Под этим понимают то, что изменения на одном из уровней или в одном из элементов системы отражаются на других уровнях и звеньях системы.
К примеру, биохимические реакции в клетке катализируются ферментами и связаны друг с другом общими промежуточными продуктами. Эта связь реакций, катализируемых ферментами, и их последовательность проявляется как одна из закономерностей живого, а именно: скорость специфической реакции, протекающей в одной части сложной системы ферментативных реакций, может регулироваться или изменяться в зависимости от скоростей реакций в других частях системы.
В простейшем случае, например, накопление промежуточных продуктов (метаболитов) в количествах, превышающих некоторый критический уровень, действует как сигнал, который может вызывать уменьшение скорости реакций, приводящих к образованию этих веществ; этот тип регуляции называется ингибированием по типу отрицательной обратной связи.
Многочисленные примеры отрицательной обратной связи хорошо известны. Наиболее яркий из них - это гормональная регуляция. Например, гипофизарные тропные гормоны (гонадотропные, кортикотропные и др.) вызывают, соответственно, повышенный синтез, половых гормонов, гормонов надпочечников и т.д., которые в свою очередь являются причиной уменьшения выработки тропных гормонов гипофиза. Разумеется, эти процессы не столь однозначны, как здесь изложено, они более многообразны и многокомпонентны, более сложны. Само же открытие принципа обратной связи явилось выдающимся научным достижением; оно легло в основу известных кибернетических построений Н. Винера.
Заметим, что обратная связь может быть и положительной. Например, при некоторых условиях прибавление гистамина к измельченной ткани легких и изолированным лейкоцитам существенно повышает выделение опять-таки гистамина [15]. Таким образом, выявляется положительная обратная связь в регуляции высвобождения гистамина, что, кстати говоря, может прояснить патогенез токсического шока при воспалительных процессах в лёгких.
Понятие сложности биологической системы хорошо иллюстрируется на примере схемы основной цепи метаболизма клеток любого уровня сложности, относящейся к микроорганизмам, растениям, животным или человеку. Упомянутую схему можно рассматривать как цепь передачи информации от ДНК к белку:
Сложность биологических систем означает, что существуют и обратные, относительно указанной цепи, потоки информации.
В 1970 г. X. Темин и Д. Балтимор (независимо друг от друга) открыли обратную транскриптазу - фермент, с помощью которого с РНК-матрицы синтезируется ДНК. Это открытие (принесшее его авторам в 1975 г. Нобелевскую премию) послужило основой для работ по генной инженерии, т.е. дало возможность в лабораторных условиях получать отрезки ДНК, точно соответствующие интересующей нас РНК. Это было первым указанием на то, что информация может передаваться не только от ДНК к РНК, но и обратно - от РНК к ДНК.
Накапливаются факты обратной передачи информации от трансляционного уровня на уровень транскрипции, т.е. показано, что компоненты трансляционной системы оказывают регуляторные воздействия на процессы транскрипции в сопряженной системе [16].
На активность генов (транскрипцию), как и на процессы трансляции, оказывает влияние химический и биохимический состав пищи и лекарственных препаратов. Например, резерпин увеличивает содержание М-РНК ней-ротензина в стриатуме [17].
Сырая соя модулирует экспрессию генов в экзокринной поджелудочной железе (сирийских золотистых хомячков) [18].
Добавление к безжировой диете триацилглицеридов с полиненасыщенными жирными кислотами резко снижает индукцию экспрессии гена ССД [19].
Лучше других изучена цепь биохимических воздействий белков-гормонов, стероидных гормонов, витаминов и многообразных биологически активных веществ на активность той или иной определенной области ДНК, -это наиболее яркий пример обратного воздействия белков и стероидов на дифференциальную активность генетического аппарата.
Например, ген S14, кодирующий цитозольный белок, участвующий в липогенезе в печени (крыс) регулируется трийодтиронином [20]. la, 25-дигидроксивитамин д регулирует транскрипцию М-РНК карбоангидразы-II в миелоцитах птиц [21] и т.д.
Имеются данные, показывающие возможность передачи информации от инфекционного белкового агента (скрепи) на генетические цепи ДНК [22]. Прионы (единицы инфекционного агента скрепи) в 10 раз меньше вирусов и лишены нуклеиновой кислоты [23]. На инфекционную природу при-онов (прайонов) еще в 60-х годах указал лауреат Нобелевской премии за 1976 г. К. Гайдушек. Окончательное доказательство белковой природы при-онов как живой формы материи, не имеющей в своем составе РНК или ДНК, было получено Стенли Прузинером (Нобелевская премия за 1997 г.).
При этом интересно отметить, что передача инфекционных свойств от прионного белка нормальной изоформе этого белка сопровождается соответствующим конформационным изменением последнего: процесс, таким образом, носит матричный и автокаталитический характер, не требуя участия дополнительных факторов [24].
Амплификация генов - еще одно доказательство движения информации от внеклеточных метаболитов к ДНК. Культивирование клеток в среде с ингибиторами того или иного фермента приводит к изменениям в структуре генетического аппарата - амплификации генов соответствующего фермента [25].
Еще в 1917 г. Плу в опытах на дрозофилах обнаружил зависимость частоты кроссинговера от температуры, возраста, химических и физических воздействий [26]. В прямых экспериментах показано, что у ряда растений генетические изменения вызываются окружающей средой [27].
Обнаружено изменение тонкой структуры хроматина под действием экологических факторов [28].
Открыт эффект появления нового структурного гена в зависимости от свойств окружающей среды [29].
Показана возможность наследования приобретенных эпигенетических вариаций [30].
В биосфере текут потоки многочисленных и многообразных генетических обменов между всеми живыми существами Земли [31].
Регуляция клеточного метаболизма происходит не только на двух уровнях - на уровне синтеза ферментов (т. е. белков) и на уровне изменения их активности, но и через систему их деградации.
До недавнего времени внутриклеточному протеолизу отводилась вспомогательная роль, которая ограничивалась разрушением повреждённых и аномальных белков. Однако в 90-х годах XX века было показано, что эффективная регуляция концентрации белка в клетке зависит также и от процессов, определяющих деградацию белков.
Подобно экологическим системам, в клетке одновременно идут взаимосвязанные процессы: процессы синтеза и процессы деградации клеточных ингредиентов, в частности, белков. На сегодняшний день известно, что эукариотическая клетка имеет две основные системы деградации белков. Первая система - это лизосомы, содержащие набор кислых протеаз и других гидролаз. Однако лизосомы участвуют только в разрушении белков, ассоциированных с мембранами, и чужеродных белков, захваченных во время эндоцитоза. Вторая система - это гидролиз белка по АТР-зависимому и убиквитин-зависимому протеолитичекому пути, основным действующим элементом которого является мультисубъединичный белковый комплекс, называемый 26S протеасомой. Протеасомы найдены как у самых примитивных эукариот, так и у высших организмов, и присутствуют как в ядре, так и в цитоплазме, где они ассоциированы с эндоплазматическим ретикулумом И цитоскелетом.
Доказана определяющая роль убиквитин-протеасомного пути белковой деградации в таких процессах, как клеточный цикл, онкогенез, транскрипция, дифференцировка, рост и атрофия тканей, продвижение субстратов по метаболическим путям, селективное удаление аномальных белков, процессии г антигенов, эмбриогенез, апоптоз, репарация ДНК, трансмембранный и везикулярный транспорт, реакция на стрессовое воздействие, в том числе иммунный и воспалительный ответ и др. [32].
Нарушения в системе деградации белков являются причиной многих заболеваний. Предполагается, в частности, что изменения в функционировании протеасомного пути деградации белков связаны с накоплением окисленных белков при старении [32].
Понятие сложности биологических систем, точнее, принципа взаимозависимости элементов живого организма, дает нам нечто большее. Как показывают исследования в области развития биологических систем, проведенные, кибернетиками, взаимозависимость частей необходима для автономного возрастания сложности системы. Иными словами, дифференцировка, становление систем клеток в организме невозможны без взаимодействия биохимических процессов синтеза и деградации, без взаимодействия одних клеток с другими.
Понятия, названные в пунктах 3 и 4, совпадают в системотехнике и биологии.
См. также:
1. В системотехнике системы конструируются человеком
2. Системы в технике конструируются человеком с определённой целью
3. Система является большой
5. Системы, создаваемые системотехникой, являются полуавтоматическими
6. Внешние воздействия на искусственно созданные технические системы носят случайный характер
7. Системы, создаваемые человеком и изучаемые системотехникой, содержат элементы конкурентной ситуации
8. Одним из основных принципов систем, разрабатываемых системотехникой, является принцип централизации
9. «Элементы биологических систем любого уровня сложности относительно автономны»
10. Мы можем констатировать общность принципа субоптимизации
11. Принцип исключения явлений с малой вероятностью
...
Обсудить на форуме
