Цели

Фон

Трипаносома brucei является одноклеточным, эукариотическим паразитом, ответственным за африканскую сонную болезнь. Этот организм выживает в зараженном хосте путем усваивания глюкозы от кровотока хоста. В T. brucei, а также других трипаносомах, значительная часть гликолиза происходит в специализированном органоиде, названном гликонекоторыми.

Исследовать функцию гликонекоторых, Беккер и др. (2000, 1997) созданный и подтвердило вычислительную модель гликолиза в T. brucei, который явным образом включает glycosomal разделение. Они сравнили свойства этой модели к тем из выведенной модели, в которой гликонекоторые отсутствует. Среди других результатов они нашли, что в отсутствие гликонекоторых, hexose промежуточные звенья фосфата в гликольной трассе может накопиться до высокого уровня, который был бы опасен для ячейки. В их анализе Беккер и др. смог объяснить, как разделение метаболитов, обеспеченных гликонекоторыми, предотвращает это потенциально токсичное накопление.

Один способ изучить эффект разделения состоит в том, чтобы исследовать, как это влияет на сохраненные количества, существующие в системе. В этом примере мы вычисляем сохраненные количества в двух моделях T. brucei гликолиз и обсуждаем их значение в контексте анализа Беккера и др.

Загрузите проект

Начните путем загрузки проекта в командной строке с помощью sbioloadproject.

sbioloadproject trypanosome_glycolysis

Проект содержит две модели. Первая модель, m1, содержит сеть гликолиза дикого типа, отображенную ниже. (Можно исследовать сеть в интерактивном режиме путем запуска приложения SimBiology Model Builder с simBiologyModelBuilder и открытие файла проекта trypanosome_glycolysis.sbproj расположенный в (matlabroot/toolbox/simbio/simbiodemos).

Эта система является немного упрощенной версией трассы, используемой Беккером и др. Модель имеет три отсека: гликонекоторые, цитозоль, и внешний. Метаболиты, содержавшиеся в гликонекоторых, находятся в синем, в то время как метаболиты в цитозоли или внешний к ячейке находятся в зеленом. Некоторые разновидности, такие как глицерин, с 3 фосфатами (Gly-3-P), присутствуют в нескольких отсеках.

Трасса начинается с импорта внеклеточной глюкозы в гликонекоторых (для удобства, цитозоль "пропущена" в этом процессе). Трасса продолжает вниз в схеме, заканчивающейся транспортом пирувата из цитозоли. При аэробных условиях глицерин, с 3 фосфатами (Gly-3-P), оксидирован через glycerol-3-phosphate оксидазу (GPO) вне гликонекоторых; как следствие глюкоза полностью преобразована в пируват. При анаэробных условиях не происходит эта реакция, и гликольная трасса производит глицерин в дополнение к пирувату.

Вычислите сохраненные количества в сети дикого типа

Функциональный sbioconsmoiety исследует структуру матрицы стехиометрии модели, чтобы найти линейные комбинации разновидностей, которые сохраняются. Этот анализ структурен в этом, он полагается только на стехиометрию и структуру сети а не на кинетике реакции. На самом деле все скорости реакции в этой модели были установлены в 0, потому что эти уровни не важны для нашего анализа. Здесь мы вызываем sbioconsmoiety со спецификацией алгоритма 'semipos', так, чтобы все сохраненные возвращенные количества включили только положительные суммы разновидностей. Третий аргумент 'p' просит выход быть распечатанным к массиву ячеек строк.

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 отобразите ее так, она может быть считана.

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

Выход sbioconsmoiety содержит десять количеств, скорость изменения которых является нулем, независимо от кинетики реакции. Существует два сохраненных пула нуклеотидов аденина ATP, ADP и AMP, один в гликонекоторых и один в цитозоли. glycosomal пул нуклеотидов никотинамида NAD + и NADH сохраняется также. Отдельно сохраненные разновидности, такие как external.glucose и цитозоль. O2 являются разновидностями на контуре системы, которые имеют их набор свойств BoundaryCondition к истине. Эти разновидности включены в выход sbioconsmoiety потому что их суммы действительно остались бы постоянными во время гипотетической симуляции.

Остающиеся два сохраненных количества представляют пулы связанного фосфата, одной внутренней части и одной внешней стороны гликонекоторые. Одна внутренняя часть включает девять различных разновидностей. Обратите внимание на то, что коэффициенты ATP и fructose-1,6-biphosphate (F-1,6-BP) оба 2 как эти разновидности, у каждого есть две передаваемых группы фосфата.

Разновидности, участвующие в сохраненной сумме, были подсвечены ниже. Этот рисунок был сгенерирован путем выбора соответствующих разновидностей в Табличном представлении Схемы в рабочем столе SimBiology. Сохраненный цикл "начинается", когда глюкоза является phosphorylated ATP, чтобы сформировать глюкозу, с 6 фосфатами (G-6-P). Эта группа фосфата распространяет вниз через трассу, пока это не возвращено к ATP от 1,3-biphosphoglycerate (1,3-BPGA) или glycosomal глицерина, с 3 фосфатами (Gly-3-P), завершив цикл.

Обратите внимание на то, что сумма cytosol.DHAP + cytosol.Gly-3-P возникает как независимо сохраненный пул, потому что DHAP/Gly-3-P антиносильщик обменивается одним glycosomal DHAP молекула для одной цитозольной Gly-3-P молекулы и наоборот. Существуют потоки групп фосфата в и из этого пула, но следующий поток является нулем, потому что эти потоки уравновешивают друг друга.

Просмотрите экспериментальную модель без гликонекоторых

Теперь давайте рассмотрим вторую модель, m2, это содержит в silico экспериментальной сети Беккера и др., в котором гликонекоторые был удален. В этой модели все метаболиты находятся в цитозоли. В частности, больше нет обмена антипорта DHAP и Gly-3-P в и из гликонекоторых, и существует один пул для нуклеотидов аденина ATP, ADP и AMP.

Вычислите сохраненные количества в экспериментальной сети

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'}

Разновидности на контуре системы все еще присутствуют в экспериментальной модели, и их суммы снова сохраняются. Без гликонекоторых, однако, сохранение связанных фосфатов исчезло, оставив только отношения сохранения для нуклеотидов аденина и никотинамида.

Обсуждение

В их анализе функции гликонекоторых в T. brucei, Беккер и др. находит, что glycosomal разделение предотвращает потенциально токсичное накопление hexose промежуточных звеньев фосфата G-6-P и F-1,6-BP во время гликолиза. Это наблюдение может быть изучено в свете наблюдаемого различия в сохранении фосфатов с и без гликонекоторых. Когда гликонекоторые присутствуют, промежуточные звенья, такие как G-6-P или F-1,6-BP не могут накопиться до произвольно высокого уровня, когда они ограничиваются общей суммой органического фосфата, существующего в сохраненном пуле. Без гликонекоторых это ограничение отсутствует. Понимание может также быть получено путем рассмотрения glycosomal разделения нуклеотидов аденина. Когда внеклеточный уровень глюкозы увеличен, реакции, HK и PFK стимулированы. Когда гликонекоторые присутствуют, эти реакции самоограничивают, когда они истощают ATP от сохраненного пула glycosomal ATP, ADP и AMP. Когда гликонекоторые отсутствуют, с другой стороны, цитозольное отношение ATP/ADP на самом деле увеличивается с увеличивающимися уровнями внеклеточной глюкозы. Как следствие реакции HK и PFK далее стимулированы, ведя к накоплению их продуктов, G-6-P и F-1,6-BP.

Этот анализ показывает, что glycosomal разделение обеспечивает механизм отрицательной обратной связи на наращивании промежуточных звеньев. Беккер и др. предполагает, что сохраненный пул органических фосфатов может также служить механизмом аккумулирования энергии для дикого типа T. brucei во времена исчерпания ресурсов.

В этом примере мы показали, как вычислить сохраненные количества в модели SimBiology и как анализ этих сохраненных количеств может привести к пониманию поведения сети.

Ссылки

Беккер, B. M. Mensonides, F. I. C., Teusink, B., ван Хоек, P., Michels, P. Утра, и Вестерхофф, Х. В. Компартментэйшн Протектс Трипэнозомес из Опасного Проекта Гликолиза. PNAS (2000) издание 97, 2087-2092.

Беккер, B. M. Michels, P. Утра, Opperdoes, F. R., и Вестерхофф, Х. В. Гликолизис в Трипаносоме Формы Кровотока brucei Могут быть Изучены в терминах кинетики Гликольных Ферментов. Дж. Байол. Chem. (1997) издание 272, 3207-3215.