Benutzer:LfBJ/Elementary modes

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Elementare Flussmoden sind ein Konzept aus der strukturellen Modellierung von Stoffwechselnetzwerken. Sie erlauben es, Reaktionswege in einem metabolischen Netzwerk zu identifizieren und können als mathematische Definition des biochemischen Konzeptes eines Reaktionsweges angesehen werden. Um die elementaren Flussmoden eines metabolischen Netzwerkes zu identifizieren werden seine Metabolite in interne und externe Metabolite unterteilt. Interne Metabolite sind dabei solche Metabolite, die im Gesamtfluss weder verbraucht noch produziert werden sollen, so dass ihre Konzentration konstant bleibt. Für externe Metabolite nimmt man hingegen an, dass es andere Prozesse innerhalb des nicht betrachteten Teil des Metabolismus gibt die dafür sorgen, dass diese Metabolite gepuffert sind. Dadurch kann ein Verbrauch oder eine Ansammlung dieses Metaboliten durch Reaktionen des betrachteten Stoffwechselnetzwerkes durch andere Prozesse ausgeglichen werden. Zusätzlich zu der Stationaritätsbedingung für interne Metabolite sind elementare Flussmoden durch zwei Eigenschaften charakterisiert, die Irreversibilitätsbedingung und die Elementaritätsbedingung. Die Irreversibilitätsbedingung gibt an, das alle Reaktionen nur in die thermodynamisch zulässige Richtung verwendet werden dürfen, da manche Reaktionen unter physiologischen Bedingungen praktisch irreversibel sind. Die Elementaritätsbedingung gibt an, dass ein elementarer Flussmodus nicht zerlegt werden kann. Das heißt, dass sobald man eine Reaktion die in einem elementaren Flussmodus verwendet wird entfernt, kein Fluss durch die restlichen Reaktionen möglich ist der sowohl die Stationaritäts- als auch Irreversibilitätsbedingung erfüllt.

Beispiel
Im Folgenden soll ein kleines Beispielnetzwerk von drei Reaktionen aus dem oberen Teil der Glykolyse betrachtet werden:

$r1:Glc+ATP\rightarrow G6P+ADP$

$r2:G6P\rightarrow 6{\mbox{-}}Pgl$

$r3:G6P\rightarrow F6P$

Entsprechend einer üblichen Konvention werden $ATP$ und $ADP$ als externe Metabolite betrachtet, da es im Stoffwechsel eine große Menge an Reaktionen gibt die sie verbrauchen und produzieren. Für das Beispielnetzwerk nehmen wir weiterhin an, dass $Glc$, $6-Pgl$ und $F6P$ externe Metabolite sind, da sie die Systemgrenzen darstellen. Das heißt, dass sie als eine Art Input und Output aus dem betrachteten Netzwerk fungieren.

In diesem Netzwerk gibt es zwei elementare Flussmoden die den beiden möglichen Wegen durch dieses Netzwerk entsprechen:

$e1:(1\;r1\;\;\;1\;r2)$

und

$e2:(1\;r1\;\;\;1\;r3)$

wobei die Koeffizienten vor den Reaktionen die Flüsse durch die einzelnen Reaktionen angeben. Wie zu erkennen ist, ist die Nettoproduktion des internen Metaboliten $G6P$ für beide Elementarmoden gleich null, während externe Metabolite verbraucht und produziert werden.

Anwendung
Elementare Flussmoden haben in der Bioinformatik und Systembiologie bereits umfangreich Anwendung gefunden . Anwendungsgebiete umfassen die Ermittlung von Reaktionswegen in komplexen Stoffwechselnetzwerken, Entwicklung von Strategien zur gezielten Verbesserung der Produktion biotechnologisch bedeutsamer Stoffe, die Untersuchung der Auswirkung von Enzymdefekten und Untersuchungen zur Widerstandsfähigkeit von Stoffwechselnetzwerken gegenüber Störungen.