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生化学では、代謝フラックス（しばしばフラックスと呼ばれる）は、代謝経路を通る分子のターンオーバー率です。フラックスは、経路に関与する酵素によって制御されます。細胞内では、フラックスの制御は、さまざまな条件下で経路の活性を制御するために、すべての代謝経路にとって不可欠です。[ 1 ]したがって、フラックスは代謝ネットワークモデリングにおいて非常に重要であり、フラックスバランス分析と代謝制御分析によって分析されます。
このように、フラックスとは代謝物と補因子によって連結された代謝ネットワークを通る物質の移動であり、したがって単一の特性を用いて代謝ネットワーク全体の活動を記述する方法である。
代謝物の経路を通る流れを説明するには、反応段階を個別に考慮するのが最も簡単です。各反応を通る代謝物の流れ ( J )は、順反応の速度 ( Vf ) から逆反応の速度 ( Vr )を引いたものです。 [ 2 ]
平衡状態では、フラックスは存在しない。さらに、定常状態の経路全体を通して、フラックスは経路内のすべてのステップによって様々な程度で決定されることが観察される。影響の程度は、フラックス制御係数によって測定される。
代謝経路を通るフラックスの制御には、
代謝経路におけるフラックスの制御：
細胞代謝は、炭素源（通常はグルコース）を高分子生合成に必要な構成要素に変換する多数の代謝反応によって表されます。これらの反応は細胞内に代謝ネットワークを形成します。そして、これらのネットワークは細胞内の代謝を研究するために利用できます。
これらのネットワークが相互作用するためには、ネットワーク間の緊密な連携が必要である。この連携は、ATP、ADP、NADH、NADPHといった共通の補因子を用いることで実現される。さらに、異なるネットワーク間で一部の代謝産物を共有することで、ネットワーク間の連携は一層強化される。
既存の代謝ネットワークは、不可逆反応を触媒する酵素を調節することによって、分子が酵素反応の段階を通過する際の動きを制御します。可逆反応の段階を通過する際の分子の動きは、一般的に酵素によって調節されず、むしろ生成物と反応物の濃度によって調節されます。[ 3 ]経路の調節された段階における不可逆反応は、負の自由エネルギー変化を持ち、それによって自発的な反応を一方向にのみ促進します。可逆反応は、自由エネルギー変化がないか、非常に小さいです。その結果、代謝ネットワークを通過する分子の動きは、単純な化学平衡（可逆段階）によって制御され、特定のキー酵素が調節の対象となります（不可逆段階）。この酵素調節は、酵素が何らかの細胞シグナル伝達機構（リン酸化など）によって調節される場合のように間接的な場合もあれば、アロステリック調節のように、代謝ネットワークの異なる部分からの代謝物が他の酵素に直接結合して触媒機能に影響を与え、恒常性を維持するように直接的な場合もある。
一見すると直感に反するように思えるかもしれないが、調節されたステップはフラックス制御係数が小さい傾向がある。その理由は、これらのステップはフラックスを安定させる制御システムの一部であるため、調節されたステップの活性に摂動が生じると、制御システムが摂動に抵抗するようになり、結果としてフラックス制御係数が小さくなる傾向があるからである。例えば、解糖系のホスホフルクトキナーゼのフラックス制御係数が小さいのは、このためである。[ 4 ]
代謝フラックスは、遺伝子発現、翻訳、翻訳後タンパク質修飾、およびタンパク質と代謝物の相互作用の関数である。[ 5 ]
中心炭素代謝（グルコース代謝）の機能は、細胞の成長に伴う構成要素とギブズ自由エネルギーのニーズに正確に対応できるよう、精緻に調整されている。そのため、中心炭素代謝における物質の流れは厳密に制御されている。
反応におけるフラックスは、次の3つのいずれかに基づいて定義できる。
以上のことを考慮すると、代謝フラックスは、特定の条件下で発現した場合、細胞の表現型の究極的な表現として説明できる。
研究によると、急速に成長している細胞は代謝に変化が見られることが分かっています。[ 6 ]これらの変化はグルコース代謝に関して観察されます。代謝の変化は、代謝速度が転写因子の活性化を調整するさまざまなシグナル伝達経路を制御し、細胞周期の進行を決定するために起こります。
細胞の成長には、新しいヌクレオチド、膜、タンパク質成分の合成が必要です。[ 5 ] [ 6 ]これらの物質は、炭素代謝（例えばグルコース代謝）または末梢代謝から得ることができます。異常に増殖する細胞で観察されるフラックスの増加は、グルコースの取り込みの増加によって引き起こされます。
代謝フラックス、より具体的には様々な経路の変化によって代謝がどのように影響を受けるかは、腫瘍細胞が正常細胞に比べてグルコース代謝が亢進していることが観察されて以来、重要性を増している。[ 6 ]これらの変化を研究することで、細胞増殖のメカニズムをよりよく理解し、可能であれば代謝亢進の影響に対抗する治療法を開発することができる。
フラックスを測定する方法はいくつかありますが、これらはすべて間接的な方法です。そのため、これらの方法は、特定の細胞内代謝物プールへのすべてのフラックスがプールからのすべてのフラックスと釣り合っているという重要な仮定を置いています。[ 5 ]
この仮定は、特定の代謝ネットワークにおいて、各代謝物に関するバランスがシステムに多くの制約を課すことを意味する。
現在用いられている技術は、主に核磁気共鳴（NMR）法またはガスクロマトグラフィー質量分析法（GC-MS）法のいずれかを用いるものである。
データ解析の複雑さを回避するため、近年、非標識グルコースと均一に13C標識されたグルコースを同時供給する、より簡便なフラックス比推定法が開発された。代謝中間体のパターンは、 NMR分光法を用いて解析される。この方法は、代謝ネットワークのトポロジーを決定するためにも利用できる。
