kinetik_model_testing/templates/model_analitic.tex
2026-06-27 17:36:46 +03:00

209 lines
9.8 KiB
TeX
Raw Permalink Blame History

This file contains ambiguous Unicode characters

This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.

\documentclass[12pt,a4paper]{article}
\usepackage[T2A]{fontenc}
\usepackage[utf8]{inputenc}
\usepackage[russian]{babel}
\usepackage{amsmath, amssymb, amsfonts}
\usepackage{graphicx}
\usepackage{geometry}
\geometry{top=2cm, bottom=2cm, left=2.5cm, right=2cm}
\usepackage{enumitem}
\usepackage{hyperref}
\title{Кинетическая модель \textbf{<Название модели>} \\ NMDA-канала}
\author{Теоретический вывод}
\date{}
\begin{document}
\maketitle
\section{Схема модели}
\begin{center}
% Здесь будет графическая или текстовая схема переходов
% Пример:
% \[
% C \xrightleftharpoons[l_2]{l_1[A]} C_A \xrightleftharpoons[\alpha]{\beta} O^* \xrightleftharpoons[k_2]{k_1[B]} O_B
% \]
\end{center}
\textbf{Обозначения:}
\begin{itemize}[label=--]
\item $C$ закрытый канал, не связанный с агонистом
\item $C_A$ закрытый канал, связанный с агонистом
\item $O^*$ открытый (проводящий) канал, связанный с агонистом
\item $O_B$ открытый заблокированный канал
\item $[A]$ концентрация агониста (постоянная)
\item $[B]$ концентрация блокатора (переменная)
\item $l_1, l_2$ константы связывания/диссоциации агониста
\item $\beta, \alpha$ константы открытия/закрытия канала
\item $k_1, k_2$ константы связывания/диссоциации блокатора
\end{itemize}
\section{Дифференциальные уравнения}
Система обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающая изменение вероятностей нахождения канала в каждом состоянии, имеет вид:
\[
\begin{cases}
\dfrac{d[C]}{dt} = -l_1[A][C] + l_2[C_A] \\[10pt]
\dfrac{d[C_A]}{dt} = l_1[A][C] - (l_2 + \beta)[C_A] + \alpha[O^*] \\[10pt]
\dfrac{d[O^*]}{dt} = \beta[C_A] - (\alpha + k_1[B])[O^*] + k_2[O_B] \\[10pt]
\dfrac{d[O_B]}{dt} = k_1[B][O^*] - k_2[O_B]
\end{cases}
\]
Условие нормировки:
\[
[C] + [C_A] + [O^*] + [O_B] = 1.
\]
\section{Решение системы дифференциальных уравнений}
\subsection{Матричная форма}
Система может быть записана как:
\[
\frac{d\mathbf{X}}{dt} = \mathbf{A} \mathbf{X},
\]
где $\mathbf{X} = ([C], [C_A], [O^*], [O_B])^T$, а $\mathbf{A}$ матрица коэффициентов.
Для данной модели матрица $\mathbf{A}$ имеет вид:
\[
\mathbf{A} = \begin{pmatrix}
-l_1[A] & l_2 & 0 & 0 \\
l_1[A] & -(l_2+\beta) & \alpha & 0 \\
0 & \beta & -(\alpha+k_1[B]) & k_2 \\
0 & 0 & k_1[B] & -k_2
\end{pmatrix}.
\]
\subsection{Нахождение собственных значений}
Решение ищется в виде $\mathbf{X}(t) = \sum_{i=1}^{4} C_i \mathbf{v}_i e^{\lambda_i t}$, где $\lambda_i$ собственные значения $\mathbf{A}$ (корни характеристического полинома $|\mathbf{A} - \lambda\mathbf{I}| = 0$).
Одно из собственных значений всегда равно нулю ($\lambda_1 = 0$), остальные $\lambda_2, \lambda_3, \lambda_4$ отрицательные действительные числа (или комплексно-сопряжённые с отрицательной действительной частью).
Для быстрых блокаторов ($k_2$ велика) и при насыщающей концентрации агониста система упрощается: переходы $C \to C_A \to O^*$ считаются быстрыми, и модель редуцируется до двух экспонент.
\subsection{Двухэкспоненциальная аппроксимация}
В условиях непрерывного присутствия агониста (высокая $[A]$) и когда блокировка медленнее активации, кинетика тока $I(t)$ при добавлении или удалении блокатора описывается суммой двух экспонент:
\[
I(t) = I_S + (I_B - I_S) \left[ A_{fast} e^{-t/\tau_{fast}} + (1 - A_{fast}) e^{-t/\tau_{slow}} \right],
\]
где:
\begin{itemize}
\item $I_S$ стационарный ток до применения блокатора,
\item $I_B$ стационарный ток в присутствии блокатора,
\item $A_{fast}$ амплитуда быстрой компоненты,
\item $\tau_{fast}, \tau_{slow}$ быстрая и медленная постоянные времени.
\end{itemize}
\subsection{Связь $\tau_{fast}, \tau_{slow}$ с кинетическими константами}
Для модели <название модели> получены следующие соотношения (приводятся в соответствующем разделе литературы):
\[
\frac{1}{\tau_{fast}} = \lambda_2 = \frac{1}{2}\left( P + Q - \sqrt{(P-Q)^2 + 4R} \right),
\]
\[
\frac{1}{\tau_{slow}} = \lambda_3 = \frac{1}{2}\left( P + Q + \sqrt{(P-Q)^2 + 4R} \right),
\]
где $P, Q, R$ функции констант $k_1, k_2, k_3, k_4$ и концентраций $[A], [B]$.
В частном случае (для модели последовательного связывания двух молекул) получаем:
\[
\frac{1}{\tau_{fast}^{off}} = k_2, \quad \frac{1}{\tau_{slow}^{off}} = k_4,
\]
\[
\frac{1}{\tau_{fast}^{on}} = k_1[B] + k_2, \quad \frac{1}{\tau_{slow}^{on}} = k_3[B] + k_4.
\]
\section{Вычисление констант из экспериментальных данных}
\subsection{Необходимые экспериментальные данные}
Для определения неизвестных кинетических параметров модели требуются следующие измерения (при фиксированной концентрации агониста $[A] = const$, обычно насыщающей):
\begin{enumerate}
\item Зависимость $\tau_{fast}^{on}$ и $\tau_{slow}^{on}$ от концентрации блокатора $[B]$.
\item Зависимость $\tau_{fast}^{off}$ и $\tau_{slow}^{off}$ от $[B]$ (обычно постоянны).
\item Амплитуда быстрой компоненты $A_{fast}^{off}$ как функция $[B]$.
\item Стационарная блокада $I_B/I_S$ как функция $[B]$.
\end{enumerate}
\subsection{Алгоритм расчёта констант}
\subsubsection{Шаг 1. Определение $k_2$ и $k_4$}
Если модель предсказывает независимость $\tau_{fast}^{off}$ и $\tau_{slow}^{off}$ от $[B]$, то:
\[
k_2 = \frac{1}{\tau_{fast}^{off}}, \quad k_4 = \frac{1}{\tau_{slow}^{off}}.
\]
\subsubsection{Шаг 2. Определение $k_1$ и $k_3$}
Из зависимостей $\tau_{fast}^{on}([B])$ и $\tau_{slow}^{on}([B])$:
\[
\frac{1}{\tau_{fast}^{on}} = k_1 [B] + k_2 \quad \Rightarrow \quad k_1 = \frac{d(1/\tau_{fast}^{on})}{d[B]},
\]
\[
\frac{1}{\tau_{slow}^{on}} = k_3 [B] + k_4 \quad \Rightarrow \quad k_3 = \frac{d(1/\tau_{slow}^{on})}{d[B]}.
\]
\subsubsection{Шаг 3. Проверка через $A_{fast}^{off}$}
Выражение для $A_{fast}^{off}$ через константы модели (выводится из собственных векторов):
\[
A_{fast}^{off} = \frac{1 - \frac{k_3}{k_2}[B]}{1 + \frac{k_3}{k_4}[B]}.
\]
Подстановка найденных $k_2, k_3, k_4$ должна воспроизвести экспериментальную зависимость $A_{fast}^{off}([B])$.
\subsubsection{Шаг 4. Проверка через стационарную блокаду}
Стационарная блокада при равновесии:
\[
\frac{I_B}{I_S} = \frac{[O^*]_{[B]\neq0}}{[O^*]_{[B]=0}} = \frac{1}{1 + \frac{k_1}{k_2}[B] + \frac{k_1 k_3}{k_2 k_4}[B]^2}.
\]
Сравнение рассчитанной кривой с экспериментальной служит финальной верификацией модели.
\subsection{Численный пример (гипотетический)}
Для иллюстрации: при $[B] = 10\ \mu\text{M}$ экспериментальные значения:
\[
\tau_{fast}^{off} = 1\ \text{с} \Rightarrow k_2 = 1\ \text{с}^{-1},
\]
\[
\tau_{slow}^{off} = 10\ \text{с} \Rightarrow k_4 = 0.1\ \text{с}^{-1},
\]
\[
1/\tau_{fast}^{on} = 1.1\ \text{с}^{-1} \text{ при } [B]=10\ \mu\text{M} \Rightarrow k_1 = 0.01\ \mu\text{M}^{-1}\text{с}^{-1}.
\]
Затем по формулам вычисляется $A_{fast}^{off}$ и $I_B/I_S$, сравнивается с экспериментом.
\section{Заключение}
В данном файле представлена общая методология вывода кинетической модели NMDA-канала. Для конкретной модели \textbf{<Название модели>} в соответствующих разделах следует подставить:
\begin{itemize}
\item конкретную схему переходов,
\item матрицу $\mathbf{A}$ соответствующей размерности,
\item аналитические выражения для $\tau_{fast}, \tau_{slow}, A_{fast}$,
\item экспериментальные значения из статей (таблицы, графики).
\end{itemize}
\end{document}