Κολίσης Φραγκίσκος. Μεταβολική Μηχανική. Καθηγητής ΕΜΠ. χολή Χημικών Μηχανικών, ΕΜΠ

Transcript

1 Μεταβολική Μηχανική Κολίσης Φραγκίσκος Καθηγητής ΕΜΠ χολή Χημικών Μηχανικών, ΕΜΠ

2 Άδεια Χρήσης Σο παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται ςε άδειεσ χριςθσ Creative Commons Για εκπαιδευτικό υλικό, όπωσ εικόνεσ, που υπόκειται ςε άδεια χριςθσ άλλου τφπου, αυτι πρζπει να αναφζρεται ρθτϊσ

3 ΜΕΣΑΒΟΛΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Η κατευκυνόμενθ βελτίωςθ των κυττάρων ωσ προσ το ςχθματιςμό προϊόντοσ ι τισ ιδιότθτζσ τουσ, μζςω τθσ τροποποίθςθσ ςυγκεκριμζνων βιοχθμικϊν αντιδράςεων ι τθν ειςαγωγι νζων με τθ χριςθ τθσ τεχνολογίασ αναςυνδυαςμζνου DNA Παράγοντεσ που ςυνειςφζρουν ςτθν πολυπλοκότθτα των μεταβολικϊν δικτφων: Σαυτόχρονθ αλλθλεπίδραςθ μεταβολιτϊν με περιςςότερα του ενόσ υποςτρϊματα διαμεριςμάτωςθ υηευγμζνθ δράςθ ςυμπαραγόντων Αλλοςτερικζσ δράςεισ Ενδοκυττάρια μεταφορά 3

4 ΕΡΓΑΛΕΙΑ ΣΗ ΜΕΣΑΒΟΛΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Δυο μεκοδολογίεσ ςυνιςτοφν τα βαςικά μακθματικά εργαλεία τθσ Μεταβολικισ Μθχανικισ : Ανάλυση Μεταβολικών Ροών (ΑΜΡ) Η ΑΜΡ εςτιάηει ςτον ακριβι κακοριςμό των ροϊν του μεταβολικοφ μονοπατιοφ Για το ςκοπό αυτό, χρθςιμοποιεί μια ομάδα μετρούμενων ροϊν κακϊσ και το ςτοιχειομετρικό μοντζλο των ςθμαντικϊν ενδιάμεςων αντιδράςεων, προκειμζνου να επιτευχκεί ο υπολογιςμόσ των υπόλοιπων ροϊν Ανάλυση Μεταβολικοφ Ελζγχου (ΑΜΕ) Η ΑΜΕ ποςοτικοποιεί το πϊσ οι ροζσ και ςυγκεντρϊςεισ ςτακερισ κατάςταςθσ των μεταβολιτϊν που απαρτίηουν το μεταβολικό δίκτυο, μεταβάλλονται αποκρινόμενεσ ςε διάφορεσ διαταραχζσ (πχ μεταβολι τθσ ςυγκζντρωςθσ ενηφμων κα) Επίςθσ, ςυνδζει τισ κακολικζσ αυτζσ ιδιότθτεσ του ςυνολικοφ ςυςτιματοσ με τισ ιδιότθτεσ των ςυςτατικϊν του μερϊν (εν προκειμζνω των μεμονωμζνων ενηφμων), λαμβάνοντασ υπ όψθ τα δομικά χαρακτθριςτικά του μεταβολικοφ δικτφου, με τθ βοικεια του κεωριματοσ Άκροιςθσ υντ/ςτϊν Ελζγχου Ροισ και του κεωριματοσ Ελαςτικότθτασ 4

5 Ανάλυση Μεταβολικών Ροών-ΑΜΡ J 1 J 3 J J X j-2 j-1 X 1 X i 3 X k-2 X k-1 J X X J l-1 J 2 J j k 2 X j-3 i-1 Jl Βάςθ τθσ ΑΜΡ αποτελοφν οι εξιςϊςεισ ιςοηυγίων μάηασ για κάκε ζναν από τουσ ενδιάμεςουσ μεταβολίτεσ ενόσ βιοχθμικοφ μονοπατιοφ, εφόςον το ςφςτθμα ζχει προςεγγίςει τθν κατάςταςθ ιςορροπίασ dx dt 0 = i = ( J J m synth cons ) n r i 5

6 ΣΑ ΘΕΩΡΗΜΑΣΑ ΣΗ ΑΜΕ Δυο είναι τα ςθμαντικά κεωριματα τθσ ΑΜΕ που επιτρζπουν τθ διαςφνδεςθ των κακολικϊν ιδιοτιτων του ςυςτιματοσ με τισ ιδιότθτεσ των μεμονωμζνων ενηφμων, παρζχοντασ ζτςι μια ολιςτικι προςζγγιςθ ςτθ μελζτθ των μεταβολικϊν μονοπατιϊν: Σο κεϊρθμα Άκροιςθσ υντ/ςτϊν Ελζγχου Ροισ Σο κεϊρθμα ελαςτικότθτασ 6

7 ΑΝΑΛΤΗ ΜΕΣΑΒΟΛΙΚΟΤ ΕΛΕΓΧΟΤ (ΑΜΕ) υντελεςτζσ Ελζγχου: Περιγράφουν τθν επίδραςθ τθσ μεταβολισ τθσ ενηυμικισ δραςτικότθτασ ενόσ ςυγκεκριμζνου ενηφμου ςτθ ροι/ςυγκζντρωςθ ςτακερισ κατάςταςθσ ενόσ μεταβολίτθ Ορίηονται με βάςθ τθ ςχζςθ: C J0 ij = e j 0 J 0 i de j υντελεςτζσ ελαςτικότθτασ: Περιγράφουν τθν επίδραςθ που ζχει θ μεταβολι είτε ςτα επίπεδα παρουςίασ ενόσ ενηφμου ι ςτθ ςυγκζντρωςθ ενόσ μεταβολίτθ ι γενικότερα ενόσ εξωτερικοφ τροποποιθτι, ςτο ρυκμό μιασ αντίδραςθσ Οι ςυντελεςτζσ ελαςτικότθτασ ςυνιςτοφν τρόπο περιγραφισ των (τοπικϊν) κινθτικϊν ιδιοτιτων των μεμονωμζνων ενηφμων e e0 ij = e j 0 J i 0 dj i θv i θe j 7

8 ΣΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΑΘΡΟΙΗ ΤΝΣ/ΣΩΝ ΕΛΕΓΧΟΤ ΡΟΗ Σο κεϊρθμα Άκροιςθσ υντ/ςτϊν Ελζγχου Ροισ περιγράφει τθν ζκταςθ τθσ ςυμμετοχισ εκάςτου των ενηφμων που απαρτίηουν ζνα μεταβολικό μονοπάτι ςτθ ςυνολικι μεταβολι τθσ ροισ ςτακερισ κατάςταςθσ μιασ ςυγκεκριμζνθσ αντίδραςθσ ςτόχου Η μακθματικι του διατφπωςθ είναι θ ακόλουκθ : n i= 1 C J Ei = 1 8

9 ΣΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΕΛΑΣΙΚΟΣΗΣΑ Σο ζεώρεκα ειαζηηθόηεηας ζσζτεηίδεη ηοσς σλη/ζηές Ειέγτοσ Ροής ελός κολοπαηηού κε ηης αηοκηθές θηλεηηθές ηδηόηεηες ηωλ ελδύκωλ ποσ ζσλζέηοσλ ηο κολοπάηη Σο ζεώρεκα ειαζηηθόηεηας γηα έλαλ δεδοκέλο κεηαβοιίηε S δειώλεη πως ζηε ζηαζερή θαηάζηαζε ηο άζροηζκα ηωλ γηλοκέλωλ ηωλ σλη/ζηώλ Ειέγτοσ Ροής ηωλ ελδύκωλ E 1 -E n ελός κολοπαηηού, κε ηης αληίζηοητες ειαζηηθόηεηές ηοσς ως προς ηο κεηαβοιίηε S, ηζούηαη κε 0 Η καζεκαηηθή δηαηύπωζε ηοσ ζεωρήκαηος ειαζηηθόηεηας εθπεγάδεη από ηελ παραδοτή ηες ζηαζερής θαηάζηαζες n n J Ei E J Ei i S C Ei εs = = d J S= 0 Ei J S Ei dsj i= 1 i= 1 Εθόζολ σπάρτεη επαρθής δηαζέζηκε πιεροθορία γηα ηης θηλεηηθές ηδηόηεηες ηωλ ελδύκωλ ποσ ζσλζέηοσλ ηο δηερεσλούκελο κολοπάηη, κέζω ηοσ ζεωρήκαηος ειαζηηθόηεηας είλαη δσλαηός, ο σποιογηζκός ηωλ σλη/ζηώλ Ειέγτοσ Ροής από ηοσς σλη/ζηές ειαζηηθόηεηας ηωλ γλωζηώλ ελδύκωλ 9

10 Δομή του ςτοιχειομετρικοφ πίνακα και πώσ περιγράφει ζνα χάρτη Α: Χάρτησ αντιδράςεων (κανονικόσ πίνακασ) Β: Χάρτησ μεταβολιτών (ανάςτροφοσ πίνακασ) Εικ 1 Δομι του ςτοιχειομετρικοφ πίνακα 10

11 Όταν θ ςτοιχειομετρία των αντιδράςεων του μονοπατιοφ κεωρείται γνωςτι, οι Κ εξιςϊςεισ ιςοηυγίων μάηασ, μποροφν να αποδοκοφν υπό μορφι πινάκων G T είναι ζνασ (K x J) πίνακασ όπου οι K γραμμζσ αντιςτοιχοφν ςτουσ Κ ενδοκυττάριουσ μεταβολίτεσ και οι J ςτιλεσ περιζχουν τουσ αντίςτοιχουσ ςτοιχειομετρικοφσ ςυντελεςτζσ για κάκε ενδιάμεςο μεταβολίτθ ςτισ J αντιδράςεισ Σο v είναι το (J x 1) άνυςμα που περιζχει τισ J το πλικοσ ροζσ αντιδράςεων 0 = r = met G T v a 11 a K1 a kj a 1J a KJ x J 1 J 2 J J-1 J J 11

12 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΣΑ ΜΕΣΑΒΟΛΙΚΩΝ ΜΟΝΟΠΑΣΙΩΝ Εικ 2 Παραδείγματα μεταβολικϊν μονοπατιϊν 12

13 Εξζταςη του μεταβολιςμοφ ενόσ κυττάρου ςε τζςςερα επίπεδα 1: Κφτταρο, 2: Μεταβολικόσ τομζασ, 3: Μεταβολικό μονοπάτι, 4: Μεμονωμζνεσ αντιδράςεισ 13 Εικ 3 Σα τζςςερα επίπεδα εξζταςθσ του μεταβολιςμοφ ενόσ κυττάρου, Τλικό με μθ προςδιοριςμζνθ προζλευςθ ε περίπτωςθ που είςτε ο κάτοχου του κφριου δικαιϊματοσ επικοινωνιςτε μαηί μασ

14 Εικ 4α Μεταβολιςμόσ γλυκόηθσ, Τλικό με μθ προςδιοριςμζνθ προζλευςθ ε περίπτωςθ που είςτε ο κάτοχου του κφριου δικαιϊματοσ επικοινωνιςτε μαηί μασ 14

15 Other measured rates: DNA synthesis RNA synthesis Protein synthesis Lipid synthesis Carbohydrates synthesis Εικ 4β Μεταβολιςμόσ γλυκόηθσ, Τλικό με μθ προςδιοριςμζνθ προζλευςθ ε περίπτωςθ που είςτε ο κάτοχου του κφριου δικαιϊματοσ επικοινωνιςτε μαηί μασ 15

16 Χρηματοδότηση Σο παρόλ εθπαηδεσηηθό σιηθό έτεη αλαπηστζεί ζηα πιαίζηα ηοσ εθπαηδεσηηθού έργοσ ηοσ δηδάζθοληα Σο έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα ΕΜΠ» έτεη τρεκαηοδοηήζεη κόλο ηε αλαδηακόρθωζε ηοσ εθπαηδεσηηθού σιηθού Σο έργο σιοποηείηαη ζηο πιαίζηο ηοσ Επητεηρεζηαθού Προγράκκαηος «Εθπαίδεσζε θαη Δηα Βίοσ Μάζεζε» θαη ζσγτρεκαηοδοηείηαη από ηελ Εσρωπαϊθή Έλωζε (Εσρωπαϊθό Κοηλωληθό Σακείο) θαη από εζληθούς πόροσς