Inhaltsverzeichnis. J él Aufbau des Organismus: Biomoleküle - Zelle - Organismus 7. Die Grundprinzipien

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1 Die Grundprinzipien I Wissen schaffen Das Taschenlehrbuch: Biochemie in sechs Akten Die Biochemie als Wissenschaft 4 Detlef Doenecke J él Aufbau des Organismus: Biomoleküle - Zelle - Organismus 7 Thomas Kietzmann 2.1 Die chemische Organisation des Lebens Die chemischen Elemente des Lebens Die Bindungen - Voraussetzung für die Entstehung größerer Moleküle Reaktionen - vermittelt durch funktionelle Gruppen Die fünf Grundreaktionen des Lebens Die Entstehung von Zellen: Prokaryonten und Eukaryonten Aufbau und Funktion von Zellorganellen - ein kurzer Überblick Organisationsformen von Zellen: Organe und Organismus Grundprinzipien des Stoffwechsels Konzepte und Crundmuster des Stoffwechsels Vereinfachte Übersicht über die Grundlagen der Thermodynamik und Kinetik Energiekonservierung Grundprinzipien der Regulation von Stoffwechselflüssen Energiehaushalt und Ernährung im Überblick Grundzüge der Ernährung Beurteilung des Ernährungszustands 58 Bibliografische Informationen digitalisiert durch

2 VIII Inhaltsverzeichnis Biomoleküle und zellulärer Stoffwechsel Aminosäuren 63 Wolfgang Höhne 4.1 Aminosäuren als Bausteine der Proteine Stoffwechsel der Aminosäuren Essenzielle Aminosäuren Synthese nicht essenzieller Aminosäuren Aminosäureabbau Biogene Aminosäurederivate 91 Peptide und Proteine 97 Wolfgang Höhne 5.1 Funktionelle Kategorien Peptide Proteine Aminosäurezusammensetzung Peptidbindung Allgemeine Proteinstruktur Strukturebenen der Proteine Faltungsfamilien und Proteindomänen Strukturstabilisierende Kräfte Die Flexibilität der Proteinstruktur Spezielle Proteineigenschaften Ladung und isoelektrischer Punkt Löslichkeit und Stabilität Lichtabsorption Spezielle funktionsbedingte Proteinstrukturen Fibrilläre Proteine Membranproteine 125 Enzyme 130 Wolfgang Höhne 6.1 Mechanismen der Enzymkatalyse Substratbindung Katalysemechanismus Temperaturabhängigkeit der Katalyse ph-abhängigkeit der Katalyse Cofaktoren Substrat- und Reaktionsspezifität 142

3 IX 6.4 Enzymklassifizierung und -nomenklatur Enzymkinetik Regulation der Enzymaktivität Direkte Beeinflussung der Enzymaktivität Kompartimentierung Inaktivierung und Abbau von Enzymen 161 Kohlenhydrate 162 Bruno Christ 7.1 Monosaccharide Struktur und Chemie der Monosaccharide Reaktionen und Verbindungen der Monosaccharide Komplexe Kohlenhydrate Disaccharide Polysaccharide Stoffwechsel der Kohlenhydrate Zelluläre Aufnahme der Monosaccharide Organspezifische Glucoseverwertung Glykolyse: ATP-Gewinn durch Glucoseabbau Fructoseabbau Polyolweg Galactoseabbau Glucosesynthese durch Gluconeogenese Reziproke Regulation von Glykolyse und Gluconeogenese Glykogenstoffwechsel Koordination des Glucosestoffwechsels Glucoseabbau im Pentosephosphatweg 207 Lipide 213 Hartmut Kühn 8.1 Klassifizierung der Lipide Komplexe Lipide Fettsäuren Glycerol Wachse Sphingolipide Membranbildende Phospholipide Cardiolipin Anaboler Lipidstoffwechsel Biosynthese gesättigter Fettsäuren Biosynthese der Sphingoidbasen Biosynthese der Glycerolipide 235

4 8.3.4 Biosynthese der Sphingolipide Biosynthese von Cholesterol Biosynthese der Ketonkörper Kataboler Lipidstoffwechsel Hydrolyse der Ester- und Amidolipide Fettsäureabbau (ß-Oxidation) Cholesteroleliminierung über Gallensäure Lipoprotéine Lipidhormone Steroidhormone Eicosanoide Sphingolipide 271 Pyruvat-Dehydrogenase und Citratzyklus 272 Bruno Christ 9.1 Bildung von Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA) Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex Regulation des Pyruvat-Dehydrogenase-Komplexes Citratzyklus Einzelreaktionen Energieausbeute der Acetyl-CoA-Oxidation im Citratzyklus Regulation des Citratzyklus Anaplerotische Reaktionen des Citratzyklus 283 Atmungskette und oxidative Phosphorylierung 285 Bruno Christ 10.1 Elektronentransport Die Komplexe der Atmungskette Energetik des Elektronentransports Oxidative Phosphorylierung Elektrochemische Kopplung ATP-Synthase Mitochondriale Transportsysteme Regulation der oxidativen Phosphorylierung Thermogenese Oxidativer Stress 299 Vitamine und Spurenelemente Vitamine Resorption von Vitaminen 301

5 XI Vitamine des Protonen-und Elektronentransports Vitamine als Coenzyme bei der Gruppenübertragung Schutz gegen reaktive Sauerstoffspezies Rezeptorliganden Spurenelemente Eisen Kupfer Zink Selen Andere Metalle Jod 329 Nukleotide und Nukleinsäuren 330 Thomas Kietzmann 12.1 Nukleotide, die Grundbausteine der Nukleinsäuren Die Basen Die Pyrimidinsynthese Die Purinsynthese Desoxyribonukleotid-Biosynthese Regulation der Nukleotidsynthese Abbau der Nukleotide Wiederverwertung der Basen (Salvage-Pathway) Nukleinsäuren Struktur und Basen Die DNA Die RNA 357 Molekularbiologie Zellzykluskontrolle und DNA-Replikation 363 Thomas Kietzmann 13.1 Zellzyklus Die Phasen des Zellzyklus Ablauf und Regulation des Zellzyklus Apoptose Apoptose versus Nekrose Der intrinsische Weg Der extrinsische Weg Die gemeinsame Endstrecke und antiapoptotische Proteine Replikation der DNA 378

6 XII Inhaltsverzeichnis Die Initiationsphase Die Elongationsphase Die Terminationsphase Mutationen und DNA-Reparatur Mutationstypen Die funktioneilen Konsequenzen DNA-Reparatur Rekombination und Rekombinationsreparatur 395 Transkription 397 Detlef Doenecke 14.1 RNA-Arten Synthese von Ribonukleinsäuren Prinzip der Ribonukleinsäure-Synthese Die drei Phasen der RNA-Synthese RNA-Polymerasen Eukaryontische Promotoren und Transkriptionsinitiation Kontrolle der Transkription bei Eukaryonten Reifung der Primärprodukte der Transkription Prozessierung von Vorläufer-tRNA zur reifen trna Synthese und Prozessierung von ribosomaler RNA Synthese und Prozessierung von prä-mrna zu mrna bei Eukaryonten RNA-Editing 414 Proteinbiosynthese 415 Wolfgang Höhne 15.1 Translation Der genetische Code Transfer-RNA (trna) Ribosomenstruktur Mechanismus der Translation Hemmung der Translation Regulation der Translation Sekundäre Proteinmodifizierung Limitierte Proteolyse Prosthetische Gruppen Modifizierung von Aminosäureseitenketten Gerichtete Proteinverteilung ( Protein-Targeting") Faltung, Fehlfaltung und Abbau der Proteine Zelluläre Proteinfaltung Proteinabbau 443

7 XIII Regulation der Genexpression 445 Detlef Doenecke 16.1 Genregulation bei Prokaryonten Genregulation bei Eukaryonten Transkriptionskontrolle bei Eukaryonten Posttranskriptionelle Regulation 458 Viren 462 Thomas Kietzmann 17.1 Virenaufbau Der Lebenszyklus von Viren Replikation und Expression von Virusgenomen Retroviren Lebenszyklus HI-Viren Antivirale Abwehr, Prophylaxe und Therapie 473 Tumorentstehung 477 Thomas Kietzmann 18.1 Tumoren und Krebs Krebsentstehung (Karzinogenese) Krebsauslösende Noxen Protoonkogene und Onkogene Einteilung Aktivierung von Protoonkogenen Tumorsuppressorgene Tumorwachstum, Tumorangiogenese und Metastasierung Tumorangiogenese Tumormetastasierung Tumortherapie 492 Gentechnik 494 Thomas Kietzmann 19.1 Gentechnik und gentechnische Verfahren DNA-modifizierende Enzyme Vektoren Herstellung rekombinanter DNA und Klonierung Expression rekombinanter Proteine in E. coli Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) und ihre Anwendungen Quantitative Verfahren zur Expressionsanalyse 504

8 XIV Inhaltsverzeichnis DNA-Sequenzierung Transgene und Knockout-Tiere Inaktivierung von Genen durch RNA-Interferenz Therapeutische Anwendung 509 Kommunikation, Signaltransduktion, Immunabwehr Biomembranen und Transportsysteme 513 Hartmut Kühn 20.1 Aufbau und Funktion von Biomembranen Allgemeines Membraniipide Membranproteine Glykokalix Die Asymmetrie von Biomembranen Das Fluid-Mosaik-Modell Substrattransport über Biomembranen Einfache Diffusion Erleichterte Diffusion Aktiver Transport (Transport-ATPasen) Gekoppelte Transportsysteme Membranvermittelte Zell-Zell-Interaktion Tight Junctions Gap Junctions Desmosomen Membranvesikel und Membransynthese Vesikulation und Membranverschmelzung Intrazellulärer Transport von Membranvesikeln Synthese von Biomembranen (Membranogenese) 538 Signaltransduktion Ektorezeptoren Liganden-gesteuerte Ionenkanäle G-Protein-gekoppelte Rezeptoren Rezeptorenzyme Tyrosinkinase-assoziierte Rezeptoren Plattformbildende Rezeptoren Intrazelluläre Rezeptoren Nukleare Rezeptoren 565

9 XV Andere intrazelluläre Rezeptoren Schlussbetrachtung zur Signaltransduktion 572 Hormonsystem Akutregulation des Stoffwechsels durch Insulin, Glucagon und Catecholamine Stoffwechselregulation durch Insulin Regulation des Stoffwechsels durch Glucagon und Catecholamine Hypothalamisch-hypophysäre hormonelle Regelkreise Schilddrüsenhormone Grundprinzipien der Steroidhormonsynthese Glucocorticoide Geschlechtshormone Regulation von Wachstum und Differenzierung Hormonelle Regulation des Mineral- und Wasserhaushalts Renin-Angiotensin-Aldosteron-System Atriales natriuretisches Peptid (ANP) Antidiuretisches Hormon (ADH, Vasopressin) Regulation der Calcium-Homöostase Gewebshormone Eicosanoide Amine Kinin-Kallikrein-System 630 Nervensystem 632 Hartmut Kühn 23.1 Nervensystem und Liquor cerebrospinalis Stoffwechsel des ZNS Energieliefernde Substrate Aminosäuren Myelin Amyloid-Precursor-Protein Reizleitung über Synapsen Synaptische Vesikel Neurotransmitter Sinnesbiochemie Sehen - Photorezeption Geruchswahrnehmung Geschmackswahrnehmung Hörprozess 658

10 XVI Inhaltsverzeichnis Immunsystem 659 Hartmut Kühn 24.1 Funktion und prinzipieller Aufbau Prinzipien der Erkennungs-und Abbaumechanismen Immunzellen Extrazelluläre Abwehrmoleküle Die Teilsysteme im Überblick Nicht adaptives Immunsystem Phagozyten und die Mechanismen der Phagozytose Natürliche Killerzellen Das Komplementsystem und Lysozyme Adaptives Immunsystem B-Zellen T-Zellen Immunglobuline B-Zell-Rezeptoren T-Zell-Rezeptoren Antigenpräsentation Wechselspiel von adaptiven und nicht adaptiven Immunmechanismen 703 Stoffwechselleistungen und Zusammenspiel der Organsysteme Besondere Stoffwechselleistungen einiger Organsysteme Binde- und Stützgewebe 707 Bruno Christ Zellen des Binde- und Stützgewebes Extrazelluläre Matrix Muskelgewebe 718 Bruno Christ Molekulare Grundlagen kontraktiler Strukturen Molekularer Mechanismus der Kontraktion und Relaxation Stoffwechsel in der Muskulatur Herz-Kreislauf-System 732 Hartmut Kühn Besonderheiten der Herzmuskelkontraktion Energiestoffwechsel des Herzens 733

11 XVII Stoffwechselveränderungen bei Ischämie und Reperfusion Stoffwechselbesonderheiten der Arterien Magen, Darm, Pankreas 742 Bruno Christ Sekrete des Gastrointestinaltraktes Regulation der Sekretbildung Verdauung und Resorption von Kohlenhydraten Verdauung und Resorption von Proteinen Verdauung und Resorption von Lipiden Verdauung und Resorption von Nukleinsäuren Resorption von Elektrolyten und Wasser Intestinale Mikroorganismen Intestinales Immunsystem Blut 758 Hartmut Kühn Zusammensetzung, Funktionen und diagnostische Bedeutung des Blutes Erythrozyten Thrombozyten Hämatopoiese Blutplasma Leber Anatomische Voraussetzungen für die Leberfunktion Aufgaben der Leber im Intermediärstoffwechsel Die Leber als endokrines Kontrollorgan Plasmaproteinsynthese Die Leber als exokrine Drüse Fremdstoffmetabolismus Fettgewebe Weißes Fettgewebe Braunes Fettgewebe Fettgewebe als endokrines Organ Niere und Wasser-Elektrolyt-Haushalt 818 Jan Koolman Niere Wasserhaushalt Elektrolyte Säure-Basen-Haushalt Homöostase des ph-werts im Blutplasma 838

12 XVIII Inhaltsverzeichnis Energiestoffwechsel im Zusammenspiel der Organe Messung der zellulären Energie- und Substratversorgung Messung der zellulären Energieversorgung Messung von Energiesubstraten und Sauerstoff Regulation der Substratverteilung zwischen den Organen Verteilung des Sauerstoffs Speicherorgane Aufteilung der Glucose zwischen den Organen Lactat und Lactat-Shuttles Aufteilung der Aminosäuren zwischen den Organen Aufteilung von Fettsäuren zwischen den Organen 848 Synopsis der Pathobiochemie Wozu kann man Biochemiekenntnisse in der Medizin gebrauchen? Monogen und polygen vererbte Erkrankungen Fall Fall Somatische Mutation und Tumorentstehung Epigenetische Veränderungen Fall Erkrankungen als Folge der Übersteuerung des biologischen Regelkreissystems Fall Fall Fehlerhafte Proteinfaltung als Krankheitsursache Fall Altern Fall Intoxikation Fall Sachverzeichnis 870