分子数の離散性が化学反応ネットワークに及ぼす効果

分子数离散性对化学反应网络的影响

• 批准号: 03J11161
• 负责人: 冨樫 祐一
• 金额: $ 1.15万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2003
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2003 至 2004
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-03J11161/
• 关键词: 化学物理; 生物物理; 反応拡散系; 確率過程; 空間構造; シミュレーション; 離散性; 酵素; 化学反応系; 離散系; ネットワーク

反応拡散系において、従来の連続的な表現に基づく手法では現れない、分子の空間的な離散性によってはじめてもたらされる現象の可能性を示した。主な成果は以下の通りである。1.分子の空間的な離散性により、連続極限では現れない新たな定常状態が生じたり、不安定であるはずの状態に比較的長い時間とどまったりすることがある。状態を異にする領域が空間内で共存する場合もみられる。このような領域の形成について、理論的考察とシミュレーションを進めた。この領域構造は過渡的なものでなく、ある特徴的な大きさを持ち、各状態にある領域の比率もほぼ一定に保たれる。この領域の境界や間隔が保たれる機構を、分子がその寿命の間に拡散する距離(Kuramoto Length)との関係において示した。2.分子の空間的な離散性が影響するような低濃度の成分が複雑存在する場合に、成分の分布変化のダイナミクスに、連続極限(反応拡散方程式)とどのような違いが生ずるか、反応ネットワークの観点から議論した。3.酵素反応は、一般に酵素分子の構造変化を伴い、そのためにミリ秒〜秒程度の時間を要する場合もある。この所要時間(ターンオーバー時間)が他の反応や(酵素分子間隔程度の距離での)成分の拡散に要する時間よりも長い場合、その間の過程(ターンオーバー過程)が系の振舞いに影響を及ぼしうる。連続極限かつ空間を含まない場合については、酵素分子間の同期現象に関する先行研究がある。同様の系で、分子の離散性を考えた場合、どのような影響があるか議論した。連続極限では酵素の同期を維持できないパラメタ領域でも、分子の離散性によって、同期が維持される場合があることを示した。

这表明了一种现象可以通过分子的空间离散性引起的现象的可能性，而分子的空间离散性不会基于连续表达式出现在常规方法中。主要结果如下：1。分子的空间离散性可能会导致新的稳态不连续限制，或者它们可以保留在相对较长时间内不稳定的状态中。当具有不同状态的区域在太空中共存时，也可以看到这一点。对此类区域的形成进行了理论考虑和模拟。该区域结构不是短暂的，而是具有独特的大小，并且每个状态的区域的比例几乎保持恒定。显示了与分子在其寿命中扩散的距离（kuramoto长度）相关的维持该区域边界和间距的机制。 2。我们从反应网络的角度讨论了成分分布变化的动力学如何与连续极限（反应扩散方程式）有所不同，而在低浓度下受到分子空间离散性影响的复杂成分。 3。酶反应通常涉及酶分子的结构变化，因此可能需要时间从毫秒到秒。如果此所需的时间（周转时间）长于其他反应或分量扩散（在酶分子间隔的距离）所需的时间，则（交流过程）之间的过程会影响系统的行为。如果不包括连续限制和空间，则先前已经对酶分子之间同步现象进行了研究。在类似的系统中，我们讨论了考虑分子离散性时会产生什么影响。已经表明，即使在酶同步无法保持在连续极限的参数区域中，由于分子的离散性，也可以保持同步。

项目成果

Discreteness-induced stochastic steady state in reaction diffusion systems : self-consistent analysis and stochastic simulations

反应扩散系统中离散性引起的随机稳态：自洽分析和随机模拟

• 发表时间: 2005
• 期刊: Physica D (印刷中)
• 作者: Yuichi Togashi;Kunihiko Kaneko
• 通讯作者: Kunihiko Kaneko