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Biochemische Netzwerke und ihre Evolution

Biochemische Netzwerke und ihre Evolution. Inhalt. Einführung Begriffe und Definitionen Biochemische Reaktionen Biochemische Pfade und Netzwerke Modellierung biochemischer Netze. Inhalt. Evolution Gendrift vs. natürliche Selektion Evolution biochemischer Netze Quellen. Einführung.

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Biochemische Netzwerke und ihre Evolution

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Presentation Transcript


  1. Biochemische Netzwerke und ihre Evolution Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  2. Inhalt • Einführung • Begriffe und Definitionen • Biochemische Reaktionen • Biochemische Pfade und Netzwerke • Modellierung biochemischer Netze Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  3. Inhalt • Evolution • Gendrift vs. natürliche Selektion • Evolution biochemischer Netze • Quellen Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  4. Einführung • Biologie: die Wissenschaft vom Leben (vom griech. bios - das Leben und logos – die Lehre) • Betrachtung des Lebens zwischen mikroskopischer und makroskopischer Ebene • Biochemische Reaktionen auf mikroskopischer Ebene Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  5. Begriffe und Definitionen • Katalysator (vom griech. katálysis - Auflösung) mit Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit • Änderung der Aktivierungsenergie • Einfluss auf die Kinetik chemischer Reaktionen, aber kein Einfluss auf deren Thermodynamik Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  6. Begriffe und Definitionen Abbildung 1: Reaktionsverlauf mit (dicke Linie) und ohne Katalysator (entnommen aus [1]) Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  7. Begriffe und Definitionen • Enzyme, auch Biokatalysatoren: Proteine, die die Umsetzung anderer Moleküle (Substrate) katalysieren; für den Stoffwechsel unverzichtbar • wirken auch bei Temperaturen weit unter 100 °C • substratspezifische Wirkung Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  8. Begriffe und Definitionen • Coenzym: niedermolekulares organisches Molekül (kein Protein) oder ein Metallion • DNA: Trägerin der Erbinformationen • Gen: DNA-Abschnitt, der für die Syn-these eines funktionsfähigen biolo-gischen Produkts erforderlich ist Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  9. Begriffe und Definitionen • Cosubstrate: Kofaktoren, deren Umsetzung durch ein Enzym-Molekül mit der Umsetzung des Substrats gekoppelt sind • wichtigste Cosubstrate: ATP, ADP, NAD+, NADP+, FAD, NADH, NADPH, FADH2, Pyridoxalphosphat der Trans-aminase Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  10. Biochemische Reaktionen • Änderung chemischer Elemente und Verbindungen • werden indirekt durch Gene beschrieben • dienen der Erzeugung von Energie, der Synthese von Substanzen, dem Wachstum, der Vermehrung und zur Reaktion auf Umwelteinflüsse Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  11. Biochemische Reaktionen • aus Edukten werden Produkte Edukt + Edukt  Produkt + Produkt • sind reversibel • Gleichgewicht zwischen Edukten und Produkten • Produkt kann Edukt für nachfolgende Reaktion sein Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  12. Biochemische Reaktionen • Reaktionsgeschwindigkeit oft durch Enzyme beeinflusst • keine Änderung des Reaktionsgleich-gewichts Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  13. Biochemische Pfade und Netzwerke • Pfad ist eine abstrakte Modellierung von aufeinander folgenden chemi-schen Reaktionen in einer Zelle • Sequenz von Reaktionen R1, ...,Rn zur Umsetzung einer Substanz in eine andere, wird biochemischer Reaktions-weg genannt Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  14. Biochemische Pfade und Netzwerke • für alle 1 ≤ i < n mindestens ein Produkt der Reaktion i Edukt der Reaktion i +1 • geschlossene und offene Zyklen als Sonderfälle • Zyklus liegt vor, wenn sich eine Folge von Reaktionen nach wenigen Schrit-ten wiederholt Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  15. Biochemische Pfade und Netzwerke Abbildung 2: geschlossener Zyklus (entnommen aus [2] S.48) Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  16. Biochemische Pfade und Netzwerke Abbildung 3: offener Zyklus (entnommen aus [2] S.48) Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  17. Biochemische Pfade und Netzwerke • zwei Arten von biochemischen Pfaden biochemische Pfade metabolische Pfade regulatorische Pfade Anabolismus (Assimilation) Katabolismus (Dissimilation) Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  18. Biochemische Pfade und Netzwerke • metabolische Pfade: alles was den Stoffwechsel betrifft • Anabolismus: Aufbau körpereigener Substanzen unter Energieverbrauch, z.B. Photosynthese 6 CO2 + 6 H2O + Energie ===> C6H12O6 + 6 O2 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  19. Biochemische Pfade und Netzwerke • Katabolismus: Abbau körpereigener Substanzen zur Energiegewinnung, z.B. Glycolyse C6H12O6 + 6 O2 ===> 6 CO2 + 6 H2O + Energie • regulatorische Pfade: Kontrollmechanismen in der Genex –pression Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  20. Biochemische Pfade und Netzwerke • Stoffwechsel ist das Gesamtnetzwerk der in einer Zelle ablaufenden Reak-tionen • Gesamtheit aller biochemischen Reak-tionswege Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  21. Biochemische Pfade und Netzwerke Abbildung 4: Ausschnitte aus dem ’Biochemical Pathways’-Poster der Fa. Boehringer Mannheim (entnommen aus [3]) Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  22. Biochemische Pfade und Netzwerke • autokatalytisch: Netzwerk produziert seine eigenen Katalysatoren • katalytische Abgeschlossenheit: autokatalytisches Netzwerk, bei dem die Reaktionen in Zeiträumen ablau-fen, die in der gleichen Größen-ordnung wie Lebensprozesse liegen Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  23. Biochemische Pfade und Netzwerke Abbildung 5: einfaches autokatalytisches System (entnommen aus [4]) Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  24. Biochemische Pfade und Netzwerke • S. Kauffman: "Der Ursprung des Lebens besteht... in der katalytischen Abgeschlossenheit, die ein Gemenge von Molekülarten erzielt. Jede Molekülart für sich genommen ist tot. Doch sobald sich das kollektive Sys-tem der Moleküle katalytisch abgeschlos-sen hat, ist es lebendig." Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  25. Biochemische Pfade und Netzwerke • Ansatz zur Modellierung eines Zufalls-graphen nach S. Kauffman: • man gebe Menge von 100 000 Knoten vor • wähle 2 beliebige Knoten aus, verbinde sie durch eine Kanteund legesie zurück Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  26. Biochemische Pfade und Netzwerke • ziehe erneut 2 Knoten und verbinde diese, usw. • bis gewünschte Anzahl von Kanten erreicht • Entstehung von Clustern mit zunehmender Kantenanzahl Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  27. Biochemische Pfade und Netzwerke • bei Verhältnis von Kanten zu Knoten > 0,5 : „Kristallisation“ des Netzwerks, d.h. die meisten Knoten zu einer einzigen Komponente verbunden Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  28. Biochemische Pfade und Netzwerke • herauskristallisierte Komponente bei genügend vielen Knoten in der Regel autokatalytisch abgeschlossen • S. Kauffman: " Ein solches Netz, so zeigt sich, ist fast immer autokatalytisch – fast immer selbst erhaltend, also ´am Leben´. " Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  29. Modellierung biochemischer Netze • als Graphen • Edukte und Produkte als Knoten • Reaktionen als Kanten C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + Energie Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  30. Modellierung biochemischer Netze • als Petrinetz • Plätze als Edukte und Produkte • Marken als Konzentrationen der Edukte und Produkte • Transitionen als Reaktionen Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  31. Modellierung biochemischer Netze Abbildung 6: reduziertes Glycolyse-Netzwerk (entnommen aus [5] S.60) Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  32. Modellierung biochemischer Netze • KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) • drei miteinander verknüpfte Datenban-ken • Ligand: Informationen zu chemischen Verbindungen, Enzymen und Reak-tionen Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  33. Modellierung biochemischer Netze • PATHWAY: graphische Darstellung der Reaktionswege und Listen der Enzyme und Reaktionen • GENES: Genkataloge aller vollständig sequenzierten Genome und einiger unvollständig sequenzierter Genome sowie Listen der Gene Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  34. Modellierung biochemischer Netze Abbildung 7: Pathway der Glycolyse (entnommen aus [6]) Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  35. Evolution • Evolution nach Lamarck : Theorie einer allmählichen "Evolution" (Ent-wicklung) • die Veränderungen haben mit funk-tionaler Anpassung zu tun und hängen von der Intensität des Gebrauchs be-stimmter Organe (z.B. Giraffenhals) ab • Vererbung „angelernter“ Eigenschaften Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  36. Evolution • Evolution nach Darwin: Veränderung der vererbbaren Merkmale einer Popu-lation von Lebewesen von Generation zu Generation • Veränderung steht in Zusammenhang mit der Anpassung (adaptation) der Individuen einer Art an die Erforder-nisse ihrer Umwelt Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  37. Evolution • Individuelle Merkmale in Genen ko-diert • bei der Fortpflanzung kopiert und an den Nachwuchs weitergegeben (Rekombination) • durch Mutationen Entstehen unter-schiedlicher Varianten (Allele) der Gene Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  38. Evolution • daraus resultierend erblich bedingte Unterschiede zwischen Individuen • Änderung der Häufigkeit der Allele einer Population durch natürliche Selektion oder Gendrift Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  39. Evolution • Rekombination: Vermischung der elterlichen Erbinformation, bei der Sequenzabschnitte zwischen homo-logen Chromosomen ausgetauscht und neu verteilt werden (crossing over) Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  40. Evolution Abbildung 8: verschiedene Typen des crossing over (entnommen aus [1]) Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  41. Evolution • natürliche Selektion: entsteht aus den unterschiedlichen Reproduktionserfol-gen der Individuen einer Population • innerhalb von Populationen und zwi-schen Arten eine natürliche, vererb-bare Variabilität Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  42. Evolution • die Anzahl der Nachkommen der Individuen viel höher als die Kapazität des jeweiligen Lebensraumes Konkurrenz • Überlebens- und Reproduktionserfolge der Individuen einer Population daher unterschiedlich Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  43. Evolution • Weitergabe der vererbbaren Merkmale durch die erfolgreich reproduzierenden Individuen einer Generation • Erhöhung der genetischen Fitness (survival of the fittest) Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  44. Evolution • Gendrift: Veränderung der zufälligen Verteilung von Genen durch zufälligen Verlust oder Erwerb von nichtadapti- ven Allelen innerhalb einer Population • mit für die Bildung von Arten verant-wortlich (abgeschnittene Zufallspopu-lation) Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  45. Gendrift vs. natürliche Selektion • gleichzeitig wirkende Evolutionsfak-toren • basieren auf der Änderung der Zusam-mensetzung des Genpools • Veränderungen unabhängig davon, ob sie vorteilhaft oder nachteilig auf den Phänotyp wirken (Gendrift) Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  46. Gendrift vs. natürliche Selektion • Gendrift zufallsbedingt und unabhän-gig von genetischer Fitness • natürliche Selektion bevorzugt Allele, die die genetische Fitness erhöhen • Wirkung von Gendrift und natürlicher Selektion abhängig von Populations-größe Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  47. Gendrift vs. natürliche Selektion Abbildung 9: Einfluss von Gendrift und Mutation auf den Genpool einer Population (entnommen aus [1]) Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  48. Evolution biochemischer Netze • Modellierung durch Graphen, Petri-netze, Workflow • Änderungen der Gene führen zu Änderungen in biochemischen Netz-werken • Mutation spaltet Knoten auf bzw. legt sie zusammen Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  49. Evolution biochemischer Netze • dadurch Entstehung bzw. Wegfall von Pfaden bzw. Teilnetzen • Entstehung bzw. Verschwinden von Zyklen Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

  50. Evolution biochemischer Netze • Graphen: • Entstehung neuer Kanten im Graph durch neue molekulare Wechsel- wirkungen • Entstehung bzw. Verschwinden von Zyklen Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

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