Steady state (biokemi) - Steady state (biochemistry)
I biokemi avser steady state upprätthållandet av konstanta inre koncentrationer av molekyler och joner i celler och organ i levande system. Levande organismer förblir i ett dynamiskt stabilt tillstånd där deras inre sammansättning på både cellulära och bruttonivåer är relativt konstanta, men skiljer sig från jämviktskoncentrationer . Ett kontinuerligt flöde av massa och energi resulterar i konstant syntes och nedbrytning av molekyler via kemiska reaktioner på biokemiska vägar. I huvudsak kan steady state betraktas som homeostas på mobilnivå.
Underhåll av steady state
Metabolisk reglering uppnår en balans mellan inmatningshastigheten för ett substrat och den hastighet som det bryts ned eller omvandlas och upprätthåller därmed steady state. Graden av metaboliskt flöde, eller flöde, är varierande och föremål för metaboliska krav. I en metabolisk väg upprätthålls emellertid steady state genom att balansera substrathastigheten som tillhandahålls av ett tidigare steg och hastigheten att substratet omvandlas till produkt, vilket håller substratkoncentrationen relativt konstant.
Termodynamiskt sett är levande organismer öppna system, vilket innebär att de ständigt utbyter materia och energi med sin omgivning. En konstant energitillförsel krävs för att upprätthålla ett stabilt tillstånd, eftersom upprätthållande av en konstant koncentration av en molekyl bevarar den interna ordningen och därmed är entropiskt ogynnsam. När en cell dör och inte längre använder energi, kommer dess inre sammansättning att fortsätta mot jämvikt med omgivningen.
I vissa fall är det nödvändigt för celler att justera sin interna sammansättning för att nå ett nytt steady-state. Celldifferentiering kräver till exempel specifik proteinreglering som gör det möjligt för den differentierande cellen att uppfylla nya metaboliska krav.
ATP
Koncentrationen av ATP måste hållas över jämviktsnivå så att hastigheterna för ATP-beroende biokemiska reaktioner uppfyller metaboliska krav. En minskning av ATP kommer att resultera i en minskad mättnad av enzymer som använder ATP som substrat och därmed en minskad reaktionshastighet . Koncentrationen av ATP hålls också högre än för AMP , och en minskning av ATP / AMP-förhållandet utlöser AMPK för att aktivera cellulära processer som återställer ATP- och AMP-koncentrationerna till steady state.
I ett steg av glykolysvägen katalyserad av PFK-1 är jämviktskonstanten för reaktionen ungefär 1000, men steady state-koncentrationen av produkter (fruktos-1,6-bisfosfat och ADP) över reaktanter (fruktos-6-fosfat och ATP ) är endast 0,1, vilket indikerar att förhållandet mellan ATP och AMP förblir i ett stabilt tillstånd betydligt över jämviktskoncentrationen. Reglering av PFK-1 bibehåller ATP-nivåer över jämvikt.
I cytoplasman hos hepatocyter är steady state-förhållandet mellan NADP + och NADPH ungefär 0,1 medan det för NAD + till NADH är cirka 1000, vilket gynnar NADPH som huvudreduktionsmedel och NAD + som det viktigaste oxidationsmedlet i kemiska reaktioner.
Blodsocker
Blodglukosnivåerna upprätthålls vid en jämviktskoncentration genom att balansera hastigheten för inträde av glukos i blodströmmen (dvs genom intag eller frisätts från celler) och hastigheten för glukosupptag av kroppsvävnader. Förändringar i inmatningshastigheten kommer att mötas med en förändring av konsumtionen och vice versa, så att blodsockerkoncentrationen hålls vid cirka 5 mM hos människor. En förändring av blodsockernivåerna utlöser frisättningen av insulin eller glukagon, vilket stimulerar levern att frigöra glukos i blodomloppet eller ta upp glukos från blodomloppet för att återställa glukosnivåerna till steady state. Betanceller i bukspottkörteln ökar till exempel oxidativ metabolism som ett resultat av en ökning av blodsockerkoncentrationen, vilket utlöser utsöndring av insulin. Glukosnivåerna i hjärnan upprätthålls också vid steady state, och glukosleverans till hjärnan är beroende av balansen mellan flödet av blodhjärnbarriären och upptag av hjärnceller. I teleosts minskar en droppe blodsockernivåer under den vid steady state den intracellulära-extracellulära gradienten i blodomloppet, vilket begränsar glukosmetabolismen i röda blodkroppar.
Blodlaktat
Blod laktat nivåer upprätthålls också vid steady state. Vid vila eller låga nivåer av träning tillåter laktatproduktionen i muskelceller och konsumtion i muskel- eller blodceller laktat att förbli i kroppen vid en viss steady state-koncentration. Om en högre träningsnivå upprätthålls ökar dock laktosnivåerna i blodet innan de blir konstanta, vilket indikerar att ett nytt stadigt tillstånd av förhöjd koncentration har uppnåtts. Maximalt laktat steady state (MLSS) avser den maximala konstanta koncentrationen av laktas som uppnås under långvarig högaktivitet.
Kväveinnehållande molekyler
Metabolisk reglering av kväveinnehållande molekyler, såsom aminosyror, hålls också i steady state. Aminosyrapoolen, som beskriver nivån av aminosyror i kroppen, hålls vid en relativt konstant koncentration genom att balansera inmatningshastigheten (dvs. från intag av proteinprotein, produktion av metaboliska mellanprodukter) och uttömningshastigheten (dvs. från bildandet av kroppsproteiner, omvandling till energilagringsmolekyler). Aminosyrakoncentration i lymfkörtelceller hålls till exempel i steady state med aktiv transport som den primära källan för inträde och diffusion som källan till utflödet .
Joner
En huvudfunktion hos plasma- och cellmembran är att upprätthålla asymmetriska koncentrationer av oorganiska joner för att upprätthålla ett joniskt stabilt tillstånd som skiljer sig från elektrokemisk jämvikt . Med andra ord, det finns en differentiell fördelning av joner på vardera sidan av cellmembranet - det vill säga mängden joner på vardera sidan är inte lika och därför finns en laddningsseparation. Emellertid rör sig joner över cellmembranet så att en konstant vilande membranpotential uppnås; detta är joniskt steady state. I pumpläckagemodellen för cellulär jonhomeostas används energi för att aktivt transportera joner mot deras elektrokemiska gradient . Underhållet av denna steady state gradient används i sin tur för att utföra elektriskt och kemiskt arbete , när det försvinner genom den passiva rörelsen av joner över membranet.
I hjärtmuskeln används ATP för att aktivt transportera natriumjoner ut ur cellen genom ett membran- ATPas . Elektrisk excitation av cellen resulterar i ett inflöde av natriumjoner i cellen, vilket temporärt depolariserar cellen. För att återställa den steady state elektrokemiska gradienten avlägsnar ATPase natriumjoner och återställer kaliumjoner i cellen. När en förhöjd hjärtfrekvens upprätthålls, vilket orsakar fler depolariseringar, ökar natriumnivåerna i cellen tills den blir konstant, vilket indikerar att ett nytt stabilt tillstånd har uppnåtts.