Biochemische Netzwerke und ihre Evolution 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan Inhalt Einführung Begriffe und Definitionen Biochemische Reaktionen Biochemische Pfade und Netzwerke Modellierung biochemischer Netze 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan Inhalt Evolution Gendrift vs. natürliche Selektion Evolution biochemischer Netze Quellen 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan 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 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

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 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Begriffe und Definitionen Abbildung 1: Reaktionsverlauf mit (dicke Linie) und ohne Katalysator (entnommen aus [1]) 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

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 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

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 Doppelhelix, enthält „Bauanleitung“ für Zellbestandteile wie RNA und Proteine 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

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 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

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 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Biochemische Reaktionen aus Edukten werden Produkte Edukt + Edukt  Produkt + Produkt sind reversibel Gleichgewicht zwischen Edukten und Produkten Produkt kann Edukt für nachfolgende Reaktion sein 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Biochemische Reaktionen Reaktionsgeschwindigkeit oft durch Enzyme beeinflusst keine Änderung des Reaktionsgleich-gewichts 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

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 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

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 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Biochemische Pfade und Netzwerke Abbildung 2: geschlossener Zyklus (entnommen aus [2] S.48) 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Biochemische Pfade und Netzwerke Abbildung 3: offener Zyklus (entnommen aus [2] S.48) 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Biochemische Pfade und Netzwerke zwei Arten von biochemischen Pfaden biochemische Pfade metabolische Pfade regulatorische Pfade Anabolismus (Assimilation) Katabolismus (Dissimilation) 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

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 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

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 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Biochemische Pfade und Netzwerke Stoffwechsel ist das Gesamtnetzwerk der in einer Zelle ablaufenden Reak-tionen Gesamtheit aller biochemischen Reak-tionswege 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Biochemische Pfade und Netzwerke Abbildung 4: Ausschnitte aus dem ’Biochemical Pathways’-Poster der Fa. Boehringer Mannheim (entnommen aus [3]) 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

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 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Biochemische Pfade und Netzwerke Abbildung 5: einfaches autokatalytisches System (entnommen aus [4]) 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

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." 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

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 Kante und lege sie zurück 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Biochemische Pfade und Netzwerke • ziehe erneut 2 Knoten und verbinde diese, usw. • bis gewünschte Anzahl von Kanten erreicht • Entstehung von Clustern mit zunehmender Kantenanzahl 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

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 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

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´. " 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Modellierung biochemischer Netze als Graphen Edukte und Produkte als Knoten Reaktionen als Kanten C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + Energie 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Modellierung biochemischer Netze als Petrinetz Plätze als Edukte und Produkte Marken als Konzentrationen der Edukte und Produkte Transitionen als Reaktionen 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Modellierung biochemischer Netze Abbildung 6: reduziertes Glycolyse-Netzwerk (entnommen aus [5] S.60) 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Modellierung biochemischer Netze KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) drei miteinander verknüpfte Datenban-ken Ligand: Informationen zu chemischen Verbindungen, Enzymen und Reak-tionen 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

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 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Modellierung biochemischer Netze Abbildung 7: Pathway der Glycolyse (entnommen aus [6]) 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan 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 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan 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 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan 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 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan Evolution daraus resultierend erblich bedingte Unterschiede zwischen Individuen Änderung der Häufigkeit der Allele einer Population durch natürliche Selektion oder Gendrift 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan Evolution Rekombination: Vermischung der elterlichen Erbinformation, bei der Sequenzabschnitte zwischen homo-logen Chromosomen ausgetauscht und neu verteilt werden (crossing over) 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan Evolution Abbildung 8: verschiedene Typen des crossing over (entnommen aus [1]) 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan 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 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan 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 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan Evolution Weitergabe der vererbbaren Merkmale durch die erfolgreich reproduzierenden Individuen einer Generation Erhöhung der genetischen Fitness (survival of the fittest) 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan 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) 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

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) 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

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 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Gendrift vs. natürliche Selektion Abbildung 9: Einfluss von Gendrift und Mutation auf den Genpool einer Population (entnommen aus [1]) 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

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 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Evolution biochemischer Netze dadurch Entstehung bzw. Wegfall von Pfaden bzw. Teilnetzen Entstehung bzw. Verschwinden von Zyklen 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Evolution biochemischer Netze Graphen: • Entstehung neuer Kanten im Graph durch neue molekulare Wechsel- wirkungen • Entstehung bzw. Verschwinden von Zyklen 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Evolution biochemischer Netze Abbildung 10.1: durch Evolution eines biochemischen Netzes bedingte Graphentransformation (entnommen aus [2] S.206) 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Evolution biochemischer Netze Abbildung 10.2: durch Evolution eines biochemischen Netzes bedingte Graphentransformation (entnommen aus [2] S.206) 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Evolution biochemischer Netze Abbildung 10.3: durch Evolution eines biochemischen Netzes bedingte Graphentransformation (entnommen aus [2] S.206) 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Evolution biochemischer Netze Petrinetze: • Strukturänderungen • neue Instanzen laufen automatisch auf Basis der neuen Struktur 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Evolution biochemischer Netze Abbildung 11: Evolution eines Petrinetzes (entnommen aus [7]) 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan Quellen [1] Kurth, W. (2003): Skript zur Vorlesung "Artificial Life", BTU Cottbus [2] Schreiber, F. (2001): Visualisierung biochemischer Reaktionsnetze. Dissertation, Fakultät für Informatik der Universität Passau 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan Quellen [3] Zhao, D. (2004): Exploration und Visualisierung biochemischer Reak- tionspfade. Studienarbeit, Institut für Informatik der BTU Cottbus [4] Kauffman, S. (1995): Der Öltropfen im Wasser. Piper-Verlag München, Zürich 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan Quellen [5] Winder, K. (2006): Invariantenbasierte Strukturierung von Petri-Netzen. Diplomarbeit, Institut für Informatik der BTU Cottbus 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan Quellen [6] KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes. http://www.genome.ad.jp/kegg/, 28.05.2007 [7] http://www.answers.com/topic/ petri-net 27.05.2007 29.05.2007 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan