Metalų pasisavinimas, pernaša, kaupimas ir homeostazė

Pernaša, kaupimas ir reguliavimas – skirtingi procesai

Žinduolių geležies apykaitoje transferinas perneša surištą geležį, kuri pasisavinama dalyvaujant receptoriams, o feritinas kaupia geležies atsargas savo baltyminiame apvalkale. Šias funkcijas susieja geležies išlaisvinimas ląstelėse, mainams prieinami telkiniai, įterpimas į baltymus ir eksportas. Susidaręs tinklas nėra vienas izoliuotas indas, kuriame nusistovėjusi viena pusiausvyra.

Pasirinktame baltymo modelyje transferinas turi dvi geležies surišimo vietas, o jų aplinkoje dalyvauja karbonatas. Įsisavinimas ir nuo rūgštėjimo priklausantis išlaisvinimas yra skirtingi procesai. Feritinas paprastai turi dvidešimt keturių subvienetų apvalkalą; žinduolių kompleksuose gali būti skirtingų tipų subvienetų, o talpos mastas nenurodo, kiek geležies iš tikrųjų yra kiekviename apvalkale.

Pirminis audinių kultūros tyrimas parodė, kad hepcidino prisijungimas prie feroportino toje sistemoje sukėlė internalizaciją ir suardymą bei sumažino geležies eksportą. Tai pagrindžia reguliacinį ryšį, o ne hepcidino laikymą dar vienu geležį pernešančiu telkiniu. Braižant tinklą, reikia skirti reguliacinį poveikį nuo medžiagos srautą žyminčios rodyklės.

Vietų talpa nustatoma pagal funkcinių vietų skaičių

Hipotetiniame tirpale, kuriame yra 0.800 μmol L⁻¹ funkcinio transferino su dviem surišimo vietomis ir 1.20 μmol L⁻¹ būtent šiose vietose surištos geležies, didžiausia vietų koncentracija yra 2×0.800=1.60 μmol L⁻¹. Užimtų vietų dalis yra 1.20/1.60=0.750. Neužimtų vietų koncentracija yra 0.400 μmol L⁻¹.

2.00 mL tūryje surištos geležies kiekis yra 1.20 μmol L⁻¹×0.00200 L=0.00240 μmol=2.40 nmol. Šie pradiniai duomenys yra mokomasis kiekių rinkinys, o ne žmogaus kraujo matavimai ar diagnostinė interpretacija. Be papildomo surišimo modelio ta pati užimtų vietų dalis nenusako, kaip pasiskirsčiusios baltymo molekulės, turinčios vieną ir dvi užimtas vietas.

Bendroji koncentracija ne visada gali pakeisti laisvojo metalo koncentraciją

Pasirinkite atskirą idealų supaprastintą 1:1 surišimo modelį M+P⇌MP, kai temperatūra yra 298.15 K, sąlyginis disociacijos parametras K_d=1.00 μmol L⁻¹, bendroji metalo koncentracija yra 1.00, o bendroji baltymo koncentracija =2.00 μmol L⁻¹. Tarkite, kad kiekvienas baltymas turi vieną vietą ir pasirinktuose telkiniuose yra tik šios trys cheminės dalelės. Jei surišto metalo molinė koncentracija yra x, laisvojo M koncentracija yra 1.00−x, o laisvojo P koncentracija =2.00−x tais pačiais vienetais.

Iš sąryšio K_d=[M][P]/[MP] gaunama 1.00=(1.00−x)(2.00−x)/x, kai skaitinės koncentracijų vertės išreiškiamos μmol L⁻¹. Fizinę prasmę turinti šaknis yra x=2−√2≈0.585786 μmol L⁻¹. Laisvojo metalo koncentracija ≈0.414214, o laisvojo baltymo koncentracija ≈1.41421 μmol L⁻¹. Užimtų baltymo vietų dalis yra x/2.00≈0.292893.

Į vietų užimtumo formulę vietoj laisvojo metalo koncentracijos įrašius bendrąją metalo koncentraciją, būtų gauta 1/(1+1)=0.500, o tai pažeistų šio baigtinio telkinio metalo balansą. Sąlyginis koncentracijos parametras apima šias nustatytas idealias sąlygas; jis nėra nei bedimensė termodinaminė konstanta, nei tikrasis transferino afinitetas. Kitiems ligandų telkiniams, aktyvumams ir šalutinėms pusiausvyroms reikia išsamesnio modelio.

Pastovus kiekis galimas ir tęsiantis įtekėjimui bei eksportui

Hipotetinėje vieno skyriaus atviroje sistemoje tarkime, kad medžiagos kiekis M didėja dėl pastovaus įtekėjimo j = 0.0400 μmol min⁻¹ ir mažėja dėl eksporto, kurio koeficientas k = 0.100 min⁻¹. Pradinį kiekį prilyginkite nuliui ir taikykite dM/dt=j −kM. Palaikomas kiekis yra M*=j/k=0.400 μmol, o artėjimą prie jo aprašo M(t)=0.400[1−exp(−0.100t)].

Praėjus 10.0 min, kiekis ≈0.252848 μmol, o eksporto srautas ≈0.0252848 μmol min⁻¹. Likęs grynasis kaupimosi greitis yra 0.0147152 μmol min⁻¹. Esant stacionariam kiekiui, tiek įtekėjimas, tiek eksportas išlieka 0.0400 μmol min⁻¹. Todėl pastovus kiekis nereiškia, kad pernaša sustojo ar kad sistema yra pusiausvyros būsenos.

Pusės priartėjimo prie pastovios būsenos trukmė yra ln(2)/k≈6.93147 min. Šis supaprastintas modelis nėra priderintas prie hepcidino ar organizmo geležies eksperimento. Tikra homeostazė apima kintančias įvestis, mainus tarp skyrių, grįžtamąjį ryšį ir kitus nuostolius; vienas tiesinis balansas su palaikoma įvestimi iliustruoja pastovaus srauto skirtumą.

Mažesnė laisvoji koncentracija vis tiek gali dominuoti jungimosi konkurencijoje

Atskiram idealiam konkurenciniam jungimuisi vienoje vietoje, esant palaikomoms laisvosioms koncentracijoms, naudokite laisvą A=0.0100 μmol L⁻¹ su K_d,A=0.100 μmol L⁻¹ ir laisvą B=0.00500 μmol L⁻¹ su K_d,B=0.00100 μmol L⁻¹. Santykiniai tuščios, su A susietos ir su B susietos būsenų svoriai yra 1, [A]/K_d,A=0.100 ir [B]/K_d,B=5.00.

Jų suma 6.10 suteikia dalis≈0.163934 tuščios būsenos, 0.0163934 su A susietos ir 0.819672 su B susietos. Šie išgalvoti parametrai naudoja palaikomus laisvuosius telkinius; jie nepatvirtina tikro baltymo metalų atrankos ar to, kad bendra ląstelinė koncentracija lygi laisvajai. Ligandų pristatymas, kinetiniai mainai ir skyrių cheminės sąlygos taip pat gali būti svarbūs.

Pirminis bakterijų cinko reguliavimo tyrimas iliustruoja, kodėl visos ląstelės elemento kiekis ir termodinaminis laisvojo jono aktyvumas gali labai skirtis. Svarbus jo organizmas ir jutiklio sąlygos. Laisvasis aktyvumas, atitinkantis vidutiniškai mažiau nei vieną laisvai solvatuotą joną mažos ląstelės tūryje, yra ansamblio pusiausvyros aprašas, o ne įrodymas, kad ląstelėje nėra susietų cinko atomų.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Pabandykite patys

1. Numatytoje dviejų vietų baltymo apskaitoje, esant 0.500 μmol L⁻¹ baltymo koncentracijai, susieto metalo yra 0.600 μmol L⁻¹. Raskite užimtų vietų dalį.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   0.600.

   Talpa 2×0.500=1.00 μmol L⁻¹; naudokite susieto metalo ir talpos santykį, o ne susieto metalo ir baltymo molekulių santykį.

2. Naujame atvirame supaprastintame modelyje j yra 0.0300 μmol min⁻¹, o k 0.150 min⁻¹. Raskite pastovų medžiagos kiekį ir eksporto srautą toje būsenoje.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Medžiagos kiekis 0.200 μmol; eksportas 0.0300 μmol min⁻¹.

   M*=j/k; pastovios būsenos įvestis ir eksportas sutampa, bet lieka nenuliniai.

3. Kodėl baigtinio 1:1 jungimosi modelyje laisvosios koncentracijos gaunamos iš bendrųjų koncentracijų atėmus surištų dalelių koncentracijas?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Tas pats susietas kompleksas sunaudoja po vieną abiejų telkinių narį.

   Nepaisant šio sunaudojimo, galima pažeisti abu balansus ir pervertinti užimtumą.

4. Ar reguliacinis hepcidino ryšys su feroportinu yra geležį turinčios medžiagos pernašos rodyklė?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Ne.

   Reguliavimas keičia eksporto elgseną; tai kitoks ryšys nei geležies atomų pernaša.

Ką verta įsidėmėti

• Atskirkite nešiklį, kaupiklį, eksportuotoją ir reguliatorių.
• Skaičiuokite prieinamas vietas pagal funkcinių vietų prielaidas.
• Išlaikykite baigtinio jungimosi balansus.
• Pastovus medžiagos kiekis gali palaikyti nenulinį pertekantį srautą.
• Lyginkite apibrėžtus laisvuosius telkinius, o ne vien bendrą elementą.