Оптимальная структура мультиферментной системы
Теория управляемого метаболизма, предложенная Д.Бэрнсом, Х.Качером ( Kacser & Burns, 1973 ) и Р.Хайнрихом и С.Рапопортом ( Heinrich & Rapoport, 1973 ) дала количественное определение лимитирующего фермента, как такого фермента, производная скорости потока на выходе из системы по количеству которого (коэффициент управления) существенно превосходит величины коэффициентов управления со стороны других ферментов. Введенное понятие позволяет производить экспериментальное определение лимитирующего фермента путем сравнения величин коэффициентов управления разных ферментов изучаемой системы. Однако проведенные до настоящего времени экспериментальные измерения коэффициентов управления ферментов в метаболических системах нескольких микроорганизмов (в основном E.coli ) показали, что ожидаемые "узкие места" (лимитирующие ферменты) в центральных мультиферментных системах клетки, обеспечивающих первичный метаболизм, не наблюдается ( Goel et al, 1993 ; Kacser, 1995 ; Sauer et al, 1999 ; Gokarn et al, 2000 ]. Напротив, было установлено, что результирующий поток (скорость роста клетки) малочувствителен к небольшим изменениям концентраций отдельных ферментов контролирующих центральные метаболические пути (т.е. коэффициенты управления этих ферментов близки к нулю) ( Sauer et al, 1999 ). Л.Н.Дроздовым-Тихомировым и А.В.Дородновым ( Дроздов-Тихомиров & Дороднов, 1991 ) было введено понятие "оптимальной структуры" мультиферментной системы (под структурой системы понимается распределение общей белковой массы по конкретным ферментам, т.е. их относительное весовое содержание в системе). Оптимальной для выполнения клеткой некоторой функции структурой было предложено называть такую структуру, при которой удельная производительность мультиферментной системы (величина потока выходного продукта, приходящаяся на единицу массы ферментов системы) оказывается максимальной. Было показано, что в случае оптимальной структуры коэффициенты управления всех составляющих систему ферментов будут равны между собой и по величине близки к нулю. Обращая внимание на то, что популяция клеток, структура ферментной системы которых оптимальна для роста (т.е. обеспечивает максимальную удельную скорость роста), получают решающее преимущество при естественном отборе, Л.Н. Дроздов-Тихомиров с сотрудниками предположили, что в процессе эволюции распределение биомассы белка по ферментам, по крайней мере в клетках микроорганизмов, должно было стать близким к оптимальному. Если это предположение подтвердиться, то оно заставит отказаться от ранее распространенного представления об "узких местах" в мультиферментной системе клетки, как определяющем элементе механизма управления клеточным метаболизмом, и внимание исследователей будет направлено на многофакторные механизмы формирования оптимальной структуры. Используя возможности потокового и кинетического моделирования метаболизма клетки, Л.Н.Дроздов-Тихомиров с сотр. ( Дроздов-Тихомиров и др., 1994 ) провели расчет оптимальных для роста клетки структур мультиферментной системы цикла трикарбоновых кислот (цикл Крэбса, модуль из 38 реакций ) клеток E. coli для случаев, когда культура растет на одном из семи различных источников углерода. Полученные результаты пока еще ждут сравнения с экспериментальными данными из-за отсутствия последних.
