Введение к работе
Актуальность. В работах 1971-2г.г. Е.Е.Сельковым был предложен буферный механизм замедления ("эффект депонирования" (ЭД)) для решения проблемы большого периода в клеточных часах (КЧ) [1-4]. Поскольку такая буферная система представляет собой футильный цикл (ФЦ) D^^S, возникла другая задача, из важной в энзимологии области регуляции ФЦ (Koshland, Jr., 1987): проанализировать такой особый ФЦ, и установить, синергнчны или трудно-совместимы требования к регуляции этого ФЦ и функции удлинения периода.
Эти задачи не только пенны для теории КЧ(пока остающейся областью гипотез), но и для теоретического анализа в общем виде буферных полиферментных систем (ПФС), построенных на взаимодействии гене-paTopa(G) и обмена одною из субстратов его (S) с депо (D).
Среди других типов механизмов получения большого периода (низкая скорость времязадающих реакций, низкая скорость трансверсальнои или латеральной диффузии н биологических мембранах, деление частоты, взаимодействие большого числа биохимических осцилляторов (Edmunds,Jr.[7])) механизм участия резервных веществ играет достаточно важную роль. Актуальность теоретического анализа механизмов КЧ особенно ясна ввиду быстро накапливащихся сегодня данных о молекуляр-но-генетическом базисе КЧ, для анализа которых особенно ценны целостные картины о ПФС, могущих играть здесь ключевую роль.
Цель работы. Отсюда ясна цель работы - провести широкий анализ буферного механизма замедления в ПФС клетки или в возможных механизмах КЧ и провести возможные тут обобщения исходных моделей на более неочевидные случаи. Это особенно важно потому, что "медленный" блок является более типичным элементом ПФС, чем изолированный необратимый осциллятор-ФЦ, который содержит либо триггерные, Либо автоколебательные режимы.
Основные задачи исследования. Проанализировать широкий класс моделей обмена резервного вещества, отвечающих различным степеням детализации реальных систем: линейную, гиперболическую, трехчленную, проточное депо, включая и случай множества интермедиатов меж-, ду депо и G.
Научная новизна . Впервые
- подробно показано, что резкое замедление колебаний ( т.н. "эффект депонирования") за счет отношения констант k+/k_ в реакции D^kI'G может быть достигнуто и в обобщенных схемах( гиперболической, кооперативной и т.д.) более того, регуляции и вставки при определенных условиях могут усилить этот эффект;
-установлено, что учет необходимости вести экономию энергии в футйльном цикле D==^G и учет регуляций, которые это делают, обнаруживает, что экономия энергии "синергична" таимернои, замедляющей функции цикла D==S , причем чем подробнее моделируется регуляция футильного цикла и обмена депо, тем картина ближе к этому;
-показано, что линейный и гиперболический механизмы вполне хороши по таимернои функции, но резко проигрывают кооперативному
механизму и трехчленному регулируемому циклу по эффективности регуляции футильного цикла, причем для последних (включая особый случай учета аллостерических регуляций трехчленного ФЦ) еи~=70%(когда показатель кооперативное к=16), 82%, 100%.
-показано, как из элементов малого периода можно получить боль-шой период, используя не только быстроту и необратимость реакций D=^G , или большое отношение масс D/S, но и регуляторные и вставочные усложнения обмена депо с генератором колебаний G[5-6) как в случае обычного депонирования (*) D=^G, так и для исследованного нами виртуального механизма (**) -*D—**G. Для механизма (*) рассмотрено важное обобщение на случай трехчленного цикла, а для (**) на случай удаленного депо (могущего находиться в соседней или удаленной ПФС);
-высказана гипотеза, по которой данные теоретические исследования также могут рассматриваться как детальная разработка одного из механизмов замедления в КЧ. Для этого предложены так называемые а) буферная("роо!") модель, б) "pool-OOC" модель и B)"pool+(feedback) loop" модель такого возможного механизма замедления. Вместе они довольно полно могут охватывать данные по генетически-метаболическим "pools+loop" обнаруженным экспериментально механизмам КЧ.
Практическая ценность. Проведенное подробное моделирование механизмов обмена резервного вещества может быть полезно для решения практических задач в микробиологической промышленности, а также медицины (где, напр., выживаемость тканей при пересадке зависит от уровня и обмена резервных веществ), особенно в области хронопатологии^]. Модели могут быть использованы как эталонные, для сокращения аналитической и вычислительной работы, затрачиваемой на анализ обмена резервных веществ в реальных системах.