×

反应边界条件作为布朗动力学和朗之万动力学相互作用势的极限。 (英语) Zbl 1337.60118号

摘要:一种流行的模拟扩散分子间双分子反应的方法是使用反应边界条件。一个常见的模型是Smoluchowski部分吸附条件,它在两种可能的反应物之间的分离坐标中使用Robin边界条件。这个边界条件可以解释为反应相互作用势模型的理想化,在这个模型中,在反应发生之前必须克服势垒。在这项工作中,我们展示了反应性边界条件是如何产生的,因为在粒子分离的收缩区域内,相互作用势的极限编码了一个陡峭的势垒,其中分子在达到势垒峰值时立即反应。极限边界条件是由匹配渐近展开法导出的,并表明它严重依赖于势垒高度随势能宽度减小而增加的相对速率。相同相互作用的极限边界条件研究了过阻尼Fokker-Planck方程(Brownian动力学)和Kramers方程(Langevin动力学)中的势。研究表明,两个模型需要不同的尺度来恢复在高摩擦极限下一致的反应边界条件(其中Kramers方程的解收敛于Fokker-Planck方程的解)。

MSC公司:

60 H10型 随机常微分方程(随机分析方面)
60J70型 布朗运动和扩散理论的应用(种群遗传学、吸收问题等)
82立方31 随机方法(福克-普朗克、朗之万等)应用于含时统计力学问题
92C40型 生物化学、分子生物学

软件:

斯莫尔丁
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用

参考文献:

[1] I.Agbanusi和S.Isaacson,《随机反应扩散系统双分子反应模型的比较》,Bull。数学。《生物学》,76(2014),第922-946页·Zbl 1297.92029号
[2] S.S.Andrews、N.J.Addy、R.Brent和A.P.Arkin,《利用Smoldyn 2.1对细胞生物学进行详细模拟》,《公共科学图书馆·计算》。《生物学》,6(2010),e1000705。
[3] S.S.Andrews和D.Bray,《具有空间分辨率和单分子细节的化学反应随机模拟》,Phys。《生物学》,第1期(2004年),第137-151页。
[4] S.N.Arjunan和M.Tomita,{一种新的多室反应扩散建模方法将大肠杆菌MinE的瞬时膜附着与E环的形成联系起来},系统。合成。《生物学》,4(2010),第35-53页。
[5] P.J.Atzberger、S.A.Isaacson和C.S.Peskin,《非平衡渗透效应驱动的微流体泵送机制》,Phys。D、 238(2009),第1168-1179页·兹比尔1167.76367
[6] M.Bruna和S.J.Chapman,《排除硬球扩散中的体积效应》,Phys。E版,85(2012),011103。
[7] M.A.Burschka和U.M.Titulaer,《福克-普朗克方程的动力学边界层:选择性吸收边界》,J.Stat.Phys。,26(1981),第59-71页。
[8] M.A.Burschka和U.M.Titulaer,《福克-普朗克方程的动力学边界层:均匀场中的布朗粒子》,物理学。A、 112(1982),第315-330页。
[9] L.Desvillettes和C.Villani,{论空间非均匀熵耗散系统的整体平衡趋势:线性福克-普朗克方程},Comm.Pure Appl。数学。,54(2001),第1-42页·Zbl 1029.82032号
[10] U.Dobramysl、S.Ru¨diger和R.Erban,《基于颗粒的钙化动力学多尺度建模》,多尺度模型。模拟。,提交;可在线访问http://arxiv.org/abs/1504.00146。 ·兹比尔1352.65022
[11] S.Engblom、L.Ferm、A.Hellander和P.Loítstedt,《非结构化网格上随机反应扩散过程的模拟》,SIAM J.Sci。计算。,31(2009),第1774-1797页·Zbl 1190.65015号
[12] R.Erban,《从分子动力学到布朗动力学》,Proc。R.Soc.伦敦。序列号。数学。物理学。工程科学。,470 (2014), 20140036. ·Zbl 1371.60144号
[13] R.Erban,{将水中离子的全原子分子动力学模拟与布朗动力学耦合},Proc。R.Soc.伦敦。序列号。A、 出现;可在线访问http://arxiv.org/abs/1508.02805。 ·Zbl 1371.82075号
[14] R.Erban和S.J.Chapman,{反应扩散过程随机模拟的反应边界条件},Phys。《生物学》,4(2007),第16-28页。
[15] R.Erban和S.J.Chapman,《随机顺序吸附的时间尺度》,Phys。E版,75(2007),041116。
[16] R.Erban和S.J.Chapman,《反应扩散过程的随机建模:双分子反应的算法》,Phys。《生物学》,6(2009),046001。
[17] R.Erban、S.J.Chapman、K.Fisher、I.Kevrekidis和L.Seymour,《多分散不可逆吸附动力学:药理学示例》,数学。模型方法应用。科学。,17(2007),第759-781页·Zbl 1114.92037号
[18] R.Erban、M.B.Flegg和G.A.Papoian,《多尺度随机反应扩散模型:在丝状足动物肌动蛋白动力学中的应用》,公牛。数学。《生物学》,76(2014),第799-818页·Zbl 1297.92033号
[19] M.Flegg,J.Chapman,and R.Erban,{优化随机反应扩散模拟的双区制方法},J.Roy。Soc.Interface,9(2012),第859-868页。
[20] B.Franz、M.B.Flegg、S.J.Chapman和R.Erban,《多尺度反应扩散算法:PDE辅助布朗动力学》,SIAM J.Appl。数学。,73(2013),第1224-1247页·Zbl 1273.35328号
[21] P.S.Hagan、C.R.Doering和C.D.Levermore,{弱有色噪声驱动粒子的平均退出时间},SIAM J.Appl。数学。,49(1989),第1480-1513页·Zbl 0681.60052号
[22] J.Keizer,{非平衡统计热力学与扩散对化学反应速率的影响},J.Phys。化学。,86(1982),第5052-5067页。
[23] G.R.Kneller和U.M.Titulaer,《边界层对扩散控制反应速率的影响》,Phys。A、 129A(1985),第514-534页。
[24] B.Leimkuhler和C.Matthews,《分子动力学:用确定性和随机数值方法》,施普林格,查姆,瑞士,2015年·Zbl 1351.82001号
[25] X.Li、J.Lowengrub、A.Raetz和A.Voigt,《求解复杂几何体中的偏微分方程:扩散域方法》,Commun。数学。科学。,7(2009年),第81-107页·兹比尔1178.35027
[26] K.Lipkow、S.S.Andrews和D.Bray,《模拟磷酸化CheY在大肠杆菌胞浆中的扩散》,《细菌学杂志》。,187(2005),第45-53页。
[27] A.J.Mauro、J.K.Sigurdsson、J.Shrake、P.J.Atzberger和S.A.Isaacson,《反应-断裂-扩散过程的首次动力学蒙特卡罗方法》,J.Compute。物理。,259(2014),第536-567页·Zbl 1349.82047号
[28] T.Opplestrup、V.Bulatov、A.Donev、M.Kalos、G.Gilmer和B.Sadigh,《第一代动力学蒙特卡罗方法》,Phys。E版,80(2009),066701。
[29] R.L.Pego,{非线性Cahn-Hilliard方程中的波前偏移},Proc。R.Soc.伦敦。序列号。数学。物理学。工程科学。,422(1989),第261-278页·Zbl 0701.35159号
[30] M.Robinson、S.S.Andrews和R.Erban,{使用Smoldyn}进行多尺度反应扩散模拟,生物信息学,31(2015),第2406-2408页,http://dx.doi.org/10.1093/bioinformations/btv149doi:10.1093/bioinformatics/btv149。
[31] D.Shoup和A.Szabo,{扩散在配体与大分子和细胞结合受体结合中的作用},生物物理。J.,40(1982),第33-39页。
[32] M.Smoluchowski,{it Versuch einer mathematischen Theory der Koagulationskinetik kolloider Lo¨sungen},Z.Phys。化学。,92(1917),第129-168页。
[33] V·S·ubr,C·。Koňaák,R.Laga,and k.Ulbrich,《通过共价连接聚[N-(2-羟丙基)甲基丙烯酰胺]}对DNA/聚(L-赖氨酸)复合物进行涂层》,《生物大分子》,7(2006),第122-130页。
[34] K.Takahashi、S.Tănase-Nicola和P.R.ten Wolde,{时空相关性可以显著改变MAPK通路的反应},Proc。国家。阿卡德。科学。美国,107(2010),第2473-2478页。
[35] J.S.van Zon和P.R.ten Wolde,《格林函数反应动力学:模拟时空生化网络的基于粒子的方法》,J.Chem。物理。,123 (2005), 234910.
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。