Teoría de sistemas bioquímicos

Modelado matemático de sistemas bioquímicos

La teoría de sistemas bioquímicos es un marco de modelado matemático para sistemas bioquímicos , basado en ecuaciones diferenciales ordinarias (EDO), en el que los procesos bioquímicos se representan utilizando expansiones de ley de potencia en las variables del sistema .

Este marco, que se conoció como teoría de sistemas bioquímicos, ha sido desarrollado desde la década de 1960 por Michael Savageau , Eberhard Voit y otros para el análisis de sistemas de procesos bioquímicos . ^[1] Según Cornish-Bowden (2007), "consideraron esto como una teoría general del control metabólico , que incluye tanto el análisis del control metabólico como la teoría orientada al flujo como casos especiales". ^[2]

Representación

La dinámica de una especie está representada por una ecuación diferencial con la estructura:

${\displaystyle {\frac {dX_{i}}{dt}}=\sum _{j}\mu _{ij}\cdot \gamma _{j}\prod _{k}X_{k}^{f_{jk}}\,}$

donde Xi _representa una de las n _d variables del modelo (concentraciones de metabolitos, concentraciones de proteínas o niveles de expresión génica). j representa los n _f procesos bioquímicos que afectan la dinámica de la especie. Por otro lado, _ij (coeficiente estequiométrico), _j (constantes de velocidad) y f _jk (órdenes cinéticos) son dos tipos diferentes de parámetros que definen la dinámica del sistema. ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle \gamma }$

La principal diferencia de los modelos de ley de potencia con respecto a otros modelos de EDO utilizados en sistemas bioquímicos es que los órdenes cinéticos pueden ser números no enteros. Un orden cinético puede tener incluso un valor negativo cuando se modela la inhibición. De esta manera, los modelos de ley de potencia tienen una mayor flexibilidad para reproducir la no linealidad de los sistemas bioquímicos.

Durante los últimos 35 años se han utilizado modelos que utilizan expansiones de leyes de potencia para modelar y analizar varios tipos de sistemas bioquímicos, incluidas redes metabólicas, redes genéticas y, recientemente, señalización celular.

Véase también

• Sistemas dinámicos
• Ludwig von Bertalanffy
• Teoría de sistemas

Referencias

1. Teoría de sistemas bioquímicos, una introducción.
2. Athel Cornish-Bowden , Preguntas frecuentes sobre análisis de control metabólico, sitio web 18 de abril de 2007.

Literatura

Libros:

• MA Savageau, Análisis de sistemas bioquímicos: un estudio de función y diseño en biología molecular , Reading, MA, Addison–Wesley, 1976.
• EO Voit (ed), Modelado no lineal canónico. Enfoque de sistemas S para comprender la complejidad , Van Nostrand Reinhold, NY, 1991.
• EO Voit, Análisis computacional de sistemas bioquímicos. Una guía práctica para bioquímicos y biólogos moleculares , Cambridge University Press, Cambridge, Reino Unido, 2000.
• NV Torres y EO Voit, Análisis de vías y optimización en ingeniería metabólica , Cambridge University Press, Cambridge, Reino Unido, 2002.

Artículos científicos:

• MA Savageau, Análisis de sistemas bioquímicos: I. Algunas propiedades matemáticas de la ley de velocidad para las reacciones enzimáticas componentes en: J. Theor. Biol. 25, págs. 365–369, 1969.
• MA Savageau, Desarrollo de la teoría cinética fractal para reacciones catalizadas por enzimas e implicaciones para el diseño de vías bioquímicas en: Biosystems 47(1-2), págs. 9–36, 1998.
• MR Atkinson et al., Diseño de circuitos genéticos utilizando modelos de ley de potencia , en: Cell 113, págs. 597–607, 2003.
• F. Alvarez-Vasquez et al., Simulación y validación del metabolismo de esfingolípidos modelado en Saccharomyces cerevisiae , Nature 27, págs. 433(7024), págs. 425–30, 2005.
• J. Vera et al., Modelos de ley de potencia de las vías de transducción de señales en: Cellular Signalling (doi : 10.1016/j.cellsig.2007.01.029), 2007.
• Eberhart O. Voit, Aplicaciones de la teoría de sistemas bioquímicos, 2006.

Enlaces externos

• [1] Laboratorio Savageau en la Universidad de California en Davis
• [2] Laboratorio Voit en GA Tech