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

A. Wichtige Elemente B. Biomoleküle Symbol vdw- Radius (pm) relative Atommasse kov. Radius (pm) Kohlenhydrat Signalstoff Wasserstoff H 100 1,008 37 Protein Kohlenstoff Stickstoff Sauerstoff C 170 12,011 77 N 150 14,007 70 O 140 15,999 66 außen Membran Phosphor P 190 30,974 110 innen Schwefel S 180 32,060 104 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 1 1 1 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

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

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

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

IV Prof. Dr. rer. nat. Jan Koolman Philipps-Universität Marburg Institut für Physiologische Chemie Arbeitsgruppe Biochemische Endokrinologie Deutschhausstraße 1, 35033 Marburg Prof. Dr. rer. nat. Klaus-Heinrich Röhm Krumme Straße 86, 10585 Berlin Gestaltung der Farbtafeln Prof. Jürgen Wirth Visuelle Kommunikation, 63303 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 http://dnb.d-nb.de abrufbar. 1. Auflage 1994 2. Auflage 1997 1. Französische Auflage 1994 2. Französische Auflage 1999 3. Französische Auflage 2004 1. Englische Auflage 1996 2. Englische Auflage 2004 1. Japanische Auflage 1997 2. Japanische Auflage 2007 1. Italienische Auflage 1997 1. Griechische Auflage 1999 2. Griechische Auflage 2007 1. Russische Auflage 2000 1. Indonesische Auflage 2002 1. Türkische Auflage 2002 1. Holländische Auflage 2004 1. Spanische Auflage 2004 1. Portugisische Auflage 2005 1. Polnische Auflage 2005 1. Chinesische Auflage 2008 1994, 2009 Georg Thieme Verlag KG Rüdigerstraße 14, D-70469 Stuttgart Unsere Homepage: http://www.thieme.de Printed in Germany Satz: Mitterweger & Partner GmbH, Plankstadt Druck: Firmengruppe APPL, aprinta druck, Wemding ISBN 978-3-13-759404-8 1 2 3 4 5 6 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.

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. 1978 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.

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.

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).

IX Inhaltsverzeichnis Grundlagen 1 Chemie Periodensystem... 2 Isomerie..... 4 Stoffklassen I..... 6 Stoffklassen II..... 8 Chemische Reaktionen..... 10 Redox-Prozesse... 12 Säuren und Basen..... 14 Physikalische Chemie Energetik.... 16 Thermodynamik...... 18 Katalyse..... 20 Wasser als Lösungsmittel... 22 Hydrophobe Wechselwirkungen...... 24 Biomoleküle 27 Kohlenhydrate Chemie der Zucker.... 28 Mono- und Disaccharide.... 30 Polysaccharide.... 32 Glycoproteine und Glycosaminoglycane.. 34 Lipide Übersicht.... 36 Fettsäuren und Fette... 38 Glycerolipide..... 40 Sphingolipide..... 42 Isoprenoide...... 44 Steroide..... 46 Aminosäuren Eigenschaften..... 48 Proteinogene Aminosäuren...... 50 Nichtproteinogene Aminosäuren..... 52 Peptide und Proteine... Übersicht.... 54 Proteinstrukturen..... 56 Strukturproteine...... 58 Lösliche Proteine...... 60 Proteinmodifizierung... 62 Nucleotide und Nucleinsäuren Basen und Nucleotide...... 64 RNA... 66 DNA... 68 Stoffwechsel 71 Enzyme Grundlagen...... 72 Enzymkatalyse.... 74 Enzymkinetik I.... 76 Enzymkinetik II... 78 Allosterische Regulation.... 80 Hemmstoffe... 82 Enzymatische Analyse...... 84 Coenzyme I...... 86 Coenzyme II...... 88 Coenzyme III..... 90 Coenzyme IV..... 92 Pathobiochemie... 94 Stoffwechselwege Intermediärstoffwechsel I... 96 Intermediärstoffwechsel II... 98 Regulationsmechanismen I...... 100 Regulationsmechanismen II..... 102 Energiestoffwechsel ATP... 104 Energetische Kopplung..... 106 Energiekonservierung an Membranen.. 108 Energiestoffwechsel: Übersicht... 110 Oxosäure-Dehydrogenasen...... 112 Citratzyklus: Reaktionen.... 114 Citratzyklus: Stoffwechselfunktionen... 116 Mitochondrialer Transport...... 118 Atmungskette..... 120 ATP-Synthese..... 122 Regulation des Energiestoffwechsels... 124 Pathobiochemie... 126 Kohlenhydratstoffwechsel Übersicht.... 128 Glycolyse... 130 Hexosemonophosphat-Weg...... 132

X Inhaltsverzeichnis Gluconeogenese... 134 Glycogenstoffwechsel...... 136 Regulation des Kohlenhydratstoffwechsels I.... 138 Regulation des Kohlenhydratstoffwechsels II... 140 Pathobiochemie... 142 Lipidstoffwechsel Fettstoffwechsel: Übersicht...... 144 Fettsäureabbau: β-oxidation..... 146 Fettsäureabbau: Nebenwege..... 148 Fettsäurebiosynthese... 150 Fettsäurestoffwechsel: weitere Reaktionen... 152 Biosynthese komplexer Lipide... 154 Biosynthese von Cholesterol..... 156 Pathobiochemie... 158 Proteinstoffwechsel Übersicht.... 160 Proteolyse... 162 Wege des Stickstoffs... 164 Transaminierung und Desaminierung... 166 Aminosäureabbau I.... 168 Aminosäureabbau II.... 170 Harnstoffzyklus... 172 Biosynthese von Aminosäuren... 174 Pathobiochemie... 176 Nucleotidstoffwechsel Überblick.... 178 Nucleotidabbau... 180 Purin- und Pyrimidinbiosynthese..... 182 Nucleotidbiosynthese...... 184 Pathobiochemie... 186 Porphyrinstoffwechsel Hämbiosynthese...... 188 Porphyrinabbau... 190 Zellorganellen 193 Grundlagen Aufbau der Zelle...... 194 Zellbestandteile und Cytoplasma..... 196 Cytoskelett Komponenten.... 198 Struktur und Funktionen... 200 Motorproteine.... 202 Zellkern Zellkern..... 204 Mitochondrien Struktur und Funktionen... 206 Membranen Struktur und Bestandteile... 208 Transportprozesse..... 210 Transportproteine..... 212 Endo- und Exocytose... 214 ER und Golgi-Apparat ER: Aufbau und Funktionen..... 216 Proteinsortieren... 218 Proteinsynthese am rer.... 220 Proteinreifung.... 222 Lysosomen Lysosomen... 224 Peroxisomen Peroxisomen..... 226 Molekulare Genetik 229 Übersicht Übersicht.... 230 Gene und Genome Gene und Genome..... 232 Chromatin... 234 Nucleinsäure-modifizierende Enzyme... 236 Replikation... 238 Transkription..... 240 Transkriptionskontrolle..... 242 RNA-Reifung..... 244 Genetischer Code Genetischer Code...... 246 Translation I...... 248 Translation II..... 250 Antibiotika... 252 Mutation und Reparatur.... 254 Gentechnik Klonieren von DNA.... 256 Sequenzieren von DNA..... 258 PCR... 260 Gentechnik in der Medizin...... 262 Gewebe und Organe 265 Verdauungssystem Übersicht.... 266 Verdauungssekrete.... 268 Verdauungsprozesse... 270 Resorption I...... 272 Resorption II..... 274 Pathobiochemie... 276

Inhaltsverzeichnis XI Blut Zusammensetzung und Funktionen... 278 Plasmaproteine... 280 Lipoproteine I.... 282 Lipoproteine II.... 284 Hämoglobin und Gastransport... 286 Reaktive Sauerstoffspezies... 288 Erythrocytenstoffwechsel... 290 Säure-Basen-Haushalt...... 292 Blutgerinnung.... 294 Gerinnungshemmung und Fibrinolyse.. 296 Blutgruppen...... 298 Pathobiochemie... 300 Immunsystem Immunsystem.... 302 Spezifische Immunantwort...... 304 T-Zell-Aktivierung..... 306 Komplement-System... 308 Antikörper... 310 Pathobiochemie... 312 Leber Funktionen... 314 Kohlenhydratstoffwechsel... 316 Lipidstoffwechsel...... 318 Gallensäuren..... 320 Biotransformation..... 322 Cytochrom P450...... 324 Ethanolstoffwechsel.... 326 Pathobiochemie... 328 Fettgewebe Funktionen... 330 Pathobiochemie... 332 Niere Funktionen... 334 Elektrolytausscheidung..... 336 Stoffwechsel...... 338 Muskel Kontraktion...... 340 Kontrolle der Kontraktion... 342 Muskelstoffwechsel.... 344 Pathobiochemie... 346 Bindegewebe Knochen und Zähne... 348 Collagene.... 350 Extrazelluläre Matrix I...... 352 Extrazelluläre Matrix II..... 354 Pathobiochemie... 356 Gehirn und Sinnesorgane Signalübertragung im ZNS...... 358 Ruhepotenzial und Aktionspotenzial... 360 Neurotransmitter...... 362 Rezeptoren für Neurotransmitter..... 364 Stoffwechsel des ZNS... 366 Sehen... 368 Pathobiochemie... 370 Integration des Stoffwechsels Integration des Stoffwechsels I... 372 Integration des Stoffwechsels II...... 374 Integration des Stoffwechsels III...... 376 Integration des Stoffwechsels IV...... 378 Ernährung 381 Nahrungsstoffe Organische Stoffe... 382 Mineralien und Spurenelemente..... 384 Calciumstoffwechsel... 386 Eisenstoffwechsel...... 388 Pathobiochemie... 390 Vitamine Vitamine I... 392 Vitamine II... 394 Signalsysteme 397 Signaltransduktion Signaltransduktion..... 398 Membranrezeptoren... 400 Ionenkanäle...... 402 GTP-bindende Proteine..... 404 Second-Messenger I.... 406 Second-Messenger II... 408 Protein-Kinasen und -Phosphatasen... 410 Signalkaskaden... 412 Hormonsysteme Grundlagen...... 414 Plasmaspiegel und Hormonhierarchie.. 416 Lipophile Signalstoffe Wirkungsmechanismus..... 418 Corticosteroide.... 420 Sexualsteroide und Menstruationszyklus 422 Stoffwechsel der Steroidhormone..... 424 Schilddrüsenhormone...... 426 Hydrophile Signalstoffe Insulin...... 428 Diabetes mellitus...... 430 Weitere Hormone..... 432 Catecholamine.... 434 Gewebshormone, Mediatoren.... 436 Eicosanoide...... 438 Cytokine..... 440

XII Inhaltsverzeichnis Wachstum und Entwicklung 443 Zellproliferation Zellzyklus I... 444 Zellzyklus II...... 446 Apoptose.... 448 Onkogene.... 450 Tumore...... 452 Cytostatika... 454 Viren... 456 Anhang 459 Abkürzungen..... 460 Größen und Einheiten...... 464 Quellenangaben... 466 Sachverzeichnis... 467