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Illia Horenko & Wilhelm Huisinga Einführungsvortrag zum Seminar Modellierung dynamischer Prozesse in der Zellbiologie: Deterministischer Zugang Freie Universität Berlin, 08. May 2003
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Illia Horenko & Wilhelm Huisinga Einführungsvortrag zum Seminar Modellierung dynamischer Prozesse in der Zellbiologie: Deterministischer Zugang Freie Universität.

Mar 26, 2015

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Haley Forbes
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Page 1: Illia Horenko & Wilhelm Huisinga Einführungsvortrag zum Seminar Modellierung dynamischer Prozesse in der Zellbiologie: Deterministischer Zugang Freie Universität.

Illia Horenko &Wilhelm Huisinga

Einführungsvortrag zum Seminar

Modellierung dynamischer Prozesse in der Zellbiologie: Deterministischer

Zugang

Freie Universität Berlin, 08. May 2003

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logi

eContents

• Homogeneous deterministic model– Derivation of reaction equation– Matlab-application (Michelis-Menten)

• Heterogeneous deterministic model– Derivation of reaction-diffusion equation– Numerical realisation (Michaelis-Menten)

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logi

eMass Action Law

Bimolecular reaction:

ESSEk

k

1

2

Model assumptions: M, V constant; distribution of particles is homogeneous

0

0

)()(

)()(

SESS

EESE

NtNtN

NtNtN

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eMass Action Law

Change of particles number due to the reactions:

ttNkttNtNkttN ESSEES )()()()( 21

)())())((()( 200

1 tNktNNtNNktNdt

dESESSESEES

0t :

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eODE’s: Solution

Linear autonomous ODE:

00 )( yty

Ayydt

d

Analytical solution:

00 ))(exp()( yttAty

Numerical methods

Implicit(ode15s)

Rational representation:

))((

))(())(exp(

0

00 ttAR

ttAQttA

n

nn ttAn

ttA )(!1

))(exp( 00

Polynomial representation: Explicit(ode23, ode45)

where

n

n AAAA ...

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eODE’s: Matlab Numerics

Bimolecular kinetics:

ESSEk

k

1

2

Timesteps are adapted to absolute error tolerance AbsTol → odeset(…)

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eODE’s: Stiffness

Michaelis-Menten enzyme kinetics:

PEESSEk

k

1

2

Models with very differrent timescales are “stiff“ → implicit integrators such as ode15s are recommended

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e Efficient Modelling of heterogeneity

compartment models (partially heterogeneous): (1) well-stirred within compartment (ODE,MP) & (2) interaction between compartment (consistent coupling)

photo: http://genome-www.stanford.edu/Saccharomyces/yeast_images.shtml

Note: the more complex the model, the more parameters it needs!

reaction-diffusion models (fully heterogeneous) (a) concentration in time and space (deterministic PDE) or (b) 3d-molecular positions (random walk and reaction probabilities)

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eHeterogeneous deterministic Model

Bimolecular reaction:

ESSEk

k

1

2

Model assumptions: M, V constant; distribution of particles is inhomogeneous (dependent on coordinate R)

Change of concentration i due to the reactions and diffusion:

diffusion

idiff

reactions

lil

li ttRcttRctRckttRc ),(),(),(),(

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e

),(),(),()(),( tRctRcktRcRDdivtRct i

llliiRii

Species i is described through concentration and diffusionconstant

Modelling heterogeneity (PDE)

),( tRci)(RDi

Modell reduction: use spherical symmetry

),(),(),(2

),(),( 2

2

trctrcktrcrr

Dtrc

rDtrc

t il

lliii

iii

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ePDE: Numerics

When is large w. r. to reaction constatnts => homogenous modelling is sufficient!

11

11 ),(),(),(

jj

jijijiR RR

tRctRctRc

1.Spatial discretisation 2.Time discretisation

System of ODEs for concentrationsat grid points

Finite differences:

Method of lines

)(RDi

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ePDE: Michaelis-Menten

S, ES and P are fixed on the membrane (D=0)E diffuse freely from nucleus to membrane