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糖酵解过程中的图灵不稳定性与旋转螺旋波

Turing Instabilities and Rotating Spiral Waves in Glycolytic Processes.

作者信息

Cisneros-Ake Luis A, Gonzalez-Rodriguez Juan C, González-Ramírez Laura R

机构信息

Departamento de Matemáticas, ESFM, Instituto Politécnico Nacional, Unidad Profesional Adolfo López Mateos Edificio 9, 07738, Mexico, Mexico.

Posgrado en Ciencias Fisicomatemáticas, ESFM, Instituto Politécnico Nacional, Unidad Profesional Adolfo López Mateos Edificio 9, 07738, Mexico, Mexico.

出版信息

Bull Math Biol. 2022 Aug 11;84(9):100. doi: 10.1007/s11538-022-01060-0.

DOI:10.1007/s11538-022-01060-0
PMID:35951127
Abstract

We study single-frequency oscillations and pattern formation in the glycolytic process modeled by a reduction in the well-known Sel'kov's equations (Sel'kov in Eur J Biochem 4:79, 1968), which describe, in the whole cell, the phosphofructokinase enzyme reaction. By using averaging theory, we establish the existence conditions for limit cycles and their limiting average radius in the kinetic reaction equations. We analytically establish conditions on the model parameters for the appearance of unstable nonlinear modes seeding the formation of two-dimensional patterns in the form of classical spots and stripes. We also establish the existence of a Hopf bifurcation, which characterizes the reaction dynamics, producing glycolytic rotating spiral waves. We numerically establish parameter regions for the existence of these spiral waves and address their linear stability. We show that as the model tends toward a suppression of the relative source rate, the spiral wave solution loses stability. All our findings are validated by full numerical simulations of the model equations. Finally, we discuss in vitro evidence of spatiotemporal activity patterns found in glycolytic experiments, and propose plausible biological implications of our model results.

摘要

我们研究了由著名的塞尔科夫方程(塞尔科夫,《欧洲生物化学杂志》4:79,1968年)简化而来的糖酵解过程中的单频振荡和模式形成,该方程描述了全细胞中磷酸果糖激酶的酶反应。通过使用平均理论,我们在动力学反应方程中建立了极限环的存在条件及其极限平均半径。我们通过分析确定了模型参数的条件,这些条件导致不稳定的非线性模式出现,从而形成经典斑点和条纹形式的二维模式。我们还确定了霍普夫分岔的存在,它表征了反应动力学,产生糖酵解旋转螺旋波。我们通过数值方法确定了这些螺旋波存在的参数区域,并研究了它们的线性稳定性。我们表明,随着模型趋向于抑制相对源速率,螺旋波解失去稳定性。我们所有的发现都通过对模型方程的全数值模拟得到了验证。最后,我们讨论了糖酵解实验中发现的时空活动模式的体外证据,并提出了我们模型结果合理的生物学意义。

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