アデニル酸エネルギーシステムのダイナミクスについて：恒常性vs恒常性

生化学エネルギーは、生体分子構造の適切な転換と単細胞生物の機能的代謝生存率の両方を維持する基本要素です。ATP、ADP、およびAMPのレベルは、細胞のエネルギー状態をほぼ反映しており、それらに関連する正確な比率は、アトキンソンによってアデニル酸エネルギー電荷（AEC）として提案されました。成長期条件下では、細胞はアデニンヌクレオチド濃度の非常に大きな変動にもかかわらず、狭い生理学的値内でAECを維持しています。集中的な実験研究により、これらのAEC値は、真核生物と原核生物の両方のさまざまな生物に保存されていることが示されています。ここでは、細胞エネルギー状態に関与する機能要素のいくつかを理解するために、アデニル酸エネルギーシステムのいくつかの重要な部分に準拠した計算モデルを提示します。具体的には、（i）ADPからのATPの主要な合成プロセス、（ii）ATP、ADP、およびAMPの相互変換のための主要な触媒リスファレンファー反応を検討しました。AMPを提供するATPの酵素加水分解。これは、酵素速度方程式とすべての生理学的運動パラメーターがin vitroで明示的に考慮され、実験的にテストされている動的な代謝モデル（遅延微分システムの形式）につながります。私たちの中心的な仮説は、細胞はエネルギーダイナミクスの変化によって特徴付けられるということです（恒常性）。結果は、AECが定常状態と定期的な振動間の安定した遷移を示し、実験データと一致して、これらの振動は狭いAECウィンドウ内の範囲であることを示しています。さらに、このモデルは、ギブス自由エネルギーと総ヌクレオチドプールの持続的な振動を示しています。本研究は、細胞寿命のダイナミクスを発表するための基本的な要素であるアデニル酸エネルギーシステムを支配する基本原則と定量的法則の理解に向けて一歩前進を提供します。

Biochemical energy is the fundamental element that maintains both the adequate turnover of the biomolecular structures and the functional metabolic viability of unicellular organisms. The levels of ATP, ADP and AMP reflect roughly the energetic status of the cell, and a precise ratio relating them was proposed by Atkinson as the adenylate energy charge (AEC). Under growth-phase conditions, cells maintain the AEC within narrow physiological values, despite extremely large fluctuations in the adenine nucleotides concentration. Intensive experimental studies have shown that these AEC values are preserved in a wide variety of organisms, both eukaryotes and prokaryotes. Here, to understand some of the functional elements involved in the cellular energy status, we present a computational model conformed by some key essential parts of the adenylate energy system. Specifically, we have considered (I) the main synthesis process of ATP from ADP, (II) the main catalyzed phosphotransfer reaction for interconversion of ATP, ADP and AMP, (III) the enzymatic hydrolysis of ATP yielding ADP, and (IV) the enzymatic hydrolysis of ATP providing AMP. This leads to a dynamic metabolic model (with the form of a delayed differential system) in which the enzymatic rate equations and all the physiological kinetic parameters have been explicitly considered and experimentally tested in vitro. Our central hypothesis is that cells are characterized by changing energy dynamics (homeorhesis). The results show that the AEC presents stable transitions between steady states and periodic oscillations and, in agreement with experimental data these oscillations range within the narrow AEC window. Furthermore, the model shows sustained oscillations in the Gibbs free energy and in the total nucleotide pool. The present study provides a step forward towards the understanding of the fundamental principles and quantitative laws governing the adenylate energy system, which is a fundamental element for unveiling the dynamics of cellular life.