Υπολογιστική μελέτη των μηχανισμών κατανομής των νουκλεοτιδίων σε σαρκομέριο

Abstract

Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η υπολογιστική μελέτη του μηχανισμού κατανομής των νουκλεοτιδίων αδενοσύνης (με παρουσία και απουσία φωσφοκρεατίνης) στο σαρκομέριο, το οποίο είναι η βασική δομική μονάδα των μυών. Τα νουκλεοτίδια αδενοσύνης, κυρίως το ΑΤΡ, είναι σημαντικά διότι είναι τα μόρια τα οποία, μέσω των μεταβολικών τους οδών, καθιστούν δυνατή την κίνηση των σαρκομερίων. Η κίνηση αυτή οφείλεται στην αλληλεπίδραση των ινιδίων μυοσίνης και κητίνης, τα οποία είναι σύμπλοκα μακρομορίων με πρωτεΐνες, που βρίσκονται στο εσωτερικό των σαρκομερίων. Το ΑΤΡ προσδένεται στις πρωτεΐνες αυτών των ινιδίων και υδρολύεται προσφέροντας την απαραίτητη χημική ενέργεια ώστε να τεθούν σε κίνηση οι μύες. Κατά τόπους μπορεί να δημιουργηθεί έλλειψη ΑΤΡ, γι’ αυτό το λόγο η χωρική κατανομή της συγκέντρωσης του ΑΤΡ στο εσωτερικό των σαρκομερίων είναι σημαντική. Το υπολογιστικό μοντέλο που κατασκευάστηκε, θεωρεί μηχανισμό διάχυσης - αντίδρασης των νουκλεοτιδίων εντός του σαρκομερίου. Αρχικά γίνεται μοντελοποίηση σε γεωμετρία μίας διάστασης (1-D), για τον υπολογισμό της κατανομής των νουκλεοτιδίων. Ο συντελεστής διάχυσης καθορίζεται από το μοντέλο συγκρίνοντας τα πειραματικά δεδομένα με τα υπολογιστικά αποτελέσματα της μέσης κατανομής ενεργότητας της ΑΤΡασης, πρωτεΐνης που καταλύει την υδρόλυση του ΑΤΡ. Ωστόσο, προκύπτει φαινόμενος συντελεστής διάχυσης τρείς τάξεις μεγέθους μικρότερος από τον πειραματικά μετρούμενο με NMR. Αυτό πιστεύεται ότι οφείλεται στην αντίσταση διάχυσης που προκαλείται από εσωτερικά εμπόδια π.χ ινίδια. Για να βελτιωθεί ο συντελεστής διάχυσης, κατασκευάστηκε μοντέλο σε γεωμετρία δύο διαστάσεων (2-D) που εισήχθησαν εσωτερικά ινίδια (μυοσίνης και κητίνης). Έτσι, κατασκευάστηκε μία πιο ρεαλιστική αναπαράσταση του εσωτερικού χώρου των σαρκομερίων. Τα αποτελέσματα δείχνουν πως αυτό το μοντέλο είναι προς τη σωστή κατεύθυνση καθώς βελτιώνεται η προβλεπόμενη τιμή του φαινόμενου συντελεστή διάχυσης.

The purpose of this work is the computational study of the mechanism of distribution of adenosine nucleotides (in the presence and absence of phosphocreatine) in sarkomerio, which is the basic building block of muscle. The adenosine nucleotides, particularly ATP, are important because they are molecules which, through their metabolic pathways, allowing the movement of sarkomerion. The move is due to the interaction of myosin and kitinis fibrils, which are complex macromolecules with proteins inside the sarkomerion. ATP binds to proteins of these fibrils and hydrolyzed by providing the necessary chemical energy to set in motion the muscles. Patches can be created shortage of ATP, for this reason the spatial distribution of the concentration of ATP within sarkomerion is important. The computer model was constructed, consider a mechanism of diffusion - reaction of nucleotides within sarkomeriou. Originally made modeling a geometry dimension (1-D), to calculate the distribution of nucleotides. The diffusion coefficient determined by the model by comparing experimental data with computational results of the average distribution of ATPase activity, protein that catalyzes the hydrolysis of ATP. Yet it is apparent diffusion coefficient three orders of magnitude smaller than the experimentally measured by NMR. This is thought to be due to diffusion resistance caused by internal barriers eg fibrils. To improve the diffusion coefficient, was constructed to model geometry of two dimensional (2-D) introduced internal filaments (myosin and kitinis). Thus, constructed a more realistic representation of the interior of sarkomerion. The results show that this model is in the right direction and improves the predicted value of the apparent diffusion coefficient.