В этом примере показано, как использовать sbioconsmoiety функция поиска консервативных величин в модели SimBiology ®.
Использовать sbioconsmoiety для определения консервативных количеств, присутствующих в двух моделях гликолиза у T. brucei.
Используйте вычисленные консервативные величины в анализе этих моделей.
Trypanosoma brucei - одноклеточный эукариотический паразит, ответственный за африканскую сонную болезнь. Этот организм выживает внутри инфицированного хозяина путем метаболизма глюкозы из кровотока хозяина. У T. brucei, а также других трипаносом большая часть гликолиза происходит внутри специализированной органеллы, называемой гликосомой.
Чтобы исследовать функцию гликосомы, Bakker et al. (2000, 1997) построили и подтвердили вычислительную модель гликолиза у T. brucei, которая явно включает гликосомную компартментацию. Они сравнили свойства этой модели со свойствами полученной модели, в которой гликосома отсутствует. Среди других результатов они обнаружили, что в отсутствие гликосомы промежуточные соединения гексозофосфата в гликолитическом пути могут накапливаться до высоких уровней, которые могут быть опасными для клетки. В своем анализе Bakker et al. смогли объяснить, как деление метаболитов, обеспечиваемое гликосомой, предотвращает это потенциально токсическое накопление.
Одним из способов понять эффект компартментации является изучение того, как она влияет на консервативные количества, присутствующие в системе. В этом примере мы вычисляем консервативные величины в двух моделях гликолиза T. brucei и обсуждаем их значение в контексте анализа Bakker et al.
Начните с загрузки проекта в командной строке с помощью sbioloadproject.
sbioloadproject trypanosome_glycolysisПроект содержит две модели. Первая модель, m1, содержит сеть гликолиза дикого типа, показанную ниже. (Вы можете исследовать сеть в интерактивном режиме, запустив приложение SimBiology Model Builder с помощью simBiologyModelBuilder и открытие файла проекта trypanosome_glycolysis.sbproj расположенного в (matlabroot/toolbox/simbio/simbiodemos.)
Эта система является несколько упрощенной версией пути, используемого Bakker et al. Модель имеет три отделения: гликосомное, цитозольное и внешнее. Метаболиты, содержащиеся в гликосоме, находятся в синем цвете, в то время как метаболиты в цитозоле или внешние по отношению к клетке - в зеленом. Некоторые виды, такие как глицерин 3-фосфат (Gly-3-P), присутствуют во множестве отделений.
Путь начинается с импорта внеклеточной глюкозы в гликосому (для удобства цитозоль в этом процессе «пропускается»). Путь проходит вниз на диаграмме, заканчиваясь переносом пирувата из цитозоля. В аэробных условиях глицерин 3-фосфат (Gly-3-P) окисляется глицерин-3-фосфатоксидазой (GPO) вне гликосомы; вследствие этого глюкоза полностью превращается в пируват. В анаэробных условиях эта реакция не протекает и гликолитический путь продуцирует глицерин в дополнение к пирувату.
Функция sbioconsmoiety исследует структуру матрицы стехиометрии модели, чтобы найти линейные комбинации видов, которые сохраняются. Этот анализ структурен тем, что он опирается только на стехиометрию и структуру сети, а не на кинетику реакции. Фактически, все скорости реакции в этой модели были установлены на 0, потому что эти скорости не важны для нашего анализа. Здесь мы называем sbioconsmoiety со спецификацией алгоритма 'semipos', так что все возвращаемые консервативные количества включают только положительные суммы видов. Третий аргумент 'p' запрашивает печать выходных данных в массиве строк ячейки.
cons_wt = sbioconsmoiety(m1,'semipos','p')
cons_wt = 10x1 cell
{'external.glucose' }
{'external.glycerol' }
{'external.pyruvate' }
{'cytosol.H20' }
{'cytosol.O2' }
{'cytosol.Gly-3-P + cytosol.DHAP' }
{'cytosol.ATP + cytosol.ADP + cytosol.AMP' }
{'glycosome.ATP + glycosome.ADP + glycosome.AMP' }
{'glycosome.NAD+ + glycosome.NADH' }
{'2 glycosome.ATP + glycosome.ADP + glycosome.G-6-P + glycosome.F-6-P + 2 glycosome.F-1,6-BP + glycosome.DHAP + glycosome.GA-3-P + glycosome.Gly-3-P + glycosome.1,3-BPGA'}
Последняя ячейка в массиве ячеек содержит длинную строку. Разбейте эту строку и выведите ее на экран, чтобы ее можно было прочитать.
disp(cons_wt{end}(1:68));2 glycosome.ATP + glycosome.ADP + glycosome.G-6-P + glycosome.F-6-P
disp(cons_wt{end}(69:147));+ 2 glycosome.F-1,6-BP + glycosome.DHAP + glycosome.GA-3-P + glycosome.Gly-3-P
disp(cons_wt{end}(148:end));+ glycosome.1,3-BPGA
Выходные данные sbioconsmoiety содержит десять величин, временная скорость изменения которых равна нулю, независимо от кинетики реакции. Существуют два консервативных пула адениновых нуклеотидов АТФ, АДФ и АМФ, один в гликосоме и один в цитозоле. Также сохраняется гликосомный пул никотинамидных нуклеотидов NAD + и NADH. Единственно консервативные виды, такие как external.glucose и цитозоль. O2 - это виды на границе системы, для которых свойству Condition присвоено значение true. Эти виды включены в выпуск sbioconsmoiety потому что их суммы действительно останутся постоянными во время гипотетического моделирования.
Остальные два консервативных количества представляют собой пулы связанного фосфата, один внутри и один снаружи гликосомы. Тот, что внутри, включает девять различных видов. Следует отметить, что коэффициенты АТФ и фруктозо-1,6-бифосфата (F-1,6-BP) равны 2, поскольку каждый из этих видов имеет две переносимые фосфатные группы.
Виды, участвующие в консервативной сумме, были выделены ниже. Эта цифра была получена путем выбора соответствующих видов в табличном представлении диаграммы на рабочем столе SimBiology. Консервативный цикл «начинается», когда глюкоза фосфорилируется АТФ с образованием глюкозо-6-фосфата (G-6-P). Эта фосфатная группа распространяется вниз по пути до тех пор, пока она не будет перенесена обратно в АТФ из 1,3-бифосфоглицерата (1,3-BPGA) или гликосомального глицерина 3-фосфата (Gly-3-P), завершая цикл.
Обратите внимание, что сумма цитозоль. DHAP + цитозоль. Gly-3-P возникает как независимо консервативный пул, потому что DHAP/Gly-3-P антипортер обменивает одну гликосомную молекулу DHAP на одну цитозольную молекулу Gly-3-P и наоборот. Есть потоки фосфатных групп в этом бассейне и из него, но следующий поток равен нулю, потому что эти потоки отменяют друг друга.
Теперь рассмотрим вторую модель, m2, которая содержит экспериментальную сеть in silico Bakker et al. в котором гликосома удалена. В этой модели все метаболиты находятся в цитозоле. В частности, больше нет антипортового обмена DHAP и Gly-3-P в гликосоме и из нее, и существует единый пул для адениновых нуклеотидов АТФ, АДФ и АМФ.
cons_exp = sbioconsmoiety(m2,'semipos','p')
cons_exp = 7x1 cell
{'external.glucose' }
{'external.glycerol' }
{'external.pyruvate' }
{'cytosol.H20' }
{'cytosol.O2' }
{'cytosol.NADH + cytosol.NAD+' }
{'cytosol.AMP + cytosol.ADP + cytosol.ATP'}
Виды на границе системы всё ещё присутствуют в экспериментальной модели, и их количества вновь сохраняются. Однако без гликосомы сохранение связанных фосфатов исчезло, оставляя только отношения сохранения для никотинамидных и адениновых нуклеотидов.
В своем анализе функции гликосомы у T. brucei Bakker et al. обнаруживают, что гликосомная компартментация предотвращает потенциально токсичное накопление промежуточных соединений гексозофосфата G-6-P и F-1,6-BP во время гликолиза. Это наблюдение можно понять в свете наблюдаемой разницы в сохранении фосфатов с гликосомой и без нее. Когда гликосома присутствует, промежуточные соединения, такие как G-6-P или F-1,6-BP, не могут накапливаться до произвольно высоких уровней, поскольку они ограничены общим количеством органического фосфата, присутствующего в консервативном бассейне. Без гликосомы это ограничение отсутствует. Проницательность также может быть достигнута путем рассмотрения гликосомной компартментации адениновых нуклеотидов. При повышении внеклеточного уровня глюкозы стимулируются реакции HK и PFK. Когда гликосома присутствует, эти реакции являются самоограничивающимися, поскольку они истощают АТФ из консервативного пула гликосомных АТФ, АДФ и АМФ. С другой стороны, когда гликосома отсутствует, цитозольное отношение АТФ/АДФ фактически увеличивается с увеличением уровней внеклеточной глюкозы. В результате реакции HK и PFK дополнительно стимулируются, что приводит к накоплению их продуктов, G-6-P и F-1,6-BP.
Этот анализ показывает, что гликосомная компартментация обеспечивает механизм отрицательной обратной связи по накоплению промежуточных продуктов. Bakker et al. предполагают, что консервативный пул органических фосфатов может также служить механизмом накопления энергии для T. brucei дикого типа во время голодания.
В этом примере мы показали, как вычислить консервативные величины в модели SimBiology и как анализ этих консервативных величин может привести к пониманию поведения сети.
Баккер, Б. М., Менсонид, Ф. И. К., Теусинк, Б., ван Хоек, П., Михелс, П. А. М. и Вестерхофф, Х. В. Компартментация защищает трипаносомы от опасной конструкции гликолиза. PNAS (2000) об. 97, 2087-2092.
Баккер, Б. М., Михелс, П. А. М., Оппердоос, Ф. Р. и Вестерхофф, Х. В. Гликолиз в форме кровотока Trypanosoma brucei можно понять с точки зрения кинетики гликолитических ферментов. J. Biol. Chem. (1997) том 272, 3207-3215.