利用eQuilibrator推测潜在、未实验验证的生化反应的可行性 工具介绍 20年1月1日 转载大师 取消关注 关注 私信 细胞的代谢功能一直是生物学研究的中心领域。考虑到热力学上的限制，只有当化学反应会导致吉布斯能量降低时，化学反应才能进行。生化反应有其特殊性，它们发生在细胞内部。细胞条件、温度、pH、离子强度、代谢物和离子的浓度等都会显着影响沿着特定方向反应的可行性。 通过对代谢反应或途径（特别是一些潜在、未实验验证的生化反应）进行热力学分析，可以准确推测它们是否在某些条件下能够发生。 然而，即使是常见的生化反应热力学问题（如当所有反应物均以1 mM 的浓度在 pH 7.5 和离子强度0.2 下存在时，糖酵解中的果糖二磷酸醛缩酶的反应朝哪个方向进行？），对小白来说也是繁琐且容易出错的工作。 为了回答这个问题，小白得从文献中检索热力学参数，且确保各数据源彼此兼容、所有分析的反应适当配平，还得将文献中的代谢物浓度、pH 和离子强度值，转化为特定的生理条件下的反应条件。 执行这些计算的最可靠方法是使用基于全面准确热力学数据库的程序，这正是eQuilibrator的使命所在。 eQuilibrator 在线计算工具（http://equilibrator.weizmann.ac.il）可轻松计算生化反应在给定任意 pH，离子强度和代谢物浓度下的吉布斯自由能。反应的驱动力定义为-ΔG’，即有利的反应具有负的吉布斯自由能ΔG’。 eQuilibrator 总共包含 KEGG 数据库中的约13500 种化合物，约6400 个反应和约2800个酶的数据。eQuilibrator还囊括约 11700 种化合物的各种质子化状态的形成能。 用户可以通过键入文本或以催化酶的名称搜索生物化学反应。 例如，醛缩酶反应可以写为fructose 1,6 bisphosphate ⇌ glyceraldehyde 3-phosphate+dihydroxyacetone phosphate（果糖1,6双磷酸⇌3-磷酸甘油醛+磷酸二羟基丙酮）。通过搜索 aldolase（醛缩酶）或 fructose bisphosphate aldolase（果糖二磷酸醛缩酶）也可以发现相同的反应。键入时，搜索界面会提示匹配的化合物和酶名称，以避免出现输入错误。 此外，eQuilibrator 也可以检测化学和电荷不平衡，在某些情况下可以自动纠正，例如在假定的反应 glucose⇌ gluconate（葡萄糖⇌葡萄糖酸盐）中，eQuilibrator 能够识别这种水合反应会缺少水分子，因此可以自动配平反应式。 如果反应已经适当配平，则 eQuilibrator 的结果界面会显示包括 ΔrG’（吉布斯自由能）、Keq（化学平衡常数）、所有反应物和已知催化酶的信息。通过 reverse 按钮还可以评估反应的可逆性。 从反应结果页面可方便探索反应物和催化酶的性质。数据库中的每种化合物和酶都有一个专用页面，可以从反应页面（或通过搜索界面）直接访问。酶的信息页列出该酶所有已知的催化反应并提供链接到 KEGG 和 BRENDA 数据库。 eQuilibrator 的化合物页面显示了化合物的分子式、质量、结构和生成能，并能够给出不同的pH 和离子强度下的吉布斯自由能及数据来源的相关文献。 推测生化途径的热力学可行性的例子 使用eQuilibrator，我们可以分析生化途径的可行性并预测其对pH 变化的敏感性。以葡萄糖发酵为乳酸的发酵反应为例，如果不考虑ATP 的产生，乳酸发酵的净反应是葡萄糖⇌2乳酸（glucose ⇌ 2 lactate）。假设在 1mM 的浓度、 pH 为7且离子强度为 0.1 时，该反应的ΔrG是-217 kJ/mol。在糖酵解中该能量与 ATP 的产生耦合，在生理浓度下这需要大约 50 kJ/mol。 大多数生物在葡萄糖发酵过程中会产生两个ATP 。净能量计算显示这是完全可行的，且葡萄糖还多出了120 kJ / mol 的能量。那么为什么不制造四个甚至五个ATP 呢？我们可以通过 eQuilibrator 计算出在1 mM 反应物浓度下产生四个以及五个ATP 的发酵反应的Δr G。 从结果中可以看出，该反应产生四个ATP 的反应仅在一定的pH 范围（〜pH 4–9.5）中才是有利的，而产生五个ATP 的反应在任何pH 范围内都是不可行的。 eQuilibrator不仅可以推测潜在、未实验验证的生化反应的可行性，还可以用于教学，并提醒人们注意一些重要事项，包括提供氧化还原反应适当的pH 值和气体的溶解度等。eQuilibrator 的功能是不是让您眼前一亮，快去试试吧！ eQuilibrator官网：http://equilibrator.weizmann.ac.il/ 参考文献：Avi Flamholz, Elad Noor, Arren Bar-Even, Ron Milo, eQuilibrator—the biochemical thermodynamics calculator, Nucleic AcidsResearch, Volume 40, Issue D1, 1 January 2012, Pages D770–D775,https://doi.org/10.1093/nar/gkr874 eQuilibrator
