Branch point effect und kompensatorische Phosphorylierung

Gezeigt am Glyoxylatzyklus bei E.coli unter Erklärung der Michaelis-Menten-Kinetik


Projektarbeit, 2009

32 Seiten, Note: 2


Leseprobe

Benjamin Herzog

Berlin, den 21. August 2009

6. Fachsemester

Bachelorarbeit in Biophysik:
Verzweigungseffekt und kompensatorische Phosphorylierung
am Beispiel der Glyoxylatabzweigung in E.coli

In der Arbeitsgruppe
,,Molecular and Cellular Evolution"

Sommersemester 2009

 


Inhaltsverzeichnis

A. Einleitung 3
B. Einzelne Kinetiken im Überblick 5
I. Massenwirkungskinetik 5
II. Michaelis-Menten-Kinetik 7
C. Verzweigungseffekt 10
I. Einstellen des Fließgleichgewichts 11
II. Regulierung der Verzweigung 12
1. Regulierung über E2 12
2. Regulierung über vT 14
D. Kompensatorische Phosphorylierung 15
I. Massenwirkungskinetik 17
1. Einstellung des Fließgleichgewichts 17
2. Verhalten von v1 und v2 bei Signaländerung 18
II. Michaelis-Menten-Kinetik 18
1. Einstellung des Fließgleichgewichts 19
2. Verhalten von v1 und v2 bei Signaländerung 20
3. Unabhängigkeit des aktiven Enzyms von ET 21
4. Unabhängigkeit des aktiven Enzyms von ET bei zwei Bindungsstellen 25
a. Kinaseaktivität des Dreierkomplexes und geordnete Bindung 26
b. Kinase-/Phosphataseaktivität und ungeordnete Bindung 28
III. Signalantwortverhalten 29
E. Kombination beider Bausteine 30

II

 


A. Einleitung

Stoffwechselprozesse können durch Modelle nachvollzogen und simuliert werden. Es hat sich gezeigt, dass bestimmte Muster dabei bevorzugt in Erscheinung treten. Der Stoffwechsel lässt sich dadurch als ein Netzwerk darstellen, das aus immer wieder auftauchenden Bausteinen aufgebaut ist. In dieser Arbeit werden zwei solcher Bausteine vorgestellt und deren Verknüpfung anhand der Glyoxylatabzweigung in E.coli gezeigt. Der erste Baustein ist die Verzweigung, die sehr häufig im Stoffwechsel von Zellen vorkommt. Sie stellt neben der bloßen Signalweiterleitung den einfachsten Baustein im Stoffwechsel dar. Es kommt oft in der Zelle vor, dass ein Stoffwechselprodukt mehrere mögliche Wege gehen kann. Die Zelle entscheidet dann, welche Produkte sie aus der Verzweigung benötigt. Sie muss daher den Stoffwechselfluss durch die Verzweigung genauestens regeln können.

Ein Beispiel für eine Verzweigung ist der Aufbau von Aminosäuren aus gemeinsamen Vorläufern. Verzweigungen sind beim Aminosäurenaufbau angebracht, um die Vorläufer nicht jedes Mal neu aufbauen zu müssen. Die am besten studierte Verzweigung ist jedoch die Glyoxylatabzweigung vom Zitronensäurezyklus in E.coli. Dort wird Isocitrat aus dem Zitronensäurezyklus abgezweigt und in Glyoxylat bzw. Succinat umgewandelt. Der Fluss durch die Abzweigung besteht jedoch nur, wenn E.coli auf Acetat wächst und keine Glucose vorhanden ist. Dann benötigt E.coli die C4-Verbindungen Malat und Oxalacetat aus dem Zitronensäurezyklus (anapleurotische Reaktionen), um selber Glucose daraus aufzubauen. Die Glucose wird beispielsweise für die Zuckerketten an den Zellwänden benötigt. Würde Isocitrat nicht abgezweigt werden und würden die C4-Verbindungen den normalen Weg des Zitronensäurezyklus nehmen, dann würde unnötig Kohlenstoff in Form von CO2 bei der Dehydrogenierung des Isocitrates verbraucht werden.

Grafik 1: Glyoxylatabzweigung (gestrichelt) vom Zitronensäurezyklus in E.coli.

3

 


Wenn E.coli auf Glucose wächst, wird die Glyoxylatabzweigung nicht mehr gebraucht und abgeschaltet. Die Zelle hat nun wieder mehr Reduktionsäquivalente für die Energieproduktion durch die Dehydrogenierungen zur Verfügung. Der Mechanismus der Schließung beruht auf einer Regulierung der Isocitratdehydrogenaserate (vIDH in Grafik 1) und der Isocitratproduktionsrate (vτL in Grafik 1) wird sie verlangsamt, ohne dass die Lyase selber reguliert wird (Verzweigungseffekt bzw. "branch point effect").

Die Regulierung der Isocitratdehydrogenase (IDH) selbst erfolgt durch kompensatorische bzw. reversible Phosphorylierung. Dabei wird sie je nach Bedarf durch Dephosphorylierung aktiviert oder durch Phosphorylierung deaktiviert (Grafik 2).

Grafik 2: Kompensatorische Phosphorylierung der Isocitratdehydrogenase bei E.coli.

Die Konzentration der aktivierten IDH kann dadurch präziser und schneller als durch Transkription und Translation eingestellt werden. Bei kurz anhaltenden Veränderungen der Umweltbedingungen kommen Phosphorylierungen zum Zuge, während bei langanhaltenden Anpassungen die Zelle auf Proteinbiosynthese durch Translation und Transkription setzt. Sie macht sich durch den Einsatz von Phosphorylierungen von dem Rauschen in der Zelle unabhängig, das durch unspezifische Verteilung der Enzyme und Metaboliten in der Zelle verursacht wird. Änderungen der Gesamtkonzentration des Enzyms werden kompensiert, weil Schwankungen durch De- oder Phosphorylierung umgehend ausgeglichen werden können. Es ist immer eine bestimmte Menge in aktiver Form vorhanden, während der Rest als Reserve deaktiviert bleibt.
Das Verhältnis von aktivierter und deaktivierter IDH kann über die Regulierung des phosphorylierenden Enzyms, der Kinase, und durch das dephosphorylierende Enzym, die Phosphatase, präzise eingestellt werden. Bei einer kritischen Signalstärke findet ein schnelles Umschalten in Form eines rapiden Anstiegs der Konzentration an aktivem Enzym statt ("Ultrasensitivität"). Das schnelle Umschalten beschleunigt den Verzweigungseffekt, der auf dem Anstieg der IDH-Konzentration beruht. In Kombination führen beide Bausteine somit zu einer Effizienzsteigerung im System.

4

 


In dieser Arbeit werden zunächst die Grundlagen der Enzymkinetik behandelt. Darüberhinaus werden der Verzweigungseffekt und die kompensatorische Phosphorylierung vorgestellt. Zuletzt wird die Bedeutung der Kombination beider Regulierungsmechanismen für die Zelle aufgezeigt.

B. Einzelne Kinetiken im Überblick

Die Kinetik beschreibt im Rahmen von Modellierungen die Geschwindigkeit einer Konzentrationsänderung. Dabei kommt es nicht darauf an, ob diese durch eine kovalente Verknüpfung im Sinne einer chemischen Reaktion hervorgerufen wird. Kinetiken können auch für nicht kovalente Umwandlungen oder einfach nur für Stoffflüsse aufgestellt werden.

Ein einfacher Prozess ist in der Systembiologie der signalinduzierte Auf- und Abbau eines Stoffes. Er ist letztlich Bestandteil aller zellulären Prozesse, da all jene durch Signale reguliert werden. Diese Prozesse können als Signal-Antwort-Kaskaden aufgefasst werden.

Grafik 3: Der signalinduzierte Auf- und Abbau eines Stoffes.

I. Massenwirkungskinetik
Das Substrat I, aus dem R entsteht, sei nicht begrenzend. Es wird daher nicht berücksichtigt. Man erhält Massenwirkungskinetik, d.h. eine lineare Abhängigkeit der Geschwindigkeit von der Signalstärke (Grafik 4):

Grafik 4: Lineare Abhängigkeit von v1 vom Signal S.

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Ende der Leseprobe aus 32 Seiten

Details

Titel
Branch point effect und kompensatorische Phosphorylierung
Untertitel
Gezeigt am Glyoxylatzyklus bei E.coli unter Erklärung der Michaelis-Menten-Kinetik
Hochschule
Humboldt-Universität zu Berlin  (Biologie)
Note
2
Autor
Jahr
2009
Seiten
32
Katalognummer
V132448
ISBN (eBook)
9783640400225
ISBN (Buch)
9783640400058
Dateigröße
779 KB
Sprache
Deutsch
Anmerkungen
Der Stoffwechsel besteht aus Bausteinen, die reguliert werden. Dabei ergeben sich im Zusammenspiel mehrerer Bausteine vielfältige Möglichkeiten. Zum Beispiel kann die Zelle bei der Regulation Enzymkonzentrationen durch de-/aktivierende Phosphorylierung konstant halten und trotzdem schnell reagieren. Es haben sich auch effiziente Stukturen entwickelt bei denen Stoffwechselwege indirekt reguliert werden.
Schlagworte
branch point effect, kompensatorische Phosphorylierung, Aktivierung, Modellierung
Arbeit zitieren
Ben Herzog (Autor), 2009, Branch point effect und kompensatorische Phosphorylierung, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/132448

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