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Abstract

Zellen verfügen über sehr leistungsfähige und hierarchisch strukturierte Regulationen, um ihren Stoffwechsel zu kontrollieren und den Umgebungsbedingungen anzupassen. Erst diese Regulationen bringen Ordnung in ein potentielles Chaos von tausenden individueller Reaktionen, die in einer Zelle ablaufen. Will man die Wirkungsweise dieser Regulationen und ihre wechselseitigen Beeinflussungen verstehen, so ist eine molekularbiologisch orientierte mathematische Modellierung zellulärer Funktionseinheiten nicht nur hilfreich sondern geboten. Dabei erweist sich ein Modellierungskonzept als sehr nützlich, das auf einer Verschaltung elementarer Modellbausteine basiert, die elementaren molekularbiologischen Zellbausteinen zugeordnet sind. Die dadurch erreichte biologische Transparenz erleichtert die interdisziplinäre Kooperation zwischen Biologie und Systemwissenschaften, der im Hinblick auf eine Aufklärung der Regulationsvorgänge eine entscheidende Bedeutung zukommt. An zwei typischen zellulären Funktionseinheiten, nämlich der Kataboliten-Repression in Escherichia coli und dem Zellzyklus in Saccharomyces cerevisiae wird die überragende Bedeutung, die der Regelung in zellulären biologischen Systemen zukommt, verdeutlicht. Dabei zeigt sich, dass die Regulationen im allgemeinen hierarchisch strukturiert sind und dadurch eine hohe Effizienz aufweisen. Es liegt nahe, aus den Erkenntnissen Anregungen für die Strukturierung von Regelungen für komplexe technische Prozesse zu ziehen. Biological cells dispose of very efficient and hierachically structured regulations to control their metabolism and to adapt it to variations in the environmental conditions. Only these regulations straighton up a potential chaos of thousands of individual reactions occuring in a cell. To understand the functioning of these regulations and the complexity of their interactions mathematical modelling on the basis of a detailed biomolecular description of cellular functional units is not only helpful but requisite. This modelling process can be supported by a modelling concept interconnecting elementary modelling objects assigned to elementary biomolecular building blocks. This correspondence allows for biological transparency and facilitates interdisciplinary co-operation between biology and system sciences as an important precondition to enable a deeper understanding of regulatory processes. The important role regulation plays in cellular biological systems is demonstrated by means of two typical functional units, the catabolite repression in E. coli and the cell cycle regulation in Saccharomyces cerevisiae. These two examples show both the typical hierarchical structure and the high efficiency of regulatory processes in cells. A better understanding of cellular functional units can give hints how to improve control concepts for technical processes especially in chemical engineering. copyright Oldenbourg Verlag [accessed 2014 October 16]