Моделирование биохимических и генетических процессов в клетке
Дипломная работа - Биология
Другие дипломы по предмету Биология
?о на данный момент самая важная область исследований в системной биологии - анализ и интеграция функциональных наборов данных о геноме человека. Разработка технологий исследования генома предоставила исследователям специальные инструменты для получения информации о состоянии каждого отдельного нуклеотида или белка. Данными инструментами являются математические модели, применяемые для широкого диапазона биологических систем. Некоторые из них способны самостоятельно регулировать процесс прохождения эксперимента и объяснять выявленные патологии функционирования модельного объекта (E-CELL, Karyote) [5], [6]. Однако на данный момент все еще наблюдается несогласованность между огромным количеством данных, полученных в эксперименте (характеристика сложного физиологического ответа организма) и данными, получаемыми от разработанных механистических вычислительных моделей, работа которых основана на использовании реальных параметров и ограничений, присущих живой клетке. Из-за огромной нехватки информации о динамике взаимодействия для большинства биологических компонентов, методы разработки специального расчетного программного обеспечения в большей степени базируются на информационной теории или вероятностных методах. Более того, разработка математических моделей, представляющих целый комплекс клеток, в ближайшее время является неосуществимой задачей для семейства эукариотов. Общее число компонентов такой модели будет слишком большим, а взаимодействия между ними ввиду малой их изученности будет описано некорректно [7].
Глава 2. Материалы и методы
Для построения модели динамики осмотического поведения эритроцита мной была использована интегрированная среда разработки программного обеспечения - Borland C++ Builder 6.
Модель имеет многооконный интерфейс, возможность построения графиков и записи результатов расчетов в файл. В процессе моделирования пользователь имеет доступ к справочному средству, в котором можно ознакомиться с методикой осуществления моделирования на данном программном обеспечении, подробным описанием каждого уравнения и переменной, входящей в его состав, а также используемых при расчетах констант.
Модель описывается системой из 57 уравнений.
(2.1)
(2.2)
(2.3)
(2.4)
(2.5)
(2.6)
(2.7)
(2.8)
(2.9)
(2.10)
(2.11)
(2.12)
(2.13)
(2.14)
(2.15)
(2.16)
(2.17)
(2.18)
(2.19)
(2.20)
(2.21)
(2.22)
(2.23)
(2.24)
(2.25)
(2.26)
(2.27)
(2.28)
(2.29)
(2.30)
(2.31)
(2.32)
(2.33)
(2.34)
(2.35)
(2.36)
(2.37)
(2.38)
(2.39)
(2.40)
(2.41)
(2.42)
(2.43)
(2.44)
(2.45)
(2.46)
(2.47)
(2.48)
(2.49)
(2.50)
(2.51)
(2.52)
(2.53)
(2.54)
(2.55)
(2.56)
(2.57)
В представленных уравнениях используются следующие символы и определения:
- количество раствора в 1 л клеточной воды,
, - концентрация раствора во внутри- () и внеклеточном () пространстве
Индекс - обозначает количество
- ионы
- вода
- исходный объем клетки,
- изменение объема клетки за один цикл (приращение за )
- площадь поверхности клетки,
- объем исследуемого образца,
- суммарный объем всех клеток в исследуемом образце,
- гематокрит
и - константы проницаемости клеточной мембраны за счет электродиффузионных () и диффузионных () потоков,
и - потоки компонент за счет электродиффузии () и диффузии (),
- величина отношения внутри- и внеклеточных концентраций проникающих анионов ()
- величина межмембранного потенциала,
- количество клеток в исследуемом образце
, - величины осмолярности во внутри- () и внеклеточном () пространстве
- интервал между вычислениями каждого последующего цикла
- время эксперимента
- изменение количества раствора в 1 л клеточной воды за время прохождения одного цикла (приращение за )
- заряд иона
- константа Фарадея,
- универсальная газовая постоянная,
- абсолютная температура,
Основные уравнения для клетки
1.Изотоничность
2.Начальная электронейтральность
3.Уравнения потоков
4.Постоянство электронейтральности
5.Вычисление переходов
6.Перераспределение проникающих растворов между клетками и внеклеточной средой
Определения
(D1)
(D2)
(D3)
(D4)
(D5)
(D6)
(D7)
На первом этапе работы программы производится ввод начальных данных о состоянии клетки для осуществления расчета ее исходного состояния (reference state). Все расчеты осуществляются в единицах СГС.
Когда определены параметры исходного состояния клетки, необходимо ввести время эксперимента и интервал между вычислением каждой последующей итерации.
Когда данная операция произведена, мы имеем возможность запустить цикл, условия которого были заданы выше.
Уравнения (1) и (2) используются для расчета начального потенциала клетки согласно уравнению Нернста.
Уравнения (3) и (4) дают возможность вычислить начальные внутри- и внеклеточные концентрации ионов
Уравнение (5) определяет начальный рН внутриклеточной среды
Уравнение (6) дает расчет осмотического коэффициента гемоглобина (данный коэффициент является определяющим параметром неидеального осмотического поведения гемоглобина, исследуемого в модели)
Уравнение (7) осуществляет расчет суммарного объем?/p>