[논문 리뷰] Biochemical Coupling Through Emergent Conservation Laws

John C. Baez, Blake S. Pollard외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 28.

Microbial Metabolic Engineering and Bioproduction참고 문헌 5인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 빠른 효소 반응으로 인해 발생하는 근사 보존 법칙(즉, 급속한 반응에 의해 유도되는 근사적 보존 법칙)을 통해 생화학적 결합을 설명한다. 이 법칙들은 느린, 에너지적으로 유리한 반응을 제약한다. 논문은 ATP 수해리가 엔탈피가 높은 반응, 예를 들어 XY 합성 반응을 촉매하기 위해 이러한 법칙을 통해 결합되어야만 하며, 이로 인해 Y와 인산염(Pi)과 같은 종 간의 스토이히오메트리적 연결을 강제함으로써 순수한 ATP 분해가 방지됨을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 생화학적 결합의 메커니즘을 명확히 하여, 특히 ATP 수해리가 엔탈피가 높은 반응(예: XY 합성)을 어떻게 촉매하는지 밝히는 것.
• 반응 경로를 제약함으로써 결합을 강제하는 잠재적 보존 법칙을 식별하고 분석하는 것.
• 빠른 반응이 국소 평형에 도달하는 동안 느린 반응은 무시되는 임계 평형 상태에서도 결합이 발생할 수 있음을 보여주는 것.
• ATP-XY 결합을 넘어서 우레아 회로로의 분석을 확장하여, 유사한 보존 법칙 기반의 결합 메커니즘을 드러내는 것.

제안 방법

• 역반응과 정의된 속도 상수를 가진 반응 네트워크 이론을 사용하여 생화학적 시스템을 모델링하는 것.
• 임계 평형 근사법을 적용하여 빠른 기본 단계는 局소 평형에 도달하고 느린 단계는 무시하는 것을 가정하는 것.
• 빠른 반응 하에서 일정하게 유지되는 종 농도의 선형 조합으로서의 잠재적 보존 법칙을 식별하는 것.
• 스토이히오메트릭 행렬을 구성하여 스토이히오메트릭 부분공간의 차원과 보존된 양의 수를 결정하는 것.
• 인산염, 질소 등과 같은 기본 보존 법칙과 반응 네트워크의 구조에서 유래하는 잠재적 보존 법칙을 구분하는 것.
• 비촉매 반응에서의 ATP 수해리가 잠재적 보존 법칙을 위반하므로 네트워크 제약 조건 하에서 금지됨을 보여줌으로써 결합의 원리를 분석하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 직접적인 결합 없이 ATP 수해리가 엔탈피가 높은 반응(예: XY 합성)을 어떻게 촉매할 수 있는가?
• RQ2 잠재적 보존 법칙이 기체 반응과 엔탈피가 높은 반응 간의 결합을 강제하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 열역학적으로 유리한데도 불구하고 대사 네트워크에서 비촉매 반응의 ATP 수해리는 왜 금지되는가?
• RQ4 우레아 회로에서 잠재적 보존 법칙이 ATP 수해리와 질소 함유 폐기물 처리 간의 결합을 어떻게 강제하는가?
• RQ5 임계 평형 근사는 생화학적 결합의 본질적 특성을 얼마나 잘 반영하는가?

주요 결과

• 예를 들어 총 Y 분자 수와 인산염(Pi)의 보존과 같은 잠재적 보존 법칙은 ATP 수해리가 독립적으로 일어나는 것을 방지하여 결합을 강제한다.
• ATP-XY 결합 체계에서 [Y] + [Pi]의 보존은 ATP 분해가 X와 Y가 함께 결합하여 XY를 형성할 때에만 일어나도록 보장한다.
• 우레아 회로에는 기본 보존 법칙 외에 일곱 가지의 잠재적 보존 법칙이 존재하며, 이는 [ATP] + [ADP] + [AMP], [H2O] + [urea], [aspartate] + [PPi] 등을 포함한다. 이들은 ATP 수해리 경로를 종합적으로 제약한다.
• 반응 ATP + H2O → ADP + Pi 는 세 가지의 잠재적 보존 법칙(2, 4, 5)을 위반하므로 네트워크 제약 조건 하에서 동역학적으로 금지된다.
• 반응 ATP + H2O → AMP + PPi 는 다른 세 가지의 잠재적 보존 법칙(2, 3, 6)을 위반하므로 추가로 비촉매 수해리를 방지한다.
• 우리가 고려하는 우레아 회로는 16개의 종과 5개의 독립 반응을 포함하고 있지만, 11개의 보존된 양(이중 7개는 잠재적 보존 법칙)이 존재함으로써 전체 개방계 역학을 요구하지 않더라도 복잡한 결합이 강제된다.