Flux (metabolism)
Flux eller metaboliskt flöde är hastigheten för omsättning av molekyler genom en metabolisk väg. Flux regleras av enzymerna som är involverade i en väg. Inom celler är reglering av flux avgörande för att alla metabola vägar ska reglera vägens aktivitet under olika förhållanden. Flux är därför av stort intresse för metabolisk nätverksmodellering, där det analyseras via flödesbalansanalys och metabolisk kontrollanalys .
På detta sätt är flux rörelsen av materia genom metaboliska nätverk som är sammankopplade av metaboliter och kofaktorer , och är därför ett sätt att beskriva aktiviteten hos det metabola nätverket som helhet med hjälp av en enda egenskap.
Metaboliskt flöde
Det är lättast att beskriva flödet av metaboliter genom en väg genom att överväga reaktionsstegen individuellt. Metaboliternas flöde genom varje reaktion (J) är hastigheten för den framåtriktade reaktionen (V f ), minus den för den omvända reaktionen (V r ):
Vid jämvikt finns inget flöde. Vidare observeras att genom en steady-state-väg bestäms flödet i varierande grad av alla steg i vägen. Graden av påverkan mäts med flödesregleringskoefficienten .
Kontroll av metabolt flöde
Kontroll av flödet genom en metabolisk väg kräver det
- I vilken grad metaboliska steg bestämmer det metabola flödet varierar beroende på organismernas metabola behov.
- Förändringen i flöde som uppstår på grund av att ovanstående krav kommuniceras till resten av den metaboliska vägen för att upprätthålla ett steady-state.
Kontroll av flödet i metabola vägar:
- Styrningen av flödet är en systemisk egenskap, det vill säga den beror i varierande grad på alla interaktioner i systemet.
- Styrningen av flöde mäts med flödesregleringskoefficienten
- I en linjär kedja av reaktioner kommer flödeskontrollkoefficienten att ha värden mellan noll och ett.
- Ett steg med en flödesregleringskoefficient på noll betyder att det specifika steget inte har något inflytande över flödet i stationärt tillstånd.
- Ett steg i en linjär kedja med en flödesregleringskoefficient på ett betyder att just det steget har fullständig kontroll över flödet i stationärt tillstånd.
- En flödeskontrollkoefficient kan endast mätas i det intakta systemet och kan till exempel inte bestämmas genom inspektion av ett isolerat enzym in vitro.
Metaboliska nätverk
Cellulär metabolism representeras av ett stort antal metaboliska reaktioner som involverar omvandlingen av kolkällan (vanligtvis glukos ) till de byggstenar som behövs för makromolekylär biosyntes . Dessa reaktioner bildar metaboliska nätverk i celler. Dessa nätverk kan sedan användas för att studera metabolism i celler.
För att dessa nätverk ska kunna interagera är det nödvändigt med en tät koppling mellan dem. Denna anslutning tillhandahålls genom användning av vanliga kofaktorer som ATP , ADP , NADH och NADPH . Utöver detta stramar delning av vissa metaboliter mellan de olika nätverken ytterligare kopplingarna mellan de olika nätverken.
Kontroll av metaboliska nätverk
Befintliga metaboliska nätverk kontrollerar molekylernas rörelse genom deras enzymatiska steg genom att reglera enzymer som katalyserar irreversibla reaktioner. Molekylernas rörelse genom reversibla steg är i allmänhet oreglerad av enzymer, utan regleras snarare av koncentrationen av produkter och reaktanter. Irreversibla reaktioner vid reglerade steg i en väg har en negativ fri energiförändring, vilket främjar spontana reaktioner endast i en riktning. Reversibla reaktioner har ingen eller mycket liten fri energiförändring. Som ett resultat styrs rörelsen av molekyler genom ett metaboliskt nätverk av enkla kemiska jämvikter (vid reversibla steg), med specifika nyckelenzymer som är föremål för reglering (i irreversibla steg). Denna enzymatiska reglering kan vara indirekt, i fallet med ett enzym som regleras av någon cellsignalmekanism (som fosforylering), eller den kan vara direkt, som i fallet med allosterisk reglering, där metaboliter från en annan del av ett metaboliskt nätverk binder direkt till och påverkar den katalytiska funktionen hos andra enzymer för att upprätthålla homeostas .
Ett resultat som till en början kan verka kontraintuitivt, är att reglerade steg tenderar att ha små flödesregleringskoefficienter. Anledningen är att dessa steg är en del av ett styrsystem som stabiliserar flöden, därför kommer en störning i aktiviteten av ett reglerat steg oundvikligen att trigga styrsystemet att motstå störningen, följaktligen kommer flödesregleringskoefficienterna att tendera att vara små. Sålunda förklarar varför, till exempel, att fosfofruktokinas i glykolys har en sådan liten flödeskontrollkoefficient.
Fluxer och genotyp
Metaboliska flöden är en funktion av genuttryck , translation , posttranslationella proteinmodifieringar och protein- metabolitinteraktioner .
Fluxer och fenotyp
Funktionen av den centrala kolmetabolismen (metabolism av glukos) har finjusterats för att exakt möta behoven hos byggstenarna och Gibbs fria energi i samband med celltillväxt. Det finns därför en tät reglering av flödena genom den centrala kolmetabolismen.
Fluxet i en reaktion kan definieras utifrån en av tre saker
- Aktiviteten hos enzymet som katalyserar reaktionen
- Enzymets egenskaper
- Den metabolitkoncentration som påverkar enzymaktiviteten.
Med tanke på ovanstående kan de metaboliska flödena beskrivas som den ultimata representationen av den cellulära fenotypen när de uttrycks under vissa förhållanden.
Roller av metaboliskt flöde i celler
Reglering av däggdjurscelltillväxt
Forskning har visat att celler som genomgår snabb tillväxt har visat förändringar i sin ämnesomsättning. Dessa förändringar observeras med avseende på glukosmetabolism . Ändringarna i metabolism uppstår eftersom metabolismens hastighet styr olika signaltransduktionsvägar som koordinerar aktiveringen av transkriptionsfaktorer samt bestämmer cellcykelns framsteg.
Växande celler kräver syntes av nya nukleotider, membran och proteinkomponenter. Dessa material kan erhållas från kolmetabolism (t.ex. glukosmetabolism) eller från perifer metabolism. Det ökade flödet som observeras i onormalt växande celler orsakas av högt glukosupptag.
Cancer
Metaboliskt flöde och mer specifikt hur ämnesomsättningen påverkas på grund av förändringar i de olika vägarna har vuxit i betydelse sedan man observerade att tumörceller uppvisar förbättrad glukosmetabolism jämfört med normala celler. Genom att studera dessa förändringar är det möjligt att bättre förstå mekanismerna för celltillväxt och där det är möjligt utveckla behandlingar för att motverka effekterna av ökad metabolism.
Mätning av flöden
Det finns flera sätt att mäta flöden, men alla dessa är indirekta. På grund av detta gör dessa metoder ett nyckelantagande som är att alla flöden in i en given intracellulär metabolitpool balanserar alla flöden ut ur poolen.
Detta antagande innebär att för ett givet metaboliskt nätverk lägger balanserna runt varje metabolit ett antal begränsningar på systemet.
De tekniker som för närvarande används kretsar främst kring användningen av antingen kärnmagnetisk resonans ( NMR ) eller gaskromatografi–masspektrometri (GC–MS).
För att undvika komplexiteten i dataanalys har en enklare metod för att uppskatta flödesförhållanden nyligen utvecklats som är baserad på sammatning av omärkt och enhetligt 13C- märkt glukos. De metaboliska mellanliggande mönstren analyseras sedan med hjälp av NMR-spektroskopi . Denna metod kan också användas för att bestämma de metaboliska nätverkstopologierna.