Устойчивое состояние (биохимия)

В биохимии . устойчивым состоянием понимают поддержание постоянной внутренней концентрации молекул под 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 общем уровне относительно постоянен, но отличается от равновесных концентраций. ^[1] Непрерывный поток массы и энергии приводит к постоянному синтезу и распаду молекул посредством химических реакций биохимического пути . ^[1] По сути, устойчивое состояние можно рассматривать как гомеостаз на клеточном уровне. ^[1]

Поддержание устойчивого состояния

Метаболическая регуляция обеспечивает баланс между скоростью поступления субстрата и скоростью его разложения 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 за счет балансирования скорости субстрата, полученного на предыдущем этапе, и скорости превращения субстрата в продукт, сохраняя концентрацию субстрата относительно постоянной. ^[1]

С термодинамической точки зрения живые организмы представляют собой открытые системы, а это означает, что они постоянно обмениваются веществом и энергией с окружающей средой. ^[1] Для поддержания устойчивого состояния требуется постоянный запас энергии, поскольку поддержание постоянной концентрации молекулы сохраняет внутренний порядок и, следовательно, энтропийно невыгодно. ^[1] Когда клетка умирает и больше не использует энергию, ее внутренний состав приближается к равновесию с окружающей средой. ^[1]

В некоторых случаях клеткам необходимо скорректировать свой внутренний состав, чтобы достичь нового устойчивого состояния. ^[1] Например, дифференцировка клеток требует специфической белковой регуляции, которая позволяет дифференцирующейся клетке удовлетворять новые метаболические потребности. ^[1]

СПС

Концентрацию АТФ необходимо поддерживать выше равновесного уровня, чтобы скорость АТФ-зависимых биохимических реакций соответствовала метаболическим потребностям. Снижение уровня АТФ приведет к снижению насыщения ферментов, использующих АТФ в качестве субстрата, и, следовательно, к снижению скорости реакции . ^[1] Концентрация АТФ также поддерживается выше, чем у АМФ , а уменьшение соотношения АТФ/АМФ заставляет АМФК активировать клеточные процессы, которые возвращают концентрации АТФ и АМФ в устойчивое состояние. ^[1]

На одной стадии пути гликолиза, катализируемого ПФК-1, константа равновесия реакции составляет примерно 1000, но стационарная 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 соотношение АТФ и АМФ остается в устойчивом состоянии, значительно превышающем равновесную концентрацию. Регуляция ПФК-1 поддерживает уровни АТФ выше равновесия. ^[1]

В цитоплазме гепатоцитов НАДФ установившееся соотношение ⁺ к НАДФН составляет примерно 0,1, а у НАД ⁺ к НАДН составляет примерно 1000, что отдает предпочтение НАДФН как основному восстановителю , а НАД ⁺ как основной окислитель в химических реакциях. ^[2]

Глюкоза крови

в крови Уровни глюкозы поддерживаются на равновесном уровне за счет балансирования скорости поступления глюкозы в кровоток (т.е. при приеме внутрь или высвобождения из клеток) и скорости поглощения глюкозы тканями организма. ^[1] Изменения в скорости поступления будут сопровождаться изменением потребления, и наоборот, так что концентрация глюкозы в крови у людей поддерживается на уровне около 5 мМ. ^[1] Изменение уровня глюкозы в крови вызывает выброс инсулина или глюкагона, который стимулирует печень высвобождать глюкозу в кровоток или забирать глюкозу из кровотока, чтобы вернуть уровень глюкозы в стабильное состояние. ^[1] Бета-клетки поджелудочной железы, например, усиливают окислительный метаболизм в результате повышения концентрации глюкозы в крови, вызывая секрецию инсулина. ^[3] Уровни глюкозы в мозге также поддерживаются на стабильном уровне, а доставка глюкозы в мозг зависит от баланса между потоком через гематоэнцефалический барьер и поглощением клетками мозга. ^[4] У костистых рыб падение уровня глюкозы в крови ниже уровня устойчивого состояния уменьшает внутриклеточно-внеклеточный градиент в кровотоке, ограничивая метаболизм глюкозы в эритроцитах. ^[5]

Лактат крови

в крови Уровень лактата также поддерживается на стабильном уровне. В состоянии покоя или при низкой нагрузке скорость выработки лактата в мышечных клетках и его потребления мышечными клетками или клетками крови позволяет лактату оставаться в организме при определенной устойчивой концентрации. Однако если поддерживать более высокий уровень физических упражнений, уровень лактозы в крови сначала увеличится, а затем 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]

Азотсодержащие молекулы

Метаболическая регуляция азотсодержащих молекул, таких как аминокислоты, также поддерживается в стабильном состоянии. ^[2] Аминокислотный пул, который характеризует уровень аминокислот в организме, поддерживается в относительно постоянной концентрации за счет балансирования скорости поступления (т. е. от поступления белка с пищей, производства метаболических промежуточных продуктов) и скорости истощения (т. е. от образования белки организма, преобразование в молекулы-хранилища энергии). ^[2] Концентрация аминокислот в клетках лимфатических узлов, например, поддерживается в стабильном состоянии с активным транспортом в качестве основного источника поступления и диффузией в качестве источника оттока . ^[7]

Ионы

Одной из основных функций плазмы и клеточных мембран является поддержание асимметричных концентраций неорганических ионов для поддержания ионного устойчивого состояния, отличного от электрохимического равновесия . ^[8] Другими словами, существует дифференцированное распределение ионов по обе стороны клеточной мембраны, то есть количество ионов с обеих сторон неодинаково и, следовательно, существует разделение зарядов. ^[8] Однако ионы движутся через клеточную мембрану так, что достигается постоянный мембранный потенциал покоя; это ионное устойчивое состояние. ^[8] В модели клеточного ионного гомеостаза «насос-утечка» 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 он рассеивается за счет 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] Чтобы восстановить устойчивый электрохимический градиент, АТФаза удаляет ионы натрия и восстанавливает ионы калия в клетке. ^[10] Когда сохраняется повышенная частота сердечных сокращений, вызывающая еще большую деполяризацию, уровень натрия в клетках увеличивается, пока не становится постоянным, что указывает на достижение нового устойчивого состояния. ^[10]

Устойчивость установившегося состояния

Стационарные состояния могут быть стабильными и неустойчивыми. Стационарное состояние является неустойчивым, если небольшое возмущение одной или нескольких концентраций приводит к отклонению системы от ее состояния. Напротив, если стационарное состояние стабильно, любое возмущение вернется к исходному устойчивому состоянию. Более подробную информацию можно найти на странице Теория устойчивости .

Простой пример

Ниже приведен простой пример расчета установившегося состояния с помощью простой математической модели.

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

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

Будем считать, что химические виды $X_{o}$ и $X_{1}$ являются фиксированными внешними видами и $S_{1}$ — это внутренний химический вид, которому разрешено изменяться. Фиксированные границы предназначены для обеспечения того, чтобы система могла достичь устойчивого состояния. Если мы предположим простую необратимую кинетику действия масс , дифференциальное уравнение, описывающее концентрацию $S_{1}$ дается:

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

Чтобы найти установившееся состояние, дифференциальное уравнение устанавливается равным нулю, а уравнение перестраивается для решения $S_{1}$

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

Это стационарная концентрация $S_{1}$ .

Устойчивость этой системы можно определить, внеся возмущение $\delta S_{1}$ в $S_{1}$ Это может быть выражено как:

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

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

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

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

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^тот ^п ^д ^р Нельсон, Дэвид Л. (Дэвид Ли), 1942- (2008). Ленингерские принципы биохимии . Нельсон, Дэвид Л. (Дэвид Ли), 1942-, Ленинджер, 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 )
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Харви, Ричард А., доктор философии (2011). Биохимия . Ферье, Дениз Р. (5-е изд.). Филадельфия: Wolters Kluwer Health/Lippincott Williams & Wilkins. ISBN 9781608314126 . OCLC 551719648 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Фридлянд Леонид Евгеньевич; Филлипсон, Луи Х. (сентябрь 2011 г.). «Механизмы восприятия глюкозы в β-клетках поджелудочной железы: анализ на основе вычислительных систем» . Островки . 3 (5): 224–230. дои : 10.4161/isl.3.5.16409 . ISSN 1938-2022 . ПМК 3219158 . ПМИД 21814042 .
^ Лейберт, Люк; Де Бок, Марийке; Ван Мурхем, Марийке; 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 . ПМИД 17265466 . S2CID 2297153 .
^ Дридзич, 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. дои : 10.1016/j.cbpb.2017.08.002 . ISSN 1879-1107 . ПМИД 28803129 . S2CID 21156909 .
^ 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 . ПМИД 12744715 . S2CID 44723469 .
^ Хельмрайх, Э.; Кипнис, DM (август 1962 г.). «Транспорт аминокислот в клетках лимфатических узлов» . Журнал биологической химии . 237 (8): 2582–2589. дои : 10.1016/S0021-9258(19)73792-2 . ISSN 0021-9258 . ПМИД 13906342 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Дубяк, Джордж Р. (декабрь 2004 г.). «Ионный гомеостаз, каналы и транспортеры: обновленная информация о клеточных механизмах». Достижения в области физиологического образования . 28 (4): 143–154. дои : 10.1152/advan.00046.2004 . ISSN 1043-4046 . ПМИД 15545343 . S2CID 5032652 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Физиология и патология переносчиков хлоридов и каналов нервной системы . 2010. doi : 10.1016/b978-0-12-374373-2.x0001-5 . ISBN 9780123743732 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ЛАНГЕР, Джорджия (июль 1972 г.). «Влияние дигиталиса на ионный обмен миокарда» . Тираж . 46 (1): 180–187. дои : 10.1161/01.cir.46.1.180 . ISSN 0009-7322 . ПМИД 4263007 .

[:04-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^тот ^п ^д ^р Нельсон, Дэвид Л. (Дэвид Ли), 1942- (2008). Ленингерские принципы биохимии . Нельсон, Дэвид Л. (Дэвид Ли), 1942-, Ленинджер, 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 )

[:12-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с Харви, Ричард А., доктор философии (2011). Биохимия . Ферье, Дениз Р. (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 Евгеньевич; Филлипсон, Луи Х. (сентябрь 2011 г.). «Механизмы восприятия глюкозы в β-клетках поджелудочной железы: анализ на основе вычислительных систем» . Островки . 3 (5): 224–230. дои : 10.4161/isl.3.5.16409 . ISSN 1938-2022 . ПМК 3219158 . ПМИД 21814042 .

[4] Лейберт, Люк; Де Бок, Марийке; Ван Мурхем, Марийке; 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 . ПМИД 17265466 . S2CID 2297153 .

[5] Дридзич, 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. дои : 10.1016/j.cbpb.2017.08.002 . ISSN 1879-1107 . ПМИД 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 . ПМИД 12744715 . S2CID 44723469 .

[7] Хельмрайх, Э.; Кипнис, DM (август 1962 г.). «Транспорт аминокислот в клетках лимфатических узлов» . Журнал биологической химии . 237 (8): 2582–2589. дои : 10.1016/S0021-9258(19)73792-2 . ISSN 0021-9258 . ПМИД 13906342 .

[:4-8] Перейти обратно: ^а ^б ^с Дубяк, Джордж Р. (декабрь 2004 г.). «Ионный гомеостаз, каналы и транспортеры: обновленная информация о клеточных механизмах». Достижения в области физиологического образования . 28 (4): 143–154. дои : 10.1152/advan.00046.2004 . ISSN 1043-4046 . ПМИД 15545343 . S2CID 5032652 .

[:2-9] Перейти обратно: ^а ^б Физиология и патология переносчиков хлоридов и каналов нервной системы . 2010. doi : 10.1016/b978-0-12-374373-2.x0001-5 . ISBN 9780123743732 .

[:3-10] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ЛАНГЕР, Джорджия (июль 1972 г.). «Влияние дигиталиса на ионный обмен миокарда» . Тираж . 46 (1): 180–187. дои : 10.1161/01.cir.46.1.180 . ISSN 0009-7322 . ПМИД 4263007 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]