Динамические модели в биологии

Реестр моделей

Моделирование сложных систем живой клетки

Теория контроля метаболизма

Разработанная для оценки состояния сложных метаболических сетей, теория контроля (управления) метаболизма представляет собой специально разработанный математический аппарат для исследования регуляторных свойств полиферментных метаболических систем, в которых метаболические интермедиаты выступают не только как участники стадий химического превращения, но и как регуляторы отдельных ферментов. Основные результаты в современной теории контроля метаболизма получены английскими (Kacser H., Burns J. A.) и германскими (Heinrich R., Rapoport T. A.) исследователями. Существенный вклад в разработку математических основ этой теории внесли русские ученые Б. Н. Холоденко и О. В. Демин.

Регуляторные свойства метаболических систем проявляются в их способности координированно изменять величины потоков и концентраций веществ в изменяющихся условиях среды, так, чтобы в клетке поддерживалось стационарное состояние с минимальными отклонениями от нормы концентраций ключевых метаболитов. В ранних работах предполагалось, что решающая роль в управлении системой принадлежит одному единственному звену (например, вводились понятия регуляторного фермента, подверженного эффекторному воздействию, "узкого места" – фермента с низкой каталитической активностью, лимитирующего поток веществ по метаболическому пути и т.п.).

Дальнейшее углубление представлений о функционировании метаболических сетей показало, что регуляторные свойства присущи метаболической системе как целому и возникают благодаря взаимодействию и согласованному функционированию всех звеньев системы.

В рамках теории контроля метаболизма описание регуляции в метаболической системе ведется на языке специальных количественных характеристик - системных и локальных показателей регуляции. Основные системные показатели - коэффициенты управления - характеризуют вклады отдельных ферментов, а также внешних параметров, в управление системными переменными – стационарными метаболическими потоками и концентрациями.

Коэффициент управления фермента Ei относительно потока J определяется выражением:

Коэффициент управления фермента Ei относительно метаболита xk представляется в виде:

Локальные показатели (коэффициенты эластичности) описывают кинетические свойства отдельных функциональных звеньев системы – ферментативных реакций. Коэффициент эластичности фермента Ei относительно метаболита xk описывает отклик скорости i-й реакции vi на изменение концентрации данного метаболита:

С момента возникновения теория метаболического контроля непосредственно связана с экспериментальными исследованиями, посвященными прямым измерениям количественных показателей регуляции в различных метаболических системах [Heinrich R., Schuster S. The regulation of Cellular Systems; Холоденко Б. Н. Современная теория контроля метаболизма].

 

Дополнительная информация:

 

В начало

© 2001-2017 Кафедра биофизики МГУ