Biochemische Netzwerke und ihre Evolution

Präsentation zum Thema: "Biochemische Netzwerke und ihre Evolution"—  Präsentation transkript:

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

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

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

4 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 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 Doppelhelix, enthält „Bauanleitung“ für Zellbestandteile wie RNA und Proteine 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 Knoten vor • wähle 2 beliebige Knoten aus, verbinde sie durch eine Kante und lege sie 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 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 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

36 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 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

37 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 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

38 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 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

39 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) Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

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

41 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 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

42 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 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

43 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) Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

44 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) 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

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

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

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

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

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

56 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 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

57 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 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan

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

59 Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan
Quellen [6] KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes [7] petri-net Regelbasierte Programmierung mit XL Frank Karstan