В этом примере показано, как использовать sbioconsmoiety функция для поиска консервативных величин в модели SimBiology ®.
Использование sbioconsmoiety для определения консервативных величин, присутствующих в двух моделях гликолиза у T. brucei.
Используйте вычисленные консервативные величины в анализе этих моделей.
Трипаносома бруцеи является одноклеточным эукариотическим паразитом, ответственным за африканскую сонную болезнь. Этот организм выживает внутри инфицированного хозяина, метаболизируя глюкозу из кровотока хозяина. У T. brucei, а также других трипаносом большой фрагмент гликолиза происходит внутри специализированной органеллы, называемой гликозомой.
Чтобы исследовать функцию гликозомы, Bakker et al. (2000, 1997) построили и подтвердили вычислительную модель гликолиза у T. brucei, которая явно включает гликозомальную компартментацию. Они сравнили свойства этой модели с свойствами производной модели, в которой гликозома отсутствует. Среди других результатов они обнаружили, что в отсутствие гликозомы гексозофосфатные промежуточные соединения в гликолитическом пути могут накапливаться до высоких уровней, которые были бы опасны для камеры. В своем анализе Bakker et al. смогли объяснить, как разделение метаболитов, обеспечиваемых гликозомой, предотвращает это потенциально токсичное накопление.
Один из способов понять эффект разделения состоит в том, чтобы изучить, как это влияет на консервативные величины, существующие в системе. В этом примере мы вычисляем консервативные величины в двух моделях гликолиза T. brucei и обсуждаем их значимость в контексте анализа Bakker et al.
Начните, загрузив проект в командной строке с помощью sbioloadproject.
sbioloadproject trypanosome_glycolysisПроект содержит две модели. Первая модель, m1, содержит сеть гликолиза дикого типа, показанную ниже. (Можно исследовать сеть в интерактивном режиме, запустив приложение SimBiology Model Builder с simBiologyModelBuilder и открытие файла проекта trypanosome_glycolysis.sbproj расположенного в (matlabroot/toolbox/simbio/simbiodemos.)
Эта система является несколько упрощенным вариантом пути, используемого Bakker et al. Модель имеет три отделения: гликозому, цитозол и внешнюю. Метаболиты, содержащиеся в гликозоме, находятся в синем цвете, в то время как метаболиты в цитозоле или вне камеры - в зеленом цвете. Некоторые виды, такие как глицерин 3-фосфат (Gly-3-P), присутствуют в нескольких компартментах.
Путь начинается с импорта внеклеточной глюкозы в гликозому (для удобства в этом процессе цитозол «пропускается»). Путь протекает вниз на схеме, заканчиваясь транспортом пирувата из цитозола. В аэробных условиях глицерин 3-фосфат (Gly-3-P) окисляется глицерин-3-фосфатоксидазой (ГПО) вне гликозомы; как следствие, глюкоза полностью превращается в пируват. В анаэробных условиях эта реакция не происходит, и гликолитический путь производит глицерин в дополнение к пирувату.
Функция sbioconsmoiety исследует структуру матрицы стехиометрии модели, чтобы найти линейные комбинации видов, которые консервативны. Этот анализ структурен в том, что он полагается 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 возвращенные консервативные количества включают только положительные суммы видов. Третий аргумент 'p' запрашивает выход в массив ячеек со строками.
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 камера массива ячеек содержит длинную строку. Разбейте эту строку и отобразите ее, чтобы ее можно было считать.
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
Область выхода sbioconsmoiety содержит десять величин, чья временная скорость изменения равна нулю, независимо от кинетики реакции. Существует два консервативных пула адениновых нуклеотидов АТФ, АДФ и АМФ, один в гликозоме и один в цитозоле. Также сохраняется гликозомальный пул никотинамидных нуклеотидов NAD + и NADH. Отдельные консервативные виды, такие как external.glucosa и цитозол. O2 являются видами на контур системы, у которых значение BoundaryCondition набора свойств true. Эти виды включены в выход sbioconsmoiety потому что их количества действительно останутся постоянными во время гипотетической симуляции.
Оставшиеся две консервативные величины представляют пулы связанного фосфата, одну внутри и одну снаружи гликозомы. Одна внутри включает девять различных видов. Обратите внимание, 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. Этот рисунок была сгенерирован путем выбора соответствующих видов в представлении таблицы схем 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 переходит обратно в АТФ из 1,3-бифосфоглицерата (1,3-BPGA) или гликозомального глицерина 3-фосфата (Gly-3-P), завершая цикл.
Обратите внимание, что сумма цитозола. DHAP + цитозол. Gly-3-P возникает как независимо консервативный пул, потому что DHAP/Gly-3-P антипортер обменивает одну гликозомальную молекулу DHAP на одну молекулу цитозольного Gly-3-P и наоборот. Есть потоки фосфатных групп в и из этого пула, но следующий поток равен нулю, потому что эти потоки отменяют друг друга.
Теперь рассмотрим вторую модель, m2, который содержит экспериментальную сеть in silico Bakker et al. в которой была удалена гликозома. В этой модели все метаболиты находятся в цитозоле. В частности, больше нет антипортового обмена DHAP и Gly-3-P в гликозому и из нее, и существует один пул для адениновых нуклеотидов ATP, ADP и AMP.
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 контуре системы всё ещё присутствуют в экспериментальной модели, и их количества снова сохраняются. Однако без гликозомы сохранение связанных фосфатов исчезло, оставив только консервационные отношения для никотинамидных и адениновых нуклеотидов.
В своем анализе функции гликозомы у T. brucei, Bakker et al. обнаружить, что гликозомальная компартментация предотвращает потенциально токсическое накопление гексозофосфатных промежуточных продуктов G-6-P и F-1,6-BP во время гликолиза. Это наблюдение можно понять в свете наблюдаемого различия в сохранении фосфатов с гликозомой и без нее. Когда гликозома присутствует, промежуточные соединения, такие как G-6-P или F-1,6-BP, не могут накапливаться до произвольно высоких уровней, так как они ограничены общим количеством органического фосфата, присутствующего в консервативном бассейне. Без гликозомы это ограничение отсутствует. Понимание также может быть получено при рассмотрении гликозомной компартментации адениновых нуклеотидов. Когда внеклеточный уровень глюкозы повышается, реакции HK и PFK стимулируются. Когда гликозома присутствует, эти реакции являются самоограничивающимися, так как они истощают АТФ из консервативного пула гликозомальных АТФ, АДФ и АМФ. С другой стороны, когда гликозома отсутствует, отношение АТФ/АДФ в цитозоле на самом деле увеличивается с увеличением уровня внеклеточной глюкозы. Как следствие, реакции HK и PFK дополнительно стимулируются, что приводит к накоплению их продуктов, G-6-P и F-1,6-BP.
Этот анализ показывает, что гликозомальная компартментация обеспечивает механизм отрицательной обратной связи при накоплении промежуточных соединений. Bakker et al. предположим, 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. С., Теусинк, Б., ван Хук, П., Михелс, П. А. М., и Вестерхофф, Х. В. Компартментация защищает трипаносомы от опасного проекта гликолиза PNAS (2000) vol. 97, 2087-2092.
Bakker, B. M., Michels, P. A. M., Opperdoes, F. R., and Westerhoff, H. V. Гликолиз в форме кровотока Trypanosoma brucei можно понять с точки зрения кинетики гликолитического фермента J. Biol. Chem. (1997) vol. 272, 3207-3215.