定常状態（生化学）

生化学において、定常状態とは、生体システムの細胞や臓器内の分子やイオンの内部濃度が一定に維持されることを指します。 ^[1] 生体は、細胞レベルと全体レベルの両方で内部組成が比較的一定であるが、平衡濃度とは異なる動的な定常状態を維持しています。 ^[1]質量とエネルギーの連続的な流れにより、生化学的経路の化学反応を介して分子の合成と分解が絶えず行われます。^{[1]本質的に、定常状態は細胞レベルでの}恒常性と考えることができます。^[1]

代謝調節は、基質の投入速度とそれが分解または変換される速度との間のバランスを達成し、それによって定常状態を維持する。^[1]代謝流量、つまりフラックスは可変であり、代謝要求の影響を受ける。^[1]しかし、代謝経路では、前のステップで提供される基質の速度と基質が生成物に変換される速度のバランスをとることによって定常状態が維持され、基質濃度が比較的一定に保たれる。^[1]

熱力学的に言えば、生物は開放系であり、つまり周囲と物質やエネルギーを絶えず交換している。^{[1]分子の濃度を一定に保つことは内部秩序を保つため、}エントロピー的には不利となるため、定常状態を維持するにはエネルギーの一定供給が必要である。^[1]細胞が死んでエネルギーを利用できなくなると、その内部構成は周囲と平衡状態に向かって進む。^[1]

場合によっては、細胞が新しい定常状態に到達するために、細胞の内部構成を調整する必要があります。^[1]たとえば、細胞の分化には、分化中の細胞が新しい代謝要件を満たすことを可能にする特定のタンパク質調節が必要です。^[1]

ATPの濃度は、ATP 依存性生化学反応の速度が代謝要求を満たすように平衡レベルより高く維持されなければなりません。ATP が減少すると、ATP を基質として使用する酵素の飽和度が低下し、反応速度が低下します。^{[1] ATP の濃度は}AMPの濃度よりも高く維持され、ATP/AMP 比が低下すると AMPK が細胞プロセスを活性化し、ATP と AMP の濃度を定常状態に戻します。^[1]

PFK-1 によって触媒される解糖経路の 1 つのステップでは、反応の平衡定数は約 1000 ですが、反応物 (フルクトース-6-リン酸と ATP) に対する生成物 (フルクトース-1,6-ビスリン酸と ADP) の定常濃度はわずか 0.1 であり、ATP と AMP の比率が平衡濃度を大幅に上回る定常状態を維持していることを示しています。PFK-1 の調節により、ATP レベルが平衡値より高く維持されます。^[1]

肝細胞の細胞質では、NADP ⁺とNADPHの定常比は約0.1であるのに対し、NAD ⁺とNADHの定常比は約1000であり、化学反応ではNADPHが主な還元剤として、NAD ^+が主な酸化剤として作用します。^[2]

血糖値は、血流へのブドウ糖の流入速度（摂取または細胞からの放出）と体組織によるブドウ糖の取り込み速度のバランスをとることによって、定常濃度に維持されます。^[1]流入速度が変化すると消費量も変化し、その逆も同様であるため、ヒトの血糖濃度は約 5 mM に保たれます。^[1]血糖値の変化はインスリンまたはグルカゴンの放出を誘発し、肝臓を刺激して血流にブドウ糖を放出するか、血流からブドウ糖を取り込んでブドウ糖値を定常状態に戻します。^[1]たとえば、膵臓のベータ細胞は、血糖濃度の上昇の結果として酸化代謝を増加させ、インスリンの分泌を引き起こします。^[3]脳内のブドウ糖値も定常状態に維持されており、脳へのブドウ糖の送達は、血液脳関門の流量と脳細胞による取り込みのバランスに依存しています。^[4]硬骨魚類では、血糖値が定常状態より低下すると、血流中の細胞内外勾配が減少し、赤血球におけるグルコース代謝が制限されます。^[5]

血中乳酸濃度も定常状態に保たれます。安静時または低レベルの運動では、筋細胞での乳酸生成率と筋細胞または血液細胞での乳酸消費率により、乳酸は一定の定常濃度で体内に留まります。しかし、より高いレベルの運動が持続すると、血中乳糖濃度は一定になる前に上昇し、高濃度の新しい定常状態に達したことを示します。最大乳酸定常状態 (MLSS) とは、持続的な高活動中に到達したラクターゼの最大定常濃度を指します。^[6]

アミノ酸などの窒素含有分子の代謝調節も定常状態に保たれています。^[2]体内のアミノ酸レベルを表すアミノ酸プールは、入力速度（つまり、食事性タンパク質摂取、代謝中間体の生成）と枯渇速度（つまり、体内タンパク質の形成、エネルギー貯蔵分子への変換）のバランスをとることによって、比較的一定の濃度に維持されています。^{[2]たとえば、リンパ節細胞内のアミノ酸濃度は、能動輸送を主な流入源とし、拡散を}流出源として定常状態に保たれています。^[7]

細胞膜と血漿膜の主な機能の 1 つは、無機イオンの非対称濃度を維持して、電気化学的平衡とは異なるイオン定常状態を維持することです。^[8]言い換えれば、細胞膜の両側にイオンの分布に差があります。つまり、両側のイオンの量は等しくなく、したがって電荷分離が存在します。^[8]ただし、イオンは細胞膜を横切って移動するため、一定の静止膜電位が達成されます。これがイオン定常状態です。^[8]細胞イオン恒常性のポンプリークモデルでは、エネルギーは電気化学的勾配に逆らってイオンを能動的に輸送するために利用されます。^[9]この定常状態の勾配の維持は、膜を横切るイオンの受動的な移動によって消散するときに、電気的および化学的仕事を行うために使用されます。^[9]

心筋では、ATPは膜ATPaseを介してナトリウムイオンを細胞外に能動的に輸送するために使用されます。^[10]細胞の電気的興奮により、細胞内にナトリウムイオンが流入し、一時的に細胞が脱分極します。 ^[10]定常状態の電気化学的勾配を回復するために、ATPaseは細胞内のナトリウムイオンを除去し、カリウムイオンを回復します。^[10]心拍数の上昇が持続すると、脱分極がさらに起こり、細胞内のナトリウム濃度は一定になるまで増加し、新しい定常状態に達したことを示します。^[10]

定常状態は、安定している場合も不安定な場合もあります。1 つ以上の濃度に小さな変動があると、システムがその状態から逸脱してしまう場合、定常状態は不安定です。対照的に、定常状態が安定している場合、どのような変動も元の定常状態に戻ります。詳細については、「安定性理論」のページを参照してください。

以下は、単純な数学モデルを用いて定常状態を計算する簡単な例です。

速度が およびである 2 つの反応からなる開放化学システムを考えます。 ${\displaystyle v_{1}}$${\displaystyle v_{2}:}$

${\displaystyle X_{o}{\stackrel {v_{1}}{\longrightarrow }}S_{1}{\stackrel {v_{2}}{\longrightarrow }}X_{1}}$

化学種と は固定された外部化学種であり、 は変化が許される内部化学種であると仮定します。 固定された境界は、システムが定常状態に達することを保証するものです。 単純な不可逆的な質量作用速度論を仮定すると、 の濃度を表す微分方程式は次のように表されます。 ${\displaystyle X_{o}}$${\displaystyle X_{1}}$${\displaystyle S_{1}}$${\displaystyle S_{1}}$

${\displaystyle {\frac {dS_{1}}{dt}}=k_{1}X_{o}-k_{2}S_{1}}$

定常状態を見つけるには、微分方程式をゼロに設定し、方程式を整理して次のように解きます。${\displaystyle S_{1}}$

${\displaystyle S_{1}={\frac {k_{1}X_{o}}{k_{2}}}}$

これは の定常濃度です。 ${\displaystyle S_{1}}$

このシステムの安定性は、摂動を加えることによって決定できます。これは次のように表すことができます。 ${\displaystyle \delta S_{1}}$${\displaystyle S_{1}}$

${\displaystyle {\frac {d(S_{1}+\delta S_{1})}{dt}}=k_{1}X_{o}-k_{2}(S_{1}+\delta S_{1})}$

は変化率の変化を引き起こすことに注意してください。したがって、定常状態では、この摂動の結果として の変化率は次のようになります。${\displaystyle \delta S_{1}}$${\displaystyle k_{1}X_{o}-k_{2}S_{1}=0}$${\displaystyle S_{1}}$

${\displaystyle {\frac {d\delta S_{1}}{dt}}=-k_{2}\delta S_{1}}$

これは、摂動が指数関数的に減少し、したがってシステムが安定していることを示しています。 ${\displaystyle \delta S_{1}}$

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