Transportprozess Stoffwechselprozess sonstiger Prozess Prozess läuft ab Molekül aktiv Prozess läuft nicht ab Molekül inaktiv

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2 A. Wichtige Elemente B. Biomoleküle Symbol vdw- Radius (pm) relative Atommasse kov. Radius (pm) Kohlenhydrat Signalstoff Wasserstoff H 100 1, Protein Kohlenstoff Stickstoff Sauerstoff C , N , O , außen Membran Phosphor P , innen Schwefel S , Metall Me RNA DNA C. Prozesse, Reaktionen und Metabolite Stoffwechselprozess Reaktion Katalyse Aktivierung allgem. Prozess mehrere Schritte anabol Hemmung Metabolit Kohlenhydrat Nucleotid Lipid Protein/Aminosäure Speicherstoff pathologischer Prozess Transport Transportprozess Stoffwechselprozess sonstiger Prozess Prozess läuft ab Molekül aktiv Prozess läuft nicht ab Molekül inaktiv katabol Konzentration nimmt zu Konzentration nimmt ab energiereiche Bindung Reaktionswege Signalstoff komplexe Wirkung Second-Messenger Phosphat oder P Phosphat-Rest chirales Zentrum für den Menschen essenziell Hinweis auf Pathologie D. Coenzyme und Nucleotide (Beispiele) Redox-Coenzyme NAD NADP FMN FAD Nucleotide AMP ADP ATP dtmp andere Coenzyme CoA TPP PLP THF

3 A. Darstellung enzymkatalysierter Reaktionen Methanol Hemmstoff 1 Enzym 1 Protein-Kinase 1 Wirkung 1 Protein-Phosphatase Ethanol Substrat NAD Coenzym NADH 1 Alkohol-Dehydrogenase [Zn2+] lfd.-nr. Enzym Cofaktor Ethanal Produkt Die Enzymklassen 1 Oxidoreduktasen 2 Transferasen 3 Hydrolasen 4 Lyasen (Synthasen) 5 Isomerasen 6 Ligasen (Synthetasen) B. Gewebe, Organe, Organellen Leber C. Strukturen und komplexe Moleküle Membran Muskel Transporter Niere Ionenkanal Fettgewebe Transport-ATPase Darm Lunge 1-Helix-Membranrezeptor Erythrocyt 7-Helix-Membranrezeptor Mitochondrium Ribosom Golgi-Apparat Transkriptionsfaktor Zelle mit Zellkern Antikörper

4 Auf einen Blick Grundlagen 1 Biomoleküle 27 Stoffwechsel 71 Zellorganellen 193 Molekulare Genetik 229 Gewebe und Organe 265 Ernährung 381 Signalsysteme 397 Wachstum und Entwicklung 443 Anhang 459

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6 Taschenatlas Biochemie des Menschen Jan Koolman Klaus-Heinrich Röhm 220 Farbtafeln von Jürgen Wirth 4., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage Georg Thieme Verlag Stuttgart New York

7 IV Prof. Dr. rer. nat. Jan Koolman Philipps-Universität Marburg Institut für Physiologische Chemie Arbeitsgruppe Biochemische Endokrinologie Deutschhausstraße 1, Marburg Prof. Dr. rer. nat. Klaus-Heinrich Röhm Krumme Straße 86, Berlin Gestaltung der Farbtafeln Prof. Jürgen Wirth Visuelle Kommunikation, Dreieich Umschlaggestaltung: Thieme Verlagsgruppe Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. 1. Auflage Auflage Französische Auflage Französische Auflage Französische Auflage Englische Auflage Englische Auflage Japanische Auflage Japanische Auflage Italienische Auflage Griechische Auflage Griechische Auflage Russische Auflage Indonesische Auflage Türkische Auflage Holländische Auflage Spanische Auflage Portugisische Auflage Polnische Auflage Chinesische Auflage , 2009 Georg Thieme Verlag KG Rüdigerstraße 14, D Stuttgart Unsere Homepage: Printed in Germany Satz: Mitterweger & Partner GmbH, Plankstadt Druck: Firmengruppe APPL, aprinta druck, Wemding ISBN 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. Geschützte Warennamen (Warenzeichen) 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, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

8 V Zu den Autoren Jan Koolman (im Bild links) ist in Lübeck geboren und mit dem Seewind von der Ostsee aufgewachsen. Der Besuch des humanistischen Gymnasiums der Hansestadt hat in ihm manche Spuren hinterlassen. Von 1963 bis 1969 studierte er Biochemie an der Eberhard-Karls- Universität in Tübingen. Für eine Promotion (im Fachbereich Chemie) bei Peter Karlson ging er nach Marburg. Dort begann er, sich mit der Biochemie der Insekten und anderer Evertebraten zu beschäftigen. Er habilitierte sich 1977 im Fachbereich Humanmedizin und wurde 1984 zum Professor ernannt. Seine besonderen Interessensgebiete sind die biochemische Endokrinologie und die Didaktik der Biochemie. Jan Koolman ist mit einer Kunstpädagogin verheiratet. Klaus-Heinrich Röhm (rechts) stammt aus Stuttgart. Nach dem Abitur am Evangelisch-Theologischen Seminar in Urach, ebenfalls einer humanistischen Bildungsstätte, fand er nach einem Abstecher in die Physik zum Diplomstudium der Biochemie an der Universität Tübingen. Dort begegneten sich die beiden Autoren zum ersten Mal. Seit 1970 ist Klaus- Heinrich Röhm ebenfalls am Fachbereich Medizin in Marburg tätig. Er promovierte bei Friedhelm Schneider und habilitierte sich 1980 im Fachbereich Chemie, seit 1986 ist er Professor. Seine Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Struktur und Funktion von Enzymen aus dem Aminosäure-Stoffwechsel. Klaus-Heinrich Röhm ist mit einer Biologin verheiratet und hat zwei Kinder. Jürgen Wirth (Mitte), studierte an der HfBK Berlin und an der Hochschule für Gestaltung in Offenbach. Studienschwerpunkte waren Freie Grafik und Illustration, Diplomthema: Entwicklung und Funktion der wissenschaftlichen Zeichnung. Von 1963 bis 1977 war Jürgen Wirth an der Ausstellungsgestaltung des Naturkundemuseums Senckenberg in Frankfurt/M. beteiligt. Gleichzeitig war er freier Mitarbeiter bei verschiedenen Verlagen mit Illustration und Grafik für Schulbücher, Sachbücher und wissenschaftliche Publikationen. Er erhielt mehrere Auszeichnungen für Buchgrafik und -gestaltung wurde er zum Professor an der HfG in Schwäbisch Gemünd ernannt und 1986 Professor am FB Gestaltung der Hochschule Darmstadt. Seine Arbeitsgebiete sind Wissenschaftliche Grafik/Info-Grafik und Darstellungsmethoden.

9 VI Vorwort Die Biochemie ist ein dynamisches, rasch wachsendes Fach. Dies versucht der Taschenatlas in bildlicher Form zu verdeutlichen. Auf farbigen Tafeln werden dazu grundlegende Inhalte der Biochemie behandelt und erläutert. Das Gewicht liegt auf der grafischen Darstellung die Texte dienen in erster Linie als erweiterte und ergänzende Legende zu den Abbildungen. Die exakte Abgrenzung der Biochemie von ihren Nachbarfächern wie Zellbiologie, Anatomie, Physiologie, Genetik oder Pharmakologie ist schwierig und in vielen Fällen willkürlich. Diese Überlappung der Fächer ist kein Zufall. Der Gegenstand der Betrachtung ist häufig der gleiche z.b. eine Nervenzelle oder ein Mitochondrium und nur der Blickwinkel der einzelnen Fächer ist verschieden. In diesem Sinne steht der Taschenatlas der Biochemie mitten unter den anderen Taschenatlanten. Aus Platzgründen steht in diesem Atlas bewusst die Biochemie des Menschen im Vordergrund, obwohl die Biochemie der Tiere, der Pflanzen und der Mikroorganismen nicht weniger interessant ist. Bei der Auswahl der Inhalte haben wir uns auf Themen konzentriert, die für die Ausbildung von Studierenden der Humanmedizin besonders relevant sind. Dies wird auch durch die Einbeziehung pathobiochemischer Sachverhalte deutlich. Ein Taschenatlas der Biochemie, der sich bewusst an Naturwissenschaftler wendet, wird in Kürze folgen. Der Taschenatlas soll in erster Linie der Übersicht dienen und kompakte, grafische Informationen zu zentralen Themen der Biochemie liefern. Bei dem begrenzten Umfang des Taschenbuchs waren Lücken unausweichlich. Es wird deshalb und darauf möchten wir nachdrücklich hinweisen - ein gutes Lehrbuch nicht ersetzen können. Für die hier verwendete diagrammatische Grafik mussten neue Zeichen und Symbole, sowie anschauliche Modelle gefunden werden, die unüberschaubare Sachverhalte konkreter erscheinen lassen. Dadurch sind zwangsläufig sehr subjektiv anmutende Formen entstanden. Die z.t. komplexen Inhalte der Grafiktafeln erforderten die Reduzierung auf Wesentliches. Grafik und Illustration sind bewusst zurückhaltend, aber jeweils thematisch einheitlich gestaltet, wobei wir uns bemüht haben, auf spektakuläre oder überzogen wirkende illustrative Möglichkeiten zu verzichten. Angestrebt wurde eine einfache, aber einprägsame visuell-ästhetische Umsetzung. Zur Erleichterung des Lesens haben wir farbliche Codierungen und Symbole eingeführt. Die Regeln dazu finden sich auf den Innenseiten des Umschlags. So wurde z.b. wichtigen Atomen eine Farbe zugeordnet: grau für Kohlenstoff, weiß für Wasserstoff, blau für Stickstoff, rot für Sauerstoff usw. Auch die biochemisch wichtigen Stoffklassen werden farblich unterschieden: Proteine sind meist in Brauntönen dargestellt, Kohlenhydrate violett, Lipide gelb, DNA blau und RNA grün. Für die wichtigsten Coenzyme, wie ATP oder NAD, werden häufig Symbole benutzt. Auch die Reaktionsräume der Zelle werden farblich unterschieden; z.b. ist das Cytoplasma gelb hinterlegt, der Extrazellularbereich bläulich. Reaktionspfeile sind grundsätzlich schwarz, Transportpfeile gestrichelt ausgeführt, während blaue Pfeile eine katalytische Wirkung symbolisieren. Trotz des Bemühens um eine durchgehende Benutzung dieser Codes ist erkennbar, dass auch dieses System seine Grenzen hat. Die Schreibweise biochemischer Begriffe im Deutschen ist Gegenstand vieler Diskussionen. Wir haben uns dafür entschieden, die notwendige Internationalisierung der wissenschaftlichen Begriffe zu fördern, indem wir viele Bezeichnungen der angloamerikanischen Schreibweise angepasst haben (Cholesterol, Glycogen, Glycerol, Collagen, Cytochrom usw.). Humanistisch vorgebildeten Lesern wird es wie anfangs auch uns schwerfallen, die Umwandlung des griechischen kappa bei glykys (= süß) in ein c bei Glucose und Glycogen zu akzeptieren.

10 Vorwort VII Aber diese Anpassung von Lehnwörtern fremder Sprachen hat eine viele Jahrhunderte währende Tradition und dient einem guten Zweck. Für die 4. Auflage wurde der Taschenatlas stark überarbeitet, um ihn für die Studierenden der Medizin von naturwissenschaftlichem Ballast zu befreien und gleichzeitig mit pathobiochemischen Informationen anzureichern, wie sie im Gegenstandskatalog des Institutes für medizinische und pharmazeutische Prüfungsfragen (IMPP) empfohlen werden. Dabei haben wir uns bemüht, nicht vom ursprünglichen Konzept abzuweichen. Unser besonderer Dank gilt Frau Simone Claß, Frau Marianne Mauch und Herrn Manfred Lehnert vom Thieme-Verlag, die fachkundig und mit großem Einsatz dieses Werk von Verlegerseite koordiniert, mit neuen Denkanstößen vorangetrieben und zur Produktreife gebracht haben. Schließlich danken wir unseren Kollegen, Mitarbeitern und last not least vielen aufmerksamen Lesern für Anregungen, für kritische und auch anerkennende Kommentare und für detaillierte Korrekturvorschläge. Wir sind weiterhin auf solche Rückmeldungen angewiesen, um den Taschenatlas im Sinne unserer Leser weiter entwickeln zu können. Jan Koolman, Klaus-Heinrich Röhm Jürgen Wirth Marburg und Dreieich im Februar 2009 Das Titelbild zeigt einen Teil der Assoziationsdomäne der Ca 2+ /Calmodulin-abhängigen Proteinkinase Typ II (1hkx.pdb).

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12 IX Inhaltsverzeichnis Grundlagen 1 Chemie Periodensystem... 2 Isomerie Stoffklassen I Stoffklassen II Chemische Reaktionen Redox-Prozesse Säuren und Basen Physikalische Chemie Energetik Thermodynamik Katalyse Wasser als Lösungsmittel Hydrophobe Wechselwirkungen Biomoleküle 27 Kohlenhydrate Chemie der Zucker Mono- und Disaccharide Polysaccharide Glycoproteine und Glycosaminoglycane.. 34 Lipide Übersicht Fettsäuren und Fette Glycerolipide Sphingolipide Isoprenoide Steroide Aminosäuren Eigenschaften Proteinogene Aminosäuren Nichtproteinogene Aminosäuren Peptide und Proteine... Übersicht Proteinstrukturen Strukturproteine Lösliche Proteine Proteinmodifizierung Nucleotide und Nucleinsäuren Basen und Nucleotide RNA DNA Stoffwechsel 71 Enzyme Grundlagen Enzymkatalyse Enzymkinetik I Enzymkinetik II Allosterische Regulation Hemmstoffe Enzymatische Analyse Coenzyme I Coenzyme II Coenzyme III Coenzyme IV Pathobiochemie Stoffwechselwege Intermediärstoffwechsel I Intermediärstoffwechsel II Regulationsmechanismen I Regulationsmechanismen II Energiestoffwechsel ATP Energetische Kopplung Energiekonservierung an Membranen Energiestoffwechsel: Übersicht Oxosäure-Dehydrogenasen Citratzyklus: Reaktionen Citratzyklus: Stoffwechselfunktionen Mitochondrialer Transport Atmungskette ATP-Synthese Regulation des Energiestoffwechsels Pathobiochemie Kohlenhydratstoffwechsel Übersicht Glycolyse Hexosemonophosphat-Weg

13 X Inhaltsverzeichnis Gluconeogenese Glycogenstoffwechsel Regulation des Kohlenhydratstoffwechsels I Regulation des Kohlenhydratstoffwechsels II Pathobiochemie Lipidstoffwechsel Fettstoffwechsel: Übersicht Fettsäureabbau: β-oxidation Fettsäureabbau: Nebenwege Fettsäurebiosynthese Fettsäurestoffwechsel: weitere Reaktionen Biosynthese komplexer Lipide Biosynthese von Cholesterol Pathobiochemie Proteinstoffwechsel Übersicht Proteolyse Wege des Stickstoffs Transaminierung und Desaminierung Aminosäureabbau I Aminosäureabbau II Harnstoffzyklus Biosynthese von Aminosäuren Pathobiochemie Nucleotidstoffwechsel Überblick Nucleotidabbau Purin- und Pyrimidinbiosynthese Nucleotidbiosynthese Pathobiochemie Porphyrinstoffwechsel Hämbiosynthese Porphyrinabbau Zellorganellen 193 Grundlagen Aufbau der Zelle Zellbestandteile und Cytoplasma Cytoskelett Komponenten Struktur und Funktionen Motorproteine Zellkern Zellkern Mitochondrien Struktur und Funktionen Membranen Struktur und Bestandteile Transportprozesse Transportproteine Endo- und Exocytose ER und Golgi-Apparat ER: Aufbau und Funktionen Proteinsortieren Proteinsynthese am rer Proteinreifung Lysosomen Lysosomen Peroxisomen Peroxisomen Molekulare Genetik 229 Übersicht Übersicht Gene und Genome Gene und Genome Chromatin Nucleinsäure-modifizierende Enzyme Replikation Transkription Transkriptionskontrolle RNA-Reifung Genetischer Code Genetischer Code Translation I Translation II Antibiotika Mutation und Reparatur Gentechnik Klonieren von DNA Sequenzieren von DNA PCR Gentechnik in der Medizin Gewebe und Organe 265 Verdauungssystem Übersicht Verdauungssekrete Verdauungsprozesse Resorption I Resorption II Pathobiochemie

14 Inhaltsverzeichnis XI Blut Zusammensetzung und Funktionen Plasmaproteine Lipoproteine I Lipoproteine II Hämoglobin und Gastransport Reaktive Sauerstoffspezies Erythrocytenstoffwechsel Säure-Basen-Haushalt Blutgerinnung Gerinnungshemmung und Fibrinolyse Blutgruppen Pathobiochemie Immunsystem Immunsystem Spezifische Immunantwort T-Zell-Aktivierung Komplement-System Antikörper Pathobiochemie Leber Funktionen Kohlenhydratstoffwechsel Lipidstoffwechsel Gallensäuren Biotransformation Cytochrom P Ethanolstoffwechsel Pathobiochemie Fettgewebe Funktionen Pathobiochemie Niere Funktionen Elektrolytausscheidung Stoffwechsel Muskel Kontraktion Kontrolle der Kontraktion Muskelstoffwechsel Pathobiochemie Bindegewebe Knochen und Zähne Collagene Extrazelluläre Matrix I Extrazelluläre Matrix II Pathobiochemie Gehirn und Sinnesorgane Signalübertragung im ZNS Ruhepotenzial und Aktionspotenzial Neurotransmitter Rezeptoren für Neurotransmitter Stoffwechsel des ZNS Sehen Pathobiochemie Integration des Stoffwechsels Integration des Stoffwechsels I Integration des Stoffwechsels II Integration des Stoffwechsels III Integration des Stoffwechsels IV Ernährung 381 Nahrungsstoffe Organische Stoffe Mineralien und Spurenelemente Calciumstoffwechsel Eisenstoffwechsel Pathobiochemie Vitamine Vitamine I Vitamine II Signalsysteme 397 Signaltransduktion Signaltransduktion Membranrezeptoren Ionenkanäle GTP-bindende Proteine Second-Messenger I Second-Messenger II Protein-Kinasen und -Phosphatasen Signalkaskaden Hormonsysteme Grundlagen Plasmaspiegel und Hormonhierarchie Lipophile Signalstoffe Wirkungsmechanismus Corticosteroide Sexualsteroide und Menstruationszyklus 422 Stoffwechsel der Steroidhormone Schilddrüsenhormone Hydrophile Signalstoffe Insulin Diabetes mellitus Weitere Hormone Catecholamine Gewebshormone, Mediatoren Eicosanoide Cytokine

15 XII Inhaltsverzeichnis Wachstum und Entwicklung 443 Zellproliferation Zellzyklus I Zellzyklus II Apoptose Onkogene Tumore Cytostatika Viren Anhang 459 Abkürzungen Größen und Einheiten Quellenangaben Sachverzeichnis