อัตราการไหล (เมตาบอลิซึม)
ในชีวเคมีฟลักซ์เมตาบอลิก (มักเรียกว่าฟลักซ์ ) คืออัตราการหมุนเวียนของโมเลกุลผ่านวิถีเมตาบอ ลิก ฟลักซ์ถูกควบคุมโดยเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องในวิถีนั้น ภายในเซลล์การควบคุมฟลักซ์มีความสำคัญต่อวิถีเมตาบอลิกทั้งหมดเพื่อควบคุมกิจกรรมของวิถีภายใต้เงื่อนไขต่างๆ[ 1 ]ดังนั้น ฟลักซ์จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการสร้างแบบจำลองเครือข่ายเมตาบอลิกซึ่งจะถูกวิเคราะห์ผ่านการวิเคราะห์สมดุลฟลักซ์และการวิเคราะห์การควบคุมเมตาบอลิก
ด้วยวิธีนี้ ฟลักซ์จึงเป็นการเคลื่อนที่ของสสารผ่านเครือข่ายเมตาบอลิซึมที่เชื่อมต่อกันด้วยเมตาบอไลต์และโคแฟคเตอร์และด้วยเหตุนี้จึงเป็นวิธีการอธิบายกิจกรรมของเครือข่ายเมตาบอลิซึมโดยรวมโดยใช้ลักษณะเฉพาะเพียงอย่างเดียว
การไหลเวียนของเมตาบอลิซึม
วิธีที่ง่ายที่สุดคือการอธิบายการไหลของเมตาบอไลต์ผ่านเส้นทางโดยพิจารณาขั้นตอนปฏิกิริยาแต่ละขั้นตอน การไหลของเมตาบอไลต์ผ่านแต่ละปฏิกิริยา ( )คืออัตราของปฏิกิริยาไปข้างหน้า ( Vf ลบด้วยอัตราของปฏิกิริยาย้อนกลับ ( Vr ): [ 2 ]
ที่สภาวะสมดุลจะไม่มีการไหลเกิดขึ้น นอกจากนี้ ยังพบว่าตลอดเส้นทางสภาวะคงที่ การไหลจะถูกกำหนดในระดับที่แตกต่างกันไปโดยทุกขั้นตอนในเส้นทางนั้น ระดับของอิทธิพลจะวัดได้จากสัมประสิทธิ์การควบคุมการไหล
การควบคุมการไหลเวียนของเมตาบอลิซึม
การควบคุมการไหลเวียนของสารผ่านวิถีเมตาบอลิซึมจำเป็นต้องอาศัยสิ่งต่อไปนี้
- ระดับที่ขั้นตอนการเผาผลาญกำหนดการไหลเวียนของการเผาผลาญนั้นแตกต่างกันไปตามความต้องการการเผาผลาญของสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิด
- การเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์ที่เกิดขึ้นเนื่องจากข้อกำหนดข้างต้นจะถูกส่งต่อไปยังเส้นทางการเผาผลาญส่วนที่เหลือเพื่อรักษาสภาวะสมดุล[ 2 ]
การควบคุมการไหลเวียนในวิถีเมตาบอลิซึม:
- การควบคุมการไหลเป็นคุณสมบัติเชิงระบบ กล่าวคือ ขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์ทั้งหมดในระบบในระดับที่แตกต่างกันไป
- การควบคุมฟลักซ์จะวัดได้จากค่าสัมประสิทธิ์การควบคุมฟลักซ์
- ในลำดับปฏิกิริยาเชิงเส้น ค่าสัมประสิทธิ์การควบคุมฟลักซ์จะมีค่าอยู่ระหว่างศูนย์ถึงหนึ่ง
- ขั้นตอนที่มีสัมประสิทธิ์การควบคุมฟลักซ์เป็นศูนย์ หมายความว่า ขั้นตอนดังกล่าวไม่มีอิทธิพลต่อฟลักซ์ในสภาวะคงที่
- ขั้นบันไดในสายโซ่เชิงเส้นที่มีสัมประสิทธิ์การควบคุมฟลักซ์เท่ากับหนึ่ง หมายความว่าขั้นบันไดนั้นสามารถควบคุมฟลักซ์ในสภาวะคงที่ได้อย่างสมบูรณ์
- ค่าสัมประสิทธิ์การควบคุมฟลักซ์สามารถวัดได้เฉพาะในระบบที่สมบูรณ์เท่านั้น และไม่สามารถกำหนดได้จากการตรวจสอบเอนไซม์ที่แยกออกมาในหลอดทดลอง เป็นต้น
เครือข่ายเมตาบอลิซึม
กระบวนการเผาผลาญภายในเซลล์นั้นประกอบด้วยปฏิกิริยาทางเมตาบอลิซึมจำนวนมาก ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแหล่งคาร์บอน (โดยปกติคือกลูโคส ) ไปเป็นหน่วยพื้นฐานที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์สารชีว โมเลกุลขนาดใหญ่ ปฏิกิริยาเหล่านี้ก่อให้เกิดเครือข่ายเมตาบอลิซึมภายในเซลล์ และสามารถใช้เครือข่ายเหล่านี้ในการศึกษากระบวนการเผาผลาญภายในเซลล์ได้
เพื่อให้เครือข่ายเหล่านี้สามารถโต้ตอบกันได้ จำเป็นต้องมีการเชื่อมต่อที่แน่นแฟ้นระหว่างกัน การเชื่อมต่อนี้เกิดขึ้นได้จากการใช้โคแฟคเตอร์ร่วมกัน เช่นATP , ADP , NADHและNADPHนอกจากนี้ การแบ่งปันเมตาบอไลต์บางชนิดระหว่างเครือข่ายต่างๆ ยังช่วยเสริมสร้างความแน่นแฟ้นของการเชื่อมต่อระหว่างเครือข่ายต่างๆ อีกด้วย
การควบคุมเครือข่ายเมตาบอลิซึม
เครือข่ายเมตาบอลิซึมที่มีอยู่จะควบคุมการเคลื่อนที่ของโมเลกุลผ่านขั้นตอนเอนไซม์โดยการควบคุมเอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยาที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ การเคลื่อนที่ของโมเลกุลผ่านขั้นตอนที่สามารถย้อนกลับได้โดยทั่วไปจะไม่ถูกควบคุมโดยเอนไซม์ แต่จะถูกควบคุมโดยความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้น[ 3 ]ปฏิกิริยาที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ในขั้นตอนที่ถูกควบคุมของเส้นทางจะมีพลังงานอิสระเปลี่ยนแปลงเป็นลบ ซึ่งส่งเสริมให้เกิดปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเองในทิศทางเดียวเท่านั้น ปฏิกิริยาที่สามารถย้อนกลับได้จะไม่มีหรือมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระน้อยมาก ดังนั้น การเคลื่อนที่ของโมเลกุลผ่านเครือข่ายเมตาบอลิซึมจึงถูกควบคุมโดยสมดุลทางเคมีอย่างง่าย (ในขั้นตอนที่สามารถย้อนกลับได้) โดยมีเอนไซม์สำคัญเฉพาะที่อยู่ภายใต้การควบคุม (ในขั้นตอนที่ไม่สามารถย้อนกลับได้) การควบคุมเอนไซม์นี้อาจเป็นการควบคุมทางอ้อม ในกรณีที่เอนไซม์ถูกควบคุมโดยกลไกการส่งสัญญาณภายในเซลล์บางอย่าง (เช่น การฟอสโฟรีเลชัน) หรืออาจเป็นการควบคุมโดยตรง เช่น ในกรณีของการควบคุมแบบอัลโลสเตอริกซึ่งสารเมตาบอไลต์จากส่วนต่างๆ ของเครือข่ายเมตาบอลิซึมจะจับกับและส่งผลต่อการทำงานของเอนไซม์อื่นๆ โดยตรงเพื่อรักษาสภาวะสมดุล
ผลลัพธ์ที่อาจดูเหมือนขัดกับสัญชาตญาณในตอนแรกคือ ขั้นตอนที่มีการควบคุมมักจะมีสัมประสิทธิ์การควบคุมฟลักซ์ที่เล็ก เหตุผลก็คือขั้นตอนเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของระบบควบคุมที่ทำให้ฟลักซ์มีเสถียรภาพ ดังนั้นการรบกวนในกิจกรรมของขั้นตอนที่มีการควบคุมจะกระตุ้นให้ระบบควบคุมต่อต้านการรบกวนอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ดังนั้นสัมประสิทธิ์การควบคุมฟลักซ์จึงมีแนวโน้มที่จะเล็ก นี่อธิบายได้ว่าทำไมฟอสโฟฟรุกโตไคเนสในไกลโคไลซิสจึงมีสัมประสิทธิ์การควบคุมฟลักซ์ที่เล็กเช่นนั้น[ 4 ]
ฟลักซ์และจีโนไทป์
การไหลเวียนของเมตาบอลิซึมเป็นฟังก์ชันของการแสดงออกของยีน การ แปลการดัดแปลงโปรตีนหลังการแปล และปฏิสัมพันธ์ระหว่าง โปรตีนกับ เมตาบอไลต์[ 5 ]
ฟลักซ์และฟีโนไทป์
หน้าที่ของกระบวนการเผาผลาญคาร์บอนส่วนกลาง (การเผาผลาญกลูโคส) ได้รับการปรับแต่งอย่างละเอียดเพื่อให้ตรงกับความต้องการขององค์ประกอบพื้นฐานและพลังงานอิสระของกิบส์ควบคู่ไปกับการเจริญเติบโตของเซลล์ ดังนั้นจึงมีการควบคุมการไหลเวียนผ่านกระบวนการเผาผลาญคาร์บอนส่วนกลางอย่างเข้มงวด
อัตราการไหลในปฏิกิริยาสามารถกำหนดได้จากสามสิ่งต่อไปนี้
- กิจกรรมของเอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยา
- คุณสมบัติของเอนไซม์
- ความเข้มข้นของเมตาบอไลต์มีผลต่อกิจกรรมของเอนไซม์[ 5 ]
เมื่อพิจารณาจากข้างต้นแล้ว การไหลเวียนของกระบวนการเมตาบอลิซึมสามารถอธิบายได้ว่าเป็นตัวแทนขั้นสูงสุดของลักษณะเฉพาะ ของเซลล์ เมื่อแสดงออกภายใต้เงื่อนไขบางประการ
บทบาทของการไหลเวียนของเมตาบอลิซึมในเซลล์
การควบคุมการเจริญเติบโตของเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม
งานวิจัยแสดงให้เห็นว่าเซลล์ที่มีการเจริญเติบโตอย่างรวดเร็วมีการเปลี่ยนแปลงในกระบวนการเผาผลาญ[ 6 ]การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้สังเกตได้ในส่วนของการเผาผลาญ กลูโคส การเปลี่ยนแปลงในกระบวนการเผาผลาญเกิดขึ้นเนื่องจากอัตราการเผาผลาญควบคุมเส้นทางการส่งสัญญาณต่างๆ ที่ประสานการทำงานของปัจจัยการถอดรหัสรวมถึงการกำหนดความคืบหน้าของวงจรเซลล์
เซลล์ที่กำลังเติบโตต้องการการสังเคราะห์นิวคลีโอไทด์ เยื่อหุ้มเซลล์ และส่วนประกอบโปรตีนใหม่[ 5 ] [ 6 ]วัสดุเหล่านี้สามารถได้รับจากกระบวนการเผาผลาญคาร์บอน (เช่น การเผาผลาญกลูโคส) หรือจากกระบวนการเผาผลาญส่วนปลาย การไหลเวียนที่เพิ่มขึ้นที่สังเกตได้ในเซลล์ที่เติบโตผิดปกติเกิดจากการดูดซึมกลูโคสในปริมาณสูง
มะเร็ง
การไหลเวียนของเมตาบอลิซึม และโดยเฉพาะอย่างยิ่งผลกระทบของเมตาบอลิซึมต่อการเปลี่ยนแปลงในเส้นทางต่างๆ มีความสำคัญมากขึ้นนับตั้งแต่มีการสังเกตว่าเซลล์มะเร็งมีการเผาผลาญกลูโคสเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับเซลล์ปกติ[ 6 ]การศึกษาการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ทำให้สามารถเข้าใจกลไกการเจริญเติบโตของเซลล์ได้ดีขึ้น และสามารถพัฒนาวิธีการรักษาเพื่อต่อต้านผลกระทบของการเผาผลาญที่เพิ่มขึ้นได้
การวัดฟลักซ์
มีหลายวิธีในการวัดฟลักซ์ อย่างไรก็ตาม วิธีเหล่านี้ล้วนเป็นการวัดทางอ้อม ด้วยเหตุนี้ วิธีการเหล่านี้จึงตั้งสมมติฐานหลักข้อหนึ่งคือ ฟลักซ์ทั้งหมดที่เข้าสู่กลุ่มเมตาโบไลต์ภายในเซลล์ที่กำหนดจะสมดุลกับฟลักซ์ทั้งหมดที่ออกจากกลุ่ม[ 5 ]
ข้อสมมติฐานนี้หมายความว่า สำหรับเครือข่ายเมตาบอลิซึมที่กำหนดไว้ ความสมดุลรอบๆ เมตาบอไลต์แต่ละชนิดจะสร้างข้อจำกัดหลายประการให้กับระบบ
เทคนิคที่ใช้ในปัจจุบันส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการใช้นิวเคลียร์แมกเนติกเรโซแนนซ์ ( NMR ) หรือแก๊สโครมาโทกราฟี-แมสสเปกโทรเมตรี (GC–MS)
เพื่อหลีกเลี่ยงความซับซ้อนของการวิเคราะห์ข้อมูล จึงได้มีการพัฒนาวิธีการที่ง่ายกว่าในการประมาณอัตราส่วนฟลักซ์ขึ้นมาใหม่ ซึ่งใช้หลักการป้อนกลูโคสที่ไม่ติดฉลากและ กลูโคสที่ติดฉลาก 13C อย่างสม่ำเสมอร่วมกัน จากนั้นจึงวิเคราะห์รูปแบบของสารตัวกลางทางเมตาบอลิซึมโดยใช้สเปกโทรสโกปี NMRวิธีนี้ยังสามารถใช้ในการกำหนดโครงสร้างเครือข่ายเมตาบอลิซึมได้อีกด้วย