Теоретическая биология. Часть 1 - Васильев А.А.
Скачать (прямая ссылка):
115
случаю неразветвленной схемы -- считать субстраты одинаковыми. Это даст более близкие значения эффективных констант равновесия для этапов присоединения субстратов -- более равномерное распределение термодинамического потенциала между этими этапами.
Во-вторых, считалось, что одинаковы ограничения для всех констант одного типа: при оценках было взято, что все диффузионные константы меньше одного и того же значения кв < 108 М-1 с-1, для химических kES = кЕР < 103 с-1, для обратных диффузионным — возможны любые значения. Однако для малой молекулы кв больше, чем для большой, но ее труднее фиксировать в реакционном центре, т.е. отношение константы равновесия к-в/кв, а с ней и значение константы типа к-в можно изменять в гораздо более узком диапазоне, чем для большинства обычных субстратов. Кроме того, можно ожидать асимметрию для предельных значений констант feS и кЕР в зависимости от знака AG: если AG<0, то за счет аккумуляции в макромолекуле фермента части высвобождаемой в результате реакции энергии энергетический порог для каждого следующего акта превращения в принципе может быть несколько понижен, т. е. предельное достижимое значение для feS будет заметно больше, чем для кЕР.
Тем не менее, рассмотренный характерный случай как случай промежуточной симметрии полезен и для анализа таких более асимметричных вариантов, учитывающих все конкретные особенности субстратов, характера превращения и усложнения его схемы по сравнению с простейшей циклической. Следующее приближение дает учет этих особенностей. При значительном отклонении реальных характеристик от ожидаемых будут ясны границы возможностей предлагаемого оптимизационного подхода к реконструкции кинетических характеристик.
Но, разумеется, вывод о границах может быть сделан после соответствующего критического анализа исходных физико-химических данных: измерить константы скоростей и концентрации непосредственно in vivo современные методы не позволяют, а реконструкция констант в экспериментах in vitro и расчет концентраций косвенными методами не являются вполне надежными.
Из-за проблем экспериментального количественного описания физической химии клеточных процессов теоретическая реконструкция ожидаемых кинетических характеристик и концентраций интермедиатов клеточных процессов является важной альтернативой чисто экспериментальным исследованиям. Чтобы разрешить возможные сомнения при проверке теоретически реконструированных данных, относящихся к отдельному превращению, имеет смысл реконструировать полный набор данных для метаболических путей как целого. Последовательность этапов такой реконструкции:
1) оценка ожидаемых кинетических характеристик ферментов в первом приближении, считая, что рассчитанные на основе экспериментальных измерений косвенным способом концентрации верны;
2) реконструкция ожидаемых из оптимизационного анализа соотношения концентраций ферментов и субстратов на основе оцененных значений (как уже говорилось, такую задачу с формальной оптимизацией большого числа параметров после определения рациональной очередности рассмотрения гипотез позволяет относительно просто решить перебор);
3) сравнение реконструированных концентраций с принятыми в первом приближений и при необходимости их корректировка в следующем приближении.
При таком подходе надежность повышается, поскольку данные по отношениям концентраций надежнее абсолютных значений концентраций и легче интерпретировать отклонения в наблюдаемых значения констант скоростей, если они наблюдаются для нескольких ферментов одновременно и имеют одинаковую физико-химическую интерпретацию.
116
4.3. Ожидаемое ограничение концентраций субстратов и ферментов в последовательностях метаболических превращений
Поскольку концентрации субстрата и продукта входят в эффективные константы скорости представления (4.8), то вполне естественно, что ожидаемое распределение AG между этапами ферментативного превращения зависит не только от величины AG и физико-химических ограничений на константы, но и от этих концентраций. В силу (4.10) распределение AG между диффузионными этапами ферментативного превращения выражают соотношения
к_DP « Р, к_DS « Р exp(AG / RT). Для химического этапа, если не учитывать возможное отли-
Jcdp kDs
чие предельных значений констант kES и кЕР, ожидаемое стандартное изменение термодинамического потенциала близко к нулю (с учетом предполагаемой асимметрии k-DP, k-DS >> kES,
кЕР).
При AG = 0 получим, что ожидаемые значения констант Михаэлиса для субстрата и фермента равны между собой и с учетом асимметрии k-DP, k-DS >> kES, кЕР совпадают с константами равновесия ЕS- и ЕР-комплексов: ^S = КМР = Р. С ростом отрицательных AG константа Михаэлиса для субстрата к_DS + кES в силу приближения k-DS к kES будет все больше
kDS
отличаться от соответствующей константы равновесия k-DS/kDS. С учетом принятых характерных значений констант (102-3 с-1 для kES и 108 М-1 с-1 для kD) предельное значение KMS =
kES/kDS при больших отрицательных AG составит 10-6-10-5 М. При таких концентрациях субстрата скорость ферментативного превращения еще можно сделать близкой к предельной скорости кЕ&Е0. Но при более низких концентрациях даже очень большие затраты энергии в реакции не позволяют достичь предельной скорости при любом выборе констант в пределах принятых ограничений, поскольку скорость превращения лимитирует диффузия.
