Biochemie Eine Einführung mit 40 Lerneinheiten

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1 Philipp Christen Rolf Jaussi Biochemie Eine Einführung mit 40 Lerneinheiten Mit 400 Abbildungen ^J Springer

2 I Die Moleküle des Lebens 1 Biomoleküle und ihre Wechselwirkungen Die Entstehung des Lebens Größe biologischer Strukturen, Geschwindigkeit biologischer Vorgänge und molekulare Zusammensetzung der lebenden Materie Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen Wasser und hydrophober Effekt Molekulare Erkennung Fluss von Materie und Energie, energetische Koppelung von Reaktionen 15 2 Kovalente Struktur der Proteine Prinzipien der Struktur der Proteine Größe und Gestalt der Proteine Aminosäuren, die Bausteine der Proteine Ionisationszustände von Aminosäuren und Proteinen Aminosäurezusammensetzung und Aminosäuresequenzen von Proteinen 30 3 Raumstruktur der Proteine Stabilisierung der Raumstruktur Sekundärstruktur Tertiärstruktur Äußere Gestalt und Quartärstruktur der Proteine Dynamik und funktionsgebundene Strukturänderungen von Proteinen Denaturierung von Proteinen Faltungswege von Proteinen Faserproteine 50 4 Enzyme Allgemeine Eigenschaften der Enzyme Katalyse und Aktivierungsenergie Enzymkinetik Struktur der aktiven Stelle und Wirkungsmechanismen von Enzymen Beispiele von Enzymmechanismen Regulation der Enzymaktivität 69

3 VIII Inhaltsverzeichnis 5 Polysaccharide Reservehomoglykane Strukturhomoglykane Heteroglykane 78 6 Lipide und biologische Membranen Fettsäuren Triacylglycerole (Neutralfette, Triglyceride) und Wachse Phospholipide und Glykolipide Nichtverseifbare Lipide: Cholesterol und andere Steroide, Terpene, Prostaglandine und Thromboxane Zusammensetzung und Bau biologischer Membranen Membranproteine Durchlässigkeit für Wasser, Ionen und Metaboliten 97 7 Nucleinsäuren Prinzipien der Struktur und Funktion der Nucleinsäuren Mononucleotide Nucleinsäuren (Polynucleotide) Struktur der Chromosomen 108 II Molekulare Genetik 8 Replikation, Reparatur und Rekombination der DNA DNA-Replikation bei Prokaryonten DNA-Replikation bei Eukaryonten DNA-Schäden Reparatursysteme Genetische Rekombination Transkription: Biosynthese der RNA DNA-abhängige RNA-Polymerasen Zusätzliche eukaryontische Transkriptionsfaktoren (Genregulator-Proteine) Elongation und Termination Bearbeitung des primären Transkriptionsprodukts Spleißen (Splicing) ' : Synthese der trna und rrna Translation: Übersetzung des Gens ins Phän Der genetische Code Synthese von Proteinen, Übersicht Bildung der Aminoacyl-tRNA Initiation, Elongation, Termination Hemmstoffe der Proteinsynthese 149

4 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 176 III Stoffwechsel 13 Grundsätzliches zum Stoffwechsel Experimentelle Untersuchung des Stoffwechsels Übersicht über den Stoffwechsel Verwendung des im Katabolismus gebildeten ATP Regulation des Stoffwechsels Glykolyse und Citratzyklus Glykolytischer Abbauweg Alkoholische Gärung 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 Reduktionsäquivalenten vom Cytosol in die Mitochondrien ATP-Bilanz des oxidativen Abbaus von Glucose Regulation von oxidativer Phosphorylierung, Glykolyse und Citratzyklus Gluconeogenese, Glykogen, Disaccharide, Pentosephosphatweg Gluconeogenese Abbau und Aufbau von Glykogen Stoffwechsel der Disaccharide Pentosephosphatweg 239

5 17 Stoffwechsel der Fettsäuren Fettsäureabbau durch /?-Oxidation Fettsäuresynthese Ketonkörper Lipidstoffwechsel Auf- und Abbau der Triacylglycerole Stoffwechsel der Phospholipide Stoffwechsel von Cholesterol Stoffwechsel von Proteinen und Aminosäuren Proteinabbau Abbau von Aminosäuren: Weg des Stickstoffs Abbau von Aminosäuren: Weg des Kohlenstoffs Störungen im Abbau von Aminosäuren Synthese von Aminosäuren CrStoffwechsel Synthesen, an denen Aminosäuren beteiligt sind: Kreatin und Porphyrine Stoffwechsel der Purin- und Pyrimidinnudeotide Synthese von Purinnucleotiden, Wiederverwertung von Purinbasen Synthese von Pyrimidinnucleotiden, Wiederverwertung von Pyrimidinnucleosiden Regulation der Nucleotidsynthese Synthese der Desoxyribonucleotide Abbau von Nucleinsäuren und Nucleotiden Organstoffwechsel und Nährstofftransport im Blut Die Stoffwechselleistungen der Organe in der Resorptionsund Postresorptionsphase Anpassung des Stoffwechsels an den Hungerzustand Transport von Nährstoffen 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..: Sekundärstoffwechsel der Pflanzen Phytohormone Stoffwechselwege in Bakterien 332

6 XI IV Zellen und ihre Umgebung 24 Zellkompartimente und Proteinsortierung Kompartimentähnliche Strukturen in Bakterien Organisation der Eukaryontenzellen in Kompartimente Grundlegende Mechanismen des Proteintransports durch Vesikel Proteintransport im Golgi-Apparat Proteintransport zwischen Golgi-Apparat, Zelloberfläche und Lysosomen Proteinglykosylierung während des Transports durch das endoplasmatische Retikulum und den Golgi-Apparat Import von Proteinen in Mitochondrien, Chloroplasten und Peroxisomen Pförtner-kontrollierter Transport {Gated transport) an der Kernhülle Qualitätskontrolle der Faltung und der Lokalisierung von Proteinen durch Chaperone und Proteolyse Cytoskelett und molekulare Motoren Die drei Hauptbestandteile des Cytoskeletts: Actinfilamente, Mikrotubuli und Intermediärfilamente Actincortex: eine flexible kontraktile Hülle am Zellrand Centrosom: sternförmig ausstrahlende Mikrotubuli unterstützen die räumliche Organisation des Cytoplasmas Intermediärfilamente: 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 während des Lebenszyklus der Organismen Maschinerie des Zellzyklus Wachstumskontrolle, Zellzyklus und Tumorbildung Kontrolle der Bereitschaft zur Teilung: Checkpoints Apoptose, der programmierte Zelltod Zelladhäsion, Zellverbindungen und extrazelluläre Matrix Stabile Zeil-Zeil- und Zeil-Matrix-Verbindungen Kurzlebige Zeil-Zeil-Wechselwirkungen Die extrazelluläre Matrix (ECM) Die pflanzliche Zellwand: Papier und Holz Stoffaustausch durch Membranen Grundsätzliches zum Membrantransport Mechanismus der Na + /K + -Pumpe Symport- und Antiport-Systeme Passiver Transport, erleichterte Diffusion Chemische und elektrische Membranpotentiale Transzellulärer Transport 395

7 XII Inhaltsverzeichnis 29 Rezeptoren und Signaltransduktion Grundsätzliches zur Signaltransduktion Rezeptoren an der Zelloberfläche: G-Protein-gekoppelte Rezeptoren Rezeptoren an der Zelloberfläche: Rezeptoren mit enzymatisch aktiver cytosolischer Domäne Rezeptoren an der Zelloberfläche: Proteolyse-regulierte Rezeptoren und Signalübermittlungen Rezeptoren im Zellinnern Untereinander vernetzte Übermittlungsmodule verarbeiten die Signale und leiten sie von den Rezeptoren zu den Effektoren Signaltransduktion in Pflanzen 411 V Molekulare Physiologie 30 Hormone, Cytokine und Wachstumsfaktoren Hierarchie der Hormondrüsen, hormonale Regelkreise, Biosynthese und Abbau der Hormone 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 Schilddrüsenhormone; Regulation des Calcium- und Phosphat-Haushalts durch Parathyrin, Calcitriol und Calcitonin Kontrolle der Blutzuckerkonzentration durch Glucagon und Insulin aus dem Pankreas 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 dünne 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 ( Entgiftungsreaktionen") Schutz gegen reaktive Sauerstoffderivate (Reactive oxygen species ROS) 472

8 XIII 34 Immunsystem Angeborene Immunität Adaptive Immunantwort: Antikörper aus B-Zellen und zelluläre Abwehr mit T-Zellen Klonale Selektion von B-Zellen und T-Zellen Adaptive Immunantwort: Bildung, Struktur und Antigenbindung der Antikörper Adaptive Immunantwort: zelluläre Reaktionen Immuntoleranz und Autoimmunkrankheiten Stoffaufnahme und Ausscheidung Verdauung und Resorption Transport von O 2 und CO 2 im Blut Ausscheidung von Stoffwechselendprodukten Wasser-, Elektrolyt- und Säure-Basen-Haushalt Biochemische Aspekte der menschlichen Ernährung Bedarf an Brennstoffen, Baustoffen und Wirkstoffen Hauptnährstoffe Vitamine Elektrolyte, Mineralstoffe und Spurenelemente Nahrungsmittel 536 VI Biochemische und gentechnische Methoden 37 Trenn- und Analysemethoden Zentrifugation Chromatographie Elektrophorese Spektroskopie Massenspektrometrie Isotopenmarkierung, Radionuclide und Strahlenschutz ph-puffer Proteinanalytik Bestimmung der Aminosäurezusammensetzung und Sequenzanalyse eines Proteins Analyse der Raumstruktur von Makromolekülen durch Röntgenkristallographie Analyse der Raumstruktur von Makromolekülen durch magnetische Kernresonanz (Nuclear magnetic resonance NMR) Untersuchung posttranslationaler Modifikationen eines Proteins (Phosphorylierung, Glykosylierung, Methylierung, Ubiquitin-Markierung) Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Proteinen und Liganden 562

9 XIV Inhaltsverzeichnis 39 Gentechnik Werkzeuge der Gentechnik: Restriktionsenzyme und andere Nucleasen, Ligasen, DNA-Polymerasen und Rekombinationsenzyme Plasmide als Vektoren (Genfähren) Viren als Vektoren Künstliche 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 Präsentation von Genprodukten auf Bakteriophagen (Phage display) oder Ribosomen (Ribosome display) Gezielte und zufällige Mutagenese Klonierung von Zellen und Organismen; transgene Organismen Genomik, Proteomik, Bioinformatik Genomanalyse und Gendiagnostik Modulare DNA-Rekombination Mikrochiptechnologie zur Quantifizierung von Nucleinsäuren und Proteinen Proteomik: 2D-Gelelektrophorese, Massenspektrometrie und Mikrochips Kartierung der Wechselwirkungen zwischen Proteinen mit der 7Vo-/jyforid-Technik Computerprogramme, Datenbanken und wichtige Internetadressen Sachverzeichnis 599 Abkürzungen 635