Биохимический усилитель атф-адф-амф. Изменение концентрации как химический сигнал

В регуляции гликолиза используется механизм усиления отклонений концентрации АТФ (от стабилизируемого значения), включающий синтез АТФ.

Задача. Механизм усиления, поддерживающий постоянную концентрацию АТФ, включает три уровня АТФ–АДФ–АМФ (при соотношении концентраций АТФ/АДФ/АМФ составляющем 5мМ/0,1мМ/0,001мМ). Какое изменение концентрации АМФ вызовет уменьшение концентрации АТФ на 10% в результате действия этого механизма, при котором связь всех трех концентраций обеспечивает реакция 2 АДФ  АТФ + АМФ. Константа равновесия этой реакции, катализируемой аденилаткиназой, K = [АТФ] [АМФ]/[АДФ]² = 0, 44 (РМ, с. 137)

Решение. Обозначим концентрации АТФ, АДФ и АМФ соответственно x, y и z. Соотношение баланса [АТФ] + [АДФ] + [АМФ] = А₀. Отсюда связь уменьшения концентрации АТФ (х) и увеличения других концентраций (y и z для АДФ и АМФ соответственно, определенных с противоположным знаком для удобства) х = y + z. Предположим z << х, y. Тогда х  y. Связь приращений дает уравнение K = (z + z)(x–x)/(y+y)²

Отсюда связь приращений х и z

z + z  K(y+x)²/x.

Подставляя численные значения, получим почти 30-кратное изменение (увеличение) [АМФ]

z  K(y+x)²/x – z = 0,15/5 – 0,001 = 0,029 мМ.

При больших x тенденция роста сначала квадратичная, а затем быстрее по закону z  K x²/(x–x).

При очень малых приращениях коэффициент усиления постоянный

z + z = K(y+y)²/(x–x)  K y²/x (1 + 2y/y + x/x)

z  2K y/x x z/z  2K y/z x/x

14.12.13

Стабилизирующий пул креатин-фосфата = депо креатинфосфата

Для стабилизации концентрации АТФ в клетке используется креатинфосфат (далее – КФ; соответственно К – креатин), который поддерживает постоянство АТФ за счет реакции: КФ + АДФ  К + АТФ (для этой реакции К_равн= [К] [АТФ] /([КФ] [АДФ])). Характерные значения концентраций АТФ и АДФ составляют соответственно 5 и 0,1 мМ. Известно, что концентрация АТФ даже при переключении из состояния покоя в режим интенсивной нагрузки не уменьшается более, чем на 10%.

Реакция такого рода позволяет обеспечить преимущественный расход креатинфосфата вместо АТФ для обеспечения кратковременной потребности в энергии. Смысл этой замены удобно понять, перебирая гипотетические (возможные) значения константы равновесия.

Исходному состоянию покоя отвечает некоторое отношение

= 1/К_равн,

где К_равн– искомое значение, которое не изменяется в ходе процесса.

Желательно, чтобы начальное количество креатинфосфата хотя бы в несколько раз превышало количество креатина (в противном случае клетка содержит значительное количество бесполезного креатина вместо креатинфосфата, который реально идет на замену АТФ). Пусть отношение КФ:К = 10:1 (т.е. К_равн = 5; проверьте!) .

Тогда к критическому моменту переключения, когда концентрация АТФ уменьшилась на 10% (т.е. на 0,5 мМ), а концентрация АДФ возросла в 6 раз (она соответственно увеличилась от 0,1 до 0,6 мМ), отношение АДФ/АТФ возрастет в 6 раз, а следовательно, отношение КФ:К составит около 2:1. Это значит, что лишь относительно небольшая часть от всего количества КФ +К (около 25%) реально «работает», что лучше, чем для самой АТФ (с использованием всего 10% исходной концентрации), но менее рационально, чем можно получить при других соотношениях (как будет видно уже из оценки для следующего примера).

Если взять исходное отношение КФ:К = 5:2(т.е. К_равн = 20), то конечное отношение будет 10:22, т.е. количество КФ уменьшилось с 70% до 30%, что почти в 2 раза более эффективно в сравнении с предшествующим вариантом.

Упражнение: попробуйте подобрать константу равновесия более точно, чтобы эффект от запаса был наибольшим. Иначе: при каком значении константы равновесия реакции такого типа эффект замены будет максимален?

21.12.13