Modelamiento y simulación del transporte iónico transmembrana en células por métodos estocásticos

Abstract

En el presente trabajo se modeló y simuló el transporte iónico a través de la membrana, se asume una célula aislada a la cual se le hace un corte transversal con una altura de 5A. Para desarrollar este trabajo se llevaron a cabo dos etapas, para la realización del modelo empleando métodos estocásticos para describir el transporte iónico a través de la membrana y la implementación del modelo. En la primera parte se consideraron las condiciones de una célula tales como: concentración iónica intracelular y extracelular, dimensiones del radio intracelular y radio celular, cinco especies iónicas K+, Cl-, Na+, Mg2+ y Ca2+ y la condición de que los iones deben estar altamente diluidos en el medio extracelular y en el medio intracelular. En la segunda parte, se incluyó el efecto del campo magnético en el modelo para determinar el efecto que tiene en el transporte iónico en la célula. Para generar el campo magnético al cual se sometió la célula se consideró una configuración de dos placas puestas cara a cara, generando gradientes magnéticos intensos. Para implementar el método Monte Carlo se desarrolló un hamiltoniano que incluye las contribuciones de la energía debido al campo eléctrico, la interacción entre los iones, la fuerza de rozamiento que se genera al mover el ión en el medio y la contribución que se produce al someter una célula a un campo magnético. La exposición de la célula a un gradiente magnético generó aumento en la concentración intracelular de los iones con un gradiente magnético de Gi = 30 Tm-1. Un aumento en la concentración intracelular provocó aumentos en el potencial de membrana, la corriente iónica y la presión osmótica. Adicionalmente, se encontró una relación lineal entre la corriente iónica y el potencial de membrana que corresponde a la ley de Ohm. Se encontró que los los iones que más afectan el comportamiento del potencial de membrana son K+, Cl- y Mg2+. De acuerdo al diagrama de fase entre el potencial de membrana y el gradiente magnético se obtuvo un acople entre la energía debida a la exposición al campo magnético y el potencial de membrana. Finalmente, se realizó una validación del modelo, usando el algoritmo de Gillespie obteniendo variaciones hasta del 3 % en el potencial de membrana. (Texto tomado de la fuente)

In the present work, the ionic transport through the membrane was modeled and simulated, it starts from an isolated cell with a cross section with a height of 5A. To develop this work, two stages were carried out, for the realization of the model using stochastic methods to describe the ionic transport through the membrane and the implementation of the model. In the first part the conditions of a cell were considered such as: intracellular and extracellular ionic concentration, intracellular radius and cell radius dimensions, five ionic species K+, Na+, Cl-, Mg2+and Ca2+, and the condition that ions must be highly diluted in the extracellular medium and in the intracellular medium. In the second part, the effect of the magnetic field was included in the model to determine the effect it has on ionic transport in the cell. To generate the magnetic field to which the cell was subjected, a configuration of two plates placed face to face was considered, generating high magnetic field gradient (HGMF). To implement the Monte Carlo method, a Hamiltonian was developed that includes the contributions of energy due to the electric field, the interaction between the ions, the friction force that is generated when the ion moves in the medium and the contribution that is produced when subjecting a cell to a magnetic field. Exposure of the cell to a magnetic gradient generates an increase in the intracellular concentration of ions with a magnetic gradient of Gi = 30 Tm-1. An increase in intracellular concentration causes increases in membrane potential, ionic current and osmotic pressure. Additionally, a linear relationship was found between the ionic current and the membrane potential corresponding to Ohm's law. The ions that most affect the behavior of the membrane potential were found to be K+, Cl- and Mg2+. According to the phase diagram between the membrane potential and the magnetic gradient, a coupling between the energy due to exposure to the magnetic field and the membrane potential was obtained. Finally, a validation of the model was carried out, using the Gillespie algorithm obtaining variations up to 3 % in the membrane potential.