Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2011. / ENGLISH ABSTRACT: Progress in computational systems biology depends crucially on the availability
of generic rate equations that accurately describe the behaviour
and regulation of catalysed processes over a wide range of conditions.
Such equations for ordinary enzyme-catalysed reactions have been developed
in our group and have proved extremely useful in modelling
metabolic networks. However, these networks link to growth and reproduction
processes through template-directed synthesis of macromolecules
such as polynucleotides and polypeptides. Lack of an equation that
captures such a relationship led us to derive a generic rate equation that
describes catalysed, template-directed polymerisation reactions with varying
monomer stoichiometry and varying chain length. A model describing
the mechanism of a generic template-directed polymerisation process
in terms of elementary reactions with mass action kinetics was developed.
Maxima, a computational algebraic solver, was used to determine
analytical expressions for the steady-state concentrations of the species
in the equation system from which a steady-state rate equation could be
derived. Using PySCeS, a numerical simulation platform developed in
our group, we calculated the time-dependent evolution and the steadystates
of the species in the catalytic mechanisms used in the derivation
of the rate equations. The rate equation was robust in terms of being
accurately derived, and in comparison with the rates determined with
PySCeS. Addition of more elongation steps to the mechanism allowed the
generalisation of the rate equation to an arbitrary number of elongations
steps and an arbitrary number of monomer types. To test the regulatory
design of the system we incorporated the generic rate equation in a computational
model describing a metabolic system consisting of multiple
monomer supplies linked by a template-directed demand reaction. Rate
characteristics were chosen to demonstrate the utility of the simplified
generic rate equation. The rate characteristics provided a visual representation
of the control and regulation profile of the system and showed
how this profile changes under varying conditions. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die beskikbaarheid van generiese snelheidsvergelykings wat die gedrag
en regulering van gekataliseerde prosesse akkuraat oor ’n wye reeks omstandighede
beskryf is van kardinale belang vir vooruitgang in rekenaarmatige
sisteembiologie. Sulke vergelykings is in ons groep ontwikkel
vir gewone ensiem-gekataliseerde reaksies en blyk uiters nuttig te wees
vir die modellering van metaboliese netwerke. Hierdie netwerke skakel
egter deur templaat-gerigte sintese van makromolekule soos polinukleotiede
en polipeptiede aan groei- en voorplantingsprosesse. Die gebrek
aan vergelykings wat sulke verwantskappe beskryf het ons genoop om
’n generiese snelheidsvergelyking af te lei wat gekataliseerde, templaatgerigte
polimerisasie-reaksies met wisselende monomeerstoigiometrie en
kettinglengte beskryf. ’n Model wat die meganisme van ’n generiese
templaat-gerigte polimerisasie-proses in terme van elementêre reaksies
met massa-aksiekinetika beskryf is ontwikkel. Maxima, ’n rekenaarmatige
algebraïese oplosser, is gebruik om analitiese uitdrukkings vir die bestendige-
toestand konsentrasies van die spesies in die vergelyking-stelsel te
vind. Hierdie uitdrukkings is gebruik om ’n bestendige-toestand snelheidsvergelyking
af te lei. Ons het die tyd-afhanklike progressie en die
bestendige toestande bereken van die spesies in die katalitiese meganismes
wat gebruik is in die afleiding van die snelheidsvergelykings. Die
rekenaarprogram PySCeS is ’n numeriese simulasieplatform wat in ons
groep ontwikkel is. Die snelheidsvergelyking blyk akkuraat afgelei te
wees en is in ooreenstemming met snelhede deur PySCeS bereken. Die toevoeging
van verdere verlengingstappe tot die meganisme het dit moontlik
gemaak om die snelheidsvergelyking te veralgemeen tot ’n arbitrêre
hoeveelheid verlengingstappe en monomeertipes. Om die regulatoriese
ontwerp van die sisteem te toets het ons die generiese snelheidsvergelyking
in ’n rekenaarmatige model geïnkorporeer wat ’n metaboliese sisteem
bestaande uit verskeie monomeer-aanbodblokke en ’n templaatgerigte
aanvraagblok beskryf. Snelheidskenmerkanalise is gekies om die
nut van die vereenvoudigde generiese snelheidsvergelyking te demonstreer. Met hierdie snelheidskenmerke kon ons die kontrole- en reguleringsprofiel
van die stelsel visualiseer en wys hoe hierdie profiel verander
onder wisselende omstandighede.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:netd.ac.za/oai:union.ndltd.org:sun/oai:scholar.sun.ac.za:10019.1/17825 |
| Date | 12 1900 |
| Creators | Gqwaka, Olona P. C. |
| Contributors | Hofmeyr, J-H. S., Rohwer, J. M., Stellenbosch University. Faculty of Science. Dept. of Biochemistry. |
| Publisher | Stellenbosch : Stellenbosch University |
| Source Sets | South African National ETD Portal |
| Language | en_ZA |
| Detected Language | Unknown |
| Type | Thesis |
| Rights | Stellenbosch University |
Page generated in 0.0023 seconds