Презентация на тему Hierarchies in Systems Biology

Содержание

1. Hierarchies in Systems Biology
2. Mark A. Knepper, MD, PhD Laboratory
3. Reception of extracellular signal by cell Transduction of
4. Transduction of signal from outside of cell to
6. Correspondence: Dr. David Pearce, Division of Nephrology, Department
7. Three general categories of chemical signaling: Cytoplasmic connections
9. Природа биологических сигналов Chemical Signaling Between Cells
10. Высокая аффинность рецептора и лиганда , по-видимому, достигается
11. Принципиальный момент: Передача сигнала происходит в
12. Константа аффинности отражает энергию связи лиганд-рецептор.
13. Энтропию термодинамической системы можно определить через множество возможных
14. Энтальпия или энергия расширенной системы E равна сумме
15. Свободная энергия (функция) Гиббса: G = H
16. Классическим определением энергии Гиббса является выражение
17. The free energy enables us to do changes
18. Clark’s Theory Условия применимости классической модели взаимодействия лиганд-рецептор
19. 1 обратимость связывания 2 все рецепторы эквивалентны
20. signals that are released from one cell and
21. Взаимодействие молекулы лиганда (l) со связывающей молекулой (b)
22. Ka (B0 - [bl]) =
23. Размерность константы ассоциации – обратные моли (M
24. The equilibrium constant (association constant): Keq = KA
25. Multiple Independent Binding Sites ν = nY ν
26. Ингибитор снижает Кass [I] - inhibitor concentration,
27. Cooperative Binding · Positive cooperativity is observed when
28. Hill plot formulated by Archibald Hill in 1910
30. Independent sites - microscopic and macroscopic binding affinities
31. Signal Amplification (Cascade)
32. Динамическое равновесие в клетке: Активация белка киназой, деактивация
33. A simple model of enzyme action: V0
34. Скорость образования: [ES] = k1[E][S]. Скорость убывания:
35. Цель, определить [ES] через измеряемые величины.
37. Km = ([E]total - [ES]) [S]/[ES]
38. В условиях насыщения субстратом, когда [ES] = [E]total
41. Мутанты рецептора EGF
42. About 70 to 80 percent breast precancers have
43. One of the fascinating things that have
45. Настоящий инженер немедленно начнет писать функцию с 7-ю
46. Ингибитор снижает Кass [I] - inhibitor concentration,
47. Spironolactone MW 416.57
48. Spironolactone (верошпирон) IC50 ~ 2 nM
51. Динамическое равновесие в клетке: Активация белка киназой, деактивация
52. A simple model of enzyme action: V0
53. Скорость образования: [ES] = k1[E][S]. Скорость убывания:
54. Цель, определить [ES] через измеряемые величины.
56. Km = ([E]total - [ES]) [S]/[ES]
57. В условиях насыщения субстратом, когда [ES] = [E]total
64. Studies of water transport across cell plasma membrane. Schematic diagram of the experimental setup
65. To understand the adaptive reaction better one needs
67. Simulation of the RVD reaction in consequent shocks
68. Principal cell Some key agents in
69. Скачать презентацию

Mark A. Knepper, MD, PhD Laboratory of Kidney & Electrolyte Metabolism National Heart, Lung, and Blood Institute NIH Bethesda, Maryland, USA Johns Hopkins, 2010 1. Data acquisition; 2.

Слайды и текст этой презентации

Слайд 1DNA
RNA
Protein
Pathway
Cell
Tissue
Network

Hierarchies in Systems Biology
(Slide compliments of Joe

Nadeau)
Organism
Organ
Physical Laws of Nature

Слайд 2
Mark A. Knepper, MD, PhD

Laboratory of Kidney

& Electrolyte Metabolism
National Heart, Lung, and Blood

Institute
NIH
Bethesda, Maryland, USA

Johns Hopkins, 2010

1. Data acquisition;
2. Data organization and integration;
3. Computation (mathematical modeling).

Systems biology involves

Mark A. Knepper, MD, PhD Laboratory of Kidney & Electrolyte

Слайд 3Reception of extracellular signal by cell
Transduction of

signal from outside of cell to inside

of cell—often multi-stepped
Note not necessarily transduction of ligand
Cellular Response
Response is inititiated and/or occurs entirely within receiving cell

Three Stages of Signal Transduction

Reception of extracellular signal by cell Transduction of signal from outside of

Слайд 4Transduction of signal from outside of cell

to inside of cell—often multi-stepped
Note

not necessarily transduction of ligand

Transduction of signal from outside of cell to inside of cell—often multi-stepped

Слайд 6Correspondence:
Dr. David Pearce,
Division of
Nephrology,
Department of
Medicine, University
of California,

San
Francisco, HSE 672,
San Francisco, CA
94143. Email:
dpearce@medsfgh.
ucsf.edu

Слайд 7Three general categories of chemical signaling:
Cytoplasmic connections

between cells
Cell-to-cell contact-mediated signaling
Free diffusion between cells
Distant

cells (hormones)
Adjacent cells (within interstitial space)

Chemical Signaling Between Cells

Three general categories of chemical signaling: Cytoplasmic connections between cells Cell-to-cell contact-mediated

Слайд 9Природа биологических сигналов
Chemical Signaling Between Cells

Слайд 10Высокая аффинность рецептора и лиганда , по-видимому,

достигается за счет конгруэнтности участка молекулы рецептора,

непосредственно входящего в контакт, с лигандом. Впервые такая мысль была сформулирована нобелевскими лауреатами 1908 года
И.М. Мечниковым и П. Эрлихом. Существование таких специализированных доменов в молекулах рецепторов подтверждено современными исследованиями.

Высокая аффинность рецептора и лиганда , по-видимому, достигается за счет конгруэнтности участка

Слайд 11
Принципиальный момент:
Передача сигнала происходит в результате

физического контакта лиганда с рецептором.
All of

latter involves the physical movement of Ligands.
That is, Ligand Reception by a Protein
Note that Reception means Molecule-to-Molecule Contact

Принципиальный момент: Передача сигнала происходит в результате физического контакта лиганда

Слайд 12Константа аффинности отражает энергию связи лиганд-рецептор.

The equilibrium constant (association constant):
Keq =

KA

Provides a qualitative measure of the affinity
∆G= -RTlnKeq.

Константа аффинности отражает энергию связи лиганд-рецептор. The equilibrium constant

Слайд 13Энтропию термодинамической системы можно определить через множество

возможных равновероятных (микро) конфигураций (Ω), соответствующих конкретному

состоянию системы:
где kb постоянная Больцмана (имеет размерность энергия/Т).

S=kb lnΩ

Изменения энтропии в термодинамических обратимых процессах (ΔS). Макроскопическое определение:

ΔS=∫δQ/T

Энтропию термодинамической системы можно определить через множество возможных равновероятных (микро) конфигураций (Ω),

Слайд 14Энтальпия или энергия расширенной системы E равна

сумме внутренней энергии газа U
и
потенциальной

энергии E = PV

H = U + PV
.

Энтальпия или энергия расширенной системы E равна сумме внутренней энергии газа U

Слайд 15Свободная энергия (функция) Гиббса:
G = H

– T S

ΔG = ΔH –

T ΔS
Must know this!

изменение энтропии мира в результате изменений в системе:
ΔStotal = ΔSsurr + ΔSsys

Свободная энергия (функция) Гиббса: G = H – T S

Слайд 16Классическим определением энергии Гиббса является выражение

G = U + P V −

T S

Где:
U — внутренняя энергия,
P — давление,
V — объём,
T — абсолютная температура,
S — энтропия.

Классическим определением энергии Гиббса является выражение G = U

Слайд 17The free energy enables us to do

changes that occur at a constant temperature

and pressure (the Gibbs free energy) or constant temperature and volume (the Helmholtz free energy.)

The Helmholtz free energy is of interest mainly to chemical engineers

The free energy enables us to do changes that occur at a

Слайд 18Clark’s Theory
Условия применимости классической модели взаимодействия лиганд-рецептор

Слайд 191 обратимость связывания
2 все рецепторы эквивалентны

и независимы
3 биологический ответ пропорционален количеству

занятых рецепторов
4 параметры связывания и эффективность определяются в состоянии равновесия
5 лиганд не изменяется химически

1 обратимость связывания 2 все рецепторы эквивалентны и независимы 3

Слайд 20signals that are released from one cell

and allowed to freely diffuse to a

second (or more) recipient cell(s)
We will consider in particular those events that follow the reception of chemical signals
We will not dwell on the purpose of the signal

Signal-Transduction Emphasis

signals that are released from one cell and allowed to freely diffuse

Слайд 21Взаимодействие молекулы лиганда (l) со связывающей молекулой

(b) в условиях равновесия можно описать таким

уравнением:

k1 [b][l] – k2 [bl] = 0;

k1/ k2 = Ka;

Kd = Ka-1

Взаимодействие молекулы лиганда (l) со связывающей молекулой (b) в условиях равновесия можно

Слайд 22

Ka (B0 - [bl]) = [bl]/

[l] ;

Если: [bl] = B

; [l] = F

То: B/ F = Ka (B0 – B)

получаем уравнение Скетчарда

Слайд 23
Размерность константы ассоциации – обратные моли (M

–1), но для характеристики аффинности чаще пользуются

величиной константы диссоциации (M).
Что касается величин Kd наблюдаемых в природе, то для большинства гормонов значение этой константы лежит в области от
10-8 до 10-10 M.
Для седечного гликозида ouabain эта величина порядка 10-6 M.

Размерность константы ассоциации – обратные моли (M –1), но для характеристики

Слайд 24The equilibrium constant (association constant): Keq =

KA
Provides a qualitative measure of the

affinity ∆G= -RTlnKeq.

[M] is the concentration of the protein,
[L] is the concentration of the free ligand

The fractional saturation –Y:

When the protein is half saturated with the ligand the
ligand concentration is equal to KD

The equilibrium constant (association constant): Keq = KA Provides a qualitative

Слайд 25Multiple Independent Binding Sites
ν = nY
ν -

the moles of bound ligand over the

total protein concentration

ν - varies from 0 to n (instead of 0 to 1 for Y)

Scatchard plot

Multiple Independent Binding Sites ν = nY ν - the moles of

Слайд 26Ингибитор снижает Кass

[I] - inhibitor concentration,
KI

- association constant of the inhibitor.

The fractional

saturation –Y:

Конкурентное ингибиторование

Ингибитор снижает Кass [I] - inhibitor concentration, KI - association

Слайд 27Cooperative Binding
· Positive cooperativity is observed when

K2 is larger than kon/2koff.
· Negative cooperativity

is observed when K2 is less than kon/2koff

plots of ν versus [L]

non-cooperative, positive cooperative, and negative cooperative

linear scale

semi-log scale

Cooperative Binding · Positive cooperativity is observed when K2 is larger than

Слайд 28Hill plot
formulated by Archibald Hill in

1910

Слайд 29

Слайд 30Independent sites - microscopic and macroscopic binding

affinities
(binding of two ligands to an immunoglobulin)
equilibrium

association constants
macroscopic binding constants

microscopic association constant
if only one ligand can bind

kinetic rate constants
for ligand binding is kon
for release of the ligand is koff

2 -two ways to make [ML].

2 -two ways of forming [ML]
starting from [ML2].

Independent sites - microscopic and macroscopic binding affinities (binding of two ligands

Слайд 31Signal Amplification (Cascade)

Слайд 32Динамическое равновесие в клетке:
Активация белка киназой, деактивация

фосфатазой.
В норме сигнал не может длиться вечно.

Phosphorylation Cascade

Динамическое равновесие в клетке: Активация белка киназой, деактивация фосфатазой. В норме сигнал

Слайд 33A simple model of enzyme action:
V0

= kcat[ES]

Начальная скорость реакции – концентрация

продукта мала, субстрат в избытке, концентрация субстрата много больше чем
продукта ([P] << [S]) и
фермента ([E] << [S]).

A simple model of enzyme action: V0 = kcat[ES]

Слайд 34Скорость образования: [ES] = k1[E][S].
Скорость убывания:

[ES] = k-1[ES] + kcat [ES].
Стационарное

состояние: k-1[ES] + kcat[ES] = k1[E][S]

Условия ([P] << [S]) и ([E] << [S]).
обычно создаются в эксперименте и тогда согласно закону сохранения массы:
[S]0 = [S]free + [ES] + [P] ,
тогда приближенно - [S]0 = [S]
для фермента - [E]total = [E]free + [ES]

Скорость образования: [ES] = k1[E][S]. Скорость убывания: [ES] = k-1[ES] +

Слайд 35Цель, определить [ES] через измеряемые величины.

Сгруппируем константы (кинетические) и переменные (концентрации):

(k-1 + kcat) [ES] = k1 [E][S],
(k-1 + kcat)/k1 = [E][S]/[ES] ;
Km = (k-1 + kcat)/k1

Цель, определить [ES] через измеряемые величины. Сгруппируем константы (кинетические)

Слайд 36

Выразим [E] через [ES] и

[E]total:
[E] = [E]total - [ES];

Слайд 37Km = ([E]total - [ES]) [S]/[ES]

[ES]

Km = [E]total[S] - [ES][S] [ES] Km

+ [ES][S] = [E]total[S]
[ES](Km + [S]) = [E]total[S] [ES] = [E]total [S]/(Km + [S])

V0 = kcat[E]total [S]/(Km + [S]) (подставляя в V0 = kcat[ES] )

Km = ([E]total - [ES]) [S]/[ES] [ES] Km = [E]total[S]

Слайд 38В условиях насыщения субстратом, когда [ES] =

[E]total

Vmax = kcat [E]total подставляем

в V0 = kcat[E]total [S]/(Km + [S])

V0 = Vmax [S]/(Km + [S])
Это выражение скорости реакции через концентрацию субстрата и Km

Физический смысл Km

При [S] = Km V0 = 1/2 Vmax ; при малых [S]

V0 стремится к Vmax[S] /Km
Vmax /Km (или kcat /Km ) - «каталитическая сила»

В условиях насыщения субстратом, когда [ES] = [E]total Vmax =

Слайд 39

Слайд 40

Слайд 41Мутанты рецептора EGF

Слайд 42About 70 to 80 percent breast precancers

have over expression of Her-2/neu oncogene. Although

Her-2/neu oncogene was first identified in breast cancer

About 70 to 80 percent breast precancers have over expression of Her-2/neu

Слайд 43One of the fascinating things that
have

happened in recent years is that
an

antibody to counteract the
Her-2/neu receptor, can be given intravenously. It has quite a unique mechanism of action. It attaches only to cells with too much Her-2/neu receptor, not the normal ones. Unlike chemotherapy, with which case most dividing cells are destroyed, it is a targeted therapy.

http://EzineArticles.com/?expert=Michael_Russell

One of the fascinating things that have happened in recent years

Слайд 44

Слайд 45Настоящий инженер немедленно начнет писать функцию с

7-ю переменными и минимизировать ее с помощью

системы дифференциальных уравнений...

Настоящий инженер немедленно начнет писать функцию с 7-ю переменными и минимизировать ее

Слайд 46Ингибитор снижает Кass

[I] - inhibitor concentration,
KI

- association constant of the inhibitor.

The fractional

saturation –Y:

Слайд 47Spironolactone MW 416.57

Слайд 48Spironolactone (верошпирон)
IC50 ~ 2 nM

Aldosterone

Kd ~ 0.14 nM

Aldosterone blood plasma

concentration
«норма» ~ 0.2 nM
«отеки, гипертония» ~ 0.5 nM

Доза верошпирона для нормализации - ?

Spironolactone (верошпирон) IC50 ~ 2 nM Aldosterone Kd

Слайд 49

Слайд 50

Слайд 51Динамическое равновесие в клетке:
Активация белка киназой, деактивация

фосфатазой.
В норме сигнал не может длиться вечно.

Phosphorylation Cascade

Слайд 52A simple model of enzyme action:
V0

= kcat[ES]

Начальная скорость реакции – концентрация