Скорость-лимитирующая стадия (биохимия)

В биохимии стадия ограничения скорости — это стадия, контролирующая скорость ряда биохимических реакций. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} Однако это утверждение представляет собой неправильное понимание того, как работает последовательность стадий реакции, катализируемой ферментами. Было обнаружено, что вместо одного шага, контролирующего скорость, скорость контролируют несколько шагов. Более того, каждый шаг управления в разной степени контролирует скорость.

Блэкман (1905) ^{[ 3 ]} сформулировано как аксиома: «когда скорость процесса обусловлена рядом отдельных факторов, скорость процесса ограничивается скоростью самого медленного фактора». Это означает, что, изучая поведение сложной системы, такой как метаболический путь, должно быть возможно охарактеризовать один фактор или реакцию (а именно самую медленную), которая играет роль ведущей или лимитирующей скорость стадии. Другими словами, изучение контроля потока можно упростить до изучения одного фермента, поскольку по определению может быть только один «ограничивающий скорость» этап. С момента своего появления стадия «ограничения скорости» сыграла значительную роль в предположении, как контролируются метаболические пути. К сожалению, понятие «ограничивающего скорость» шага ошибочно, по крайней мере, в установившихся условиях. Современные учебники по биохимии начали преуменьшать значение этой концепции. Например, седьмое издание « Основ биохимии Ленингера». ^{[ 4 ]} прямо говорится: «Теперь стало ясно, что в большинстве путей контроль потока распределяется между несколькими ферментами, и степень, в которой каждый способствует контролю, варьируется в зависимости от метаболических обстоятельств». Однако это понятие до сих пор неправильно используется в научных статьях. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

Историческая перспектива

С 1920-х по 1950-е годы ряд авторов обсуждали концепцию стадий, ограничивающих скорость, также известных как главные реакции. Некоторые авторы заявили, что концепция «ограничивающего скорость» шага неверна. Бертон (1936) ^{[ 7 ]} был одним из первых, кто отметил, что: «В установившемся состоянии реакционных цепей принцип главной реакции не имеет применения». Хирон (1952) ^{[ 8 ]} провел более общий математический анализ и разработал строгие правила для предсказания мастерства в линейной последовательности реакций, катализируемых ферментами. Уэбб (1963) ^{[ 9 ]} резко критиковал концепцию скоростно-лимитирующей стадии и ее слепое применение к решению проблем регуляции метаболизма. Уэйли (1964) ^{[ 10 ]} сделал простой, но поучительный анализ простых линейных цепей. Он показал, что при условии, что промежуточные концентрации будут низкими по сравнению с $K_{\mathrm {m} }$ значений ферментов, справедливо следующее выражение:

${\frac {1}{F}}={\frac {1}{Q}}\left({\frac {R}{e_{1}}}+\ldots {\frac {X}{e_{i}}}+\ldots +{\frac {Z}{e_{n}}}\right)$

где $F$ равен потоку пути, и $Q,R,\ldots ,X,\ldots$ и $Z$ являются функциями констант скорости и концентрации промежуточных метаболитов. $e_{i}$ сроки пропорциональны предельной ставке $V$ значения ферментов. Первое, что следует отметить в приведенном выше уравнении, это то, что поток пути является функцией всех ферментов; нет необходимости в шаге по «ограничению скорости». Если же все условия $X/e_{i}$ от $S/e_{2}$ к $Z/e_{n}$ , малы по сравнению с $R/e_{1}$ тогда первый фермент будет вносить наибольший вклад в определение потока и, следовательно, его можно назвать стадией «ограничения скорости».

Современный взгляд

Современная точка зрения заключается в том, что ограничение скорости должно быть количественным и что оно в различной степени распределяется по путям. Эту идею впервые рассмотрел Хиггинс. ^{[ 11 ]} в конце 1950-х годов в рамках докторской диссертации. ^{[ 12 ]} где он ввел количественную меру, которую назвал «коэффициентом отражения». Это описывало относительное изменение одной переменной к другой при небольших возмущениях. В своей докторской диссертации В своей диссертации Хиггинс описывает многие свойства коэффициентов отражения, а в более поздних работах - три группы: Саважо, ^{[ 13 ]}^{[ 14 ]} Генрих и Рапопорт ^{[ 15 ]}^{[ 16 ]} и Джим Бернс в его диссертации (1971) и последующих публикациях. ^{[ 17 ]}^{[ 18 ]} независимо и одновременно развил эту работу в то, что сейчас называется анализом метаболического контроля или, в специфической форме, разработанной Саважо, теорией биохимических систем . Эти разработки значительно расширили первоначальные идеи Хиггинса, и формализм теперь является основным теоретическим подходом к описанию детерминированных, непрерывных моделей биохимических сетей.

Различия в терминологии в разных статьях по анализу метаболического контроля. ^{[ 15 ]}^{[ 17 ]} позднее были согласованы общим соглашением. ^{[ 19 ]}

См. также

Ссылки

^ Нельсон, Дэвид Л.; Кокс, Майкл М. (2005). Ленингерские принципы биохимии . Макмиллан. п. 195. ИСБН 978-0-7167-4339-2 .
^ Раджвайдья, Нилима; Маркандей, Дилип Кумар (2005). Экологическая биохимия . Издательство АПХ. п. 408. ИСБН 978-81-7648-789-4 .
^ Блэкман, Ф.Ф. (1905). «Оптима и ограничивающие факторы» . Анналы ботаники . 19 (74): 281–295. doi : 10.1093/oxfordjournals.aob.a089000 . ISSN 0305-7364 . JSTOR 43235278 .
^ Нельсон, Дэвид Л.; Кокс, Майкл М. (2017). Ленингерские принципы биохимии (Седьмое изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN 9781464126116 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
^ Баоин; Лю, Шао, Пу (24 ноября 2021 г.). Цзо, Цзяньлинь; Лу, Мэн; Ли, Ян; Гао , -Лимитирующие ферменты: новые потенциальные регуляторы патогенеза ревматоидного артрита» . Границы иммунологии . 12 : 779787. doi : 10.3389 fimmu.2021.779787 PMC 8651870. PMID / 34899740 .
^ Чжоу, Даоин; Дуань, Чжэнь; Ли, Чжэньюй; Ге, Фанфанг; Вэй, Ран; Конг, Линсуо (14 декабря 2022 г.). «Значение гликолиза в прогрессировании опухоли и его связь с микроокружением опухоли» . Границы в фармакологии . 13 : 1091779. дои : 10.3389/fphar.2022.1091779 . ПМК 9795015 . ПМИД 36588722 .
^ Бертон, Алан К. (декабрь 1936 г.). «Основы принципа главной реакции в биологии». Журнал клеточной и сравнительной физиологии . 9 (1): 1–14. дои : 10.1002/jcp.1030090102 .
^ Хирон, Джон З. (1 октября 1952 г.). «Скормовое поведение метаболических систем». Физиологические обзоры . 32 (4): 499–523. дои : 10.1152/physrev.1952.32.4.499 . ПМИД 13003538 .
^ Уэбб, Джон Лейден (1963). Ингибиторы ферментов и метаболизма . Нью-Йорк: Академическая пресса. стр. 380–382.
^ Уэйли, сержант (1 июня 1964 г.). «Заметка о кинетике многоферментных систем» . Биохимический журнал . 91 (3): 514–517. дои : 10.1042/bj0910514 . ПМК 1202985 . ПМИД 5840711 .
^ Хиггинс, Джозеф (май 1963 г.). «Анализ последовательных реакций». Анналы Нью-Йоркской академии наук . 108 (1): 305–321. дои : 10.1111/j.1749-6632.1963.tb13382.x . ПМИД 13954410 . S2CID 30821044 .
^ Хиггинс, Джозеф (1959). Кинетические свойства последовательных ферментных систем . Пенсильванский университет: докторская диссертация.
^ Саважо, Майкл А. (февраль 1971 г.). «Чувствительность параметра как критерий оценки и сравнения эффективности биохимических систем». Природа . 229 (5286): 542–544. дои : 10.1038/229542a0 . ПМИД 4925348 . S2CID 4297185 .
^ Саважо, Майкл А. (1972). «Поведение интактных биохимических систем управления* *Это не будет исчерпывающий обзор различных методов анализа биохимических систем, а, скорее, выборочное рассмотрение одного конкретного подхода. Недавно были представлены обзоры, охватывающие альтернативные подходы к этим проблемам (28, 33)». Актуальные темы клеточной регуляции . 6 : 63–130. дои : 10.1016/B978-0-12-152806-5.50010-2 . ISBN 9780121528065 .
^ Jump up to: ^а ^б Генрих, Рейнхарт; Рапопорт, Том А. (февраль 1974 г.). «Линейная стационарная обработка ферментативных цепей. Общие свойства, контроль и эффекторная сила» . Европейский журнал биохимии . 42 (1): 89–95. дои : 10.1111/j.1432-1033.1974.tb03318.x . ПМИД 4830198 .
^ Генрих, Рейнхарт; Рапопорт, Том А. (февраль 1974 г.). «Линейная стационарная обработка ферментативных цепей. Критика теоремы кроссовера и общая процедура идентификации мест взаимодействия с эффектором» . Европейский журнал биохимии . 42 (1): 97–105. дои : 10.1111/j.1432-1033.1974.tb03319.x . ПМИД 4830199 .
^ Jump up to: ^а ^б Качер, Х; Бернс, Дж. А. (1973). «Контроль потока». Симпозиумы Общества экспериментальной биологии . 27 : 65–104. PMID 4148886 .
^ Качер, Х.; Бернс, Дж.А.; Качер, Х.; Фелл, Д.А. (1 мая 1995 г.). «Контроль потока». Труды Биохимического общества . 23 (2): 341–366. дои : 10.1042/bst0230341 . ПМИД 7672373 .
^ Бернс, Дж.А.; Корниш-Боуден, А.; Гроен, АК; Генрих Р.; Качер, Х.; Портеус, Дж.В.; Рапопорт, С.М.; Рапопорт, Т.А.; Стуки, Дж.В.; Тагер, Дж. М.; Вандерс, RJA; Вестерхофф, Х.В. (1985). «Контрольный анализ метаболических систем». Тенденции биохимии. Наука . 10:16 . дои : 10.1016/0968-0004(85)90008-8 .

[1] Нельсон, Дэвид Л.; Кокс, Майкл М. (2005). Ленингерские принципы биохимии . Макмиллан. п. 195. ИСБН 978-0-7167-4339-2 .

[2] Раджвайдья, Нилима; Маркандей, Дилип Кумар (2005). Экологическая биохимия . Издательство АПХ. п. 408. ИСБН 978-81-7648-789-4 .

[3] Блэкман, Ф.Ф. (1905). «Оптима и ограничивающие факторы» . Анналы ботаники . 19 (74): 281–295. doi : 10.1093/oxfordjournals.aob.a089000 . ISSN 0305-7364 . JSTOR 43235278 .

[4] Нельсон, Дэвид Л.; Кокс, Майкл М. (2017). Ленингерские принципы биохимии (Седьмое изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN 9781464126116 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

[5] Баоин; Лю, Шао, Пу (24 ноября 2021 г.). Цзо, Цзяньлинь; Лу, Мэн; Ли, Ян; Гао , -Лимитирующие ферменты: новые потенциальные регуляторы патогенеза ревматоидного артрита» . Границы иммунологии . 12 : 779787. doi : 10.3389 fimmu.2021.779787 PMC 8651870. PMID / 34899740 .

[6] Чжоу, Даоин; Дуань, Чжэнь; Ли, Чжэньюй; Ге, Фанфанг; Вэй, Ран; Конг, Линсуо (14 декабря 2022 г.). «Значение гликолиза в прогрессировании опухоли и его связь с микроокружением опухоли» . Границы в фармакологии . 13 : 1091779. дои : 10.3389/fphar.2022.1091779 . ПМК 9795015 . ПМИД 36588722 .

[7] Бертон, Алан К. (декабрь 1936 г.). «Основы принципа главной реакции в биологии». Журнал клеточной и сравнительной физиологии . 9 (1): 1–14. дои : 10.1002/jcp.1030090102 .

[8] Хирон, Джон З. (1 октября 1952 г.). «Скормовое поведение метаболических систем». Физиологические обзоры . 32 (4): 499–523. дои : 10.1152/physrev.1952.32.4.499 . ПМИД 13003538 .

[9] Уэбб, Джон Лейден (1963). Ингибиторы ферментов и метаболизма . Нью-Йорк: Академическая пресса. стр. 380–382.

[10] Уэйли, сержант (1 июня 1964 г.). «Заметка о кинетике многоферментных систем» . Биохимический журнал . 91 (3): 514–517. дои : 10.1042/bj0910514 . ПМК 1202985 . ПМИД 5840711 .

[11] Хиггинс, Джозеф (май 1963 г.). «Анализ последовательных реакций». Анналы Нью-Йоркской академии наук . 108 (1): 305–321. дои : 10.1111/j.1749-6632.1963.tb13382.x . ПМИД 13954410 . S2CID 30821044 .

[12] Хиггинс, Джозеф (1959). Кинетические свойства последовательных ферментных систем . Пенсильванский университет: докторская диссертация.

[13] Саважо, Майкл А. (февраль 1971 г.). «Чувствительность параметра как критерий оценки и сравнения эффективности биохимических систем». Природа . 229 (5286): 542–544. дои : 10.1038/229542a0 . ПМИД 4925348 . S2CID 4297185 .

[14] Саважо, Майкл А. (1972). «Поведение интактных биохимических систем управления* *Это не будет исчерпывающий обзор различных методов анализа биохимических систем, а, скорее, выборочное рассмотрение одного конкретного подхода. Недавно были представлены обзоры, охватывающие альтернативные подходы к этим проблемам (28, 33)». Актуальные темы клеточной регуляции . 6 : 63–130. дои : 10.1016/B978-0-12-152806-5.50010-2 . ISBN 9780121528065 .

[Berlin-15] Jump up to: ^а ^б Генрих, Рейнхарт; Рапопорт, Том А. (февраль 1974 г.). «Линейная стационарная обработка ферментативных цепей. Общие свойства, контроль и эффекторная сила» . Европейский журнал биохимии . 42 (1): 89–95. дои : 10.1111/j.1432-1033.1974.tb03318.x . ПМИД 4830198 .

[16] Генрих, Рейнхарт; Рапопорт, Том А. (февраль 1974 г.). «Линейная стационарная обработка ферментативных цепей. Критика теоремы кроссовера и общая процедура идентификации мест взаимодействия с эффектором» . Европейский журнал биохимии . 42 (1): 97–105. дои : 10.1111/j.1432-1033.1974.tb03319.x . ПМИД 4830199 .

[Edinburgh-17] Jump up to: ^а ^б Качер, Х; Бернс, Дж. А. (1973). «Контроль потока». Симпозиумы Общества экспериментальной биологии . 27 : 65–104. PMID 4148886 .

[18] Качер, Х.; Бернс, Дж.А.; Качер, Х.; Фелл, Д.А. (1 мая 1995 г.). «Контроль потока». Труды Биохимического общества . 23 (2): 341–366. дои : 10.1042/bst0230341 . ПМИД 7672373 .

[19] Бернс, Дж.А.; Корниш-Боуден, А.; Гроен, АК; Генрих Р.; Качер, Х.; Портеус, Дж.В.; Рапопорт, С.М.; Рапопорт, Т.А.; Стуки, Дж.В.; Тагер, Дж. М.; Вандерс, RJA; Вестерхофф, Х.В. (1985). «Контрольный анализ метаболических систем». Тенденции биохимии. Наука . 10:16 . дои : 10.1016/0968-0004(85)90008-8 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]