Skip to main content
Disciplines
Automotive Business IT + Informatics Construction + Real Estate Electrical Engineering + Electronics Energy + Sustainability Insurance + Risk Finance + Banking Management + Leadership Marketing + Sales Mechanical Engineering + Materials
Events
DE
EN
Books
Journals
Topic Page
Marketing
Start single access now
Access for companies
EXTENDED SEARCH
Log in
Top

2012 | Book

Einleitung Read chapter Read first chapter

Kompendium Systembiologie

Mathematische Modellierung und Modellanalyse

Author: Andreas Kremling

Publisher: Vieweg+Teubner Verlag

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

Login to get access
insite
SEARCH

About this book

Die Systembiologie ist ein interdisziplinäres Forschungsfeld, das zu einem verbesserten Verständnis, der in einer Zelle ablaufenden Vorgänge führt und einen systemorientierten Ansatz in experimenteller und theoretischer Richtung verfolgt.

Das Lehrbuch beschreibt die Grundlagen der mathematischen Modellierung und der Modellanalyse zellulärer Systeme. Nach einer Klassifikation von Modelltypen wird schwerpunktmäßig auf deterministische Modelle eingegangen und für alle relevanten Prozesse entsprechende Gleichungen angegeben. Anschließend werden Verfahren zur Modellanalyse vorgestellt, die für Motive, Module und große Netzwerke Anwendung finden.

Table of Contents

Frontmatter

Einleitung & Grundlagen

Frontmatter
1. Einleitung
Zusammenfassung
Die Systembiologie hat in den letzten Jahren einen starken Aufschwung erlebt. Dies äußert sich nicht nur in zahlreichen neuen Forschungsprogrammen, die aufgelegt wurden, sondern auch im Angebot neuer Vorlesungen an Universitäten und Forschungseinrichtungen. Allerdings finden sich zahlreiche Ausrichtungen der Systembiologie, sei es in experimenteller oder in theoretischer Weise, so dass sich heute noch kein klar umrissenes Bild eines “Systembiologen” zeigt.
Andreas Kremling
2. Biologische Grundlagen
Zusammenfassung
Die Zelle ist die kleinste lebensfähige Einheit. Die Grundbestandteile der Zelle sind in allen Lebewesen identisch, sie besteht aus DNA (Desoxyribonukleinsäure), RNA (Ribonukleinsäure), Proteinen, Lipiden und Phospholipiden. Allerdings zeigen sich deutliche Unterschiede in der Feinstruktur der Zelle und in den Feinheiten in der stofflichen Zusammensetzung zwischen verschiedenen Organismengruppen. Im allgemeinen wird zwischen eukaryontischen (Tiere, Pflanzen, Algen und Protozoen) und prokaryontischen Zellen (Bakterien und Archäen) unterschieden. Die bakterielle Zelle besteht zu 70-85% ausWasser, d.h., das Trockengewicht beträgt ca. 15-30% der Frischmasse. Davon sind ca. 50% Protein, 10-20% entfallen auf die Zellwand, ebenfalls 10-20% auf die Gesamt-RNA, 3-4% auf die DNA und ca. 10% sind Lipide. Im Gegensatz zur eukaryontischen Zelle verfügt die prokaryontische nicht über einen Zellkern und das Genom liegt auf einem einzigen ringförmig geschlossenen Strang im Zytoplasma vor, dem Bakterienchromosom. Auf der DNA sind alle Informationen gespeichert, die die Zelle zum Wachsen braucht. Darüberhinaus können noch kleinere ringförmige DNA Strukturen vorliegen, die sogenannten Plasmide. Diese sind allerdings nicht essentiell für die Zelle.
Andreas Kremling
3. Grundlagen der mathematischen Modellierung
Zusammenfassung
Die beiden Begriffe “System” und “Modell” sind zentrale Schlüsselwörter, die für das Verständnis der weiteren Vorgehensweise notwendig sind und die im Folgenden erläutert werden.
Andreas Kremling
4. Modellkalibrierung und Versuchsplanung
Zusammenfassung
Die Modellkalibierung versucht experimentelle Daten und Ergebnisse aus Simulationsrechnungen zur Deckung zu bringen. In der Regel läßt sich diese Aufgabe über eine Optimierung lösen wobei man die Struktur des Modells nicht verändert, sondern nur die kinetischen Parameter variiert. Sind die Systeme stark nichtlinear in Bezug auf die Parameter, so müssen numerische Verfahren angewendet werden. In den folgenden Abschnitten soll nicht so sehr die Optimierung im Vordergrund stehen, als vielmehr die Qualität der Schätzung und die Güte der ermittelten Parameter. In der Systembiologie liegen die Messdaten in der Regel nur mit großen Unsicherheiten vor. Aus diesem Grund ist das Wissen um die Unsicherheiten der Parameter, die damit geschätzt werden, um so wichtiger.
Andreas Kremling

Modellierung zellulärer Prozesse

Frontmatter
5. Grundlagen der Reaktionstechnik
Zusammenfassung
Die Grundlagen zur Reaktionstechnik sollen hier nur knapp behandelt werden.
Andreas Kremling
6. Enzymatische Stoffumwandlung
Zusammenfassung
Enzyme sind spezielle Proteine mit katalytischen Eigenschaften. Dabei ist die räumliche Anordnung der Aminosäuren von großer Bedeutung. Enzyme sind in der Regel aus mehreren Domänen aufgebaut. Man unterscheidet zwischen katalytischen und allosterischen Zentren, (Zentren, die eine Affinität für Stoffe besitzen, die regulatorischwirken und nicht umgesetztwerden). An diese allosterischen Zentren können Effektoren binden: Inhibitoren und Aktivatoren. Sie beeinflussen nur die Reaktionsgeschwindigkeit der Enzyme, nicht aber die Gleichgewichtslage der Reaktion. Diese wird nur durch die Konzentration der umgesetzten Substrate bestimmt. Enzyme besitzen eine hohe Spezifität gegenüber Substraten, daher wird für fast jede Umsetzung in der Zelle ein eigenes Enzym gebraucht. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist weiterhin abhängig von Temperatur, pH, Metallionen und der Salzkonzentration in der Zelle.
Andreas Kremling
7. Polymerisationsprozesse
Zusammenfassung
Polymerisationsprozesse spielen eine wichtige Rolle bei zellulären Prozessen. Die Synthese fast aller Makromoleküle findet durch die Aneinanderreihung von Monomeren statt. Dabei sind spezielle Enzyme /Makromoleküle aktiv, die die Verknüpfungen herstellen. Besonders wichtig sind die Prozesse der DNA Replikation, der mRNA Synthese (Transkription ) und der Proteinsynthese (Translation). Zu den biologischen Grundlagen sei auf das Kapitel “Biologische Grundlagen” verwiesen. Zunächst soll eine makroskopischeBetrachtung vorgenommenwerden, um ein grundlegendes Verständnis zu erhalten. In den folgenden Unterkapiteln wird dann ein detaillierter Reaktionsmechanismus der Kopplung von Transkription und Translation vorgestellt, der es auch erlaubt, die Anzahl der aktiven RNA-PolymeraseMoleküle bzw. Ribosomen abzuschätzen.
Andreas Kremling
8. Transportprozesse
Zusammenfassung
Zellenmüssen Nährstoffe und andere wichtige Stoffe über die Zellmembran transportieren. Diese besteht aus einer Lipiddoppelschicht und beinhaltet Proteine mit Sensor- und/oder Transportfunktion. Bei Bakterienzellen wird die Zellmembran noch von der Zellwand umschlossen. Kleine Moleküle können leicht durch die Membran in die Zelle gelangen; bei größeren Moleküle geht das nicht ohneWeiteres.
Andreas Kremling
9. Signaltransduktionssysteme und genetisch regulierte Netzwerke
Zusammenfassung
Zelluläre Systeme reagieren schnell auf veränderte Umweltbedingungen. Dies äußert sich in der Zu- oder Abschaltung von Stoffwechselwegen oder in einer chemotaktischen Bewegung der Zellen. Die Information muss also von der Zellmembran ins Innere der Zelle gebracht werden, um das Ablesen der DNA-Information zu starten oder zu stoppen. Dies wird durch Signaltransduktionssysteme realisiert. Sie stellen die Verbindung zwischen Stimulus und Genexpression dar.
Andreas Kremling

Analyse von Modulen & Motiven

Frontmatter
10. Allgemeine Methoden der Modellanalyse
Zusammenfassung
Prozesse in Zellen laufen in unterschiedlichen Zeitfenstern ab. Die unterschiedlichen Bereiche der Zeitkonstanten werden als Hierarchien bezeichnet.
Andreas Kremling
11. Aspekte der Regelungstheorie
Zusammenfassung
In diesem Teil werden regelungstheoretische Aspekte behandelt. Dazu zählen vor allem Struktureigenschaften wie Beobachtbarkeit und Stabilität. Fragen der Stabilität sind dann von Interesse, wenn mehrfach stationäre Zustände vorliegen, d.h. zu einem gegebenen Eingangswert lassen sich mehrere stationäreWerte der Zustandsgrößen berechnen.Das Vorliegen von mehrfach stationären Zuständen wurde in den vorherigen Kapiteln bereits gezeigt und soll hier nochmals hinsichtlich spezieller Strukturen der biochemischen Netzwerke beleuchtet werden. Regelkreise haben in der Technik mehrere Aufgaben. Zum einen sollen Sollwerte erreicht werden, zum anderen müssen Störungen schnell ausgeregelt werden. Dies wird am Beispiel der Chemotaxis gezeigt. Aspekte der robusten Regelung kommen zum Tragen, wenn Unsicherheiten mitberücksichtigt werden sollen.
Andreas Kremling
12. Motive in regulatorischen Netzwerken
Zusammenfassung
In den letzten Jahren hat man eine ganze Reihe von verschiedenen biochemischen Netzwerken analysiert und festgestellt, dass bestimmte Verschaltungsmuster häufiger vorkommen als andere (bzw. dass diese Muster in den Netzwerken häufiger vorkommen, als bei einem zufällig erstellten Netzwerk). Diese sehr häufig vorkommenden Verschaltungsmuster werden als Motive bezeichnet. Im Transkriptionsnetzwerk von E. coli finden sich die in Abbildung 12.1 gezeigten Muster besonders häufig.
Andreas Kremling

Analyse zellulärer Netzwerke

Frontmatter
13. Metabole Stoffflussanalyse
Zusammenfassung
Die metabole Stoffflussanalyse ist ein, vor allem in der Biotechnologie und im Metabolic Engineering eingesetztes Verfahren, welches auf einer Analyse der stöchiometrischenMatrix beruht. Die biochemischen Reaktionen, die mit dieser Matrix abgebildet werden, sind für viele Organismen, vor allem Bakterien, in Datenbanken zusammengestellt. Man spricht hier auch von der Rekonstruktion der Netzwerke. Nach einigen Anmerkungen zur Rekonstruktion ist zum grundlegenden Verständnis der Analyse der Matrix daher zunächst ein Blick auf die strukturellen Eigenschaften der stöchiometrischen Matrix zu werfen. Basierend auf den Ergebnissen kann dann die Berechnung von Flussverteilungen durchgeführt werden.
Andreas Kremling
14. Topologische Eigenschaften
Zusammenfassung
Bei großen Netzwerken, die eine Vielzahl von Interaktionen beschreiben, bietet es sich an, die Verbindungen zwischen zwei Komponenten durch einen Graphen darzustellen. In diesem Kapitel werden Verfahren zur Analyse solcher Netze beschrieben. Die Methoden können angewendet werden, wenn durch obige Methoden die Netzwerke bereits rekonstruiert worden sind. In diesem Kapitel werden Maße eingeführt, die große Netzwerke charakterisieren. Interessanterweise beobachtet man auch in technischen und sozialen Systemen, dass sie ähnliche Eigenschaften wie biochemische Netzwerke besitzen.
Andreas Kremling
15. Top-Down-Ansätze zur Ableitung von mathematischen Modellen
Zusammenfassung
Clustertechniken werden eingesetzt, wenn man eine große Anzahl von Objekten nach ähnlichen Eigenschaften strukturieren möchte. Einsatzgebiete in der Systembiologie sind die Analyse zeitlicher Verläufe einer großen Anzahl von Messgrößen, z.B. mRNA -Daten aus der Transkription (Transkriptom) oder Protein Daten (Proteom). Die Anzahl der erfassten Meßgrößen ist dabei oft >1000. Zielsetzung der Clusteranalyse ist die Gruppierung von Meßgrößen, die ein ähnliches dynamisches Verhalten zeigen. Die vorgestellten Clustertechniken können auf eine Vielzahl von Datentypen angewendet werden.
Andreas Kremling
Backmatter
Metadata
Title
Kompendium Systembiologie
Author
Andreas Kremling
Copyright Year
2012
Publisher
Vieweg+Teubner Verlag
Electronic ISBN
978-3-8348-8607-1
Print ISBN
978-3-8348-1907-9
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-8348-8607-1

Premium Partner

    Image Credits