细胞信号转导系统的结构分析模式与算法.pdf

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1、泸州医学院学报2003年第26卷第6期JoumalofL^M，uMedicalCollegeVo1．26No．62003细胞信号转导系统的结构分析模式与算法*周志远，李洪(泸州医学院生物化学教研室，四川泸州646OOO)摘要目的：为了实现细胞信号转导系统的动力学模拟计算，需要对该系统中涉及的大量生物化学反应进行结构分析，以确定该系统中各反应物之间在化学计量上的守恒关系。方法：对细胞信号转导系统的反应序列特征进行分析。结果：提出了该系统中几种主要的结构分析模式及相应的算法。结论：这些模式和算法在模拟计算程序中使用

2、，能够成功地确定系统中反应物的全部守恒关系。关键词结构分析；守恒关系；化学计量；细胞信号转导中图分类号R34文献标识码A文章编号1000—2669(2003)6—482—042．1守恒结构模式1概述在这类结构模式中，反应物之间存在物质分子细胞物质代谢、信号转导等系统，都是由大量生数守恒关系，即参加反应的相关反应物的分子总数，物化学反应纵横交错所构成的一种庞大而复杂的网在反应前后保持常量。络系统u。J。在这些系统中，若干的反应物在不断2．1．1串联结构模式生成的同时又不断在消耗，让人眼花缭乱。但是，通这是一种由若

3、干生物化学反应(包括酶促反应过对这些看似庞大杂乱的生物化学反应进行分析，和质量作用反应)串联构成的级联反应模式，即反应就可以发现反应物彼此之间存在着内在关联，即某物A转变为反应物B，反应物B再转变为反应物c，些反应物在反应前后其分子数总和始终保持不变直到反应物z，如下式：(常量)，这就是反应物之间的守恒关系(conservationA—B—C一⋯⋯Zrelationship，conservedmoieties)，即反应系统的“结很显然，在这种结构模式中，物质分子总数等于构”一’J。因此，结构分析的目的就是采用一

4、定的算参加反应的所有反应物分子数的总和，其守恒关系法，确定反应系统中各反应物在化学计量上的守恒为：关系，这也是研究细胞的代谢动力学、代谢控制以及∑T=[A]+[B]+[c]+⋯···[z]信号转导过程的前提条件。在许多细胞代谢动力学(其中，∑T表示物质分子总数，各反应物或产模拟软件【8驯中，都提供了对反应系统进行结构分析物的分子数目以其摩尔浓度来表示。)的计算模块。2．1．2同归结构模式细胞信号转导是信号分子在细胞内的传递过参加反应的若干不同的反应物，通过不同的反程，其主要涉及的生物化学反应类型是米氏酶促反应方

5、式或途径，最终生成相同的产物，如下式：应(不可逆)和质量作用反应(可逆或不可逆)。为了A—Z对细胞信号转导系统进行正确的模拟计算，我们针B—Z对该系统中涉及的生物化学反应的序列特征，提出了几种主要的结构分析模式，并设计了简单明了的一Z算法，从而正确地获得了反应物的全部正守恒关这种结构模式与串联结构模式有相似之处，其系J。但是，由于生物反应系统的开放性，在某些守恒关系为：情况下，反应物之间也可以不存在守恒关系或出现∑T=[A]+[B]+⋯⋯[x]+[z]负守恒关系J，这也是结构分析时需要解决的问题。2．1．3聚合

6、结构模式在此类反应中，由若干反应物的单体聚合为其2结构分析模式与守恒关系多聚体，参加反应的单体的分子数目由于聚合而相应减少，如下式：作者简介：周志远(1972一)，男，讲师。*国家自然科学基金资助项目(7oo7~o4o)A+A⋯⋯一R第6期周志远等：细胞信号转导系统的结构分析模式与算法如果有n个单体A聚合为B，则其守恒关系为：∑T=[A]+[D]+[E]+[c]⋯⋯⋯⋯⋯⋯②∑T=[B]+[A]／n如果再增加一个反应：2．1．4结合结构模式D—C在这种反应模式中，某种反应物与自身的产物由于反应物D现在还可以生成

7、C，所以在结构多次结合，其终产物中含有若干分子反应物，如下分析中必须将这个新的因素考虑进去。就单独这个式：反应而言，可以看出有守恒关系：A+E卜’AB∑T=[D]+[C]⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯③A+AB．+A2B由于反应物D与C的分子数已经相加，故守恒关系②不受新反应的影响；而守恒关系①则由于反A+A2A3B应物D有了新的去路而不再成立。但由于反应物B的存在，又不能将反应物c加入而抵消反应物D的A+A(一1)B新变化，在这种情况下，反应物B将失去守恒关系。可以看到，当终产物AnB生成时，共需消耗nA、D、E、C

8、此时形成了一个封闭的环，而B则被排除分子的A。反应从1分子的A与1分子的B结合开在外，如图：始，经过n次反应，最终只能得到一分子的AnB，故反应物A的守恒关系为：∑T=[A]+[Al1]+2[A2B]+3[A3B]+⋯⋯(n一1)[A(一”B]+n[B]而对于反应物B而言，则属于简单的串联结构B模式，其守恒关系为：∑T=[B]+[AB]+[A2B]+[A3B]+⋯⋯Ac【BJ2．2非守