线粒体ATP生成与膜运输系统的数值模拟

《Scientific Reports》：Numerical simulation of mitochondrial systems for ATP generation and membrane transport

　　

摘要

由于不同分子种类之间存在复杂的相互作用，模拟细胞内的生化反应在数学建模领域仍是一项重大挑战。自然数模拟框架通过基于反应方程式的新型算法，为这类反应的模拟提供了一种动态方法。在本研究中，我们构建了一个包含线粒体的计算细胞模型，用于研究关键的代谢过程，包括葡萄糖摄取、糖酵解、三羧酸循环以及通过电子传递链产生的ATP。利用简化的反应方程式，模拟了由膜蛋白（如丙酮酸转运蛋白和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸转运蛋白）以及电子传递链所介导的底物运输过程。模拟结果表明，通过合理选择速率常数，每个ATP合成酶的ATP生成速率可达到大约155分子/秒^?1。敏感性分析显示，线粒体中的磷酸转运蛋白数量以及磷酸进入线粒体的速率对ATP生成有显著影响。该模型还表明，间歇性的葡萄糖供应对ATP生成的影响很小，并且该框架能够体现含氘水对ATP合成过程的影响。这一框架为未来模拟更复杂的代谢途径以及整合实验数据奠定了基础。