Verfügbarkeit: Biochemie | Technische Universität München

Biochemie:

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Bibliographische Detailangaben
Beteiligte Personen:	Berg, Jeremy M. 1958- (VerfasserIn), Tymoczko, John L. 1948-2019 (VerfasserIn), Stryer, Lubert 1938-2024 (VerfasserIn)
Format:	Buch
Sprache:	Deutsch
Veröffentlicht:	Heidelberg ; München Elsevier, Spektrum, Akad. Verl. 2007
Ausgabe:	6. Aufl.
Schlagwörter:	Biochemistry Biochemie Physiologische Chemie Lehrbuch
Links:	http://deposit.dnb.de/cgi-bin/dokserv?id=2922186&prov=M&dok_var=1&dok_ext=htm http://www3.ub.tu-berlin.de/ihv/001748356.pdf http://bvbr.bib-bvb.de:8991/F?func=service&doc_library=BVB01&local_base=BVB01&doc_number=015574765&sequence=000002&line_number=0001&func_code=DB_RECORDS&service_type=MEDIA
Beschreibung:	Erg. bildet: Die Abbildungen des Buches "Stryer Biochemie" (DVD-ROM)
Umfang:	XXXVIII, 1224 S. zahlr. Ill. und graph. Darst. 28 cm
ISBN:	9783827418005

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adam_text	Inhalt 1 Biochemie: Evolution einer Wissenschaft............. 1.1 Der biologischen Vielfalt liegt eine biochemische Einheitlichkeit zugrunde . 1 1.2 Die DNA verdeutlicht die Beziehung zwischen Form und Funktion....... 4 Die DNA besteht aus vier unterschiedlichen Bausteinen................... 4 Zwei DNA-Einzelstränge bilden eine DNA-Doppelhelix............... 5 Mit der DNA-Struktur lässt sich die Vererbung und die Speicherung von Information erklären............. 6 1.3 Modellvorstellungen aus der Chemie erklären die Eigenschaften biologischer Moleküle ................. 7 Die Doppelhelix kann sich aus ihren Teilsträngen bilden.............. 7 Für die Struktur und Stabilität von biolo¬ gischen Molekülen sind kovalente und nicht- kovalente Bindungen von Bedeutung .... 8 Die Doppelhelix ist das Ergebnis der Regeln der Chemie................... 11 Die Hauptsätze der Thermodynamik bestimmen das Verhalten von biochemischen Systemen.................... 12 Bei der Bildung der Doppelhelix wird Wärme frei................... 14 Säure-Base-Reaktionen sind bei vielen biochemischen Vorgängen von zentraler Bedeutung................... 16 Säure-Base-Reaktionen können die Doppelhelix trennen.............. 17 Puffer regulieren den pH-Wert in Lebewesen und im Labor........... 18 1.4 Die genomische Revolution verändert Biochemie und Medizin......... 19 Die Sequenzierung des menschlichen Genoms ist ein Meilenstein in der Geschichte des Menschen........... 20 Genomsequenzen codieren Proteine und Expressionsmuster............ 21 Die Individualität beruht auf dem Wechsel¬ spiel zwischen Genen und Umgebung .... 22 Anhang: Darstellung von molekularen Strukturen 1: Kleine Moleküle....... 24 2 Zusammensetzung und Struktur der Proteine...... 27 2.1 Proteine sind aus einem Repertoire von 20 Aminosäuren aufgebaut........ 29 2.2 Primärstruktur: Peptidbindungen verknüpfen die Aminosäuren zu Polypeptidketten . 37 Proteine besitzen spezifische Aminosäure¬ sequenzen, die durch Gene festgelegt werden..................... 39 Polypeptidketten sind flexibel, aber dennoch in ihren Konformationsmöglichkeiten eingeschränkt................. 40 2.3 Sekundärstruktur: Polypeptidketten können sich zu regelmäßigen Strukturen wie «-Helix, falten..................... 43 Die die durch Wasserstoffbrücken innerhalb der Kette stabilisiert wird.......... 43 Die ß-Faltblatt-Struktur wird von Wasser¬ stoffbrücken zwischen den Strängen stabilisiert................... 45 Polypeptidketten können ihre Richtung umkehren, indem sie Kehren und Schleifen ausbilden.................... 47 Fibrillare von Zellen und Geweben........... 47 2.4 Tertiärstruktur: Wasserlösliche Proteine falten sich zu kompakten Strukturen mit einem unpolaren Kern......... 50 2.5 Quartärstruktur: Polypeptidketten können sich zu Komplexen aus vielen Untereinheiten zusammenfinden..... 52 2.6 Die Aminosäuresequenz eines Proteins legt dessen dreidimensionale Struktur fest . 54 XVIII Inhalt Aminosäuren zeigen unterschiedliche Neigungen zur Ausbildung von a-Helices, ^-Faltblatt- Strukturen und ß-Kehren.......... 55 Die falsche Faltung und Aggregation von Proteinen ist in einigen Fällen mit neuro¬ logischen Erkrankungen verknüpft..... 57 Die Faltung von Proteinen ist ein hoch¬ kooperativer Vorgang ............ 59 Die Proteinfaltung verläuft über eine fortschreitende Stabilisierung von Zwischenprodukten und nicht durch zufalliges Ausprobieren........... 60 Die Vorhersage der dreidimensionalen Struktur aus der Aminosäuresequenz ist und bleibt eine schwierige Aufgabe..... 62 Durch Modifikation und Spaltung erhalten Proteine neue Eigenschaften......... 62 Anhang: Darstellung von molekularen Strukturen 3 Erforschung der Proteine und Proteome............ 71 Das Proteom ist die Repräsentation des Genoms......... 72 3.1 Die Reinigung eines Proteins ist der erste Schritt zum Verständnis seiner Funktion 73 Der nach dem wir suchen?............. 73 Damit ein Protein gereinigt werden kann, muss Proteine lassen sich entsprechend ihrer Größe, Löslichkeit, Ladung und Bindungs¬ affinität reinigen............... 75 Proteine können durch Gelelektrophorese getrennt und anschließend sichtbar gemacht werden.................... 77 Ein Protokoll zur Reinigung von Proteinen lässt sich quantitativ auswerten........ 81 Die Ultrazentrifugation eignet sich zur Trennung von Biomolekülen und zur Bestimmung des Molekulargewichts..... 83 3.2 Aminosäuresequenzen können durch automatisierten Edman-Abbau bestimmt werden................... 85 Man kann Proteine spezifisch in kleine Peptide erleichtern.................. 87 Aminosäuresequenzen liefern vielfältige Informationen................. 90 Die Gentechnik hat die Proteinsequenzierung revolutioniert................. 91 3.3 Die Immunologie liefert wichtige Methoden zur Untersuchung von Proteinen..... 92 Gegen ein Protein lassen sich spezifische Antikörper herstellen............ 92 Monoklonale Antikörper von fast jeder gewünschten Spezifität sind leicht herzustellen.................. 94 Mithilfe eines enzymgekoppelten Immun¬ tests lassen sich Proteine nachweisen und quantifizieren................. 95 Western-Blotting von per Gelelektrophorese aufgetrennten Proteinen................... 97 Mit Fluoreszenzfarbstoffen lassen sich Proteine in Zellen sichtbar machen..... 97 3.4 Festphasenmethoden synthetisieren. . . 98 3.5 Die Massenspektrometrie bietet leistungs¬ fähige Verfahren für die Charakterisierung und Identifizierung von Proteinen .... 101 Die Masse eines Proteins lässt sich mithilfe der Massenspektrometrie genau bestimmen................... 102 Mithilfe der MALDI-TOF-Massenspektro- metrie lassen sich die einzelnen Bestandteile von großen Proteinkomplexen identifizieren................. 102 3.6 Die dreidimensionale Struktur eines Proteins lässt sich durch analysen ermitteln................... 104 Röntgenstrukturanalysen dimensionale Struktur in ihren atomaren Einzelheiten................. 105 Die Kernspinresonanzspektroskopie vermag die Struktur von Proteinen in Lösung aufzuklären............. 107 4 DNA, genetischen Information. ... 117 4.1 Eine Nucleinsäure besteht aus vier verschiedenen Basen, die mit einem Rückgrat aus Zucker- und Phosphat¬ gruppen verknüpft sind .......... 118 RNA bezüglich der beteiligten Zucker und einer ihrer Basen............... 118 Die säuren sind die Nucleotide.......... 119 4.2 Zwei Nucleinsäureketten mit komplementären Sequenzen können eine Doppelhelix bilden.......... 121 Die Doppelhelix wird durch Wasserstoff¬ brücken und hydrophobe Wechselwirkungen stabilisiert................... 122 Die Doppelhelix ermöglicht die genaue Weitergabe von genetischer Information . . 123 Die Doppelhelix kann reversibel geschmolzen werden............. 125 Inhalt XIX Einige DNA-Moleküle sind ringförmig und bilden Superhelices........... 126 Einzelsträngige Nucleinsäuren können komplexe Formen annehmen........ 126 4.3 DNA wird durch Polymerasen repliziert, die ihre Instruktionen von Matrizen beziehen.................. 127 DNA-Polymerasen katalysieren die Bildung von Phosphodiesterbrücken......... 127 Die Gene einiger Viren bestehen aus 4.4 Genexpression bedeutet Umsetzung der in der DNA enthaltenen Information in funktionelle Moleküle.......... 130 Bei der Genexpression spielen unter¬ schiedliche Arten von Die gesamte zelluläre RNA-Polymerasen synthetisiert....... 131 RNA-Polymerasen erhalten ihre Instruktionen von DNA-Vorlagen...... 133 Die Transkription beginnt in der Nähe von Promotorstellen und endet an Terminationsstellen............. 133 Die Transfer-RNAs fungieren bei der Proteinsynthese als Adaptermoleküle .... 134 4.5 Die Aminosäuren werden ab einem bestimmten Startpunkt von Gruppen aus jeweils drei Basen codiert....... 136 Die Haupteigenschaften des genetischen Codes...................... 136 Die Messenger-RNA enthält Start- und Stoppsignale für die Proteinsynthese..... 137 Der genetische Code ist nahezu universell . . 138 4.6 Die meisten eukaryotischen Gene sind Mosaike aus Durch RNA-Prozessierung entsteht reife RNA Viele Exons codieren Proteindomänen . . . 141 5 Erforschung der Gene und Genome............. 5.1 Die Grundwerkzeuge der Genforschung . 149 Restriktionsenzyme spalten DNA in spezifische Fragmente............. 150 Restriktionsfragmente können durch Gelelektrophorese getrennt und sichtbar gemacht werden................ 151 DNA wird meistens durch kontrollierten Abbruch der Replikation sequenziert .... 152 DNA-Sonden und Gene können mit auto¬ matisierten Festphasenmethoden synthetisiert werden............. 153 Ausgewählte DNA-Sequenzen können mit der Polymerasekettenreaktion (PCR) beliebig vermehrt werden.......... 154 Die PCR ist eine leistungsfähige Technik in der medizinischen Diagnostik, der Forensik und für die Untersuchung der molekularen Evolution.................... 156 5.2 Die Gentechnik hat die Biologie auf allen Ebenen revolutioniert........ 157 Restriktionsenzyme und DNA-Ligase sind unentbehrliche Werkzeuge für die Gentechnik................... 157 Plasmide und der Phage Vektoren für die DNA-Klonierung in Bakterien.................. 158 Künstliche Chromosomen für Bakterien und Hefen.................. 161 Aus enzymatisch gespaltener genomischer DNA können einzelne Gene spezifisch kloniert werden............... 161 Durch ortsspezifische Mutagenese lassen sich Proteine mit neuartigen Funktionen konstruieren................. 162 5.3 Ganze Genome wurden sequenziert und analysiert................ 164 Genome von Bakterien bis hin zu vielzelligen Eukaryoten wurden sequenziert....... 164 Die Sequenzierung des menschlichen Genoms ist abgeschlossen.......... 165 Die vergleichende Genomik ist zu einer effektiven Methode geworden........ 167 Die Stärke der Genexpression lässt sich im Vergleich untersuchen.......... 168 5.4 Eukaryotische Gene lassen sich mit großer Genauigkeit gezielt verändern . . 168 Mit mRNA hergestellte komplementäre DNA kann in Wirtszellen exprimiert werden.................... 169 In Eukaryotenzellen eingebaute neue Gene können effizient exprimiert werden..... 170 Transgene Tiere tragen und Gene, die in ihre Keimbahn eingeführt wurden..................... 171 Das Ausschalten von Genen liefert Hinweise auf deren Funktion......... 172 Mithilfe der RNA-Interferenz ist es ebenfalls möglich, die Genexpression zu blockieren................... 173 Mit tumorinduzierenden Plasmiden kann man neue Gene in Pflanzenzellen einschleusen.................. 174 Die Gentherapie des Menschen erweckt in der Medizin große Hoffnungen........ 175 6 Erforschung der Evolution und die Bioinformatik .... 6.1 Homologe stammen von einem gemeinsamen Vorfahren ab....... 183 XX Inhalt 7.4 6.2 Die statistische Analyse von Sequenz- alignments deckt Homologien auf. ... 184 Die statistische Signifikanz von Alignments von Sequenzen ermitteln........... 186 Entferntere evolutionäre Beziehungen lassen sich durch den Einsatz von 73 Substitutionsmatrices ermitteln....... 187 Mithilfe von Datenbanken lassen sich homologe Sequenzen ausfindig machen ... 190 6.3 Die Untersuchung der dreidimensionalen Struktur vermittelt ein besseres Verständnis von den evolutionären Verwandtschaftsbeziehungen...... 192 Die Tertiärstruktur wird stärker konserviert als die Primärstruktur...... 192 Das Wissen um dreidimensionale Strukturen kann bei der Auswertung von Sequenz vergleichen überaus hilfreich sein...... 193 Motivwiederholungen lassen sich durch Sequenzvergleiche innerhalb einer Sequenz nachweisen................... 194 Obereinstimmende Lösungen für bio¬ chemische Probleme sind durch konvergente К Der Vergleich von RNA-Sequenzen ermög¬ licht Hinblicke in die Sekundiirstruktur ... 195 6.4 Auf der Grundlage von Sequenz¬ informationen lassen sich Stammbäume konstruieren................ 196 6.5 Moderne Verfahren ermöglichen die experimentelle Untersuchung von Evolutionsprozessen........... 197 In manchen Fällen lässt sich urtümliche DNA amplützieren und sequenzieren .... 198 Die experimentelle Untersuchung der molekularen Evolution............ 198 7 Hämoglobin: Porträt eines Proteins in Aktion......... 204 7.1 Myoglobin und Hämoglobin binden Sauerstoff an Eisenatome im Häm.... 205 Die Struktur von Myoglobin verhindert die Freisetzung reaktiver Sauerstoffspezies. . . . 206 Menschliches Hämoglobin ist aus vier myoglobinähnltchen Untereinheiten zusammengesetzt............... 207 7.2 Hämoglobin bindet Sauerstoff kooperativ................. 208 Die Bindung von Sauerstoff führt zu ausge¬ prägten Veränderungen der Quartärstruktur von Hämoglobin................ 210 Die Kooperativität von Hämoglobin lässt sich potenziell anhand mehrerer Modelle erklären..................... 211 8 8.1 Strukturelle Veränderungen der Häm- gruppen werden auf den alßl-oc2ß2- Zwischenbereich übertragen......... 212 l.ß-Bisphosphoglycerat in den Erythrocyten ist entscheidend für die Einstellung der Sauerstoffaffinität von Hämoglobin..... 212 Wasserstoffionen und Kohlendioxid fördern die Freisetzung von Sauerstoff: der Bohr-Effekt.............. 214 von GeweJ ρ bezeilen к produzier-J К 0 ¡ 7?] 0 Körper¬ gewebe Blutkapülare Mutationen in den Genen für die Hämo¬ globinuntereinheiten können Krankheiten hervorrufen................ 217 Sichelzellanämie resultiert aus der Aggregation mutierter Desoxyhämo- globinmoleküle................. 217 Thalassämie wird durch eine unausgeglichene Produktion der Hämoglobinketten verursacht................... 219 Die Akkumulation freier ct-Hämoglobin- ketten wird verhindert............. 219 Im menschlichen Genom sind zusätzliche Globine codiert................ 220 Enzyme: Grundlegende Konzepte und Kinetik...... 228 Enzyme sind leistungsstarke und hoch¬ spezifische Katalysatoren......... 229 Viele Enzyme benötigen für ihre Aktivität Cofaktoren................... 230 Enzyme können verschiedene Energie¬ formen ineinander umwandeln........ 231 Die freie Enthalpie ist eine wichtige thermodynamische Funktion zum Verständnis von Enzymen........ 231 Die Änderung der freien Enthalpie liefert Informationen über die Spontaneität einer Reaktion, aber nicht über ihre Geschwindigkeit................ 232 Die Beziehung zwischen der Veränderung der freien Standardenthalpie und der Gleichgewichtskonstanten einer Reaktion . . 232 Inhalt XXI Enzyme können nur die Reaktions¬ geschwindigkeit, aber nicht das Reaktions¬ gleichgewicht verschieben........... 234 8.3 Enzyme beschleunigen Reaktionen durch Erleichterung der Bildung von Übergangszuständen........... 235 Die Bildung eines Enzym-Substrat- Komplexes ist der erste Schritt bei der enzymatischen Katalyse............ 237 Die aktiven Zentren von Enzymen haben einige gemeinsame Eigenschaften...... 238 Die Bindungsenergie zwischen Enzym und Substrat ist für die Katalyse von Bedeutung................... 240 8.4 Die Michaelis-Menten-Gleichung beschreibt die kinetischen Eigenschaften vieler Enzyme............... 240 Kinetik ist die Untersuchung von Reaktionsgeschwindigkeiten......... 241 Die Annahme eines Fließgleichgewichts erleichtert die Darstellung der Enzymkinetik.................. 242 Die KM- und Vnux-Werte können auf vielfache Art und Weise bestimmt werden....... 244 KM und VmM sind wichtige Charakteristika eines Enzyms.................. 245 kbl/KM ist ein Mai? für die katalytische Effizienz..................... 246 Die meisten biochemischen Reaktionen beinhalten mehrere Substrate......... 248 Allosterische Enzyme gehorchen nicht der Michaelis-Menten-Kinetik.......... 250 8.5 Enzyme können durch spezifische Moleküle gehemmt werden....... 251 Reversible Inhibitoren lassen sich anhand der Kinetik unterscheiden........... 252 Irreversible Inhibitoren können zur Unter¬ suchung des aktiven Zentrums verwendet werden..................... 255 Analoga des Übergangszustands sind starke Enzyminhibitoren........... 257 Katalytische Antikörper demonstrieren die Wichtigkeit der selektiven Bindung des Übergangszustands für die Enzymaktivität . 258 Penicillin hemmt irreversibel ein Schlüssel - enzym 9 Katalytische Strategien..... 268 Einige grundlegende katalytische Mechanismen sind vielen Enzymen gemeinsam................... 269 9.1 Proteasen ermöglichen eine schwer durchfuhrbare Reaktion.......... 270 Chymotrypsin besitzt einen hochreaktiven Serinrest.................... 271 Die Chymotrypsinreaktion erfolgt in zwei Schritten, die über ein Zwischenprodukt miteinander verknüpft sind....................... 272 Serin ist Teil einer katalytischen Triade mit Histidin und Aspartat........... 273 Katalytische Triaden kommen auch bei anderen hydrolytischen Enzymen vor .... 276 Die katalytische Triade wurde mithilfe ortsspezifischer Mutagenese genau untersucht................... 277 Cystein-, sind weitere wichtige Klassen von peptid- spaltenden Enzymen.............. 279 Proteaseinhibitoren sind wichtige Medikamente.................. 281 9.2 Carboanhydrasen machen eine schnelle Reaktion noch schneller......... 282 Carboanhydrasen enthalten ein gebundenes Zinkion, das für die katalytische Aktivität essenziell ist.................. 283 Bei der Katalyse kommt es zur Aktivierung eines Wassermoleküls durch Zink...... 284 Ein Protonen-Shuttle ermöglicht die schnelle Regeneration der aktiven Knzymfonn .... 285 Durch konvergente Evolution sind bei verschiedenen Carboanhydrasen aktive Zentren auf der Basis von Zink entstanden . 2H7 9.3 Restriktionsenzyme fuhren hochspezifische Spaltungsreaktionen an DNA aus .... 288 Die Spaltung erfolgt über eine in Verdrängung des Phosphor durch magnesiumaktiviertes Wasser..................... 289 Restriktionsenzyme benötigen für die katalytische Aktivität Magnesium...... 292 Der vollständige katalytische Apparat bildet sich nur mit Komplexen aus passenden DNA- Molekülen und sichert so die Spezifität . . . 292 Typ-lI-Restriktionsenzyme besitzen einen übereinstimmenden katalytischen Core- Bereich und sind wahrscheinlich durch horizontalen Gentransfer miteinander verwandt.................... 295 9.4 Nudeosidmonophosphat-Kinasen katalysieren den Austausch von Phosphorylgruppen ohne vorhergehende Hydrolyse................. 297 NMP-Kinasen sind eine Familie von Enzymen, die P-Schleifen-Strukturen enthalten..... 297 Komplexe von Nucleosidtriphosphaten mit Magnesium (oder Mangan) sind die eigentlichen Substrate für grundsätzlich alle NTP-abhängigen Enzyme........ 298 Die Bindung von ATP induziert starke Konformationsänderungen.......... 300 P-Schleife-NTPase-Domänen sind in zahl¬ reichen wichtigen Proteinen vorhanden . . . 300 XXII Inhalt 10 Regulatorische Strategien ... ЮЛ durch das Endprodukt der Pyrimidin- biosynthese allosterisch gehemmt. . . . 308 Allosterisch regulierte Enzyme folgen nicht der Michaelis-Menten-Kinetik........ 309 Die Aspartat-Transcarbamoylase besteht aus regulatorischen und katalytischen Untereinheiten, die sich voneinander trennen können................ 310 Allosterische Wechselwirkungen in der ATCase werden von großen Veränderungen der Quartärstruktur vermittelt........ 311 Allosterische Regulatoren modulieren das T-R-Gleichgewicht............... 314 10.2 Isozyme ermöglichen die Regulation in spezifischen Geweben und bestimmten Entwicklungsstadien............ 315 10.3 Kovalente Modifikation ist ein Mittel für die Regulation der Enzymaktivität.... 316 Phosphorylierung ist ein sehr effektiver Mechanismus, um die Aktivität von Ziel¬ proteinen zu regulieren............ 317 Zyklisches durch Veränderung der Quartärstruktur . . 320 ATP und das Substratprotein binden an eine tiefe Spalte der katalytischen Unter¬ einheit von Proteinkinase 10.4 Viele Enzyme werden durch eine spezifische proteolytische Spaltung aktiviert.................. 323 Chymotrypsinogen wird durch spezifische Spaltung einer einzigen Peptidbindung aktiviert..................... 324 Die proteolytische Aktivierung von Chymotrypsinogen lässt eine Substrat¬ bindungsstelle entstehen........... 324 Die Erzeugung von führt zur Aktivierung anderer Zymogene . . 325 Für einige proteolytische Enzyme gibt es spezifische Inhibitoren........... 326 Die Blutgerinnung erfolgt über eine Kaskade von Zymogenaktivierungen .... 327 Fibrinogen wird durch Thrombin in ein Fibringerinnsel umgewandelt......... 328 Eine Vitamin-K-abhängige Modifikation bereitet Prothrombin für die Aktivierung vor....................... 330 Die Bluterkrankheit (Hämophilie) verriet einen frühen Gerinnungsschritt....... 331 Der Gerinnungsprozess reguliert werden................ 332 11 Kohlenhydrate............ 11.1 Monosaccharide sind Aldehyde oder Ketone Pentosen und Hexosen zyklisieren zu Furanose- und Pyranoseringen........ 342 Pyranose- und Furanoseringe können unterschiedliche Konformationen einnehmen................... 344 Monosaccharide sind mit Alkoholen und Aminen verknüpft.................... 345 Phosphorylierte Kohlenhydrate sind wichtige Zwischenstufen bei Biosynthesen und bei der Erzeugung von Energie..... 346 11.2 Komplexe Kohlenhydrate entstehen durch die Verknüpfung von Monosacchariden............. 347 Saccharose, häufigsten Disaccharide............ 347 Glykogen und Stärke sind mobilisierbare Glucosespeicher................ 348 Cellulose, Polymer der Pflanzen, besteht aus linearen Ketten von Glucoseeinheiten......... 348 Glykosaminoglykane sind anionische Polysaccharidketten aus repetitiven Disaccharideinheiten............. 349 Für die Oligosaccharidsynthese sind spezifische Enzyme verantwortlich...... 351 11.3 Die Bindung von Kohlenhydraten an Proteine führt zu Glykoproteinen .... 353 Kohlenhydrate können an Proteine durch Asparagin Serin oder Threonin (O-glykosidisch) gebunden werden............... 353 Die Glykosylierung der Proteine findet im endoplasmatischen Reticulum und im Golgi-Komplex statt.............. 354 Fehler bei der Glykosylierung können Stoffwechselkrankheiten verursachen .... 355 Oligosaccharide können „sequenziert werden..................... 356 11.4 Lectine sind spezifische kohlenhydrat- bindende Proteine............. 357 Lectine vermitteln Wechselwirkungen zwischen Zellen................ 358 Influenzaviren binden an Sialinsäurereste................. 359 12 Viele gemeinsame Merkmale büden die Grundlage für die Vielfalt biologischer Membranen.................. 366 12.1 Fettsäuren sind die Hauptbestandteile der Inhalt XXIII Fettsäuren sind nach den Kohlenwasserstoffen benannt, von denen sie sich ableiten..... 367 Fettsäuren variieren in Kettenlänge und Sättigungsgrad.............. 367 12.2 Es gibt drei Haupttypen von Membranlipiden.............. 368 Phospholipide stellen den größten Anteil der Membraniipide.............. 369 Membraniipide können Kohlenhydrat- einheiten enthalten.............. 369 Cholesterin ist ein Steroidgerüst.................. 371 Die Membranen der Archaea enthalten Etherlipide mit verzweigten Ketten..... 371 Ein Membranlipid ist ein amphipathisches Molekül mit einem hydrophilen und einem hydrophoben Anteil.............. 372 12.3 Phospholipide und Glykolipide bilden in wässrigen Medien leicht bimolekulare Schichten................. 372 Aus Phospholipiden können Lipidvesikel entstehen.................... 374 Lipiddoppelschichten sind die meisten polaren Moleküle nicht permeabel 12.4 Proteine bewerkstelligen die meisten Prozesse an Membranen......... 375 Proteine sind in der Lipiddoppelschicht unterschiedlich angeordnet.......... 376 Zwischen Proteinen und Membranen gibt es verschiedene Wechselwirkungen. . . 377 Kovalent verbinden Proteine mit Membranen..... 380 Transmembranhelices können anhand von Aminosäuresequenzen exakt voraus¬ gesagt werden ................. 381 12.5 dieren schnell in der Membranebene . . 383 Das Flüssigmosaikmodell erlaubt laterale Bewegung in der Membran, aber keinen Wechsel der Membranseite.......... 384 Die Membranfluidität wird von der Fett¬ säurezusammensetzung und vom Cholesteringehalt bestimmt.......... 384 Alle biologischen Membranen sind asymmetrisch................. 386 12.6 Eukaryotenzellen enthalten Kompar- timente, die von inneren Membranen umgeben sind............... 386 13 Membrankanäle und -pumpen............. 393 Die Stoffwechselaktivitäten eines Zelltyps werden größtenteils durch die Expression von Transportern festgelegt.......... 394 13.1 Der Transport von Molekülen durch eine Membran kann aktiv oder passiv sein . . 394 Viele Moleküle benötigen Proteintrans¬ porter, um Membranen zu durchqueren. . . 395 Die freie Enthalpie, die in Konzentrations¬ gradienten enthalten ist, kann quantitativ bestimmt werden................ 395 13.2 Zwei Familien von Membranproteinen nutzen die ATP-Hydrolyse, um Ionen durch Membranen zu pumpen...... 396 P-Typ-ATPasen koppeln die Phospho- rylierung an Konformationsänderungen, wodurch Calciumionen über die Membran gepumpt werden................ 397 Digitalis hemmt spezifisch die Na+-K+- Pumpe, indem es ihre Dephosphorylierung blockiert.................... 400 P-Typ-ATPasen wurden in der Evolution konserviert und haben viele verschiedene Funktionen................... 400 Die Mw/rzdrug-Resistenz illustriert eine Familie von Membranpumpen mit ATP- bindenden Kassettendomänen........ 401 13.3 Lactose-Permease ist ein Archetyp von sekundären Transportern, die einen Konzentrationsgradienten nutzen, um die Bildung eines anderen Konzentrations¬ gradienten anzutreiben.......... 403 13.4 Spezifische Kanäle transportieren Ionen rasch durch Membranen......... 405 Aktionspotenziale entstehen durch vorüber¬ gehende Änderungen der Na*- und K+- Permeabilität.................. 405 MitPatch-Clamp-Leitfähigkeitsmessungen kann man die Aktivität eines einzelnen Kanals ermitteln................ 406 Die Struktur eines Kaliumionenkanals stellt einen Archetyp für viele Ionenkanal- strukturen dar................. 407 Die Struktur des Kaliumkanals enthüllt die Grundlage der Ionenspezifität........ 409 Mit der Struktur des Kaliumkanals lassen sich die hohen Transportgeschwindigkeiten erklären..................... 411 Bei spannungskontrollierten lonenkanälen müssen sich spezifische Domänen erheblich umstrukturieren................ 412 Der Kanal wird durch Verschluss der Pore inaktiviert: das Kugel-Ketten-Modell .... 413 Der Acetylcholinrezeptor ist ein Archetyp der ligandenkontrollierten Ionenkanäle . . . 414 Aktionspotenziale vernetzen die Aktivitäten mehrerer gleichzeitig arbeitender lonenkanäle.................. 415 73.5 Ionen und kleinen Molekülen zwischen kommunizierenden Zellen........ 418 ----- 13.6 Spezifische Kanäle erhöhen die Permeabilität einiger Membranen für Wasser................. 419 14 Signaltransduktionswege.... 427 Signalübertragung beruht auf molekularen Schaltkreisen.................. 428 14.1 Heterotrimere G-Proteine übertragen Signale und kehren von selbst wieder in den Grundzustand zurück........ 430 Die Bindung eines Liganden an einen yTM-Rezeptor führt zur Aktivierung heterotrimerer G-Proteine.......... 431 Aktivierte G-Proteine binden an andere Proteine und übertragen so das Signal.... 432 Zyklisches der Proteinkinase vieler Zielproteine an............. 433 G-Proteine gehen durch Hydrolyse des GTP spontan wieder in den Ausgangs¬ zustand über .................. 433 Einige Phosphoinositidkaskade............ 434 Das Calciumion ist ein weit verbreiteter second messenger Calciumionen bewirken oft die Aktivierung des Regulationsproteins Calmodulin..... 438 14.2 Signalgebung durch Insulin: An vielen Signalübertragungsprozessen sind Phosphorylierungskaskaden beteiligt . . 439 Der Insulinrezeptor ist ein Dimer, das ein gebundenes Insulinmolekül umschließt . . . 439 Nach der Bindung von Insulin kommt es zu gegenseitiger Phosphorylierung und Aktivierung des Insulinrezeptors....... 440 Die aktivierte Insulinrezeptor-Kinase löst eine Kinasekaskade aus............ 440 Phosphatasen beenden das Insulinsignal. . . 442 14.3 Signalgebung durch EGF: Signaltrans- duktionssysteme sind ständig reaktionsbereit.............. 443 Nach der Bindung von EGF bildet der EGF-Rezeptor ein Dimer........... 443 Der EGF-Rezeptor wird an seinem carb- oxyterminalen Schwanz phosphoryliert . . . 445 Die Signalgebung durch EGF aktiviert das kleine G-Protein Ras.............. 445 Aktiviertes Ras löst eine Proteinkinase- kaskade aus................... 446 Proteinphosphatasen und die intrinsische GTPase-Aktivität von Ras beenden die Signalgebung durch EGF........... 447 144 Verschiedene Signaltransduktionswege enthalten immer wiederkehrende Elemente mit leichten Variationen . . . 447 14.5 Defekte in Signaltransduktionswegen können zu Krebs und anderen Krankheiten führen................... 448 Mit monoklonalen Antikörpern lassen sich Signalübertragungswege in Tumoren hemmen.................... 450 Proteinkinaseinhibitoren könnten wirksame Krebsmedikamente sein............ 450 Cholera und Keuchhusten entstehen durch die veränderte Aktivität von G-Proteinen . . 451 15 Der Stoffwechsel: Konzepte und Grundmuster......... 458 15.1 Der Metabolismus besteht aus vielen gekoppelten Reaktionen......... 459 Der Stoffwechsel umfasst energieliefernde und energieerfordernde Reaktionen..... 459 Eine thermodynamisch ungünstige Reaktion kann durch eine günstige Reaktion angetrieben werden.............. 460 15.2 ATP ist die universelle Währung der freien Enthalpie in biologischen Systemen ... 461 Die Hydrolyse von ATP verläuft exergonisch................... 461 Die ATP-Hydrolyse treibt den Metabolismus an, indem sie das Gleichgewicht gekoppelter Reaktionen verschiebt............. 462 Das hohe Phosphorylgruppenübertragungs- potenzial von ATP resultiert aus strukturellen Unterschieden zwischen ATP und seinen Hydrolyseprodukten............. 464 Das Phosphorylgruppenübertragungs- potenzial ist eine wichtige Form der Energieumwandlung in der Zelle....... 465 15.3 Die verbindungen ist für die Zelle eine wichtige Energiequelle.......... 466 Verbindungen mit hohem Phosphoryl- gruppemibertragungspotenzial können die Kohlenstoffoxidation an die ATP-Synthese koppeln..................... 467 Inhalt ----- Ionengradienten über eine Membran sind eine wichtige Form zellulärer Energie, die an die ATP-Synthese gekoppelt werden kann....................... 468 Die Energiegewinnung aus Nahrungsstoffen erfolgt in einem dreistufigen Prozess .... 468 15.4 Stoffwechselwege enthalten viele wiederkehrende Muster......... 469 Aktivierte den lichkeit des Stoffwechsels........... 469 Viele aktivierte Vitaminen ab................. 473 Schlüsselreaktionen wiederholen sich im Stoffwechsel.................. 474 Stoffwechselprozesse werden auf drei grundlegende Arten reguliert......... 478 Bestimmte Aspekte des Stoffwechsels könnten sich aus einer haben...................... 479 16 Glykolyse und GluCOneOgenese.......484 Glucose Nahrung hergestellt.............. 485 Glucose ein wichtiger Brennstoff............ 486 16.1 Die Glykolyse ist in vielen Organismen ein energieumwandelnder Stoffwechsel¬ weg .................... 486 Die Hexokinase fängt ein und beginnt die Glykolyse........ 486 Fructose- 1,6-bisphosphat Glucose-ő-phosphat Das Cg-Kohlenhydrat wird in zwei Сз Mechanismus: Die Triosephosphat-Isomerase gewinnt ein Cj-Fragment zurück....... 491 Die Säure treibt die Bildung einer Verbindung mit hohem Phosphorylgruppenübertragungs- potenzialan.................. 492 Mechanismus: Die Phosphorylierung ist durch ein Thioester-Zwischenprodukt an die phosphats gekoppelt.............. 494 Die Bildung von ATP durch Übertragung der Phosphorylgruppe von 1,3-Bisphos- phoglycerat................... 494 Die Erzeugung eines weiteren ATP während der Bildung von Pyruvat........... 496 Bei der Umwandlung von Pyruvat entstehen zwei Moleküle ATP . . . 497 NAD+ wird durch Abbau von Pyruvat regeneriert................... 497 Gärungen erzeugen in Abwesenheit von Sauerstoff nutzbare Energie.......... 500 Die NAD+-Bindungsstelle ist bei vielen Dehydrogenasen sehr ähnlich........ 501 Fructose Zwischenprodukte der Glykolyse umgewandelt.................. 502 Viele Erwachsene vertragen keine Milch, weil ihnen die Lactase fehlt.......... 504 Galactose ferase 16.2 Die Glykolyse wird streng kontrolliert. . 505 Im Muskel wird die Glykolyse reguliert, um den ATP-Bedarf zu decken........ 506 Die Regulation der Glykolyse in der Leber spiegelt die biochemische Vielseitigkeit der Leber wieder.................. 507 Eine Familie von Transportproteinen ermöglicht es der Zellen zu gelangen oder sie zu verlassen ... 510 Krebs und Ausdauertraining beeinflussen die Glykolyse in ähnlicher Weise....... 511 16.3 Kohlenhydrate sind, synthetisieren ... 512 Die Gluconeogenese ist keine Umkehr der Glykolyse.................... 514 Die Umwandlung von Pyruvat in Phospho- enolpyruvat beginnt mit der Bildung von Oxalacetat................... 515 Oxalacetat wird in das Cytoplasma einge¬ schleust und in Phosphoenolpyruvat umgewandelt.................. 516 Die Umwandlung von bisphosphat in und Orthophosphat ist ein irreversibler Schritt...................... 517 Die Bildung freier Kontrollpunkt................. 517 Sechs Phospborylgruppen mit hohem Übertragungspotenzial müssen für die Synthese von gewendet werden ............... 518 16.4 Gluconeogenese und Glykolyse werden reziprok reguliert......... 519 Die Energieladung entscheidet, ob Glykolyse oder Gluconeogenese stärker aktiviert wird.................. 519 Das Gleichgewicht zwischen Glykolyse und Gluconeogenese in der Leber reagiert empfindlich auf die Blutglucosekon- zentration.................... 520 Substratzyklen verstärken Stoffwechsel¬ signale und erzeugen Wärme......... 522 Die bei der Muskelkontraktion entstehenden Lactat- anderen Organen verwendet......... 523 Glykolyse und Gluconeogenese sind durch die Evolution miteinander verbunden .... 525 XXVI Inhalt 17 Der Citratzyklus........... 531 Der Citratzyklus liefert energiereiche Elektronen................... 532 17.1 Die Pyruvat-Dehydrogenase verbindet die Glykolyse mit dem Citratzyklus . . . 533 Mechanismus: Die Synthese von Acetyl- Coenzym Enzyme und fünf Coenzyme......... 534 Durch flexible Bindungen kann sich das Liponamid zwischen verschiedenen Zentren bewegen..................... 536 17.2 Der Citratzyklus oxidiert Einheiten aus zwei Kohlenstoffatomen......... 538 Die Citrat-Synthase bildet Oxalacetat und Acetyl-Coenzym Mechanismus: Der Mechanismus der Citrat-Synthase verhindert unerwünschte Reaktionen................... 539 Citrát Isocitrat wird durch Decarboxylierung in a-Ketoglutarat überführt.................... 541 Succinyl-CoA entsteht durch oxidative Decarboxylierung von a-Ketoglutarat.... 542 Aus Succinyl-CoA geht eine Verbindung mit hohem Phosphorylgruppenübertra- gungspotenzial hervor............. 542 Mechanismus: Succinyl-CoA-Synthetase wandelt verschiedene Formen biochemischer Energie um.......... 543 Oxalacetat wird durch Succinat regeneriert.............. 544 Im Citratzyklus entstehen Elektronen mit einem hohen Übertragungspotenzial, GTP und 17.3 Der Eintritt in den Citratzyklus und sein Stoffumsatz werden kontrolliert . . 548 Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex wird allosterisch und durch reversible Phosphorylierung reguliert.......... 548 Der Citratzyklus wird an verschiedenen Stellen kontrolliert............... 549 17.4 Der Citratzyklus liefert zahlreiche Biosynthesevorstufen........... 550 Der Citratzyklus werden..................... 550 Die Entgleisung des Pyruvatstoffwechsels ist die Ursache von Quecksilber- und Arsenitvergiftungen.... 551 Der Citratzyklus könnte sich aus zuvor bestehenden Stoffwechselwegen entwickelt haben...................... 553 17.5 Der Glyoxylatzyklus ermöglicht es Pflanzen und Bakterien, mit wachsen.................. 553 18 Die oxidative Phosphorylierung......... 56o Oxidative Phosphorylierung koppelt die Oxidation über einen Protonengradienten an die Synthese von ATP............... 560 18.1 Die oxidative Phosphorylierung findet bei Eukaryoten in den Mitochondrien statt. 561 Mitochondrien sind von einer Doppel¬ membran umschlossen............ 562 Mitochondrien sind das Resultat eines endosymbiotischen Ereignisses........ 563 18.2 Die oxidative Phosphorylierung hängt vom Elektronentransfer ab........ 564 Das Elektronenübertragungspotenzial eines Elektrons wird quantitativ als Redox- potenzial gemessen.............. 564 Eine Potenzialdifferenz von 1,14 NADH und O2 treibt die Elektronentransport- kette an und begünstigt die Bildung eines Protonengradienten.............. 566 18.3 Die Atmungskette besteht aus vier Komplexen: drei Protonenpumpen und einer direkten Verbindung zum Citratzyklus................ 567 Die Elektronen des NADH treten mit ihrem hohem Potenzial über die NADH-Q-Oxidoreduktase in die Atmungskette ein............... 569 Über Ubichinol treten Elektronen vom FADH2 der Flavoproteine in die Atmungs¬ kette ein..................... 571 Cys Die Elektronen fließen vom Ubichinol über die Q-Cytochrom-c-Oxidoreduktase zum Cytochrom Der Q-Zyklus leitet Elektronen vom Zwei- Elektronen-Transporter auf einen Ein¬ Elektronen-Transporter um und pumpt Protonen.................... 572 Die Cytochrom-c-Oxidase katalysiert die Reduktion von molekularem Sauerstoff zu Wasser..................... 573 Das Superoxidradikal und andere toxische Derivate des O2 werden durch Schutz¬ enzyme abgefangen .............. 577 Elektronen können zwischen Gruppen übertragen werden, die nicht in Kontakt stehen...................... 578 Inhalt XXVII Die Konformation des Cytochrom im Wesentlichen mehr als eine Milliarde Jahre lang konstant.............. 579 18.4 Ein Protonengradient treibt die ATP-Synthese an.............. 580 Die ATP-Synthase besteht aus einer pro¬ tonenleitenden und einer katalytischen Einheit..................... 582 Der Protonenfluss durch die ATP- Synthase führt zur Freisetzung von fest gebundenem ATP: der Mechanismus des Bindungswechsels............... 582 Die Rotationskatalyse ist der kleinste molekulare Motor der Welt.......... 584 Der Protonenfluss rund um den c-Ring treibt die ATP-Synthese an.......... 585 ATP-Synthase und G-Proteine besitzen mehrere gemeinsame Eigenschaften..... 587 18.5 Viele Shuttle-Systeme ermöglichen den Transport durch mitochondriale Membranen................ 587 Die Elektronen des cytoplasmatischen NADH gelangen durch Shuttle-Systeme in die Mitochondrien............... 588 Der Eintritt von ADP in die Mitochondrien ist mit dem Austritt von ATP durch eine ATP-ADP-Translokase gekoppelt...... 589 Die mitochondrialen Transporter für Meta- boliten haben ein gemeinsames dreiteiliges Strukturmotiv................. 590 18.6 Die Regulation der oxidativen Phospho- rylierung wird hauptsächlich durch den ATP-Bedarf bestimmt........... 591 Die vollständige ergibt etwa 30 ATP.............. 591 Die Geschwindigkeit der oxidativen Phosphorylierung wird durch den ATP- Bedarf bestimmt ................ 592 Eine regulierte Abkopplung erzeugt Wärme..................... 593 Die oxidative Phosphorylierung kann an vielen Stellen gehemmt werden........ 594 Mitochondrienkrankheiten werden entdeckt..................... 595 Mitochondrien spielen bei der Apoptose eine Schlüsselrolle............... 596 Energieübertragung durch Protonen¬ gradienten: ein zentrales Prinzip der Bioenergetik.................. 596 19 Die Lichtreaktionen der Photosynthese............ Die Photosynthese wandelt Lichtenergie in chemische Energie um........... 604 19.1 Die Photosynthese findet in den Chloroplasten statt............ 605 Die Primärprozesse der Photosynthese laufen in den Thylakoidmembranen ab ... 606 Chloroplasten entstanden durch ein endosymbiotisches Ereignis.......... 606 19.2 Die Lichtabsorption durch Chlorophyll führt zu einem Elektronentransfer.... 606 Ein spezielles Paar von Chlorophyllen führt zur Ladungstrennung............. 608 Ein zyklischer Elektronenfluss reduziert das Cytochrom des Reaktionszentrums ... 610 19.3 Zwei Photosysteme erzeugen in der sauerstoffproduzierenden Photo¬ synthese einen Protonengradienten und NADPH................ 611 Das Photosystem vom Wasser zum Plastochinon und erzeugt einen Protonengradienten...... 611 Das Cytochrom bf verbindet Photo¬ system Das Photosystem Erzeugung von Ferredoxin, einem starken Reduktionsmittel............... 614 Die überführt NADP+in NADPH........ 616 19.4 Ein Protonengradient über die Thylakoid- membran treibt die ATP-Synthese an . . 617 Die ATP-Synthasen von Chloroplasten, Mitochondrien und Prokaryoten sind einander sehr ähnlich............. 617 Ein zyklischer Elektronenfluss durch das Photosystem ATP anstelle von NADPH.......... 618 Die Absorption von acht Photonen erzeugt ein O2, zwei NADPH und drei ATP- Moleküle.................... 619 19.5 Zusätzliche Pigmente leiten Energie in die Reaktionszentren........... 620 Die Übertragung von Resonanzenergie erlaubt die Energiebewegung vom ursprüng¬ lichen Absorptionsort zum Reaktions¬ zentrum..................... 620 Lichtsammelnde Komplexe enthalten zusätzliche Die Komponenten der Photosynthese sind hochorganisiert angeordnet.......... 622 Viele Herbizide hemmen die Lichtreaktionen der Photosynthese...... 623 19.6 Die Fähigkeit, Licht in chemische Energie umzuwandeln, ist alt........... 623 XXVIII Inhalt 20 Der Calvin-Zyklus und der Pentosephosphatweg...... 629 20.1 Der Calvin-Zyklus synthetisiert Hexosen aus Kohlendioxid und Wasser...... 630 große Untereinheit CO2 reagiert mit Ribulose-l.S-bisphosphat unter Bildung von zwei Molekülen ß-Phosphoglycerat............... 631 Die Aktivität der Rubisco hängt von Magnesium und Carbamat ab........ 632 Katalytische Unvollkommenheit: Die Rubisco katalysiert auch eine verschwenderische Oxygenasereaktion............... 633 Hexosephosphate werden aus Phospho- glycerat gebildet und Ribulose-1,5- bisphosphat wird regeneriert......... 634 Drei ATP- und zwei NADPH-Moleküle werden verbraucht, um stufe einer Hexose zu überführen...... 635 Stärke und Saccharose sind die wichtigsten Kohlenhydratspeicher der Pflanzen..... 637 20.2 Die Aktivität des Calvin-Zyklus hängt von den Umweltbedingungen ab .... 638 Die Rubisco wird durch Veränderungen der Protonen- und Magnesiumionenkon¬ zentration aktiviert, die durch Licht hervor¬ gerufen werden................ 638 Thioredoxin spielt eine Schlüsselrolle bei der Regulierung des Calvin-Zyklus...... 639 Der 0,-Weg tropischer Pflanzen beschleunigt die Photosynthese durch Anreicherung von Der Crassulaceen-Säurestoffwechsel erlaubt ein Wachstum in trockenen Ökosystemen . . 641 20.3 Der Pentosephosphatweg erzeugt NADPH und Q-Kohlenhydrate...... 642 Zwei NADPH werden bei der Umwandlung von phosphat erzeugt................ 642 Pentosephosphatweg und Glykoiyse sind über die Transketolase und die Trans- aldolase miteinander verbunden....... 642 Mechanismus: Transketolase und Transaldolase stabilisieren carbanionische Zwischenprodukte über verschiedene Mechanismen....... 645 20.4 Der Stoffwechsel von im Pentosephosphatweg ist mit der Glykoiyse koordiniert........... 648 Der NADP^Spiegel kontrolliert die Geschwindigkeit des Pentosephosphat- weges...................... 648 Die Verwertung von hängt vom Bedarf an NADPH, Ribose-5- phosphat und ATP ab............. 648 Der Calvin-Zyklus und der Pentose¬ phosphatweg sind Spiegelbilder ....... 650 20.5 Die spielt eine Schlüsselrolle beim Schutz vor reaktiven Sauerstoffverbindungen.... 651 Ein Mangel an hydrogenase ruft eine arzneimittelinduzierte hämolytische Anämie hervor......... 651 Ein Glucose-o-phosphat-Dehydrogenase- Mangel verleiht in einigen Fällen einen evolutionären Vorteil............. 652 21 Der Glykogenstoffwechsel. . 658 Der Glykogenstoffwechsel wird durch die Freisetzung und das Speichern von reguliert..................... 659 21.1 Der Glykogenabbau erfordert das Zusammenspiel mehrerer Enzyme .... 660 Die Phosphorylase katalysiert die phospho- rolytische Spaltung des Glykogens zu Glucose- 1-phosphat Ein debranching den Glykogenabbau notwendig........ 661 Die Glucosephosphat- Glucose- um....................... 662 Die Leber enthält ein Hydrolyseenzym, das der Muskulatur fehlt....................... 662 Mechanismus: Pyridoxalphosphat ist an der phosphorolytischen Spaltung des Glykogens beteiligt.............. 663 21.2 Die Phosphorylase wird durch allosterische Wechselwirkungen und reversible Phosphorylierung reguliert........ 665 Die Muskelphosphorylase wird über die intrazelluläre Energieladung reguliert .... 665 Die Leberphosphorylase erzeugt zum Nutzen anderer Gewebe......... 667 Die Phosphorylase-Kinase wird durch Phosphorylierung und Calciumionen aktiviert..................... 668 21.3 Adrenalin und Glucagon signalisieren den Bedarf, Glykogen abzubauen .... 668 G-Proteine übertragen das Signal für den Beginn des Glykogenabbaus......... 669 Inhalt XXIX Der Glykogenabbau rasch gestoppt werden können........ 670 Mit der Evolution der Glykogen-Phospho- rylase wurde die Regulation des Enzyms immer weiter verfeinert............ 671 21.4 Glykogen wird auf verschiedenen Wegen synthetisiert und abgebaut........ 671 UDP-Glucose ist eine aktivierte Form der Glucose Die Glykogen-Synthase katalysiert die Übertragung von Glucose auf eine wachsende Kette...... 672 Ein Verzweigungsenzym bildet Die Glykogen-Synthase ist das wichtigste regulatorische Enzym der Glykogensynthese............... 674 Glykogen ist eine effiziente Speicherform der 21.5 Glykogenabbau und reziprok reguliert............. 675 Die Proteinphosphatase 1 kehrt die regu¬ latorischen Effekte der Kinasen auf den Glykogenstoffwechsel um........... 675 Insulin stimuliert die Glykogensynthese, indem es die Proteinphosphatase 1 inaktiviert................... 677 Der Glykogenstoffwechsel in der Leber reguliert den Blutglucosespiegel....... 678 Glykogenspeicherkrankheiten kann man biochemisch verstehen............ 679 22 Der Fettsäurestoffwechsel.. 686 Die chemischen Reaktionen beim Abbau und bei der Synthese von Fettsäuren verlaufen spiegelbildlich zueinander.......... 687 22.1 Triacylglycerine stellen hochkonzentrierte Energiespeicher dar............ 688 Lipide Pankreas-Lipasen verdaut........... 689 Nahrangsfette werden in Chylomikronen transportiert.................. 690 22.2 Um Fettsäuren als Brennstoff nutzen zu können, sind drei Verarbeitungsschritte erforderlich................ 690 Triacylglycerine werden durch hormon¬ stimulierte Lipasen hydrolysiert....... 690 Vor der Coenzym Carnitin transportiert langkettige aktivierte Fettsäuren in die mitochondriale Matrix . . 693 Acetyl-CoA, NADH und FADH2 werden in jeder Runde der Fettsäureoxidation erzeugt..................... 694 Die vollständige liefert 106 Moleküle ATP........... 695 22.3 Für den Abbau ungesättigter und unge¬ radzahliger Fettsäuren sind zusätzliche Schritte erforderlich........... 696 Zur sind eine Isomerase und eine Reduktase erforderlich................... 696 Ungeradzahlige Fettsäuren liefern im letzten Thiolyseschritt Propionyl-Coenzym Vitamin B,2 enthält einen Corrinring und ein Cobaltatom.............. 698 Mechanismus: Methylmalonyl-CoA-Mutase katalysiert eine Umlagerung, durch die Succinyl-CoA gebildet wird.......... 699 Fettsäuren werden auch in Peroxisomen oxidiert..................... 700 Wenn der Fettabbau vorherrscht, entstehen Ketonkörper aus Acetyl-CoA......... 701 In einigen Geweben sind Ketonkörper der Hauptbrennstoff................ 702 Tiere können Fettsäuren nicht in umwandeln................... 704 22.4 Synthese und Abbau der Fettsäuren erfolgen auf getrennten Wegen..... 705 Der entscheidende Schritt in der Fettsäure¬ synthese ist die Bildung von Malonyl- CoA....................... 705 Die Zwischenprodukte der Fettsäure- îse ) gebunden................ 706 îttsauresynthese ge von Kondensations-, iratisierungs- und onen eren imktionellen Enzymkomplex Visiert.................. 708 Zur Synthese von Palmitat sind 8 Moleküle Acetyl-CoA, 14 Moleküle NADPH und 7 Moleküle ATP erforderlich......... 709 Citrát Fettsäuresynthese aus den Mitochondrien in das Cytoplasma............... 709 Das NADPH für die Fettsäuresynthese stammt aus mehreren Quellen........ 710 Fettsäure-Synthase-Inhibitoren können nützliche Medikamente sein......... 711 ---- 22.5 Schlüsselrolle bei der Kontrolle des Fett¬ säurestoffwechsels ............ 711 Acetyl-CoA-Carboxylase wird durch die Bedingungen in der Zelle reguliert...... 712 Acetyl-CoA-Carboxylase wird durch verschiedene Hormone reguliert....... 713 22.6 Zusätzliche Enzyme verlängern die Fettsäuren und führen Doppelbindungen ein..................... 714 Membrangebundene Enzyme erzeugen ungesättigte Fettsäuren............ 714 Eicosanoidhormone leiten sich von mehrfach ungesättigten Fettsäuren ab . ... 715 23 Proteinumsatz und Amino- säurekatabolisrnus......... 722 23.1 Proteine werden zu Aminosäuren abgebaut.................. 723 Die Verdauung von Proteinen aus der Nahrung beginnt im Magen und wird im Darm abgeschlossen............ 723 Der Abbau zellulärer Proteine erfolgt mit unterschiedlicher Geschwindigkeit . . . 723 23.2 Der Proteinumsatz unterliegt einer strengen Regulation............ 724 Ubiquitin markiert Proteine für den Abbau...................... 725 Das Proteasom verdaut ubiquitinmarkierte Proteine..................... 727 Der Proteinabbau kann zur Regulation biologischer Funktionen dienen....... 727 Bei Prokaryoten gibt es Gegenstücke zum Ubiquitinweg und zum Proteasom...... 729 23.3 Der erste Schritt beim Aminosäureabbau ist die Abspaltung von Stickstoff .... 730 «-Aminogruppen Desaminierung von Glutamat in Ammo¬ niumionen überfuhrt............. 730 Mechanismus: In Aminotransferasen bildet Pyridoxalphosphat Schiff-Basen als Zwischenprodukt............... 731 Die Aspartat-Aminotransferase ist eine archetypische pyridoxalabhängige Transaminase................. 733 Pyridoxalphosphatenzyme katalysieren eine breites Spektrum an Reaktionen .... 733 Serin und Threonin können direkt desaminiert werden.............. 734 Periphere Gewebe transportieren Stickstoff zur Leber.................... 735 23.4 Ammoniumionen werden bei den meisten terrestrischen Wirbeltieren in Harnstoff umgewandelt............... 736 Der Harnstoffzyklus beginnt mit der Bildung von Carbamoylphosphat...... 736 Der Harnstoffzyklus ist mit der Gluco- neogenese verbunden............. 738 Die Enzyme des Harnstoffzyklus sind evolu¬ tionär mit den Enzymen anderer Stoffwechselwege verbunden......... 739 Ererbte Defekte im Harnstoffzyklus verursachen Hyperammonämie und können zu Gehirnschädigungen rühren........ 740 Überschüssiger Stickstoff kann nicht nur in Form von Harnstoff entsorgt werden .... 741 23.5 Kohlenstoffatome aus dem Aminosäure¬ abbau tauchen in wichtigen Stoffwechsel¬ zwischenprodukten auf.......... 741 Pyruvat bildet für eine Reihe von Amino¬ säuren eine Eintrittsstelle in den Stoffwechsel.................. 742 Oxalacetat bildet für Aspartat und eine Eintrittsstelle in den Stoffwechsel.... 743 a-Ketoglutarat bildet für Aminosäuren mit fünf Kohlenstoffatomen eine Eintrittsstelle in den Stoffwechsel.............. 743 Succinyl-CoA ist eine Eintrittsstelle für einige unpolare Aminosäuren........ 744 Der Abbau von Methionin erfordert die Bildung von S-Adenosylmethionin, einem entscheidenden Methylgruppendonor.... 745 Aus den Aminosäuren mit verzweigten Seitenketten entstehen Acetyl-CoA, Acetaceat oder Propionyl-CoA........ 745 Für den Abbau aromatischer Aminosäuren sind Oxygenasen erforderlich......... 747 23.6 Angeborene Stoffwechseldefekte können den Abbau von Aminosäuren stören . . 749 24 Biosynthese der Aminosäuren............. 757 Die Synthese von Aminosäuren erfordert Lösungen für drei grundlegende biochemische Probleme............ 758 24.1 Stickstofffixierung: Mikroorganismen können mithilfe von ATP und einem hoch wirksamen Reduktionsmittel atmosphärischen Stickstoff in Ammoniak umwandeln................ 758 Der Eisen-Molybdän-Cofaktor der Nitro- genase bindet und reduziert atmosphärischen Stickstoff.................... 760 Das Ammoniumion wird über Glutamat und aufgenommen................. 761 Inhalt XXXI 24.2 Aminosäuren entstehen aus Zwischen¬ produkten des Citratzyklus und anderer wichtiger Stoffwechselwege....... 763 Der Mensch kann einige Aminosäuren selbst synthetisieren, andere Nahrung aufnehmen............. 763 Aspartat, Alanin und Glutamat werden durch Addition einer Aminogruppe an eine α Die Chiralität aller Aminosäuren wird durch einen gemeinsamen Schritt festgelegt.................... 765 Für die Bildung von ist ein adenyliertes Zwischenprodukt erforderlich................... 766 Glutamat ist die Vorstufe von Prolin S-Phosphoglycerat ist die Vorstufe von Serin, Tetrahydrofolat überträgt aktivierte Ein¬ Kohlenstoff-Einheiten verschiedener Oxidationsstufen................ 768 S-Adenosylmethionin ist der wichtigste Methylgruppendonor............. 770 Cystein synthetisiert.................. 772 Hohe Konzentrationen an Homocystein gehen mit Gefäßerkrankungen einher .... 773 Shikimat und Chorismat sind Zwischen¬ produkte bei der Biosynthese aromatischer Aminosäuren.................. 773 Die Tryptophan-Synrhetase verdeutlicht das Prinzip der Substratkanalisierung bei der enzymatischen Katalyse.......... 776 24.3 Die Aminosäurebiosynthese wird durch Rückkopplungshemmung reguliert. . . . 776 Für verzweigte Stoffwechselwege ist eine ausgeklügelte Regulation erforderlich .... 777 Die Aktivität der Glutamin-Synthetase wird durch eine Enzymkaskade moduliert .... 779 24.4 Aminosäuren sind die Vorstufen einer großen Zahl von Biomolekülen...... 780 Glutathion, ein y-Glutamylpeptid, dient als Suifhydrylpuffer und Antioxidans .... 781 Stickstoffmonoxid, ein kurzlebiges Signal¬ molekül, entsteht aus Arginin......... 782 Porphyrine werden aus Glycin und Succinyl-Coenzym Porphyrine akkumulieren bei einigen erblichen Defekten des Porphyrin- metabolismus.................. 785 25 Biosynthese der Nudeotide............... 791 Nucleotide können durch de wovo-Synthese oder über Recyclingvorgänge pathways) 25.1 Bei der de novo-Synthese wird der Pyrimidinring aus Hydrogencarbonat, Aspartat und zusammengesetzt............. 793 Hydrogencarbonat und andere sauerstoff- haltige Kohlenstoffverbindungen werden durch Phosphorylierung aktiviert...... 793 Die Seitenkette des Glutamins kann zur Erzeugung von Ammoniak hydrolysiert werden..................... 794 Zwischenprodukte erreichen die aktiven Zentren durch einen Kanal.......... 794 Orotat übernimmt eine Ribosephosphat- einheit aus dem PRPP unter Bildung eines Pyrimidinnucleotids, das dann in Uridylat übergeht.................... 795 Nucleotidmono-, sind ineinander umwandelbar........ 796 CTP wird durch Aminierung von UTP gebildet..................... 796 25.2 Purinbasen können de oder wiederverwertet werden pathways)................. Recycling spart intrazelluläre Energie¬ ausgaben .................... 797 Das Purinringsystem wird am Ribose- phosphat zusammengesetzt.......... 797 Der Aufbau des Purinringes verläuft über aufeinander folgende Aktivierungen durch Phosphorylierung und anschließende Substitution.................. 798 AMP 25.3 Eine Radikalreaktion reduziert Ribo- nucleotide zu Desoxyribonucleotiden . 801 Mechanismus: Ein Tyrosylradikal ist ent¬ scheidend für den Wirkungsmechanismus der Ribonucleotid-Reduktase......... 802 Thymidylat entsteht durch Methylierung von Desoxyuridylat.............. 804 Die Dihydrofolat-Reduktase katalysiert die Regeneration von Tetrahydrofolat, einem Überträger von Cj-Einheiten......... 805 Einige wertvolle Medikamente für die Chemotherapie von Krebs blockieren die Synthese des Thymidylats......... 806 25.4 Entscheidende Schritte der Nucleotid- biosynthese werden durch Rückkopp¬ lungshemmung reguliert......... 807 Die Pyrimidinbiosynthese wird durch die Aspartat-Transcarbamoylase reguliert.... 807 Die Synthese der Purinnucleotide wird an mehreren Stellen durch Rückkopplungs¬ hemmung kontrolliert............. 808 Die Desoxyribonucleotidsynthese wird durch die Regulation der Ribonucleotid- Reduktase kontrolliert............. 808 ---- 25.5 Störungen im Nucleotidstoffwechsel können zu pathologischen Prozessen führen................... 809 Ein Verlust der Adenosin-Desaminase- aktivität fuhrt zu einem schweren kombinierten Immundefekt......... 809 Gicht wird durch hohe Uratspiegel im Serum induziert................ 810 Das Lesch-Nyhan-Syndrom ist eine dramatische Folge von Mutationen in einem Recyclingenzym............ 811 Ein Folsäuremangel fördert Geburtsdefekte wie 26 Biosynthese der Membraniipide Und SterOide............. 817 26.1 Phosphatidat ist ein gemeinsames Zwischenprodukt bei der Synthese von Phospholipiden und Triacylglycerinen . . 818 Die Synthese der Phospholipide erfordert die Bildung eines aktivierten Zwischenprodukts............... 819 Sphingolipide entstehen aus Ceramid .... 821 Ganglioside sind kohlenhydratreiche Sphingolipide, die saure Zucker enthalten . . 823 Sphingolipide vermitteln die vielfaltige Struktur und Funktion von Lipiden..... 823 Atemnotsyndrom und Tay-Sachs- Krankheit sind Folge einer Störung im Lipidstoffwechsel............... 823 26.2 Cholesterin wird in drei Schritten aus Acetyl-Coenzym Die Synthese von Cholesterin beginnt mit der Erzeugung von Mevalonat, das zu Isopentenylpyrophosphat aktiviert wird . . . 825 Squalen {C^) wird aus sechs Molekülen Isopentenylpyrophosphat (C5) synthetisiert.................. 826 Squalen zyklisiert zu Cholesterin....... 827 26.3 Die komplexe Regulation der Cholesterin- biosynthese erfolgt auf mehreren Ebenen................... 828 Lipoprotéine und Triacylglycerine durch den Körper . . . 830 Die Konzentrationen bestimmter protéine hilfreich sein.................. 831 Lipoprotéine mit eine wichtige Rolle bei der Regulation des Cholesterinstoffwechsels........... 832 Der LDL-Rezeptor ist ein Transmembran¬ protein mit fünf verschiedenen funktionellen Das Fehlen des LDL-Rezeptors führt zu Hypercholesterinämie und Atherosklerose . 833 SREBP ER DNA-bindende Domäne Lumen Die klinische Behandlung des Cholesterin- spiegels lässt sich auf biochemischer Ebene nachvollziehen................. 835 26.4 Zu den wichtigen Abkömmlingen des Cholesterins gehören die Gallensalze und die Steroidhormone......... 835 Buchstaben bezeichnen die Steroidringe und Ziffern die Kohlenstoffatome...... 837 Steroide werden durch Cytochrom-P^Q- Monooxygenasen hydroxyliert, die NADPH und O2 verwenden......... 837 Das Cytochrom-P^g-System ist weit verbreitet und übt eine Schutzfunktion aus....... 839 Pregnenolon, eine Vorstufe andere Steroide, entsteht aus Cholesterin durch Abspaltung einer Seitenkette..... 839 Die Synthese des Progesterons und der Corticosteroide Die Synthese der aus Pregnenolon................ 840 Durch die ringöffnende Wirkung von Licht entsteht aus Cholesterin Vitamin 27 Koordination des Stoffwechsels............ 848 27.1 Der Stoffwechsel besteht aus unter¬ einander stark vernetzten Wegen .... 849 Immer wiederkehrende Motive der Stoffwechselregulation............ 850 Die wichtigsten Stoff wechselwege haben spezifische Kontrollstellen........... 851 Glucose-ô-phosphat, Acetyl-CoA sind wichtige Knotenpunkte des Stoffwechsels ............... 853 27.2 Jedes Organ hat ein einzigartiges Stoffwechselprofil............. 855 27.3 Nahrungsaufnahme und Hunger bewirken Änderungen des Stoffwechsels..... 859 Stoffwechselanpassungen minimieren bei langen Hungerperioden den Proteinabbau . 861 Die Stoffwechselentgleisungen bei Diabetes beruhen auf einem relativen Insulinmangel und Glucagonüberschuss........... 862 Kalorische Homöostase ist ein Weg zur Regulation des Körpergewichts........ 863 Inhalt XXXIII 27.4 Die Auswahl der Energiequelle während der Muskelarbeit wird durch Intensität und Dauer der Aktivität bestimmt. . . . 27.5 wechsel der Leber............. 866 Der Ethanolabbau führt zu einem Überschuss an NADH............. 867 Übermäßiger Ethanolkonsum fuhrt zu Störungen des Vitaminstoffwechsels..... 868 28 und Reparatur von DNA .... 874 28.1 DNA kann verschiedene Formen annehmen................. 875 Die Doppelhelix der breiter als die Doppelhelix der häufigeren B-DNA..................... 875 Die große und die kleine Furche werden von sequenzspezifischen Gruppen gesäumt, die Wasserstoffbrücken ausbilden können. . . . 877 Die Untersuchung einzelner DNA-Kristalle zeigte lokale Strukturabweichungen..... 877 Die Z-DNA ist eine linksgängige Doppelhelix, in der die Phosphatgruppen des Rückgrats im Zickzack verlaufen............. 878 28.2 Doppelsträngige DNA kann sich um sich selbst winden und superspiralisierte Strukturen bilden............. 879 Die Verwindungszahl der DNA ist eine topologische Ausmaß der Superspiralisierung....... 881 Topoisomerasen bereiten die Doppelhelix für die Entwindung vor............ 882 Typ-I-Topoisomerasen katalysieren die Entspannung superspiralisierter Strukturen................... 882 Typ-II-Topoisomerasen erzeugen negative Superspiralen durch Kopplung an die ATP- Hydrolyse................... 883 28.3 Die DNA-Replikation erfolgt durch die Polymerisierung von Desoxynucleosidtri- phosphaten entlang einer Matrize.... 885 DNA-Polymerasen benötigen eine Matrize und einen Primer............... 886 Alle DNA-Polymerasen haben gemeinsame Strukturmerkmale............... 886 An der Polymerasereaktion sind zwei gebundene Metallionen beteiligt....... 886 Die komplementären Formen der Basen bewirken die Spezifität der Replikation . . . 887 Ein RNA-Primer wird von der synthetisiert und ermöglicht den Start der DNA-Synthese................. 888 Ein Strang der DNA wird kontinuierlich syn¬ thetisiert, der andere entsteht in Fragmenten . 888 Die DNA-Ligase verknüpft DNA-Enden in Doppelstrangregionen........... Die Trennung der DNA-Stränge erfordert spezifische Helikasen und die Hydrolyse von ATP.................... 890 28.4 Die DNA-Replikation erfolgt genau koordiniert................. 891 Die DNA-Replikation erfordert hochprozessive Polymerasen.................. 892 Leit- synthetisiert.................. 892 Bei Escherichia Replikation an einer einzigen Stelle..... 894 Bei Eukaryoten beginnt die DNA-Synthese an mehreren Stellen.............. 895 Telomere sind besondere Strukturen an den Enden linearer Chromosomen........ 897 Telomere werden von der Telomerase repliziert, einer spezialisierten Polymerase, die ihre eigene RNA-Matrize mitbringt . . . 897 28.5 Viele Arten von DNA-Schäden können repariert werden............. 898 Bei der DNA-Replikation kann es zu Fehlern kommen................ 898 Manche genetisch bedingten Erkrankungen entstehen durch die Vermehrung von Wiederholungseinheiten aus drei Nudeotiden.................. 899 Basen können durch oxidierende, alkylierende Agenzien und durch Licht beschädigt werden............... 899 DNA-Schäden können auf verschiedene Weise erkannt und repariert werden..... 901 Da DNA Thymin anstelle von Uracil enthält, ist die Reparatur von desaminiertem Cytosin möglich................ 904 Viele Krebsarten entstehen durch fehlerhafte DNA-Reparatur................ 904 Viele potenzielle Karzinogene lassen sich aufgrund ihrer Bakterien nachweisen............. 905 28.6 Die DNA-Rekombination spielt bei der Replikation, Reparatur und anderen Reaktionen der DNA eine wichtige Rolle............... 906 RecA kann die Rekombination in Gang setzen, indem es eine Stranginvasion bewirkt..................... 907 Rekombinationsreaktionen verlaufen über Holliday- Zwischenstrukturen......... 908 Die Rekombinasen sind entwicklungs¬ geschichtlich mit den Topoisomerasen verwandt.................... 909 XXXIV Inhalt 29 Synthese und Prozessierung von Die RNA-Synthese umfasst drei Phasen: Initiation, 29.1 Die RNA-Polymerase katalysiert die Transkription................ 919 Die RNA-Polymerase bindet an Promotor¬ stellen auf der DNA-Matrize und setzt so die Transkription in Gang............. 920 Die erkennen Promotorstellen........... 922 Damit die Transkription stattfinden kann, muss die der Matrize entwinden............ 923 RNA-Ketten beginnen de in S -^ -Richtung............... 924 Die blasen statt, die sich entlang der DNA- Matrize bewegen................ 925 Sequenzen in der neu transkribierten geben das Signal für die Das Rho-Protein ist an der der Transkription einiger Gene beteiligt. . . 927 Einige Antibiotika hemmen die Transkription.................. 928 Vorstufen der Transfer- und der ribosomalen RNA Transkription gespalten und chemisch verändert.................... 929 29.2 Bei Eukaryoten wird die Transkription stark reguliert............... 930 In Eukaryotenzellen wird die verschiedenen RNA-Polymerasen synthetisiert.................. 932 Die Promotorregion der RNA-Polymerase enthält drei gemeinsame Elemente...... 933 Der TFIID-Proteinkomplex initiiert den Zusammenbau des aktiven Transkriptions¬ komplexes ................... 934 Eine Vielzahl von Transkriptionsfaktoren tritt mit eukaryotischen Promotoren in Wechselwirkung................ 936 Enhancer-Sequenzen können die Transkription an Startstellen stimulieren, die Tausende von Basen entfernt liegen............. 936 29.3 Die Transkriptionsprodukte aller drei eukaryotischen RNA-Polymerasen werden weiterverarbeitet......... 937 Die RNA-Polymerase ribosomale RNAs............... 937 Die RNA-Polymerase Transfer-RNA................. 938 Das Produkt der Polymerase Prä-mRNA-Transkript, erhält eine Struktur und einen RNA-Editing verändert die von der mRNA codierten Proteine............... 940 Die Spleißstellen in mRNA-Vorläufern sind durch Sequenzen an den Enden der gekennzeichnet................ 941 Das Spleißen besteht aus zwei Umesterungs- reaktionen................... 942 Kleine Kern-RNAs in den Spleißosomen katalysieren das Spleißen der mRNA- Vorstufen.................... 943 Transkription und Prozessierung der mRNA sind gekoppelt............. 945 Mutationen, die das Spleißen der Prä-mRNA beeinflussen, können Krankheiten verursachen.................. 946 Beim Menschen können die meisten Prä-mRNAs alternativ gespleißt werden und liefern dann verschiedene Proteine . . . 946 29.4 Die Entdeckung katalytischer wichtige Aufschlüsse über Reaktions¬ mechanismen und Evolution....... 948 30 Proteinsynthese.......958 ЗОЛ sequenzen in Aminosäuresequenzen translatiert werden............ 959 Die Synthese langer Proteine erfordert eine geringe Fehlerhäufigkeit......... 959 Die Moleküle der tRNA haben ein gemeinsames Konstruktionsprinzip..... 960 Die aktivierte Aminosäure und das Anti- codon liegen an entgegengesetzten Enden des L-förmigen tRNA-Moleküls....... 962 30.2 Aminoacyl-tRNA-Synthetasen lesen den genetischen Code............. 963 Aminosäuren werden zunächst durch Adenylierung aktiviert............. 963 Aminoacyl-tRNA-Synthetasen besitzen hochspezifische Stellen für die Aminosäureaktivierung............ 964 Das Korrekturlesen durch die Aminoacyl- tRNA-Synthetase steigert die Genauigkeit der Proteinsynthese.............. 965 Synthetasen erkennen verschiedene Merk¬ male der Transfer-RNA-Moleküle...... 966 Die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen kann man in zwei Klassen einteilen........ 967 30.3 Ein Ribosom ist ein Ribonucleoprotein- partikel (70S) aus einer kleinen (30S) und einer großen (50S) Untereinheit..... 968 Die ribosomalen RNAs (5S-, 16S- und 23S-rRNA) spielen für die Proteinsynthese eine zentrale Rolle............... 969 Proteine werden vom Carboxylende synthetisiert.......... 971 Die Messenger-RNA wird in 5 —> 3 - Richtung translatiert.............. 971 Inhalt XXXV Polypeptid 50S rnRNA ! Das Startsignal ist normalerweise davor liegen mehrere Basen, die sich mit der lőS-rRNA Die Proteinsynthese der Bakterien beginnt mit Formyhnethionyl-tRNA......... 973 Ribosomen enthalten drei tRNA-Bindungs- stellen, die Brücken zwischen 30S- und SOS-Untereinheit darstellen.......... 974 Die wachsende Polypeptidkette wird bei der Ausbildung der Peptidkette von einer tRNA auf die andere übertragen........... 974 Allein die Wechselwirkungen zwischen Codon und Anticodon bestimmen darüber, welche Aminosäure eingebaut wird.......... 976 Manche Transfer-RNA-Moleküle erkennen durch das mehrere 30.4 Proteinfaktoren spielen in der Proteinsynthese eine Schlüsselrolle . . . 979 Die Formylmethionyl-tRNAf wird während der Bildung des 70S-Imtiationskomplexes in der P-Stelle des Ribosoms angeordnet.... 979 Elongationsfaktoren bringen die Aminoacyl- tRNA zum Ribosom.............. 979 Auf die Bildung einer Peptidbindung folgt die von GTP angetriebene Translokation der tRNAs und der mRNA.......... 980 Die Proteinsynthese wird durch Freisetzungs¬ faktoren beendet, die Stoppcodons lesen . . 981 30.5 Pro- und eukaryotische Proteinsynthese unterscheiden sich vor allem in der Initiation der Translation......... 982 30.6 Ribosomen, die an das endoplasmatische Reticulum gebunden sind, produzieren sekretorische und membranspezifische Proteine.................. 984 Signalsequenzen markieren Proteine für die Translokation durch die Membran des endo- plasmatischen Reticulums........... 984 Transportvesikel bringen Proteine an ihre Bestimmungsorte............... 986 30.7 Eine Reihe verschiedener Antibiotika und hemmen.................. 988 Das Diphtherietoxin hemmt die Translokation und blockiert so bei Eukaryoten die Proteinsynthese................ 988 Ricin Proteinsynthese hemmt............ 990 31 Kontrolle der ........ 998 31.1 Viele DNA-bindende Proteine erkennen spezifische DNA-Sequenzen....... 999 Viele DNA-bindende Proteine der Prokaryoten enthalten das Helix-Kehre-Helix-Motiv . . . 1000 Eine Reihe von DNA-bindenden Strukturen kommen auch bei DNA-bindenden Proteinen der Eukaryoten vor..............1001 31.2 DNA-bindende Proteine der Prokaryoten heften sich spezifisch an Regulations¬ stellen in den Ein Operon besteht aus Regulationselementen und proteincodierenden Genen........1004 In Abwesenheit von Repressorprotein an den Operator und blockiert die Transkription..........1004 Die Ligandenbindung kann Strukturverän¬ derungen der Regulationsproteine auslösen . 1005 Das Operon ist eine unter Prokaryoten weit verbreitete Regulationseinheit........1006 Proteine, die mit der RNA-Polymerase Kontakt aufnehmen, können die Transkription stimulieren...........1007 31.3 Die größere Komplexität der Eukaryotengenome erfordert ausgefeilte Genregulationsmechanismen.......1008 Bei Eukaryoten interagieren mehrere Transkriptionsfaktoren mit den Regulations¬ stellen......................1008 Eukaryotische Transkriptionsfaktoren sind Aktivierungsdomänen interagieren mit anderen Proteinen.............1009 Nudeosomen sind Komplexe aus DNA undHistonen..................1010 Die Eukaryoten-DNA ist in den Nucleo- somen um die Histone gewickelt.......1011 Die Steuerung der Genexpression erfordert die Umgestaltung des Chromatins......1013 Enhancer die Transkription stimulieren.........1014 Durch DNA-Methylierung kann sich das Genexpressionsmuster ändern........1014 Steroide und ähnliche hydrophobe Moleküle durchqueren Membranen und heften sich an DNA-bindende Rezeptoren........1015 ----- Die Transkription, indem sie Coaktivatoren zum Transkriptionskomplex ziehen........1016 Steroidhormonrezeptoren sind Angriffspunkte für Medikamente......1017 Die Chromatinstruktur wird durch kovalente Modifizierung der Histon- schwänze abgewandelt.............1018 Histondeacetylasen tragen zur Repression der Transkription bei.............1020 31.4 Die Genexpression kann auch nach der Transkription noch kontrolliert werden...................1021 Die Mechanismus, der die Transkription durch Abwandlung der Sekundärstruktur neu entstehender RNA-Moleküle reguliert.... 1021 Gene, die am Eisenstoffwechsel mitwirken, werden bei Tieren über die Translation reguliert....................1023 32 Sensorische Systeme .... 32.1 Der Geruchssinn nimmt ein breites Spektrum organischer Verbindungen wahr....................1032 Der Geruch wird durch eine riesige Familie von Rezeptoren mit sieben Transmembran- helices wahrgenommen............1033 Gerüche werden durch einen kombinato¬ rischen Mechanismus entschlüsselt.....1035 Die Kernspintomographie zeigt, in welchen Gehirnbereichen sensorische Informationen verarbeitet werden...............1037 32.2 Geschmack ist eine Kombination mehrerer Sinne, die über unterschiedliche Mechanismen funktionieren.......1037 Die Sequenzierung des menschlichen Genoms führte zur Entdeckung einer großen Familie von 7TM-Rezeptoren für bitteren Geschmack...................1039 Auf süße Substanzen spricht ein ľTM-Rezeptor-Heterodimer Umami, Aspartat, wird durch einen heterodimeren Rezeptor vermittelt, der mit dem Süß-Rezeptor verwandt ist..........1041 Die Wahrnehmung von salzigem Geschmack bewirken vorwiegend Natriumionen, die durch Ionenkanäle strömen..........1042 Saurer Geschmack entsteht durch die Wirkung von Wasserstoffionen (Säuren) auf Ionenkanäle..................1042 32.3 Photorezeptormoleküie im Auge nehmen sichtbares Licht wahr......1043 Rhodopsin, ein spezialisierter absorbiert sichtbares Licht..........1043 Die Lichtabsorption induziert eine spezifische Isomerisierung des gebundenen ll-ris-Retinals.................1045 Die lichtinduzierte Senkung der Calcium- konzentration koordiniert die Regeneration..................1046 Für das Farbensehen sorgen drei zu Rho¬ dopsin homologe Zapfenrezeptoren.....1047 Umordnungen in den Genen für Grün- und Rotpigmente führen zur „Farben¬ blindheit ....................1048 32.4 Das Hören beruht auf der schnellen Wahrnehmung mechanischer Reize . . . 1049 Haarzellen nehmen winzige Bewegungen mit einem Bündel verbundener Stereocilien wahr.......................1049 Bei man einen mutmaßlichen mechano- sensorischen Kanal...............1051 32.5 Zum Tastsinn gehört die Wahrnehmung von Druck, Temperatur und anderen Faktoren..................1051 Bei der Untersuchung des Capsaicins stieß man auf einen Rezeptor für die Wahrnehmung hoher Temperaturen und anderer schmerzhafter Reize..............1052 Weitere sensorische Systeme müssen noch untersucht werden...............1053 33 Das Die angeborene Immunität ist ein evolutions¬ geschichtlich altes Abwehrsystem......1059 Das es die Prinzipien der Evolution nutzt .... 1061 33.1 Antikörper besitzen abgegrenzte Antigen- bindungs- und Effektoreinheiten .... 1062 33.2 Die Immunglobulinfaltung besteht aus einem hypervariablen Schleifen.........1066 33.3 Antikörper binden über ihre hypervariablen Schleifen spezifische Moleküle..................1067 Röntgenstrukturanalysen Antikörper ihre Große Wechselwirkungen an Antikörper......1069 33.4 Die Umordnung von Genen erzeugt Vielfalt...................1070 J-Qoining-) und D-(diversity-)Gene steigern die Antikörpervielfalt.............1071 Durch kombinatorische Verknüpfung und somatische 108 verschiedene Antikörper entstehen . . . 1072 Inhalt XXXVII Die Oligomerbildung von Antikörpern, die auf der Oberfläche unreifer B-Zellen exprimiert werden, löst die Antikörper¬ sekretion aus..................1073 Die verschiedenen Antikörperklassen ent¬ stehen durch das Springen von Vjj-Genen. . 1075 33.5 Die Proteine des Haupthistokompatibilitäts- komplexes präsentieren auf der Zell¬ oberfläche Peptidantigene, die von T-Zell-Rezeptoren erkannt werden . . . 1076 Die von MHC-Proteinen präsentierten Peptide gesäumte Grube................1077 T-Zell-Rezeptoren sind antikörperähnliche Proteine mit variablen und konstanten Regionen....................1079 CD8 auf cytotoxischen den T-Zell-Rezeptoren zusammen......1080 Helfer-T-Zellen stimulieren Zellen, die an MHC-Klasse-II-Proteine gebundene körperfremde Helfer-T-Zellen bedienen sich des T-Zeil- Rezeptors und des Proteins CD4, um körperfremde präsentierenden Zellen zu erkennen.....1082 MHC-Proteine sind sehr vielgestaltig .... 1084 Die menschlichen Immunschwächeviren unterwandern das Immunsystem durch Zerstörung von Helfer-T-Zellen.......1085 33.6 Immunreaktionen gegen Selbstantigene werden unterdrückt............1086 Т positiven und negativen Selektion......1086 Autoimmunerkrankungen entstehen durch eine Immunreaktion auf Selbstantigene.................1087 Das Immunsystem spielt auch für die Krebsverhütung eine RoEe..........1088 34 Molekulare Motoren.....io96 34.1 Die meisten Proteine, die als molekulare Motoren wirken, gehören zur Superfamilie der P-Schleife-NTPasen..........1097 Ein Motorprotein besteht aus einem ATPase-Core und einer länglichen Struktur.....................1098 Bindung und Hydrolyse von ATP bewirken Veränderungen in Konformation und Bindungsaffinität der Motorproteine.....1100 34.2 Myosine wandern an Actinfilamenten entlang...................1102 Der Muskel ist ein Komplex aus Myosin undActin....................1102 Actin ist ein polares, dynamisches Polymer, das sich von selbst zusammenlagert.....1104 Bewegungen einzelner Motorproteine lassen sich unmittelbar beobachten.....1106 Die Freisetzung von Phosphat löst den Kraftschlag des Myosins aus.........1107 Die Länge des Hebelarmes bestimmt die Motorgeschwindigkeit.............1109 34.3 Kinesin und Dynein wandern an Mikrotubuli entlang............1109 Mikrotubuli sind hohle, zylinderförmige Polymere....................1110 Die Bewegung des Kinesins ist hochprozessiv.................1112 34.4 Ein Rotationsmotor treibt die Bewegung von Bakterien an.......1114 Bakterien schwimmen mit rotierenden Hagellen....................1114 Ein Protonenfiuss treibt die Rotation der Bakterienflagellen an..............1115 Die Chemotaxis der Bakterien beruht auf einer Richtungsumkehr der Flagellenrotation................1116 35 Entwicklung von Arzneistoffen.........1123 35.1 Die Entwicklung von Arzneistoffen ist eine große Herausforderung.......1124 Arzneistoffkandidaten müssen fähige Modulatoren ihrer Zielstrukturen sein. . . . 1124 Arzneistoffe müssen geeignet sein, um ihre Zielmoleküle zu erreichen...........1126 Die Toxizität kann die Wirksamkeit des Arzneistoffs einschränken...........1131 35.2 Arzneistoff kandidaten können durch einen glücklichen Zufall oder ein Screening konzipiert werden.............1132 Zufallige Entdeckungen können die Entwicklung von Arzneistoffen voran¬ treiben .....................1132 Das kann Arzneistoffe oder Leitstrukturen für Arzneistoffe liefern...............1135 XXXVIII Inhalt Anhand der dreidimensionalen Struktur von Zielmolekülen lassen sich Arzneistoffe gezielt konzipieren..............1138 35.3 Die Genomanalyse ist für die Entdeckung von Arzneistoffen vielversprechend . . . 1141 Im Humanproteom lassen sich potenzielle Zielstrukturen identifizieren.........1141 Potenzielle Zielmoleküle können in Tiermodellen getestet werden.....................1142 Im Genom von Krankheitserregern lassen sich potenzielle Zielstrukturen identifizieren..................1143 Genetische Unterschiede beeinflussen die individuelle Reaktion auf Arzneistoffe...................1144 35.4 Die Entwicklung von Arzneistoffen erfolgt in mehreren Stufen........1145 Klinische Studien sind zeitintensiv und kostspielig...................1145 Die Entwicklung einer Arzneistoffresistenz kann die Nützlichkeit von Arzneistoffen gegen infektiöse Erreger oder Krebs einschränken..................1147 Anhang.............. 1153 A: Physikalische Konstanten und Umrechnungen von Einheiten...... 1153 B: Säurekonstanten............ 1154 C: Standardbindungslängen........ 1155 D: Glossar der Verbindungen....... 1156 E: Lösungen zu den Aufgaben...... 1163 Verzeichnisse........... 1193 A: Methoden................ 1193 B: Computeranimationen......... 1195 C: Medizinische Zusammenhänge .... 1198 D: Molekulare Evolution......... 1200
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