Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
диссертация мембраны.doc
Скачиваний:
11
Добавлен:
30.05.2015
Размер:
1.64 Mб
Скачать

Глава 1. Описание движения ионов в биологических компартментах с использованием различных математических моделей

В случае рассмотрения движения ионов вблизи поверхности мембран существует несколько возможных подходов для математической формализации данного процесса. В сущности, каждый из них подробно представляет тот или иной физический параметр в качестве искомой переменной в уравнении. Без ограничения общности можно разделить упомянутые подходы на несколько типов. Один из них использует формализм диффузионного (электродиффузионного) приближения. В этом случае перенос частиц через поверхность мембраны представляется как результат решения краевой задачи для однородного или неоднородного уравнения диффузии полученного в рассматриваемой экспериментаторами системе. Второе направление моделирования описывает динамику движения атомов и молекул в некоторой выделенной области пространства биологического объекта. В этом случае имеет место представление развертки временных кривых изменения линейной (или угловой) координаты, возникающей вследствие решения уравнений Ланжевена для каждой материальной точки, соответствующей отдельным атомам системы. И, наконец, третий тип моделей можно условно охарактеризовать как класс кинетических моделей. В них исследователи характеризуют процессы переноса ионов либо как следствие работы белков переносчиков, либо как феноменологическое представление изменения трансмембранного тока при заданных вероятностях открытия и закрытия мембранных каналов — уравнения Ходжкина-Хаксли.

Как ни парадоксально, но при всей подробности упомянутых выше методов, ни один из них в полной мере не позволяет приблизиться к решению важнейшей задачи: описать функционирование биологической

11

структуры в состоянии in vivo с осуществлением взаимосвязи между реальной структурой белка машины и макроскопическими параметрами, измеряемыми в эксперименте, такими как метаболический поток. И для подобной ситуации существуют определенные объективные причины. В первую очередь это обусловлено ограниченностью самого принципа моделирования рассматриваемого процесса. В самом деле, применение диффузионного подхода позволяет оценивать реальное пространственно- временное изменение концентрации метаболита, однако для корректности использования данной модели необходимо учитывать очень сложную геометрию источников в неоднородном пространстве с нелинейной по концентрации метаболитов функцией поглощения. Более того, необходимо учитывать распределение зарядов в системе и рассматривать процессы электродиффузии.

В случае молекулярно-динамического подхода можно получить реальное состояние системы и поведение отдельных атомов, однако решение данной задачи будет существенно ограничено по оси времени поскольку сама процедура чрезвычайно требовательна к ресурсам вычислительной техники и не позволяет включать в рассмотрение большие интервалы времени и большое количество частиц.

Кинетические модели хотя и предоставляют исследователю возможность относительно легко получить величины ионных токов (потоков), но при этом не обеспечивают подробную детализацию влияния регулирующих факторов, а также практически не учитывают пространственную неоднородность моделируемой системы. Таким образом, на сегодняшний день существует необходимость методологического решения подобной проблемы с учетом современных возможностей вычислительной техники и на основе разработки комбинированного эффективного подхода.

Далее будут рассмотрены основные особенности описанных выше направлений моделирования, а также намечены основные пути для решения поставленных в работе задач.