Enzyme Kinetics

;; First English version of simulator

breed [ enzimas enzima]           ;; agentes rojos que se unen y catalizan el sustrato
breed [ sustratos sustrato ]      ;; agentes verdes que se unen a la enzima y pueden reaccionar
breed [ inhibidores inhibidor ]   ;; agentes amarillos que se unen a la enzima pero no pueden reaccionar
breed [ productos producto ]      ;; agentes azules que se generan a partir de la interaccion sustrato-enzima


turtles-own [
  companiero  ;;correposnde al nombre del otro agente del complejo o a "nobody" si no esta acomplejado
]

;;definicion de variables, se incluyen las variables globales definidas por interfaz
globals [
  sustrato-inicial ;; guarda la concentracion de sustrato inicial de cada corrida (para grafico de MM)
  v                ;; tasa de formacion de producto  
  K1               ;; constante de asociacion de enzima y sustrato
  K2               ;; constante de disociacion de complejo ES en enzima y sustrato
  K3               ;; constante de disociacion de complejo ES en enzima y producto
  Kia              ;; constante de asociacion del inhibidor
  Ki               ;; constante de disociacion del inhibidor
  n                ;; cantidad de repeticiones de cada corrida para una concentracion de sustrato
  ind              ;; indice para contar la cantidad de iteraciones del ciclo de repeticiones que lleva hechas
  ;Conc-sustrato   ;; concentracion de sustrato para PvsT
  sustrato-conv    ;; concentracion de sustrato para PvsT convertido a cantidad de moleculas
  ;Tipo-inhibidor  ;; Ninguno, Inhibidor A o Inhibidor B (reversibles)

  cantidad-enzimas ;; cantidad de enzimas
  
  Sustrato-inicial-min-conv ;; concentracion de sustrato inicial para MM convertido a cantidad de moleculas
  escalon-orden1            ;; cantidad de concentraciones de sustrato que se toman para la primera parte de MM
  sustrato-inicial-ordenm   ;; cantidad de sustrato a partir de la cual se hace el segundo escalonado
  escalon-ordenm            ;; cantidad de concentraciones de sustrato que se toman para la parte media de MM
  sustrato-inicial-orden0   ;; cantidad de sustrato a partir de la cual se hace el tercer escalonado
  escalon-orden0            ;; cantidad de concentraciones de sustrato que se toman para la ultima parte de MM
  sustrato-inicial-max-conv ;; concentracion de sustrato final para MM convertido de concentracion a cantidad de moleculas

  ;Conc-inhibidor       ;; concentracion de sustrato para MM
  inhibidor-conv        ;; concentracion de sustrato para MM convertida a cantidad de moleculas
  ;Minutos-por-corrida  ;; cantidad maxima de ticks para una corrida de MM
  max-minutos           ;; cantidad maxima de ticks para una corrida de PvsT
]

;;seteo de variables FIJO para una enzima y dos inhibidores determinados

to set-variables
  set cantidad-enzimas 10000
  set K1 40
  set K2 90
  set K3 15
  set Kia 5
  if Tipo-inhibidor = "Inhibidor A"[
    set Ki 90
    set inhibidor-conv Conc-inhibidor * 1E5]
  if Tipo-inhibidor = "Inhibidor B"[
    set Ki 5
    set inhibidor-conv Conc-inhibidor * 1E5]
  set n 1                                 ;; FIJO para hacer solo una repeticion de cada corrida
  set sustrato-conv Conc-sustrato * 1E5
  set Sustrato-inicial-min-conv Sustrato-inicial-min * 1E5
  set escalon-orden1 8                    ;; puntos en el orden 1, antes de Km
  set sustrato-inicial-ordenm 0.2 * 1E5   ;; tomamos orden1 hasta este valor FIJO
  set escalon-ordenm 6                    ;; puntos en el orden mixto
  set sustrato-inicial-orden0 0.6 * 1E5   ;; tomamos orden mixto hasta este valor FIJO
  set escalon-orden0 3                    ;; puntos en el orden 0
  set sustrato-inicial-max-conv 1.5 * 1E5 ;; FIJO asi no son demasiadas moleculas
  set max-minutos 30                      ;; FIJO asi no no dejan correr por demasiado tiempo
end 

;; procedimiento del observador para agregar moleculas a la reaccion

to add [tipo cantidad]
  crt cantidad
    [ set breed tipo
      setxy random-xcor random-ycor
      set companiero nobody
      setshape ]
end 

;; procedimiento para asignar formas, colores y comportamiento (escondido o no) a los agentes,
;; segun corresponde segun su estado.

to setshape
  ifelse breed = enzimas
    [ set color red
      ifelse companiero = nobody
        [ set shape "enzyme" ]
        [ ifelse ([breed] of (companiero) = sustratos)
            [ set shape "complex" ]
            [if Tipo-inhibidor != "Ninguno"
              [set shape "inhib complex rev"] ] ]]
    [ ifelse breed = sustratos
        [ set color green
          set shape "substrate"
          set hidden? (companiero != nobody) ]
        [ ifelse breed = inhibidores
            [ set color yellow
              set shape "inhibitor rev"
              set hidden? (companiero != nobody) ]
            [ if breed = productos
                [ set color pink + 4
                  set shape "substrate"
                  set hidden? false ] ] ] ]
end 

;; procedimiento base del modelo

to go
  ask turtles [ move ]
  ask enzimas [ form-complex ]        ;; las enzimas pueden formar complejo con un sustrato o un inhibidor
  ask sustratos [ react-forward ]     ;; los sustratos acomplejados pueden convertirse en producto
  ask enzimas [ dissociate ]          ;; o los complejos pueden simplementerte desacomplejarse
end 

;; procedimiento del observador para setear PvsT

to setearPvsT
  set-patch-size 13.56                       ;; garantiza que se corra siempre con el mismo tamano, sin importar si el usario modifico el mundo
  resize-world -12 12 -12 12                 ;; garantiza que se corra siempre con el mismo tamano, sin importar si el usario modifico el mundo
  clear-all
  set-variables
  set sustrato-inicial sustrato-conv
  set v 0
  add enzimas cantidad-enzimas
  add sustratos sustrato-conv         ;; corre con concentracion de sustrato segun slider
  reset-ticks
  output-print (word "[S] = " (sustrato-inicial * 1E-5) " M")  ;; esta seccion saca por terminal las condiciones experimentales
  output-type "\n"
  output-type "t"                     ;; esta seccion le pone titulos a las columnas de la terminal de salida
  output-type "\t"
  output-type "[P]"
  output-type "\n"
  output-type "(min)"
  output-type "\t"
  output-type "(µmoles)"
  output-type "\n"
end 

;; procedimiento principal para PvsT

to correrPvst
  if ticks > max-minutos 
  [ user-message ("Terminó de correr P(t). Podés copiar los resultados de la Terminal de salida o exportarlos con el botón \"Exportar datos\". La primera columna corresponde a t (min) y la segunda, a [P] (µmoles).")
    clear-ticks
    stop ]
  go
  do-Pvst-plot
  output-type ticks                   ;; esta seccion imprime a la terminal de salida
  output-type "\t"
  let numeroSinComa precision ((count productos) * 1E-2) 2   ;; esta seccion cambia numeros con punto decimal a coma decimal
  ;; output-type numeroSinComa               ;; descomentar esta linea y comentar la linea de abajo para pasar los números a punto decimal
  output-type (word int(numeroSinComa) "," precision (((numeroSinComa - int(numeroSinComa)) * 100)) 2)
  output-type "\n"
  tick
end 

;; procedimiento de agentes para moverse

to move
   fd 1
   rt random-float 360
end 

;; procedimiento de enzimas para formar complejos cuando se encuentra en 
;; la misma parcela que un sustrato o un inhibidor. Cuando se encuentra con un 
;; sustrato, se acompleja con porcentaje K1 y, con un inhibidor, con Kia.

to form-complex
  if companiero != nobody [ stop ]
  set companiero one-of (other turtles-here with [companiero = nobody])
  if companiero = nobody [ stop ]
  if [companiero] of companiero != nobody [ set companiero nobody stop ]  ;; por las dudas que dos enzimas elijan el mismo companiero
  ifelse ((([breed] of companiero) = sustratos) and ((random-float 100) < K1))
     or (([breed] of companiero) = inhibidores and (Tipo-inhibidor = "rev-comp") and ((random-float 100) < Kia))
     or (([breed] of companiero) = inhibidores and (Tipo-inhibidor = "irrev"))
    [ ask companiero [ set companiero myself ]
      setshape
      ask companiero [ setshape ] ]
    [ set companiero nobody ]
end 

;; procedimiento de sustratos acomplejados para formar producto
;; y que este sea liberado de la enzima, con porcenaje K3

to react-forward
  if (companiero != nobody) and (random-float 100 < K3)
    [ set breed productos
      ask companiero [ set companiero nobody ]
      let companiero-anterior companiero
      set companiero nobody
      setshape
      ask companiero-anterior [ setshape ] ]
end 

;; procedimiento de enzimas para disociar complejos:
;; ocurre con pocentaje K2 si el companiero es sustrato o con Ki si es inhibidor

to dissociate
  if companiero != nobody
    [ if (([breed] of companiero = sustratos) and (random-float 100 < K2)) or
      (([breed] of companiero) = inhibidores and (Tipo-inhibidor = "rev-comp") and ((random-float 100) < Ki))
      [ ask companiero [ set companiero nobody ]
        let companiero-anterior companiero
        set companiero nobody
        setshape
        ask companiero-anterior [ setshape ] ] ]
end 

;; procedimiento para calcular la velocidad tomando la cantidad de productos desacomplejados
;; (asume que al comienzo de cada corrida la cantidad de productos es cero)

to calculate-velocity
  let current-conc count productos with [companiero = nobody]
  if ticks > 0
    [ set v (current-conc * 1E-5) / ticks ]
end 

;; procedimientos para graficar
;; grafica concentracion de productos en funcion del tiempo para curva de PvsT

to do-Pvst-plot
  set-current-plot "P(t)"
  plot (count productos) * 1E-2
end 

;; grafica concentracion de sustrato inicial en funcion de velocidad para curva de MM

to do-mm-plot
  set-current-plot "Curva Michaelis-Menten"
  plotxy (sustrato-inicial * 1E-5) (v * 1E3)
end 

;; grafica las inversas de MM

to do-imm-plot
  set-current-plot "Lineweaver-Burk"
  if (sustrato-inicial > 0 and v > 0)
  [ plotxy (1 / (sustrato-inicial * 1E-5)) (1 / (v * 1E3)) ]
end 

;; procedimiento del observador para setear MM

to setearExperimento
  no-display                               ;; logra que corra mas rapido el modelo
  set-patch-size 13.56                     ;; garantiza que se corra siempre con el mismo tamano, sin importar si el usario modifico el mundo
  resize-world -12 12 -12 12               ;; garantiza que se corra siempre con el mismo tamano, sin importar si el usario modifico el mundo
  clear-all
  set-variables
  if (Sustrato-inicial-min <= 0.0 or Sustrato-inicial-min > 1.6 or Minutos-por-corrida <= 0.0 or Minutos-por-corrida > 20)[
    user-message ("Verificá la concentración de sustrato inicial mínima y los minutos por corrida: no pueden ser cero y, además, deben estar en un rango aceptable (para las concentraciones, hasta 1.6 M y para el tiempo, 20 minutos).")
    stop]
  set sustrato-inicial Sustrato-inicial-min-conv
  reset-ticks
  output-print (word "Mínima conc. de sustrato inicial = " sustrato-inicial-min " M") ;; esta seccion saca por terminal las condiciones experimentales
  output-print (word "Tiempo de cada corrida = " minutos-por-corrida " min")
  output-print word "Tipo de inhibidor: " tipo-inhibidor
  if tipo-inhibidor != "Ninguno" [
    output-print (word "Conc. de inhibidor = " conc-inhibidor " M")]
  output-type "\n"
  output-type "1/[S]"                      ;; esta seccion le pone titulos a las columnas de la terminal de salida
  output-type "\t"
  output-type "1/V"
  output-type "\n"
  output-type "(1/M)"
  output-type "\t"
  output-type "(min/nmoles)"
  output-type "\n"
end 

;; procedimiento principal para MM

to correrExperimento                                   
  if (Sustrato-inicial-min <= 0.0 or Sustrato-inicial-min > 1.6 or Minutos-por-corrida <= 0.0 or Minutos-por-corrida > 20)[
    user-message ("Verificá la concentración de sustrato inicial mínima y los minutos por corrida y volvé a armar MM.")
    clear-ticks
    stop]
  if sustrato-inicial > sustrato-inicial-max-conv [
    user-message ("Terminó de correr el experimento de MM. Podés copiar los resultados de la Terminal de salida o exportarlos con el botón \"Exportar datos\". La primera columna corresponde a 1/[S] (1/M) y la segunda, a 1/V (min/nmoles).")
    clear-ticks
    stop]
  
  clear-turtles                          ;; borra la vista pero mantiene los graficos de MM
  set-current-plot "P(t)"                ;; reinicia grafico de Pvst para cada corrida
  clear-plot
  set v 0
  add enzimas cantidad-enzimas
  add sustratos sustrato-inicial         ;; agrega sustrato segun "sustrato-inicial" (la primera vez vale "Sustrato-inicial-min-conv")
  add inhibidores inhibidor-conv         ;; agrega una concentracion constante de inhibidor
   while [ticks < Minutos-por-corrida] [  ;; corrida de P(t) tal como el procedimiento go
    go
    calculate-velocity
    do-Pvst-plot                         ;; grafica Pvst en cada tick de cada corrida de MM
    tick]
  do-mm-plot                             ;; grafica MM en cada corrida
  do-imm-plot                            ;; grafica inversas de MM en cada corrida
      
  ;; a partir de aca, esta seccion imprime a la terminal de salida 
  let xSinComa precision (1 / (sustrato-inicial * 1E-5)) 2  ;; esta seccion cambia numeros con punto decimal a coma decimal
  ;; output-type xSinComa               ;; descomentar esta linea y comentar la linea de abajo para pasar los números a punto decimal
  output-type (word int(xSinComa) "," precision (((xSinComa - int(xSinComa)) * 100)) 2)
  output-type "\t"
  let ySinComa precision (1 / (v * 1E3)) 2  ;;esta sección cambia numeros con punto decimal a coma decimal
  ;; output-type ySinComa               ;; descomentar esta linea y comentar la linea de abajo para pasar los números a punto decimal
  output-type (word int(ySinComa) "," precision (((ySinComa - int(ySinComa)) * 100)) 2)
  output-type "\n"
  reset-ticks

  ;; incremento escalonado de concentracion inicial de sustrato
  ;; para orden1, primera parte de la curva (hasta el inicio de ordenm), tomamos escalon-orden1 escalones
  ifelse sustrato-inicial < sustrato-inicial-ordenm
    [set sustrato-inicial sustrato-inicial + ((sustrato-inicial-ordenm - Sustrato-inicial-min-conv) / escalon-orden1)]
    [ifelse sustrato-inicial > sustrato-inicial-orden0 [
        ;; para orden0, ultima parte de la curva (a partir de sustrato-inicial-max), tomamos escalon-orden0 escalones
        set sustrato-inicial sustrato-inicial + ((sustrato-inicial-max-conv - sustrato-inicial-orden0) / escalon-orden0)][
        ;; para orden mixto, parte media de la curva (hasta el inicio de orden0), tomamos escalon-ordenm escalones
        set sustrato-inicial sustrato-inicial + ((sustrato-inicial-orden0 - sustrato-inicial-ordenm) / escalon-ordenm)]]
end 

to export-data
   user-message ("Elegí una ubicación y un nombre de archivo. Si en el directorio ya existe un archivo con ese nombre, se sobrescribirá.")
   let direccion user-new-file
   if is-string? direccion     ;; verifica que se obtuvo un string, en caso de que el usuario haya cancelado
   [if file-exists? direccion
     [ file-delete direccion ] ;; elimina el archivo si este ya existe en la ubicación elegida
     export-output word direccion ".xls"
     user-message (word "Se generó el archivo en " direccion ".xls. Podés abrirlo con una hoja de cálculo.\nLos datos de la primera columna corresponden a las x y los de la segunda, a las y.")
   ]
end 

; Copyright 2001 Uri Wilensky.
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