Biochemie - AGI - Information Management Consultants
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Biochemie © 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Teill Allgemeine und funktioneile Biochemie Von Hans-Peter Kleber, Leipzig, und Dieter Schlee, Halle unter Mitarbeit von Konrad Glund, Halle, Reinhard Walther, Greifswald, und Claus Wasternack, Halle Mit 192 Abbildungen und 32 Tabellen GUSTAV FISCHER VERLAG • STUTTGART Inhaltsverzeichnis Vorwort 6 Abkürzungsverzeichnis : 16 1. Einführung * .. 19 1.1. Gegenstand der Biochemie 19 1.2. 1.2.1. 1.2.2. 1.2.2.1. 1.2.2.2. 1.2.2.3. Methoden zur Aufklärung des Stoffwechsels Charakteristika des Stoffwechsels Untersuchungsebenen und -methoden Untersuchungen am intakten Organismus Untersuchungen an Organen, Geweben und Zellen Untersuchungen auf subzellulärer und molekularer Ebene . . . . 20 20 23 25 29 31 2. Struktur und Funktion von Biomolekülen 36 2.1. 2.1.1. 2.1.1.1. 2.1.1.2. 2.1.2. 2.1.3. 2.1.3.1. 2.1.3.2. 2.1.4. 2.1.4.1. 2.1.4.2. Kohlenhydrate als Beserve- und Gerüstsubstanzen Monosaccharide Aufbau der Monosaccharide Biologisch wichtige Derivate der Monosaccharide Glykosidische Bindung Oligosaccharide Disaccharide Oligosaccharide Polysaccharide Reservepolysaccharide Strukturpolysaccharide 36 36 36 41 44 45 45 46 47 47 49 2.2. 2.2.1. 2.2.1.1. 2.2.1.2. 2.2.2. 2.2.3. Proteine als Struktur- und Funktionsträger Aminosäuren und ihre chemischen Reaktionen Aufbau und Eigenschaften der Aminosäuren Chemische Reaktionen der Aminosäuren Peptide und Peptidbindung Kovalentes Grundgerüst und Aminosäuresequenz (Primärstruktur Helix- und Faltblattstrukturen (Sekundärstruktur) 52 56 56 60 61 2.2.4. 64 67 Inhaltsverzeichnis 2.2.5. 9 Nichtperiodische Faltungen der Polypeptidketten (Tertiärstruktur) Untereinheitstruktur (Quartärstruktur) Flexibilität der Proteinstrukturen und Denaturierung 70 72 75 2.3. Nucleinsäuren als Träger genetischer Information 76 2.3.1. 2.3.1.1. 2.3.1.2. 2.3.2. 2.3.2.1. 2.3.2.2. 2.3.3. 2.3.3.1. 2.3.3.2. 2.3.3.3. 2.3.3.4. Mononucleotide Bausteine der Nucleinsäuren Freie und hochphosphorylierte Nucleotide Desoxyribonukleinsäuren (DNA) Allgemeiner Aufbau der Nucleinsäuren Primär-, Sekundär- und Tertiärstruktur der DNA Ribonucleinsäuren (RNA) messenger-RNA (mRNA) transfer-RNA (tRNA) ribosomale RNA (rRNA) Andere RNA-Sorten 76 76 79 80 80 81 84 85 86 88 89 2.4. 2.4.1. 2.4.2. 2.4.3. 2.4.4. Wechselbeziehungen zwischen Nucleinsäuren und Proteinen Histone Polyamine Ribosomen Viren 2.5. 2.5.1. 2.5.1.1. 2.5.1.2. 2.5.1.3. 2.5.1.4. 2.5.1.5. 2.5.2. 2.5.2.1. 2.5.2.2. 2.5.3. 2.5.3.1. 2.5.3.2. 2.5.4. 2.5.4.1. 2.5.4.2. Enzyme Enzymkatalyse und grundsätzliche Mechanismen Enzyme als Katalysatoren Milieubedingungen Mechanismen der Enzymkatalyse Spezifität der Enzymkatalyse Multienzyme und multifunktionelle Proteine Kinetik einer Enzymreaktion Einsubstratenzyme Zweisubstratenzyme Enzymhemmung Reversible Enzymhemmungen Irreversible Hemmungen Regulatorische Enzyme Allosterische Enzyme Kovalent regulierte Enzyme 2.6. 2.6.1. Coenzyme und prosthetische Gruppen 117 Pyridinnucleotide: Nicötinamidadenindinucleotid (NAD+/ NADH + H+) und Nicotinamidadenindinucleotidphosphat (NADP+/NADPH + H+) 118 2.2.6. 2.2.7. -. 90 90 91 91 92 92 92 92 99 101 102 103 104 104 107 109 109 112 113 113 116 10 Inhaltsverzeichnis 2.6.2. 2.6.10. Flavinnucleotide: Flavinmononucleotid (FMN/FMNH2) und Flavinadenindinucleotid (FAD/FADH2) Coenzym Q Liponsäure (Lipoat) Tetrahydrofolsäure (Coenzym F, FH 4 ) Biotin und Biocytin Thiaminpyrophosphat (TPP) Coenzym A Pyridoxin-Coenzyme: Pyridoxälphosphat (PLP) und Pyridoxaminphosphat Coenzym B12 2.7. 2.7.1. 2.7.2. 2.7.3. 2.7.4. 2.7.5. 2.7.6. 2.7.7. 2.7.8. 2.7.9. Lipide als Speicherstoffe und Strukturbestandteil Fettsäuren Neutralfette (Glyceride, Acylglycerole) Glykolipide Phospholipide (Phosphoglyceride, Phosphatide) Sphingolipide Wachse Isoprenoidlipide (Terpene und Steroide) Prostaglandine Lipoproteine 2.6.3. 2.6.4. 2.6.5. 2.6.6. 2.6.7. 2.6.8. 2.6.9. 121 123 123 124 125 125 127 128 129 131 r.. 131 133 134 134 136 138 138 139 142 2.8. 2.8.1. 2.8.1.1. 2.8.1.2. 2.8.2. 2.8.2.1. 2.8.2.2. Biomembranen 142 Molekularer Aufbau biologischer Membranen 142 Membranproteine 144 Membraniipide 148 Biologischer Transport durch Membranen 149 Passive Permeation (freie Diffusion) 149 Erleichterte Permeation (beschleunigte Diffusion, katalysierte Permeation) 150 2.8.2.3. Aktiver Transport 152 3. Katabolismus und die Gewinnung energiereicher Verbindungen 3.1. 3.1.1. 3.1.2. 3.1.3. Grundlagen der Bioenergetik 154 Entropie und Freie Energie 154 Energiereiche Verbindungen - ATP als universeller Energiedonator 157 Energieladung und Phosphorylierungspotential 164 3.2. 3.2.1. 3.2.1.1. 3.2.1.2. Hauptabbauwege der Nahrungs- und Reservestoffe Abbau von Kohlenhydraten zu Monomeren Hydrolytischer Abbau 1 Phosphorolytiseher Abbau 154 167 167 167 169 Inhaltsverzeichnis 3.2.1.3. 3.2.2. 3.2.2.1. 3.2.2.2. 3.2.2.3. 3.2.2.4. 3.2.2.5. 3.2.3. 3.2.3.1. 3.2.3.2. 3.2.3.3. 3.2.4. 3.2.4.1. 3.2.4.2. 3.2.4.3. 3.2.4.4. 3.2.4.5. 3.2.4.6. 3.2.4.7. 3.3. 3.3.1. 3.3.1.1. 3.3.1.2. 3.3.1.3. 3.3.1.4. 3.3.1.5. 3.3.1.6. 3.3.2. 3.3.2.1. 3.3.2.2. 3.3.2.3. 3.3.2.4. 3.3.3. 3.3.3.1. 3.3.3.2. 3.3.3.3. 3.3.3.4. 3.3.4. Einschleusung von Mono-und Disacchariden in die Glykolyse . Abbau von Fetten und Fettsäureoxidation zu Acetyl-CoA . . . Hydrolyse von Triglyceriden (Lipolyse) Abbau gesättigter Fettsäuren (ß-Oxidation) Abbau ungesättigter Fettsäuren Bildung (Ketogenese) und Abbau von Ketonkörpem Abbau von Fetten und Fettsäuren in Glyoxysomen Abbau von Proteinen zu Aminosäuren Endopeptidasen (Proteinasen) Exopeptidasen Simultane Wirkung der Proteasen und Bilanz des Proteinabbaues Abbau von Aminosäuren Pyridoxalphosphatkatalyse "*..... Transaminierung Oxidative Desaminierung Aminosaureoxidation Abbauwege des C-Skelettes der Aminosäuren „Ammoniakentgiftung" und Harnstoff-(Ornithin-)cyclus . . . . Wege der Aminogruppenbereitstellung durch Aminosäureabbau 11 172 174 174 175 179 180 182 182 184 188 189 190 190 193 193 195 196 203 206 Hauptprozesse für die ATP-Bildung ...» 207 Glykolyse - ATP-Bildung durch Substratkettenphosphorylierung 207 Zentrale Stellung von Glucose-6-phosphat im Kohlenhydratstoffwechsel 207 Enzymatische Schritte von der Glucose bis zum Pyruvat 207 Zentrale Stellung des Pyravats "214 Lactatbüüung 214 Alkoholische Gärung 215 Bilanz und ATP-Ausbeute 216 Phosphogluconatweg: NADPH-Bildung und Zuckerinterkonversion 217 Oxidation von Glucose-6-phosphat: NADPH-Bildung 218 Isomerisierung von Ribulose-5-phosphat 219 Enzyme des Rearrangements 220 Bildung von NADPH oder/und Ribose-5-phosphat 221 Citratcyclus 222 Bereitstellung von Acetyl-CoA 223 Reaktionsfolge 225 Funktion im Intermediärstoffwechsel und Regulation 231 Glyoxylatcyclus und CO2-fixierende Reaktionen 232 ATP-Bildung durch oxidative Phosphorylierung in der Atmungskette 236 12 Inhaltsverzeichnis 3.3.4.1. Redoxpotential 3.3.4.2. Biochemische Redoxsysteme 3.3.4.3. Aufbau und Funktion der Oxidoreduktasen der Atmungskette 3.3.4.4. ATP-Synthese - Kopplung von Elektronentransport und oxidativer Phosphorylierung 3.3.4.5. Strukturelle und regulatorische Aspekte beim Elektronentransport in der Atmungskette und bei der ATP-Synthese . . . . 3.3.4.6. Transportsysteme der Mitochondrien 3.3.4.7. Pasteur- und Crabtree-Effekt 3.3.5. ATP-Bildung durch Photophosphorylierung (Photosynthese) 3.3.5.1. Chloroplastenstruktur und Chlorophyll 3.3.5.2. Lichtabsorption 3.3.5.3. Photosystem II und Elektronentransport zum Photosystemi . 3.3.5.4. Photosystem I und NADPH-Bildung 3.3.5.5. Mechanismus der Photophosphorylierung 3.3.5.6. Energiebedarf und Bilanz der Photosynthese 3.3.6. Abbau von Nucleinsäuren 3.3.6.1. Abbau von RNA und DNA 3.3.6.2. Nucleotidabbau 3.3.6.3. Purinabbau 3.3.6.4. Pyrimidinabbau 237 240 240 249 256 259 265 266 267 269 270 272 273 277 278 278 279 280 281 4. Anabole Stoffwechselwege 283 4.1. Bereitstellung von ATP und NADPH - Voraussetzung für Biosynthesen 283 4.2. 4.2.1. 4.2.1.1. 4.2.1.2. 4.2.1.3. 4.2.1.4. 4.2.2. 4.2.2.1. 4.2.2.2. 4.2.2.3. 4.2.2.4. 4.2.3. 4.2.3.1. 4.2.3.2. 4.2.3.3. 4.2.3.4. Biosynthese der Kohlenhydrate Neubildung von Glucose (Gluconeogenese) Biosynthese von Glucose aus Pyruvat Bilanz Gluconeogenese aus Vorstufen des Pyruvats und Oxalacetats . Regulation der Gluconeogenese und Glykolyse Calvin-Cyclus - photosynthetische Bildung von Glucose Carboxylierungsphase Reduktionsphase Regenerationsphase Bilanz und Regulation Biosynthesen unter Beteiligung von NucleosiddiphosphatZuckern Bildung und Funktionen von Nucleosiddiphosphat-Zuckern .. Synthese von Disacchariden Synthese von Glykogen Regulation von Glykogensynthese und -abbau 285 285 287 291 291 293 296 297 297 298 300 300 300 303 304 307 Inhaltsverzeichnis 13 4.3. 4.3.1. 4.3.2. 4.3.2.1. 4.3.2.2. 4.3.2.3. 4.3.2.4. 4.3.2.5. 4.3.3. 4.3.4. 4.3.5. 4.3.6. 4.3.6.1. 4.3.6.2. 4.3.6.3. Biosynthese der Lipide Bereitstellung von Acetyl-CoA Synthese gesättigter und ungesättigter Fettsäuren Acetyl-CoA-Carboxylase (ACC) Fettsäuresynthetase (FSS) Bildung ungesättigter Fettsäuren Kettenverlängerung Regulation der Fettsäurebiosynthese Prostaglandinsynthese Synthese von Tri- und Phosphoglyceriden Biosynthese der Sphingolipide Synthese von Steroiden Cholesterol Gallensäuren Steroidhormone 4.4. 4.4.1. 4.4.2. Stoffwechsel der Einkohlenstoffverbindungen Reaktionen der Tetrahydrofolsäure S-Adenosylmethionin als Methyldonator 333 334 336 4.5. 4.5.1. 4.5.1.1. 4.5.1.2. 4.5.1.3. 4.5.1.4. 4.5.1.5. 4.5.1.6. 4.5.2. 4.5.2.1. 4.5.2.2. 4.5.2.3. 4.5.2.4. 4.5.3. 4.5.3.1. 4.5.3.2. 4.5.3.3. 4.5.4. Biosynthesen stickstoffhaltiger Verbindungen Biosynthese von Aminosäuren Aminosäuren der Glutamat-Familie Aminosäuren der Aspartat-Familie Aminosäuren der Alanin-Familie Aminosäuren der Serin-Familie Biosynthese der aromatischen Aminosäuren Biosynthese des Histidins Von Aminosäuren ausgehende Synthesen Peptide Methylierte Aminosäurederivate Di- und Polyamine Porphyrine Biosynthese der Nucleotide Purinnucleotide Pyrimidinnucleotide Desoxyribonucleotide Biosynthese von Nucleotid-Coenzymen 338 338 340 343 347 349 351 353 356 358 360 363 363 367 367 371 374 379 5. Biochemie der Nucleinsäuren (Replikation, Genexpression) 381 5.1. 5.1.1. 5.1.2. 5.1.3. 5.1.4. Keplikation Strangtrennung und -Verdopplung Reparatur von DNA-Schäden Restriktionsendonucleasen Regulation der Replikation * 308 308 310 310 312 315 316 316 317 319 321 323 323 326 330 381 381 387 389 389 14 Inhaltsverzeichnis 5.2. 5.2.1. 5.2.2. 5.2.3. Genexpression I: Transcription Ablauf der Transcription Posttranscriptionelle Modifikation der RNA Hemmstoffe der Transcription 391 391 393 396 5.3. 5.3.1. 5.3.2. 5.3.3. 5.3.4. 5.3.5. Genexpression II: Translation Aktivierung der Aminosäuren Ablauf der Translation . Hemmstoffe der Translation Modifikation von Proteinen Nichtribosomale Peptidsynthese 397 398 399 405 407 407 5.4. 5.4.1. 5.4.1.1. 5.4.1.2. 5.4.1.3. 5.4.1.4. 5.4.1.5. 5.4.2. 5.4.2.1. 5.4.2.2. 5.4.2.3. Regulation der Genexpression 408 Regulation der Genaktivität bei Prokaryoten *.. 409 Operon-Modell 410 Lactose-Operon 410 Attenuation 411 Änderung der RNA-Polymerase-Spezifität 413 Regulation auf der Ebene der Translation 413 Regulation der Genaktivität bei Eukaryoten 414 Chromatinstrüktur, DNA-Modifikation und Transcription . . . 414 RNA-Processing 417 Regulation auf der Ebene der Translation 417 6. Regulation und Integration des Stoffwechsels 6.1. 6.1.1. 6.1.2. 6.1.2.1. 6.1.2.2. 6.1.3. 6.1.4. Regulation der Enzymaktivität 421 Feedback und Allosterie 422 Modifikationsreaktionen an Enzymen - Kaskadenregulation .. 422 Mechanismen 422 Enzymkaskaden 425 Limitierte Proteolyse 430 Substratcyclen 431 6.2. 6.2.1. 6.2.2. Regulation der Enzymmenge Syntheseregulation Inaktivierung und Abbau von Proteinen 432 433 433 6.3. Isoenzyme 437 6.4. 6.4.1. 6.4.2. Kompartimentierung 439 Enzymaggregate 439 Kompartimentierung durch Cytomembranen und Membrantransportprozesse 441 420 Inhaltsverzeichnis 15 6.5. 6.5.1. Intrazelluläre Proteintopogenese 443 Membranpassage von Proteinen, Biogenese von Membranproteinen 444 6.5.2. Membranfluß und Sortierung 449 6.5.2.1. Endomembransystem, Membranfluß 450 6.5.2.2. „Coated" Vesikel 451 6.5.2.3. Modifikation und Sortierung . v 453 6.6. 6.6.1. 6.6.2. 6.6.3. 6.6.4. 6.6.5. 6.6.6. Molekulare Aspekte des Stoffwechsels und der Wirkung von Hormonen „Second messenger" - Konzept Insulin Steroidhormone Enkephaline und Endorphine „ Prostaglandine Pflanzenhormone 455 457 461 462 464 466 466 Zeittafel 467 Literaturverzeichnis 471 Sachregister 475
