Устойчивое состояние (биохимия)

Когда концентрации молекул в живой клетке или органе остаются постоянными

В биохимии устойчивое состояние относится к поддержанию постоянных внутренних концентраций молекул и ионов в клетках и органах живых систем. ^[1] Живые организмы остаются в динамическом устойчивом состоянии , где их внутренний состав как на клеточном, так и на макроуровне относительно постоянен, но отличается от равновесных концентраций . ^[1] Непрерывный поток массы и энергии приводит к постоянному синтезу и распаду молекул посредством химических реакций биохимических путей . ^[1] По сути, устойчивое состояние можно рассматривать как гомеостаз на клеточном уровне. ^[1]

Поддержание устойчивого состояния

Рисунок 1: Для метаболического пути в устойчивом состоянии скорость входа в путь, скорость превращения A в B и скорость выхода равны, что позволяет промежуточным продуктам A и B поддерживать постоянные концентрации в устойчивом состоянии.

Метаболическая регуляция обеспечивает баланс между скоростью поступления субстрата и скоростью его распада или преобразования, и таким образом поддерживает устойчивое состояние. ^[1] Скорость метаболического потока, или потока, является переменной и зависит от метаболических потребностей. ^[1] Однако в метаболическом пути устойчивое состояние поддерживается путем уравновешивания скорости субстрата, предоставленного предыдущим шагом, и скорости преобразования субстрата в продукт, поддерживая концентрацию субстрата относительно постоянной. ^[1]

С точки зрения термодинамики живые организмы являются открытыми системами, что означает, что они постоянно обмениваются материей и энергией с окружающей средой. ^[1] Для поддержания устойчивого состояния требуется постоянный приток энергии, поскольку поддержание постоянной концентрации молекул сохраняет внутренний порядок и, таким образом, является энтропийно невыгодным. ^[1] Когда клетка умирает и больше не использует энергию, ее внутренний состав будет стремиться к равновесию с окружающей средой. ^[1]

В некоторых случаях клеткам необходимо скорректировать свой внутренний состав, чтобы достичь нового устойчивого состояния. ^[1] Например, дифференциация клеток требует специфической регуляции белка, которая позволяет дифференцирующейся клетке удовлетворять новым метаболическим требованиям. ^[1]

АТФ

Концентрация АТФ должна поддерживаться выше равновесного уровня, чтобы скорости биохимических реакций, зависящих от АТФ, соответствовали метаболическим потребностям. Уменьшение АТФ приведет к снижению насыщения ферментов, которые используют АТФ в качестве субстрата, и, таким образом, к снижению скорости реакции . ^[1] Концентрация АТФ также поддерживается выше, чем у АМФ , и уменьшение соотношения АТФ/АМФ запускает AMPK для активации клеточных процессов, которые вернут концентрации АТФ и АМФ в устойчивое состояние. ^[1]

На одном этапе пути гликолиза, катализируемого PFK-1, константа равновесия реакции составляет приблизительно 1000, но равновесная концентрация продуктов (фруктозо-1,6-бисфосфата и АДФ) по сравнению с реагентами (фруктозо-6-фосфатом и АТФ) составляет всего 0,1, что указывает на то, что отношение АТФ к АМФ остается в устойчивом состоянии значительно выше равновесной концентрации. Регулирование PFK-1 поддерживает уровни АТФ выше равновесных. ^[1]

В цитоплазме гепатоцитов устойчивое соотношение НАДФ ⁺ к НАДФН составляет приблизительно 0,1, тогда как соотношение НАД + ^к НАДН составляет приблизительно 1000, что благоприятствует НАДФН как основному восстановителю , а НАД ⁺ как основному окислителю в химических реакциях. ^[2]

Уровень глюкозы в крови

Рисунок 2: Регуляция метаболических путей поддерживает концентрацию глюкозы в крови у людей на уровне приблизительно 5 мМ.

Уровень глюкозы в крови поддерживается на уровне постоянной концентрации за счет балансировки скорости поступления глюкозы в кровоток (т. е. при приеме внутрь или высвобождении из клеток) и скорости усвоения глюкозы тканями организма. ^[1] Изменения скорости поступления будут сопровождаться изменением потребления, и наоборот, так что концентрация глюкозы в крови у людей будет поддерживаться на уровне около 5 мМ. ^[1] Изменение уровня глюкозы в крови вызывает выброс инсулина или глюкагона, который стимулирует печень выделять глюкозу в кровоток или забирать глюкозу из кровотока, чтобы вернуть уровень глюкозы в устойчивое состояние. ^[1] Например, бета-клетки поджелудочной железы усиливают окислительный метаболизм в результате повышения концентрации глюкозы в крови, вызывая секрецию инсулина. ^[3] Уровень глюкозы в мозге также поддерживается на уровне постоянной концентрации, и доставка глюкозы в мозг зависит от баланса между потоком гематоэнцефалического барьера и поглощением клетками мозга. ^[4] У костистых рыб падение уровня глюкозы в крови ниже уровня устойчивого состояния снижает внутриклеточно-внеклеточный градиент в кровотоке, ограничивая метаболизм глюкозы в эритроцитах. ^[5]

Лактат в крови

Уровень лактата в крови также поддерживается в устойчивом состоянии. В состоянии покоя или при низком уровне физической нагрузки скорость выработки лактата в мышечных клетках и его потребления в мышцах или клетках крови позволяет лактату оставаться в организме в определенной устойчивой концентрации. Однако, если поддерживается более высокий уровень физической нагрузки, уровень лактозы в крови увеличится, прежде чем станет постоянным, что указывает на достижение нового устойчивого состояния повышенной концентрации. Максимальное устойчивое состояние лактата (MLSS) относится к максимальной постоянной концентрации лактазы, достигаемой во время устойчивой высокой активности. ^[6]

Молекулы, содержащие азот

Метаболическая регуляция азотсодержащих молекул, таких как аминокислоты, также поддерживается в устойчивом состоянии. ^[2] Аминокислотный пул, который описывает уровень аминокислот в организме, поддерживается на относительно постоянном уровне концентрации путем балансирования скорости поступления (т. е. от приема пищевого белка, производства метаболических промежуточных продуктов) и скорости истощения (т. е. от образования белков организма, преобразования в молекулы хранения энергии). ^[2] Концентрация аминокислот в клетках лимфатических узлов, например, поддерживается в устойчивом состоянии с активным транспортом в качестве основного источника поступления и диффузией в качестве источника оттока . ^[7]

Ионы

Рисунок 3: Различные устойчивые концентрации ионов по обе стороны клеточной мембраны поддерживают мембранный потенциал покоя.

Одной из основных функций плазматических и клеточных мембран является поддержание асимметричных концентраций неорганических ионов для поддержания ионного устойчивого состояния, отличного от электрохимического равновесия . ^[8] Другими словами, существует дифференциальное распределение ионов по обе стороны клеточной мембраны, то есть количество ионов по обе стороны не одинаково, и поэтому существует разделение зарядов. ^[8] Однако ионы перемещаются через клеточную мембрану таким образом, что достигается постоянный мембранный потенциал покоя; это ионное устойчивое состояние. ^[8] В модели насоса-утечки клеточного ионного гомеостаза энергия используется для активного транспорта ионов против их электрохимического градиента . ^[9] Поддержание этого градиента устойчивого состояния, в свою очередь, используется для выполнения электрической и химической работы , когда она рассеивается посредством пассивного движения ионов через мембрану. ^[9]

В сердечной мышце АТФ используется для активного транспорта ионов натрия из клетки через мембранную АТФазу . ^[10] Электрическое возбуждение клетки приводит к притоку ионов натрия в клетку, временно деполяризуя клетку. ^[10] Для восстановления электрохимического градиента устойчивого состояния АТФаза удаляет ионы натрия и восстанавливает ионы калия в клетке. ^[10] Когда поддерживается повышенная частота сердечных сокращений, вызывая больше деполяризаций, уровень натрия в клетке увеличивается до тех пор, пока не станет постоянным, указывая на то, что достигнуто новое устойчивое состояние. ^[10]

Устойчивость стационарного состояния

Стационарные состояния могут быть стабильными или нестабильными. Стационарное состояние нестабильно, если небольшое возмущение в одной или нескольких концентрациях приводит к отклонению системы от ее состояния. Напротив, если стационарное состояние стабильно, любое возмущение релаксирует обратно в исходное стабильное состояние. Более подробную информацию можно найти на странице Теория стабильности .

Простой пример

Ниже приведен простой пример расчета стационарного состояния с использованием простой математической модели.

Рассмотрим открытую химическую систему, состоящую из двух реакций со скоростями и : ${\displaystyle v_{1}}$ ${\displaystyle v_{2}:}$

${\displaystyle X_{o}{\stackrel {v_{1}}{\longrightarrow }}S_{1}{\stackrel {v_{2}}{\longrightarrow }}X_{1}}$

Мы предположим, что химические виды и являются фиксированными внешними видами, а является внутренним химическим видом, которому разрешено изменяться. Фиксированные границы должны гарантировать, что система может достичь устойчивого состояния. Если мы предположим простую необратимую кинетику действия масс , дифференциальное уравнение, описывающее концентрацию, задается как: ${\displaystyle X_{o}}$ ${\displaystyle X_{1}}$ ${\displaystyle S_{1}}$ ${\displaystyle S_{1}}$

${\displaystyle {\frac {dS_{1}}{dt}}=k_{1}X_{o}-k_{2}S_{1}}$

Чтобы найти стационарное состояние, дифференциальное уравнение приравнивается к нулю, а уравнение переписывается для решения ${\displaystyle S_{1}}$

${\displaystyle S_{1}={\frac {k_{1}X_{o}}{k_{2}}}}$

Это стационарная концентрация . ${\displaystyle S_{1}}$

Устойчивость этой системы можно определить, внеся возмущение в Это можно выразить как: ${\displaystyle \delta S_{1}}$ ${\displaystyle S_{1}}$

${\displaystyle {\frac {d(S_{1}+\delta S_{1})}{dt}}=k_{1}X_{o}-k_{2}(S_{1}+\delta S_{1})}$

Обратите внимание, что вызовет изменение скорости изменения. В стационарном состоянии , следовательно, скорость изменения в результате этого возмущения равна: ${\displaystyle \delta S_{1}}$ ${\displaystyle k_{1}X_{o}-k_{2}S_{1}=0}$ ${\displaystyle S_{1}}$

${\displaystyle {\frac {d\delta S_{1}}{dt}}=-k_{2}\delta S_{1}}$

Это показывает, что возмущение затухает экспоненциально, следовательно, система устойчива. ${\displaystyle \delta S_{1}}$

Смотрите также

• Переходное состояние
• Устойчивое состояние
• Устойчивое состояние (химия)

Ссылки

1. Нельсон, Дэвид Л. (Дэвид Ли), 1942- (2008). Принципы биохимии Ленингера . Нельсон, Дэвид Л. (Дэвид Ли), 1942-, Ленингер, Альберт Л., Кокс, Майкл М. (5-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. ISBN 978-0716771081. OCLC  191854286.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
2. Harvey, Richard A., Ph. D. (2011). Биохимия . Ferrier, Denise R. (5-е изд.). Филадельфия: Wolters Kluwer Health/Lippincott Williams & Wilkins. ISBN 9781608314126. OCLC  551719648.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
3. Фридлянд, Леонид Э.; Филлипсон, Луис Х. (сентябрь 2011 г.). «Механизмы восприятия глюкозы в β-клетках поджелудочной железы: анализ на основе вычислительных систем». Islets . 3 (5): 224–230. doi :10.4161/isl.3.5.16409. ISSN  1938-2022. PMC 3219158 . PMID  21814042. 
4. Лейберт, Люк; Де Бок, Марийке; Ван Мурхем, Марике; Декрок, Эльке; Де Вюйст, Эльке (15 ноября 2007 г.). «Нейробарьерная связь в мозге: регулирование поступления глюкозы в зависимости от потребности». Журнал нейробиологических исследований . 85 (15): 3213–3220. дои : 10.1002/jnr.21189 . ISSN  0360-4012. PMID  17265466. S2CID  2297153.
5. Дриджик, Уильям Р. (октябрь 2018 г.). «Низкий уровень глюкозы в плазме ограничивает метаболизм глюкозы эритроцитами и сердцем у некоторых видов костистых рыб». Сравнительная биохимия и физиология. Часть B, Биохимия и молекулярная биология . 224 : 204–209. doi :10.1016/j.cbpb.2017.08.002. ISSN  1879-1107. PMID  28803129. S2CID  21156909.
6. Бийя, Вероник Л.; Сирвент, Паскаль; Пи, Гийом; Коральштейн, Жан-Пьер; Мерсье, Жак (1 мая 2003 г.). «Концепция максимального устойчивого состояния лактата». Спортивная медицина . 33 (6): 407–426. дои : 10.2165/00007256-200333060-00003. ISSN  1179-2035. PMID  12744715. S2CID  44723469.
7. Helmreich, E.; Kipnis, DM (август 1962). «Транспорт аминокислот в клетках лимфатических узлов». Журнал биологической химии . 237 (8): 2582–2589. doi : 10.1016/S0021-9258(19)73792-2 . ISSN  0021-9258. PMID  13906342.
8. Дубяк, Джордж Р. (декабрь 2004 г.). «Ионный гомеостаз, каналы и транспортеры: обновление клеточных механизмов». Advances in Physiology Education . 28 (4): 143–154. doi :10.1152/advan.00046.2004. ISSN  1043-4046. PMID  15545343. S2CID  5032652.
9. Физиология и патология хлоридных транспортеров и каналов в нервной системе . 2010. doi :10.1016/b978-0-12-374373-2.x0001-5. ISBN 9780123743732.
10. LANGER, GA (июль 1972). «Влияние дигиталиса на ионный обмен миокарда». Circulation . 46 (1): 180–187. doi : 10.1161/01.cir.46.1.180 . ISSN  0009-7322. PMID  4263007.