Biochemische Netzwerke
und ihre Evolution
29.05.2007
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Frank Karstan
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Inhalt





Einführung
Begriffe und Definitionen
Biochemische Reaktionen
Biochemische Pfade und Netzwerke
Modellierung biochemischer Netze
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Inhalt




Evolution
Gendrift vs. natürliche Selektion
Evolution biochemischer Netze
Quellen
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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
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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
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Begriffe und Definitionen
Abbildung 1: Reaktionsverlauf mit (dicke Linie) und ohne
Katalysator (entnommen aus [1])
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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
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Begriffe und Definitionen



Coenzym: niedermolekulares
organisches Molekül (kein Protein)
oder ein Metallion
DNA: Trägerin der Erbinformationen
Gen: DNA-Abschnitt, der für die Synthese eines funktionsfähigen biologischen Produkts erforderlich ist
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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 Transaminase
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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
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Biochemische Reaktionen




aus Edukten werden Produkte
Edukt + Edukt  Produkt + Produkt
sind reversibel
Gleichgewicht zwischen Edukten und
Produkten
Produkt kann Edukt für nachfolgende
Reaktion sein
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Biochemische Reaktionen


Reaktionsgeschwindigkeit oft durch
Enzyme beeinflusst
keine Änderung des Reaktionsgleichgewichts
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Biochemische Pfade und
Netzwerke


Pfad ist eine abstrakte Modellierung
von aufeinander folgenden chemischen Reaktionen in einer Zelle
Sequenz von Reaktionen R1, ...,Rn zur
Umsetzung einer Substanz in eine
andere, wird biochemischer Reaktionsweg genannt
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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 Schritten wiederholt
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Biochemische Pfade und
Netzwerke
Abbildung 2: geschlossener Zyklus (entnommen aus [2] S.48)
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Biochemische Pfade und
Netzwerke
Abbildung 3: offener Zyklus (entnommen aus [2] S.48)
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Biochemische Pfade und
Netzwerke

zwei Arten von biochemischen Pfaden
biochemische Pfade
metabolische Pfade
Anabolismus
(Assimilation)
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regulatorische Pfade
Katabolismus
(Dissimilation)
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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
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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
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Biochemische Pfade und
Netzwerke


Stoffwechsel ist das Gesamtnetzwerk
der in einer Zelle ablaufenden Reaktionen
Gesamtheit aller biochemischen Reaktionswege
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Biochemische Pfade und
Netzwerke
Abbildung 4: Ausschnitte aus dem ’Biochemical Pathways’-Poster
der Fa. Boehringer Mannheim (entnommen aus [3])
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Biochemische Pfade und
Netzwerke


autokatalytisch: Netzwerk produziert
seine eigenen Katalysatoren
katalytische Abgeschlossenheit:
autokatalytisches Netzwerk, bei dem
die Reaktionen in Zeiträumen ablaufen, die in der gleichen Größenordnung wie Lebensprozesse liegen
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Biochemische Pfade und
Netzwerke
Abbildung 5: einfaches autokatalytisches System (entnommen
aus [4])
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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 System der Moleküle katalytisch abgeschlossen hat, ist es lebendig."
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Biochemische Pfade und
Netzwerke

Ansatz zur Modellierung eines Zufallsgraphen 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
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Biochemische Pfade und
Netzwerke
• ziehe erneut 2 Knoten und verbinde
diese, usw.
• bis gewünschte Anzahl von Kanten
erreicht
• Entstehung von Clustern mit
zunehmender Kantenanzahl
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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
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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´. "
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Modellierung
biochemischer Netze



als Graphen
Edukte und Produkte als Knoten
Reaktionen als Kanten
6 CO2
+ 6 H2O
+ Energie
C6H12O6
+ 6 O2
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Modellierung
biochemischer Netze




als Petrinetz
Plätze als Edukte und Produkte
Marken als Konzentrationen der
Edukte und Produkte
Transitionen als Reaktionen
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Modellierung
biochemischer Netze
Abbildung 6: reduziertes Glycolyse-Netzwerk (entnommen
aus [5] S.60)
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Modellierung
biochemischer Netze



KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes
and Genomes)
drei miteinander verknüpfte Datenbanken
Ligand: Informationen zu chemischen
Verbindungen, Enzymen und Reaktionen
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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
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Modellierung
biochemischer Netze
Abbildung 7: Pathway der Glycolyse (entnommen aus [6])
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Evolution



Evolution nach Lamarck : Theorie
einer allmählichen "Evolution" (Entwicklung)
die Veränderungen haben mit funktionaler Anpassung zu tun und hängen
von der Intensität des Gebrauchs bestimmter Organe (z.B. Giraffenhals) ab
Vererbung „angelernter“ Eigenschaften
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Evolution


Evolution nach Darwin: Veränderung
der vererbbaren Merkmale einer Population von Lebewesen von Generation
zu Generation
Veränderung steht in Zusammenhang
mit der Anpassung (adaptation) der
Individuen einer Art an die Erfordernisse ihrer Umwelt
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Evolution



Individuelle Merkmale in Genen kodiert
bei der Fortpflanzung kopiert und an
den Nachwuchs weitergegeben
(Rekombination)
durch Mutationen Entstehen unterschiedlicher Varianten (Allele) der
Gene
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Evolution


daraus resultierend erblich bedingte
Unterschiede zwischen Individuen
Änderung der Häufigkeit der Allele
einer Population durch natürliche
Selektion oder Gendrift
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Evolution

Rekombination: Vermischung der
elterlichen Erbinformation, bei der
Sequenzabschnitte zwischen homologen Chromosomen ausgetauscht und
neu verteilt werden (crossing over)
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Evolution
Abbildung 8: verschiedene Typen des crossing over (entnommen
aus [1])
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Evolution


natürliche Selektion: entsteht aus den
unterschiedlichen Reproduktionserfolgen der Individuen einer Population
innerhalb von Populationen und zwischen Arten eine natürliche, vererbbare Variabilität
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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
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Evolution


Weitergabe der vererbbaren Merkmale
durch die erfolgreich reproduzierenden
Individuen einer Generation
Erhöhung der genetischen Fitness
(survival of the fittest)
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Evolution


Gendrift: Veränderung der zufälligen
Verteilung von Genen durch zufälligen
Verlust oder Erwerb von nichtadaptiven Allelen innerhalb einer Population
mit für die Bildung von Arten verantwortlich (abgeschnittene Zufallspopulation)
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Gendrift vs. natürliche
Selektion



gleichzeitig wirkende Evolutionsfaktoren
basieren auf der Änderung der Zusammensetzung des Genpools
Veränderungen unabhängig davon, ob
sie vorteilhaft oder nachteilig auf den
Phänotyp wirken (Gendrift)
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Gendrift vs. natürliche
Selektion



Gendrift zufallsbedingt und unabhängig von genetischer Fitness
natürliche Selektion bevorzugt Allele,
die die genetische Fitness erhöhen
Wirkung von Gendrift und natürlicher
Selektion abhängig von Populationsgröße
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Gendrift vs. natürliche
Selektion
Abbildung 9: Einfluss von Gendrift und Mutation auf den Genpool
einer Population (entnommen aus [1])
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Evolution biochemischer
Netze



Modellierung durch Graphen, Petrinetze, Workflow
Änderungen der Gene führen zu
Änderungen in biochemischen Netzwerken
Mutation spaltet Knoten auf bzw. legt
sie zusammen
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Evolution biochemischer
Netze


dadurch Entstehung bzw. Wegfall von
Pfaden bzw. Teilnetzen
Entstehung bzw. Verschwinden von
Zyklen
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Evolution biochemischer
Netze

Graphen:
• Entstehung neuer Kanten im Graph
durch neue molekulare Wechselwirkungen
• Entstehung bzw. Verschwinden von
Zyklen
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Evolution biochemischer
Netze

Abbildung 10.1: durch Evolution eines biochemischen Netzes
bedingte Graphentransformation (entnommen
aus [2] S.206)
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Evolution biochemischer
Netze

Abbildung 10.2: durch Evolution eines biochemischen Netzes
bedingte Graphentransformation (entnommen
aus [2] S.206)
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Evolution biochemischer
Netze

Abbildung 10.3: durch Evolution eines biochemischen Netzes
bedingte Graphentransformation (entnommen
aus [2] S.206)
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Evolution biochemischer
Netze

Petrinetze:
• Strukturänderungen
• neue Instanzen laufen automatisch
auf Basis der neuen Struktur
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Evolution biochemischer
Netze
Abbildung 11: Evolution eines Petrinetzes (entnommen aus [7])
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55
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
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56
Quellen
[3] Zhao, D. (2004): Exploration und
Visualisierung biochemischer Reaktionspfade. Studienarbeit, Institut
für Informatik der BTU Cottbus
[4] Kauffman, S. (1995): Der Öltropfen
im Wasser. Piper-Verlag München,
Zürich
29.05.2007
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57
Quellen
[5] Winder, K. (2006):
Invariantenbasierte Strukturierung
von Petri-Netzen. Diplomarbeit,
Institut für Informatik der BTU
Cottbus
29.05.2007
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58
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
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Biochemische Netzwerke und ihre Evolution