Построение модульной модели метаболических процессов в скелетных мышцах при умеренных физических нагрузках с использованием программного комплекса BIOUML

Колпаков Ф.А.; Киселев И.Н.; Баранов В.И.

Инд. авторы:	Колпаков Ф.А., Киселев И.Н., Баранов В.И.
Заглавие:	Построение модульной модели метаболических процессов в скелетных мышцах при умеренных физических нагрузках с использованием программного комплекса BIOUML
Библ. ссылка:	Колпаков Ф.А., Киселев И.Н., Баранов В.И. Построение модульной модели метаболических процессов в скелетных мышцах при умеренных физических нагрузках с использованием программного комплекса BIOUML // Материалы Всероссийской научно-практической конференции по вопросам спортивной науки в детско-юношеском спорте и спорте высших достижений: Сборник материалов конференции. - 2016. - Москва: Государственное казенное учреждение города Москвы "Центр спортивных инновационных технологий и подготовки сборных команд" Департамента физической культуры и спорта города Москвы. - С.178-184. - ISBN: 978-5-9905252-5-2.
Внешние системы:	РИНЦ: 29725713;
Реферат:	rus: На примере ранее разработанной Ли и соавторами (Li et al., 2009) наиболее полной модели процессов метаболизма, протекающих в скелетных мышцах, показана возможность декомпозиции такой модели на отдельные модули. Программный комплекс BioUML обеспечивает графическое представление таких модулей и последующую генерацию Java кода для численного моделирования динамики изучаемой системы. Полученная модульная модель будет последовательно совершенствоваться путем добавления новых модулей (сердечно-сосудистая система, дыхательная система, пути регуляции генной экспрессии под действием физических нагрузок). eng: On the example of the model developed by Li et al. (Li et al., 2009) which describes metabolism processes in skeletal muscles, we show ability to decompose such models into separate submodels (modules). Software platform BioUML (www.biouml.org) provides graphical representation and automatic generation of Java code for numerical modeling of the systems dynamics. Created modular model can be consequentially updated by adding new modules (cardiovascular system, respiratory system and regulation of gene expression during physical load). Modular model consists of 5 main modules: arteries, veins, blood flow through capillary, transport of metabolites from muscle fiber and muscle fiber. Muscle fiber in is a modular model itself. It consists of cytosol, mitochondria and block representing transport of metabolites between them. Such decomposition leads the way to further addition of new parts and/or replacing of existing blocks with more complicated and improved versions. For example modular version of this model from the same authors (Li et al., 2012) can be obtained by duplicating muscle fiber block and initializing of two fibers with different parameters (representing red and white muscle fibers). Similarly we can construct models with other types of muscles in arms, legs, back, etc. Other ways to improve the model is adding new blocks describing: - heart, lungs, liver, etc.; - different types of training; - molecular mechanism of gene expression regulation during physical load. Conclusion 1. We have shown decomposition into modules and creation of a modular model with BioUML platform on the example of the muscle metabolism model. 2. Created modular model is initial point for further improvement by adding new blocks and improving of existing blocks. Availability: http://wiki.biouml.org/index.php/Muscle_metabolism.
Ключевые слова:	математическая модель; модульное моделирование; скелетные мышцы; метаболизм; физиология; mathematical model; modular modeling; skeletal muscles; metabolism; physiology; BioUML;
Издано:	2016
Физ. характеристика:	с.178-184
Цитирование:	1. Snoep J.L., Bruggeman F., Olivier B.G. Westerhoff H.V. Towards building the silicon cell: a modular approach // Biosystems. 2006. V. 83 PP. 207-216. 2. Hucka M., Bergmann F.T., Hoops S., Keating S.M., Sahle S., Schaff J.C., et al. The Systems Biology Markup Language (SBML): Language Speciﬁcation for Level 3 Version 1 Core. 2010. URL: http://sbml.org/specifications/sbml-level-3/version-1/core/sbml-level-3-version-1-core.pdf (дата обращения 21.09.2016). 3. Hunter P.J., Robbins P., Noble D. The IUPS human physiology project // Pflugers Archiv European Journal of Physiology. 2004. V. 445. № 1. PP. 551-569. 4. Киселев И. Н, Семисалов Б. В., Бибердорф Э. А., Шарипов Р. Н., Блохин А. М., Колпаков Ф.А. Модульное моделирование сердечно-сосудистой системы человек. // Математическая биология и биоинформатика. 2012. Т. 7. № 2. С. 703-736. 5. Kutumova E. O., Kiselev I. N., Sharipov R. N., Lavrik I. N., Kolpakov F. A. A modular model of the apoptosis machinery // Advances in Experimental Medicine and Biology. 2012. V. 736. PP. 235-245. 6. Li Y., Dash R.K., Kim J., Saidel G.M. Cabrera M.E. Role of NADH/NAD+ transport activity and glycogen store on skeletal muscle metabolism during exercise: in silico studies // Am J Physiol Cell Physiol. 2009. V. 296. PP. C25-C46. 7. Li Y., Lai N., Kirwan J.P., Saidel G.M. Computational Model of Cellular Metabolic Dynamics in Skeletal Muscle Fibers during Moderate Intensity Exercise // Cell Mol Bioeng. 2012. V. 5 № 1. PP. 92-112. 8. Snoep J.L., Bruggeman F., Olivier B.G. Westerhoff H.V. Towards building the silicon cell: a modular approach // Biosystems. 2006. V. 83 PP. 207-216. 9. Hucka M., Bergmann F.T., Hoops S., Keating S.M., Sahle S., Schaff J.C., et al. The Systems Biology Markup Language (SBML): Language Speciﬁcation for Level 3 Version 1 Core. 2010. URL: http://sbml.org/specifications/sbml-level-3/version-1/core/sbml-level-3-version-1-core.pdf (дата обращения 21.09.2016). 10. Hunter P.J., Robbins P., Noble D. The IUPS human physiology project // Pflugers Archiv European Journal of Physiology. 2004. V. 445. № 1. PP. 551-569. 11. Kiselev I.N., Semisalov B.V., Biberdorf E.A., Sharipov R.N., Blokhin A.M., Kolpakov F.A. Modular Modeling of the Human Cardiovascular System. // Mathematical Biology & Bioinformatics. 2012. Т. 7. № 2. PP. 703-736. 12. Kutumova E. O., Kiselev I. N., Sharipov R. N., Lavrik I. N., Kolpakov F. A. A modular model of the apoptosis machinery // Advances in Experimental Medicine and Biology. 2012. V. 736. PP. 235-245. 13. Li Y., Dash R.K., Kim J., Saidel G.M. Cabrera M.E. Role of NADH/NAD+ transport activity and glycogen store on skeletal muscle metabolism during exercise: in silico studies // Am J Physiol Cell Physiol. 2009. V. 296. PP. C25-C46. 14. Li Y., Lai N., Kirwan J.P., Saidel G.M. Computational Model of Cellular Metabolic Dynamics in Skeletal Muscle Fibers during Moderate Intensity Exercise // Cell Mol Bioeng. 2012. V. 5 № 1. PP. 92-112.