心肌细胞新陈代谢系统中的若干动力学问题

心肌细胞的新陈代谢系统是一个复杂的大网络。在特定条件下，代谢失调会引发一些特殊的行为，例如：1）缺少葡萄糖，ATP会发生周期振荡；2）活性氧会引发线粒体电位振荡，也可引发线粒体去极化（depolarization）的空间慢波；3）预处理可引发奇异的两阶段心脏保护（cardioprotection）现象。上述的复杂行为较难用传统的生物医学方法解释。我们试图用系统生物学的思想和非线性动力学的工具，依托我们在这方面的经验，通过数学模型和计算机模拟，从理论上揭示上述复杂行为的根本机制。.另一方面，由于有效的实验数据馈乏，导致无法确定复杂模型中大量的参数值。而对于有很多变量的复杂模型，理论分析也相当困难。因此，合理约化模型成为生物系统建模的一个核心问题。在本项目中，我们也试图用代谢系统的复杂网络为例子，来研究如何在不损失特定动力学行为（实验所关注的）的前提下，将复杂的数学模型尽量简化。

心肌细胞的新陈代谢系统是一个复杂的大网络。在特定条件下，代谢失调会引发一些特殊的动力学行为。这些复杂行为较难用传统的生物医学方法解释。我们利用系统生物学的思想和非线性动力学的工具，通过数学模型和计算机模拟，从理论上揭示这些复杂行为的根本机制，如：1）缺少葡萄糖时，ATP 发生周期振荡的机制是通过两个Hopf分叉实现的；2）活性氧所引发线粒体电位振荡与mitochondrial inner membrane anion channels (IMAC)相关的，而其引发线粒体去极化（depolarization）的空间慢波则与mitochondrial permeability transition pore (MPTP) 相关的，其背后的动力学机制则与Hopf 分叉和双重稳定态有关；3）预处理所引发奇异的两阶段心脏保护（cardioprotection）现象中的生物学“记忆”的机制是正反馈引发的双重稳定态。除此之外，我们还进一步对本课题紧密相关的一些生物调控网络，例如细胞（分裂）周期、生物钟等系统做了研究并取得一定的成果。.另一方面，由于有效的实验数据馈乏，导致无法确定复杂模型中大量的参数值。而对于有很多变量的复杂模型，理论分析也相当困难。因此，合理约化模型成为生物系统建模的一个核心问题。在本项目中，我们也用代谢系统的复杂网络为例子，研究了由复杂的数学模型简化后的低维反馈环的动力学行为。