[论文解读] 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 3

一句话总结

本文通过涌现守恒定律解释生化偶联机制——即由快速酶促反应产生的近似守恒定律，这些定律约束了缓慢但能量有利的反应过程。研究表明，ATP水解仅在通过这些守恒定律与反应偶联时，才能驱动如XY合成等非自发反应，这些守恒定律通过在Y与Pi等物种之间建立化学计量关系，防止了ATP的非偶联分解。

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.

研究动机与目标

• 阐明生化偶联的机制，特别是ATP水解如何驱动如XY合成等非自发反应。
• 识别并分析通过约束反应路径而强制偶联的涌现守恒定律。
• 表明即使在拟平衡态下（快速反应达到稳态而忽略慢速反应）偶联现象依然出现。
• 将分析从ATP-XY偶联扩展至尿素循环，揭示类似的基于守恒定律的偶联机制。

提出的方法

• 使用反应网络理论建模具有可逆反应和明确速率常数的生化系统。
• 应用拟平衡近似，假设快速基元步骤达到局部平衡，而忽略慢速步骤。
• 将涌现守恒定律识别为在快速反应下保持恒定的物种浓度的线性组合。
• 构建化学计量矩阵，以确定化学计量子空间的维数和守恒量的数量。
• 区分基本守恒定律（如磷、氮的守恒）与由反应网络结构产生的涌现守恒定律。
• 通过证明无催化ATP水解会违反涌现守恒定律，从而在系统约束下被禁止，来分析偶联机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无直接偶联的情况下，ATP水解如何驱动如XY合成等非自发反应？
• RQ2 涌现守恒定律在强制外源反应与非自发反应之间偶联中起什么作用？
• RQ3 尽管热力学上有利于ATP水解，为何在代谢网络中无催化ATP水解仍被阻止？
• RQ4 尿素循环中的涌现守恒定律如何强制ATP水解与含氮废物处理之间的偶联？
• RQ5 拟平衡近似在多大程度上能捕捉生化偶联的本质特征？

主要发现

• 涌现守恒定律（如总Y分子与无机磷酸盐（Pi）的守恒）可防止ATP水解独立发生，从而强制偶联。
• 在ATP-XY偶联模型中，[Y] + [Pi]的守恒确保ATP分解仅在X与Y结合生成XY时才会发生。
• 尿素循环中存在七个超越基本守恒定律的涌现守恒定律，包括[ATP] + [ADP] + [AMP]、[H2O] + [尿素]和[天冬氨酸] + [PPi]，这些共同限制了ATP水解的路径。
• 反应ATP + H2O → ADP + Pi违反了三个涌现守恒定律（2、4、5），因此在系统约束下在动力学上被禁止。
• 反应ATP + H2O → AMP + PPi违反了其他三个涌现守恒定律（2、3、6），进一步阻止了非偶联水解。
• 尽管尿素循环包含16种物种和5个独立反应，但11个守恒量（包括7个涌现守恒量）的存在，强制实现了复杂的偶联，而无需依赖完整的开放系统动力学。