Biochemie

1.3 Metabolismus als Netzwerk
Im Stoffwechsel sind zwangsläufig viele Vorgänge miteinander verknüpft. Man kann
deshalb die Stoffwechselvorgänge als Karte aufzeichnen, bei der die Prozesse die
Knoten und die Reaktionen die Verbindungen darstellen, als System von Reglern 12,13,14
(wie das Internet). Das Produkt P einer enzymatischen Reaktion wird dabei zum
Substrat S (Edukt) der nächsten Reaktion. Nun gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten
des Ablaufs von Reaktionen: Hintereinander (sequenziell) oder gleichzeitig (simultan,
parallel).
P - S P - S P - S
a b c d
a) Serieller Ablauf
Das Produkt des Enzyms a wird zum Substrat des
Enzyms b, das Produkt des Enzyms b wird zum
Substrat des Enzyms c etc.
a
P - S
P - S
P - S
b
c
d
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b) Paralleler Ablauf
Das Produkt des Enzyms a wird zum Substrat der
Enzyme b, c und d.
Abbildung 21: Sequenzieller Metabolismus von Enzymen, b) simultaner Metabolismus
Jedes Enzym kann die Reaktionen reversibel durchführen und stellt in einem Netzwerk
des Stoffwechsels einen sogenannten Knoten dar.
Werden Netzwerke aufgebaut, dann sind sie entweder vorwiegend durch viele Knoten
mit wenig Verbindungen (seriell) oder wenig Knoten mit vielen Verbindungen (parallel,
Konvergenz) dominiert.
Viele „einzelne“ Verknüpfungen führen zu einem Random-Netzwerk, wobei die mittlere
Anzahl der Verbindungen die Dimension (scale) bestimmt.
Mit „zentralen“ Knoten mit vielen aus- und oder eingehenden Verbindungen hat die
mittlere Anzahl der Verbindungen keinen grossen Aussagewert, weshalb man hier von
einem Scale-free-Netzwerk spricht.
Die Knoten mit einer grossen Anzahl von Verbindungen sind Angelpunkte oder
Drehscheiben (hubs) im Netz (ca. 5% hubs halten ein Scale-free Netzwerk
zusammen!).
Die sequenziellen Verbindungen haben den Vorteil der grösseren Selektivität, die
simultanen Verbindungen den der grösseren Geschwindigkeit.
12 Cohen D., All the World’s a Net, New Scientist, 13 April, 2002, 24
13 Jeong H., Tobor B., Albert R., Ottavi Z.N., Barabási A.-L., The large-scale organization of metabolic
networks, Nature, Vol 407, 5 October, 2002, 651
14 editorial, Proteomics in a small world, nature structural biology, vol 9, Nr 3, march, 2002, 153
Chemie, 6sm