Medžiagų apykaitos reguliavimas, suskirstymas į skyrelius ir sistemos ribotumai

Telkinio dydis, srautas ir kontrolės koeficientas yra skirtingi dalykai

Metabolito telkinys yra tam tikru metu esantis kiekis arba koncentracija. Srautas yra per laiką paverčiamas kiekis arba suderinamas koncentracijos kitimo greitis apibrėžtomis tūrio sąlygomis. Kontrolės koeficientas aprašo, kaip sistemos dydis reaguoja į mažą parametro pokytį nurodytoje būsenoje. Be modelio šių dydžių negalima išvesti vieno iš kito.

Fermentą vietiškai gali reguliuoti substratas, produktas, partnerio prisijungimas ar modifikacijos. Poveikis visam tinklui taip pat priklauso nuo kitų reakcijų, pernašos ir skyrelių. Vieno etapo vadinimas „greitį ribojančiu“ nėra universalus sistemos lygmens kontrolės skaičiavimo ar matavimo pakaitalas.

Atvirame mokomajame modelyje kontrolė pasidalija tarp etapų

Sukurkite atvirą tiesinį modelį A ⇌ B → nuotakas su fiksuota c_A=1.00 mmol L⁻¹ ir efektyvia nuline nuotako koncentracija. Priskirkite v₁=k₁(c_A−c_B), v₂=k₂c_B, k₁=0.400 s⁻¹ ir k₂=0.100 s⁻¹. Fiksuotas tūris ir rezervuaro sąlygos yra šio koncentracijos kitimo greičio modelio dalis.

Esant stacionariam B, sulyginkite greičius. Tada c_B,ss=k₁c_A/(k₁+k₂)=0.800 mmol L⁻¹ ir J=k₁k₂c_A/(k₁+k₂)=0.0800 mmol L⁻¹ s⁻¹. Tarpinio junginio koncentracija pastovi, o abu nenuliniai srautai tęsiasi.

Diferencialiniai srauto kontrolės koeficientai C_i^J=∂ln J/∂ln k_i yra k₂/(k₁+k₂)=0.200 parametrui k₁ ir k₁/(k₁+k₂)=0.800 parametrui k₂. Šiame konkrečiame modelyje ir mastelio keitimo susitarime jų suma lygi vienetui. Jie nėra tikslūs baigtinių pokyčių daugikliai ar universalios fiziologinės konstantos.

Padvigubinus vien k₁ gaunama J=0.0888888889 mmol L⁻¹ s⁻¹ ir B=0.888888889 mmol L⁻¹. Padvigubinus abu koeficientus gaunama J=0.160, o B išlieka 0.800. Todėl vienodas mastelio keitimas ir vieno etapo pakeitimas turi skirtingus poveikius.

Bendras vidurkis gali neatspindėti to, ką patiria fermentas

Sukurkite du fiksuotus 1.00 ir 9.00 μL tūrio skyrelius, kuriuose laisvo substrato koncentracijos 10.0 ir 0.100 mmol L⁻¹. Modeliuojamą fermentą įdėkite tik į skyrelį A. Bendras substrato kiekis yra 10.0+0.900=10.9 nmol, nes 1 mmol L⁻¹×1 μL=1 nmol.

Pagal tūrį svertinė koncentracija yra (1×10+9×0.100)/10=1.09 mmol L⁻¹. Kai priskirta vietinio greičio dalis v/V=S_local/(2.00+S_local), fermentas skyrelyje A patiria dalį 10/(2+10)=0.833333333. Vietoje to įstačius bendrą vidurkį būtų gauta 1.09/(2+1.09)=0.352750809.

Tik papildomas sąlygoje nustatytas nesurišto substrato išsilyginimas be nuostolių tarp fiksuotų tūrių leistų fermentui patirti vidutinę 1.09 koncentraciją. Tikrose ląstelėse gali būti pernaša, surišimas ir skirtingos vietinės aplinkos. Išgalvoti dviejų skyrelių skaičiai nėra išmatuotas ląstelinis pasiskirstymas.

Stabilus telkinys gali palaikyti nuolatinį medžiagos srautą

Nepriklausomam medžiagos kiekio telkinio pavyzdžiui pradėkite nuo 3.00 μmol ir keturias minutes palaikykite pastovų 8.00 μmol min⁻¹ įtekėjimą bei 5.00 ir 2.00 μmol min⁻¹ ištekėjimus. Balansas yra dn/dt=8−5−2=1.00 μmol min⁻¹, todėl telkinys pasiekia 7.00 μmol. Jis kaupiasi, o nėra stacionarus.

Palikus tuos pačius ištekėjimus, kai įtekėjimas tampa 7.00 μmol min⁻¹, kaupimasis lygus nuliui. Dėl to nė vienas ištekėjimas netampa nulinis; pastovus telkinys gali turėti nuolatinį per jį einantį srautą. Vien balansas taip pat nenustato vienintelio srautą kontroliuojančio fermento.

Šie srautai yra pateikti ir pastovūs per nurodytą intervalą. Kintančiai koncentracijai, grįžtamai veikiančiai greitį, didėjančiam tūriui ar kitai ištekėjimo angai reikėtų kitokio dinaminio modelio.

Grįžtamojo ryšio laipsnio rodiklis neskaičiuoja vietų

Nurodykite fenomenologinį mažėjantį atsaką f(P)=1/[1+(P/P_½)^h], su priskirta pusinio atsako koncentracija P_½=0.500 mmol L⁻¹, laipsnio rodikliu h=2 ir nepakeistu srautu V=10.0 μmol min⁻¹. Kintamasis P yra hipotetinis grįžtamojo ryšio dydis, o ne identifikuotas biologinis inhibitorius.

Kai P=0.250, 0.500 ir 1.00 mmol L⁻¹, atsako dalys yra 0.800, 0.500 ir 0.200, o srautai – 8.00, 5.00 ir 2.00 μmol min⁻¹. Padvigubinus P iš 0.500 į 1.00, srautas pasikeičia iš penkių į du, o ne sumažėja perpus.

Laipsnio rodiklis du aprašo nustatyto atsako formą. Jis neįrodo dviejų prisijungimo ar katalizinių vietų, alosterinio mechanizmo ar stabilaus tinklo. P_½ yra apibrėžtas šios funkcijos pusinio atsako parametras; jis nėra automatiškai Michaelio K_m. Vien statinis grafikas neišsprendžia dinaminio reguliavimo klausimo.

Reguliavimas priklauso nuo būsenos ir ribos

Pasidalijusi kontrolė, prieiga prie skyrelių, telkinio kaupimasis ir grįžtamojo ryšio atsakas aprašo skirtingus sistemos aspektus. Išsamus paaiškinimas turi nurodyti rezervuarus, koncentracijas, aktyvias fermentų būsenas, pernašą ir nagrinėjamą pokytį. Vienam organizmui, skyreliui ar būsenai tinkamas modelis nėra automatiškai universalus.

Naudokite nepriklausomus stebėjimus tai modelio daliai, kuri pagrindžia siūlomą funkciją, patikrinti. Keturi čia pateikti originalūs modeliai rodo, kodėl vietinė greičio kreivė ar stabilus metabolito lygis negali patvirtinti kiekvieno teiginio apie tinklą. Juose nėra tikrų ląstelinių kontrolės koeficientų, intervencijos dozės ar fiziologinio veiksmingumo prognozės.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Pabandykite patys

1. Padvigubinkite vien k₁, tada padvigubinkite abu k₁/k₂. Kiekvienu atviro modelio atveju pateikite stacionarų srautą ir B.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Vien k₁: J=0.0888888889, B=0.888888889. Abu: J=0.160, B=0.800, atitinkamai mmol L⁻¹ s⁻¹ ir mmol L⁻¹ vienetais.

   Naudokite tikslias stacionarios būsenos formules. Diferencialiniai koeficientai aprašo mažus jautrumus, o ne tikslius padvigubinimo poveikius.

2. Tarkime, kad abiejuose skyreliuose laisvas substratas dabar išsilygina be nuostolių, esant fiksuotiems tūriams. Raskite vietinę substrato koncentraciją prie fermento ir priskirtą greičio dalį.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   1.09 mmol L⁻¹ ir 0.352750809.

   Išlaikytus 10.9 nmol padalijus iš 10.0 μL gaunama bendra koncentracija. Šiai lygybei reikia naujos išsilyginimo prielaidos.

3. Esant nuolatiniams penkių ir dviejų μmol min⁻¹ ištekėjimams, koks įtekėjimas stabilizuoja telkinį? Ar balansas nustato vieną srauto kontrolės fermentą?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   7.00 μmol min⁻¹; balansas nenustato vienintelio kontrolės fermento.

   Nulinis kaupimasis reiškia sutampantį bendrą įtekėjimą ir ištekėjimą, o ne nulinį srautą ar išmatuotą parametro jautrumą.

4. Grįžtamojo ryšio funkcijai apskaičiuokite srautą, kai P padvigubėja iš 0.500 į 1.00. Tada raskite P dešimties procentų atsakui.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Srautas 2.00 μmol min⁻¹, o ne pusė penkių; dešimties procentų atsakas, kai P=1.50 mmol L⁻¹.

   Išspręskite 1+(P/0.500)²=10, taigi P/0.500=3. Šis statinis atvirkštinis skaičiavimas neįrodo molekulinių vietų skaičiaus ar tinklo stabilumo.

Ką verta įsidėmėti

• Telkiniai, srautai ir diferencialiniai kontrolės koeficientai yra skirtingi dydžiai.
• Kontrolė gali būti pasidalijusi ir priklausyti nuo būsenos.
• Pagal tūrį svertinis vidurkis gali skirtis nuo vietinio substrato koncentracijos.
• Stabilūs telkiniai gali turėti nenulinį per juos einantį srautą.
• Fenomenologinis grįžtamojo ryšio laipsnio rodiklis neskaičiuoja molekulinių vietų.