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Ist es eine gültige Verallgemeinerung, dass Kinasen Reaktionen katalysieren, die Energieübertragung und -nutzung beinhalten?

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Der Wikipedia-Eintrag für Kinase besagt, dass "eine Kinase ein Enzym ist, das die Übertragung von Phosphatgruppen von energiereichen, phosphatspendenden Molekülen [wie ATP] auf bestimmte Substrate katalysiert".

ATP ist die Energiewährung der Zelle. Wäre es also richtig zu sagen, dass eine Kinase Reaktionen katalysiert, die den Energietransfer und die Energienutzung innerhalb einer Zelle beinhalten?


Nein.

  • Es ist nicht möglich, eine verbale oder bildliche Verallgemeinerung der Rolle von Kinasen.
  • Es ist sinnlos, dies zu versuchen, da es falsch ist zu glauben, dass Kinasen einen einzigen General haben Rolle des vorgeschlagenen Typs, oder dass die Nutzung der freien Energie von ATP auf Reaktionen beschränkt ist, die durch Kinasen katalysiert werden.

Klärung

Kinase ist ein erhaltener Trivialname für Enzyme, die von der IUBMB als ATP-Phosophotransferasen klassifiziert wurden. Die Kategorisierung spiegelt ausschließlich Aspekte der Chemie der katalysierten Reaktion wider, und die Unterkategorisierung in Bezug auf das Substrat spiegelt eine Vielfalt von Rollen wider. Darüber hinaus sind solche Kinasereaktionen nur eine Möglichkeit, die freie Hydrolyseenergie der Phosopho-Diester-Bindung von ATP zu nutzen - Übertragung der Phosphorylgruppe auf ein anderes Molekül. Andere Reaktionsarten (und Enzyme) sind ebenso wichtig, wenn nicht sogar wichtiger.

Die Rollenvielfalt der Kinasen

Ich liste nach dem Zufallsprinzip einige Beispiele für verschiedene Arten von Kinasereaktionen auf:

  1. Hexokinase überträgt Phosphat von ATP auf Glucose. Ein Zweck besteht darin, ein geladenes Molekül, Glukose-6-Phosphat, zu erzeugen, das nicht durch die Zellmembran zurückgehen kann.
  2. Thymidinkinase wandelt Thymidin in TMP um. Wie einige andere Kinasen kann man sich vorstellen, dass sie eine synthetische Reaktion katalysieren, wobei das Phosphat ein Teil der Struktur der TMP- (und letztendlich TPP)-Moleküle ist.
  3. Proteinkinasen übertragen Phosphat auf Serin-, Threonin- oder Tyrosinreste von Proteinen. Dabei wird ATP nicht für einen energetischen Prozess verwendet, sondern um eine Veränderung der Struktur des Zielproteins zu bewirken, die seine Aktivität moduliert.
  4. Kreatinkinase wandelt Kreatin und ATP mit Kreatinphosphat (ein schnell mobilisierbarer Energiespeicher im Muskel) und ADP um. Da die Reaktion reversibel ist, kann man davon ausgehen, dass sie entweder die Bildung von Kreatinphosphat oder seine Mobilisierung katalysiert.
  5. Pyruvatkinase ähnelt 4 darin, dass sie ATP produziert, und da die von ihr katalysierte Reaktion in der Zelle im Wesentlichen irreversibel ist, ist der Name in Bezug auf ihre Funktion ziemlich irreführend.

Nicht-Kinase-Enzyme, die an der Nutzung von ATP . beteiligt sind

Dazu gehören ATPasen, wie @BryanKrause bemerkt, aber auch einige andere. Nochmals einige Beispiele nach dem Zufallsprinzip:

  1. Natrium/Kalium-ATPase katalysiert den aktiven Kationentransport.
  2. Glühwürmchen-Luciferase (eine Oxidase) hydroysiert ATP, um Licht zu erzeugen.
  3. Glutaminsythetase (Glutamat-Ammoniak-Ligase) nutzt die freie Energie der Hydrolyse von ATP, um Glutamat und Ammoniak in Glutamin umzuwandeln.

Ihre (ursprüngliche) Beschreibung:

eine Kinase hilft, gespeicherte Energie in einer Zelle chemisch zu liefern oder zu metabolisieren

Klingt eher nach dem, was viele ATPasen tun: Sie nutzen die Energie von ATP, um energetisch ungünstige Arbeiten zu verrichten, wie zum Beispiel Moleküle oder Ionen gegen ihren Konzentrationsgradienten zu bewegen. Kinasen haben jedoch ein breites Spektrum unterschiedlicher Funktionen.

In einigen anabolen Stoffwechselwegen tragen Kinasen ja dazu bei, gespeicherte Energie in Form von Phosphatgruppen auf „Bausteine“ anderer Moleküle abzugeben, und diese gespeicherte Energie kann für zukünftige Reaktionen verwendet werden.

Wenn eine Kinase jedoch ein anderes Molekül (oft ein Protein) phosphoryliert, um seine Funktion zu regulieren, würde ich nicht wirklich sagen, dass sie Energie liefert, nur dass es einige Energiekosten verursacht, zelluläre Lichtschalter umzulegen, und ATP ist einfach als Quelle dafür zur Verfügung. Ein großer Vorteil der Verwendung von Kinasen in solchen Reaktionen besteht darin, dass solche Reaktionen nicht leicht aus Versehen oder nur aufgrund von thermischer Energie ablaufen, da ein ziemlich großer Energieaufwand erforderlich ist.


Kapitel 6 - Membranbioreaktoren

Membranbioreaktoren (MBRs) kombinieren ein Membransystem mit einer biologischen Reaktion und bieten eine einzigartige Möglichkeit, den physikalischen Raum eines Biokatalysators, der ein Enzym, ein Mikroorganismus oder eine Pflanzen-/Tierzelle sein kann, einzuschränken. Aufgrund dieses breiten Spektrums an biologischen Reaktionen kann die Modellierung solcher MBR-Systeme je nach ablaufenden biologischen Prozess sehr unterschiedlich sein. Daher wird in diesem Kapitel erörtert, wie sich die unterschiedlichen Eigenschaften und Komplexitäten interner MBR-Prozesse auf die Wahl zwischen mechanistischen und multivariaten statistischen Modellen auswirken. In vielen Situationen können relativ einfache mechanistische Modelle verwendet werden, beispielsweise in enzymatischen Bioreaktoren. In komplexen Systemen, wie beispielsweise in MBRs für die Abwasserbehandlung, insbesondere wenn eine Prozessüberwachung und -steuerung vorgesehen ist, kann der Ansatz der multivariaten statistischen Modellierung jedoch nützlicher sein. Angesichts der glänzenden Zukunft von MBRs werden die Modellierungsanforderungen eine Herausforderung sein und aufgeschlossene Ansätze erfordern.


Kapitel 1 Thermodynamik und die Regulation von Zellfunktionen

Dieses Kapitel behandelt die Thermodynamik und die Regulation von Zellfunktionen. Einem Freie-Energie-Wandler kann überschüssige freie Eingangsenergie zur Verfügung stehen. Die Biochemie war vor allem deshalb erfolgreich, weil sie das komplexe Zellsystem in kleinere Teile zerlegte, die dann analysiert und verstanden werden konnten. Der Weg zurück, vom verstandenen elementaren Prozess zum Verständnis des gesamten Zellsystems, ist jedoch nahezu unbetreten geblieben. Die Sammlung von Phänomenen, die oft als „zelluläre Signaltransduktion“ bezeichnet werden, ist ein Beispiel für ein hierarchisches (modulares) System. Typischerweise bindet ein extrazellulärer Signalgeber an einen Membranrezeptor und kann beispielsweise dessen Dimerisierung verursachen. Dies ist ein Pfad chemischer Prozesse und bildet eine Hierarchieebene. Metabolische und hierarchische Kontrollanalysen diskutieren die Größe der Kontrollkoeffizienten. Diese sind definiert als die Auswirkung sehr kleiner Parameteränderungen auf die Systemeigenschaften. In der Realität der biologischen Regulierung sind die Veränderungen oft nicht sehr klein.


Mechanismus und Katalyse der nukleophilen Substitution in Phosphatestern

In diesem Kapitel werden die verschiedenen Mechanismen und die Katalyse der nukleophilen Substitution in Phosphatestern diskutiert. Der Mechanismus von Substitutionsreaktionen von Phosphatestern und verwandten Verbindungen war Gegenstand vieler bedeutender neuerer Untersuchungen. Der Grund für dieses Interesse ist auf die biochemische Bedeutung von Phosphatestern und deren Anwendungen zurückzuführen. Diese Materialien werden im Stoffwechsel und in genetischen Prozessen verwendet und bei ihrer Hydrolyse wird Energie freigesetzt. In Abwesenheit von Enzymen erscheinen sie jedoch fast inert. Die Art und Weise, wie ihre Reaktivität durch ein Enzym gesteigert wird, ist nach wie vor ein herausforderndes Problem für die mechanistische Untersuchung. Diese Herausforderung erfordert als Hintergrund eine gesicherte Kenntnis der Reaktionsmechanismen dieser Materialien in Abwesenheit von Enzymen und der Mittel, mit denen eine Katalyse erreicht werden kann. Auf diesem Gebiet wurden verschiedene Untersuchungen mit Kinetik, Stereochemie, Isotopeneffekten, Magnetresonanz, Theorie und anderen Techniken behandelt.


Ist es eine gültige Verallgemeinerung, dass Kinasen Reaktionen katalysieren, bei denen Energie übertragen und genutzt wird? - Biologie

Die Glutathion-abhängige Katalyse ist eine metabolische Anpassung an chemische Herausforderungen, denen alle Lebensformen gegenüberstehen. Im Laufe der Evolution hat die Natur zahlreiche Mechanismen optimiert, um Glutathion als vielseitigstes Nukleophil für die Umwandlung einer Vielzahl schwefel-, sauerstoff- oder kohlenstoffhaltiger elektrophiler Substanzen zu nutzen.

Umfang der Überprüfung

Diese umfassende Übersicht fasst grundlegende Prinzipien der Glutathionkatalyse zusammen und vergleicht die Strukturen und Mechanismen von Glutathion-abhängigen Enzymen, einschließlich Glutathionreduktase, Glutaredoxine, Glutathionperoxidasen, Peroxiredoxine, Glyoxalasen 1 und 2, Glutathiontransferasen und MAPEG. Darüber hinaus werden für jede Enzymfamilie offene mechanistische Fragen, evolutionäre Aspekte und die physiologische Relevanz der Glutathionkatalyse diskutiert.

Wichtigste Schlussfolgerungen

Es ist überraschend, wie wenig über viele Glutathion-abhängige Enzyme bekannt ist, wie oft Reaktionsgeometrien und Säure-Base-Katalysatoren vernachlässigt werden und wie viele mechanistische Rätsel trotz fast hundertjähriger Forschung ungelöst bleiben. Einerseits erkennen mehrere Enzymfamilien mit nicht verwandten Proteinfaltungen die Glutathion-Einheit ihrer Substrate. Andererseits wird die Thioredoxin-Faltung häufig für die Glutathion-Katalyse verwendet. Sowohl antike als auch neuere strukturelle Veränderungen dieser Faltung haben nicht nur den Reaktionsmechanismus signifikant verändert, sondern auch zu völlig anderen Proteinfunktionen geführt.

Allgemeine Bedeutung

Glutathion-abhängige Enzyme sind ausgezeichnete Studienobjekte für Struktur-Funktions-Beziehungen und molekulare Evolution. Insbesondere in Zeiten der Systembiologie sind die Ergebnisse von Modellen zum Glutathionstoffwechsel und zur Redoxregulation mehr als fragwürdig, solange grundlegende Enzymeigenschaften weder untersucht noch verstanden werden. Darüber hinaus könnten mehrere der vorgestellten Mechanismen Auswirkungen auf die Arzneimittelentwicklung haben. Dieser Artikel ist Teil einer Sonderausgabe mit dem Titel Zelluläre Funktionen von Glutathion.

Höhepunkte

► Grundlegende Prinzipien der Glutathionkatalyse werden zusammengefasst. ► Mechanismen von Enzymen mit fünf nicht verwandten Proteinfaltungen werden verglichen. ► Evolutionäre Aspekte und offene mechanistische Fragen werden diskutiert. ► Die physiologische Relevanz der Glutathionkatalyse wird hervorgehoben.


Häm

Häm oder Protoporphyrin IX ist ein Eisen(III)-haltiger Porphyrin-Cofaktor für eine große Anzahl von mikrosomalen gemischtfunktionellen Oxygenasen der Leber, hauptsächlich in der Cytochrom-P450-Enzymfamilie. Diese Enzyme sind wie Flavinmonooxygenasen wichtig für den Stoffwechsel von Xenobiotika, einschließlich Medikamenten. Wie bei den Flavinmonooxygenasen bindet molekularer Sauerstoff an den Häm-Cofaktor (nach Reduktion des Fe 3+ zu Fe 2+ ) und wird in eine reaktive Form umgewandelt, die insbesondere in einer Vielzahl von Oxygenierungsreaktionen verwendet wird Hydroxylierungs- und Epoxidierungsreaktionen. Die Hydroxylierungsreaktionen laufen oft an scheinbar inaktivierten C-Atomen ab. In Häm repräsentieren die peripheren Stickstoffe die 4 Pyrrol-Stickstoffe. Die axialen Liganden im Fall von CYP450 sind ein Cysteinthiolat aus dem Protein und Wasser. Die Elektronen für die Reduktion des Häms von CYP-450 (der 2. und 4. Schritt von 4.35) stammen von einem mit CYP450 komplexierten Enzym namens NADPH-Cytochrom-P450-Reduktase, das NADPH und 2 verschiedene Flavin-Coenzyme (FAD und FMN) enthält [ 36] (Abbildung 25).

Häm ist ein essentielles Molekül, das in vielen Geweben vorkommt, wo es als prothetische Gruppe mehrerer Proteine, die an lebenswichtigen physiologischen und metabolischen Prozessen wie dem Gas- und Elektronentransport beteiligt sind, eine Schlüsselrolle spielt. Häm ist strukturell ein Tetrapyrrolring mit einem Eisenatom (Fe) in seinem Zentrum. Wenn es in das extrazelluläre Milieu freigesetzt wird, übt Häm mehrere schädliche Wirkungen aus, die es zu einem wichtigen Akteur bei infektiösen und nicht infektiösen hämolytischen Erkrankungen machen, bei denen große Mengen an freiem Häm beobachtet werden, wie Malaria, Dengue-Fieber, β-Thalassämie, Sichelzellenanämie und Ischämie-Reperfusion. Der Hämabbau durch HMOX1/HO-1 (Hämoxygenase 1) ist erforderlich und Fe ist für die Bildung von ALIS essentiell, da Hämanaloga, denen das Zentralatom von Fe fehlt, diese Strukturen nicht induzieren können. Die ALIS-Bildung wird auch in vivo in einem Modell der Phenylhydrazin (PHZ)-induzierten Hämolyse beobachtet, was darauf hindeutet, dass sie ein integraler Bestandteil der Wirtsreaktion auf überschüssiges freies Häm ist und eine Rolle bei der zellulären Homöostase spielen könnte [37].

Flavinhaltige Monooxygenasen (FMOs) metabolisieren auch fremde Chemikalien, einschließlich Medikamente, Pestizide und Nahrungsbestandteile. Der Wirkmechanismus von FMOs und Erkenntnisse aus der Struktur von Hefe-FMO. Die drei FMOs (FMOs 1, 2 und 3), die für den Metabolismus fremder Chemikalien beim Menschen am wichtigsten sind, konzentrieren sich auf die Rolle der FMOs und ihrer genetischen Varianten bei der Krankheits- und Arzneimittelreaktion. Funktionsverlustmutationen von FMO3 verursachen die Erkrankung Trimethylaminurie [38]. Flavinhaltige Monooxygenasen (FMOs) katalysieren auch die NADPH-abhängige Monooxygenierung von weich-nukleophilen Stickstoff-, Schwefel- und Phosphoratomen, die in verschiedenen Medikamenten, Pestiziden und Xenobiotika enthalten sind. Flavinhaltige Monooxygenase 3 (FMO3) ist für den Großteil des FMO-vermittelten xenobiotischen Stoffwechsels in der erwachsenen menschlichen Leber verantwortlich. Mutationen im FMO3-Gen können zu einer defekten Trimethylamin (TMA)-N-Oxygenierung führen, die zu der als Trimethylaminurie (TMAU) oder "Fischgeruchssyndrom" bekannten Erkrankung führt [39].


Einführung

Die meiste Zeit pulsiert die Zelle mit chemischer Aktivität. Ruhe – der Zustand der Spore oder des Samens – ist ein Zustand, der in der Schwebe liegt, nicht tot, aber nicht ganz lebendig. Das Leben muss vorwärts gehen. Es beginnt mit den chemischen Umwandlungen, die die Wurzel des Stoffwechsels bilden. Auf der Grundebene des Lebens finden wir dynamische Transformationen, die der Umwelt Verbindungen entziehen, sie zu den Bausteinen der Zelle und zur Energieversorgung verarbeiten, während das Giftige oder Unbrauchbare entsorgt wird. Kontinuierlich verbessert durch genomische Studien, ist ein umfassendes deskriptives Wissen über die passenden Signalwege in Lehrbüchern und Datenbanken verfügbar, die Zugang zu allem bieten, was wir zum Stoffwechsel fragen möchten (vielleicht ohne das, was wir übersehen haben). Dies liefert uns eine Beschreibung der grundlegenden chemischen Umwandlungen, die sich in Zellen ständig vollziehen. Sie sehen glatt aus, während sie auf jeden Fall raffiniert sind. Doch wie bei allen dynamischen Prozessen, insbesondere solchen, die mehrstufig sind, muss manchmal etwas schief gehen: Auch Stoffwechselprodukte müssen repariert werden (Danchin et al., 2011). Unfälle sind trotz ihres Namens die Regel, nicht die Ausnahme. In einem berühmten Buch untersuchte Charles Perrow die Unvermeidlichkeit von Unfällen, Ereignissen, die einzeln nicht vorhersehbar sind, von denen man annimmt, dass sie extrem selten passieren, die aber irgendwann passieren werden, und die er aus diesem Grund als „normale“ Unfälle bezeichnete ( Perrow, 1984). Im Fall des Zellstoffwechsels zeigt sich dies darin, dass aus den zu erwartenden Stoffwechselwegen zwangsläufig Moleküle produziert oder verändert werden. Beispielsweise werden Metaboliten versehentlich oxidiert oder alkyliert. Darüber hinaus wird es immer einen gewissen Schatten geben, der den Kernstoffwechsel begleitet, mit Reaktionen, die aus dem richtigen Weg gehen, was zu Variationen des Themas des normalen Stoffwechsels führt, an dem, was als "unterirdischer" Stoffwechsel bezeichnet wird (D'Ari und Casadesus, 1998) und mehr kürzlich "paraloger" Stoffwechsel (Chan et al., 2014). Der letztgenannte Begriff wurde vorgeschlagen, um die wahrscheinliche Beteiligung von Enzymen zu veranschaulichen, die Paraloge derjenigen waren, die am normalen Stoffwechsel beteiligt waren, als fertige Möglichkeit, mit Metaboliten fertig zu werden, die chemische Varianten der normalen Verbindungen waren. Viele Prozesse tragen dazu bei, dass der Kernstoffwechsel in die Irre geht. Anstatt der Logik des Stoffwechsels (Danchin und Sekowska, 2014) zu folgen, die im Wesentlichen auf einer Kombination von Chemie, Physik und Geologie basiert, untersuche ich hier weit verbreitete genomische Ressourcen sowie aktuelle Artikel, um Trends in der Art und Weise zu identifizieren, wie Zellen Chemieunfälle bewältigen. Offensichtlich ist es unmöglich, alle chemischen Kombinationen zu erforschen, die für das Leben der Zelle von Bedeutung sein können. Hier schlage ich einige Spuren vor, von denen ich hoffe, dass sie für die Genomforschung nützlich sein werden, indem Lösungen identifiziert werden, die von lebenden Organismen gefunden werden, um „normale“ Unfälle im Laufe der Evolution zu bewältigen. Um zukünftigen Genom-Annotatoren zu helfen, ungeahnte Funktionen zu entdecken, spalte ich die Struktur von Unfällen in zwei Hauptthemen auf: solche, die aus Radikalen resultieren, und solche, die aus anderen reaktiven Intermediaten (insbesondere Alterung und Seneszenz) resultieren. Im Folgenden veranschauliche ich anhand einiger konkreter Beispiele anhand von Genomstudien, wie Bakterien mit reaktiven Molekülen umgehen. Die Vorgehensweise von I kann für die weitere Untersuchung der Genomfunktion verwendet werden, beginnend beispielsweise mit der Liste reaktiver Moleküle, die von Hanson und Mitarbeitern vorgeschlagen wurden (Lerma-Ortiz et al., 2016). Ich habe versucht, so weit wie möglich in die Vergangenheit zu reisen und auf frühe Arbeiten Bezug zu nehmen, die meines Wissens nicht weiterverfolgt wurden, aber für zukünftige Genom-Annotationen und genomgetriebene Experimente aufschlussreich sein könnten.


Leben heißt Wandel. Um das Leben zu studieren und zu verstehen, ist es notwendig, Gene, Proteine ​​oder Metaboliten und deren Netzwerke unter statischen Bedingungen zu studieren, aber dies ist nicht ausreichend. Stattdessen müssen wir lernen, mit der dynamischen Aktion umzugehen. Die Systembiologie wurde auf viele verschiedene Arten definiert, wobei immer behauptet wurde, dass ihre neue Qualität im Vergleich zur traditionellen Biologie die Analyse von Systemen und der Wechselwirkungen ihrer Teile ist. Eine wichtige Richtung bei diesem Ansatz ist die integrierte Untersuchung dynamischer biologischer Systeme durch experimentelle Techniken und mathematische Modellierung.

Hefe ist ein idealer Modellorganismus für den integrierten experimentellen und theoretischen Ansatz. Es ist harmlos und leicht zu kultivieren, es kann ohne ethische Probleme manipuliert werden. Darüber hinaus ist es ein Eukaryont mit in vielerlei Hinsicht weitgehender Homologie zu höheren Organismen. Diese Vorteile bringen einen weiteren Vorteil mit sich: Da es sich um einen hochgradig eingesetzten Labororganismus handelt, stehen eine Vielzahl qualitativer und quantitativer Daten zur Verfügung, die von detaillierten Informationen über einzelne Gene, Proteine ​​oder Stoffwechselwege bis hin zu kompletten DNA-Sequenzen (z Saccharomyces cerevisiae 31 und Schizosaccharomyces pombe 122 ) oder Genexpressionsdatensätze für alle Gene unter verschiedenen Bedingungen 25 , 27 , 101 . Diese Daten, kombiniert mit einer Reihe offener Fragen und ungelöster Probleme, sind vielversprechende Voraussetzungen für Modellierungsansätze. Darüber hinaus führte die Offenheit der Hefegemeinschaft gegenüber der Modellierung zur Produktion weiterer Daten, die speziell für die Modellquantifizierung und das Testen erstellt wurden 46 , 72 .

Die Modellierung biochemischer Netzwerke kann helfen, experimentelles Wissen in ein kohärentes Bild zu integrieren und Hypothesen über die zugrunde liegenden biologischen Mechanismen zu testen, zu untermauern oder zu falsifizieren. Das Verhalten komplexer Systeme ist intuitiv oft schwer zu erfassen, weil unsere Argumentation eher einfachen Kausalketten folgt: Wenn Rückkopplungszyklen ins Spiel kommen oder das relative Timing von Prozessen einen Unterschied macht, dann kann mathematische Simulation zuverlässiger sein als bloße Intuition. Die Modellierung betont die ganzheitlichen Aspekte von Signalisierungsnetzwerken, die verschwinden, wenn die Komponenten in verschiedenen „Wet Labs“ auf der ganzen Welt getrennt untersucht werden. Darüber hinaus kann ein einmal etabliertes Modell verwendet werden, um Hypothesen zu testen oder Experimente zu simulieren, die im Labor schwer oder unmöglich wären.

Die Modellierung selbst ist als Prozess nützlich, auch wenn das resultierende Modell nicht zufriedenstellend ist. Es erzwingt abstraktes Denken und die Extraktion wesentlicher Merkmale eines Prozesses. Es hebt Aspekte hervor, bei denen unser Verständnis einer Angelegenheit falsch oder unzureichend ist. Es ermöglicht eine eindeutige Beschreibung unseres aktuellen Wissens – und der darin enthaltenen Lücken.

Für die eigentliche Konstruktion eines Modells wurden drei Hauptrichtungen der Entdeckung formuliert: Bottom-Up, Top-Down und Middle-Out (Begriff Sydney Brenner gutgeschrieben, in Noble 76 ). Bei dynamischen Modellen ist der Bottom-up-Ansatz aufgrund der Komplexität der Systeme und der Tatsache, dass selbst das Verhalten einzelner Pfade selten verstanden wird, immer noch vorherrschend. Die Dynamik kleiner Systeme, etwa einer Reihe von wenigen Stoffwechselreaktionen, ist nicht trivial, noch weniger trivial sind große Netzwerke. Obwohl die Vision einer virtuellen Zelle immer noch existiert, ist dieses Ziel selbst für Hefe nicht naheliegend. Im Allgemeinen enthält eine erfolgreiche dynamische Modellierung die folgenden Bestandteile (Abbildung 1): erstens Formulierung eines zu lösenden Problems (kein Problem, kein brauchbares Modell!) zweitens Aufbau eines Netzwerks oder Verdrahtungsschemas für den Prozess und Formulierung einer Menge von mathematische Gleichungen, meist gewöhnliche Differentialgleichungen drittens, Modellvalidierung (kann das Modell prinzipiell eine Antwort auf die gestellten Fragen geben?) und Modellverifikation (die Parameter aus experimentellen Daten bestimmen und versuchen, die Eingabedaten zu reproduzieren) und nicht zuletzt zumindest die Vorhersage neuer Merkmale, insbesondere von experimentell prüfbaren Effekten, wie Deletions- oder Überexpressionsmutanten, das Ergebnis sich ändernder experimenteller Bedingungen oder die Wirkung bestimmter Störungen.

Modellierungspipeline: Schematische Darstellung üblicher Schritte in der Entwicklung von Dynamikmodellen am Beispiel eines ODE-Modells der osmotischen Stressantwort 58

Das zelluläre Leben kombiniert verschiedene unterschiedliche biochemische Prozesse, die in der experimentellen Forschung und in der theoretischen Modellbildung getrennt betrachtet wurden. Zu diesen Prozessen gehören Stoffwechsel, Signalübertragung, Genexpression und der Zellzyklus. Wir werden diese kurz beschreiben, ihre Unterschiede hervorheben und dann verschiedene Modelle und ihre Fähigkeiten diskutieren, neue Erkenntnisse zu geben. Zunächst werden jedoch die gebräuchlichen mathematischen Techniken und Methoden skizziert.


Abstrakt

ATP-bindende Kassetten (ABC)-Transporter bilden eine allgegenwärtige Superfamilie integraler Membranproteine, die für die ATP-unterstützte Translokation vieler Substrate durch Membranen verantwortlich sind. Die hochkonservierten ABC-Domänen der ABC-Transporter liefern den nukleotidabhängigen Motor, der den Transport antreibt. Im Gegensatz dazu sind die Transmembrandomänen, die den Translokationsweg bilden, variabler. Jüngste strukturelle Fortschritte bei prokaryotischen ABC-Transportern haben einen qualitativen molekularen Rahmen für die Entschlüsselung des Transportzyklus bereitgestellt. Ein wichtiges Ziel ist die Entwicklung quantitativer Modelle, die die kinetischen und molekularen Mechanismen detailliert beschreiben, durch die ABC-Transporter die Bindung und Hydrolyse von ATP an die Substrattranslokation koppeln.


Hintergrund

Abszission ist der Entwicklungsmechanismus, durch den Pflanzen in der Lage sind, beschädigte und übermäßig gebildete Organe abzustoßen und die metabolische Energie zu regulieren, die erforderlich ist, um die Bildung von vegetativen und reproduktiven Strukturen erfolgreich zu erreichen [1]. Die Abszission umfasst eine komplexe, aber präzise Regulierung der Zelltrennung, die in einer bestimmten Schicht spezialisierter Zellen, der sogenannten Abszissionszone (AZ), stattfindet und gleichzeitig durch endogene und exogene Signale, wie abiotische und biotische Wechselwirkungen oder Exposition gegenüber chemischen Molekülen, aktiviert wird und darauf reagiert [2, 3]. Sobald die AZ richtig differenziert ist, erwerben die AZ-Zellen die Fähigkeit, auf Auslöse-Abszisions-Signale durch hormonvermittelte Wege zu reagieren. Nach der Aktivierungsphase, durch Modulation der Expression von Genen, die unter anderem am Zellwand-(CW)-Remodeling und Proteinmetabolismus beteiligt sind, und einer hohen Anzahl von Transkriptionsfaktoren, Zelltrennung und Differenzierung einer proximalen Schutzschicht nach Organablösung als letzte Schritte des Abszissionsprozesses [4, 5]. Nach dem derzeit akzeptierten Modell muss der endogene Fluss von inhibitorischem Auxin in einem zur Abszisse bestimmten Organ sinken, um eine Empfindlichkeit gegenüber Ethylen zu erlangen [6, 7]. Abscisinsäure (ABA) ist beteiligt, indem sie als Modulator des 1-Aminocyclopropan-1-carbonsäure (ACC)-Spiegels und damit der Ethylenbiosynthese wirkt [8]. Eine erhöhte Ethylenbiosynthese ist mit den letzten Ereignissen der Abszissionsaktivierung verbunden, nämlich durch die Förderung der CW-Zerlegungs-bezogenen Genetranskription [9, 10]. Erhöhte Mengen an reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) spielen eine zentrale Rolle bei der Kontrolle der Organabszision, die mehrere Schritte der Signalübertragung stromabwärts von Ethylen umfasst und mit ROS-Zucker-Hormon-Crosstalk verbunden ist [11-14].

In den Fortpflanzungsorganen ist die Abszission auch mit einer geringeren Verfügbarkeit von Kohlenhydraten und Polyaminen (PA) für sich entwickelnde Blüten und Früchte verbunden [15-18]. Zusammen mit seiner Rolle als Energiequelle wirkt Glukose als unterdrückendes Signal des programmierten Zelltods (PCD) [19]. Kürzlich wurde ein Glukosegradient in der AZ vorgeschlagen, ähnlich dem Auxinfluss, der die Ethylensignalisierung reguliert [2]. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass der Blütenstand, der keine Abszissions-(IDA)-Peptidsignale aufweist, und die interagierenden Rezeptor-ähnlichen Kinasen, HAESA und HAESA-like2, mitogenaktivierte Proteinkinase(MAPK)-Kaskaden aktivieren, die zur Abszission von Blütenorganen in Arabidopsis thaliana L. [20, 21], in einem Signalsystem, von dem vorgeschlagen wurde, dass es konserviert ist und die Zelltrennung in anderen Pflanzenarten reguliert [22].

Strategien, die den Blüten- und Fruchtschnitt stimulieren, sind weit verbreitete Gartenbaupraktiken, die zusammen als Ausdünnung bekannt sind. In kernlosen Tafeltrauben (Vitis vinifera L.) ist die Reduzierung der Beerenzahl pro Traube zwingend erforderlich, um die Qualität der Traube zu gewährleisten und das Auftreten von Pilzkrankheiten zu verringern [23]. Das Versprühen von Gibberellinsäure (GAc) während der Blüte, oft gefolgt von manuellen Anpassungen, ist die gebräuchlichste Methode zur Ausdünnung bei Weinreben [23–27], obwohl die Mechanismen, durch die GAc die Abszission induziert, weitgehend unbekannt sind. Gibberellin (GA)-Wahrnehmung und Signalgebung, die in Modellpflanzen untersucht wurden [28] offenbarte Früherkennung über der GA-INSENSITIVE DWARF1 (GID1)-Rezeptor und die Interaktion zwischen dem GA-GID-Komplex und dem DELLA-Transkriptionsfaktor, der für die GA-Signalrepression verantwortlich ist. Die Bindung von GA-GID1 an DELLA induziert die Erkennung von DELLA für die Ubiquitinierung durch ein spezifisches F-Box-Protein (GID2), das zu einem schnellen Abbau von DELLAs führt über der Ubiquitin-Proteasom-Weg. Kürzlich wurden GA-induzierte Veränderungen im Transkriptom von Blütenständen vor der Blüte und von Beerenwachstumsstadien bei Weinreben untersucht [29, 30] und die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die GAc-Anwendung auf Traubenblüten und Beeren einen ziemlich umfassenden Einfluss auf deren Stoffwechsel hat, der durch Hormonbiosynthese und -signalisierung, insbesondere durch eine negative Rückkopplungsregulation der GAs-Biosynthese und -Signalisierung [29, 30].

Der Blütenabriss kann auch durch Beschattungsbedingungen (70-90 % Lichtabfang) während der Blütezeit gefördert werden [12, 31, 32], was den Weg ebnet, Lichtmanagement als alternative Ausdünnungsmethode zu erforschen. Die ausgeprägte Reduktion der Nettophotosyntheseraten unter Schattierung fördert die Konkurrenz um Photoassimilate zwischen vegetativen und reproduktiven Organen, was in diesem frühen Entwicklungsstadium zu einer Ablösung letzterer mit geringerer Sinkkraft führt [33]. Schatteninduzierte Veränderungen im Transkriptom von Apfel (Malus × inländisch).

Daher ist die Abszission eine schwierige biologische Frage, die durch mindestens zwei unterschiedliche Reize mit unterschiedlicher physiologischer Grundlage induziert werden kann. Kürzlich wurde ein experimenteller Assay mit eingetopften Reben verwendet, die unter einem hydroponischen Produktionssystem im Gewächshaus verwaltet und mit GAc-Spritzen oder verdünnt wurden über Schattennetze zur Reduzierung von abgefangenem Licht haben wir eine effiziente Methode etabliert, um Probensets mit vorhersagbarem Abszisionspotential zu erzeugen, das durch verschiedene (chemische und umweltbedingte) Hinweise ausgelöst wird [12]. Wir berichten nun über die Wirkung der gleichen Abszissionsinduktoren unter Verwendung eines anderen genetischen Hintergrunds unter Feldbedingungen. Die Begründung war, dass durch die Verwendung einer kernlosen Sorte, der die wichtigste endogene Quelle bioaktiver GAs beraubt wurde [34] und die sich unter Anpassung an mehrere Feldbelastungen entwickelte, die wichtigsten Signale für die Abszissionsauslösung wahrgenommen würden, was neue Erkenntnisse zu diesem Thema lieferte. Daher wurden umfassende hochmoderne Metabolomik, RNA-Seq-Transkriptomik und physiologische Messungen durchgeführt, um zu diskutieren, wie Umwelt (C-Mangel) und GAc-Anwendung die Blütenabzission auslösen, um Wege zu identifizieren, die die Fähigkeit eines Organs, kompetent zu werden, zu identifizieren Zelltrennung und Spezifitäten und Kommunikation zwischen verschiedenen Wegen, die zum Organverlust führen. Darüber hinaus liefert die vorliegende Studie den ersten sequentiellen transkriptomischen Atlas der GAc-induzierten Blütenabszision.


Danksagung

Wir danken Nicole Buan für die Bereitstellung der rpoA1 externe Standard-mRNA. Diese Arbeit wurde durch einen National Science Foundation Grant (MCB0517419) an W.W.M. Alle Meinungen, Ergebnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen in diesem Material sind die der Autoren und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten der National Science Foundation wider. Wir danken auch Dr. Michael Rother für den Datenaustausch und die nützlichen Diskussionen.

Bitte beachten Sie: Der Herausgeber ist nicht verantwortlich für den Inhalt oder die Funktionalität der von den Autoren bereitgestellten unterstützenden Informationen. Alle Anfragen (außer fehlenden Inhalten) sollten an den entsprechenden Autor des Artikels gerichtet werden.