МОДЕЛИРОВАНИЕ ЖИВЫХ СИСТЕМ на молекулярном уровне
— математическое исследование биологических процессов регулирования и управления молекулярными комплексами биологических систем. Осн. объектом такого моделирования является взаимодействие молекулярных комплексов в клетке. Существует два осн. подхода к М. ж. с.: создание динамических моделей и алгоритмическое моделирование.
Динамические модели основываются на данных биохимии, молекулярной биологии и цитологии и используют методы статистической физики, хим. кинетики и биофизики. В клетке выделяют две системы регулирования: тонкую и грубую. Обе они направлены на поддержание постоянства концентраций осн. продуктов метаболизма. Тонкая система регулирования использует механизм обратной связи: если концентрация некоторого вещества в клетке превышает требуемую, то один из ферментов, участвующих в синтезе этого продукта, подавляется и выработка данного вещества прекращается. В грубом регулировании, обеспечивающем приспособление клетки к внеш. среде, принимает участие спец. участок в носителе генетической информации — ДНК — оперон. Если в клетке есть в достаточном к-ве необходимое вещество, синтез соответствующих ферментов подавлен, но если такого вещества нет, то включается необходимый оперон и происходит синтез ферментов, обеспечивающих выработку данного вещества. Элементарные процессы регулирования — ферментативный катализ хим. реакции, активный перенос веществ через мембрану, биосинтез макромолекулы, подавление фермента, «включение» опероиа — могут быть описаны с помощью ур-ний для концентраций соответствующих веществ. При этом полная динамическая модель саморегуляции клетки описывается системой дифф. ур-ний. Теоретический анализ таких систем показал, что при нормальных физиологических условиях некоторые биохим. процессы неустойчивы и имеют колебательный характер. Однако возможности аналитического исследования ограничены. Поэтому большой интерес представляет моделирование процессов динамики клетки на электронных вычислительных машинах. Это позволяет получить данные по кинетике изменения концентраций начальных, промежуточных и конечных веществ для многих взаимосвязанных реакций метаболизма при воздействии на клетку различных веществ, в частности ядов, антиметаболитов, а также физ. условий — давления, ионизирующего излучения и др. внешних факторов.
Главная цель алгоритмического моделирования — изучение процессов реализации записанной в ДНК генетической информации при построении клеточных ультраструктур и при делении клетки. Для записи алгоритма используются методы матем. теории самовоспроизведения. Такой подход к моделированию позволяет изучить закономерности мутагенеза — влияние ошибок в ДНК на потомство, способы исправления таких ошибок, алгоритм, возможности клетки при усложнении «программы» (в связи с проблемами эмбриологии) и др. вопросы. Такие модели клетки являются эвристическими.
Ю. Г. Остапов.
