Biomoleküle (Abb. 1) Die Biochemie ist ein äußerst faszinierender Wissenszweig. Sie beschreibt nämlich die chemischen Vorgänge in Lebewesen, die

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1 1 Biomoleküle (Abb. 1) Die Biochemie ist ein äußerst faszinierender Wissenszweig. Sie beschreibt nämlich die chemischen Vorgänge in Lebewesen, die letztendlich die bewundernswerte Vielfältigkeit in ihrer Form und Funktion bestimmen. Lebewesen enthalten weitaus mehr Molekülarten und beherbergen weitaus mehr chemische Reaktionsarten als die ganze anorganische Welt, wie es in der projizierten Bildung durch den Vergleich eines Gebirges mit einem Korallenriff veranschaulicht ist. (Abb. 2) Wie komplex und hochgradig organisiert die aus Biomolekülen aufgebauten biologischen Strukturen sind, zeigt etwa diese elektronenmikroskopische Aufnahme aus einem Dünnschnitt von quergestreiften Muskelgeweben eines Wirbeltieres. Tausende von ähnlich komplexen Ultrastrukturen sind in den unterschiedlichen Lebewesen zu finden. (Abb. 3) Es ist auch die Biochemie, die erklärt, wie Energie aus der Sonne in Pflanzen kleine anorganische Moleküle, und zwar Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser zu Nährstoffen umwandelt und über die Nahrungskette molekulare Bausteine und chemische Energie für alle Lebewesen liefert. In der Abbildung nimmt ein Falke durch Verzehr eines kleinen Vogels Nährstoffe auf. (Abb. 4) Eine der erstaunlichsten Leistungen der Biochemie ist die Erklärung der Fähigkeit von Lebewesen, sich selbst mit vollkommener Perfektion replizieren zu können. Zum Beispiel besteht jedes Zebra aus Milliarden von Zellen, jede Zelle ihrerseits enthält Tausende verschiedener Molekülarten, von denen einige äußerst komplex sind, dennoch ist jedes Zebrafohlen eine getreue Kopie seiner Eltern. (Abb. 5) In der präbiotischen Zeit, vor über 4 Milliarden Jahren, waren viele anorganische, aber keine organischen Moleküle in der Erdkruste, dem Meer oder der Atmosphäre vorhanden. Nach der Theorie von Oparin war die Uratmosphäre reduzierend und reich an Methan, als der einzigen Kohlenstoff-Verbindung, darüber hinaus an Ammoniak, Wasserstoff und Wasser, enthielt aber keinen

2 2 Sauerstoff. Bei Blitzen freigesetzte elektrische Energie oder Wärmeenergie aus Vulkanen führte dazu, dass diese anorganischen Verbindungen unter Bildung organischer Moleküle miteinander reagierten. Später konnten Miller und Urey mit dem dargestellten Experiment diese Möglichkeit unterstützen. Dabei entstanden biologisch wichtige Moleküle; und zwar eine Reihe von Karbonsäuren, wie Milchsäure oder Fettsäuren, weiterhin Untereinheiten von Nukleinsäuren, wie Adenin oder Guanin, Untereinheiten von Proteinen, wie Glycin oder Alanin, und auch einige Zuckermoleküle, sowohl Pentosen als auch Hexosen. Theorien über weitere Schritte der präbiotischen Evolution, wie etwa die Entstehung der ersten, sich selbst replizierenden Nukleinsäuren, sind experimentell bisher nicht bestätigt werden. (Abb. 6) In Lebewesen sind die unterschiedlichen Biomolekülarten in äußerst unterschiedlichen Verhältnissen und in unterschiedlicher Anzahl vorhanden. Zum Beispiel enthält eine E. Coli-Zelle je 3000 Proteinarten und Ribonukleinsäurearten, 500 Arten von monomeren Untereinheiten der Makromoleküle und Stoffwechsel- Zwischenprodukte, und je 20 Arten von anorganischen Ionen und Lipiden. Das häufigste Molekül ist Wasser, mit ungefähr 70 Prozent am Gesamtgewicht. Danach kommen Proteine mit 15 Prozent und Ribonukleinsäuren mit 6 Prozent. Nur etwa 20 der über 90 natürlich vorkommenden chemischen Elemente sind für Lebewesen essentiell. Die meisten dieser Elemente haben relativ kleine Ordnungszahlen. Am häufigsten sind Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff vertreten. Sie betragen ungefähr 99 Prozent des Gesamtgewichts der lebenden Zellen. (Abb. 7) Mehrere Kohlenstoffatome können über kovalente Einfachbindungen sehr stabile, lineare, verzweigte oder ringförmige Ketten bilden, die man als Kohlenstoffrückgrat bezeichnet. Manchmal enthält das Kohlenstoffrückgrat einige Doppelbindungen oder Stickstoffatome. Verbindungen, die neben einem Kohlenstoffrückgrat nur Wasserstoffatome enthalten, heißen

3 3 Kohlenwasserstoffe. Alle anderen Kohlenstoffverbindungen lassen sich aus Kohlenwasserstoffen dadurch ableiten, dass einige ihrer Wasserstoffatome mit als funktionelle Gruppen bezeichneten Gruppen anderer Atome ausgetauscht werden. Solche Gruppen spielen häufig wichtige biochemische Rollen. (Abb. 8) Alles was Ihnen im Rahmen Ihrer Biochemie-Studien demonstriert oder erzählt wird, einschließlich der wichtigsten funktionellen Gruppen, können Sie dem Lehrbuch "Lehninger Biochemie" entnehmen. Mehrere Exemplare davon sind in der Bibliothek des Biochemischen Instituts zu finden. Außerdem können Sie sowohl den Text als auch die Abbildungen meiner Vorlesungen via Internet unter dem projizierten Namen finden. Mit den funktionellen Gruppen müssen sie dringend vertraut werden, um die Struktur komplexer Biomoleküle einfacher erlernen zu können. Ein komplexes Biomolekül ist nämlich aus mehreren funktionellen Gruppen aufgebaut, wie Acetyl-Coenzym-A, das zwei Amidgruppen, zwei Methylgruppen und je eine Thioestergruppe, Hydroxylgruppe, Phospho-anhydridgruppe, Phosphorylgruppe, Imidazolgruppe und Aminogruppe enthält. (Abb. 9) Bezüglich der räumlichen Anordnung der Substituenten in Biomolekülen sollen zwei Begriffe kennen gelernt werden: Konformation und Konfiguration. Konformation bezieht sich auf solche räumlichen Anordnungen ihrer funktionellen Gruppen, die ungehindert von Doppelbindungen und chiralen Kohlenstoffatomen eingenommen werden können. Konfiguration bedeutet solche räumlichen Anordnungen der funktionellen Gruppen, die entweder von einer - durch Doppelbindung oder ein chirales Kohlenstoffatom verursachten - sterischen Hinderung determiniert sind. Um die Essenz dieser Definitionen zu verstehen, muss man Folgendes wissen: Erstens, die vier Einfachbindungen eines Kohlenstoffatoms zeigen ausgehend vom geometrischen Mittelpunkt eines Tetraeders in die Richtung seiner

4 4 Spitzen. Zweitens, um die kovalente Einfachbindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen können ihre Substituenten frei rotieren. Drittens, um eine Doppelbindung können aber die Substituenten der beteiligten Kohlenstoffatome nicht rotieren. Diese durch Doppelbindung verursachte Rotationsverhinderung bewirkt nur in dem Fall eine biochemisch wichtige sterische Hinderung, wenn die Einfachbindungen beider beteiligten Kohlenstoffatome unterschiedliche Substituenten tragen. (Abb. 10) In einem solchen Fall sind zwei räumliche Anordnungen der Substituenten der beteiligten Kohlenstoffatome möglich, wie etwa bei Maleinsäure und Fumarsäure. Solche Verbindungspaare werden als geometrische oder Cis- Trans-Isomere bezeichnet. Bei dem Cis-Isomer befinden sich die für uns wichtigen Substituenten, hier die Carboxylgruppen, in gleichständiger, bei einem Trans- Isomer in gegenständiger Position. Cis-Trans-Isomere lassen sich nur in dem Fall ineinander überführen, wenn dabei die Doppelbindung zur Hälfte gelöst und neu geknüpft wird. Cis-Trans-Isomere weisen unterschiedliche physikalische, chemische und biologische Eigenschaften auf. Zum Beispiel enthält 11-cis-Retinal, das lichtempfindliche Molekül in der Retina von Wirbeltieren, 5 Doppelbindungen, wovon eine zwischen den elften und zwölften Kohlenstoffatomen eine Cis-Konfiguration hat; die anderen Doppelbindungen weisen Trans-Konfiguration auf. Durch die Energie eines absorbierten Lichtquantums wird die Doppelbindung mit Cis- Konfiguration zur Hälfte gelöst und nach Umklappen in die Trans-Konfiguration neu gebildet. Dadurch wird ein Nervenimpuls ausgelöst, in das Gehirn geleitet und zur Bildung eines virtuellen Bildes verwendet. Das lichtunempfindliche All-trans- Retinal wird enzymatisch zu 11-cis-Retinal zurückgewandelt. (Abb. 11) Die zweite Art der Konfigurations-Isomerie kommt bei Biomolekülen mit mindestens einem chiralen Zentrum vor. Darunter versteht man

5 5 ein Kohlenstoffatom mit vier unterschiedlichen Substituenten. In einem solchen Fall sind zwei räumliche Anordnungen der Substituenten möglich, die sich als Bild und Spiegelbild verhalten und als Stereoisomere bezeichnet werden. Durch Umdrehen kann das eine der Stereoisomere nicht zur Deckung in das andere gebracht werden; im Gegensatz zu Kohlenstoffatomen, bei denen mindestens zwei Substituenten gleich sind. Aus theoretischem Gesichtspunkt spielt Glycerinaldehyd eine wichtige Rolle, weil es der Ausgangspunkt für die Bestimmung der absoluten Konfiguration eines chiralen Zentrums anderer Moleküle ist, wie folgt. (Abb. 12) Die absolute Konfiguration jedes chiralen Moleküls kann durch nacheinander folgende, stereospezifische Umsetzungen oder Veränderungen der funktionellen Gruppen des Glycerinaldehyds bestimmt werden. Im Fall von Alanin wird die Aldehydgruppe des Glycerinaldehyds durch Oxidation zu Carboxylgruppe stereospezifisch verändert und seine Hydroxylgruppe mit einer Aminogruppe stereospezifisch umgesetzt. Dabei bedeutet stereospezifisch, dass sich die Konfiguration bei den Umsetzungen oder Veränderungen der funktionellen Gruppen nicht verändert. Vor dem Namen eines chiralen Moleküls sieht man einen der großen Buchstaben D oder L. Dies weist darauf hin, aus welcher der absoluten Konfigurationen des Glycerinaldehyds sich das Molekül in Frage??? ableiten lässt. (Abb. 13) Sind n chirale Kohlenstoffatome in einem Biomolekül vorhanden, so entstehen 2 n Stereoisomere. Das projizierte Molekül besitzt zwei chirale Zentren und 4 Stereoisomere. Solche Stereoisomer-Paare, die sich als Bild und Spiegelbild verhalten, werden als Enantiomere bezeichnet; Stereoisomer-Paare die keine Spiegelbilder sind, heißen Diastereomere. Wie Louis Pasteur im 19. Jahrhundert erkannte, dreht in Lösung das eine der Enantiomere die Ebene des linear polarisierten Lichts nach rechts, das andere nach links. Dieses Phänomen wird als optische Aktivität bezeichnet. Die kleinen Buchstaben d, beziehungsweise l, vor dem Namen der Enantiomere bedeuten

6 6 rechtsdrehend, beziehungsweise linksdrehend. Diese kleinen Buchstaben haben mit den früher erwähnten großen Buchstaben nichts zu tun. Ein chirales Molekül mit der Konfiguration großes D kann sowohl rechtsdrehend als auch linksdrehend sein. Ein equimolares Gemisch der Enantiomere, das als razemisches Gemisch bezeichnet wird, weist keine optische Aktivität auf. Biomoleküle ohne chirale Zentren drehen die Ebene des linear polarisierten Lichts gar nicht. (Abb. 14) Bei einer nicht-katalysierten Reaktion, die ausgehend von einem nicht-chiralen Molekül zur Bildung eines chiralen Moleküls führt, entsteht immer ein razemisches Gemisch der Stereoisomere. Dagegen sind alle enzymatischen Reaktionen stereospezifisch. Dies bedeutet einerseits, dass sich aus einem nichtchiralen Molekül enzymatisch immer nur eines der Stereoisomere bildet; andererseits, immer nur eines der Stereoisomere kann enzymatisch verändert werden. Abgesehen von der Stereospezifität und der optischen Aktivität weisen die Stereoisomere gleiche chemische und physikalische Eigenschaften auf. Ihre biochemischen Eigenschaften sind aber im Allgemeinen nicht gleich. Einerseits kann nur eines der Stereoisomere eine biochemische Wirkung auslösen; andererseits können die Stereoisomere unterschiedliche biochemische Wirkungen auslösen. Zum Beispiel hat das L-Aspartyl-L-Phenylalanine Methylester einen süßen Geschmack, während L-Aspartyl-D-Phenylalanine Methylester einen bitteren hat. (Abb. 15) Bisher habe ich über Konformation der Biomoleküle gesprochen. Jetzt werde ich mich mit ihrer Konformation beschäftigen.??? Unter Konformation versteht man, wie Sie bereits wissen, alle räumlichen Anordnungen eines Moleküls, die von Doppelbindungen oder chiralen Zentren nicht verhindert sind. Da die Substituenten um eine Einfachbindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen frei rotieren können, sind unzählig viele Konformationen der Biomoleküle möglich, auch eines so einfachen Moleküls wie Ethan. Energetisch sind einige

7 7 Konformationen günstig, wie beim Ethan die gegenständige Position der Wasserstoffatome, während andere ungünstig, wie beim Ethan ihre gleichständige Position. Der energetische Unterschied zwischen diesen Positionen ist aber viel niedriger als die durchschnittliche Energie der intermolekularen und intramolekularen Wärmebewegung, so sind solche Konformationen instabil. Bei der Behandlung der Konformation von Makromolekülen werden Sie sehen, wie ihre funktionellen Gruppen über nicht-kovalente Wechselwirkungen einige ihrer Konformationen stabilisieren können. (Abb. 16) Jetzt kommen wir zur chemischen Reaktivität der Biomoleküle. Bei einer kovalenten Einfachbindung kreisen zwei Elektronen um beide beteiligten Atome. Zu diesen so genannten Bindungselektronen haben unterschiedliche Elemente unterschiedliche Affinitäten. Die relativen Werte dieser Affinitäten, die in der projizierten Tabelle demonstriert werden, werden als Elektronegativität bezeichnet. Die kovalente Bindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen ist deshalb so stabil, weil sie die gleiche Elektronegativität besitzen und sich daher die Bindungselektronen in der Nähe beider beteiligten Atome für die gleiche Zeit aufhalten. Besitzt eines der beteiligten Atome eine größere Elektronegativität, halten sich die Bindungselektronen in seiner Nähe für längere Zeit auf, darum bekommt dieses Atom eine partielle Negativladung, während sein Partner eine positive Partialladung erhält, wie es bei der Bindung zwischen einem Kohlenstoffatom mit einer Elektronegativität von 2,5 und einem Sauerstoffatoms mit einer Elektronegativität von 3,5 geschieht. Später werden Sie lernen, dass solche Partialladungen bei chemischen Reaktionen eine wichtige Rolle spielen. (Abb. 17) Die Energieverhältnisse einer chemischen Reaktion können mit drei Begriffen, Enthalpie, freie Enthalpie und Entropie beschrieben werden. Die Enthalpie einer chemischen Bindung ist gleich der Energie, die zu ihrer Spaltung oder Dissoziation benötigt wird. Die projizierte Tabelle zeigt die

8 8 Bindungsenthalpien der biologisch-wichtigen kovalenten Bindungen. Die Bindungsenthalpien der nicht-kovalenten Bindungen, von denen Sie später vieles hören werden, sind zwanzigmal bis hundertmal schwächer als die kovalenten Einfachbindungen. Die Enthalpie eines geschlossenen Systems von Molekülen (Energiegehalt, Wärmegehalt) ist die Summe der Bindungsenthalpien aller kovalenten Bindungen und nicht-kovalenten Wechselwirkungen. Bei einer chemischen Reaktion, in der mehrere kovalente und nicht-kovalente Bindungen gelöst und neue gebildet werden, erscheint die Enthalpieänderung, das heisst die Gesamtänderung der Bindungsenthalpien, meistens als Wärmeenergie. Die Reaktionen, bei denen Wärmeenergie abgegeben wird, werden als exoterm bezeichnet und die Änderung der Enthalpie ist konventionsgemäß negativ. Absorbiert das Reaktionssystem Wärmeenergie, heißt die Reaktion endotherm und die Enthalpieänderung hat konventionsgemäß einen positiven Wert. Im neunzehnten Jahrhundert erkannte Gibbs, dass bei irgendeinem Prozess in einem geschlossenen Systems ein Anteil seiner Enthalpie unvermeidlich zur Zunahme der Unordnung verbraucht wird. Dieser Anteil der Enthalpie heisst Entropie. Die Entropie eines geschlossenen Systems von Molekülen ist ein Maß für ihre zufällige Anordnung in Konformation, Bewegung und Raum. Der andere Anteil der Enthalpie, der bei konstanter Temperatur und konstantem Druck physikalische oder chemische Arbeit verrichten kann, heißt freie Enthalpie. (Abb. 18) Nach der Theorie von Gibbs ist die freie Enthalpie, G, das heisst die arbeitsfähige Energie eines geschlossenen Systems, gleich der Differenz zwischen der Enthalpie, H, und der mit der absoluten Temperatur, T, multiplizierten Entropie S. Diese Gleichung postuliert, dass die mit der absoluten Temperatur multiplizierte Entropie, das heisst die Unordnung, eine Art Energie ist. Um das zu verstehen, stellen wir uns vor, dass das projizierte Doppelgefäß mit einem gleichmäßig verteilten, equimolaren Gemisch von Helium und Argon, zwei

9 9 Edelgasen, gefüllt wird. Es ist plausibel, dass dazu Energie erforderlich ist, alle Heliumatome in das rechte Gefäß, und alle Argonatome in das linke Gefäß zu treiben, obwohl dabei keine kovalenten oder nicht-kovalenten Bindungen gespaltet oder gebildet werden und daher sich die Enthalpie des Systems nicht verändert, nur die Ordnung der beteiligten Edelgasatome wird erhöht. Es ist auch plausibel, dass ein solcher Prozess bei einer höheren Temperatur mehr Energie benötigen würde. In dem entgegengesetzten Prozess, das heißt wenn die Unordnung im System zunimmt, hat die Änderung der Entropie definitionsgemäß einen positiven Wert. Die in einer chemischen Reaktion freigesetzte oder absorbierte arbeitsfähige Energie, das heisst die Änderung der freien Enthalpie, ist nach der Theorie von Gibbs gleich der Differenz der Enthalpieänderung und der mit der absoluten Temperatur multiplizierten Entropieänderung. Solche Reaktionen, die arbeitsfähige Energie abgeben, heissen exergon, diejenigen, die arbeitsfähige Energie absorbieren heissen endergon. Eine exergone chemische Reaktion läuft spontan ab, während eine endergone Reaktion, wie Polymerisation von Aminosäuren zu Polypeptiden nur in dem Fall ablaufen kann, wenn sie mit einer exergonen Reaktion, wie der Spaltung von ATP zu ADP, gekoppelt wird. (Abb. 19) In einer lebenden Zelle laufen Tausende von unterschiedlichen chemischen Reaktionen ab, die in fünf häufig vorkommende Klassen eingeordnet werden können. Das sind 1) Oxidation-Reduktion Reaktionen, 2) Spaltung und Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen, 3) interne Umlagerungen, 4) Gruppenübertragung und schließlich 5) Kondensation und Hydrolyse. (Abb. 20) In der linken Seite der projizierten Abbildung sind die Oxidationsstufen des Kohlenstoffatoms dargestellt. Eine Methylgruppe weist keine Bindung mit Sauerstoff auf. Die Hydroxylgruppe besitzt eine, die Carbonylgruppe zwei, die Carboxylgruppe drei und das Kohlendioxid vier Bindungen mit Sauerstoff. Dabei sieht man nicht immer eine Zunahme der Zahl der

10 10 Sauerstoffatome, wie bei der Oxidation einer Alkoholgruppe zu einer Carbonylgruppe. In einem solchen Fall, wie bei der projizierten Umwandlung von Laktat zu Pyruvat, sind es zwei frei werdende Wasserstoff-Ionen und zwei frei werdende Elektronen, die mit Sauerstoffatomen reagieren. Solche Oxidationen werden als Dehydrogenierung bezeichnet, die beteiligten Enzyme als Dehydrogenasen. Die Enzyme anderer Oxidation-Reduktion Reaktionen heißen Oxidasen oder Oxygenasen, wenn das Sauerstoffatom direkt aus der Luft stammt. Eine Oxidation wird immer mit einer Reduktion gekoppelt. Bei der demonstrierten Reaktion wird Laktat zu Pyruvat oxidiert und Sauerstoff zu Wasser reduziert. Weil an jeder Oxidation-Reduktion-Reaktion Elektronen beteiligt sind, wird Oxidation als Elektronenabgabe, Reduktion dagegen als Elektronenaufnahme definiert. Im Allgemeinen sind Oxidation-Reduktion Reaktionen exergon. (Abb. 21) Bei den Spaltung-Bindung-Reaktionen spaltet sich zuerst eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung für eine sehr kurze Zeit entweder homolytisch oder heterolytisch. Bei der selten vorkommenden homolytischen Spaltung erhalten die entstehenden Molekül-Teile, die als Kohlenstoffradikale bezeichnet werden, je eines der Bindungselektronen. Bei der heterolytischen Spaltung bleiben beide Bindungselektronen bei einem der Molekül-Teile, so dass ein negativ geladenes Carbanion und ein positiv geladenes Carbenium-Ion entstehen. Wenn - als die zweite Fase der Spaltung-Bindung-Reaktion - ein Carbenium-Ion und eine funktionelle Gruppe mit partieller oder kompletter Negativladung miteinander reagieren, spricht man über eine nukleophile Substitution, und im Fall eines Carbanions und einer funktionellen Gruppe mit partieller oder kompletter Positivladung über eine elektrophile Substitution. Nukleophile Substitutionen kommen in der Biochemie häufig vor. Die häufigsten nukleophilen funktionellen Gruppen sind in der projizierten Tabelle aufgeführt.

11 11 (Abb. 22) Die Essenz der Umlagerungsreaktionen ist eine intramolekulare Oxidation-Reduktion-Reaktion. Zum Beispiel wird bei Isomerisierung von Glucose-6-phosphat zu Fructose-6-phosphat die Aldehydgruppe an dem ersten Kohlenstoffatom von Glucose-6-phospaten zu einer Hydroxylgruppe reduziert und die Hydroxylgruppe an dem zweiten Kohlenstoffatom zu einer Ketongruppe oxidiert. Inzwischen werden zwei Elektronen vom ersten zum zweiten Kohlenstoffatom transportiert. Bei dem anderen Beispiel wird die Doppelbindung zwischen dem dritten und dem vierten Kohlenstoffatome der Dodecenoilsäure zu einer Einfachbindung reduziert und die Einfachbindung zwischen seinem zweiten und dem dritten Kohlenstoffatom zu einer Doppelbindung oxidiert. (Abb. 23) Eine wichtige Übertragungsreaktion ist die Phosphorylierung von D-Glucose mittels ATP. In der endständigen Phosphorylgruppe eines ATP- Moleküls gehört die Doppelbindung zu keinem der vier Sauerstoffatome, sondern die Bindungselektronen kreisen um einen tetraedrisch angeordneten PO 4 Komplex, mit dem Phosphoratom in der Mitte. Wegen der hohen Elektronegativität der Sauerstoffatome besitzt das Phosphoratom eine positive Partialladung, und kann daher mit dem elektronegativen Sauerstoffatom der sechsten Hydroxylgruppe der Glucose über ein Zwischenprodukt eine nukleophile Reaktion eingehen. Alle Enzyme, die eine solche Phosphorylierung katalysieren, heissen Kinasen. (Abb. 24) Unter Kondensation versteht man eine Reaktion, in der sich zwei Moleküle unter Abspaltung eines Wassermoleküls vereinigen. Auf dem nichtkatalysierten Weg läuft die Kondensation von zwei Glycin-Molekülen oder anderen α-aminosäuren zu einem Dipeptid sehr langsam ab, weil sich der Hydroxyl-Teil der Carboxylgruppe als eine schlechte Abgangsgruppe beweist. Beim Lebewesen wird deshalb dieser Hydroxyl-Teil zuerst mit Transfer-RNA, einer guten Abgangsgruppe, enzymatisch umgetauscht. Danach reagiert die so aktivierte Carboxylgruppe mit der Aminogruppe einer anderen α-aminosäure unter Bildung

12 12 einer Peptidbindung. Mit ähnlicher Strategie werden Proteine, Nukleinsäuren und Polysacharide aus ihren Untereinheiten aufgebaut. Die entgegengesetzte Reaktion, das heißt die Spaltung von Makromolekülen durch Aufnahme eines Wassermoleküls, heißt Hydrolyse. Enzyme, die Makromoleküle über Hydrolyse abbauen, werden als Hydrolasen bezeichnet.