью.
Влияние
скорости роста на макромолекулярный
состав клеток можно объяснить следующим
образом. Быстро растущая клетка должна
синтезировать белок гораздо быстрее,
чем медленно растущая клетка. Для
осуществления же синтеза белка с высокой
скоростью необходимо, чтобы клетка
содержала большее число рибосом.
Сходным образом регулируются биосинтез и деградация малых молекул в бактериях, о чем свидетельствуют следующие данные, полученные на энтеробактериях.
При росте на синтетических средах, содержащих только одно органическое соединение в качестве источника энергии, бактерии синтезируют все мономерные предшественники макромолекул (например, аминокислоты) со скоростями, которые точно соответствуют скоростям синтеза макромолекул.
Как только какой-либо из этих мономерных предшественников добавляют в среду, его эндогенный синтез немедленно останавливается при условии, что экзогенно добавленный предшественник может проникнуть в клетку.
Образование ферментов, осуществляющих биосинтез этих мономеров, также прекращается.
Бактерии часто синтезируют ферменты, ответственные за усвоение тех или иных органических субстратов, только в том случае, если эти соединения присутствуют в среде.
5. Если имеется два органических субстрата, то бактерия сначала синтезирует ферменты, необходимые для усвоения соединения, которое поддерживает более быстрый рост; только после того, как это соединение исчерпывается, синтезируются ферменты, необходимые для усвоения второе соединения.