Кінетичне моделювання біохімічних реакцій із застосуванням аналітичного інструментарію MATHСAD

Abstract

Актуальність. Дослідження кінетики біохімічних реакцій допомагає краще розуміти, як відбуваються біологічні процеси в живих організмах, а розуміння особливостей перебігу таких реакцій є важливим для розробки нових технологій, зокрема, для виробництва біологічно активних речовин та для синтезу лікарських засобів. Потужним інструментом розв’язання задач кінетики біохімічних реакцій є математичне моделювання, яке може бути проведено за допомогою систем комп’ютерної математики, зокрема, аналітичного інструментарію MATHCAD. Ціль: обґрунтування доцільності та ефективності застосування аналітичного інструментарію MATHCAD для розв’язання задач кінетичного моделювання біохімічних реакцій у фармацевтичних дослідженнях, та проведення огляду можливостей MATHCAD для комп’ютерного моделювання у фармації. Матеріали та методи. В контексті вивчення швидкості ферментативних реакцій та розробки моделей, таких як модель Міхаеліса-Ментена, для опису реакцій, де ферменти каталізують перетворення субстратів, розглянуто застосування системи комп’ютерної математики, яка є програмним пакетом та середовищем для виконання математичних обчислювальних завдань, моделювання та візуалізації. Продемонстровано можливості застосування системи MATHCAD для створення математичних моделей біохімічних реакцій на основі рівнянь кінетики, що передбачає створення диференційних рівнянь, які описують зміни концентрацій реагентів з часом, і їх розв’язання за допомогою чисельних методів в MATHCAD та візуалізацію отриманих результатів із використанням 3D-графіки. Визначено етапність застосування аналітичного інструментарію MATHCAD при кінетичному моделюванні біохімічних реакцій. Результати. Застосування MATHCAD у кінетичному моделюванні біохімічних реакцій є ефективним для дослідження: (1) кінетики ферментативних реакцій, наприклад, реакцій, де фермент каталізує перетворення субстрату в продукт; (2) біохімічних реакцій, які відбуваються в реакційних об’ємах, де реагенти змішуються та взаємодіють; (3) моделювання реакцій у реакційних об’ємах на основі розв’язання диференціальних рівнянь реакційної кінетики; (4) впливу інгібіторів або активаторів на ферментативні реакції; (5) сценаріїв взаємодії реагентів для встановлення змін у кінетиці реакцій, що виникають при введенні різних активних речовин; (6) кінетики біохімічних реакцій, у випадках коли реакції супроводжуються дифузією реагентів через мембрани або інші напівпроникні бар’єри; (7) моделювання впливу процесів дифузії на кінетику біохімічних реакцій; (8) моделей, що описують кінетику розпаду речовин, наприклад, розпад біологічно активних сполук в організмі або середовищі; (9) прогнозування впливу змін в умовах реакційного середовища (температура, pH, концентрація реагентів) на кінетику біохімічних реакцій. Обґрунтовано, що модельні описи кінетики біохімічних реакцій є важливими для формування розуміння функцій біологічних систем, включаючи метаболізм, ферментативні реакції та інші фізіологічні явища. Застосовано інструменти візуалізації результатів моделювання у форматі тривимірних графіків MATHCAD, що покращує розуміння механізму реакції та дозволяє ґрунтовніше аналізувати її кінетику. Висновки. MATHCAD забезпечує оптимізоване середовище для кінетичного моделювання біохімічних реакцій завдяки своєму ергономічному інтерфейсу, можливості працювати із символьними виразами, широкому спектру вбудованих функцій та інструментів для дослідження математичних моделей та візуалізації результатів. Отримані результати можуть бути важливими як для подальших наукових фармацевтичних досліджень, так і для впровадження у навчанні майбутніх магістрів фармації з дисципліни «Комп’ютерне моделювання у фармації» у закладах вищої медичної освіти.