Случайность и необходимость

Выводы, сделанные в ходе длительного исследования этого явно телеономического феномена, обобщены на Рис. 4[25]. Здесь нам нет необходимости обсуждать правую часть схемы, отражающую процесс синтеза матричной РНК и ее трансляции в полипептидные последовательности. Просто отметим, что поскольку мРНК живет очень недолго (всего несколько минут), скорость ее синтеза определяет скорость синтеза трех белков. Прежде всего нас интересуют компоненты регуляторной системы. Они таковы:

– ген-регулятор (i);

– белок-репрессор (Р);

– операторный участок ДНК (о);

– промоторный участок ДНК (p);

– молекула индуктора галактозида (βГ).

Рис. 4. Регуляция синтеза ферментов в лактозной системе.

Р: белок-репрессор, ассоциированный с галактозидом-индуктором, обозначенным шестиугольником.

Н: белок-репрессор, ассоциированный с операторным участком ДНК (о).

i: регуляторный ген, управляющий синтезом репрессора.

p: промотор, место инициации синтеза матричной РНК (мРНК).

Г₁, Г₂, Г₃: структурные гены, управляющие синтезом трех белков, обозначенных Б₁, Б₂, Б₃. (См. текст.)

Функционирование этой системы заключается в следующем:

1. Ген-регулятор управляет синтезом белка-репрессора, протекающим с постоянной и очень низкой скоростью.

2. Репрессор специфично распознает операторный участок и образует с ним стабильный комплекс (соответствующий ∆F около 15 ккал).

3. В этом состоянии синтез мРНК (подразумевающий участие фермента РНК‐полимеразы) блокируется, предположительно посредством простого стерического затруднения, поскольку начало этого синтеза происходит на уровне промотора.

4. Репрессор распознает β-галактозиды, но прочно связывает их только в свободном состоянии: следовательно, в присутствии β-галактозидов комплекс «оператор – репрессор» распадается, что позволяет синтезировать мРНК и белок[26].

Важно отметить, что оба типа взаимодействий, в которые вступает репрессор, являются нековалентными и обратимыми и что индуктор не модифицируется посредством связывания с репрессором. Таким образом, логика всей системы предельно проста: репрессор инактивирует транскрипцию, а индуктор инактивирует репрессор. Это двойное отрицание дает положительный эффект, «аффирмацию». Можно добавить, что логика такого отрицания отрицания по своей природе не диалектическая: она приводит не к новому утверждению, а к повторению первоначального, записанного в структуре ДНК в соответствии с генетическим кодом. Логика биологических регуляторных систем подчиняется не гегелевским законам, а подобно работе компьютера, пропозициональной алгебре Джорджа Буля.

Сегодня нам известно множество других подобных систем (у бактерий). До сих пор ни одна из них не разобрана до конца. Весьма вероятно, что логика некоторых из них более сложна, чем логика лактозной системы, и не сводится преимущественно к отрицательным взаимодействиям. Тем не менее самые общие и наиболее существенные выводы, которые можно сделать на основании анализа лактозной системы, применимы и к ним. Обо всех таких системах можно сказать, что:

1. Репрессор, не обладая собственной активностью, служит трансдуктором – медиатором – химических сигналов.

2. Влияние галактозида на синтез фермента носит косвенный характер и обусловлено исключительно распознавательными свойствами репрессора, а также тем фактом, что ему доступны два взаимоисключающих состояния. Здесь мы снова видим аллостерическое взаимодействие, понимаемое в самом широком смысле, о котором мы говорили выше.

3. Нет никакой химически необходимой взаимосвязи между тем фактом, что β-галактозидаза гидролизует β-галактозиды, и тем фактом, что эти соединения индуцируют ее биосинтез. Несмотря на свою физиологическую полезность, или «рациональность», эта связь химически произвольна.

Понятие произвольности

Фундаментальное понятие произвольности – то есть независимости, с химической точки зрения функции и природы контролирующих ее химических сигналов – применимо и к аллостерическим ферментам. В этом случае одна и та же белковая молекула выполняет двойственную функцию: она одновременно действует и как специфический катализатор, и как трансдуктор химических сигналов. Однако, как мы уже упоминали, аллостерические взаимодействия являются косвенными, проистекая исключительно из различительных свойств стереоспецифичного распознавания, присущих белку в двух (или более) доступных ему состояниях. Между субстратом аллостерического фермента и лигандами, стимулирующими или ингибирующими его активность, не существует никакой химически необходимой взаимосвязи с точки зрения структуры или реакционности. Вкратце, специфичность взаимодействий не имеет ничего общего со структурой лигандов; она целиком и полностью обусловлена структурой белка в различных состояниях, которые он способен принимать, – структурой, в свою очередь, свободно и произвольно диктуемой структурой гена.