Моделирование биохимических и генетических процессов в клетке
Дипломная работа - Биология
Другие дипломы по предмету Биология
(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.
Графический интерфейс модели E-CELL обеспечивает возможность наблюдения пользователя за процессом вычислений на протяжении всего времени симуляции. Самым важным является интерфейс отладочной программы, который позволяет пользователю выбирать интересующие его вещества и типы реакций, а также наблюдать за их количественными изменениями. Данный интерфейс представляется в виде окна, показывающего двумерный график, изменяющийся соответственно количественному изменению веществ или реакций в моделируемой системе.
Обобщенным уравнением кинетики реакций, используемой в модели E-CELL, является уравнение:
,
где - концентрация n-того вещества, - стехиометрический коэффициент n-того вещества, скорость каждой реакции выражается как функция, зависящая от двух параметров - и .
Неферментативные реакции определяются как реакции первого порядка. Их скорости непосредственно зависят от концентрации веществ и выражаются уравнением:
,
где k - константа скорости.
Ферментативные реакции выражаются с помощью уравнения Михаэлиса-Ментен:
,
где - концентрация вещества, - максимальная скорость реакции, - константа Михаэлиса.
Помимо всех вышеперечисленных функций модели, она обеспечивает возможность проведения виртуальных экспериментов. Например, пользователь может задержать клетку в состоянии полного отсутствия в ней глюкозы. Таким образом, можно наблюдать гибель клетки из-за утечки АТФ. Также процесс гибели клетки можно наблюдать посредством удаления одного из значимых генов, например, синтеза белков[5].
Конечно, нельзя не отметить самый главный пример математической модели, позволяющей исследовать основные параметры любой клетки - кинетику, метаболизм и генетический материал, - Karyote - модель для моделирования физико-химической геномной и метаболической систем клетки.
Платформа для моделирования Karyote объединяет в себе три основных элемента (модуля):
)Модуль для построения модели и сохранения расчетных данных, позволяющий определить тип моделируемой клетки с помощью параметров сети реакций, структуры и транспортных процессов, заданных пользователем, а также выбрать окружающую среду и другие параметры моделируемых явлений;
2)Симулятор геномных и метаболических процессов осуществляет решение уравнений, описывающих метаболические реакции, полимеризации транскрипции/трансляции и обмен молекулами частей клетки между собой и с окружающей средой;
)Информационный теоретический модуль (ITM), автоматизирующий калибровку и разработку образца, объединяет множество типов данных с вычислениями клеточной динамики.
В Karyote может быть реализована различная скорость реакций - быстрая (процесс уравновешивания исследуемой системы) и медленная (приближение к равновесному состоянию), а также могут быть добавлены специальные эффекты работы ферментов и их минорных разновидностей, ускоряющих процесс установления равновесия системы. Данная модель предусматривает неподвижность окружающей клетку среды.
Пользовательский интерфейс позволяет автоматизировать генерацию и решение уравнений в соответствии с многократной временной шкалой с целью разобщения динамик различных процессов в клетке для их более подробного наблюдения [6].
Модель Karyote дает доступ к обширному набору процессов и включает в себя множество особенностей:
Общий конечный уровень состояния системы и быстро уравновешиваемые реакции;
Минорные разновидности (например, ферменты) со связанными равновесными циклами любой сложности;
Компартментизация, посредством которой процессы протекают в определенных зонах клетки (цитоплазма или органеллы) и осуществляется обмен молекул между данными зонами;
Геномные модули, содержащие данные о последовательностях генов, используемые для симуляции процессов транскрипции и трансляции;
Контроль и регуляция экспрессии генов;
Уравнения для вычисления электрического потенциала в разных компартментах клетки, а также пассивных и активных потоков между ними;
Мембранные процессы (ионные насосы или мембранные ферментные реакции), которые требуют привлечения молекул, находящихся по обе стороны мембраны и в ее пределах;
Сетевой графический ввод / вывод;
Введение в основы моделирования.
Если подвести итог всему вышесказанному, то следует отметить, ч?/p>