Моделирование биохимических и генетических процессов в клетке
Дипломная работа - Биология
Другие дипломы по предмету Биология
?ера 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:
)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