糖酵解模型揭示变构调控维持高ATP水平并限制中间产物积累的分子机制

本研究针对哺乳动物糖酵解途径如何通过变构反馈（allosteric regulation）和质量作用（mass action）实现ATP稳态调控的核心问题，构建了首个基于体外动力学数据的生物物理模型。研究发现：质量作用单独调控ATP合成速率与水解能值，而ATP/ADP/无机磷酸（Pi）和葡萄糖-6-磷酸（G6P）对己糖激酶（HK）和磷酸果糖激酶（PFK）的变构调控是维持高ATP浓度、防止磷酸化中间产物异常积累的关键。该模型成功预测了人类细胞中糖酵解中间产物的绝对浓度及同位素标记动力学，为代谢稳态的定量研究提供了方法论范式。

　　

研究背景与科学问题
能量代谢是生命活动的核心，而糖酵解（glycolysis）作为最古老的代谢途径之一，承担着ATP生成和生物合成前体供给的双重使命。尽管科学家们已对单个糖酵解酶的变构调控（如ATP抑制HK和PFK）了如指掌，但一个根本谜题始终悬而未决：这些分散的分子机制如何协同实现ATP稳态的四大任务——动态匹配ATP供需、维持高ATP浓度、保障水解净产能、控制中间产物生理浓度？传统还原论研究难以解释这种"整体大于部分之和"的涌现特性，亟需系统层面的定量模型破解代谢调控的"黑箱"。

研究设计与技术方法
美国研究团队通过整合体外酶动力学数据，构建了人类糖酵解的首个生物物理模型。关键技术包括：基于质谱的蛋白质组学定量酶浓度、同位素标记实验验证模型预测、Julia语言开发的动态模拟算法（CellMetabolism.jl）。模型参数源自HK/PFK等酶的变构常数及质量作用方程，通过对比模拟与实验数据验证预测准确性。

研究结果
Tasks of glycolytic ATP homeostasis
模型揭示四大稳态任务的调控分工：质量作用（反应物浓度驱动）单独实现任务1（ATP合成速率匹配消耗）和任务3（ATP水解ΔG维持负值）；而任务2（ATP浓度稳定）和任务4（中间产物控量）依赖ATP/ADP/P_i/G6P对HK和PFK的变构抑制。当去除变构调控时，模型预测ATP浓度骤降50%，且磷酸化中间产物积累达生理水平的20倍。

Significance
变构反馈通过精妙的"半活性"原则（HK/PFK活性维持在ATP需求的50%）阻止Harden-Young反应过度消耗ATP生成中间产物。这种"刹车"机制解释了为何癌细胞中PFK变构突变会导致糖酵解中间产物堆积和ATP耗竭。

结论与意义
该研究首次定量解析了糖酵解稳态的"双系统调控"范式：质量作用作为快速响应的"油门"，而变构反馈充当防止能量崩溃的"刹车"。发表于《Biophysical Journal》的这项工作不仅为代谢疾病（如PFK缺乏症）提供机制解释，其"从酶动力学到系统行为"的建模方法更为研究其他代谢网络的涌现特性树立标杆。作者Denis Titov团队强调，这种"物理生物学"研究范式将推动从分子细节到生理功能的跨尺度认知突破。