部分保存

分子種における部分基の保存性は、ある分子から別の分子へと循環的に転移する化学種における部分基の保存性である。生化学において、部分基の保存性はシステムのダイナミクスに大きな影響を与える可能性がある。[ 1 ]

生化学における部分保存サイクル

生化学における保存された基質[ 2 ]の典型的な例としては、アデノシン二リン酸（ADP）サブグループが挙げられます。このサブグループは、リン酸化されてアデノシン三リン酸（ATP）が生成され、その後脱リン酸化されてADPに戻ることで保存された回路を形成しますが、このサブグループは変化しません。自然界における保存された回路は、代謝制御解析などの手法を用いて解明できる独自のネットワーク制御特性を示します。代謝における他の例としては、NAD/NADH、NADP/NADPH、CoA/アセチルCoAなどが挙げられます。タンパク質がリン酸化および脱リン酸化される際に、タンパク質シグナル伝達ネットワークにも多数の保存された回路が存在します。

リン酸化サイクル。部分Aは保存されている。

これらのサイクルのほとんどは、すべてではないにしても、時間スケールに依存します。例えば、リン酸化サイクルにおけるタンパク質は相互変換の間は保存されますが、より長い時間スケールでは、タンパク質の合成と分解のレベルが低く、タンパク質部分のレベルが変化することになるでしょう。同じことは、ATP、NADなどが関与するサイクルにも当てはまります。したがって、生化学における部分保存サイクルの概念は有用な近似ではありますが、[ 3 ]部分合成と分解が著しく含まれる時間スケールでは、この近似はもはや有効ではありません。特定の部分に対して保存部分仮定を適用する場合、事実上、系はその部分に対して閉じていると仮定していることになります。

保存されたサイクルの特定

生化学ネットワークにおける保存されたサイクルは、化学量論行列を調べることで特定できる[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]。種AとAPを含む単純なサイクルの化学量論行列は次のように与えられる。 北{\displaystyle {\boldsymbol {N}}}

北＝[1−1−11]{\displaystyle {\boldsymbol {N}}={\begin{bmatrix}1&-1\\-1&1\end{bmatrix}}}

A と AP の変化率は次の式で表すことができます。

[dあdtdあPdt]＝[1−1−11][v1v2]{\displaystyle {\begin{bmatrix}{\frac {dA}{dt}}\\{\frac {dAP}{dt}}\end{bmatrix}}=\left[{\begin{array}{rr}1&-1\\-1&1\end{array}}\right]\left[{\begin{array}{r}v_{1}\\v_{2}\end{array}}\right]}

式を展開すると次のようになります。

dあdt＝v1−v2dあPdt＝v2−v1{\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {dA}{dt}}&=v_{1}-v_{2}\\[4pt]{\frac {dAP}{dt}}&=v_{2}-v_{1}\end{aligned}}}

に注意してください。これは、 （は部分 の全質量）を意味します。 dA/dt+dAP/dt=0{\displaystyle dA/dt+dAP/dt=0}A+AP=T{\displaystyle A+AP=T}T{\displaystyle T}A{\displaystyle A}

任意のシステムが与えられた場合:

Nv=dxdt{\displaystyle {\boldsymbol {N}}{\boldsymbol {v}}={\frac {d{\boldsymbol {x}}}{dt}}}

基本的な行演算を両辺に適用して、化学量論的行列を階段状形式に簡約すると、次の式が得られます。 M{\displaystyle {\boldsymbol {M}}}

[M0]v=Edxdt{\displaystyle {\begin{bmatrix}{\boldsymbol {M}}\\{\boldsymbol {0}}\end{bmatrix}}{\boldsymbol {v}}={\boldsymbol {E}}{\frac {d{\boldsymbol {x}}}{dt}}}

基本的な演算は行列に表現されています。ゼロ行が始まる階段行列に合わせて 分割すると、次のようになります。E{\displaystyle {\boldsymbol {E}}}E{\displaystyle {\boldsymbol {E}}}

[M0]v=[XY]dxdt{\displaystyle {\begin{bmatrix}{\boldsymbol {M}}\\{\boldsymbol {0}}\end{bmatrix}}{\boldsymbol {v}}={\begin{bmatrix}{\boldsymbol {X}}\\{\boldsymbol {Y}}\end{bmatrix}}{\frac {d{\boldsymbol {x}}}{dt}}}

下側のパーティションを乗算すると、次のようになります。

Ydxdt=0{\displaystyle {\boldsymbol {Y}}{\frac {d{\boldsymbol {x}}}{dt}}=0}

マトリックスには、保存されたサイクル参加者に対応するエントリが含まれます。 Y{\displaystyle {\boldsymbol {Y}}}

保存周期とコンピュータモデル

保存された部分の存在は、コンピュータシミュレーションモデルの構築方法に影響を与える可能性がある。[ 7 ] [ 8 ]部分保存サイクルは、システムを解くために必要な微分方程式の数を減らす。例えば、単純なサイクルには独立変数が1つしかない。もう1つの変数は、総質量と独立変数の差を用いて計算できる。2サイクルの微分方程式は次のように与えられる。

dAdt=v1−v2dAPdt=v2−v1{\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {dA}{dt}}&=v_{1}-v_{2}\\[4pt]{\frac {dAP}{dt}}&=v_{2}-v_{1}\end{aligned}}}

これらは 1 つの微分方程式と 1 つの線形代数方程式に簡約できます。

AP=T−AdAdt=v1−v2{\displaystyle {\begin{aligned}AP&=T-A\\[4pt]{\frac {dA}{dt}}&=v_{1}-v_{2}\end{aligned}}}

参考文献

  1. ^ Markevich, Nick I.; Hoek, Jan B.; Kholodenko, Boris N. (2004年2月2日). 「タンパク質キナーゼカスケードにおけるマルチサイトリン酸化に起因するシグナル伝達スイッチと双安定性」. Journal of Cell Biology . 164 (3): 353– 359. doi : 10.1083/jcb.200308060 . PMC  2172246. PMID 14744999  .
  2. ^ Reich, JG (1981).細胞のエネルギー代謝：理論的論文. ロンドン: アカデミック・プレス.
  3. ^ Fell, DA (1992年9月1日). 「代謝制御解析：その理論的および実験的発展の概観」 . The Biochemical Journal . 286 (Pt 2) (Pt 2): 313– 330. doi : 10.1042/bj2860313 . ISSN 0264-6021 . PMC 1132899. PMID 1530563 .   
  4. ^ Sauro, Herbert M.; Fell, David A. (1991). 「SCAMP：代謝シミュレータおよび制御解析プログラム」 .数学およびコンピュータモデリング. 15 (12): 15– 28. doi : 10.1016/0895-7177(91)90038-9 .
  5. ^ Cornish-Bowden, Athel; Hofmeyr, Jan-Hendrik S. (2002年5月). 「代謝研究における化学量論分析の役割：一例」. Journal of Theoretical Biology . 216 (2): 179– 191. Bibcode : 2002JThBi.216..179C . doi : 10.1006/jtbi.2002.2547 . PMID 12079370 . 
  6. ^ Reder, Christine (1988年11月). 「代謝制御理論：構造的アプローチ」. Journal of Theoretical Biology . 135 (2): 175– 201. Bibcode : 1988JThBi.135..175R . doi : 10.1016/s0022-5193(88)80073-0 . PMID 3267767 . 
  7. ^ Sauro, Herbert M.; Fell, David A. (1991). 「SCAMP：代謝シミュレータおよび制御解析プログラム」 .数学およびコンピュータモデリング. 15 (12): 15– 28. doi : 10.1016/0895-7177(91)90038-9 .
  8. ^ Mendes, Pedro (1993). 「GEPASI: 生化学システムおよびその他のシステムのダイナミクス、定常状態、制御をモデリングするためのソフトウェアパッケージ」 .バイオインフォマティクス. 9 (5): 563– 571. doi : 10.1093/bioinformatics/9.5.563 . PMID 8293329 . 
「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Moiety_conservation&oldid=1294740036」より取得