如何分析酶和代謝流之間的關係?

時間 2021-06-06 22:48:19

1樓:鯊魚河

粗略來說生物化學教材[1]「酶通論」一章的第一句話可以算是答案:

新陳代謝是生命活動的基礎,是生命活動最重要的特徵。而構成新陳代謝的許多複雜而有規律的物質變化和能量變化都是在酶的催化下進行的。

或者維基百科對代謝流[2]的定義也可以:

Flux, or metabolic flux isthe rate of turnover of molecules through a metabolic pathway. Flux is regulated by the enzymes involved in a pathway. Within cells, regulation of flux is vital for all metabolic pathways to regulate the pathway's activity under different conditions.

Flux is therefore of great interest in metabolic network modelling, where it is analysed via flux balance analysis.

翻譯:代謝流是通過代謝途徑的分子的轉化速率。代謝流被代謝途徑相關的酶所調控。

在細胞中,代謝流的調控對於調節不同條件下代謝途徑活性至關重要。因此,代謝流是模擬代謝網路非常重要,這種模擬分析則是通過通量平衡分析(FBA)。

要詳細分析它們間的聯絡,首先得確定各個定義。問題中提到了酶、代謝流、FBA、基因(網路):

酶(enzyme)是一類*大分子生物*催化劑。[3]

要說代謝流,得先定義代謝,以下同樣來自維基百科[4]:

代謝(Metabolism,來自希臘語「改變」的意思),亦稱新陳代謝,是生物體內維持生命的化學反應的集合。代謝是生物體維持生命的化學反應總稱。這些反應使得生物體能夠生長和繁殖、保持它們的結構以及對環境作出反應。

代謝通常被分為兩類:分解代謝可以對大的分子進行分解以獲得能量(如細胞呼吸);合成代謝則可以利用能量來合成細胞中的各個組分,如蛋白質和核酸等。代謝是生物體不斷進行物質和能量的交換過程,一旦物質和能量交換停止,生物體的生命就會結束。

所以,代謝流(metabolic flux)則可認為是這些化學反應的速率。而FBA(flux balance analysis)則是從數學角度擬合分析代謝流的方法。

Flux balance analysis (FBA) is a mathematical method for simulating metabolism in genome-scale reconstructions of metabolic networks. [5]

FBA是一種對基因組水平重建的代謝網路進行代謝擬合的數學方法。

由於代謝是網狀結構生化反應,而催化這些反應的酶是由基因來編碼(和調控)的,這些相關基因則形成了相互關聯的基因網路。

至此,應該能大概理解開頭兩段關於酶與代謝流關係的引述了。總的來說,代謝是一系列生化反應,酶在其中主要起了催化功能。由於代謝是網狀結構的,且高度相互關聯,網路中的某乙個因素有改變就可能會對整個代謝網路產生影響、改變代謝流(也可以是整體的代謝流不變,而網路中某些代謝流進行了改變)。

所以,基因水平(genotype)的改變可能會從不同方面來影響酶的表達、活性等等的代謝相關的因素,從而影響代謝,產生表型(phenotype)。

另外,代謝流也不僅受酶影響,反應的熱力學(thermodynamics)是反應的基礎。而且,有些酶的活性也受到代謝物的啟用、抑制等作用的調控。

參考文獻的話,現在我所了解的、也是上面說的代謝都是細胞水平的,不開玩笑的說應該是生物化學的教材。個體水平則也需要生理學(好像已經是另外乙個領域了)。對於FBA,我的首推則是Bernhard Palsson的What is flux balance analysis?

[6].

[1] 王鏡巖,生物化學第三版

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