人体健康需要心脏的正常运行,其中心脏细胞的代谢反应对心脏的正常运行至关重要。目前多种心血管疾病已被发现与心房细胞代谢功能障碍有关。但由于当前的实验技术尚无法定量阐明这些异常的原因,因此人们无法提出精确有效的治疗方案。然而,快速发展的计算机技术能够像活细胞一样有效地处理任务。因此,本研究利用这种处理能力建立了心脏代谢计算模型来描述心房细胞内的能量合成及其对心脏细胞电生理的影响。该计算模型基于应用数学原理,应用了酶催化生化反应Michaelis-Menten方程和生物物理离子动力学Hodgkin-Huxley模型。本模型将细胞划分为细胞质和线粒体,并且通过被动扩散和载体介导运输来连接。本模型模拟了在0.25Hz频率下细胞质和线粒体代谢物(包括ATP和NADH)的稳态动力学。当在2.0Hz的高频模式下,本模型预测了不同量级的胞质和线粒体代谢物的并行激活,其中ATP和NADH分别增加了一倍。该模型预测结果与线粒体钙单向转运体(MCU)的试验观察结果一致,即这是在增加负荷而不是正常起搏情况下所需的。本研究的创新性在于本模型量化地证明了为响应变化能量需求的并行激活与动态基质理论。此外,模型可预测在静息和运动条件下线粒体NADH对细胞内葡萄糖水平的敏感度,模拟不同条件下心脏能量的供需平衡,这些都证明了本模型的可信性和鲁棒性。因此,本模型将有助于进一步研究由代谢功能障碍引发的心脏病理学机制,以挖掘精确有效的治疗干预措施。