Обзор литературы

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

Страница 2

) Графическое изображение метаболической сети в состоянии равновесия потоков и размеров пулов;

2) Нахождение состояния равновесия системы;

) Временная калибровка метаболической сети;

) Моделирование метаболических путей.

Несмотря на простоту метаболической сети эритроцита в сравнении с другими клетками, ее симуляция с помощью данной модели метаболизма позволяет пользователю проникнуть в суть общих процессов клеточного метаболизма, которые могут впоследствии являться частью более сложных метаболических путей. Так как даже самые простые системы метаболических путей являются трудными для изучения в целом, последующее моделирование более сложных систем будет иметь важное значение для анализа метаболизма реальных биологических объектов.

В качестве еще одной модели анализа метаболизма следует рассмотреть модель системы метаболизма и динамики эритроцита человека. Данная модель является результатом разработок интегрированных моделей системы метаболизма эритроцита на протяжении последних 30-ти лет (Атауллаханов и др., 1981; Брумен и Генрих, 1984; Генрих и Рапопорт, 1975; Jacobasch и др., 1983; Лью и Букин, 1986; Макинтайр и др., 1989; Рапопорт и Генрих, 1975; Шустер и др., 1988; Thorburn и Kuchel, 1987; Yoshida и Dembo, 1990).

Модель системы метаболизма и динамики эритроцита человека обширная, но не совсем полная модель всех основных метаболических процессов, происходящих в этой простой клетке. Данная модель включает в себя не только кинетические уравнения, описывающие кинетику гемоглобина, но и различные ограничения, как, например, осмотическое давление и электронейтральность. Таким образом, осуществляется моделирование динамики эритроцита как ответ на выведение системы метаболизма клетки из состояния равновесия в неравновесное состояние. Общая схема регуляции гомеостаза клетки координируется изменением переменных, составляющих кинетические уравнения, описывающие модель (величины трансмембранных потоков потенциалопределяющих ионов, значение мембранного потенциала, концентрации проникающих и непроникающих ионов и т.д.). Данное моделирование позволяет выявлять взаимодействия между потоками веществ из и во внеклеточное и клеточное пространство, реакцию клетки на окислительно-восстановительные процессы, имеющие место на поверхности мембраны эритроцита и т.д. [4].

Однако модель регуляции системы метаболизма и динамики эритроцита разработана не до конца. Полный ее вариант должен будет включать все физико-химические ограничения процессов функционирования эритроцита, а также осуществлять регуляцию участия определенных ферментов в процессах метаболизма.

Следующим этапом развития математического моделирования стало изучение генетического материала клетки, как еще одного важного параметра наряду с кинетикой и метаболизмом. Современные математические модели включают в себя возможность исследования всех трех данных параметров в непосредственном взаимодействии друг с другом, т.е. как единую систему со сложными внутренними взаимодействиями.

Один из примеров таких моделей - E-CELL (программное обеспечение для моделирования поведения целой клетки).CELL - специальная программная среда для моделирования и симуляции биохимических и генетических процессов с целью их детального изучения. Представляет собой единую, объектно-ориентированную платформу для симулирования комплекса взаимодействий между генными продуктами цельных геномов. Данная система позволяет пользователю самому определять функции белков, белок-белковые взаимодействия, белок-ДНК взаимодействия, регуляцию экспрессии генов и другие особенности клеточного метаболизма как набор реакционных правил.CELL симулирует клеточное поведение посредством численного интегрирования дифференциальных уравнений, описываемых набором правил, который (набор правил) выбирает пользователь по своему усмотрению. На дисплее монитора компьютера пользователь имеет возможность наблюдать за изменениями концентраций белков, белковых комплексов и других химических соединений в клетке.

Модель E-CELL состоит из трех списков, загружаемых пользователем в ходе выполнения моделирования. Список веществ определяет все объекты, которые будут находиться в клетке и внеклеточной среде. Список правил инициализирует все реакции, которые будут применяться для данной клетки. Системный список формирует пространственную и/или функциональную структуру клетки и ее окружения. Состояние клетки в каждый период времени представляется в виде таблицы значений клеточных концентраций веществ наряду с глобальными значениями параметров клетки - объема, рН и температуры. С помощью механизма симуляции генерируется каждое последующее состояние системы во времени путем вычислений всех функций, определенных в списке правил. Также пользователь может сам создавать списки веществ и правил, формируя новые модели для исследования.