Biochemische Netzwerke und ihre Evolution

29.05.200729.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan Frank Karstan

11

Biochemische Biochemische Netzwerke und ihre Netzwerke und ihre EvolutionEvolution


22

InhaltInhalt

EinführungEinführung Begriffe und DefinitionenBegriffe und Definitionen Biochemische ReaktionenBiochemische Reaktionen Biochemische Pfade und Biochemische Pfade und

NetzwerkeNetzwerke Modellierung biochemischer Modellierung biochemischer

NetzeNetze


33

InhaltInhalt

EvolutionEvolution Gendrift vs. natürliche Selektion Gendrift vs. natürliche Selektion Evolution biochemischer NetzeEvolution biochemischer Netze QuellenQuellen


44

EinführungEinführung

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


55

Begriffe und Begriffe und DefinitionenDefinitionen 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


66

Begriffe und Begriffe und DefinitionenDefinitionen

Abbildung 1: Reaktionsverlauf mit (dicke Linie) und ohne Abbildung 1: Reaktionsverlauf mit (dicke Linie) und ohne Katalysator (entnommen aus [1]) Katalysator (entnommen aus [1])


77

Begriffe und Begriffe und DefinitionenDefinitionen Enzyme, auch Biokatalysatoren: Enzyme, auch Biokatalysatoren:

Proteine, die die Umsetzung anderer Moleküle (Substrate) katalysieren; für den Stoffwechsel für den Stoffwechsel unverzichtbarunverzichtbar

wirken auch bei Temperaturen wirken auch bei Temperaturen weit unter 100 weit unter 100 °C°C

substratspezifische Wirkungsubstratspezifische Wirkung


88

Begriffe und Begriffe und DefinitionenDefinitionen Coenzym: 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


99

Begriffe und Begriffe und DefinitionenDefinitionen Cosubstrate: Kofaktoren, deren Cosubstrate: Kofaktoren, deren

Umsetzung durch ein Enzym-Umsetzung durch ein Enzym-Molekül mit der Umsetzung des Molekül mit der Umsetzung des Substrats gekoppelt sindSubstrats gekoppelt sind

wichtigste Cosubstrate: ATP, ADP, wichtigste Cosubstrate: ATP, ADP, NAD+, NADP+, FAD, NADH, NADPH, FADH2, Pyridoxalphosphat der Trans-aminase


1010

Biochemische Biochemische ReaktionenReaktionen Änderung chemischer Elemente Änderung chemischer Elemente

und Verbindungenund Verbindungen werden indirekt durch Gene

beschrieben dienen der Erzeugung von

Energie, der Synthese von Substanzen, dem Wachstum, der Vermehrung und zur Reaktion auf Umwelteinflüsse


1111

Biochemische Biochemische ReaktionenReaktionen aus Edukten werden Produkteaus Edukten werden Produkte

Edukt + Edukt Edukt + Edukt Produkt + Produkt + ProduktProdukt

sind reversibel Gleichgewicht zwischen Edukten

und Produkten Produkt kann Edukt für

nachfolgende Reaktion sein


1212

Biochemische Biochemische ReaktionenReaktionen Reaktionsgeschwindigkeit oft Reaktionsgeschwindigkeit oft

durch Enzyme beeinflusstdurch Enzyme beeinflusst keine Änderung des keine Änderung des

Reaktionsgleich-gewichtsReaktionsgleich-gewichts


1313

Biochemische Pfade Biochemische Pfade und Netzwerkeund 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


1414

Biochemische Pfade Biochemische Pfade und Netzwerkeund 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


1515

Biochemische Pfade Biochemische Pfade und Netzwerkeund Netzwerke

Abbildung 2: geschlossener Zyklus (entnommen aus [2] S.48)Abbildung 2: geschlossener Zyklus (entnommen aus [2] S.48)


1616


Abbildung 3: offener Zyklus (entnommen aus [2] S.48)Abbildung 3: offener Zyklus (entnommen aus [2] S.48)


1717

Biochemische Pfade Biochemische Pfade und Netzwerkeund Netzwerke zwei Arten von biochemischen zwei Arten von biochemischen

PfadenPfaden

biochemische Pfade

metabolische Pfade regulatorische Pfade

Anabolismus(Assimilation)

Katabolismus(Dissimilation)


1818

Biochemische Pfade Biochemische Pfade und Netzwerkeund Netzwerke metabolische Pfade: alles was den metabolische Pfade: alles was den

Stoffwechsel betrifftStoffwechsel betrifft Anabolismus: Aufbau Anabolismus: Aufbau

körpereigener Substanzen unter körpereigener Substanzen unter Energieverbrauch, z.B. Energieverbrauch, z.B. PhotosynthesePhotosynthese 6 CO2 + 6 H2O + Energie ===>

C6H12O6 + 6 O2


1919

Biochemische Pfade Biochemische Pfade und Netzwerkeund Netzwerke Katabolismus: Abbau Katabolismus: Abbau

körpereigener Substanzen zur körpereigener Substanzen zur Energiegewinnung, z.B. Glycolyse Energiegewinnung, z.B. Glycolyse

C6H12O6 + 6 O2 ===>

6 CO2 + 6 H2O + Energie regulatorische Pfade: regulatorische Pfade:

Kontrollmechanismen in der Genex –pression


2020

Biochemische Pfade Biochemische Pfade und Netzwerkeund Netzwerke Stoffwechsel ist das

Gesamtnetzwerk der in einer Zelle ablaufenden Reak-tionen

Gesamtheit aller biochemischen Reak-tionswege


2121


Abbildung 4: Abbildung 4: Ausschnitte aus dem ’Biochemical Pathways’-Poster der Fa. Boehringer Mannheim (entnommen aus [3])(entnommen aus [3])


2222

Biochemische Pfade Biochemische Pfade und Netzwerkeund Netzwerke autokatalytisch: Netzwerk produziert autokatalytisch: Netzwerk produziert

seine eigenen Katalysatorenseine eigenen Katalysatoren katalytische Abgeschlossenheit:

autokatalytisches Netzwerk, bei dem die Reaktionen in Zeiträumen ablau-fen, die in der gleichen Größen-ordnung wie Lebensprozesse liegen


2323


Abbildung 5: einfaches autokatalytisches System Abbildung 5: einfaches autokatalytisches System (entnommen (entnommen aus [4]) aus [4])


2424

Biochemische Pfade Biochemische Pfade und Netzwerkeund 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."


2525

Biochemische Pfade Biochemische Pfade und Netzwerkeund Netzwerke Ansatz zur Modellierung eines Ansatz zur Modellierung eines

Zufalls-graphen nach S. Zufalls-graphen nach S. Kauffman:Kauffman:• man gebe Menge von 100 000 Knoten vor• wähle 2 beliebige Knoten aus, verbinde sie durch eine Kante und lege sie zurück


2626


• ziehe erneut 2 Knoten und verbinde diese, usw.• bis gewünschte Anzahl von Kanten erreicht• Entstehung von Clustern mit zunehmender Kantenanzahl


2727

Biochemische Pfade Biochemische Pfade und Netzwerkeund Netzwerke bei Verhältnis von Kanten zu

Knoten > 0,5 : „Kristallisation“ des Netzwerks, d.h. die meisten Knoten zu einer einzigen Komponente verbunden


2828

Biochemische Pfade Biochemische Pfade und Netzwerkeund Netzwerke herauskristallisierte Komponente herauskristallisierte Komponente

bei genügend vielen Knoten in bei genügend vielen Knoten in der Regel autokatalytisch der Regel autokatalytisch abgeschlossenabgeschlossen

S. Kauffman: " Ein solches Netz, so zeigt sich, ist fast immer autokatalytisch – fast immer selbst erhaltend, also ´am Leben´. "


2929

Modellierung Modellierung biochemischer Netzebiochemischer Netze als Graphenals Graphen Edukte und Produkte als KnotenEdukte und Produkte als Knoten Reaktionen als KantenReaktionen als Kanten

C6H12O6

+ 6 O2

6 CO2 + 6 H2O

+ Energie


3030

Modellierung Modellierung biochemischer Netzebiochemischer Netze als Petrinetzals Petrinetz Plätze als Edukte und ProduktePlätze als Edukte und Produkte Marken als Konzentrationen der Marken als Konzentrationen der

Edukte und ProdukteEdukte und Produkte Transitionen als ReaktionenTransitionen als Reaktionen


3131

Modellierung Modellierung biochemischer Netzebiochemischer Netze

Abbildung 6: reduziertes Glycolyse-Netzwerk (entnommen Abbildung 6: reduziertes Glycolyse-Netzwerk (entnommen aus [5] S.60) aus [5] S.60)


3232

Modellierung Modellierung biochemischer Netzebiochemischer Netze KEGG (Kyoto Encyclopedia of

Genes and Genomes) drei miteinander verknüpfte

Datenban-ken Ligand: Informationen zu

chemischen Verbindungen, Enzymen und Reak-tionen


3333

Modellierung Modellierung biochemischer Netzebiochemischer Netze PPATHWAY: 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


3434

Modellierung Modellierung biochemischer Netzebiochemischer Netze

Abbildung 7: Pathway der Glycolyse (entnommen aus [6])Abbildung 7: Pathway der Glycolyse (entnommen aus [6])


3535

EvolutionEvolution

Evolution nach 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


3636

EvolutionEvolution

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


3737

EvolutionEvolution

Individuelle Merkmale in Genen ko-diert

bei der Fortpflanzung kopiert und bei der Fortpflanzung kopiert und an den Nachwuchs an den Nachwuchs weitergegeben (Rekombination)weitergegeben (Rekombination)

durch Mutationen Entstehen unter-schiedlicher Varianten (Allele) der Gene


3838

EvolutionEvolution

daraus resultierend erblich daraus resultierend erblich bedingte Unterschiede zwischen bedingte Unterschiede zwischen IndividuenIndividuen

Änderung der Häufigkeit der Änderung der Häufigkeit der Allele einer Population durch Allele einer Population durch natürliche Selektion oder Gendriftnatürliche Selektion oder Gendrift


3939

EvolutionEvolution

Rekombination: Rekombination: Vermischung der elterlichen Erbinformation, bei der Sequenzabschnitte zwischen homo-logen Chromosomen ausgetauscht und neu verteilt werden (crossing over)


4040

EvolutionEvolution

Abbildung 8: verschiedene Typen des crossing over Abbildung 8: verschiedene Typen des crossing over (entnommen (entnommen aus [1]) aus [1])


4141

EvolutionEvolution

natürliche Selektion: entsteht aus natürliche Selektion: entsteht aus den unterschiedlichen den unterschiedlichen Reproduktionserfol-gen der Reproduktionserfol-gen der Individuen einer Population Individuen einer Population

innerhalb von Populationen und innerhalb von Populationen und zwi-schen Arten eine natürliche, zwi-schen Arten eine natürliche, vererb-bare Variabilität vererb-bare Variabilität


4242

EvolutionEvolution

die Anzahl der Nachkommen der die Anzahl der Nachkommen der Individuen viel höher als die Individuen viel höher als die Kapazität des jeweiligen Kapazität des jeweiligen Lebensraumes Lebensraumes KonkurrenzKonkurrenz

Überlebens- und Überlebens- und Reproduktionserfolge der Reproduktionserfolge der Individuen einer Population daher Individuen einer Population daher unterschiedlich unterschiedlich


4343

EvolutionEvolution

Weitergabe der vererbbaren Weitergabe der vererbbaren Merkmale durch die erfolgreich Merkmale durch die erfolgreich reproduzierenden Individuen reproduzierenden Individuen einer Generationeiner Generation

Erhöhung der genetischen Fitness Erhöhung der genetischen Fitness (survival of the fittest) (survival of the fittest)


4444

EvolutionEvolution

Gendrift: Veränderung der Gendrift: Veränderung der zufälligen Verteilung von Genen zufälligen Verteilung von Genen durch zufälligen Verlust oder durch zufälligen Verlust oder Erwerb von nichtadapti- ven Erwerb von nichtadapti- ven Allelen innerhalb einer PopulationAllelen innerhalb einer Population

mit für die Bildung von Arten mit für die Bildung von Arten verant-wortlich (abgeschnittene verant-wortlich (abgeschnittene Zufallspopu-lation)Zufallspopu-lation)


4545

Gendrift vs. natürliche Gendrift vs. natürliche Selektion Selektion gleichzeitig wirkende gleichzeitig wirkende

Evolutionsfak-torenEvolutionsfak-toren basieren auf der Änderung der basieren auf der Änderung der

Zusam-mensetzung des GenpoolsZusam-mensetzung des Genpools Veränderungen unabhängig Veränderungen unabhängig

davon, ob sie vorteilhaft oder davon, ob sie vorteilhaft oder nachteilig auf den Phänotyp nachteilig auf den Phänotyp wirken (Gendrift)wirken (Gendrift)


4646

Gendrift vs. natürliche Gendrift vs. natürliche SelektionSelektion Gendrift zufallsbedingt und unabhän-Gendrift zufallsbedingt und unabhän-

gig von genetischer Fitnessgig von genetischer Fitness natürliche Selektion bevorzugt Allele, natürliche Selektion bevorzugt Allele,

die die genetische Fitness erhöhendie die genetische Fitness erhöhen Wirkung von Gendrift und natürlicher Wirkung von Gendrift und natürlicher

Selektion abhängig von Populations-Selektion abhängig von Populations-größe größe


4747

Gendrift vs. natürliche Gendrift vs. natürliche SelektionSelektion

Abbildung 9: Einfluss von Gendrift und Mutation auf den Genpool Abbildung 9: Einfluss von Gendrift und Mutation auf den Genpool einer Population (entnommen aus [1]) einer Population (entnommen aus [1])


4848

Evolution Evolution biochemischer Netzebiochemischer Netze Modellierung durch Graphen, Modellierung durch Graphen,

Petri-netze, WorkflowPetri-netze, Workflow Änderungen der Gene führen zu Änderungen der Gene führen zu

Änderungen in biochemischen Änderungen in biochemischen Netz-werkenNetz-werken

Mutation spaltet Knoten auf bzw. Mutation spaltet Knoten auf bzw. legt sie zusammenlegt sie zusammen


4949

Evolution Evolution biochemischer Netzebiochemischer Netze dadurch Entstehung bzw. Wegfall dadurch Entstehung bzw. Wegfall

von Pfaden bzw. Teilnetzenvon Pfaden bzw. Teilnetzen

Entstehung bzw. Verschwinden Entstehung bzw. Verschwinden von Zyklenvon Zyklen


5050

Evolution Evolution biochemischer Netzebiochemischer Netze Graphen: Graphen:

• Entstehung neuer Kanten im Entstehung neuer Kanten im Graph Graph durch neue molekulare durch neue molekulare Wechsel- Wechsel- wirkungenwirkungen

• Entstehung bzw. Verschwinden Entstehung bzw. Verschwinden von von ZyklenZyklen


5151

Evolution Evolution biochemischer Netzebiochemischer Netze

Abbildung 10.1: durch Evolution eines biochemischen Netzes Abbildung 10.1: durch Evolution eines biochemischen Netzes bedingte Graphentransformation bedingte Graphentransformation

(entnommen (entnommen aus [2] S.206) aus [2] S.206)


5252





5353





5454

Evolution Evolution biochemischer Netzebiochemischer Netze Petrinetze:Petrinetze:

• Strukturänderungen• neue Instanzen laufen automatisch auf Basis der neuen Struktur


5555


Abbildung 11: Evolution eines Petrinetzes (entnommen aus [7])Abbildung 11: Evolution eines Petrinetzes (entnommen aus [7])


5656

QuellenQuellen

[1][1] Kurth, W. (2003): Skript zur Kurth, W. (2003): Skript zur Vorlesung "Artificial Life", Vorlesung "Artificial Life",

BTU BTU CottbusCottbus

[2] [2] Schreiber, F. (2001): Visualisierung biochemischer Reaktionsnetze. Dissertation, Fakultät für Informatik der Universität Passau


5757

QuellenQuellen

[3] Zhao, D. (2004): Exploration und Visualisierung biochemischer Reak- tionspfade. Studienarbeit, Institut für Informatik der BTU Cottbus

[4][4] Kauffman, S. (1995): Der Kauffman, S. (1995): Der Öltropfen Öltropfen im Wasser. Piper-im Wasser. Piper-Verlag München, Verlag München, ZürichZürich


5858

QuellenQuellen

[5][5] Winder, K. (2006): Invariantenbasierte Strukturierung von Petri-Netzen. Diplomarbeit, Institut für Informatik der BTU Cottbus


5959

QuellenQuellen

[6][6] KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes.

http://www.genome.ad.jp/kegg/, 28.05.2007

[7][7] http://www.answers.com/http://www.answers.com/topic/topic/

petri-netpetri-net

27.05.200727.05.2007

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