Biochemische Netzwerke und ihre Evolution

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