Моделирование процессов клетки

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ЯНКИ КУПАЛЫ»

Факультет биологии и экологии

Кафедра химии и химической технологии

Моделирование процессов клетки

Исполнитель:

студент 4 курса

специальности 1-310101-03

Биология (биотехнология)

Говор Александр Иванович

Гродно 2016

Огромное количество информации о строении и функционировании биологических систем поставило вопрос о создании математической модели элементарного кирпичика жизни - биологической клетки. Скорость накопления информации в биологии превышает соответствующую скорость в физике, химии и других науках. Компьютерная биология становится одним из наиболее приоритетных направлений среди других наук. Создание единой математической модели клетки кажется вполне созревшей задачей. Трудности в решении проблемы связаны со значительной сложностью постановки и проведения биологических экспериментов in vivo, необходимых для выяснения структуры и конкретных параметров такой модели, с недостаточной проработкой ее принципов с позиций теоретической биологии.

Моделирование клетки in silico должно учитывать постоянное эволюционное согласование внутриклеточных механизмов с характером функционирования клетки, адекватного изменениям внешней среды. Ключевым вопросом, на который должна давать ответ модель, является: можем ли мы точно предсказать, каков будет отклик клетки на изменение воздействия со стороны её окружения? Возможных практических результатов такого исследования можно придумать великое множество.

Чтобы подойти к постановке такой задачи, необходимо понять, на каком уровне описания физических явлений, происходящих в клетке, должна оперировать единая математическая модель. Клетка является макроскопическим объектом, в её состав входят сотни миллионов атомов. Отсюда, вытекает, что описание должно быть макроскопическим. Однако при нынешнем уровне знаний о микромире не вызывает сомнения тот факт, что функционирование клетки определяется процессами переноса заряда. Наиболее изученными являются процессы переноса в митохондриальной цепи электронного транспорта, в реакционном центре фотосинтеза, в нуклеотидных последовательностях, внутрибелковый и межбелковый перенос. Описание таких процессов является квантово-механическим. Таким образом, фундаментальная математическая модель должна базироваться на квантово-механическом описании. Это вполне соответствует современным представлениям о том, что в основе всех явлений, происходящих в природе, лежит квантовая теория. биологический макроскопический атом

В частности, все возможные пространственные структуры определяются решением спектральной задачи для оператора. На практике такой подход не применим даже при расчёте структуры одной белковой молекулы, ввиду неимоверной сложности решения такой задачи. Главное упрощение, позволяющее продвинуться в решении возникающих проблем, состоит в выделении отдельных подсистем. Для облегчения решения возникающей задачи в качестве подсистемы можно выбрать целую группу атомов или молекул, что при правильно сделанном выборе во многом предопределяет успех расчётов. Например, при изучении переноса одного электрона в рассматриваемой системе выделяют её фрагменты, называемые донор D и акцептор А. Согласно результатам теории химических реакций скорость перехода электрона с донора D на акцептор А определяется величиной матричного элемента H_DA:

H_DA = б_AiG_ij (E₀)б_jD

G_ij (E₀) = <i | (E₀ - v_i ^'_j ^' | i ^'><j ^'| )^-1 | j>,

где в качестве донора выбран группа атомов с номером i = 0, а в качестве акцептора группа атомов с номером i = N + 1, G_ij -функция Грина для мостикового гамильтониана, из которого исключены донор и акцептор. В случае, когда речь идёт о макроскопических процессах, например конформационных переходах в белках, входящих в состав клеточной мембраны, динамические уравнения, определяемые (1), переходят в классические уравнения движения. Существует много способов последовательного перехода от квантовых уравнений к классическим, например, минуя квазиклассический уровень, переход на основе теоремы Эренфеста или основываясь на методе адиабатического приближения, использования модельных потенциалов и т.д.

Если выделение классической подсистемы проведено, и переход к классическому описанию осуществлён, то дальнейшее продвижение на пути получения конкретных результатов связано с использованием численных методов. Наиболее эффективным подходом описания биомолекулярных систем является моделирование или имитация движения атомов и молекул, составляющих рассматриваемую систему. Такой подход носит название метода молекулярной динамики. В методе молекулярной динамики атомы и молекулы рассматриваются как классические частицы, взаимодействие между которыми считается известным. С помощью соответствующего метода вычислительной математики численно интегрируют уравнения движения классической механики для всех частиц системы при заданных потенциалах межчастичных взаимодействий и внешних полях.

Весь транспорт зарядов в клетке можно условно разделить на два типа: транспорт внутри клеточных органелл и клеточной мембраны и транспорт между органеллами и различными участками клеточной мембраны. В первом случае заряд, например электрон, движется в гетерогенной среде, определяемой структурным устройством органелл. Во втором случае заряд транспортируется каким-либо носителем, например белком. Все метаболические процессы в клетке тесно связаны с процессами электронного переноса. Общие математические подходы к описанию этих процессов включают в себя суперобменный, прыжковый, поляронный, зонный (механизм молекулярной проволоки) и другие аналогичные современным подходам математического описания функциональной протеомики.

Создание математической модели процессов, протекающих в живой клетке, открывает совершенно новые перспективы управления этими процессами. Основной проблемой создания единой модели клетки при условии полного знания всех важных составляющих этих процессов является их иерархия во времени и пространстве. На примере клетки высших растений видно, что пространственная организация клетки включает мембрану, которая является функциональной границей клетки. Ограниченное мембраной пространство заполнено цитоплазмой - функциональной средой, в которой расположены основные компоненты клетки - органеллы. Органеллы являются пространственно разделёнными образованиями со своими специализированными функциями. Все составляющие клетки находятся во взаимодействии, поддерживая её функционирование.

Таким образом для успешного моделирования живой клетки необходимо изучить следующие принципы:

Функциональная завершенность: Поведение определяется взаимодействием разных путей и генами. Поэтому модель клетки должна включать все функции генов и все клеточные функции.

Молекулярная завершенность: Модель описывает клетку и окружение как закрытую систему. Она должна включать взаимодействие путей и окружения, а не произвольные источники и стоки.

Темпоральная завершенность: Модель должна описывать полный цикл клетки.

Биофизика: Модель должна быть основана на известной биофизике и биохимии клетки.

Динамика: Модель должна предсказывать появление возникающих динамических процессов.

Стохастичность: Модель должна быть дискретна и стохастична. Стохастичность важна для возникаемости.

Видовая специфичность: Модель должна быть основана на экспериментальных данных и представлять определенный геном.

Модулярность: Модель должна включать в себя другие подмодели.

Размещено на Allbest.ru