From structure to dynamics of metabolic pathways: application to the plant mitochondrial TCA cycle

柠檬酸循环 代谢途径 生物系统 代谢网络 三羧酸 合成代谢 焊剂(冶金) 生物 计算生物学 通量平衡分析 新陈代谢 生物化学 化学 有机化学
作者
Ralf Steuer,Adriano Nunes Nesi,Alisdair R. Fernie,Thilo Gross,Bernd Blasius,Joachim Selbig
出处
期刊:Bioinformatics [Oxford University Press]
卷期号:23 (11): 1378-1385 被引量:63
标识
DOI:10.1093/bioinformatics/btm065
摘要

Motivation: Mitochondrial metabolism, dominated by the reactions of the tricarboxylic acid (TCA) cycle, is of vital importance for a wide range of metabolic processes. In particular for autotrophic tissue, such as plant leaves, the TCA cycle marks the point of divergence of anabolic pathways and plays an essential role in biosynthesis. However, despite extensive knowledge about its stoichiometric properties, the function and the dynamical capabilities of the TCA cycle remain largely unknown. Methods and Results: Based on a recently proposed formalism, we investigate the dynamic and functional properties of the mitochondrial TCA cycle of plants. Starting with the structural properties, as described by the elementary flux modes of the system, we aim for the transition from structure to the dynamics of the TCA cycle. Using a parametric description of the system, encompassing all possible differential equations and parameter values, we detect and quantify regimes of different dynamic behavior. Optimizing the system with respect to dynamic stability, we demonstrate that maximal stability is associated with specific (relative) metabolite concentrations and flux values that are subsequently compared to the experimental literature. Our analysis also serves as a general example how to elucidate the transition from the structure to the dynamics of metabolic pathways. Contact: steuer@agnld.uni-potsdam.de Supplementary information: Supplementary data are available at Bioinformatics online.
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