代謝流量

代謝流量或代謝通量是分子通過代謝途徑的周轉速率。在細胞內，流量由途徑中涉及的酵素調節不同條件下途徑的活性，對於所有代謝途徑至關重要。因此，流量在代謝網絡建模中非常受關注，通過流量平衡分析和代謝控制分析來分析流量。

通過這種方式，流量是物質通過由代謝物和輔因子連接的代謝網絡的運動，因此是使用單一特徵來描述整個代謝網絡活動的一種方式。

代謝流量

透過單獨考慮反應步驟來描述代謝物通過途徑的流量是最簡單的。每個反應的代謝物流量 ($J$) 是正向反應的速率 ($V_{f}$)，減去逆向反應的速率 ($V_{r}$)：

$J=V_{f}-V_{r}$

在平衡狀態下，則沒有流量。 此外，據觀察，在整個穩態路徑中，通量在不同程度上由路徑中的所有步驟決定。影響程度通過通量控制係數來衡量。

代謝流量的控制

通過代謝通路控制流量需要：

• 代謝步驟決定代謝通量的程度會根據生物體的代謝需求而改變。
• 由於上述要求而發生的通量變化被傳達到代謝途徑的其餘部分以維持穩態。

代謝通路流量的控制：

• 流量的控制是一種系統特性，它在不同程度上取決於系統中的所有相互作用。
• 通量的控制通過通量控制係數來衡量
• 在線性反應鏈中，通量控制係數的值介於0和1之間。
• 通量控制係數為0的步驟意味着該特定步驟對穩態通量沒有影響。
• 線性鏈中通量控制係數為1的步驟意味着該特定步驟可以完全控制穩態通量。
• 通量控制系數只能在完整的系統中測量，並且不能透過例如在體外檢查分離的酶來確定。

代謝網絡

細胞代謝表現為大量代謝反應，涉及將碳源（通常是葡萄糖）轉化為大分子生物合成所需的構件。 這些反應在細胞內形成代謝網絡。 這些網絡可用於研究細胞內的新陳代謝。

為了使這些網絡能夠交互，它們之間的緊密連接是必要的。 這種連接是透過使用常見的輔因子（例如ATP配合ADP、NADH配合NADPH）來提供。 除此之外，不同網絡之間共享一些代謝物進一步加強了不同網絡之間的連結。

代謝網絡的控制

現有的代謝網絡透過調節催化不可逆反應的酶，透過酶促步驟來控制分子的運動。 分子經由可逆步驟的運動通常不受酵素調節，而是受產物和反應物的濃度調節。途徑調節步驟中的不可逆反應具有負自由能變化，因此僅促進一個方向的自發性反應。 可逆反應沒有自由能變化或自由能變化非常小。 因此，分子通過代謝網絡的運動受到簡單的化學平衡（在可逆步驟中）的控制，並且特定的關鍵酶受到調節（在不可逆步驟中）。 這種酵素調節可能是間接的，在酵素受某些細胞訊號傳導機制（如磷酸化）調節的情況下，也可能是直接的，如在別構調節情況下，來自代謝網絡不同部分的代謝物結合直接影響並影響其他酶的催化功能，以維持體內平衡。

與直覺相反的結果是，調節步驟往往具有較小的通量控制系數。 原因是這些步驟是穩定通量的控制系統的一部分，因此調節步驟的活動中的擾動將不可避免地觸發控制系統抵抗擾動，因此通量控制系數將趨於較小。 這解釋了其原因，例如，糖酵解中的磷酸果糖激酶具有如此小的通量控制係數。

流量和基因型

代謝流量是基因表達、翻譯、翻譯後蛋白質修飾和蛋白質-代謝物相互作用的函數。

流量和表型

中心碳代謝（葡萄糖代謝）的功能已經過微調，以準確滿足與細胞生長相關的構建模塊和吉布斯自由能的需求。因此，通過中心碳代謝的通量受到嚴格調節。

反應中的通量可以根據以下三個因素之一來定義

• 酶催化反應的活性
• 酶的性質
• 影響酶活性的代謝物濃度。

考慮到上述情況，代謝通量可以被描述為在某些條件下表達時細胞表型的最終表示。

細胞代謝流量的作用

哺乳動物細胞生長的調節

研究表明，快速生長的細胞的新陳代謝發生了變化。 這些變化是在葡萄糖代謝方面觀察到的。新陳代謝發生變化是因為新陳代謝速率控制着協調轉錄因子激活以及決定細胞周期進程的各種信號轉導途徑。

生長的細胞需要合成新的核苷酸、膜和蛋白質成分。 這些物質可以從碳代謝（例如葡萄糖代謝）或從週邊代謝中獲得。 在異常生長的細胞中觀察到的通量增加是由高葡萄糖攝取引起的。

癌症

自從觀察到腫瘤細胞與正常細胞相比表現出增強的葡萄糖代謝以來，代謝通量，更具體地說，由於各種途徑的變化而影響代謝的方式變得越來越重要。透過研究這些變化，可以更好地了解細胞生長的機制，並在可能的情況下開發治療方法來對抗新陳代謝增強的影響。

測量流量

有多種測量通量的方法，但所有這些方法都是間接的。因此，這些方法做出了一個關鍵假設，即進入給定細胞內代謝物池的所有通量平衡了流出該池的所有通量。

這一假設意味着對於給定的代謝網絡，每種代謝物周圍的平衡對系統施加了許多限制。

目前使用的技術主要圍繞核磁共振（NMR）或氣相色譜-質譜（GC-MS）的使用。

為了避免數據分析的複雜性，最近開發了一種更簡單的估計通量比的方法，該方法基於共飼未標記和統一¹³C 標記的葡萄糖。然後使用核磁共振波譜分析代謝中間體模式。該方法還可用於確定代謝網絡拓撲。

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