5.9. Управление в клетке

Процессы управления в клетке осуществляется по тем же законам, что и в других управляемых системах (см.§5.2). В качестве эталонного органа выступает хромосома и ее узловая молекула – ДНК. Роль всех других органов – измерительного, усилительного, сравнения и исполнительного – играют белковые комплексы, сформированные описанным в предыдущем параграфе методом.

В качестве измерительного органа выступают молекулы белков-рецепторов. Эти молекулы встроены в оболочку (мембрану) клетки таким образом, что их чувствительный конец находится снаружи, а ферментативный (воздействующий на другие белки) - внутри. Определённые вещества в окружающей клетку среде воздействуют на вполне определённые рецепторы, вызывая различную реакцию в организме клетки.

Так, например, у многих клеток имеются жгутики, вращая которыми по или против часовой стрелки, клетка либо кувыркается, либо двигается поступательно. Положение клетки после кувыркания произвольное. Поэтому после него она двигается поступательно в произвольную сторону, как броуновская частица. Но если рецепторы сигнализируют, что она удаляется из среды с высокой концентрацией привлекательного для неё вещества (аттрактанта) или внедряется в среду с неблагоприятным веществом (репеллентом), она вновь начинает кувыркаться. В результате у её “броуновского движения” появляется упорядочивающий вектор, либо приводящий её в раствор с повышенной концентрацией аттрактанта, либо с пониженной концентрацией репеллента.

Напомним, что инициаторами такого движения служат соответствующие белки-рецепторы. Механизм их воздействия на процессы в клетке следующий. Приведенный в активное состояние рецептор инициирует активность молекул вполне определённых белков-ферментов. Те в свою очередь следующих:

Так оказываются активированы миллионы молекул.

Нетрудно видеть, что этот каскад ферментов играет роль усилительного органа - см. §4.2.

Последняя ступень каскада воздействует на механический или химический исполнительный орган, например, на находящиеся под мембраной роторы жгутиков [38]. Один каскад вызывает вращение роторов против часовой стрелки и кувыркание клеток, другой – по часовой стрелке и поступательное движение.

Другим примером исполнительного органа являются молекулы фибриногена – белка, превращающегося в фибрен – белок свёртывания крови, сгусток которого закупоривает раненый кровеносный сосуд [2].

Одновременно с включением исполнительного органа инициируется обратная цепочка каталитических реакций, прекращающих активность фермента 1:

Возвращение в неактивную форму

Фермент1  фермент2  фермент3 исполнительный орган

\ ← фермент4 ← /

Всего в клетке существует три основные системы управления (регуляции [39]): метаболическая (связанная с обменом веществ), генетическая (связанная с делением клетки) и мембранная (связанная с взаимодействием с внешним миром – движением, защитой от стрессовых состояний, поглощением и выбросом различных веществ).

Рассмотрим в качестве ещё одного примера мембранного управления действие генетической системы у соматических клеток многоклеточных организмов.

В этих клетках есть белок ras[2]. Он находится в активном состоянии, если к нему присоединена небольшая молекула Х₂, и в неактивном - если Х_1.. Обычно белок ras находится в соединении с Х₁, т.е. в неактивной форме. После воздействия внешних факторов, – например, специальных гормонов, управляющих многоклеточным организмом, молекула Х₁ превращается в Х₂ и ras становится активным. Он вызывает активизацию фермента Е, который даёт сигнал делению клетки. Молекула Х₂ имеет свойство довольно быстро снова превращаться в Х₁. Тем самым белок ras возвращается в неактивное состояние. Как видим, деление клетки в многоклеточном организме происходит по команде из его центра управления. Правда, у некоторых клеток при неблагоприятном воздействии окружающей среды происходит деформация молекулы ras и Х₂ не превращается в Х₁. В результате утрачивается внешнее управление клеткой, и она начинает бесконтрольно делиться. Такое “антисоциальное” поведение клеток вызывает появление злокачественных опухолей [40].