Моделирование биохимических и генетических процессов в клетке
Дипломная работа - Биология
Другие дипломы по предмету Биология
Введение
Каждая биологическая система обладает свойством саморегуляции, то есть способностью перестраиваться в зависимости от внешних воздействий так, чтобы сохранился оптимальный уровень ее функционирования.
Существуют различные способы регуляции жизнедеятельности клетки, которые можно условно отнести к генетическому, биохимическому и физиологическому уровням регуляции. В пределах каждого из них действуют механизмы, в основе которых лежит последовательность конкретных метаболических процессов. Понять динамические свойства этих регуляторных механизмов можно на основе общесистемного подхода, рассматривающего поведение каждого из элементов сложной системы как результат его взаимодействия с остальными элементами.
Одним из наиболее развитых подходов для решения этой проблемы в современной биофизике является математическое моделирование. В кинетических моделях отражается динамика изменения концентраций различных составных элементов биологической системы, которая определяется скоростями отдельных элементарных реакций.
В основе процессов обмена клетки со средой и внутреннего метаболизма лежит сложная сеть организованных определенным образом во времени и пространстве различных реакций. В результате этих процессов изменяются концентрации различных веществ, численность отдельных клеток, биомасса организмов или, например, величина трансмембранного потенциала в клетке. Изменения всех этих переменных величин во времени составляют кинетику биологических процессов, которую хорошо описывают современные математические модели [1].
На сегодняшний день благодаря развитию математического моделирования возможность создания комплексной математической модели клетки, способной учитывать кинетику изменения содержания основных компонентов клетки, осуществлять исследование метаболических процессов, а также анализировать генетический материал, стала осуществимой, по крайней мере, для прокариот. Однако есть сложности в построении подобной модели для эукариотических клеток, ввиду большого количества исследуемых параметров и сложности взаимодействия изучаемых параметров клетки между собой.
Целью работы стало:
изучение и освоение основ работы современных программных обеспечений для осуществления моделирования всех биохимических и генетических процессов в клетке
построение математической модели динамики изменения объема и потенциала эритроцита в зависимости от концентраций проникающих ионов и рН внеклеточной среды на базе ранее созданной модели для липосомы
Выполняя построение математической модели, мною были поставлены следующие цели:
осуществить расчет изменения потенциала, объема, водного потока и концентраций проникающих ионов эритроцита в зависимости от внеклеточного рН
осуществить симуляцию гибели эритроцита методом фиксации трансмембранного потенциала
исследовать скорость изменения потенциала, объема, водного потока и концентраций проникающих ионов эритроцита в зависимости от низких показателей внеклеточного рН (0,3 - 0,9)
Глава 1. Обзор литературы
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 при?/p>