Обзор литературы

Учебные материалы по биологии / Моделирование биохимических и генетических процессов в клетке / Обзор литературы

Страница 1

клетка эритроцит биохимический моделирование

Первые математические модели биологических систем были созданы еще в начале ХХ века, однако более подробно начать обзор данных моделей следует с рассмотрения интегральной модели регуляции объема, рН и ионного содержания эритроцитов, созданной В. Лью и Р. Букином в 1986 году.

Данная модель является самым простым примером применения математического моделирования в биофизике, т.к. она учитывает только кинетику изменения заряда, неидеального осмотического поведения гемоглобина и других растворенных в клетке веществ с изменением мембранного ионного транспорта эритроцита [2]. Алгоритм вычислений разрабатывался таким образом, чтобы иметь возможность предсказывать поведение всех измеряемых переменных во времени определенным способом, позволяющим оптимизировать сравнение полученных результатов с экспериментально определенным поведением данных переменных. Данная модель осуществляет последовательность вычислений промежуточных состояний системы за очень короткие периоды времени, пока системой не будет достигнуто состояние равновесия, характеризующееся практически полным отсутствием изменений всех ее исследуемых параметров. Это дает возможность гибко воспроизводить любые экспериментальные разработки, оптимизируя таким образом направление количественного сравнения между экспериментально измеренным и предсказанным моделью результатом.

В разработке интегральной модели регуляции объема, рН и ионного содержания эритроцитов было использовано минимальное количество самых достоверных начальных параметров, наиболее математически простые уравнения и максимальная гибкость при разработке алгоритма вычислений. Таким образом, можно утверждать, что данная модель осуществляет простое интегральное представление функций регуляции ионного транспорта, рН и объема одиночного эритроцита (не находящегося во взаимодействии с другими клетками, т.е. в условиях достаточно сильного разведения).

Полученные результаты послужили основой для создания более сложных моделей, в которых расчет кинетики биохимических реакций стал применяться как базис для моделирования системы метаболизма клетки. Такие модели являются более востребованными, т.к. имеют более широкое практическое применение, чем простые кинетические модели.

В качестве примера модели, объединяющей в себе возможность осуществления кинетических расчетов динамики изменения параметров клетки и применения результатов данных расчетов для анализа метаболизма, следует рассмотреть модель симуляции динамики системы метаболизма эритроцита человека.

Данная модель была разработана на базе системы компьютерной алгебры - Mathematica, который содержит множество функций для аналитических преобразований и численных расчётов. Целью данного программного обеспечения является всестороннее ознакомление научного сообщества с моделированием динамики системы метаболизма эритроцита человека посредством широкой доступности модели и использования ей стандартного вычислительного аппарата [3].

Модель метаболизма эритроцита включает в себя кинетические выражения для 35 белков, 6 транспортных каналов, каналы утечки натрия и калия, а также натриевый и калиевый АТФ-азный насос. Используемые в модели кинетические выражения выведены на основании многолетних исследований таких ученых, как Roigas (1965), Worthington и Rosemeyer (1976), Otto (1977), Morelli (1978), Vandenberg (1986). Модель включает в себя только кинетику метаболической системы, в ее состав не входит осмотическое давление, имеются ограничения электронейтральности (Werner and Heinrich, 1985) и связывание гемоглобина (Yoshida and Dembo, 1990).

Создателями модели были написаны специальные функции для адаптации программного обеспечения Mathematica к расчетам кинетики эритроцита. Основными операциями, осуществляемыми пакетом, являются интегрирование уравнений массового баланса и симуляция изменений, возникающих при изменении концентраций или потоков белков в течение длительного времени.

Также программа обладает следующими возможностями: