из электронной библиотеки / 616595719475299.pdf

объектов универсума оба ее члена - различные объекты, тогда как весь универсум выступает для наблюдателя как тождественный объект. Говоря иначе во всяком объекте окружающего нас мира проявляется то, что А.Ф.Лосев называл “самотождественным различием”.

Противоположные объекты локализованы в пространстве, ограниченном категориями “тождество” и “различие”. К классу противоположных объектов отнесем такие, которые обязательно взаимодействуют между собой, причем это взаимодействие имеет системный характер, т.е. всегда разворачивается внутри какой-нибудь системы и имеет значение для ее функционирования и развития. Противоречие - отношение между противоположными объектами обменного характера, когда у противоположных объектов имеется хотя бы один общий показатель, по которому между ними осуществляется обмен веществом, энергией, информацией. Выделение противоположностей и образование противоречий протекают совместно с образованием или с реконструкцией системы.

В простейшем виде противоречие принято представлять в виде дуады противоположностей взаимно превращающихся одна в другую, что было достаточно подробно исследовано Гегелем, а затем Марксом, но это только частный случай противоречия. Такой механизм действительно имеет место, к примеру, в случае, если обменные отношения устанавливаются между богатым и бедным. Но это только частный случай того, что в гомеостатике названо отношениями конкурентного типа, но не общее правило. В других случаях ситуация будет иная. Возьмем взаимодействие вокалиста и аккомпаниатора. В этом случае речь идет об умножении эффектов на слушателей, оказываемых каждым из них. Здесь мы имеем дело с партнерскими отношениями. Во взаимоотношениях умного и глупого, при условии, что они выполняют общую задачу и первый обучает второго можно проиллюстрировать отношения союзнического типа. Наконец, война и всякая ситуации вообще, когда одна сторона стремится уничтожить другую, есть проявление конфликтных отношений.

С целью построить общую модель противоречия напомним, что уже Платон, а вслед за ним Аристотель вводят в отношение двух противоположностей третий член, уравновешивающий взаимодействие крайностей. Причем между каждым из крайних членов и средним также образуются противоречия. В силлогистике Аристотеля, к примеру, роль этого третьего члена играет средний термин простого категорического силлогизма (ПКС). Благодаря открытию роли среднего термина стало возможным связать больший и меньший термины и сформулировать модусы и фигуры (ПКС).

327

Тернарная схема противоречия позволяет перейти к разработке его простейшей динамической модели. Построим ее следующим образом. Преобразование противоречия в системе, образованной тремя компонентами, протекает по мере того как в каждом из них осуществляется изменение своего внутреннего противоречия. В самом общем виде это внутреннее противоречие выражает движение противоположности в пределе, заданном ее максимальным и минимально возможным для данной системы значениями. Собственно говоря согласование этих внутренних противоречий объектов и есть функция противоречия этой системы, установленного между ними. Т.о. динамическая модель противоречия включает как минимум шесть компонентов, т.е. по три максимума и по три минимума значений для каждого из элементов тернарной схемы противоречия. Скажем, во взаимоотношении богатого и бедного, где роль среднего члена играют деньги, есть пределы роста и уменьшения для всех этих трех объектов. Система такого рода является гомеостатической ячейкой противоречия, где два регулятора исполнителя, а "местный шеф" играет роль среднего члена противоречия.

Для систем с произвольным числом элементов противоречие оказывается более сложным отношением, распределенным между элементами системы. Характер этого распределения и его результат, а его можно назвать конфигурацией противоречия, зависит от правил, которыми в данной системе разрешаются и запрещаются комбинации объектов определенных типов. К примеру, из возможного набора комбинаций четырех типов суждений ПКС (64), допустимыми, т.е. теми где вывод следует с необходимостью, являются только 19 - это правильные модусы ПКС, где вывод следует с необходимостью. Собственно говоря все известные науке законы и принципы есть выражения правил разрешающих и запрещающих определенные комбинации в системах. В этом смысле уловленная еще Гегелем связь между законом и сущностью приобретает четкое эвристическое и методологическое значение, открывая путь к пониманию законов, управляющих системой, через изучение ее противоречий.

Теперь, пользуясь данной моделью, рассмотрим основные типы гомеостатических отношений в системах. В соответствии с указанными пятью характерами отношений требуется и соответствующая организация их структур и способов управления их деятельностью.

Если мы рассмотрим, например, взаимодействие между двумя частями А и В, образующими систему С, то:

328

1)при союзнических отношениях выходные эффекты А и В будут складываться, т.е. УС

=Ка (УА + УВ ), где Ка - коэффициент аддитивности (согласованности союзнических взаимодействий 0 } К } 1);

2)при партнерских отношениях выходные эффекты А и В будут умножаться, т.е. УС = Км½УА½УВ, где Км - коэффициент мультипликативности - партнерского взаимодействия (при усилении Км > 1, а при ослаблении Км < 1);

3)при конкурентных отношениях выходные эффекты А и В будут полностью или частично вычитаться, т.е. УС = УА - Кж½УВ при УС > УГ , где Кж - коэффициент жесткости конкуренции (Кж=1 - жесткая конкуренция, чем меньше Кж, тем конкуренция будет более мягкой, с другой стороны, ' = УА + УВ - УС является "платой" за действующее противоречие, характеризующей прямые потери, которые несет система в результате конкурентных отношений между частями А и В), а У - предельное значение УС, при котором происходит нарушение системного гомеостаза;

4)при конфликтных отношениях выходные эффекты А и В также вычитаются, но при этом могут происходить нарушения как внутренних гомеостазов А и В, так и системного гомеостаза УС < УГ (здесь также имеют место прямые потери ' = УА + УВ - УС, где УС - полезный эффект, но эти потери, как правило, будут существенно меньше опосредованных потерь, вызванных нарушением гомеостазов, которые могут приводить к разрушению и даже гибели системы)3;

5)при нейтральных отношениях А и В никак не взаимодействуют между собой.

Впоследнем случае А и В не образуют единую систему обработки информации и для их взаимодействия необходим объединяющий контур.

Будем считать потенциальных антагонистов структурно устойчивыми, если изначально, за счет отрицательной обратной связи, они находятся в устойчивом состоянии и, соответственно, неустойчивыми, если изначально, из-за наличия положительной обратной связи, они не могут находиться в устойчивом состоянии.

Два антагониста, как устойчивые, так и неустойчивые, а также их комбинация (один устойчивый, второй неустойчивый) могут быть объединены в устойчивую систему, если выполняются необходимые и достаточные условия их "склеи-вания".

Вкачестве необходимого условия такого "склеивания" является "зеркальное" объединение антагонистов, причем с такими знаками, чтобы для каждого антагониста

3 Отметим, что в общем случае нарушение гомеостаза может быть не только по нижней границе (УС < УГ ), но и по верхней (УС > УГ ).

329

его “зеркальный" оппонент образовывал цепь обратной связи (в результате получается структура, обладающая как бы двойной отрицательной обратной связью; возможно всего восемь способов "склеивания" антагонистов, удовлетворяющих таким условиям. Достаточными условиями "склеивания" является выполнение трех требований:

•несимметрия параметров антагонистов не должна превышать определенного предела несимметрии ε n;

•несимметрия заданий, прикладываемых к потенциальным антагонистам, не должна превышать определенного предела несимметрии ε з4;

•степень неустойчивости потенциальных антагонистов не должна превышать определенного критического значения α кр.

"Склеивание" на материальном уровне возможно тремя основными способами: последовательным, параллельным и через третьи системы. Более сложные способы информационного "склеивания", непосредственно связывающие механизмы управления, уже требуют образования иерархических структур.

Компенсационный гомеостат, образованный путем "склеивания" антагонистов по примитивной форме (вещественные и информационные связи не разделяются), обладает следующими свойствами:

•при полной симметрии антагонистов по заданию и по параметрам не полностью обеспечивается симметрия его выходов, т.е. у1 ≠ -у2 ;

•границы допустимой несимметрии количественно различны при вариации параметров у антагониста 1 и у антагониста 2;

•границы живучести гомеостата находятся в зависимости от соотношений антагонистов по мощности сигналов входа, временных параметров, величин потолков ограничения выходного сигнала.

Гомеостатические механизмы взаимодействий полинуклеотидов и полипептидов

Можно выделить структурные и функциональные противоположности (антагонисты). В данном разделе статьи разбирается пример со структурными противоположностями, в целом же он посвящен структурной организации молекулярного субстрата, а именно, такому взаимодействию отдельных частей внутри

4 Значения ε n и ε з резко снижаются по величине от случая, когда оба антагониста устойчивы до случая, когда они неустойчивы. Кроме того, ε n и ε з могут иметь разные значения при изменении их знака.

330

полипептидной молекулы, которое приводит к стерическим эффектам, определяющим их функциональную активность во взаимодействиях с другим субстратом.

Меклер и Идлис [11] в общем стереохимическом генетическом коде (ОСГК) живого выделяют шесть частных кодов:

1.H -код определяет построение трехмерных молекул любых РНК и ДНК по их нуклеотидным последовательностям, в том числе - двойной спирали ДНК;

2.Т-код детерминирует переписывание генетической информации, записанной в РНК,

ваминокислотную последовательность полипептида;

3.A -код детерминирует построение (самоорганизацию) молекул полипептидов и белков по ходу их синтеза рибосомами, и при их ренатурации в водно-солевых растворах типа цитозоля;

4.П-К-код детерминирует появление α - и β -спиралей при кристаллизации полипептидов из растворов;

5.H - код определяет специфическое взаимное узнавание и связывание друг с другом полипептидов и полинуклеотидов;

6.H и П-К-код определяет распознавание аминокислотными остатками полипептидов полинуклеотиды и при их взаимодействии образуются нуклеопротеиды.

Вданном разделе статьи мы будем рассматривать механизмы взаимодействия, формирующие 3 и 4 ОСГК коды.

Меклер и Идлис в каждом выделенном коде констатируют наличие

взаимодействующих противоположностей. Этими противоположностями являются определенные детерминанты - части молекулярных структур,- участвующих в донорноакцепторных связях и/или силовых зарядовых взаимодействиях, по типу ван-дер- ваальсовых сил. Аминокислотные остатки биополимера узнают и связываются друг с

другом согласно А- A -коду. При этом, первый из них расположен на аминокислоте, которая определяется кодоном, а второй - на аминокислоте, определяемой соответствующим антикодоном. Все аминокислоты классифицированы в три группы

связности графа А- A -кода.

Обязательным компонентом любой А- A -связи является водородная связь, образующаяся между полярной группой боковой цепи одного аминокислотного остатка и карбонилом остова полипептидной цепи партнера. В результате образования такой водородной связи снимается препятствие образованию гидрофобных контактов между остальными атомами боковых цепей этих аминокислотных остатков, что создает

331

возможность образования третичной структуры. Совокупность таких гидрофобных взаимодействий приводит к образованию индивидуальных гидрофобных рубашек каждой из этих водородных связей, защищающих их от атаки молекулами растворителя, в первую очередь воды. В образовании А- A -связи важную роль по теории Меклера играют ионы К+ и Са2+, а образовании П-К-связи Na+ и Mg2+. Антагонистическое действие этих ионов хорошо известно [15,17-19,21-23,25,27].

Сами гомеостатические механизмы были нами рассмотрены ранее [12], где показано, что на всех этапах (репликация, транскрипция, трансляция) соблюдается гомеостатический принцип регуляции этих процессов.

Механизмы, приведенные в теории Меклера и Идлис подтверждает действие на биохимическом уровне закона единства и борьбы противоположностей, сущность которого изложена в гомеостатике, где раскрываются новых стороны организации и функционирования живого [4,12].

Генетический аппарат обслуживается метаболической системой, состоящей из двух подсистем - пуриновой и пиримидиновой. В свою очередь пуриновая и пиримидиновая системы, являясь подсистемами системы более высокого иерархического уровня, сами состоят из подсистем. Так, внутри пуриновой системы адениновые и гуаниновые производные образуют две ее подсистемы. В двух следующих разделах статьи обсудим гомеостатические механизмы взаимной координации компонентов перечисленных метаболических систем.

Рассматривая современные знания о биохимических процессах в организме с позиций гомеостатики, мы часто можем обнаружить некоторые, предсказываемые теорией, механизмы взаимодействий.

Регуляция взаимоотношений адениновой и гуаниновой систем метаболизма пуринов.

Функции пуриновых производных в живых организмах многообразны. Они, в частности, играют важную роль в хранении и реализации наследственной информации (пуриновые мономеры ДНК и РНК), а также в энергетическом обмене (АТФ и ГТФ являются донаторами энергии для эндергонических реакций).

А между тем, сколько-нибудь целостная кибернетическая модель данной метаболической системы до сих пор не создана. По прежнему актуальными остаются слова J.F.Henderson, которыми заканчивается его известная монография по регуляции пуринового обмена: “Мы имеем огромное количество информации об отдельных

332

факторах, которые реально или потенциально участвуют в регуляции синтеза пуринов de novo, но у нас почти нет идей о том, как эти факторы реально работают в

интактных клетках или организмах” (выделено нами) [Henderson, 1972. - P. 266].

С гомеостатической точки зрения в любой метаболической системе можно выделить внешнее и внутреннее функционирование ее подсистем. Так, выработка мономеров нуклеиновых кислот, макроэргов и циклических мононуклеотидов является внешним по отношению к пуриновому обмену функционированием, оказывая воздействие (в том числе информационное) на целый ряд непуриновых метаболических систем. Каналы этого воздействия представляют собой выходы подсистем пуринового обмена. С другой стороны, катаболические, амфиболические и анаболические реакции (последние включают в себя реакции синтеза пуринов de novo из непуриновых предшественников, а также реакции реутилизации пуриновых оснований и нуклеозидов) являются процессами внутреннего функционирования пуринового обмена, от которого, отметим, в значительной степени зависит внешнее функционирование. Пункты воздействия на пуриновый обмен непуриновых предшественников и регуляторов представляют собой его входы. По аналогии с вышесказанным, для каждой отдельно взятой метаболической системы или подсистемы можно выделить ее внешнее и внутреннее функционирование, а также идентифицировать ее входы и выходы.

В пуриновом обмене важнейшей парой противоположностей являются метаболические системы адениновых и гуаниновых производных. При синтезе АМФ и ГМФ из ИМФ имеет место конкуренция за этот общий метаболит-предшест-венник. Кроме того, в процессе реутилизации аденина и гуанина происходит конкуренция за фосфорибозилдифосфат.

Как известно, источником энергии у гетеротрофных организмов являются экзергонические реакции катаболизма. Используется же энергия в эндергонических реакциях анаболизма и на совершение различных видов работы. Для осуществления сопряжения между процессами получения и использования энергии , т.е. в качестве универсальной энергетической "валюты" эволюция выбрала один вариант из многих возможных - фосфоангидридную связь пирофосфатов. Очевидно, что в выборе единственного оптимума проявился принцип стремления к максимальной простоте и универсальности. Примеров действия этого фундаментального принципа немало в биохимии. Носителем избранного вида макроэргической связи был на ранних этапах эволюции неорганический пирофосфат, а затем им стала пирофосфатная структура

333

мононуклеотидов. Причины этого перехода достаточно убедительно объясняются с

чисто биохимических позиций, без привлечения кибернетики [Кулаев 1975, Kulaev e. a. 1980]. Однако в русле традиционной парадигмы биохимии трудно объяснить другой имеющийся факт - почему носителем макроэргической пирофосфатной связи стал не один вид пуриновых мононуклеотидов (что соответствовало бы вышеуказанному принципу), а два - адениновые и гуаниновые5? Это тем более странно, что, согласно хорошо аргументированному предположению [Кулаев, 1975] адениновые производные возникли в ходе эволюции гораздо раньше всех остальных пуринов. Но что-то помешало им в одиночку выполнять свои функции в энергетическом обмене.

Основная причина этого, по нашему мнению, заключена в том. что одна адениновая система (и любая другая на ее месте), при отсутствии противоположности является неустойчивой. Это довольно легко доказать методом ”от противного”, если представить себе регуляцию синтеза de novo в такой одиночной системе.

Биосинтез АТФ (как и любого другого пуриннуклеотида) включает в себя до стадии образования АДФ 14 реакций (АДФ затем легко фосфорилируется в АТФ). Известно, что для того, чтобы осуществились упомянутые 14 этапов синтеза, должна затратиться энергия восьми макроэргических фосфоангидридных связей, две из которых расходуются в фосфорибозилдифосфатсинтетазной реакции и по одной связи - во 2-й, 4-й, 5-й, 7-й, 11-й и 13-й реакциях синтеза. В гипотетических условиях, когда единственным носителем макроэргических связей в клетке является АТФ, для синтеза новых молекул АТФ может использоваться только энергия ранее синтезированного АТФ. Это есть не что иное как положительная обратная связь: чем больше в клетке АТФ, тем интенсивнее идет его синтез. Через семь каналов положительной обратной связи (по числу энергозависимых реакций) стимулируется весь процесс синтеза.

Таким образом, причиной неустойчивости отдельно взятой адениновой подсистемы является наличие в ней положительных обратных связей, принципиально неустранимых. Уместен вопрос: если ввести в описанную подсистему отрицательные обратные связи, не явилось ли бы это наиболее простым и экономным способом нейтрализации действия положительных обратных связей?

Действительно, эволюция создала такие связи: фосфорибозилдифосфатсинтетазная и амидофосфорибозилтрансферазная реакции

5 У современных организмов адениновая и гуаниновая системы, вместе взятые, обеспечивают энергией подавляющее большинство эндергонических реакций метаболизма. Роль макроэргов другой природы (не адениновых и не гуаниновых) ограничивается отдельными узкоспециализированными функциями, при выполнении которых, как правило, макроэрг является одновременно и субстратом реакции.

334

ингибируются его продуктами - пуриновыми мононуклеотидами [Хватова и др. 1987, Buhl 1982]. Но в самой биохимии давно доказано, что эффективная регуляция метаболизма посредством одних лишь отрицательных обратных связей возможна только в стационарном состоянии системы. При удалении от этого состояния (например, под влиянием внешнего возмущения) необходимы дополнительные, более сложные механизмы управления [Ньюсхолм, Старт, 1977]. Альтернативой им могло бы являться ресурсное регулирование, однако для его функционирования в качестве основного (тотального) механизма управления необходимо, чтобы ресурс (метабо-лит- предшественник) одной метаболической системы не являлся бы одновременно ресурсом другой метаболической системы. Однако наличие у современных организмов многочисленных примеров обратного свидетельствует, что эволюция не пошла по этому пути. Поэтому, чтобы понять, как природа решила вышеуказанную проблему неустойчивости, необходим поиск более сложных механизмов управления в самом пуриновом обмене.

Вработе [Горский, 1993] был сформулирован общий принцип дополнительности,

всоответствии с которым для любой неустойчивой системы может быть образован антагонист, который будучи ”склеенным” с этой системой, обеспечивает ее устойчивость. Таким антагонистом для адениновой подсистемы стала гуаниновая подсистема, которая, если бы она существовала автономно, была бы тоже неустойчивой и по тем же причинам.

Метаболическое сочленение адениновой и гуаниновой подсистем у современных организмов выглядит следующим образом. До стадии инозинмонофосфата (ИМФ) процесс синтеза протекает с использованием энергии АТФ. А затем ИМФ может превращаться либо через аденилосукцинат в АМФ, либо через ксантозинмонофосфат -

вГМФ. Из АМФ и ГМФ далее образуются метаболиты относящиеся, соответственно, к адениновой и гуаниновой подсистемам. Кроме ИМФ, общими предшественниками для них на входах пуринового обмена являются фосфорибозилдифосфат, необходимый для синтеза пуринов de novo и реутилизация свободных азотистых оснований, а также рибозо-1-фосфат, участвующий в синтезе нуклеозидов из азотистых оснований. Нуклеозиды в результате нуклеозидкиназных реакций способны превращаться в соответствующие нуклеозидмонофосфаты. В качестве общего предшественника для фосфорибозилдифосфата и рибозо-1-фосфата можно рассматривать рибозо-5-фосфат, являющийся субстратом как фосфорибозилдифосфатсинтетазой, так и фосфорибомутазной реакций.

335

Несмотря на хорошую изученность метаболических взаимоотношений между компонентами адениновой и гуаниновой подсистем, кибернетические механизмы “склеивания” их в единую систему пуринового обмена до настоящего времени в биохимии не раскрыты.

Рассмотрим известные в биохимии регуляторные механизмы с точки зрения их возможной роли в регуляции взаимоотношений адениновой и гуаниновой подсистем.

1.Зависимость протекания реакции от ее непосредственных участников: от концентрации субстратов, продуктов и кофакторов, количества и удельной активности катализатора. Это даже не кибернетический, а химический механизм, присутствующий во всех без исключения реакциях. Самостоятельной роли в интересующих нас отношениях метаболических систем он не играет, но является точкой приложения для других регуляторных механизмов.

2.Положительная прямая связь - активация фермента субстратом или предшественником субстрата, индукция синтеза фермента, стимуляция превращения фермента из неактивной формы в активную.

3.Отрицательная обратная связь. Было выявлено несколько ее вариантов, в том числе и в регуляции пуринового обмена [Варновицкая, 1969]. Часть из них может участвовать в “cклеивании” адениновой и гуаниновой подсистем. Например, в молекуле амидофосфорибозилтрансферазы имеется два регуляторных участка - один для адениновых, другой для гуаниновых мононуклеотидов [Хватова и др. 1987].

4.Комбинация положительных связей. Имеются в виду связи, соединяющие выход одной метаболической системы со входом другой. Это единственный известный на сегодня в биохимии регуляторный механизм, специализированной функцией которого является регуляция отношений между метаболическими системами.

Рассмотрим четвертый механизм применительно к адениновой и гуаниновой системам. Благодаря наличию реципрокных требований в отношении макроэрга имеет место следующее: для синтеза АМФ из ИМФ используется энергия ГТФ, а для синтеза ГМФ из ИМФ - энергия АТФ [Хватова и др. 1987, Мецлер 1981, Buhl 1982]. Кроме того, АТФ ингибирует восстановительное дезаминирование ГМФ (превращение ГМФ в ИМФ) [Мецлер 1981], а ГТФ и, в меньшей мере, ГДФ ингибируют дезаминирование АМФ до ИМФ [Lovenstein 1972, Setlov e.a. 1966, Setlov, Lovenstein 1968, Van den Berghe e.a. 1977]. Таким образом, АТФ стимулирует синтез гуаниновых мононуклеотидов, а ГТФ (и отчасти ГДФ) - синтез адениновых мононуклеотидов. Происходит взаимоподдержание, взаимоусиление адениновой и гуаниновой подсистем. В биохимии

336