Biologia systemów. Strategia działania organizmu żywego - ebook

Wstęp

Jeżeli się przyjmie, że biologia nie rządzi się specjalnymi prawami i w pełni podlega prawom fizyki i chemii, to w konsekwencji trzeba założyć, że jest reprezentowana przez układy, które kontrolują się automatycznie, które tworzą się przez samoorganizację i mogą istnieć dzięki stałemu dostępowi do źródła energii i informacji.

Termodynamika dzieli układy, w których zachodzą różne procesy, na układy zamknięte i otwarte. Procesy odwracalne, niepowiązane z otoczeniem, zachodzące w układach zamkniętych dążą samoczynnie do stanu równowagi, która jest osiągana wówczas, gdy szybkość reakcji przebiegających w obu kierunkach staje się jednakowa. Ten moment uważa się za koniec reakcji. W komórce taki stan jest osiągany po jej śmierci.

Dla istnienia życia niezbędna jest jednak spontaniczność procesów, uzyskiwana przez ciągłe podtrzymywanie stanów nierównowagi. Utrzymanie stanu nierównowagi jest możliwe tylko przy ciągłej wymianie składników reakcji z otoczeniem, a więc jest możliwe w układach otwartych, w których dopływ i odpływ składników pozwala na podtrzymanie ciągłości reakcji. Jednak uzyskanie określonego, stabilnego poziomu aktywności procesów w takich układach wymaga regulacji.

Tylko regulacja automatyczna oparta na sprzężeniu zwrotnym ujemnym może sprostać wymaganiom zapewnienia stabilności w sytuacji, kiedy dopływ i odpływ składników reakcji następuje z, i do otoczenia, a więc może się wahać (ryc. 1).

Ponieważ komórki i organizmy żywe są termodynamicznie układami otwartymi – a więc odpowiadają powyższej charakterystyce – zachodzące w nich procesy muszą dla utrzymania stanu stacjonarnego być objęte regulacją automatyczną. Wszystkie struktury związane z aktywnością biologiczną w stanie stacjonarnym można zatem potraktować jako elementy obwodu sprzężenia zwrotnego. To założenie pozwala na przerzucenie pomostów pomiędzy pozornie niezwiązanymi problemami biologicznymi i na podjęcie próby ich integracji.

Ryc. 1. Wyrażony modelowo: A. stan równowagi w układzie zamkniętym, B. stan stacjonarny w układzie otwartym – ustalona szybkość dopływu i odpływu składników, C. kontrolowany automatycznie (sprzężenie zwrotne ujemne) stan stacjonarny w układzie otwartym – możliwa zmienna szybkość przepływu składników.

W związku z powyższym można te struktury biologiczne, które są bezpośrednio związane z funkcją i odpowiedzialne za przejawy życia przypisać do struktur receptorowych, efektorowych, struktur związanych z przekazywaniem informacji oraz tych składników obwodu, które podlegają regulacji (produkty reakcji, efekty działania).

Wymiana podlegających regulacji składników z otoczeniem, wymaga ciągłego dopływu energii. Komórki żywe są układami otwartymi. Oznacza to, że muszą mieć dostęp do źródła energii, a więc do procesu charakteryzującego się dużą egzoergicznością. Muszą też mieć umiejętność korzystania z wydzielonej w tym procesie energii, jak również mieć dostęp do informacji, której pierwotnym źródłem jest przede wszystkim informacja genetyczna.

Układ otwarty termodynamicznie, utrzymujący stan nierównowagi na stałym poziomie, dzięki regulacji automatycznej i dopływowi energii może być więc modelem układu żywego.

Z dość dużą pewnością możemy obecnie powiedzieć, że zewnętrzne przejawy życia komórki są odzwierciedleniem działania regulacji automatycznej i jej charakterystyki (ryc. 2.).

Ryc. 2. Wyrażone symbolicznie skojarzenie cech automatu z cechami organizmu żywego. E – energia.

Komórka nie musi się różnicować ani dzielić, a mimo to na podstawie jej funkcjonowania, wyrażonego przez kontrolowaną wymianę składników z otoczeniem, możemy powiedzieć, że jest żywa. Natomiast zdolność do podziałów i różnicowania się wprowadza komórki do organizacji życia, którą możemy ogólnie nazwać przyrodą ożywioną.

Komórka jest podstawową najniższą jednostką biologiczną, którą według powyższych kryteriów można zaliczyć do układów żywych.

Zapewnienie rozwoju i sprostanie potrzebom zwiększania doskonałości w dążeniu do dostosowania się do uwarunkowań środowiska wymaga specjalizacji komórek. Specjalizacja ta odbywa się jednak kosztem zaniku ich uniwersalności. Czyni to komórkę niesamowystarczalną. W konsekwencji pojawia się potrzeba utworzenia wyższej organizacji komórkowej, która ma zapewnić ochronę i utrzymanie warunków homeostazy. Tą strukturą jest organizm.

Zarówno przyczyna powstania organizmu, jak i relacja między organizmem a komórką jest podobna do tej, która istnieje między państwem a obywatelem. W obu wypadkach wymaga to narzucenia hierarchii ważności oznaczającej podporządkowanie jednego poziomu drugiemu. W wypadku organizmu biologicznego podporządkowanie to dotyczy komórek, a w organizmie państwowym – obywateli.

Regulacja na poziomie organizmu, podobnie jak w komórce, jest również regulacją automatyczną. Wyższy poziom w hierarchii nie oznacza przejścia z systemu automatycznego na nieautomatyczny, chociaż sygnał docierający do komórek ma – z oczywistych względów – charakter sygnału wymuszającego zmianę normalnej aktywności niezależnej komórki. Taka relacja ma istotne konsekwencje dla strategii funkcjonowania organizmu i komórki. Wyraża się ona w wypracowanych ewolucyjnie odpowiednich rozwiązaniach konstrukcyjnych.2Energia w biologii – potrzeba i wykorzystanie

Sprzężenie ze źródłem energii jest warunkiem podtrzymywania dynamiki procesów w układach termodynamicznie otwartych.

2.5. Korzystanie ze źródła energii – sposób bezpośredni i pośredni

Bezpośrednie sprzęganie procesów niespontanicznych ze źródłem energii

Możliwość korzystania ze źródła energii pozwala utrzymywać procesy w stanie nierównowagi. Jak już wspomniano wcześniej, tylko takie procesy mogą zachodzić spontanicznie i mogą być wykorzystywane w układach biologicznych. Reakcje niespontaniczne muszą być zatem sprzęgnięte ze spontanicznie przebiegającą reakcją będącą źródłem energii (reakcją źródła), tworząc termodynamicznie jeden układ. W układzie takim proces spontaniczny i proces niespontaniczny są połączone bezpośrednio chemicznie lub fizycznie przez pomostowy element mający możliwość oddziaływania z obydwoma procesami. Jeżeli charakter obu reakcji jest różny, element sprzęgający musi równocześnie spełniać funkcje układu pośredniczącego i adaptacyjnego, i tak np. koło młyńskie wraz z wałem napędowym pełnią funkcję sprzęgania płynącej wody, (źródła energii) z pracą żaren. Silnik samochodowy sprzęga spalanie węglowodorów (benzyna) z napędem kół. Oba procesy: a więc spontaniczny, stanowiący źródło energii, i niespontaniczny, wymagający nakładu energii, mogą mieć jednak ten sam charakter. Przykładem może tu być narciarz, który zjeżdża nartostradą ze wzniesienia, by następnie, korzystając z uzyskanego rozpędu, wjechać pod górę na przeciwległy stok. Procesy zjazdu i wjazdu mają ten sam charakter i są sprzęgnięte ze sobą. Sprzęgnięcie to zachodzi tylko wówczas, gdy oba leżące naprzeciw siebie stoki znajduję się w odpowiedniej bliskości. W innym wypadku energia wyzwolona w czasie zjazdu zostanie rozproszona.

Bezpośredni sposób korzystania ze źródła energii chemicznej, jakim jest hydroliza ATP, odbywa się zwykle przez sprzęgnięcie wyrażające się wytworzeniem aktywnego pośrednika.

Cząsteczki pełniące funkcję pośredników mają charakter aktywny, jeżeli ich rozkład wyzwala ilość energii wystarczającą do syntezy nowego wiązania chemicznego w procesie niespontanicznym. Aktywne cząsteczki pełniące funkcję pośredników mogą istnieć (jako krótko żyjące) tylko w grupie czynnej enzymu lub gromadzić się jako niezależne składniki syntezy, stają się one wówczas odrębnymi składnikami metabolizmu komórki. Przykładami mogą być PRPP (urydynodifosforan glukozy), UDPG (5-fosforybozylo-1-pirofosforan), pełniące funkcje pośredników syntezy cholesterolu. Jeżeli w procesie fosforylacji zachodzącej kosztem hydrolizy ATP mimo wszystko powstaje związek niskoenergetyczny, jak to jest w wypadku syntezy glukozo-6-fosforanu, reakcja może być jednoetapowa, a powstały związek nie jest pośrednikiem aktywnym. Energia hydrolizy wiązania estrowego glukozo-6-fosforanu jest za mała, aby jej kosztem można było wytworzyć nowe wiązanie chemiczne. Zmiana energii swobodnej (ΔG⁰) procesu hydrolizy glukozo-6-fosforanu wynosi około 3,3 kcal/mol, a powstawania wynosi –4,0 kcal/mol . Ponieważ energia przemiany większości zwykłych wiązań chemicznych jest rzędu 3 kcal/mol, to energii wiązania estrowego glukozo-6-fosforanu nie można wykorzystać do dalszych syntez. Tworzenie glukozo-6-fosforanu jest procesem spontanicznym i komórka nie ma problemu z jego syntezą (ryc. 2.16).

Ryc. 2.16. Synteza glukozo-6-fosforanu z zaznaczeniem spontaniczności procesu.

W większości przypadków reakcja z wykorzystaniem ATP stanowi jednak etap przejściowy w tworzeniu nowego wiązania estrowego, amidowego, tioestrowego itp. Aktywny pośrednik reakcji, istniejący poza grupą czynną, musi być wystarczająco trwały, aby nie ulec rozkładowi przed wejściem w reakcję tworzenia produktu. Wytwarzanie takich pośredników zachodzi na ogół, gdy reakcja jest wieloetapowa lub niemożliwa do przeprowadzenia w grupie czynnej enzymu ze względów sterycznych. Aktywne cząsteczki pełniące funkcję pośredników są zwykle, w przeciwieństwie do ATP, przeznaczone do danej reakcji.

Ryc. 2.17. Mechanizm sprzyjający nieodwracalności tworzenia się aktywnego pośrednika uzyskiwanej przez hydrolizę CTP do pirofosforanu. Powstawanie aktywnej formy diacyloglicerolu.

Jakkolwiek typowymi przedstawicielami takich związków są bezwodniki kwasowe, inne wiązania – w tym tioestrowe i estrowe – są również wykorzystywane jako nośniki aktywności pośrednika. Niezależnie istniejące aktywne cząsteczki pełniące funkcję pośredników powstają zwykle kosztem hydrolizy dwóch wiązań makroergicznych ATP. W wielu wypadkach dopiero tak duża porcja energii okazuje się wystarczająca dla uzyskania napędu reakcji, w której powstaje jedno nowe wiązanie chemiczne. Często reszta adenozynowa wytwarza wraz ze składnikiem reakcji docelowej pośrednik aktywny, natomiast odszczepiony pirofosforan ulega hydrolizie, zwiększając spontaniczność procesu przez zmniejszenie jego odwracalności (ryc. 2.17). Usuwanie ruchliwego lub niestabilnego składnika reakcji dla zwiększenia spontaniczności procesu tworzenia się aktywnego pośrednika jest w komórce spotykane również w innych wariantach. Podobne rozwiązanie jest stosowane w wypadku dekarboksylacji malonylo-CoA podczas inicjowania syntezy kwasów tłuszczowych oraz w wypadku dekarboksylacji szczawiooctanu w procesie inicjowania glukoneogenezy, gdzie ze środowiska reakcji jest usuwany łatwo dyfundujący dwutlenek węgla (ryc. 2.18).

Ryc. 2.18. Mechanizm prowadzący do nieodwracalności procesu uzyskiwany przez odszczepianie łatwo dyfundującego dwutlenku węgla. Powstawanie fosfoenolopirogronianu.

Modelem tłumaczącym energetyczną rolę aktywnych pośredników może być kula znajdująca się na wzniesieniu pośrednim, z którego spontaniczne staczanie się pozwala jej na pokonanie jeszcze kolejnego wzniesienia – niespontanicznego etapu – syntezy produktu (ryc. 2.19).

Typowymi aktywnymi pośrednikami są np. pirofosforanowe pochodne w procesie syntezy cholesterolu, UDPG i PRPP. Są nimi jednak również karboksybiotyna jako „aktywny” dwutlenek węgla i S-adenozylometionina jako „aktywna” grupa metylowa oraz wiele innych (ryc. 2.20).

Ryc. 2.19. Schematyczny obraz tłumaczący powstawanie i rolę pośredników aktywnych jako elementów sprzęgających źródło energii z procesem tworzenia się produktu: A. Synteza glikogenu (Glik)_(n) do (Glik)_(n+1), B. Synteza 5-fosforybozyloaminy.

Ryc. 2.20. Przykłady aktywnych pośredników: A. aktywna glukoza (UDPG), B. aktywna ryboza (PRPP), C. aktywny dwutlenek węgla (karboksybiotyna), D. aktywna grupa metylowa (S-adenozylometionina).

Rys. 2.21. Synteza wiązania amidowego glutaminy w grupie czynnej enzymu jako przykład mechanizmu pozwalającego na wykorzystanie pośredników o energii porównywalnej z energią źródła przez takie zbliżenie i ustawienie reagentów w grupie czynnej enzymu, które zapewnia ich bezpośredni kontakt i może być odpowiednikiem wysokiego stężenia.

Synteza produktu w sytuacji, gdy aktywny pośrednik może powstać i być wykorzystany do tworzenia nowego wiązania w grupie czynnej enzymu jest korzystniejsza energetycznie. Dzieje się tak, ponieważ odpowiednie ustawienie substratów w grupie czynnej zwiększa prawdopodobieństwo ich kontaktu i łącznie ze wzrostem stężenia tych składników w roztworze, współdziała w nadaniu reakcji spontaniczności. Przykładem może być tworzenie wiązania amidowego glutaminy, w trakcie którego powstaje aktywny pośrednik – mieszany bezwodnik acylofosforanowy, kosztem jednego tylko wiązania makroergicznego ATP (rys. 2.21). W takiej sytuacji możliwe jest posłużenie się pośrednikiem o energii zbliżonej do energii źródła. Podobna sytuacja dotyczy syntezy fosfokreatyny.

ATP + kreatyna ↔ ADP + fosfokreatyna

Proces ten nie jest z natury spontaniczny (ΔG⁰ = 3 kcal/mol). Wahania stężenia ATP podczas pracy i okresu spoczynkowego mięśni powodują łatwo zmianę kierunku spontaniczności. Stąd fosfokreatyna odgrywa rolę rezerwuaru wiązań makroergicznych, gromadząc się w okresie spoczynkowym, a odtwarzając ATP w trakcie pracy mięśni. Zrozumienie roli aktywnych pośredników ma kluczowe znaczenie dla poznania strategii przemian metabolicznych.

Drugim rodzajem procesów korzystających z napędu energetycznego w sposób bezpośredni są procesy związane z przegrupowaniem strukturalnym białek.

Przegrupowania białek związane z funkcją mogą być nisko- lub wysokoenergetyczne. Niskoenergetyczne przegrupowania obserwujemy w wypadku białek tworzących słabe, łatwo odwracalne kompleksy z ligandem, jako że zmiana struktury jest napędzana jedynie energią generowaną tworzeniem kompleksów. Rozmiar przegrupowań zależy od stopnia upakowania białka i jego stabilności. Upakowanie sfałdowanego białka natywnego, zbudowanego z jednego łańcucha polipeptydowego jest relatywnie trwałe i nie ulega znaczącym przegrupowaniom pod wpływem tworzenia się stabilizowanego niekowalencyjnie połączenia białko-ligand. Białko przyjmuje z zasady strukturę, która odpowiada minimum energetycznemu (minimum globalne). Struktura białka może jednak stabilizować się na krótko poza minimum globalnym, w tzw. minimum lokalnym, jeżeli nie jest zbyt różne energetycznie od minimum globalnego. Zwykle nie jest to trwała forma strukturalna i białko wraca spontanicznie do struktury najbardziej stabilnej.

Znaczące, istotne dla funkcji, niskoenergetyczne przegrupowania są natomiast możliwe w wypadku białek złożonych z podjednostek, ponieważ zmiany strukturalne wynikające z wzajemnych przesunięć podjednostek nie wymagają dużego nakładu energii. Szczególnym modelem tego typu są białka allosteryczne. Na przykład przegrupowanie allosteryczne hemoglobiny (T–R) jest generowane słabym odwracalnym wiązaniem cząsteczek tlenu. Białka allosteryczne są białkami przystosowanymi genetycznie do występowania zwykle w dwóch stabilnych formach strukturalnych mogących łatwo przechodzić w siebie w wyniku tworzenia kompleksu przez ligandy lub rozpadu kompleksu.

Ryc. 2.22. Przegrupowania strukturalne białka w ujęciu energetycznym: A. białko nieallosteryczne – jedno minimum energetyczne, B. białko allosteryczne – dwa zbliżone minima energetyczne. Zmiana stabilności związana ze zmianą konformacji białka, C. białko motoryczne – wyraźnie różne minima energetyczne. Fazy skurczu mięśnia i związane z nimi poziomy energetyczne. Kule wskazują udział ligandów w stabilizacji struktury białka. Fazowość skurczu wyrażona modelowo jako działanie łuku.

Białka określane jako allosteryczne mają więc porównywalne dwa minima energetyczne oddzielone bardzo niską barierą. Oba minima odpowiadają białku natywnemu i mogą być potraktowane jako minima globalne. Przy takiej konstrukcji białka nawet słabo, odwracalnie wiążący się ligand może spowodować znaczące przegrupowanie białka. Ten fakt ma kapitalne znaczenie dla budowy białek związanych z regulacją.

W wielu wypadkach jednak drugie minimum, w którym białko może uzyskać względną stabilność jest oddzielone wysokim progiem energetycznym, a odpowiednia transformacja struktury wymaga dużego nakładu energii. W wypadku ruchu w białkach motorycznych lub w innych potrzebach funkcjonalnych wymagających znaczących, trudnych do wykonania zmian strukturalnych, ligandem musi być związek makroergiczny, który tworząc z białkiem aktywny pośrednik może „opłacić” odpowiednio dużą porcją energii niekorzystną termodynamicznie zmianę struktury. W przeciwieństwie do przegrupowań niskoenergetycznych „opłacenie” bardzo niekorzystnej transformacji strukturalnej nie jest możliwe tylko poprzez zmianę stężenia ligandu. W tej sytuacji dochodzi więc z reguły do bezpośredniego sprzęgnięcia z wysoko wydajną energetycznie reakcją, np. hydrolizą ATP. Modelowe przedstawienie tej sytuacji znajduje się na ryc. 2.22.

W wypadku działania miozyny wyróżniona jest forma białka niezwiązana z ligandem (białko bez ATP) (ryc. 2.22 C1), forma związana z ATP (ryc. 2.22 C2) i forma naprężona uzyskiwana przez hydrolizę wiązania makroergicznego (ryc. 2.22 C3), ale przed uwolnieniem produktów hydrolizy. Przejście z formy naprężonej (ryc. 2.22 C3) do rozluźnionej (ryc. 2.22 C1) jest związane z ruchem bardzo spontanicznym i możliwością wykonania pracy (ryc. 2.22 C4, ryc. 2.23, ryc. 2.24). Fazy ruchu 1–4 w ujęciu strukturalnym przedstawiono modelowo na ryc. 2.23, ryc. 2.24 i ryc. 2.25. Oprócz typowych białek związanych z ruchem, zmianę struktury opłacaną energią wiązań wysokoenergetycznych obserwuje się w trakcie translacji (rybosom), tworzeniu się mikrotubul, funkcjonowaniu białek G i w wielu innych przypadkach.

Ryc. 2.23. Białka motoryczne: A. przedstawienie ruchu białek motorycznych mięśnia w ujęciu modelowym, B. analogia ruchu białek motorycznych do ruchu wioseł (galera rzymska).

Ryc. 2.24. Ruch teleskopowy jako zasada skurczu włókna mięśniowego.

Ryc. 2.25. Kinezyny w ruchu.

Pośrednie sprzęganie procesów niespontanicznych ze źródłem energii

Sprzęgnięcie może mieć również charakter pośredni. Napęd tą drogą uzyskuje się przez zmianę stężenia składników reakcji. Taka sytuacja ma miejsce, gdy komórka, która jest układem termodynamicznie otwartym, zmienia stężenia składników reakcji – korzystając z zaopatrzenia w substraty i możliwości usuwania produktów – procesy „opłacane” przez pozakomórkowe źródła energii. Podobnie lokator budynku reguluje wykorzystanie prądu, wody i gazu pod warunkiem, że są one doprowadzone do jego mieszkania.

Zależność:

ΔG =ΔG⁰ + RT · Ln (( · )/( · ))

wskazuje, że reakcji można nadać spontaniczność, zwiększając stężenie substratów (A,B) i/lub zmniejszając stężenie produktów (C,D), ponieważ stanowią one jedyne zmienne w równaniu. Warunkiem jest jednak uaktywnienie niezwiązanych bezpośrednio z reakcją procesów odpowiedzialnych za dostawę składników reakcji tak, aby komórka mogła utrzymywać stężenia substratów i produktów niezgodnie ze stanem równowagi jedynie przez regulację.

Ryc. 2.26. Spontaniczność glikolizy w ujęciu ΔG⁰ i ΔG. Strzałkami wskazano etapy napędzane przez bezpośrednie sprzęgnięcie ze źródłem energii (a, b, c – etapy katalizowane przez: heksokinazę, fosfofruktokinazę i kinazę pirogronianową). Spontaniczność pozostałych etapów osiągana jest pośrednio.

Komórka, która jest składnikiem organizmu ma zwykle zapewnioną dostawę substratów w odpowiednich stężeniach i ułatwione usuwanie produktów. Za tę dogodność płacą inne, odległe komórki. Na przykład wysokie stężenie glukozy niezbędne do zapewnienia jej spontanicznego wnikania do komórki mięśniowej i zwiększonego napędu dla glikolizy „opłacane” jest przez energetykę wątroby.

Ryc. 2.26 obrazuje spontaniczność glikolizy w ujęciu ΔG⁰ zestawioną z doświadczalnie stwierdzonymi wartościami ΔG w krwince. Wiele etapów glikolizy – jak widać na rysunku – nie ma z natury charakteru spontanicznego (ΔG⁰). Znalezione doświadczalnie wartości parametrów ΔG wskazują na to, że komórki utrzymują spontaniczność całego procesu glikolizy, korzystając zarówno z możliwości sprzęgnięć bezpośrednich (fosforylacja), jak i pośrednich. Ograniczenie większych zmian ΔG do etapów napędzanych przez sprzęgnięcie bezpośrednie (ryc. 2.26. a, b, c) pozwala w konsekwencji na potraktowanie tych etapów jako kluczowych i związanie z nimi kontroli całego procesu. Wartości ΔG⁰ etapów glikolizy wskazują na to, że proces ten jest łatwo odwracalny, jeżeli zrezygnuje się z odtworzenia ATP (etap c) i nada się jedynie spontaniczność syntezie fosfoenolopirogronianu.

Ze sprzężenia pośredniego korzystają również, jak już wspomniano, procesy związane z niskoenergetycznymi transformacjami struktury białek (głównie allosterycznych), które są napędzane zmianą stężenia ligandu, jak w wypadku hemoglobiny, receptorów, enzymów regulacyjnych itp., a nie bezpośrednim sprzęgnięciem z reakcją egzoergiczną.

Uogólniając można przyjąć, że w wypadku przemian wysokoenergetycznych komórka korzysta zwykle ze sprzężeń bezpośrednich, podczas gdy sprzężenia pośrednie są raczej typowe dla przejść niskoenergetycznych. Wyjątek wydaje się stanowić sprzężenie procesu syntezy wody i syntezy ATP przez gradient protonów.