Username: biotech Password: applbiot1 COPASI - Complex Pathway Simulator Λογισμικό για την προσομείωση και ανάλυση βιοχημικών δικτύων Ελεύθερη χρήση Χαρακτηριστικά Προσομείωση χρονικής μεταβολής σε στοχαστικά (stochastic) και ντετερμινιστικά δεδομένα (deterministic) Ανάλυση μόνιμης κατάστασης Ανάλυση μεταβολικού ελέγχου/ ανάλυση ευαισθησίας Εκτίμηση παραμέτρων χρησιμοποιώντας δεδομένα χρονικής μεταβολής (time course) και/ή μόνιμης κατάστασης (steady state) http://www.copasi.org e-mail απαντήσεων: applbiotlabntua@gmail.com
1 η ΑΣΚΗΣΗ ΕΝΖΥΜΙΚΗ ΒΙΟΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΑΠΟ ΜΙΚΡΟΒΙΑΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ (Mετατροπή του υποστρώματος Α στο προϊόν Β) Αex R1 Αin Κύτταρο (Cell) R2 Bin R3 Bex όπου Α και Β υπόστρωμα και προϊόν, ενώ οι ενδείξεις in και ex αντιστοιχούν σε εσωκυτταρική και εξωκυτταρική συγκέντρωση, αντίστοιχα Περιβάλλον (Environment) Οι αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα είναι οι ακόλουθες: Αex Ain Είσοδος του υποστρώματος στο εσωτερικό του κυττάρου (αντίδραση R1, κινητική 1 ης τάξης, Mass action irreversible) Αin Bin Ενζυμική μετατροπή του υποστρώματος σε προϊόν (R2, κινητική Michaelis-Menten) Bin Bex Έξοδος του προϊόντος από το κύτταρο (αντίδραση R3, κινητική 1 ης τάξης, Mass action irreversible)
Οι παραμέτροι προς παρακολούθηση για το συγκεκριμένο μοντέλο είναι (a) ο χρόνος (Time) συναρτήσει των μεταβατικών συγκεντρλωσεων (Transient Concentrations) [Ain]t, [Aex]t, [Βin]t και [Βex]t (b) ο χρόνος (Time) συναρτήσει των ροών των αντιδράσεων (Reaction Fluxes) (R1).Flux, (R2).Flux και (R3).Flux
Προσδιορισμός του μοντέλου (1/7) 1. Καθορισμός των διαμερισμάτων (Compartments) του μοντέλου (Αριθμός διαμερισμάτων: 2, Κύτταρο-Περιβάλλον) Model -> Biochemical-> Compartments Οι α/α εισάγονται αυτόματα διευκρινίζει πως καθορίζεται ο όγκος ενός διαμερίσματος Όγκος του διαμερίσματος πριν (initial volume) και μετά (volume) τους υπολογισμούς που πραγματοποιεί το πρόγραμμα κάθε φορά # Name Type Initial volume (ml) Volume (ml) Rate (ml/s) 1 Cell fixed 1 nan 0 2 Environment fixed 1 nan 0 Initial expression (ml) Expression (ml or ml/s) δείχνει το ρυθμό μεταβολής του διαμερίσματος (έχει οριστεί από έναν μαθηματικό υπολογισμό) μαθηματικές εκφράσεις που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό του αρχικού όγκου του διαμερίσματος και του μεταβλητού αντίστοιχα
2. Ορισμός των αντιδράσεων (Reactions) του μοντέλου Model -> Biochemical-> Reactions Προσδιορισμός του μοντέλου (2/7) Aμφίδρομη αντίδραση προσδιορίζεται με το = Μονόδρομη αντίδραση προσδιορίζεται με τη βοήθεια των συμβόλων και > σε σειρά -> ΠΡΟΣΟΧΗ : τα ονόματα των ειδών (αντιδρώντα-προϊόντα) πρέπει να διαχωρίζονται με κενά από τα σύμβολα αντίδρασης (+, =, και ->) # Name Reaction Rate Law Flux (mmol/s) 1 R1 Aex -> Ain Mass action (irreversible) 0 2 R2 Ain -> Bin Henri-Michaelis-Menten (irreversible) 3 R2 Bin -> Bex Mass action (irreversible) 0 0 Οι σταθερές πρέπει να λάβουν τις ακόλουθες τιμές: R1: k1=0.1 (Mass action irreversible) R2: Km=1, V=1 (Henri Michaelis-Menten) R3: k1=0.1 (Mass action irreversible)
Προσδιορισμός του μοντέλου (3/7) 2. Ορισμός των αντιδράσεων (Reactions) του μοντέλου Οι 3 αντιδράσεις Κινητική αντίδρασης Κινητικές παράμετροι
Προσδιορισμός του μοντέλου (4/7) 3. Ορισμός των «ειδών» (Species) του μοντέλου Model -> Biochemical-> Species Αφού οριστούν οι αντιδράσεις, στο μενού Species έχουν καθοριστεί αυτομάτως και οι εμπλεκόμενοι μεταβολίτες. Οι 4 μεταβολίτες του μοντέλου Προσοχή στην επιλογή διαμερίσματος για κάθε μεταβολίτη Αρχική συγκέντρωση του μεταβολίτη Επιλογή reactions: η συγκέντρωση/ποσότητα του είδους προσδιορίζεται από την κινητική έκφραση των αντιδράσεων
Προσδιορισμός του μοντέλου (5/7) 3. Ορισμός των «ειδών» (Species) του μοντέλου Simulation Type (τύπος προσομοίωσης) Simulation Type Reactions (Αντιδράσεις) Fixed (Σταθερά) Assignment (Ανάθεση) Ode (Οrdinary differential equation) (Συνήθης διαφορική εξίσωση) Περιγραφή Η συγκέντρωση/ποσότητα του είδους προσδιορίζεται από τους κινητικούς νόμους των αντιδράσεων Η συγκέντρωση/ποσότητα ενός είδους έχει μία σταθερή τιμή (η οποία αντιστοιχεί στην αρχική τιμή) Η συγκέντρωση/ποσότητα ενός είδους προσδιορίζεται από δοθείσα μαθηματική έκφραση Ο ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης/ποσότητας ενός είδους προσδιορίζεται από μία συνήθη διαφορική εξίσωση
Προσδιορισμός του μοντέλου (6/7) 3. Ορισμός των «ειδών» (Species) του μοντέλου Ορίζονται οι αρχικές συγκεντρώσεις των μεταβολιτών καθώς και το διαμέρισμα στο οποίο εντοπίζονται με βάση τα δεδομένα του παρακάτω πίνακα: Name Compartment Type Initial Concentration (mmol/ml) Aex Environment reactions 10 Ain Cell reactions 0 Bin Cell reactions 0 Bex Environment reactions 0
Προσδιορισμός του μοντέλου (7/7) 4. Tελικός έλεγχος του μοντέλου Model -> Biochemical-> Parameter Overview Από την επιλογή Model -> Biochemical -> Parameter Overview πραγματοποιείται ο τελικός έλεγχος του μοντέλου που δημιουργήθηκε. 5. Αποθήκευση μοντέλου (File -> Save as)
Επιλογή προσομοίωσης (1/4) 1. Επιλογή τρόπου προσομοίωσης Τasks -> Time Course Χρόνος προσομοίωσης (10 s) Διαστήματα δειγματοληψίας (50)
Επιλογή προσομοίωσης (2/4) 2. Δημιουργίας διαγραμμάτων (Plots) των μεταβατικών συγκεντρώσεων και των ροών σε συνάρτηση με το χρόνο Output Specifications -> Plots # Name Number of curves Active 1 Plot 1 2 Plot 2 Plot 1: Time vs Transient Concentrations των [Ain]t, [Aex]t, [Βin]t και [Βex]t 1 2 3 5 4
Επιλογή προσομοίωσης (3/4) Plot 2: Time vs Reaction Fluxes (R1).Flux, (R2).Flux και (R3).Flux 1 2 4 3 5
Επιλογή προσομοίωσης (4/4) Τasks -> Time Course Χρόνος προσομοίωσης (10 s) Διαστήματα δειγματοληψείας (50)
Αποτελέσματα ΕΡΩΤΗΣH Ποια η συγκέντρωση των μεταβολιτών σε χρόνο 10 sec; (δείτε Τime course - >Result) Έχει καταναλωθεί το υπόστρωμα (Aex) στο χρονικό διάστημα που διαρκεί η προσομοίωση; (δείτε Τime course ->Result ή Plot 1) # Time Aex Αin Bin Bex 10 s 3.67879 1.03225 3.42477 1.86419 Αρχική συγκέντρωση Αex: 10 mmol/ml
Αποτελέσματα ΕΡΩΤΗΣH Αυξήστε το χρόνο της προσομοίωσης τόσο ώστε το σύστημα να βρεθεί σε σταθερή κατάσταση και καταγράψτε τις τιμές των συγκεντρώσεων των μεταβολιτών. Χρόνος προσομοίωσης (10 s) # Time (s) Aex Αin Bin Bex 60 s 0.0247874 0.00272369 0.167858 9.80459 Χρόνος προσομοίωσης (60 s) # Time Aex Ain Bin Bex 10 s 3.67879 1.03225 3.42477 1.86419
Αποτελέσματα ΕΡΩΤΗΣH Mελετήστε τις μεταβατικές συγκεντρώσεις των μεταβολιτών Ain, Aex, Bin, και τη ροή (R1).Flux. Παρουσιάζει ομοιότητες η καμπύλη της μεταβολής του (R1).Flux με την καμπύλη κάποιου μεταβολίτη και γιατί; Υπάρχει αντίστοιχη ομοιότητα για τις ροές (R2).Flux και (R3).Flux με κάποιον από τους μεταβολίτες Ain, Aex, Bin και Bex; Aex (R1).Flux Bin (R3).Flux
Αποτελέσματα ΕΡΩΤΗΣH Πώς μπορεί να προσομοιωθεί η συνθήκη στην οποία για κάποιο λόγο το προϊόν σταματά να εξέρχεται από το κύτταρο; Στην περίπτωση αυτή ποιές οι τελικές συγκεντρώσεις του προϊόντος Β στο κύτταρο (Βin) και στο περιβάλλον (Bex); Model -> Biochemical-> Species -> Bex -> ki = 0 Bin: 0.167858 mmol/l Bex: 9.80459 mmol/l Bin: 9.97245mmol/L Bex: 0 mmol/l
Αποτελέσματα ΕΡΩΤΗΣH Επαναφέρατε τις τιμές των μεταβλητών και τις παραμέτρους που ίσχυαν πριν την τελευταία δραστηριότητα. Ενεργοποιείστε την προσομοίωση για χρόνο 60 sec. Ποιες οι μέγιστες συγκεντρώσεις των μεταβολιτών Α και Β που παρατηρήθηκαν κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης στο εσωτερικό του κυττάρου; Συγκρίνετε τις προηγούμενες τιμές με τις αντίστοιχες τιμές που προκύπτουν αν η αντίδραση εξόδου του Β από το κύτταρο είναι διεκολυνόμενη από διαμεμβρανικό ένζυμο που ακολουθεί κινητική Henri Michaelis- Menten με τιμές σταθερών Km=1, V=10. Σχολιάστε. # Time Ain (mmol/l) 4.8 s 1.47741 # Time Bin (mmol/l) 13.2 s 3.69959 # Time Ain (mmol/l) 4.8 s 1.47741 # Time Bin (mmol/l) 4.8 s 0.0633492 όταν η R3 ακολουθεί κινητική 1 ης τάξης όταν η R3 ακολουθεί κινητική Henri Michaelis- Menten