Biochemie. Melanie Königshoff Timo Brandenburger. Kurzlehrbuch. Fachbeirat: Michael Duszenko. 3., überarbeitete Auflage. 406 Abbildungen 80 Tabellen

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2 Auf einen Blick 1 Einleitung 13 2 Kohlenhydrate 19 3 Lipide 55 4 Aminosäuren, Peptide und Proteine 85 5 Endoxidation Enzyme Vitamine und Spurenelemente Hormone Ernährung und Verdauung Stoffwechsel der einzelnen Organe Blut Immunsystem Zellbiologie Molekularbiologie Anhang 384

3 Kurzlehrbuch Biochemie Melanie Königshoff Timo Brandenburger Fachbeirat: Michael Duszenko 3., überarbeitete Auflage 406 Abbildungen 80 Tabellen Georg Thieme Verlag Stuttgart New York

4 Dr. Dr. Melanie Königshoff Comprehensive Pneumology Center Ludwig-Maximilians-Universität und Helmholtz Zentrum München Max-Lebsche-Platz München Dr. Timo Brandenburger Klinik für Anästhesiologie Universität Düsseldorf Moorenstr Düsseldorf Fachbeirat: Prof. Dr. Michael Duszenko Physiologisch-chemisches Institut Universität Tübingen Hoppe-Seyler-Str Tübingen Grafiken: Alexander Dospil, Ulm Dr. Wolfgang Zettlmeier, Barbing BITmap, Mannheim Klinische Fälle als Kapiteleinstiege: Lehrbuchredaktion Georg Thieme Verlag mit Fachbeirat Dr. med. Johannes-Martin Hahn Layout: Künkel Lopka, Heidelberg Umschlaggestaltung: Thieme Verlagsgruppe Wichtiger Hinweis: Wie jede Wissenschaft ist die Medizin ständigen Entwicklungen unterworfen. Forschung und klinische Erfahrung erweitern unsere Erkenntnisse, insbesondere was Behandlung und medikamentöse Therapie anbelangt. Soweit in diesem Werk eine Dosierung oder eine Applikation erwähnt wird, darf der Leser zwar darauf vertrauen, dass Autoren, Herausgeber und Verlag große Sorgfalt darauf verwandt haben, dass diese Angabe dem Wissensstand bei Fertigstellung des Werkes entspricht. Für Angaben über Dosierungsanweisungen und Applikationsformen kann vom Verlag jedoch keine Gewähr übernommen werden. Jeder Benutzer ist angehalten, durch sorgfältige Prüfung der Beipackzettel der verwendeten Präparate und gegebenenfalls nach Konsultation eines Spezialisten festzustellen, ob die dort gegebene Empfehlung für Dosierungen oder die Beachtung von Kontraindikationen gegenüber der Angabe in diesem Buch abweicht. Eine solche Prüfung ist besonders wichtig bei selten verwendeten Präparaten oder solchen, die neu auf den Markt gebracht worden sind. Jede Dosierung oder Applikation erfolgt auf eigene Gefahr des Benutzers. Autoren und Verlag appellieren an jeden Benutzer, ihm etwa auffallende Ungenauigkeiten dem Verlag mitzuteilen. Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über de abrufbar. 1. Auflage Auflage , 2012 Georg Thieme Verlag KG Rüdigerstraße Stuttgart Unsere Homepage: Printed in Germany Satz: medionet Publishing Services Ltd, Berlin gesetzt mit 3B2 Druck: Grafisches Centrum Cuno GmbH & Co. KG, Calbe ISBN Auch erhältlich als E-Book: eisbn (PDF) Geschützte Warennamen (Marken) werden nicht besonders kenntlich gemacht. Aus dem Fehlen eines solchen Hinweises kann also nicht geschlossen werden, dass es sich um einen freien Warennamen handelt. Das Werk, einschließlich aller seiner Teile, ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikro verfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

5 5 Vorwort Vielen Dank! Dass es nun die dritte Auflage dieses Buches gibt, haben die vielen Leser und Studierenden ermöglicht, bei denen wir uns ganz herzlich bedanken möchten! Ziel unseres Buches war und ist es, die Fragen Wozu Biochemie? und Warum dieses Buch? zu adressieren und zu verdeutlichen. Stellen Sie sich genau diese Fragen? Die Biochemie mit ihren vielen Formeln, komplizierten Vokabeln und Stoffwechselwegen, die an die U-Bahn-Pläne von Großstädten erinnern? Mit diesem Buch möchten wir alle Leser beim Erlernen der Biochemie unterstützen. Wir haben den Stoff so dargestellt, dass Ihnen die Biochemie vor allem durch das Verstehen von Zusammenhängen Spaß machen und Ihre Neugier und Motivation für das Fach über die Prüfungen hinaus wecken wird. Seit dem ersten Erscheinen des Buches sind nun einige Jahre vergangen und unser Leben und unserer Beruf haben sich verändert. Als klinisch und forschend tätige Ärzte haben wir die verschiedensten Erfahrungen gesammelt. Dabei hat sich auch unser beider Überzeugung verstärkt, dass dieses Buch ein wesentlicher Stützpfeiler im Durchleben des 1. Klinischen Abschnitts des Studiums sein soll immer mit dem Blick auf das Wesentliche. Darüber hinaus ist die Verdeutlichung der klinischen Relevanz der Biochemie ein Kernkonzept dieses Buches, dies wird durch die klinischen Fälle und Bezüge in den einzelnen Kapiteln erreicht. Die Weiterentwicklung von molekularbiologischen Methoden und deren Nutzbarkeit in der klinischen Diagnostik und Therapie in den letzten Jahren nimmt hier eine besondere Stellung ein und wurde in die neue Auflage integriert. Wir wünschen auf diesem Wege allen Studierenden viel Erfolg, Durchhaltevermögen und den nötigen Spaß beim Lernen und Vorbereiten für die Prüfungen. Herzlich bedanken möchten wir uns für die Zusammenarbeit und Umsetzung der dritten Auflage insbesondere bei Frau Dr. Hauser, Frau Mauch und Frau Lubitz vom Georg Thieme Verlag. Ein Buch ist niemals perfekt, vielmehr lebt es von der Kritik und den Anregungen aufmerksamer Leser. Daher freuen wir uns über jede Zuschrift, gleich ob Lob oder Kritik. Melanie Königshoff, Timo Brandenburger München, Düsseldorf im Februar 2012

6 6 Inhalt 1 Einleitung Wozu Biochemie? Der Intermediärstoffwechsel Die Grundlagen der Immunchemie Die Molekularbiologie Die Hormone Die Biochemie und das Verständnis klinischer Krankheitsbilder Die Biochemie und das Verständnis pharmakotherapeutischer Grundlagen Die Biochemie und klinischchemische Parameter Verknüpfung der Biochemie mit anderen vorklinischen Fächern 15 2 Kohlenhydrate Grundlagen und Chemie der Kohlenhydrate Überblick und Funktion Die Monosaccharide Die Disaccharide Die Polysaccharide Der Stoffwechsel der Kohlenhydrate: Übersicht Die Glykolyse Überblick und Funktion Die Reaktionen der Glykolyse Die Energiebilanz Die Regulation der Glykolyse Der Pentosephosphatweg (PPW) Überblick und Funktion Die Lokalisation des Pentosephosphatwegs Die Reaktionen des PPW Die NADPH + H+-Gewinnung durch den Pentosephosphatweg Die Regulation des Pentosephosphatwegs Die Gluconeogenese Überblick und Funktion Die Reaktionen der Gluconeogenese Der Aufbau von Glucose aus glucoplastischen Aminosäuren Der Aufbau von Glucose aus Lactat (Corizyklus) Der Aufbau von Glucose aus Glycerin Die Regulation der Gluconeogenese Der Glykogenstoffwechsel Der Glykogenaufbau Der Glykogenabbau Die Regulation des Glykogenstoffwechsels Der Lactose- und Galactosestoffwechsel Überblick und Funktion Der Abbau der Lactose und Galactose Der Aufbau der Galactose und Lactose Der Fructosestoffwechsel Überblick und Funktion Der Fructoseabbau Der Fructose-Aufbau 51 3 Lipide Grundlagen und die Chemie der Lipide Überblick und Funktion Die Eigenschaften Der Aufbau Die Fettsäuren (FS) Die einfachen Lipide: Triacylglycerine (Fette und Öle) und Wachse Die komplexen Lipide: Phospholipide Die komplexen Lipide: Glykolipide Die Isoprenoide Der Stoffwechsel der Fettsäuren Überblick und Funktion Der Abbau der Fettsäuren (β- Oxidation) Die Ketonkörper Die Biosynthese der Fettsäuren ( de novo -Synthese) Die Zusammenfassung des Fettsäurestoffwechsels Die Lipogenese und die Synthese der Phospholipide Überblick und Funktion Die Lipogenese Die Synthese der Phospholipide Das Cholesterin Überblick und Funktion Die verschiedenen Formen des Cholesterins Die Cholesterinbiosynthese Der Cholesterinabbau Die Lipoproteine Überblick und Funktion Der Aufbau 77

7 Die Einteilung der Lipoproteine Der Lipoproteinstoffwechsel 78 4 Aminosäuren, Peptide und Proteine Grundlagen und die Chemie der Aminosäuren Überblick und Funktion Die Struktur der Aminosäuren Die posttranslationale Modifizierung Peptide und Proteine das Eiweiß Überblick und Funktion Die Peptidbindung Die räumliche Struktur der Proteine Verfahren zur Trennung und zum Nachweis von Proteinen Verfahren zur Strukturaufklärung von Proteinen Der Aminosäurestoffwechsel Überblick und Funktion Die Proteolyse der Proteine Der grundsätzliche Abbau der Aminosäuren Der Abbau der einzelnen Aminosäuren Die Aminosäuren als Vorstufen wichtiger Biomoleküle Die Biosynthese der Aminosäuren Endoxidation Einleitung Der Pyruvatdehydrogenase- Komplex (PDH) Überblick und Funktion Der Aufbau Die einzelnen Reaktionen Die Regulation Der Citratzyklus Überblick und Funktion Das Black Box -Modell des Citratzyklus Die einzelnen Reaktionen Die Energiebilanz Die Regulation Der Citratzyklus als das amphibole Zentrum des Intermediärstoffwechsels Die Atmungskette (oxidative Phosphorylierung) Überblick und Funktion Das Black Box -Modell der Atmungskette Die Atmungskette als Elektronentransportkette Die Lokalisation der Atmungskette Der Transport der reduzierten Coenzyme vom Zytosol ins Mitochondrium Die einzelnen Komplexe der Atmungskette Die Protonenausbeute in der Atmungskette Zusammengefasst: Die Vorgänge in der Atmungskette Der Transport von ATP aus dem Mitochondrium in das Zytosol Die Hemmung der Atmungskette Die Entkopplung der oxidativen Phosphorylierung im braunen Fettgewebe Das ATP die Energiewährung unseres Körpers Enzyme Einleitung Grundbegriffe der Energetik und Kinetik Der Überblick Einige Grundlagen zur Reaktionsenergetik Einige Grundlagen zur Reaktionskinetik Der Einfluss von Enzymen auf biochemische Reaktionen Die Enzymkinetik Der Überblick Das Modell nach Michaelis und Menten Die Mechanismen zur Regulation von Enzymen Der Einfluss von Temperatur und ph- Wert auf die Enzymaktivität Das Prinzip der Spektralphotometrie zum Nachweis der Enzymaktivität Die Einteilung der Enzyme Der Überblick Die Enzymklassen Die Isoenzyme Die Coenzyme und die prosthetischen Gruppen Die Prinzipien der Stoffwechselregulation Der Überblick Die Regulation durch die Substratkonzentration Die Regulation durch negative Rückkopplung Die allosterische Regulation Die Induktion und Repression der Enzymsynthese 159

8 Die Interkonvertierung Die limitierte Proteolyse Vitamine und Spurenelemente Grundlagen Überblick und Funktion Hypovitaminose, Hypervitaminose, Avitaminose Die fettlöslichen Vitamine Vitamin A das Retinol Vitamin D die Calciferole Vitamin E das Tocopherol Vitamin K das Phyllochinon Die wasserlöslichen Vitamine Vitamin B 1 das Thiamin Vitamin B 2 das Riboflavin Das Niacin Vitamin B6 das Pyridoxin Die Pantothensäure Vitamin B 12 das Cobalamin Die Folsäure Das Biotin Vitamin C die L-Ascorbinsäure Die Spurenelemente Die Funktion der Spurenelemente Die einzelnen Spurenelemente Hormone Die Grundlagen Überblick und Funktion Die lipophilen Hormone Die hydrophilen Hormone Die hormonelle Regulation Die Effektorhormone des Hypothalamus und der Hypophyse Überblick und Funktion Die Hypothalamushormone ADH und Ocytocin Das Hypophysenhormon Prolaktin Die Schilddrüsenhormone Überblick und Funktion Die hormonelle Regulation Die Biosynthese von T 3 und T Die Wirkungen der Schilddrüsenhormone Das Wachstumshormon Somatotropin Überblick und Funktion Die Regulation Die Wirkungen von STH Die Hormone der Nebennierenrinde Überblick und Funktion Die Glucocorticoide Die Mineralcorticoide Die Sexualhormone Überblick und Funktion Die Regulation Die Synthese Die männlichen Sexualhormone Die weiblichen Sexualhormone Die Schwangerschaftshormone Klinische Bezüge Die Katecholamine Überblick und Funktion Die Synthese Die Wirkungen Der Abbau Das Insulin und das Glukagon Überblick und Funktion Das Insulin Das Glukagon Der Diabetes mellitus Die Hormone des Calciumstoffwechsels Überblick und Funktion Die Regulation Das Parathormon Das Calcitonin Das Vitamin D Zusammenfassung Die Gewebshormone Überblick und Funktion Das Serotonin Das Histamin Die Eicosanoide Die Kinine Die Zytokine Die Hormone des Gastrointestinal- Traktes Überblick und Funktion Die Hormone des Magens Die Hormone des Darms Ernährung und Verdauung Die Ernährung Überblick und Funktion Der Energiegehalt der Nahrung Die essenziellen Nahrungsbestandteile Die besondere Bedeutung der Proteine Die künstliche Ernährung 219

9 9 9.2 Die Verdauung Die Regulation Die Verdauungssekrete Die Verdauung der einzelnen Nährstoffe Stoffwechsel der einzelnen Organe Die Leber Überblick und Funktion Der Aufbau Der Kohlenhydratstoffwechsel Der Protein- und Stickstoffstoffwechsel Der Lipidstoffwechsel Die Gallensäuren Die Leber als Entgiftungsorgan Das Fettgewebe Überblick und Funktion Der Aufbau Der Kohlenhydratstoffwechsel Der Lipidstoffwechsel Die Regulation der Nahrungsaufnahme durch Leptin Das braune Fettgewebe Das Muskelgewebe Überblick und Funktion Der Aufbau Die Kontraktion Die rote und die weiße Muskulatur Der Kohlenhydratstoffwechsel Der Lipidstoffwechsel Der Proteinstoffwechsel Die ATP-Bereitstellung Das zentrale Nervensystem Überblick und Funktion Der Aufbau Der Kohlenhydratstoffwechsel Der Lipidstoffwechsel Der Proteinstoffwechsel Die Neurotransmitter Niere und Elektrolyt-Haushalt Überblick und Funktion Der Aufbau Der Stoffwechsel Die Niere als Ausscheidungsorgan Der Mineralhaushalt Die Produktion von Hormonen Das Bindegewebe Überblick und Funktion Der Aufbau des Bindegewebes Die Proteine des Bindegewebes Das Knochengewebe Das Knorpelgewebe Blut Einleitung Die zellulären Bestandteile des Blutes Überblick und Funktion Die Hämatopoese Die Erythrozyten Die Leukozyten Die Thrombozyten Das Hämoglobin und Myoglobin Überblick und Funktion Das Hämoglobin Das Myoglobin Der Gastransport Überblick und Funktion Der Weg des Sauerstoffs von derlunge in das Gewebe Der Weg des CO 2 von den Geweben zur Lunge Die Blutgruppeneigenschaften Der Überblick Das AB0-System Das Rhesus-System Die Hämostase Überblick und Funktion Die Blutstillung durch Thrombozyten Die Blutgerinnung Die Fibrinolyse Die Plasmaproteine Überblick und Funktion Die Analyse der Plasmaproteine Dysproteinämien Immunsystem Einleitung Die spezifische Immunantwort Überblick und Funktion Die CD-Moleküle Die Entstehung und Reifung der Lymphozyten Die T-Lymphozyten (T-Zellen) Die B-Lymphozyten (B-Zellen) Die Antikörper Die Antigene MHC Der Major Histocompatibility Complex Die unspezifische Immunantwort Überblick und Funktion Das Komplementsystem Das Lysozym Die Zytokine Die Zellen der unspezifischen Abwehr 313

10 Die Immunantwort: Zusammenfassung Störungen des Immunsystems Der Überblick Die Überempfindlichkeitsreaktionen Die Immundefektkrankheiten Die Autoimmunkrankheiten Wichtige immunologische Nachweisreaktionen Überblick und Funktion Der Neutralisationstest Der Agglutinationstest Der Präzipitationstest ELISA enzyme linked immuno sorbent assay Die Komplementbindungsreaktion (KBR) Der Western Blot Zellbiologie Die Membranen Überblick und Funktion Der Aufbau zellulärer Membranen (Plasmamembran) Die Zellorganellen und das Zytoskelett Der Überblick Der Zellkern (Nukleus) Das endoplasmatische Retikulum (ER) Der Golgi-Apparat Die Lysosomen Die Mitochondrien Die Peroxisomen Das Zytoskelett und die extrazelluläre Matrix Der Zellzyklus und die Apoptose Der Überblick Der Ablauf des Zellzyklus Die Regulation des Zellzyklus Die Apoptose (programmierter Zelltod) Die Chemie der Nukleinsäuren Überblick und Funktion Die Prinzipien des Nukleinsäure- Aufbaus Der Aufbau der DNA Der Aufbau der RNA Die Replikation der DNA Überblick und Funktion Der Ablauf der Replikation Hemmstoffe der DNA-Replikation Die DNA-Reparatur Die Transkription Überblick und Funktion Die verschiedenen RNA-Formen Der Ablauf der Transkription Die posttranskriptionale Modifikation von RNA (RNA-Reifung) Hemmstoffe der Transkription Die Translation Überblick und Funktion Die Grundlage: Der genetische Code Das Werkzeug: Die transfer-rna (trna) Der Ort: Die Ribosomen Der Ablauf der Translation Hemmstoffe der Translation Die Proteinfaltung Der Transport von Proteinen Die co- bzw. posttranslationale Modifikation von Proteinen Molekulare Onkologie Der Überblick Begriffsdefinitionen Ausgangspunkte der Tumorentstehung Molekularbiologische Methoden zur Analyse von Nukleinsäuren Überblick und Funktion Die Werkzeuge Die Übertragung von DNA Die Klonierung Die Analyse von DNA Die Analyse von RNA Molekularbiologie Die Chemie der Nukleotide Überblick und Funktion Der Aufbau Die Funktion Die Synthese der Nukleotide Die Wiederverwertung (Salvage Pathway) Der Abbau Störungen im Nukleotidstoffwechsel Anhang Wichtige chemische Grundlagen Beispiele für wichtige Moleküle mit ihren Bindungen und Gruppen Stoffwechselübersichten 389

11 Kapitel 1 MEV-Verlag, Augsburg 1 Einleitung 1.1 Wozu Biochemie? Der Intermediärstoffwechsel Die Grundlagen der Immunchemie Die Molekularbiologie Die Hormone Die Biochemie und das Verständnis klinischer Krankheitsbilder Die Biochemie und das Verständnis pharmakotherapeutischer Grundlagen Die Biochemie und klinischhemische Parameter Verknüpfung der Biochemie mit anderen vorklinischen Fächern 15

12 12 Klinischer Fall Halbmonde in den Adern Bei der Sichelzellanämie kann man im Blutausstrich die charakteristische sichelzellartige Verformung der Erythrozyten deutlich erkennen (Pfeile). (Aus Greten, Innere Medizin, Thieme 2010). Komplizierte Strukturformeln, Stoffwechselschritte und Reaktionsabläufe was hat das mit Medizin zu tun? Eine ganze Menge! Auch wenn man später als Arzt nicht mehr alle Reaktionsschritte des Citratzyklus kennen muss viele Krankheiten kann man nur dann verstehen, wenn man die biochemischen Grundlagen kennt. Um die klinische Relevanz der Biochemie zu verdeutlichen, ist jedem Kapitel dieses Kurzlehrbuches eine Fallgeschichte vorangestellt. In der ersten Kasuistik wird eine Erkrankung vorgestellt, die den Ärzten lange Zeit ein Rätsel war. Erst 50 Jahre nach ihrer Erstbeschreibung gelang es Biochemikern und Medizinern, ihr Geheimnis zu lüften. Ein merkwürdiger Blutausstrich Ratlos betrachtet Dr. Herrick im Labor das Blutbild seines Patienten. Er leidet eindeutig an einer Anämie: Sein Blut enthält nur 2,6 Millionen Erythozyten pro µl normalerweise sind es etwa doppelt so viele. Auch der Hämoglobingehalt ist mit 8 g / dl nur etwa halb so hoch wie bei gesunden Männern. Das passt zu den Beschwerden des 20-Jährigen, der schon seit längerer Zeit über Schwäche, Kopfschmerzen und Atemnot klagt. Doch eine Ursache für die Anämie kann der Arzt nicht finden. Was Dr. Herrick zudem wundert: Der Patient leidet seit seiner Kindheit unter anormal vielen Infektionen; seine Beine und Füße sind von den vielen schlecht verheilten und entzündeten Verletzungen ganz vernarbt. Am seltsamsten aber ist die Form der roten Blutkörperchen: Sie sind nicht rund, sondern dünn und halbmondförmig. Dr. Herrick kann sich darauf keinen Reim machen. Auch seine Kollegen wissen keinen Rat. Als der Patient die Klinik vier Wochen später verlässt, haben sich seine Symptome zwar gebessert, doch die seltsame Form der Erythrozyten ist geblieben. Ursache: eine Punktmutation Erst sechs Jahre später veröffentlicht Dr. Herrick eine Fallstudie über seinen Patienten in der angesehenen Fachzeitschrift,Archives of Internal Medicine. Das ist wird das Rätsel um die Krankheit, die inzwischen Sichelzellanämie genannt wird, gelöst. Die Ursache liegt auf molekularer Ebene: Im Hämoglobin der Patienten ist in Position 6 die Aminosäure Glutamat gegen Valin ausgetauscht. Verantwortlich dafür ist eine Punktmutation auf Chromosom 11. Die sichelförmigen Erythrozyten können leicht verklumpen und die Arterien verstopfen. So kommt es bei den Betroffenen oft schon im Kindesalter zu äußerst schmerzhaften Organinfarkten. Die Milz, die für den Abbau der Erythrozyten verantwortlich ist, schwillt zunächst an (Splenomegalie); später kommt es durch zahlreiche Milzinfarkte zur Atrophie, d. h., die Milz geht zugrunde. Da die Milz als lymphatisches Organ für die Infektabwehr mitverantwortlich ist, leiden die Erkrankten unter häufigen bakteriellen Infektionen. Viele Patienten sterben, bevor sie das Erwachsenenalter erreichen. Kein Nachteil ohne Vorteil Inzwischen weiß man, dass die Sichelzellanämie keine seltene Krankheit ist. Bis zu 40 % der Bevölkerung Afrikas sind heterozygote Anlagenträger des Sichelzellgens, d. h., sie tragen das mutierte Gen auf nur einem Chromosom 11. Sie leiden, wenn überhaupt, nur unter geringen Symptomen, da ihr Blut lediglich zu % aus dem Sichelzellhämoglobin HbS besteht. Und sie haben einen entscheidenden Vorteil gegenüber Menschen mit normalem Hämoglobin: Heterozygote HbS-Träger sind gegenüber den Erregern der Malaria resistenter. Deshalb konnte sich das HbS-Gen in dieser Region trotz der schweren Erkrankung bei Homozygoten so gut durchsetzen.

13 1 Einleitung Die Grundlagen der Immunchemie 13 1 Einleitung 1.1 Wozu Biochemie? Die Biochemie betrachtet und erforscht die molekularen Zusammenhänge des Lebens. Die richtige Frage am Anfang wäre vielleicht nicht Wozu Biochemie?, sondern Was ist Biochemie? oder Was muss ich von der Biochemie mitnehmen, um Zusammenhänge in der Klinik verstehen zu können?. Viele Inhalte der Biochemie haben eine besonders wichtige Bedeutung für den behandelnden Arzt. Das sind in erster Linie: Der Intermediärstoffwechsel Die Grundlagen der Immunchemie (s. S. 297) Die Molekularbiologie (s. S. 339) Die Hormone (s. S. 183). 1.2 Der Intermediärstoffwechsel Der Mensch ist ein offenes System, d. h. es findet ein Stoff- und Energieaustausch mit der Umwelt statt. Egal ob Pizza, Salat, Wasser oder Wein jeden Tag nehmen wir Nahrung und Flüssigkeit auf. Nach Zerlegung in kleinere Pakete werden diese Nahrungsbestandteile über den Darm resorbiert. Ziel ist es schließlich, die Zellen des Körpers ausreichend mit allem zu versorgen, was sie täglich benötigen. Die Abbauprodukte des Körpers werden letztendlich über den Darm und die Nieren ausgeschieden. Die Moleküle, die wir mit der Nahrung zu uns nehmen, unterscheiden sich ganz erheblich von denen, die wir wieder ausscheiden. Das wird deutlich, wenn Sie sich die unterschiedlichen Strukturformeln einer Aminosäure und des Aminosäureabbauprodukts Harnstoff ansehen. Die Hauptbestandteile der Nahrung sind die Kohlenhydrate (Zucker), die Lipide (Fette), die Proteine (Eiweiße) und die Nukleinsäuren. Ihre Abbauprodukte werden in enzymatischen Reaktionen in den Zellen umgesetzt. Diese Umsetzung bezeichnet man als Intermediärstoffwechsel. Der Intermediärstoffwechsel des Menschen ist sehr komplex. Es ist sinnvoll, sich zunächst eine Übersicht über den Intermediärstoffwechsel zu verschaffen. Dem wurde in diesem Buch durch die Einführung von Stoffwechselübersichten Rechnung getragen. Dabei bietet Ihnen die Übersicht 1 (s. S. 389) einen Überblick über den Stoffwechsel der drei Hauptnahrungsbestandteile, ohne Sie gleich mit einer Fülle an Details zu erschlagen. Anders als in der Chemie, in der häufig Einzelreaktionen betrachtet werden, steht eine Reaktion in der Biochemie immer in einem Zusammenhang mit Folgereaktionen. Der menschliche Körper kann es sich nicht leisten, einzelne Reaktionen unkoordiniert ablaufen zu lassen. Um Leben zu ermöglichen, ist der Mensch auf eine genau geregelte Koordination aller Stoffwechselprozesse angewiesen. Ablauf und Regulation des Stoffwechsels ist vor allem durch Enzyme gewährleistet, die im Mittelpunkt des Stoffwechsels stehen. Man unterscheidet den katabolen vom anabolen Stoffwechsel. Dabei versteht man unter Katabolismus den Abbau von Verbindungen im Stoffwechsel, unter Anabolismus deren Aufbau. Im Zentrum des Katabolismus steht die Produktion von ATP, der Energiewährung unseres Körpers. Der Großteil des ATP wird in der Atmungskette gebildet. Der Anabolismus dient in erster Linie dem Aufbau von Speicherstoffen, die bei Bedarf wieder abgebaut werden können, wie z. B. die Fettdepots. Eine zentrale Position, sowohl im Katabolismus als auch im Anabolismus, nimmt die aktivierte Essigsäure (Acetyl-CoA) ein. Acetyl-CoA ist das Sammelbecken für den Fett-, Kohlenhydrat- und Teile des Proteinabbaus. Nach Einschleusung in den Zitratzyklus kann es weiter abgebaut werden. Es ist in dieser Funktion die wichtigste Ausgangssubstanz für die Produktion von ATP. Gleichzeitig dient es als Grundbaustein etlicher Moleküle wie beispielsweise des Cholesterins. 1.3 Die Grundlagen der Immunchemie Unser Körper ist ständig Eindringlingen wie Bakterien, Viren oder Pilzen ausgesetzt. Ohne eine ausgereifte Abwehrfunktion könnten wir uns gegen diese Angreifer nicht wehren. Die molekularen Grundlagen des Abwehrsystems sind Bestandteil der Biochemie. Dabei verfügt der Mensch über ein ausgeklügeltes Abwehrsystem, das zelluläre und lösliche (humorale) Bestandteile umfasst und bei dem man spezifische und unspezifische Reaktionen voneinander unterscheidet. Die Interaktion dieser Bestandteile ist von größter Relevanz. Über welche Moleküle kommunizieren die verschiedenen Zellen der Immunabwehr miteinander? Über welche Mechanismen werden die einzelnen Fraktionen des Immunsystems aktiviert? Diesen Fragen wird im Kapitel Immunsystem nachgegangen. Dabei kann es motivieren, dass die Betrachtungen der Immunabwehr zum einen an sich sehr interessant sind. Außerdem sind die molekularen Grundlagen der Immunologie derzeit ein zentraler Bestandteil der klinischen Forschung. So ist auch heute noch über die Ursache von Autoimmunkrankheiten wenig bekannt. Aber auch für das Verständnis des Ablaufs banaler Infekte ist das Studium der immunologischen Grundlagen wichtig. 1

14 14 Die Molekularbiologie 1 Einleitung Die Molekularbiologie Seit der Aufklärung der DNA-Struktur in den 50er- Jahren hat sich das Wissen über unsere Erbinformation rasant entwickelt. Seit einigen Jahren ist das Genom des Menschen entschlüsselt. Das gewonnene Wissen birgt neue Chancen und Risiken, denen der Arzt in zunehmendem Maße gegenübersteht. Ein Studium der Grundlagen der Molekularbiologie ist daher notwendig und wichtig, um mit Begriffen wie DNA, RNA, Replikation, Translation, Transkription u. a. sicher umgehen zu können. Weiterhin ist es hilfreich, sich mit einigen molekularbiologischen Labormethoden auseinanderzusetzen, da diese heute in vielen medizinischen Bereichen Verwendung finden (z. B. PCR zur Amplifikation von DNA). In den meisten medizinischen Labors und bei vielen medizinischen Doktorarbeiten werden diese molekularbiologischen Methoden angewandt. Zudem sehen viele Mediziner im Bereich der Molekularbiologie die größten Entwicklungschancen für die Medizin von morgen. Die rasante Entwicklung der molekularbiologischen Forschung wirft Fragen auf, die ein Grundlagenstudium für die Generation junger Mediziner unabdingbar machen. Dabei sollte man sich auch mit ethischen Fragen auseinandersetzen, die durch die vielen neuen molekularbiologischen Methoden aufgeworfen werden, wie z. B. mit der pränatalen Diagnostik. 1.5 Die Hormone In keinem anderen Teilgebiet der Biochemie ist die Verbindung zur Klinik so offensichtlich wie bei der Endokrinologie. Besonders die Endokrinologie als Teilgebiet der Inneren Medizin oder die gynäkologische Endokrinologie machen diese Verbindung deutlich. Die biochemischen und physiologischen Grundlagen der Hormone sind daher essenziell für jeden behandelnden Arzt. Das zeigt das Beispiel Diabetes mellitus. Bei etwa vier Millionen Diabetikern in Deutschland ist es mehr als wahrscheinlich, dass Ärzten jeder Fachrichtung etliche Diabetiker begegnen werden. Zudem lässt sich zu beinahe jedem Hormon ein klinischer Aspekt finden, der das Studium dieses Themas besonders interessant macht. 1.6 Die Biochemie und das Verständnis klinischer Krankheitsbilder Warum also Biochemie? Schauen wir das Beispiel Diabetes mellitus einmal genauer an. Bei dieser Erkrankung unterscheidet man einen Typ I und einen Typ II. Der Typ II kommt in den Industrieländern besonders häufig vor. Vereinfacht gesagt haben diese Patienten ständig erhöhte Blutzuckerwerte, da ihr Insulin den Blutzucker nicht mehr kontrollieren kann. Häufige Ursache ist ein Defekt des Insulinrezeptors. Man hat nun zwei Möglichkeiten, sich die Auswirkungen dieses Zustandes einzuprägen. Möglichkeit eins: Man lernt sie stur auswendig. Möglichkeit zwei: Man leitet sich die klinischen Erscheinungen anhand der biochemischen und physiologischen Grundlagen her. Wahrscheinlich werden Sie zustimmen, dass der zweite Weg der leichtere und sinnvollere ist. Warum zum Beispiel kann es bei Diabetes zu einem ketoazidotischen Koma kommen? Aus dem Fettgewebe werden vermehrt Fettsäuren freigesetzt. Die Fettsäuren, die unter Einwirkung von Insulin eigentlich wieder mit Glycerin zu Fetten verestert würden, werden in der Leber aufgrund des Insulinmangels zu Acetyl-CoA abgebaut. Aus dem Acetyl- CoA werden dann vermehrt Ketonkörper gebildet. Da die Ketonkörper relativ starke Säuren sind, resultiert eine metabolische Azidose. Der Abfall des ph- Wertes beeinträchtigt die Funktion der Gewebe, insbesondere des ZNS. In schlimmen Fällen resultiert daraus das diabetische Koma. Dies soll nur ein Beispiel sein, um die Relevanz der biochemischen Grundlagen für das Verständnis vieler klinischer Krankheitsbilder zu verdeutlichen. 1.7 Die Biochemie und das Verständnis pharmakotherapeutischer Grundlagen Warum kann Acetylsalicylsäure (Aspirin) Kopfschmerzen lindern? Acetylsalicylsäure hemmt das Enzym Cyklooxygenase. Die Cyklooxygenase ist verantwortlich für die Umwandlung von Arachidonsäure in Prostaglandine. Durch eine Hemmung des Enzyms werden die Prostaglandine vermindert synthetisiert. Dadurch nimmt die Schmerzempfindung ab. Die Grundlagen hierzu finden Sie in der Biochemie. In vielen Fällen greifen die Pharmaka in bekannte biochemische Prozesse ein. Dabei sind häufig stoffwechselrelevante Enzyme der Angriffsort des Medikaments. 1.8 Die Biochemie und klinischchemische Parameter Viele Enzyme und andere Moleküle des Körpers begegnen Ihnen nicht nur beim Studium der Biochemie in der Vorklinik. Sie sind Wegbegleiter Ihrer gesamten ärztlichen Tätigkeit. Auch hier gilt wiederum, dass ein fundiertes Grundlagenwissen das spätere klinische Studium enorm erleichtert. So ist es ein großer Unterschied, ob sie die Abkürzung AST (für Aspartat-Aminotransferase) nur als Abstraktum auswendig lernen, oder ob Sie die Funktion eines zentralen Enzyms im Aminosäurestoffwechsel damit verknüpfen können.

15 1 Einleitung Verknüpfung der Biochemie mit anderen vorklinischen Fächern Verknüpfung der Biochemie mit anderen vorklinischen Fächern Die Biochemie lernt man sinnvollerweise im Kontext mit anderen Grundlagenfächern. Betrachten Sie als Beispiel das Parathormon. In der Anatomie lernen Sie, dass dieses Hormon in den vier linsengroßen Epithelkörperchen gebildet wird. Inhalt der Physiologie ist die Wirkung des Parathormons auf den Calciumhaushalt. In der Biochemie schließlich betrachtet man die molekulare Ebene und lernt beispielsweise, dass das Parathormon ein Protein ist, das an Rezeptoren auf Osteoklasten bindet und mit Hilfe von second messengern zur Freisetzung von Ca 2+ aus den Knochen führt. Tatsächlich zählt die Biochemie zusammen mit der Anatomie und der Physiologie zu den zentralen Kernfächern der vorklinischen Ausbildung. Ohne eine fundierte biochemische Kenntnis lassen sich in vielen Fällen weder die molekularen Ursachen einer Erkrankung noch deren Behandlungsoptionen verstehen. 1