Modul 20-GBSB-MM-IV_BCh Stoffwechselkompetenz der Eukaryotenzelle für Biochemiker

Die Studierenden sind mit den Mechanismen der metabolischen Regulation und der Stoffwechselvielfalt biologischer Systeme vertraut; diese reichen von klassischen und einfachen feed-back- und feed-forward-Mechanismen bis hin zur Kontrolle in metabolischen Netzwerken und globalen Kontrollmechanismen auf genetischer Ebene. Sie besitzen theoretische und praktische Kenntnisse der modernen Analytik zur sensitiven Metabolitquantifizierung und -identifizierung bis hin zur Metabolomanalyse, wie sie als eine horizontale Ebene in systembiologischen Ansätzen benötigt wird.

Die Erschließung der genetischen Information kompletter Genome ermöglicht auf der Basis der klassifizierten Gene vorläufige Aussagen zur Struktur und Komplexität des zellulären Stoffwechsels. Beispielsweise ist den Genkategorien "Metabolismus, Energie, Transport und Synthesen" typischerweise ungefähr die Hälfte der klassifizierbaren Genprodukte zuzurechnen. Die tatsächliche Stoffwechselkompetenz der einzelnen Zelle wird durch kurz- und langfristig wirkende Regulationsmechanismen eingestellt. Das Modul führt theoretisch und praktisch in die Molekularbiologie und Biochemie von Stoffwechselprozessen ein: Aufbauend auf biochemischen Grundkenntnissen werden Regulationsprinzipien an Hand einfacher und komplexer Regelkreise herausgearbeitet. Dies beinhaltet die Beschreibung ausgewählter Stoffwechselwege mit den regulatorischen "protein targets", deren Regulation beispielsweise durch metabolische Kontrolle, reversible Phosphorylierung, 14-3-3-Proteine und Thiol-Disulfid-Übergänge gesteuert wird. Zusätzlich werden involvierte Sensormechanismen der Zelle, die den zellulären Redox-, Energie-, Metabolit- und Zuckerstatus messen und als Stellgrößen wirken, vermittelt. Auf dem Weg zum systembiologischen Verständnis werden umfangreiche Metabolitanalysen vor allem mittels Massenspektrometrie durchgeführt. Hierbei sind in eukaryotischen Mehrzellern gewebe-, zell- und kompartimentspezifische Differenzierungen vorzunehmen. Entwicklungszustand und Umweltfaktoren modifizieren den Metabolitstatus. Diese Metabolitdaten werden dann im nächsten Schritt mit den Datensätzen der Genaktivität, der Proteinmenge und -aktivität verknüpft.
In der Übung werden experimentelle Fragestellungen bearbeitet, die sich an aktuelle Forschungsprojekte der Arbeitsgruppen am Lehrstuhl für Biochemie und Physiologie der Pflanzen anlehnen. Die jeweilige Aufgabe wird unter Anleitung erfahrener Wissenschaftler, aber möglichst selbständig bearbeitet, wobei ein am Lehrstuhl etabliertes Methodenspektrum erlernt und selbständig angewandt werden soll.

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