[論文レビュー] Biochemical Coupling Through Emergent Conservation Laws

John C. Baez, Blake S. Pollard+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2018

Microbial Metabolic Engineering and Bioproduction参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、急速な酵素反応によって生じる近似保存則（準拠保存則）を通じて生化学的結合を説明する。これらは、エネルギー的に有利な遅い反応を制約する近似保存則である。本稿は、ATP加水分解が、YとPiの間の化学的ステキオメトリー的リンクを強制することで、ATPの独立した分解を防ぎ、XY合成のような吸進的な反応を駆動するメカニズムを示している。

ABSTRACT

Bazhin has analyzed ATP coupling in terms of quasiequilibrium states where fast reactions have reached an approximate steady state while slow reactions have not yet reached equilibrium. After an expository introduction to the relevant aspects of reaction network theory, we review his work and explain the role of emergent conserved quantities in coupling. These are quantities, left unchanged by fast reactions, whose conservation forces exergonic processes such as ATP hydrolysis to drive desired endergonic processes.

研究の動機と目的

• 生化学的結合のメカニズムを明確化すること、特にATP加水分解がXY合成のような吸進的反応をどのように駆動するかを明らかにすること。
• 反応経路を制約することで結合を強制する、準拠保存則を特定・分析すること。
• 高速反応が定常状態に達するが、遅い反応は無視される準拠平衡状態ですでに結合が生じることを示すこと。
• ATP-XY結合にとどまらず、ウレア回路への分析を拡張し、同様の保存則に基づく結合機構を明らかにすること。

提案手法

• 可逆反応と定義された速度定数を持つ生化学的系をモデル化するために反応ネットワーク理論を用いる。
• 準拠平衡近似を適用し、高速な基底反応が局所平衡に達すると仮定するが、遅い反応は無視する。
• 準拠保存則を、高速反応下で一定のまま保たれる種濃度の線形結合として特定する。
• 化学计量行列を構築し、化学计量部分空間の次元と保存量の数を決定する。
• リンや窒素の保存則など、根本的な保存則と、反応ネットワーク構造から生じる準拠保存則を区別する。
• 自己触媒反応によるATP加水分解が準拠保存則を破るため、ネットワーク制約下では動的に禁止されることを示すことにより、結合のメカニズムを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直接的な結合が存在しない状況で、ATP加水分解がどのようにXY合成のような吸進的反応を駆動するのか。
• RQ2 準拠保存則が、発進的反応と吸進的反応の間の結合をどのように強制するか。
• RQ3 熱力学的に有利であるにもかかわらず、代謝ネットワーク内で自己触媒反応によるATP加水分解がなぜ防止されるのか。
• RQ4 ウレア回路における準拠保存則が、ATP加水分解と窒素含有廃棄物処理の間の結合をどのように強制するか。
• RQ5 準拠平衡近似が、生化学的結合の本質的特徴をどの程度正しく捉えているか。

主な発見

• ATP加水分解が独立して進行しないようにする準拠保存則（例：全Y分子と無機リン酸（Pi）の保存）が、結合を強制する。
• ATP-XY結合スキームでは、[Y] + [Pi]の保存が、XとYがXYに結合している場合にのみATP分解が進行することを保証する。
• ウレア回路には、根本的保存則に加え、[ATP] + [ADP] + [AMP]、[H2O] + [ウレア]、[アスパラギン酸] + [PPi]など、7つの準拠保存則が存在し、これらがATP加水分解経路を総合的に制限する。
• 反応 ATP + H2O → ADP + Pi は3つの準拠保存則（2番目、4番目、5番目）に違反するため、ネットワーク制約下では力学的に禁止される。
• 反応 ATP + H2O → AMP + PPi は他の3つの準拠保存則（2番目、3番目、6番目）に違反するため、さらに独立した加水分解を防ぐ。
• ウレア回路は16種の種と5つの独立反応を有するが、11個の保存量（うち7つが準拠保存則）が存在するため、完全な開放系ダイナミクスを必要とせずとも、複雑な結合が強制される。