磷酸化-去磷酸化循环中的灵敏度放大：非平衡稳态、化学主方程与时间协同性

一种称为时间协同性的新型协同性[Biophys. Chem. 105 585-593 (2003), Annu. Rev. Phys. Chem. 58 113-142 (2007)]，出现在磷酸化-去磷酸化循环（PdPC）的信号转导模块中。它利用时间上的多个动力学循环，与利用蛋白质中多个亚基的变构协同性形成对比。在本文中，我们深入研究了确定性（微观）和随机（介观）模型，并通过与变构协同性的比较，重点识别了时间协同性的来源。热力学分析再次证实了以下论断：化学平衡态存在当且仅当磷酸化势$\triangle G=0$，此时灵敏度放大完全消失。然后，我们分别在磷酸化-去磷酸化循环的一阶和零阶假设下，提供了全面的理论和数值分析。此外，有趣地发现，时间协同性和变构协同性的基础数学是等价的，两者都可以用“解离常数”表示，这也刻画了简单和超灵敏PdPC开关之间的本质区别。然而，变构协同性的程度受限于单个酶分子中位点的总数，无法自由调节；而时间协同性仅受限于靶蛋白分子的总数，可以在很宽范围内调节，并产生超灵敏现象。