Потоковые и кинетические модели метаболизма
Основным инструментами теоретического исследования метаболизма являются математические модели, описывающие структуру метаболических сетей и динамику метаболических потоков. Имеются два подхода к построению математических моделей метаболизма:
1) традиционный кинетический, при котором метаболическая система клетки рассматривается как совокупность метаболитов, концентрации которых изменяются во времени и
2) потоковый подход, предложенный Л.Н.Дроздовым-Тихомировым и сотрудниками (), при котором метаболическая система рассматривается как совокупность потоков превращений метаболитов. При кинетическом подходе строится система уравнений, каждое из которых описывает закономерность изменения во времени концентрации одного из метаболитов клетки в зависимости от концентрации соответствующего фермента и концентраций всех других метаболитов. В такой модели (системе уравнений) число уравнений равно числу неизвестных, т.е. числу метаболитов, и, в принципе, имеется возможность получить однозначное решение, описыващее поведение метаболической системы во времени. Однако, поскольку число метаболитов, которые требуется ввести в рассмотрение при моделировании метаболизма целой клетки, достаточно велико, а дифференциальные уравнения, описывающие изменение концентрации метаболитов, существенно нелинейны, решение системы уравнений, описывающих модель целой клетки (число основных метаболитов около 500), оказывается практически невозможным из-за вычислительных математических трудностей. Кинетический подход позволяет строить и исследовать модели лишь для сравнительно небольших фрагментов метаболической системы (модулей), включающих не более 50 - 60-ти компонентов ( Дроздов-Тихомиров и др., 1994 ; Drozdov-Tikhomirov & Scurida, 1977 ), и не применим для исследования метаболизма клетки в целом. При потоковом подходе в качестве неизвестных в уравнениях модели фигурируют не концентрации метаболитов, а потоки (скорости реакций образования или расходования метаболитов). Для случая стационарного состояния клетки каждое уравнение потоковой модели являются уравнением баланса входящих и выходящих потоков для пула одного из метаболитов метаболической системы. Модель в этом случае представляет собой систему линейных алгебраических уравнений, число которых равно числу метаболитов в моделирумой метаболической системе, а число неизвестных - числу реакций в ней происходящих, т.е. числу ферментов, управляющих скоростями реакций в системе метаболизма. Система уравнений баланса потоков, подчиненных закону сохранения материи и требованиям стехиометрии реакций, и составляет стехиометрическую потоковую модель метаболизма, предложенную Л.Н.Дроздовым-Тихомировым с сотрудниками.
