- •Введение в количественную биологию Васильев Алексей Артёмович при участии Окштейна Игоря Леонидовича (семинары в рамках лекционно-семинарского курса «Основы биологии»)
- •Часть 2 (весенний семестр)
- •Введение.
- •1. Транспорт кислорода в организме: функция гемоглобина, механизм связывания, кривая насыщения гемоглобина, уравнение Хилла
- •2. Этапы поступления кислорода в организм в связи со свойствами кривой насыщения гемоглобина
- •Организация изменения потребления кислорода в широком диапазоне
- •Сопряжение процессов при дыхании
- •3. Физиологический конструктор
- •4. Приближение количественной физиологии
Введение в количественную биологию Васильев Алексей Артёмович при участии Окштейна Игоря Леонидовича (семинары в рамках лекционно-семинарского курса «Основы биологии»)
Часть 2 (весенний семестр)
От молекулярного конструктора к процессам на уровне клетки и организма
Обозначения в ссылках:
ТБл – Васильев А.А. «Теоретическая биология», часть 1, М., МФТИ, 2002.
ФЖ – Шмидт-Ниельсен К. «Физиология животных: приспособление и среда», в 2-х т., М., Мир, 1982.
РЖ – Шмидт-Ниельсен К. «Размеры животных: почему они так важны?», М., Мир, 1988.
ОЖ – Шмидт-Ниельсен К. «Как работает организм животного», М., Мир, 1976.
БфХ= «Биофизическая химия» – Кантор Ч., Шиммел П. «Биофизическая химия», т.3
ФГ = Федоров В.Д., Гильманов Т.Г. Экология. –– М.: Изд-во МГУ, 1980
«Биофизика» – Волькенштейн М.В. «Биофизика» М.: Наука, 1988
Введение.
В ходе жизнедеятельности клетки совершаются многочисленные молекулярные процессы – биохимические превращения, перенос молекул разного размера и целых органоидов на разные расстояния, конформационные перестройки на уровне отдельных молекул и их комплексов, изменения свойств среды (закисление, изменение ионной силы растворов и осмотического давления, накопление органических веществ).
Жизнедеятельность на молекулярном уровне (и соответствующую молекулярную активность) можно рассматривать как то, что в принципе может быть реализовано средствами молекулярного конструктора.
отсюда, соответственно, расширение списка используемых в жизнедеятельности процессов и целесообразность существующих возможностей
В части 1 рассматривалось связывание фермента или активного макромолекулярного комплекса с несколькими одинаковыми молекулами (кооперативное связывание) как способ регуляции молекулярной активности.
Получаемые свойства регулируемых процессов представляют кривые связывания – зависимости скорости процесса от концентрации молекул регулятора.
Например, при кооперативном связывании регулятора (c) с ферментом (E) по схеме
…
при наличии 4-х центров связывания было получено выражение для относительной доли активной формы фермента, связанного с 4-мя молекулами регулятора (Ec4)
Y = [Ec4]/ [E] + [Ec] + [Ec2] + [Ec3] + [Ec4] =
= K4K3K2K1c4/(1 + K1c + K2K1c2+ K3K2K1c3+ K4K3K2K1c4),
которая при малых концентрациях регулятора пропорциональна 4-й степени этого регулятора и выходит на насыщение при высоких концентрациях регулятора. В этом случае вторая производная Y’’ по концентрации регулятора изменяет знак с положительного на отрицательный. Говорят, что такая кривая имеет S-образный или сигмоидный вид (подобно наклоненной и вытянутой вправо латинской букве S).
Со свойствами кооперативных процессов молекулярного уровня непосредственно связано проявление жизнедеятельности на уровне клетки и организма в целом. Примеры связи молекулярных процессов и их характеристик (свойств) с явлениями свойствами на макроскопическом (физиологическом) уровне:
сложная функция связывания гемоглобина с О2, CО2 и другими молекулами (CО, ДФГ как регулятор) в процессах дыхания (БфХ, т.3; ФЖ, т.2)
актомиозин в мышечном сокращении (МБК, «Биофизика», ФЖ, т.2)
мембранные структуры и разнообразие процессов с их участием –и передача нервного импульса («Биофизика», термодинамические свойства мембраны в этой связи – Харакоз), прочность на уровне тканей (обсуждение процессов разрушения в этой связи – Партон «Механика разрушения) и т.д.
Из перечисленных процессов интересен транспорт кислорода в организме, который удобно сравнивать с регуляцией молекулярной активности, которая подробно обсуждалась в части 1.
Для регуляции молекулярной активности, как правило, важно получить высокую чувствительность к некоторому сигналу или воздействию, а эффективность выражает полнота использования максимальных производительных возможностей при отсутствии паразитного фона в неактивном состоянии. Поэтому два состояния, между которыми нужно организовать переход (переключение) – это полное включение (одно состояние) и полное выключение (другое состояние).
Иными словами, «идеальному переключателю» отвечает переход, близкий к ступенчатому, т.е. высокая чувствительность в заданном диапазоне, и кривую насыщения важно приблизить к кривой «идеального переключателя». При этом нежелателен и совсем резкий переход (ступенька, т.е. коэффициент усиления, стремящийся к бесконечности), т.к. тогда будет слишком высокая чувствительность к шуму.