Duale Reihe Biochemie

Transkript

1 Reihe, DUALE REIHE Duale Reihe Biochemie Bearbeitet von Joachim Rassow, Karin Hauser, Roland Netzker, Rainer Deutzmann 4. Auflage Buch. Rund 880 S. Softcover ISBN Format (B x L): 19,5 x 27 cm Weitere Fachgebiete > Medizin > Vorklinische Medizin: Grundlagenfächer > Biochemie (med.) Zu Leseprobe schnell und portofrei erhältlich bei Die Online-Fachbuchhandlung beck-shop.de ist spezialisiert auf Fachbücher, insbesondere Recht, Steuern und Wirtschaft. Im Sortiment finden Sie alle Medien (Bücher, Zeitschriften, CDs, ebooks, etc.) aller Verlage. Ergänzt wird das Programm durch Services wie Neuerscheinungsdienst oder Zusammenstellungen von Büchern zu Sonderpreisen. Der Shop führt mehr als 8 Millionen Produkte.

2 Inhaltsverzeichnis 7 Inhaltsverzeichnis Teil A Energiestoffwechsel 1 Der Energiestoffwechsel im Überblick Worum geht es in diesem Kapitel? Woher stammt die Energie für Lebensprozesse? Die Bedeutung der energetischen Kopplung Die Bedeutung des ATP als Energieträger Wie entsteht ATP? Woher stammt die Energie für die ATP-Synthese? Ein Protonenfluss als Energiequelle der ATP-Synthase Die Atmungskette als Protonenpumpe Die Herkunft der Elektronen der Atmungskette Triebkraft und Geschwindigkeit biochemischer Reaktionen Die Triebkraft biochemischer Reaktionen Die Bedeutung der Freien Energie Die Bedeutung des chemischen Gleichgewichts Was geschieht bei Annäherung an das chemische Gleichgewicht mit der Freien Energie? Die Bedeutung der Entropie Die Geschwindigkeit biochemischer Reaktionen Prinzipien der chemischen Reaktionskinetik Enzyme als Katalysatoren biochemischer Reaktionen Enzymkinetik Die molekulare Struktur der wichtigsten Nahrungsstoffe: Kohlenhydrate, Triacylglycerine und Aminosäuren Kurzübersicht Kohlenhydrate Chemie der Kohlenhydrate Funktion der Kohlenhydrate im Energiestoffwechsel Triacylglycerine (TAG) Lipide Gesättigte und ungesättigte Fettsäuren Funktion der TAG im Energiestoffwechsel Aminosäuren Grundstruktur und Eigenschaften Die proteinogenen Aminosäuren Der Sonderfall Selenocystein Die wichtigsten biochemischen Funktionsträger: Proteine Grundlagen Funktionen Die Peptidbindung Proteinstrukturen Primärstruktur Sekundärstruktur Tertiär- und Quartärstruktur Abbau der Kohlenhydrate zu Pyruvat bzw. Lactat Kurze Einführung Die Glykolyse Ein erster Überblick Die einzelnen Reaktionsschritte der Glykolyse Die Regulation der Glykolyse Reduktion und Oxidation von Pyruvat Reduktion von Pyruvat zu Lactat (Lactatgärung) Oxidativer Abbau von Pyruvat Abbau von Glykogen Einführung Der Glykogenabbau Die Regulation des Glykogenabbaus Abbau der Stärke Abbau der Fructose Die Reaktionsschritte des Fructoseabbaus Energiebilanz Abbau der Galaktose Oxidativer Abbau von Pyruvat: Die Reaktionen der Pyruvat-Dehydrogenase und des Citratzyklus Einführung Die Pyruvat-Dehydrogenase (PDH) Grundlagen Der Aufbau der Pyruvat-Dehydrogenase Die einzelnen Reaktionsschritte Die Regulation der Pyruvat-Dehydrogenase Der Citratzyklus Grundlagen Die einzelnen Reaktionsschritte Energieausbeute des Citratzyklus

3 8 Inhaltsverzeichnis Regulation des Citratzyklus Auffüllung des Citratzyklus: Anaplerotische Reaktionen Abbau von Triacylglycerinen und Ketonkörpern Grundlagen Physiologische Bedeutung Triacylglycerine (TAG) Ketonkörper Hydrolyse von Triacylglycerinen durch Lipasen Was wird aus den Hydrolyseprodukten Glycerin und Fettsäuren? Abbau von Glycerin Abbau der Fettsäuren (β-oxidation) Abbau von Ketonkörpern Abbau von Proteinen und Aminosäuren Grundlagen Transport von Stickstoff im Blut: Alanin, Glutamin und Harnstoff Alanin Glutamin Harnstoff Der Harnstoffzyklus Grundlagen Die einzelnen Reaktionsschritte Energiebilanz Was wird aus dem Fumarat? Regulation des Harnstoffzyklus Ammoniak im Stoffwechsel Bildung von Ammoniak Entgiftung von Ammoniak Abspaltung von Aminogruppen durch Transaminierung und Desaminierung Transaminierung Desaminierung Wege des Kohlenstoffs im Abbau der Aminosäuren Grundlagen: glucogene und ketogene Aminosäuren Abbau der einzelnen Aminosäuren Wichtige Produkte des Aminosäureabbaus Aminosäure-Abbauprodukte mit Mediatorfunktion: Biogene Amine Stickstoffmonoxid (NO) als Abbauprodukt des Arginins S-Adenosylmethionin als Überträger von Methylgruppen Stoffwechsel des Cysteins Aminosäuren als Vorstufen weiterer Synthesen ATP-Synthese durch oxidative Phosphorylierung Einführung: Mechanismen der ATP-Synthese im Stoffwechsel Die ATP-Synthase Aufbau Funktionsweise Triebkraft der ATP-Synthase Die Atmungskette Einführung Die Komponenten der Atmungskette Die Redoxpotenziale der Atmungskette Regulation der Aktivität der Atmungskette Import und Export von Metaboliten über die Mitochondrienmembran Transport von Reduktionsäquivalenten über die mitochondriale Innenmembran Glycerin-3-phosphat-Shuttle Malat-Aspartat-Shuttle Vergleich beider Shuttle-Systeme Entkoppler des OXPHOS-Systems Der physiologische Entkoppler Thermogenin Toxische Entkoppler Angeborene Defekte des OXPHOS-Systems Bakterielle Atmungsketten Ernährung und Verdauung Einführung Ernährung Zusammensetzung der Nahrung Parenterale Ernährung Energiegehalt der Nahrung Verdauung Überblick Die Verdauungssekrete Verdauung der Nahrungsbestandteile Speicherung und Bereitstellung von Kohlenhydraten Aufnahme der Kohlenhydrate aus der Nahrung Wichtige Kohlenhydrate in der Nahrung Verdauung der Kohlenhydrate Resorption der Kohlenhydrate im Darm Transport in Hepatozyten Transport der Glucose in die Zellen extrahepatischer Gewebe Glykogensynthese Mechanismus der Glykogensynthese Regulation der Glykogensynthese Gluconeogenese

4 Inhaltsverzeichnis Funktion der Gluconeogenese im Stoffwechsel Ort der Gluconeogenese Mechanismus der Gluconeogenese Ausgangsstoffe der Gluconeogenese Regulation der Gluconeogenese Zentrale Kontrollpunkte in der Regulation des Energiestoffwechsels Die Koordination des Energiestoffwechsels in den peripheren Organen Die Regulation des Hungergefühls Die Bereitstellung von Fettsäuren, Triacylglycerinen und Ketonkörpern Überblick Aufnahme der Lipide aus der Nahrung Verdauung der Lipide Resorption der Lipid-Hydrolyseprodukte Fettsäuresynthese Bereitstellung von Acetyl-CoA Mechanismus der Fettsäuresynthese Regulation der Fettsäuresynthese Bildung ungesättigter Fettsäuren Woher stammt das NADPH für die Fettsäuresynthese? Das Malat-Enzym als Quelle von NADPH für die Fettsäuresynthese Der Pentosephosphatweg Lipogenese: Biosynthese der Triacylglycerine (TAG) Reaktionsschritte der TAG-Synthese Regulation der TAG-Synthese Ketonkörpersynthese (Ketogenese) Grundlagen Die Reaktionen der Ketonkörpersynthese Lipoproteine: Transport von Lipiden im Blut Aufbau und Einteilung Der Stoffwechsel der Lipoproteine Proteine als Nahrungsmittel Verdauung der Proteine Hydrolyse der Proteine durch Proteasen Resorption der Hydrolyseprodukte Proteasen und ihre Reaktionsmechanismen Vorkommen und Aufgaben der Proteasen Reaktionsmechanismen Proteaseinhibitoren Stoffwechsel in Tumorzellen Einführung Kanzerogenese Tumorwachstum bei Sauerstoffmangel Der Warburg-Effekt Bausteine der Nukleotid-Synthese Glutamin Hydroxyglutarat als Onkometabolit Synthese von 2-Hydroxyglutarat durch veränderte Isocitrat-Dehydrogenasen Hydroxyglutarat als Inhibitor α-ketoglutaratabhängiger Dioxygenasen Resümee Vitamine Grundlagen Vitaminbedarf Vitaminosen Einteilung der Vitamine Fettlösliche Vitamine Retinol Vitamin A Calciferole Vitamin D Tocopherol Vitamin E Vitaminosen Phyllochinon Vitamin K Wasserlösliche Vitamine Thiamin Vitamin B Riboflavin Vitamin B Niacin Pyridoxin Vitamin B Pantothensäure Folsäure Cobalamin Vitamin B Biotin Ascorbinsäure Vitamin C Regulation des Energiestoffwechsels Einführung Regulation bei kurzfristig erhöhtem Energiebedarf Regulation bei Ausdauerleistungen Regulation bei Nahrungsmangel Regulation im Anschluss an eine Mahlzeit Schlüsselenzyme des Energiestoffwechsels Spurenelemente Grundlagen Einteilung der Spurenelemente Bedarf an Spurenelementen Die einzelnen Spurenelemente Eisen Magnesium Kupfer

5 10 Inhaltsverzeichnis Zink Mangan Cobalt Schwefel Fluorid Iod Selen Molybdän Chrom Cadmium, Blei, Quecksilber Teil B Zellbiologie 1 Einführung Einführung Adhäsionsverbindungen Desmosomen Hemidesmosomen Fokaladhäsionen Gap Junctions Aufbau der Zelle Überblick Aufbau der Prokaryontenzelle Aufbau der Eukaryontenzelle Besonderheiten in mehrzelligen Organismen Vorteile der Kompartimentierung Fraktionierung von Zellen Aufbau und Synthese biologischer Membranen Überblick Membranlipide Das Grundprinzip: Die Lipiddoppelschicht Struktur und Verteilung Biosynthese Abbau Biosynthese von Membranen Membranfluidität Membranproteine Aufbau Funktion Kohlenhydrate Struktur Funktion Zellorganellen Einführung Zytosol und Zytoplasma Zellkern Aufbau Funktion Mitochondrien Aufbau Funktion Proteintransport ins Mitochondrium Endoplasmatisches Retikulum Aufbau Funktion Golgi-Apparat Aufbau Funktion Lysosomen Aufbau Funktion Biogenese Peroxisomen Aufbau Funktion Biogenese Proteasom Aufbau Funktion Das Ubiquitinsystem Funktion biologischer Membranen Vielfalt der Membranfunktion Transport Passiver und aktiver Transport Transportproteine in Membranen Transport mithilfe von Membranvesikeln Signalvermittlung Vermittlung von Zell-Zell-Kontakten Tight Junctions Zytoskelett Überblick Mikrofilamente Aufbau Funktion Mikrotubuli Aufbau Funktion

6 Inhaltsverzeichnis Komplexe Mikrotubulistrukturen Intermediärfilamente Aufbau Funktion Extrazelluläre Matrix Überblick Komponenten der extrazellulären Matrix Kollagen Elastin Glykosaminoglykane Proteoglykane Nicht kollagene Glykoproteine Abbau der extrazellulären Matrix Extrazelluläre Matrix des Knochens Anorganische Matrix Organische Matrix Extrazelluläre Matrix des Knorpels Teil C Zellzyklus und molekulare Genetik R. Netzker 1 Nukleotide Einführung Aufbau der Nukleotide Funktionen der Nukleotide Energieträger Synthesevorstufen Bestandteil von Coenzymen Signalmoleküle Allosterische Effektoren Stoffwechsel der Nukleotide Stoffwechsel der Purinnukleotide Stoffwechsel der Pyrimidinnukleotide Synthese von Desoxyribonukleotiden aus Ribonukleotiden Nukleinsäuren (Polynukleotide) Grundlagen DNA Die DNA-Doppelhelix Die Verpackung der DNA RNA Struktur Typen der RNA Das humane Genom und Transkriptom Einführung in die Molekularbiologie Grundbegriffe Zentrales Dogma der Molekularbiologie Replikation der DNA Einführung Ablauf der Replikation Überblick Erkennung der Replikationsstartstelle(n) und Strangtrennung Synthese des Primers DNA-Synthese Ligation der Okazaki-Fragmente Replikation eukaryontischer Chromosomen- Enden Hemmstoffe der Replikation Genexpression Überblick Transkription Die Transkriptionsprodukte: die verschiedenen RNA-Typen Die Transkriptionsenzyme: RNA-Polymerasen Ablauf der Transkription Regulation der Transkription Hemmstoffe der Transkription Entstehung und Nachbearbeitung der mrna Prozessierung der hnrna RNA-Editing Translation Der genetische Code Beladung der trnas mit Aminosäuren Ablauf der Translation Regulation der Translation Hemmstoffe der Translation Posttranskriptionelle und translationale Regulation durch kleine RNA Proteinfaltung Motor und Ablauf der Proteinfaltung An der Proteinfaltung beteiligte Proteine Cotranslationaler Proteintransport in das endoplasmatische Retikulum Co- und posttranslationale Modifikation von Proteinen Viren Virusaufbau Virale Nukleinsäuren Virale Proteine Infektionszyklus Systematik der Viren RNA-Viren DNA-Viren

7 12 Inhaltsverzeichnis 7 Gentechnik und Nachweis bzw. Analyse von Nukleinsäuren Einführung Die Werkzeuge Plasmide Restriktionsendonukleasen Reverse Transkriptase Weitere Enzyme Methodik der Gentechnik: Klonierung Werkzeuge DNA-Transfermethoden Ablauf einer Klonierung Einsatzgebiete Nachweis und Analyse von Nukleinsäuren Polymerasekettenreaktion (PCR) Reverse Transkriptions-Polymerasekettenreaktion (RT-PCR) Agarose- und Polyacrylamid-Gelelektrophorese Blot-Hybridisierung Restriktions-Fragment-Längen-Polymorphismus (RFLP) DNA-Profilanalyse (Genetischer Fingerabdruck) DNA-Sequenzierung Knock-out-Tiere und transgene Tiere Mutationen und DNA-Reparatur Mutationen Mutationsformen Entstehung von Mutationen Reparatur der DNA-Schäden Direkte Reparatur Basen-Exzisionsreparatur Nukleotid-Exzisionsreparatur Kontrolle der Replikationsgenauigkeit und Fehlpaarungsreparatur (Mismatch-Reparatur) Reparatur von Doppelstrangbrüchen Der Zellzyklus Ablauf Regulation Kontrollpunkte im Zellzyklus Komponenten des Zellzyklus-Kontrollsystems Steuerung der Phasenübergänge bzw. der S-Phase Die Apoptose Einführung Bedeutung der Apoptose Komponenten des Apoptose-Apparates Caspasen Proteine der Bcl-2-Familie Inhibitors of Apoptosis Proteins (IAPs) Auslösung der Apoptose Extrinsischer Signalweg Intrinsischer Signalweg Granzym/Perforin-Weg Wirkung der Effektor-Caspasen Fehlregulationen der Apoptose Molekulare Onkologie Einführung Tumorentstehung (Kanzerogenese) Somatische Mutationen als Auslöser der Transformation Die Bedeutung regulatorischer RNA für die Tumorentstehung Tumorviren als Auslöser der Transformation Bakterien als biologisches Karzinogen Tumorentwicklung: Die Bildung von Tumorgefäßen und Tochterkolonien Angiogenese Metastasierung Tumortherapie Zytostatika Neuere Entwicklungen in der Tumortherapie Teil D Zelluläre Kommunikation R. Deutzmann 1 Grundlagen Einführung Prinzipien der Signalübertragung zwischen Zellen Gap Junctions Zell-Zell- und Zell-Matrix-Interaktion Extrazelluläre Signalübertragung Hormone und Zytokine Einteilung der Hormone Eigenschaften und Wirkprinzip von Hormonen Hormonelle Regelkreise Zytokine Nachweismethoden Radioimmunoassay (RIA) Enzyme-linked immunosorbent Assay (ELISA) Mechanismen der Signaltransduktion Einführung Rezeptoren in der Zellmembran G-Protein-gekoppelte Rezeptoren Ligandenaktivierte Ionenkanäle Enzymgekoppelte Rezeptoren Intrazelluläre Rezeptoren (Kernrezeptoren) Steroidhormonrezeptoren Rezeptoren für Schilddrüsenhormone, Vitamin D und Retinsäure Kernrezeptor-Superfamilie Rezeptoren der PPAR-Familie

8 Inhaltsverzeichnis 13 3 Hormone Pankreashormone Insulin Glukagon Die Katecholamine Adrenalin und Noradrenalin Biosynthese und Sekretion Abbau Molekulare Mechanismen Zelluläre Wirkungen Hormone des hypothalamisch-hypophysären Systems Hypothalamus Hypophyse Rückkopplungsmechanismen Schilddrüsenhormone (Thyroxin und Triiodthyronin) Biosynthese, Speicherung, Transport und Abbau Wirkungen Hormone der Nebennierenrinde Überblick Glucocorticoide Androgene Hormone der Gonaden Androgene Östrogene und Gestagene Wachstumshormon Regulation der Biosynthese Molekulare und zelluläre Wirkungen Prolaktin Molekulare und zelluläre Wirkungen Gastrointestinale Hormone Gastrin Sekretin Cholecystokinin (CCK) Hormone mit Wirkung auf den Wasser- und Elektrolythaushalt Regulation des Wasserhaushalts: Antidiuretisches Hormon Hormonelle Regulation des Natriumhaushalts Hormonelle Regulation des Kaliumhaushalts Hormone mit Wirkung auf den Calcium- und Phosphathaushalt Gewebshormone (parakrin wirkende Hormone) Eikosanoide Biosynthese Wirkungen Entzündungshemmende und entzündungsauflösende Lipidmediatoren Stickstoffmonoxid (NO) Biosynthese und Inaktivierung Wirkungen Kinine Biosynthese und Inaktivierung Wirkungen Histamin Biosynthese, Speicherung und Inaktivierung Wirkungen Serotonin (5-Hydroxytryptamin) Biosynthese, Speicherung und Inaktivierung Wirkungen Zytokine Grundlagen Wachstumsfaktoren Zytokine mit Wirkung auf die Hämatopoese Zytokine des Immunsystems Teil E Infektionen, Verletzungen und Vergiftungen 1 Molekulare Immunologie Einführung Das angeborene (unspezifische) Immunsystem Abwehr von Mikroorganismen an Oberflächen Erkennung von Mikroorganismen durch das angeborene Immunsystem Das adaptive Immunsystem Einführung Antikörper Zelluläre und molekulare Grundlagen adaptiver Immunantworten Das erworbene Immunschwächesyndrom (AIDS) Allergie Entzündung Grundlagen Die Aktivierung der Leukozyten Die Leukozyten im Entzündungsherd Tumorimmunologie Tumor-spezifische und Tumor-assoziierte Antigene Immune surveillance und Cancer Immunoediting Mediatoren des Immunsystems Interferone (IFN) Interleukine TNFα TGF-β Weitere Mediatoren Immunologie der Blutgruppenantigene Das AB0-System Das Rhesus-System

9 14 Inhaltsverzeichnis 2 Blutstillung und Blutgerinnung Einführung Blutstillung: Aktivierung und Aggregation von Thrombozyten Thrombozytenadhäsion Thrombozytenaggregation Freisetzung von Inhaltsstoffen aus aktivierten Thrombozyten Hemmung der Thrombozytenaggregation am intakten Endothel Blutgerinnung Das Prinzip Die Blutgerinnung im Detail Fibrinolyse Hemmung der Blutgerinnung Mechanismen in vitro Mechanismen in vivo Thrombusbildung und Ischämie Entgiftung Entgiftung organischer Fremdstoffe: Biotransformation Phase-I-Reaktionen Phase-II-Reaktionen Entgiftung anorganischer Fremdstoffe: Stoffwechsel der Schwermetalle Teil F Blut, Leber und Niere 1 Biochemie des Blutes Einführung Transport von O 2 und CO 2 im Blut O 2 -Transport durch Hämoglobin Transport von CO Die verschiedenen Hämoglobine des Menschen Schutz des Hämoglobins vor Oxidation Erythropoese und Porphyrinstoffwechsel Erythropoese Hämbiosynthese Häm-Abbau Die Proteine des Blutserums Biochemie der Leber Einführung Stoffwechselfunktionen der Leber Konstanthaltung des Blutzuckerspiegels Synthese von Ketonkörpern, Triacylglycerinen und Cholesterin Aufgaben der Leber im Aminosäurestoffwechsel Produktion von Serumproteinen Hormon- und Vitaminstoffwechsel in der Leber Hormone Vitamine Ausscheidungsfunktion der Leber Bestandteile der Galle Gallesekretion Biochemie der Niere Einführung Ultrafiltration im Nierenkörperchen Funktionen des proximalen Tubulus Gluconeogenese Resorption und Sekretion Funktionen der Henle-Schleife Funktion des distalen Tubulus und des Sammelrohrs Regulation der Nierenfunktionen Das antidiuretische Hormon ADH (Vasopressin) Aldosteron Funktionen des juxtaglomerulären Apparates Das atriale natriuretische Peptid und andere Peptidhormone Aufgaben der Niere im Säure- Basen- und Stickstoffhaushalt Teil G Muskulatur und Nervensystem 1 Biochemie der Muskulatur Übersicht Muskelgewebe Einteilung und Aufbau Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Querbrückenzyklus Kontrolle der Aktin-Myosin-Bindung Elektromechanische Kopplung Muskelkrankheiten (Myopathien) Myasthenia gravis Muskeldystrophien Metabolische Muskelkrankheiten Dilatative Kardiomyopathie

10 Inhaltsverzeichnis 15 2 Neurochemie Einführung Energiestoffwechsel des Nervensystems Gliazellen und Myelin Gliazellen Myelin Schrankensysteme des ZNS Blut-Hirn-Schranke Blut-Liquor-Schranke Ruhemembranpotenzial und Aktionspotenzial Ruhemembranpotenzial Aktionspotenzial Neurotransmitter und ihre Rezeptoren Glutamat Acetylcholin (Ach) Serotonin γ-aminobutyrat, GABA Glycin Katecholamine Neuropeptide Endocannabinoide Purine Erkrankungen des ZNS Multiple Sklerose (MS) Alzheimer-Krankheit Parkinson-Krankheit Chorea Huntington Sinnesorgane und Sinneszellen Riechsinneszellen Geschmackssinneszellen Das Ohr: Hören und Gleichgewicht Das Auge Teil H Ausblick 1 Biochemie des langen Lebens Hat sich der Einzug der Wissenschaften in die Medizin gelohnt? Gibt es Unsterblichkeit? Was setzt dem Leben der Zellen höherer Eukaryonten ein Ende? Was schädigt die Zellen? Geht die Zellalterung von den Mitochondrien aus? Überlebensstrategien Überlebensmutanten Was kann man tun? Teil I Antwortkommentare klinische Fälle 1 Antwortkommentare klinische Fälle Myokardinfart Schlaganfall Ösophagusvarizenblutung bei Leberzirrhose Diabetes mellitus Hyperthyreose bei Struma Morbus Cushing Metastasierendes Karzinoid Infektexazerbierte COPD Lungenembolie Akutes prärenales Nierenversagen Muskeldystrophie Typ Duchenne Morbus Parkinson-Syndrom Sachverzeichnis...860