Publication

Inertial effects in diffusion-limited reactions

Résumé

Diffusion-limited reactions are commonly found in biochemical processes such as enzyme catalysis, colloid and protein aggregation and binding between different macromolecules in cells. Usually, such reactions are modeled within the Smoluchowski framework by considering purely diffusive boundary problems. However, inertial effects are not always negligible in real biological or physical media on typical observation time frames. This is all the more so for non-bulk phenomena involving physical boundaries, that introduce additional time and space constraints. In this paper, we present and test a novel numerical scheme, based on event-driven Brownian dynamics, that allows us to explore a wide range of velocity relaxation times, from the purely diffusive case to the underdamped regime. We show that our algorithm perfectly reproduces the solution of the Fokker-Planck problem with absorbing boundary conditions in all the regimes considered and is thus a good tool for studying diffusion-guided reactions in complex biological environments.

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La catalyse enzymatique est le processus par lequel des réactions chimiques sont catalysées dans les systèmes vivants par des protéines spécialisées ou des ARN appelés enzymes. La catalyse enzymatique est indispensable aux organismes vivants pour l'accélération spécifique des réactions nécessaires à leur métabolisme et à la biosynthèse de l'ensemble des biomolécules qui les composent. Les principes de la catalyse enzymatique sont analogues à ceux de la catalyse chimique (voir théorie de l'état de transition).
Lois de Fick
vignette|250px|La diffusion moléculaire d'un point de vue microscopique et macroscopique. Les molécules solubles sur le côté gauche de la barrière (ligne violette) diffusent pour remplir le volume complet. En haut : une seule molécule se déplace aléatoirement. Au milieu : Le soluté remplit le volume disponible par marche aléatoire. En bas : au niveau macroscopique, le côté aléatoire devient indétectable. Le soluté se déplace des zones où les concentrations sont élevées vers les zones à concentrations plus faibles.
Geometric Brownian motion
A geometric Brownian motion (GBM) (also known as exponential Brownian motion) is a continuous-time stochastic process in which the logarithm of the randomly varying quantity follows a Brownian motion (also called a Wiener process) with drift. It is an important example of stochastic processes satisfying a stochastic differential equation (SDE); in particular, it is used in mathematical finance to model stock prices in the Black–Scholes model.
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