Philipp Christen Rolf Jaussi. Biochemie. Eine Einfçhrung mit 40 Lerneinheiten. Mit 400 Abbildungen

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1 Springer-Lehrbuch

2 Philipp Christen Rolf Jaussi Biochemie Eine Einfçhrung mit 40 Lerneinheiten Mit 400 Abbildungen 12

3 Professor Dr. med. Philipp Christen Biochemisches Institut Universitåt Zçrich Winterthurerstraûe 190 CH-8057 Zçrich Schweiz PDDr. phil. Rolf Jaussi Biomolekulare Forschung Paul Scherrer Institut CH-5232 Villingen Schweiz ISBN Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet çber < abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschçtzt. Die dadurch begrçndeten Rechte, insbesondere die der Ûbersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfåltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfåltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulåssig. Sie ist grundsåtzlich vergçtungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2005 Printed in Germany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz- Gesetzgebung als frei zu betrachten wåren und daher von jedermann benutzt werden dçrften. Produkthaftung: Fçr Angaben çber Dosierungsanweisungen und Applikationsformen kann vom Verlag keine Gewåhr çbernommen werden. Derartige Angaben mçssen vom jeweiligen Anwender im Einzelfall anhand anderer Literaturstellen auf ihre Richtigkeit çberprçft werden. Satz: K+V Fotosatz GmbH, Beerfelden Einbandgestaltung: deblik Berlin Titelbild: Polyribosom bei der Proteinsynthese (s. Abbildung 10.2 auf Seite 143) 29/3150WI ± ± Gedruckt auf såurefreiem Papier

4 Vorwort Dieses Lehrbuch gibt eine Einfçhrung in die Biochemie und Molekularbiologie. Es ist fçr alle geschrieben, die sich fçr die molekularen Aspekte der Lebensvorgånge interessieren ± insbesondere fçr Studierende, denen die Biochemie als Grundlagenwissenschaft dient. Es kann auch von Studierenden mit Hauptfach Biochemie als eine fundierte, çbersichtliche Einfçhrung benutzt werden. Das Buch versucht, die Leserin/den Leser nicht nur lauter Båume, sondern auch den Wald sehen zu lassen. Wir haben vieles vereinfacht, haben aber wichtige Prinzipien ausfçhrlich, wenn mæglich mit Beispielen, dargestellt. Bezçge auf medizinische und praktische Aspekte veranschaulichen die Bedeutung biochemischer Vorgånge. Um den Ansprçchen einer breiten Leserschaft zu gençgen, ist das weite Feld der Biochemie und Molekularbiologie mæglichst umfassend dargestellt. Die 40 Kapitel von je etwa 15 Seiten kænnen weitgehend unabhångig voneinander benutzt werden und erlauben eine -la-carte-lektçre des Buches. Wir empfehlen die ersten sieben Kapitel (Teil I) zuerst zu lesen. Die Auswahl der weiteren Lernmodule kann der Studienrichtung und den persænlichen Interessen angepasst werden. Wir haben çber Jahrzehnte Studierende der Medizin, Biologie, Chemie und Biochemie in Vorlesungen und praktischen Kursen im Fach Biochemie unterrichtet. Auf dieser Grundlage haben wir es gewagt, dieses Lehrbuch zu verfassen. Dabei wurden wir von mancher Seite tatkråftig unterstçtzt, wofçr wir herzlich danken. Kompetente Hilfe bei den praktisch-technischen Belangen der Erstellung des Manuskripts leisteten Frau Margrit Mathys, Frau Silvia Kocher und Frau dipl. nat. Kathrin Stirnemann; bei der Darstellung dreidimensionaler Molekçlstrukturen und bei weiteren Abbildungen halfen uns Frau Dr. Annemarie Honegger und die Herren dipl. nat. Pekka Jåckli und Dr. Dirk Kostrewa. Frau Ruth Christen gab uns zahlreiche Ratschlåge zur graphischen Gestaltung des Buches. Frau Iris Lasch-Petersmann, Frau Elke Werner und Herr Karl-Heinz Winter vom Springer-Verlag unterstçtzten uns vielfach und ermæglichten eine sehr angenehme Zusammenarbeit. Der Zeichner Herr Harald Konopatzki realisierte mit gestalterischem Gespçr und groûer Geduld unsere Vorstellungen. Ein groûes Dankeschæn auch unseren Familien fçr ihr Verståndnis der manchmal recht einschneidenden Notwendigkeiten, welche sich durch unsere Arbeit an diesem Buch ergeben haben. Wir hoffen, im Buch die Essenz der molekularen Sichtweise der belebten Natur aufgezeigt zu haben. Wir halten uns fçr lernfåhig und werden dankbar sein fçr Kommentare, Korrekturen und Verbesserungsvorschlåge, die uns Leserinnen und Leser zukommen lassen. Zçrich, im Juli 2004 Philipp Christen Rolf Jaussi

5 Inhaltsverzeichnis I Die Molekçle des Lebens 1 Biomolekçle und ihre Wechselwirkungen DieEntstehungdesLebens Græûe biologischer Strukturen, Geschwindigkeit biologischer Vorgånge und molekulare Zusammensetzung der lebenden Materie Wechselwirkungen zwischen Biomolekçlen Wasser und hydrophober Effekt Molekulare Erkennung Fluss von Materie und Energie, energetische Koppelung von Reaktionen Kovalente Struktur der Proteine Prinzipien der Struktur der Proteine Græûe und Gestalt der Proteine Aminosåuren, die Bausteine der Proteine Ionisationszustånde von Aminosåuren und Proteinen Aminosåurezusammensetzung und Aminosåuresequenzen vonproteinen Raumstruktur der Proteine Stabilisierung der Raumstruktur Sekundårstruktur Tertiårstruktur Øuûere Gestalt und Quartårstruktur der Proteine Dynamik und funktionsgebundene Strukturånderungen vonproteinen Denaturierung von Proteinen Faltungswege von Proteinen Faserproteine Enzyme Allgemeine Eigenschaften der Enzyme Katalyse und Aktivierungsenergie Enzymkinetik Struktur der aktiven Stelle und Wirkungsmechanismen von Enzymen Beispiele von Enzymmechanismen Regulation der Enzymaktivitåt... 69

6 VIII Inhaltsverzeichnis 5 Polysaccharide Reservehomoglykane Strukturhomoglykane Heteroglykane Lipide und biologische Membranen Fettsåuren Triacylglycerole (Neutralfette, Triglyceride) und Wachse Phospholipide und Glykolipide Nichtverseifbare Lipide: Cholesterol und andere Steroide, Terpene, Prostaglandine und Thromboxane Zusammensetzung und Bau biologischer Membranen Membranproteine Durchlåssigkeit fçr Wasser, Ionen und Metaboliten Nucleinsåuren Prinzipien der Struktur und Funktion der Nucleinsåuren Mononucleotide Nucleinsåuren (Polynucleotide) Struktur der Chromosomen II Molekulare Genetik 8 Replikation, Reparatur und Rekombination der DNA DNA-Replikation bei Prokaryonten DNA-Replikation bei Eukaryonten DNA-Schåden Reparatursysteme Genetische Rekombination Transkription: Biosynthese der RNA DNA-abhångige RNA-Polymerasen Zusåtzliche eukaryontische Transkriptionsfaktoren (Genregulator-Proteine) Elongation und Termination Bearbeitung des primåren Transkriptionsprodukts Spleiûen (Splicing) Synthese der trna und rrna Translation: Ûbersetzung des Gens ins Phån Der genetische Code Synthese von Proteinen, Ûbersicht Bildung der Aminoacyl-tRNA Initiation, Elongation, Termination Hemmstoffe der Proteinsynthese

7 Inhaltsverzeichnis IX 11 Regulation der Genexpression Regulation der Transkription in Prokaryonten: das Operon Struktur und Funktion eukaryontischer Transkriptionsfaktoren Regulation der Transkription in Eukaryonten: Promotor, Enhancer und Silencer Posttranskriptionale Regulation der Genexpression Programmierung der Genexpression durch koordinierte Expression von Gengruppen Plasmide und Viren Plasmide Viren Tumorviren und Onkogene Subvirale pathogene Agenzien: Viroide und Prionen III Stoffwechsel 13 Grundsåtzliches zum Stoffwechsel Experimentelle Untersuchung des Stoffwechsels Ûbersicht çber den Stoffwechsel Verwendung des im Katabolismus gebildeten ATP Regulation des Stoffwechsels Glykolyse und Citratzyklus Glykolytischer Abbauweg Alkoholische Gårung Oxidation von Pyruvat zu Acetyl-CoA Abbau von Acetyl-CoA im Citratzyklus Atmungskette, oxidative Phosphorylierung Organisation der Atmungskette Redoxkomponenten der Atmungskette (FMN, FAD, FeS-Zentren, Ubichinon, Cytochrome) Chemiosmotischer Mechanismus der oxidativen Phosphorylierung Transport von Reduktionsåquivalenten vom Cytosol indiemitochondrien ATP-Bilanz des oxidativen Abbaus von Glucose Regulation von oxidativer Phosphorylierung, Glykolyse undcitratzyklus Gluconeogenese, Glykogen, Disaccharide, Pentosephosphatweg Gluconeogenese Abbau und Aufbau von Glykogen Stoffwechsel der Disaccharide Pentosephosphatweg

8 X Inhaltsverzeichnis 17 Stoffwechsel der Fettsåuren Fettsåureabbau durch b-oxidation Fettsåuresynthese Ketonkærper Lipidstoffwechsel Auf- und Abbau der Triacylglycerole Stoffwechsel der Phospholipide Stoffwechsel von Cholesterol Stoffwechsel von Proteinen und Aminosåuren Proteinabbau Abbau von Aminosåuren: Weg des Stickstoffs Abbau von Aminosåuren: Weg des Kohlenstoffs Stærungen im Abbau von Aminosåuren Synthese von Aminosåuren C 1 -Stoffwechsel Synthesen, an denen Aminosåuren beteiligt sind: KreatinundPorphyrine Stoffwechsel der Purin- und Pyrimidinnucleotide Synthese von Purinnucleotiden, Wiederverwertung von Purinbasen Synthese von Pyrimidinnucleotiden, Wiederverwertung von Pyrimidinnucleosiden Regulation der Nucleotidsynthese Synthese der Desoxyribonucleotide Abbau von Nucleinsåuren und Nucleotiden Organstoffwechsel und Nåhrstofftransport im Blut Die Stoffwechselleistungen der Organe in der Resorptionsund Postresorptionsphase Anpassung des Stoffwechsels an den Hungerzustand Transport von Nåhrstoffen im Blut Lipidtransport und Lipoproteine Photosynthese Chloroplasten Komponenten und Organisation des Photosynthese-Apparats Chlorophyll Lichtgetriebene Reduktion von NADP + und Synthese von ATP Synthese von Kohlenhydrat aus CO Besonderheiten des Stoffwechsels von Pflanzen und Bakterien Stickstoff-Assimilation aus Nitrat und N Schwefel-Assimilation aus Sulfat Transport- und Speicherformen chemischer Energie bei Pflanzen Sekundårstoffwechsel der Pflanzen Phytohormone Stoffwechselwege in Bakterien

9 Inhaltsverzeichnis XI IV Zellen und ihre Umgebung 24 Zellkompartimente und Proteinsortierung Kompartimentåhnliche Strukturen in Bakterien Organisation der Eukaryontenzellen in Kompartimente Grundlegende Mechanismen des Proteintransports durch Vesikel Proteintransport im Golgi-Apparat Proteintransport zwischen Golgi-Apparat, Zelloberflåche undlysosomen Proteinglykosylierung wåhrend des Transports durch das endoplasmatische Retikulum und den Golgi-Apparat Import von Proteinen in Mitochondrien, Chloroplasten undperoxisomen Pfærtner-kontrollierter Transport (Gated transport) an der Kernhçlle Qualitåtskontrolle der Faltung und der Lokalisierung von Proteinen durch Chaperone und Proteolyse Cytoskelett und molekulare Motoren Die drei Hauptbestandteile des Cytoskeletts: Actinfilamente, Mikrotubuli und Intermediårfilamente Actincortex: eine flexible kontraktile Hçlle am Zellrand Centrosom: sternfærmig ausstrahlende Mikrotubuli unterstçtzen die råumliche Organisation des Cytoplasmas Intermediårfilamente: ein Netz zum Auffangen mechanischer Belastungen Motorproteine: bewegliche Vernetzungen zwischen Cytoskelett und Organellen Zellzyklus, Kontrolle von Zellwachstum und Zelltod Konzept des Zellzyklus Mitosen und Meiosen wåhrend des Lebenszyklus der Organismen Maschinerie des Zellzyklus Wachstumskontrolle, Zellzyklus und Tumorbildung Kontrolle der Bereitschaft zur Teilung: Checkpoints Apoptose, der programmierte Zelltod Zelladhåsion, Zellverbindungen und extrazellulåre Matrix Stabile Zell-Zell- und Zell-Matrix-Verbindungen Kurzlebige Zell-Zell-Wechselwirkungen Die extrazellulåre Matrix (ECM) Die pflanzliche Zellwand: Papier und Holz Stoffaustausch durch Membranen Grundsåtzliches zum Membrantransport Mechanismus der Na + /K + -Pumpe Symport- und Antiport-Systeme Passiver Transport, erleichterte Diffusion Chemische und elektrische Membranpotentiale Transzellulårer Transport

10 XII Inhaltsverzeichnis 29 Rezeptoren und Signaltransduktion Grundsåtzliches zur Signaltransduktion Rezeptoren an der Zelloberflåche: G-Protein-gekoppelte Rezeptoren Rezeptoren an der Zelloberflåche: Rezeptoren mit enzymatisch aktiver cytosolischer Domåne Rezeptoren an der Zelloberflåche: Proteolyse-regulierte Rezeptoren und Signalçbermittlungen Rezeptoren im Zellinnern Untereinander vernetzte Ûbermittlungsmodule verarbeiten die Signale und leiten sie von den Rezeptoren zu den Effektoren Signaltransduktion in Pflanzen V Molekulare Physiologie 30 Hormone, Cytokine und Wachstumsfaktoren Hierarchie der Hormondrçsen, hormonale Regelkreise, Biosynthese undabbauderhormone Hormone des Hypothalamus und der Hypophyse Die Nebenniere, ein lebenswichtiges Organ mit diversen Hormonen: Catecholamine, Cortisol und Aldosteron Erythropoietin und Calcitriol aus der Niere; Renin und Angiotensin Gonadotropine und Sexualhormone Kontrolle des Grundumsatzes durch die Schilddrçsenhormone; Regulation des Calcium- und Phosphat-Haushalts durch Parathyrin, Calcitriol und Calcitonin Kontrolle der Blutzuckerkonzentration durch Glucagon und Insulin ausdempankreas Mediatoren: von verschiedenen Zelltypen sezernierte Signalstoffe Hormone in wirbellosen Tieren Pheromone: Botenstoffe zwischen Individuen Neurotransmitter, Sinnesorgane Neurotransmitter Sehvorgang Geruchs- und Geschmacksrezeptoren Bewegungsapparat: Muskeln, Bindegewebe und Knochen Aufbau der verschiedenen Muskelarten Das dicke Myosinfilament und das dçnne Actinfilament Das Sarkomer und die Entwicklung von Zugkraft Regulation der Muskelkontraktion durch Calciumionen Bereitstellung von ATP im Muskel Bindegewebe und Knochen Enzymatische Schutzmechanismen Blutgerinnung und Fibrinolyse Biotransformationen (¹Entgiftungsreaktionenª) Schutz gegen reaktive Sauerstoffderivate (Reactive oxygen species ROS)

11 Inhaltsverzeichnis XIII 34 Immunsystem Angeborene Immunitåt Adaptive Immunantwort: Antikærper aus B-Zellen und zellulåre Abwehr mit T-Zellen Klonale Selektion von B-Zellen und T-Zellen Adaptive Immunantwort: Bildung, Struktur und Antigenbindung derantikærper Adaptive Immunantwort: zellulåre Reaktionen Immuntoleranz und Autoimmunkrankheiten Stoffaufnahme und Ausscheidung Verdauung und Resorption Transport von O 2 und CO 2 imblut Ausscheidung von Stoffwechselendprodukten Wasser-, Elektrolyt- und Såure-Basen-Haushalt Biochemische Aspekte der menschlichen Ernåhrung Bedarf an Brennstoffen, Baustoffen und Wirkstoffen Hauptnåhrstoffe Vitamine Elektrolyte, Mineralstoffe und Spurenelemente Nahrungsmittel VI Biochemische und gentechnische Methoden 37 Trenn- und Analysemethoden Zentrifugation Chromatographie Elektrophorese Spektroskopie Massenspektrometrie Isotopenmarkierung, Radionuclide und Strahlenschutz ph-puffer Proteinanalytik Bestimmung der Aminosåurezusammensetzung und Sequenzanalyse eines Proteins Analyse der Raumstruktur von Makromolekçlen durch Ræntgenkristallographie Analyse der Raumstruktur von Makromolekçlen durch magnetische Kernresonanz (Nuclear magnetic resonance NMR) Untersuchung posttranslationaler Modifikationen eines Proteins (Phosphorylierung, Glykosylierung, Methylierung, Ubiquitin-Markierung) Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Proteinen und Liganden

12 XIV Inhaltsverzeichnis 39 Gentechnik Werkzeuge der Gentechnik: Restriktionsenzyme und andere Nucleasen, Ligasen, DNA-Polymerasen und Rekombinationsenzyme Plasmide als Vektoren (Genfåhren) Viren als Vektoren Kçnstliche Chromosomen als Vektoren PCR (Polymerase chain reaction) Genbanken: cdna und genomische DNA Bestimmung der Nucleotidsequenz von DNA Southern-, Northern- und Westernblots Expression von Proteinen und RNA Pråsentation von Genprodukten auf Bakteriophagen (Phage display) oder Ribosomen (Ribosome display) Gezielte und zufållige Mutagenese Klonierung von Zellen und Organismen; transgene Organismen Genomik, Proteomik, Bioinformatik Genomanalyse und Gendiagnostik Modulare DNA-Rekombination Mikrochiptechnologie zur Quantifizierung von Nucleinsåuren und Proteinen Proteomik: 2D-Gelelektrophorese, Massenspektrometrie und Mikrochips Kartierung der Wechselwirkungen zwischen Proteinen mit der Two-hybrid-Technik Computerprogramme, Datenbanken und wichtige Internetadressen Sachverzeichnis Abkçrzungen

13 Quellenangaben Die folgenden Abbildungen sind mit Genehmigung der Autoren bzw. der Verlage aus den genannten Quellen çbernommen bzw. als Vorlagen fçr Umzeichnungen benutzt worden. Seite Abb. Quelle 35 Sichelzelle Læffler G, Petrides PE (2003) Biochemie & Pathobiochemie, 7. Aufl., Springer, Berlin Heidelberg New York Tokyo, S. 347, Abb ibd. S. 74, Abb ibd. S. 199, Abb b ibd. S. 1033, Abb ibd. S. 1037, Abb Creighton TE (1993) Proteins, 2 nd edn. Freeman, New York, S. 230, Abb Puffing von Riesenchromosom Hågele K, Kalisch W-E (1980) Chromosoma 79: 75±83, Springer, Berlin Heidelberg New York Tokyo, S. 77, Abb. 1c Tucker CL, Gera JF, Uetz P (2001) Trends Cell Biol 11: 102±106. Elsevier, Amsterdam, S. 102, Abb. 1

14 1 Biomolekçle und ihre Wechselwirkungen Das Leben ist im Wasser entstanden, und Wasser ist der quantitativ wichtigste Bestandteil aller Lebewesen. Wasser ist das Læsungsmittel, in welchem die chemischen Reaktionen der Zellen stattfinden. Die Trockensubstanz besteht vorwiegend aus den verschiedenen biologischen Makromolekçlen; niedermolekulare Verbindungen und anorganische Ionen nehmen einen wesentlich geringeren Anteil ein. Die Lebensvorgånge beruhen auf einem Zusammenspiel der Biomolekçle, in erster Linie durch nichtkovalente Wechselwirkungen. Die Lebewesen beziehen Energie von auûen, um wåhrend des Wachstums ihre hohe innere Ordnung aufzubauen und sie wåhrend der Dauer ihres Lebens zu erhalten. 1.1 Die Entstehung des Lebens 1.2 Græûe biologischer Strukturen, Geschwindigkeit biologischer Vorgånge und molekulare Zusammensetzung der lebenden Materie 1.3 Wechselwirkungen zwischen Biomolekçlen 1.4 Wasser und hydrophober Effekt 1.5 Molekulare Erkennung 1.6 Fluss von Materie und Energie, energetische Koppelung von Reaktionen Die Urzellen, die Vorfahren der heutigen Zellen und Lebewesen, haben sich im Wasser entwickelt ± Vorstufen der Bausteine von Biopolymeren kænnten, wie Experimente zeigen, aus Mischungen von H 2 O, CO 2,CH 4,NH 3 und H 2 in der Atmosphåre der Erde vor 4000 Millionen Jahren unter der Einwirkung elektrischer Entladungen, ultravioletter und radioaktiver Strahlung entstanden sein. Freier Sauerstoff wurde wahrscheinlich erst durch spåter entwickelte photosynthetisierende Zellen gebildet. Aus den Vorstufen entstanden im Laufe der chemischen Evolution Aminosåuren, Pyrimidinbasen und Purinbasen und Zucker. Aus diesen Bausteinen in der ¹Ursuppeª bildeten sich Proteine und Nucleinsåuren, welche die zwei Grundfunktionen des Lebens wahrnehmen kænnen: zum einen den Stoffwechsel durch Katalyse bestimmter Reaktionen, zum anderen die Herstellung und die Verwendung eines Trågers genetischer Information. Lipidmembranen, welche die Anreicherung der Biomolekçle aus der ¹Ursuppeª ermæglichten, werden zur Bildung der ersten Zellen gefçhrt haben. Stoffwechsel: Die Gesamtheit der chemischen Umsetzungen in einem Organismus. Die Reaktionen dienen der Gewinnung chemischer Energie aus der Umgebung, dem Aufbau und dem Abbau von Kærpersubstanz. 1.1 Die Entstehung des Lebens Alle Lebewesen sind aus Zellen aufgebaut ± Die Zellen der heutigen Organismen sind aus gemeinsamen Urzellen entstanden. Die biologische Evolution beruht einerseits auf Verånderung der genetischen Information, welche von einer Gene-

15 4 Biomolekçle und ihre Wechselwirkungen Abb Prokaryontische und eukaryontische Zellen. Eukaryontische Zellen sind nicht nur viel græûer als Bakterienzellen,sondern enthalten durch Membranen abgegrenzte Zellorganellen. Bei Prokaryonten fehlt diese intrazellulåre Kompartimentierung. Zum Græûenvergleich: Mitochondrien sind etwa so groû wie eine Bakterienzelle. Die bakterielle und pflanzliche Zellwand sowie die extrazellulåre Matrix sind einander entsprechende sezernierte Elemente,welche den Zellen und Geweben Formstabilitåt verleihen ration an die nåchste weitergegeben wird, und andererseits auf der Selektion derjenigen genetischen Information, welche die Fortpflanzung des Trågers am besten sichert. Grundsåtzlich sind zwei Zelltypen zu unterscheiden: Die einfachen, kleinen Prokaryonten und die sehr viel komplexeren und auch græûeren Zellen der Eukaryonten (Abb. 1.1). werden durch Proteine bzw. Nucleinsåuren wahrgenommen. Lipidmembranen grenzen die Zellen gegen auûen ab. Die kleinen prokaryontischen Zellen besitzen keine membranbegrenzten Organellen,wåhrend eukaryontische Zellen durch Membranen in verschiedene intrazellulåre Kompartimente unterteilt sind. J Das Leben ist im Wasser entstanden, und die meisten Vorgånge im Innern von Organismen finden in einer wåssrigen Læsung statt. Die zwei biologischen Grundfunktionen Stoffwechsel und Speicherung der Erbinformation

16 Græûe biologischer Strukturen,Geschwindigkeit biologischer Vorgånge Græûe biologischer Strukturen, Geschwindigkeit biologischer Vorgånge und molekulare Zusammensetzung der lebenden Materie Grundmaûe fçr den Græûenvergleich biologischer Molekçle liefern die Långe einer C-C-Bindung (0,15 nm=1,5 â) oder der Durchmesser eines Wassermolekçls (0,4 nm). Kleinere Biomolekçle wie kleine Aminosåuren oder Glucose sind weniger als 1 nm lang. Biologische Makromolekçle wie Proteine haben einen Durchmesser von mehreren nm. Græûenvergleich biologischer Strukturen 1mm=10 3 lm=10 6 nm Durchmesser [= 10 7 ângstræm (â)] bzw. Långe C-C-Bindung H 2 O-Molekçl Håmoglobin Mitochondrien Bakterien Erythrocyt Eukaryontische Zelle 0,15 nm 0,4 nm 6,4 nm 0,5±2 lm 0,5±3 lm 7±8 lm 10±50 lm Auf dem Durchmesser eines menschlichen Erythrocyten (7±8 lm) lassen sich etwa 1200 Håmoglobinmolekçle anordnen. Die Zeitbereiche, in denen biologische Vorgånge ablaufen, sind sehr verschieden. Die meisten enzymkatalysierten Reaktionen laufen innerhalb von Millisekunden ab. Noch schneller, im Nano- bis Mikrosekundenbereich stattfindend, sind Konformationsånderungen von Molekçlen, die ohne Ønderung kovalenter Bindungen durch Drehung von Molekçlteilen um Einfachbindungen zustande kommen. Der langsamste biologische Vorgang ist die Evolution der Lebewesen, ein Vorgang, der, wie angenommen wird, vor çber 3500 Millionen Jahren begonnen hat und noch heute andauert. J Erste einfache Zellen waren schon vor 3500 Millionen Jahren vorhanden,eukaryontische Zellen entwickelten sich erst vor 1400 Millionen Jahren,d. h. gut 2000 Millionen Jahre spåter. Der Homo sapiens ist erst vor einem Vierzigtausendstel der Gesamtdauer der biologischen Evolution aufgetaucht. Die lebende Materie besteht aus 23 verschiedenen Elementen ± Von den insgesamt çber 90 Elementen der Erdkruste sind nur 23 unbedingt notwendige Bestandteile von Lebewesen: Hauptelemente C, H, O, N, P, S (95% der Trockenmasse) Ionische Elemente Na +,K +,Mg 2+,Ca 2+ ; Cl ± Spurenelemente Fe, Zn, Cu, Mn, Co, Mo, I, F, Se, Cr, Si, V Die Hauptelemente bauen die organischen Verbindungen, insbesondere die biologischen Makromolekçle, auf. Die ionischen Elemente kommen nur als Ionen

17 6 Biomolekçle und ihre Wechselwirkungen vor; vier anorganischen Kationen steht Chlorid als einziges anorganisches Anion gegençber. Die Spurenelemente erhielten ihren Namen in den Anfången der analytischen Chemie, als diese Elemente nur ªin Spurenª festgestellt, aber noch nicht quantitativ bestimmt werden konnten. Die Biomolekçle lassen sich nach dem Grad ihrer Komplexitåt ordnen ± Diese hierarchische Ordnung entspricht sowohl dem Verlauf der chemischen Evolution als auch der Bildung dieser Strukturen in der Zelle: Selbstorganisation (Self-assembly): Spontane Zusammenlagerung der Komponenten ohne Unterstçtzung durch zusåtzliche Molekçle. Das Assoziat entspricht einem Minimum der freien Energie (s. Kapitel 1.6) Mit zunehmender Molekçlmasse nimmt die Komplexitåt der Biomolekçle zu. Ihre zunehmende Vielfalt ist ersichtlich aus der molekularen Zusammensetzung lebender Organismen (Tabelle 1.1). Anorganische Vorstufen Beispiele (18±44 Da) Bausteinvorstufen Beispiele (50±250 Da) Bausteine (100±350 Da) Makromolekçle (10 3 ±10 6 Da) Supramolekulare Assoziate Organellen CO 2,H 2 O, NH 3 Oxalacetat Pyruvat Acetat Mononucleotide Aminosåuren Einfache Zucker Fettsåuren, Glycerin Nucleinsåuren Proteine Polysaccharide Lipide (500±2000 Da) z. B. Multienzymkomplexe, Membranen, Viren (Relative Partikelmasse 10 6 ±10 9 Da) z. B. Kern, Mitochondrien Die biologischen Makromolekçle (Nucleinsåuren, Proteine, Polysaccharide) sind Polymere aus wenigen relativ einfach gebauten Bausteinen ± Die Makromolekçle sind echte Molekçle, d. h. alle ihre Atome werden durch kovalente Bindungen (Elektronenpaarbindungen) zusammengehalten. Die Synthese der Makromolekçle aus Vorstufen und der Abbau der Makromolekçle benætigen daher Enzyme als Katalysatoren. Im Gegensatz dazu stellen die supramolekularen Strukturen Assoziate von Makromolekçlen dar, welche durch nichtkovalente Wechselwirkungen zusammengehalten werden und durch nichtkatalysierte Selbstorganisation entstehen. Die Lipide sind keine Polymere und auch keine groûen Molekçle. Sie kommen jedoch mit Makromolekçlen vergesellschaftet vor und bilden zusammen mit Proteinen groûe supramolekulare Strukturen, die Membranen. Die Lipide werden daher als vierte Klasse biologischer Molekçle aufgefçhrt. J Sechs Hauptelemente,fçnf ionische und zwælf Spurenelemente bauen die belebte Materie auf. Wasser bildet den Hauptteil der Masse einer Zelle. Proteine,Nucleinsåuren und Polysaccharide sind die biologischen Makromolekçle. Enzyme bewerkstelligen deren Aufbau und Abbau. Supramolekulare Strukturen entstehen durch Selbstorganisation und werden durch nichtkovalentewechselwirkungenstabilisiert.

18 Tabelle 1.1. Molekulare Zusammensetzung lebender Organismen Wechselwirkungen zwischen Biomolekçlen 7 Bakterienzelle (E. coli) Erwachsener Mensch Anzahl verschiedener Molekçle Anteil in % der Gesamtmasse Anteil in % der Gesamtmasse Wasser Anorganische Ionen Zucker und Vorlåufer Aminosåuren und Vorlåufer 100 0,4 Nucleotide und Vorlåufer 100 0,4 1,5 Lipide Andere niedermolekulare Verbindungen ~300 0,2 Makromolekçle ~ In der Bakterienzelle sind die Makromolekçle Proteine,RNA,DNA und Polysaccharide im Massenverhåltnis von 15 : 6 : 1 : 2 vertreten 1.3 Wechselwirkungen zwischen Biomolekçlen Drei verschiedene Arten nichtkovalenter Bindungen, auch als Sekundårbindungen bezeichnet, fçhren zu intramolekularen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Teilen biologischer Makromolekçle und zu (håufig reversiblen) Wechselwirkungen zwischen Biomolekçlen untereinander. Elektrostatische Anziehung ist wirksam zwischen entgegengesetzt geladenen Gruppen ± Die dabei ausgeçbte Kraft P wird durch das Coulombsche Gesetz gegeben: Molekçlen wird als Ionenpaar-Bindung oder Salzbrçcke bezeichnet. Wasserstoffbindungen kænnen sich zwischen geladenen oder ungeladenen polaren Gruppen ausbilden ± Ein Wasserstoffatom bildet dabei eine Brçcke zwischen zwei anderen Atomen, welche sich das Wasserstoffatom teilen. Das Atom, welches das Wasserstoffatom stårker bindet, wird als Wasserstoffdonor bezeichnet. Das andere Atom, welches das Wasserstoffatom çber ein freies Elektronenpaar bindet, ist der Wasserstoffakzeptor. D ie wichtigsten Donoren sind O- oder N-Atome in HO- oder HN-Gruppen, Akzeptoren sind O- oder N-Atome: P ˆ q1 q 2 D r 2 P =Kraft; q=elektrische Ladung; r =Abstand der Ladungen; D= Dielektrizitåtskonstante des Mediums Im Vakuum ist D= 1; in Wasser ist D= 80, wodurch elektrostatische Wechselwirkungen sehr stark abgeschwåcht werden. Im Innern von Makromolekçlen wie Proteinen entspricht der Wert der Dielektrizitåtskonstante jedoch nahezu demjenigen im Vakuum. Die Anziehung zwischen entgegengesetzt geladenen Gruppen von Wasserstoffbindungen oder H-Bindungen (Hydrogen bonds) werden im Deutschen oft auch als Wasserstoffbrçcken oder Wasserstoffbrçckenbindungen bezeichnet.

19 8 Biomolekçle und ihre Wechselwirkungen Tabelle 1.2. Kovalente Bindungen und nichtkovalente Wechselwirkungen Bindungstyp Långe (nm) Bindungsenergie (kj/mol) Im Vakuum In H 2 O Kovalente Bindung 0, Ionenpaar-Bindung 0, Wasserstoffbindung 0, Van-der-Waals-Anziehung 0, Die Bindungslånge entspricht dem Abstand der Mittelpunkte der beteiligten Atome,bei der Wasserstoffbindung des Donor- und Akzeptoratoms. Die Bindungsenergie ist die Energie,die notwendig ist,um eine Bindung zu spalten. Die angegebenen Werte sind Richtwerte; die Bindungsenergie hångt von den an der Bindung beteiligten Atomen ab Die Bindungsenergie betrågt 12±30 kj/ mol und ist damit maximal ein Zehntel derjenigen einer kovalenten Bindung. In wåssriger Læsung konkurrieren die Wassermolekçle um die Donoren und Akzeptoren, die H-Bindungen werden dadurch stark abgeschwåcht. Eine H-Bindung ist am stårksten, wenn Donor, Wasserstoffatom und Akzeptor auf einer Geraden liegen. H-Bindungen sind deshalb gerichtete Kråfte und bestimmen damit wesentlich die Form biologischer Strukturen. Van-der-Waals-Kråfte werden wirksam bei sehr kurzen Abstånden zwischen zwei Atomen - Sie beruhen auf der çber die Zeit fluktuierenden Verteilung der elektrischen Ladungen um die Atome. Die dabei entstehenden transienten Dipole ziehen sich elektrostatisch an. Van-der-Waals-Kråfte sind schwåcher und weniger spezifisch als elektrostatische Anziehungen und H- Bindungen. Wenn zwei Atome sich sehr nahe kommen, stoûen sie sich gegenseitig kråftig ab. Diese Abstoûung liegt der gegenseitigen sterischen Behinderung (Behinderung durch Raumbeanspruchung) von Teilen eines Molekçls zugrunde und bestimmt damit zu einem wesentlichen Teil die mæglichen Konformationen, die ein Molekçl annehmen kann. Befinden sich zwei Atome im Abstand ihrer Vander-Waals-Radien, halten sich Anziehung und Abstoûung die Waage. Die nichtkovalenten Wechselwirkungen sind sehr viel schwåcher als kovalente Bindungen (Tabelle 1.2), insbesondere ist eine einzelne Van-der-Waals-Bindung zwischen einem Paar von Atomen mit 4 kj/mol nur wenig stårker als die mittlere thermische Energie von Molekçlen bei Raumtemperatur (2,5 kj/mol). Nur wenn sich viele dieser nichtkovalenten Wechselwirkungen gleichzeitig ausbilden kænnen, fçhren sie zu einer starken Bindung zwischen zwei Molekçlen. J Elektrostatische Anziehungen entgegengesetzt geladener Gruppen, Wasserstoffbindungen und Van-der- Waals-Kråfte fçhren zu schwachen nichtkovalenten Wechselwirkungen. Neben kovalenten Bindungen und so genannten hydrophoben Effekten (Kapitel 1.4) sind es diese relativ schwachen nichtkovalenten Wechselwirkungen,welche allen biologischen Strukturen und Vorgången zugrunde liegen.

20 Wasser und hydrophober Effekt Wasser und hydrophober Effekt Wasser ist ein unbedingt notwendiger Bestandteil der lebenden Substanz - Wasser ist das universelle biologische Læsungsmittel, in welchem sich alle biochemischen Vorgånge abspielen. Wasser ist Reaktionspartner bei vielen biochemischen Reaktionen, z. B. hydrolytischen Spaltungen. Wasser liegt dem hydrophoben Effekt zugrunde und ist damit wesentlich mitverantwortlich fçr die Ausbildung aller græûeren biologischen Strukturen. Die folgenden Eigenschaften des Wassers sind biologisch wichtig: ± Hohe Kohårenz (starke intermolekulare Wechselwirkungen durch H-Bindungen), die sich im hohen Schmelz- und Siedepunkt wie auch der hohen Oberflåchenspannung manifestiert. H 2 O ist trotz åhnlichem Bau wie gasfærmiges H 2 S bei physiologischen Temperaturund Druckverhåltnissen flçssig. ± Hohe Dielektrizitåtskonstante (Maû fçr die Schwåchung eines elektrischen Feldes durch einen Dipol). Die polaren Wassermolekçle schwåchen die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen Ionen ab und erleichtern damit Vorgånge, bei denen entgegengesetzte Ladungen getrennt werden, z. B. die Dissoziation von Salzen in Ionen oder die Deprotonierung von Såuren. In wåssriger Læsung sind Ionenpaarbindungen und H-Bindungen dementsprechend stark abgeschwåcht (Tabelle 1.2). Die genannten Eigenschaften lassen sich durch den Bau des H 2 O-Molekçls erklåren. Das H 2 O-Molekçl ist zwar elektrisch neutral, aber durch die ungleichmåûige Verteilung der Bindungselektronen decken sich die positiven und negativen Ladungsschwerpunkte nicht: Der Dipolcharakter des H 2 O-Molekçls ermæglicht die Ausbildung von H-Bindungen zwischen H 2 O-Molekçlen selbst und auch zwischen H 2 O-Molekçlen und anderen polaren Verbindungen. Im Eis sind die Wassermolekçle in ein Kristallgitter eingebaut, wobei jedes O-Atom zwei H-Bindungen eingeht. Die zwei kovalent gebundenen H-Atome und die H-Atome der H-Bindungen sind tetraedrisch angeordnet. In flçssigem Wasser werden die H-Bindungen nur noch vorçbergehend gebildet. Trotzdem sind bei 37 8C noch15% der H 2 O-Molekçle mit vier anderen çber H-Bindungen zu einem kurzlebigen Komplex verbunden: Die Wasserlæslichkeit von Verbindungen wird wesentlich bestimmt durch deren Fåhigkeit, mit den H 2 O-Molekçlen H-Bindungen einzugehen ± Zu den hydrophilen Verbindungen gehæren ionische