Введение к работе
Современный уровень исследований делает возможным оценивать различные характеристики каталитического цикла изолированного фермента. Развитие биофизических методов исследования конформационных переходов в белках, передачи электронов между группами активного центра, высокоточного измерения потоков вещества открывает перед исследователями новые возможности в построении сложнейших кинетических моделей для выделенных ферментов и переносчиков. При этом удается не только анализировать кинетику превращения отдельных метаболитов, но и определять значения отдельных констант скоростей. Это делает возможным рассматривать регуляцию потоков со стороны отдельных стадий процесса или внешних факторов. Количественно оценивать управление в системе с произвольной сложностью взаимных превращений интермедиатов позволяет теория контроля метаболизма.
Актуальность темы. Одним из направлений биофизики сложных систем является изучение регуляции клеточных процессов. Основой для этого служит оценка роли каждого отдельного звена метаболической цепи и возможность предсказывать поведение системы в ответ на какое-либо воздействие. Важнейшим направлением в этой области исследований является всестороннее изучение механизмов превращения метаболитов на уровне отдельного фермента и получение локальных характеристик мультиферментной системы. Знание общих закономерностей управления скоростью биохимических реакций и понимание структурно-функциональных особенностей организации метаболизма позволит перейти к регуляции на субклеточном и клеточном уровне. Кроме того, изучение управления потоками в модели изолированного фермента является принципиально г&жкым при решении биотехнологических задач, связанных с подбором наилучших условий для функционирования выделенных ферментов. Особое значение преобретает знание общих закономерностей регуляции при сопоставлении свойств нативных белков и белков-мутантов, полученных сайт-специфическим мутагенезом, а также при сравнении регуляторных свойств изоферментов.
Таким образом исследование управления потоками в модели изолированного фермента является важнейшей задачей как для применения методов биофизики сложных систем при количественном изучении регуляции в мультиферментной системе, так и для непосредственных прикладных задач генной инженерии и биотехнологии.
Цель диссертационной работы. Целью работы является 1) проведение теоретического анализа управления потоками в модели изолированного фермента; 2) разработка новых высокоэффективных методов получения коэффициентов управления стационарным потоком. Для достижения этих целей были поставлены следующие задачи:
-
С помощью методов теории контроля метаболизма выявить общие закономерности распределения регуляции для случая кинетической модели изолированного фермента с разветвленным и неразветвленным кинетическим механизмом. Рассмотреть управление при наличии притока и оттока метаболитов.
-
Получить соотношения между кинетическими константами, позволяющие выделять стадию процесса, вносящую основной вклад в управление стационарным потоком.
-
Используя структуру кинетических схем, сформулировать правила поиска показателей регуляции для ферментативных механизмов любой степени сложности.
-
На конкретных примерах оценить возможность применимости гипотезы лимитирующей стадии при анализе управления потоком для изолированного фермента.
Научная новизна. Впервые для кинетической модели изолированного фермента строго обоснована необходимость рассмотрения минорной ветви с малым потоком при анализе регуляции скорости со стороны стадий процесса. Теоретически предсказано и на примере модели глюкокиназы печени продемонстрировано существование отрицательного управления со стороны стадии в случае разветвленного кинетического механизма. Предложен кардинально новый способ анализа регуляторных свойств единичного фермента при наличии притока/оттока метаболитов, заключающийся в нанесении на фазовую плоскость линий с постоянным управлением. Данный подход делает возможным совмещать анализ динамических и регуляторных свойств модели проточной ферментативной реакции. Впервые получены соотношения между кинетическими константами для неразветвленного цикла с произвольным количеством стадий, позволяющие выделить стадию, вносящую основной вклад в управление стационарным потоком, вне зависимости от абсолютных значений кинетических констант, входящих в нее процессов.
В общем виде получены профили управления для наиболее часто используемых механизмов ферментативной реакции. Предложены новые простые и наглядные методы
получения коэффициентов управления для моделей с кинетической схемой любой
степени сложности.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждались на
Международной конференции "Критерии самоорганизации в физических, химических и
биологических системах", Суздаль, 1995 г.; International Workshop "Membrane
Bioenergetics", Moscow, 1995; Международной конференции "Математические модели
нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных
системах и других средах", Тверь, 1996 г.; 7th BioTermoKinetic Workshop, Louvain-la-
Neuve, 1996.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 160 страницах