Inhalt 17..35

Inhalt
I.
Der molekulare Bauplan des
Lebens
2.2.2
2.2.3
1
Prolog: Die Biochemie und die Revolution der
Genomforschung 3
1.1
Die DNA verdeutlicht die Beziehung zwischen
Form und Funktion 4
Die DNA besteht aus vier unterschiedlichen
Bausteinen 5
Zwei DNA-Einzelstrnge finden sich zur
Doppelhelix zusammen 5
Die RNA ist eine Zwischenstufe im Fluss der
genetischen Information 6
Proteine, die von Nucleinsuren codiert werden,
fhren in der Zelle die meisten Funktionen
aus 7
2.3.1
1.2
Hinter der biologischen Vielfalt steckt
biochemische Einheitlichkeit 8
2.3.2
1.3
Chemische Bindungen in der Biochemie
1.1.1
1.1.2
1.1.3
1.1.4
9
2.2.4
2.2.5
2.2.6
2.2.7
2.3
2.3.3
2.3.4
2.3.5
2.4
2.4.1
1.3.1
1.3.2
1.3.3
1.3.4
Reversible Wechselwirkungen zwischen
Biomoleklen werden durch drei Typen
nichtkovalenter Bindungen vermittelt 10
Die Eigenschaften des Wassers beeinflussen die
Bindungsfhigkeit der Biomolekle 11
Entropie und die Hauptstze der
Thermodynamik 13
Proteinfaltung kann man unter dem
Gesichtspunkt der Vernderung der freien
Enthalpie verstehen 15
1.4
Biochemie und die Biologie des Menschen 16
2
Biochemische Evolution
2.1
Lebewesen bedienen sich einiger entscheidender
organischer Molekle 22
Viele Bestandteile biochemischer Makromolekle
knnen durch einfache prbiotische Reaktionen
entstehen 23
ber die Entstehung einiger entscheidender
Biomolekle besteht Unsicherheit 23
2.1.1
2.1.2
2.2
2.2.1
21
Evolution erfordert Reproduktion, Variation und
Selektionsdruck 24
Die Prinzipien der Evolution lassen sich in vitro
nachvollziehen 25
2.4.2
2.4.3
2.4.4
RNA-Molekle knnen als Katalysatoren
wirken 25
Aminosuren und ihre Polymere knnen sowohl
an der Biosynthese als auch an der Katalyse
mitwirken 26
RNA- und Proteinwelt sind durch die von einer
RNA-Matrize gesteuerte Polypeptidsynthese
verknpft 27
Der genetische Code wirft Licht auf die
Evolutionsmechanismen 28
Transfer-RNAs veranschaulichen die Evolution
durch Genduplikation 29
DNA ist ein stabiler Speicher fr genetische
Information 29
Zur Erhaltung der Lebewesen ist
Energieumwandlung notwendig 31
Durch den Abbau organischer Molekle kann
ATP entstehen, eine allgemeine biochemische
„Energiewhrung“ 31
Durch Einschluss der Nucleinsuren in
Membranen entstanden Zellen 33
Im Zuge der Kompartimentierung mussten sich
Ionenpumpen entwickeln 34
Protonengradienten knnen die ATP-Synthese
antreiben 35
Molekularer Sauerstoff, ein giftiges
Nebenprodukt mancher Photosyntheseprozesse,
kann fr den Stoffwechsel nutzbar gemacht
werden 36
Zellen knnen auf Vernderungen in ihrer
Umwelt reagieren 37
Filamentstrukturen und molekulare Motoren
machen die Bewegung von Zellen und
Zellbestandteilen mglich 38
Manche Zellen knnen in Wechselwirkung treten
und Kolonien mit spezialisierten Funktionen
bilden 39
Die Entwicklung vielzelliger Lebewesen erfordert
die genau koordinierte Differenzierung von
Zellen 40
Wegen der Einheitlichkeit biochemischer
Vorgnge kann man durch die Untersuchung
anderer Organismen viele Aufschlsse ber die
Biologie des Menschen gewinnen 41
3
Struktur und Funktion der Proteine 45
3.1
Proteine sind aus einem Repertoire von 20
Aminosuren aufgebaut 47
3.2
Primrstruktur: Peptidbindungen verknpfen die
Aminosuren zu Polypeptidketten 56
Proteine besitzen spezifische
Aminosuresequenzen, die durch Gene festgelegt
werden 57
Polypeptidketten sind flexibel, aber dennoch in
ihren Konformationsmglichkeiten
eingeschrnkt 58
3.2.1
3.2.2
XVIII
3.3
Inhalt
Sekundrstruktur: Polypeptidketten knnen sich
zu regelmßigen Strukturen wie a-Helix,
b-Faltblatt, Kehren und Schleifen falten 61
4.1.4
4.1.5
4.1.6
4.1.7
4.2
4.2.1
3.3.1
3.3.2
3.3.3
Die a-Helix ist eine gewundene Struktur, die
durch Wasserstoffbrcken innerhalb der Kette
stabilisiert wird 62
Die b-Faltblatt-Struktur wird von
Wasserstoffbrcken zwischen den Strngen
stabilisiert 64
Polypeptidketten knnen ihre Richtung
umkehren, indem sie Kehren und Schleifen
ausbilden 66
3.4
Tertirstruktur: Wasserlsliche Proteine falten
sich zu kompakten Strukturen mit einem
unpolaren Kern 67
3.5
Quartrstruktur: Polypeptidketten knnen sich zu
Komplexen aus vielen Untereinheiten
zusammenfinden 69
3.6
3.6.1
3.6.2
3.6.3
3.6.4
3.6.5
Die Aminosuresequenz eines Proteins legt
dessen dreidimensionale Struktur fest 71
Aminosuren zeigen unterschiedliche Neigungen
zur Ausbildung von a-Helices, b-FaltblattStrukturen und b-Kehren 72
Die Faltung von Proteinen ist ein
hochkooperativer Vorgang 74
Die Proteinfaltung verluft ber eine
fortschreitende Stabilisierung von
Zwischenprodukten und nicht durch zuflliges
Ausprobieren 75
Die Vorhersage der dreidimensionalen Struktur
aus der Aminosuresequenz ist und bleibt eine
schwierige Aufgabe 76
Durch Modifikation und Spaltung erhalten
Proteine neue Eigenschaften 77
4
Erforschung der Proteine 85
4.0.1
Das Proteom, die funktionelle Reprsentation
des Genoms 86
4.1
Die Aufreinigung eines Proteins ist der erste
Schritt zum Verstndnis seiner Funktion 87
Der Assay: Woran erkennen wir das Protein,
nach dem wir suchen? 87
Damit ein Protein aufgereinigt werden kann,
muss es aus der Zelle freigesetzt werden 88
Proteine lassen sich entsprechend ihrer Grße,
Lslichkeit, Ladung und Bindungsaffinitt
aufreinigen 89
4.1.1
4.1.2
4.1.3
4.2.2
4.2.3
4.3
4.3.1
4.3.2
4.3.3
4.3.4
4.3.5
Proteine knnen durch Gelelektrophorese
getrennt und anschließend sichtbar gemacht
werden 91
Ein Protokoll zur Aufreinigung von Proteinen
lsst sich quantitativ auswerten 95
Die Ultrazentrifugation eignet sich zur Trennung
von Biomoleklen und zur Bestimmung des
Molekulargewichts 96
Die Masse eines Proteins kann durch
Massenspektrometrie przise bestimmt
werden 98
Aminosuresequenzen knnen durch
automatisierten Edman-Abbau bestimmt
werden 100
Man kann Proteine spezifisch in kleine Peptide
zerlegen, um die Analyse zu erleichtern 103
Aminosuresequenzen liefern vielfltige
Informationen 105
Die Gentechnik hat die Proteinsequenzierung
revolutioniert 107
Die Immunologie liefert wichtige Methoden zur
Untersuchung von Proteinen 107
Gegen ein Protein lassen sich spezifische
Antikrper herstellen 108
Monoklonale Antikrper von fast jeder
gewnschten Spezifitt sind leicht
herzustellen 109
Mithilfe eines enzymgekoppelten Immunoassays
lassen sich Proteine nachweisen und
quantifizieren 111
Western-Blotting erlaubt den Nachweis von per
Gelelektrophorese aufgetrennten Proteinen 112
Mit Fluoreszenzfarbstoffen lassen sich Proteine in
Zellen sichtbar machen 113
4.4
Peptide lassen sich mit automatisierten
Festphasenmethoden synthetisieren 114
4.5.
Die dreidimensionale Struktur eines Proteins
lsst sich durch NMR-Spektroskopie und
Rntgenkristallographie ermitteln 116
Die Kernspinresonanzspektroskopie vermag die
Struktur von Proteinen in Lsung
aufzuklren 117
Die Rntgenkristallographie erhellt die
dreidimensionale Struktur in ihren atomaren
Einzelheiten 120
4.5.1
4.5.2
5
DNA, RNA und der Fluss der genetischen
Information 129
5.1
Eine Nucleinsure besteht aus vier verschiedenen
Basen, die mit einem Rckgrat aus Zucker- und
Phosphatgruppen verknpft sind 131
RNA und DNA unterscheiden sich bezglich der
beteiligten Zucker und einer ihrer Basen 131
Die monomeren Einheiten der Nucleinsuren
sind die Nucleotide 132
5.1.1
5.1.2
5.2
5.2.1
Zwei Nucleinsureketten mit komplementren
Sequenzen knnen eine Doppelhelix bilden 134
Die Doppelhelix wird durch Wasserstoffbrcken
und hydrophobe Wechselwirkungen
stabilisiert 134
Inhalt
6.1.4
6.1.5
6.1.6
6.2
5.2.2
5.2.3
5.2.4
5.2.5
5.3
5.3.1
5.3.2
5.4
5.4.1
5.4.2
5.4.3
5.4.4
5.4.5
Die Doppelhelix ermglicht die genaue
Weitergabe von genetischer Information 136
Die Doppelhelix kann reversibel geschmolzen
werden 138
Einige DNA-Molekle sind ringfrmig und
bilden Superhelices 139
Einzelstrngige Nucleinsuren knnen komplexe
Formen annehmen. 139
DNA wird durch Polymerasen repliziert, die ihre
Instruktionen von Matrizen beziehen 140
DNA-Polymerasen katalysieren die Bildung von
Phosphodiesterbrcken 141
Die Gene einiger Viren bestehen aus RNA 142
Genexpression bedeutet Umsetzung der in der
DNA enthaltenen Information in funktionale
Molekle 143
Bei der Genexpression spielen unterschiedliche
Arten von RNA eine Rolle 143
Die gesamte zellulre RNA wird von RNAPolymerasen synthetisiert 144
RNA-Polymerasen erhalten ihre Instruktionen
von DNA-Vorlagen 145
Die Transkription beginnt in der Nhe von
Promotorstellen und endet an
Terminationsstellen 146
Die Transfer-RNA fungiert bei der
Proteinsynthese als Adaptermolekl 147
6.2.1
6.2.2
6.2.3
6.2.4
6.3
6.3.1
6.3.2
6.3.3
6.3.4
6.3.5
6.3.6
6.4
XIX
DNA-Sonden und Gene knnen mit
automatisierten Festphasenmethoden synthetisiert
werden 164
Ausgewhlte DNA-Sequenzen knnen mit der
Polymerasekettenreaktion (PCR) beliebig
vermehrt werden 166
Die PCR ist eine leistungsfhige Technik in der
medizinischen Diagnostik, der Forensik und der
molekularen Evolution 167
Die Gentechnik hat die Biologie auf allen
Ebenen revolutioniert 168
Restriktionsenzyme und DNA-Ligase sind
unentbehrliche Werkzeuge fr die
Gentechnik 168
Plasmide und der Phage l sind bevorzugte
Vektoren fr die DNA-Klonierung in
Bakterien 170
Aus enzymatisch gespaltener genomischer DNA
knnen einzelne Gene spezifisch kloniert
werden 172
Chromosomenwanderung erlaubt die effiziente
Analyse langer DNA-Bereiche 174
Manipulation von Eukaryotengenen 175
Mit mRNA hergestellte komplementre DNA
kann in Wirtszellen exprimiert werden 175
Die Genexpressionslevel lassen sich vergleichend
untersuchen 176
In Eukaryotenzellen eingebaute neue Gene
knnen effizient exprimiert werden 177
Transgene Tiere beherbergen und exprimieren
Gene, die in ihre Keimbahn eingefhrt
wurden 178
Das Ausschalten von Genen liefert Hinweise auf
deren Funktion 179
Mit tumorinduzierenden Plasmiden kann man
neue Gene in Pflanzenzellen einschleusen 180
Neuartige Proteine kann man durch
ortsspezifische Mutagenese konstruieren 182
Gezielte Vernderungen der DNA knnen
Proteine mit neuartigen Funktionen
hervorbringen 182
Die Gentechnologie hat neue Perspektiven
erffnet 183
Die Aminosuren werden ab einem bestimmten
Startpunkt von Gruppen aus jeweils drei Basen
codiert 147
Die Haupteigenschaften des genetischen
Codes 148
Die Messenger-RNA enthlt Start- und
Stoppsignale fr die Proteinsynthese 149
Der genetische Code ist nahezu universell 150
6.4.1
7
Erforschung der Evolution
7.1
Homologe stammen von einem gemeinsamen
Vorfahren ab 191
7.2
5.6.2
Die meisten eukaryotischen Gene sind Mosaike
aus Introns und Exons 151
Durch RNA-Prozessierung entsteht reife
RNA 151
Viele Exons codieren Proteindomnen 152
6
Erforschung der Gene
6.1
6.1.1
Die Grundwerkzeuge der Genforschung 160
Restriktionsenzyme spalten DNA in spezifische
Fragmente 161
Restriktionsfragmente knnen durch
Gelelektrophorese getrennt und sichtbar gemacht
werden 162
DNA wird meistens durch kontrollierten Abbruch
der Replikation sequenziert (Didesoxymethode
nach Sanger) 163
Die statistische Analyse von Sequenzalignments
deckt Homologien auf 192
Die statistische Signifikanz von Alignments lsst
sich durch Rearrangieren von Sequenzen
ermitteln 194
Entferntere evolutionre Beziehungen lassen sich
durch den Einsatz von Substitutionsmatrizes
ermitteln 194
Mithilfe von Datenbanken lassen sich homologe
Sequenzen ausfindig machen 197
5.5
5.5.1
5.5.2
5.5.3
5.6
5.6.1
6.1.2
6.1.3
159
6.4.2
7.2.1
7.2.2
7.2.3
7.3
189
Die Untersuchung der dreidimensionalen
Struktur vermittelt ein besseres
Verstndnis von den evolutionren
Verwandtschaftsbeziehungen 198
XX
7.3.1
7.3.2
7.3.3
7.3.4
7.3.5
Inhalt
Die Tertirstruktur wird strker konserviert als
die Primrstruktur 198
Das Wissen um dreidimensionale Strukturen
kann bei der Auswertung von Sequenzvergleichen
beraus hilfreich sein 199
Motivwiederholungen lassen sich durch
Sequenzvergleiche innerhalb einer Sequenz
nachweisen 200
Konvergente Evolution: gemeinsame Lsungen
fr biochemische Probleme 201
Der Vergleich von RNA-Sequenzen ermglicht
Einblicke in die Sekundrstruktur 202
7.4
Auf der Basis von Sequenzinformationen lassen
sich Stammbume konstruieren 203
7.5
Moderne Verfahren ermglichen die
experimentelle Untersuchung von
Evolutionsprozessen 203
In manchen Fllen lsst sich urtmliche DNA
amplifizieren und sequenzieren 204
Die experimentelle Untersuchung der
molekularen Evolution 204
7.5.1
7.5.2
8.3.2
Die aktiven Zentren von Enzymen haben einige
gemeinsame Eigenschaften 220
8.4.
Das Michaelis-Menten-Modell erklrt die
kinetischen Eigenschaften vieler Enzyme 222
Die Bedeutung der KM- und Vmax-Werte 225
Das kinetische Optimum der enzymatischen
Katalyse: das kkat/KM-Kriterium 226
Die meisten biochemischen Reaktionen
beinhalten mehrere Substrate 228
Allosterische Enzyme gehorchen nicht der
Michaelis-Menten-Kinetik 230
8.4.1
8.4.2
8.4.3
8.4.4
8.5
8.5.1
8.5.2
8.5.3
8.5.4
8.5.5
8
Enzyme: Grundlegende Konzepte und
Kinetik 209
8.1
Enzyme sind leistungsstarke und hochspezifische
Katalysatoren 210
Viele Enzyme bentigen fr ihre Aktivitt
Cofaktoren 211
Enzyme knnen verschiedene Energieformen
ineinander umwandeln 212
Enzyme klassifiziert man anhand der
Reaktionstypen, die sie katalysieren 213
8.1.1
8.1.2
8.1.3
8.2
8.2.1
8.2.2
8.2.3
8.3
8.3.1
Die freie Enthalpie ist eine wichtige
thermodynamische Funktion zum Verstndnis von
Enzymen 214
Die nderung der freien Enthalpie liefert
Informationen ber die Spontaneitt einer
Reaktion, aber nicht ber ihre
Geschwindigkeit 214
Die Beziehung zwischen der Vernderung der
freien Standardenthalpie und der
Gleichgewichtskonstanten einer Reaktion 215
Enzyme knnen nur die
Reaktionsgeschwindigkeit, aber nicht das
Reaktionsgleichgewicht verschieben 217
Enzyme beschleunigen Reaktionen durch
Erleichterung der Bildung von
bergangszustnden 217
Die Bildung eines Enzym-Substrat-Komplexes ist
der erste Schritt bei der enzymatischen
Katalyse 219
Enzyme knnen durch spezifische Molekle
gehemmt werden 230
Kompetitive und nichtkompetitive Hemmung
lassen sich kinetisch unterscheiden 231
Irreversible Inhibitoren knnen zur Untersuchung
des aktiven Zentrums verwendet werden 232
Analoga des bergangszustands sind starke
Enzyminhibitoren 235
Katalytische Antikrper demonstrieren die
Wichtigkeit der selektiven Bindung des
bergangszustands fr die Enzymaktivitt 235
Penicillin hemmt irreversibel ein Schlsselenzym
der Zellwandsynthese in Bakterien 236
8.6.2
Vitamine und Coenzyme 238
Wasserlsliche Vitamine fungieren als
Coenzyme 239
Fettlsliche Vitamine sind an so
unterschiedlichen Prozessen wie der
Blutgerinnung und dem Sehvorgang
beteiligt 241
9
Katalytische Strategien
9.0.1
Einige grundlegende katalytische Mechanismen
sind vielen Enzymen gemeinsam 250
9.1
Proteasen ermglichen eine schwer
durchfhrbare Reaktion 251
Chymotrypsin besitzt einen hochreaktiven
Serinrest 252
Die Chymotrypsinreaktion erfolgt in zwei
Schritten, die ber ein kovalent gebundenes
Zwischenprodukt miteinander verknpft
sind 253
Serin ist Teil einer katalytischen Triade mit
Histidin und Aspartat 254
Katalytische Triaden kommen auch bei anderen
hydrolytischen Enzymen vor 256
Die katalytische Triade wurde mithilfe
ortsspezifischer Mutagenese genau
untersucht 258
8.6
8.6.1
9.1.1
9.1.2
9.1.3
9.1.4
9.1.5
249
Inhalt
9.1.6
9.1.7
9.2
9.2.1
9.2.2
9.2.3
9.2.4
9.3
9.3.1
9.3.2
9.3.3
9.3.4
9.4
9.4.1
9.4.2
9.4.3
9.4.4
Cystein-, Aspartat- und Metalloproteasen sind
weitere wichtige Klassen von peptidspaltenden
Enzymen 259
Proteaseinhibitoren sind wichtige
Medikamente 262
10.1.6
Auch mit sequenziellen Modellen lassen sich
allosterische Effekte erklren 296
10.2
Hmoglobin ermglicht einen effizienten
Sauerstofftransport durch kooperative
Bindung 297
10.2.1
Die Sauerstoffbindung induziert grundlegende
Strukturvernderungen an den
Eisenbindungsstellen im Hmoglobin 297
Die Sauerstoffbindung fhrt im Hmoglobin zu
einer ausgeprgten Vernderung der
Quartrstruktur 298
Einstellen der Affint des Hmoglobins:
die Wirkung von 2,3-Bisphosphoglycerat 299
Der Bohr-Effekt: Wasserstoffionen und
Kohlendioxid frdern die Freisetzung von
Sauerstoff 300
Carboanhydrasen machen eine schnelle Reaktion
noch schneller 263
Carboanhydrasen enthalten ein gebundenes
Zinkion, das fr die katalytische Aktivitt
essenziell ist 263
Bei der Katalyse kommt es zur Aktivierung eines
Wassermolekls durch Zink 264
Ein Protonen-Shuttle ermglicht die schnelle
Regeneration der aktiven Enzymform 266
Durch konvergente Evolution sind bei
verschiedenen Carboanhydrasen aktive Zentren
auf der Basis von Zink entstanden 267
Restriktionsenzyme fhren hochspezifische
Spaltungsreaktionen an DNA aus 268
Die Spaltung erfolgt ber eine in-lineVerdrngung des 3’-Sauerstoffatoms am Phosphor
durch magnesiumaktiviertes Wasser 269
Restriktionsenzyme bentigen fr die katalytische
Aktivitt Magnesium 271
Der vollstndige katalytische Apparat bildet sich
nur mit Komplexen aus passenden DNAMoleklen und sichert so die Spezifitt 272
Typ-II-Restriktionsenzyme besitzen einen
bereinstimmenden katalytischen Core-Bereich
und sind wahrscheinlich durch horizontalen
Gentransfer miteinander verwandt 275
Nucleosidmonophosphat-Kinasen katalysieren
den Austausch von Phosphorylgruppen ohne
vorhergehende Hydrolyse 276
NMP-Kinasen sind eine Familie von Enzymen,
die P-Schleifen-Strukturen enthalten 277
Komplexe von Nucleosidtriphosphaten mit
Magnesium (oder Mangan) sind die eigentlichen
Substrate fr grundstzlich alle NTP-abhngigen
Enzyme 278
Die Bindung von ATP induziert starke
Konformationsnderungen 279
P-Schleife-NTPase-Domnen sind in zahlreichen
wichtigen Proteinen vorhanden 280
10.2.2
10.2.3
10.2.4
10.3
Isozyme ermglichen die Regulation in
spezifischen Geweben und bestimmten
Entwicklungsstadien 301
10.4
Kovalente Modifikationen sind ein Mittel fr die
Regulation der Enzymaktivitt 302
Phosphorylierung ist ein sehr effektiver
Mechanismus, um die Aktivitt von Zielproteinen
zu regulieren 303
Zyklisches AMP aktiviert die Proteinkinase A
durch Vernderung der Quartrstruktur 305
ATP und das Substratprotein binden an eine tiefe
Spalte der katalytischen Untereinheit von
Proteinkinase A 306
10.4.1
10.4.2
10.4.3
10
Regulatorische Strategien: Enzyme und
Hmoglobin 287
10.1
Die Aspartat-Transcarbamoylase wird durch das
Endprodukt der Pyrimidinbiosynthese allosterisch
gehemmt 289
Die Aspartat-Transcarbamoylase besteht aus
regulatorischen und katalytischen Untereinheiten,
die sich voneinander trennen knnen 290
Allosterische Wechselwirkungen in der ATCase
werden von großen Vernderungen der
Quartrstruktur vermittelt 291
Allosterisch regulierte Enzyme folgen nicht der
Michaelis-Menten-Kinetik 294
Allosterische Regulatoren modulieren das
T-R-Gleichgewicht 294
Das konzertierte Modell lsst sich in
quantitativer Form ausdrcken 295
10.1.1
10.1.2
10.1.3
10.1.4
10.1.5
XXI
10.5
10.5.1
10.5.2
10.5.3
10.5.4
10.5.5
Viele Enzyme werden durch eine spezifische
proteolytische Spaltung aktiviert 307
Chymotrypsinogen wird durch spezifische
Spaltung einer einzigen Peptidbindung
aktiviert 308
Die proteolytische Aktivierung von
Chymotrypsinogen lsst eine
Substratbindungsstelle entstehen 309
Die Erzeugung von Trypsin aus Trypsinogen fhrt
zur Aktivierung von anderen Zymogenen 309
Fr einige proteolytische Enzyme gibt es
spezifische Inhibitoren 310
Die Blutgerinnung erfolgt ber eine Kaskade von
Zymogenaktivierungen 312
XXII
10.5.6
10.5.7
10.5.8
10.5.9
Inhalt
Fibrinogen wird durch Thrombin in ein
Fibringerinnsel umgewandelt 313
Eine Vitamin-K-abhngige Modifikation bereitet
Prothrombin fr die Aktivierung vor 315
Die Bluterkrankheit (Hmophilie) verriet einen
frhen Gerinnungsschritt 316
Der Gerinnungsprozess muss genau reguliert
werden 316
Kohlenhydrate
11.1
Monosaccharide sind Aldehyde oder Ketone mit
vielen Hydroxylgruppen 324
Pentosen und Hexosen zyklisieren zu Furanoseund Pyranoseringen 326
Die Konformation der Pyranose- und
Furanoseringe 328
Kohlenhydrate sind mit Alkoholen und Aminen
durch glykosidische Bindungen verknpft 329
11.1.2
11.1.3
11.2
11.2.1
11.2.2
11.2.3
11.2.4
11.2.5
11.3
11.3.1
11.3.2
11.3.3
11.3.4
11.3.5
11.3.6
11.3.7
11.4
11.4.1
11.4.2
Lipide und Zellmembranen
12.1
Viele gemeinsame Merkmale bilden die
Grundlage fr die Vielfalt biologischer
Membranen 350
12.2
Fettsuren sind die Hauptbestandteile der
Lipide 351
12.2.1
12.2.2
Die Nomenklatur der Fettsuren 351
Fettsuren variieren in Kettenlnge und
Sttigungsgrad 352
12.3
Es gibt drei Haupttypen von
Membranlipiden 352
Phospholipide stellen den grßten Anteil der
Membranlipide 353
Die Membranen der Archaea enthalten
Etherlipide mit verzweigten Ketten 354
Membranlipide knnen auch
Kohlenhydrateinheiten enthalten 355
Cholesterin ist ein Lipid mit einem
Steroidgerst 355
Ein Membranlipid ist ein amphipathisches
Molekle mit einem hydrophilen und einem
hydrophoben Anteil 356
323
11
11.1.1
349
12
Komplexe Kohlenhydrate entstehen durch
Verknpfung von Monosacchariden 330
Saccharose, Lactose und Maltose sind die
hufigsten Disaccharide 330
Glykogen und Strke sind mobilisierbare
Glucosespeicher 331
Die Cellulose, das wichtigste strukturbildende
Polymer der Pflanzen, besteht aus linearen
Ketten von Glucoseeinheiten 331
Glykosaminoglykane sind anionische
Polysaccharidketten aus repetitiven
Disaccharideinheiten 332
Fr die Oligosaccharidsynthese sind spezifische
Enzyme verantwortlich 333
Die Bindung von Kohlenhydraten an Proteine
fhrt zu Glykoproteinen 334
Kohlenhydrate knnen an Proteine durch
Asparagin (N-glykosidisch) oder durch Serin oder
Threonin (O-glykosidisch) gebunden
werden 335
Die Glykosylierung der Proteine findet im
endoplasmatischen Reticulum und im GolgiKomplex statt 335
N-glykosidische Glykoproteine erhalten ihre
ersten Kohlenhydrate von Dolicholdonoren im
endoplasmatischen Reticulum 336
Zur weiteren Glykosilierung und Sortierung
bringen Transportvesikel Proteine vom ER zum
Golgi-Komplex 338
Mannose-6-phosphat lenkt lysosomale Enzyme zu
ihrem Bestimmungsort 339
Angefgte und abgespaltene Glucosereste helfen
bei der Proteinfaltung 339
Oligosaccharide knnen „sequenziert“
werden 340
Lectine sind spezifische kohlenhydratbindende
Proteine 341
Lectine vermitteln Wechselwirkungen zwischen
Zellen 342
Influenzaviren binden an Sialinsurereste 343
12.3.1
12.3.2
12.3.3
12.3.4
12.3.5
12.4
12.4.1
12.4.2
12.5
12.5.1
12.5.2
12.5.3
12.5.4
12.6
12.6.1
12.6.2
Phospholipide und Glykolipide bilden in
wssrigen Medien leicht bimolekulare
Schichten 356
Aus Phospholipiden knnen Lipidvesikel
entstehen 358
Lipiddoppelschichten sind fr Ionen und die
meisten polaren Molekle nicht permeabel 359
Proteine bewerkstelligen die meisten Prozesse an
Membranen 359
Proteine sind in der Lipiddoppelschicht
unterschiedlich angeordnet 360
Zwischen Proteinen und Membranen gibt es
verschiedene Wechselwirkungen 361
Kovalent gebundene hydrophobe Gruppen
verbinden Proteine mit Membranen 364
Transmembranhelices knnen aus
Aminosuresequenzen exakt vorausgesagt
werden 364
Lipide und viele Membranproteine diffundieren
schnell in der Membranebene 366
Das Flssigmosaikmodell erlaubt laterale
Bewegung in der Membran, aber keinen Wechsel
der Membranseite 367
Die Membranfluiditt wird von der
Fettsurezusammensetzung und vom
Cholesteringehalt bestimmt 368
Inhalt
12.6.3
Alle biologischen Membranen sind
asymmetrisch 369
12.7
Eukaryotenzellen enthalten Kompartimente, die
von inneren Membranen umgeben sind 369
Proteine werden durch Signalsequenzen zu
spezifischen Kompartimenten gelenkt 370
Membranknospung (budding) und -fusion
bestimmen viele wichtige biologische
Prozesse 372
12.7.1
12.7.2
13.5.3
13.5.4
13.5.5
13.5.6
13.5.7
377
13
Membrankanle und -pumpen
13.1
Der Transport von Moleklen durch eine
Membran kann aktiv oder passiv sein 378
Viele Molekle bentigen Proteintransporter, um
Membranen zu durchqueren 378
Die freie Enthalpie, die in Konzentrationsgradienten enthalten ist, kann quantitativ
bestimmt werden 379
13.1.1
13.1.2
13.2
13.2.1
13.2.2
13.2.3
13.3
13.5.8
Gap junctions ermglichen den Fluss von Ionen
und kleinen Moleklen zwischen
kommunizierenden Zellen 397
Eine Familie von Membranproteinen nutzt die
ATP-Hydrolyse, um Ionen durch Membranen zu
pumpen 380
2þ
Die Ca -ATPase des sarcoplasmatischen
Reticulums ist ein integrales
Membranprotein 381
ATPasen vom P-Typ wurden in der Evolution
konserviert und haben viele verschiedene
Funktionen 382
þ
þ
Digitalis hemmt spezifisch die Na -K -Pumpe,
indem es ihre Dephosphorylierung blockiert 383
II.
bertragung und
Speicherung von Energie
14
Der Stoffwechsel: Konzepte und
Grundmuster 407
14.0.1
Zellen wandeln verschiedene Formen von
Energie ineinander um 408
14.1
Multidrug-Resistenz und Cystische Fibrose
illustrieren eine Familie von Membranproteinen
mit ATP-bindenden Kassetten 383
14.1.1
Der Metabolismus besteht aus vielen gekoppelten
Reaktionen 409
Eine thermodynamisch ungnstige Reaktion kann
durch eine gnstige Reaktion angetrieben
werden 410
ATP ist die universelle Whrung der freien
Enthalpie in biologischen Systemen 411
Die ATP-Hydrolyse treibt den Metabolismus,
indem sie das Gleichgewicht gekoppelter
Reaktionen verschiebt 412
Die strukturelle Grundlage fr das hohe
Phosphorylgruppenbertragungspotenzial des
ATP 413
Das Phosphorylgruppenbertragungspotenzial ist
eine wichtige Form der Energieumwandlung in
der Zelle 414
14.1.3
14.1.4
14.1.5
14.2
14.2.1
13.5
13.5.1
13.5.2
Aktionspotenziale entstehen durch
þ
þ
vorbergehende nderungen der Na - und K Permeabilitt 390
Der Natriumkanal ist ein Beispiel fr einen
spannungskontrollierten Kanal 391
Kaliumkanle sind homolog zum
Natriumkanal 392
Die Struktur eines Kaliumkanals enthllt die
Grundlage fr den schnellen, spezifischen
Ionenfluss 392
Mit der Struktur des Kaliumkanals lassen sich die
hohen Transportgeschwindigkeiten erklren 395
Der Kanal wird durch Verschluss der Pore
inaktiviert: das Kugel-Ketten-Modell 396
13.6
14.1.2
13.4
XXIII
Sekundre Transporter nutzen einen
Konzentrationsgradienten, um die Bildung eines
anderen Konzentrationsgradienten
anzutreiben 384
Spezifische Kanle transportieren Ionen rasch
durch Membranen 386
Mit Patch-Clamp-Leitfhigkeitsmessungen kann
man die Aktivitt eines einzelnen Kanals
bestimmen 387
Ionenkanalproteine sind aus hnlichen Einheiten
aufgebaut 387
14.2.2
14.2.3
14.3
14.3.1
14.3.2
Die Oxidation von Kohlenstoffverbindungen ist
fr die Zelle eine wichtige Energiequelle 415
Verbindungen mit hohem
Phosphorylgruppenbertragungspotenzial knnen
die Kohlenstoffoxidation an die ATP-Synthese
koppeln 416
Ionengradienten ber eine Membran sind eine
wichtige Form zellulrer Energie, die an die
ATP-Synthese gekoppelt werden kann 417
Die einzelnen Abschnitte der Energiegewinnung
aus Nahrungsstoffen 417
Stoffwechselwege enthalten viele wiederkehrende
Muster 418
Aktivierte Carrier sind charakteristisch fr den
modularen Aufbau und die Wirtschaftlichkeit des
Stoffwechsels 418
Schlsselreaktionen wiederholen sich im
Stoffwechsel 421
XXIV
14.3.3
14.3.4
Inhalt
Stoffwechselprozesse werden auf drei
grundlegende Arten reguliert 425
Evolution von Stoffwechselwegen 426
Glykolyse und Gluconeogenese
16.0.1
Glucose ist fr die meisten Organismen ein
wichtiger Brennstoff 466
Grungen erzeugen in Abwesenheit von
Sauerstoff nutzbare Energie 467
16.0.2
15
Signaltransduktionswege: eine Einfhrung in
den Informationsstoffwechsel 431
15.0.1
Signalbertragung beruht auf molekularen
Schaltkreisen: ein berblick 432
15.1
Rezeptoren mit sieben Transmembranhelices
ndern nach der Bindung eines Liganden ihre
Konformation und aktivieren G-Proteine 434
Die Bindung eines Liganden an einen 7TMRezeptor fhrt zur Aktivierung eines GProteins 435
G-Proteine wechseln zwischen der Bindung von
GDP und GTP hin und her 436
Aktivierte G-Proteine binden an andere Proteine
und bertragen so das Signal 438
G-Proteine gehen durch Hydrolyse des GTP
spontan wieder in den Ausgangszustand
ber 438
Zyklisches AMP regt ber Aktivierung der
Proteinkinase A die Phosphorylierung vieler
Zielproteine an 439
15.1.1
15.1.2
15.1.3
15.1.4
15.1.5
15.2
15.2.1
15.2.2
15.3
15.3.1
15.3.2
15.4
15.4.1
15.4.2
15.5
15.5.1
15.5.2
15.6
465
16
16.1
16.1.1
16.1.2
16.1.3
16.1.4
16.1.5
16.1.6
16.1.7
16.1.8
Die Glykolyse ist ein energieumwandelnder
Stoffwechselweg in vielen Organismen 468
Die Hexokinase fngt Glucose in der Zelle ein
und beginnt die Glykolyse 468
Bildung von Fructose-1,6-bisphosphat aus
Glucose-6-phosphat 470
Die Aldolase spaltet das C6-Kohlenhydrat in zwei
C3-Fragmente 471
Die Triosephosphat-Isomerase gewinnt ein
C3-Fragment zurck 472
Energieumwandlung: ber ein ThioesterZwischenprodukt sind Phosphorylierung und
Oxidation des Glycerinaldehyd-3-phosphats
miteinander verbunden 474
Die Bildung von ATP aus
1,3-Bisphosphoglycerat 476
Die Erzeugung eines weiteren ATP und die
Bildung von Pyruvat 477
Der Energiegewinn aus der Umwandlung von
Glucose in Pyruvat 478
Die Hydrolyse von Phosphatidylinositolbisphosphat durch die Phospholipase C lsst zwei
Botenstoffe entstehen 440
Inositol-1,4,5-trisphosphat ffnet Kanle, sodass
Calciumionen aus Speichern in der Zelle
freigesetzt werden 442
Diacylglycerin aktiviert die Proteinkinase C, die
viele Zielproteine phosphoryliert 443
Calcium ist im Cytosol ein weit verbreiteter
Botenstoff 445
Mit Ionophoren kann man die Vernderungen
der Calciumkonzentration sichtbar machen 445
Calcium aktiviert das Regulationsprotein
Calmodulin, das viele Enzyme und
Transportproteine stimuliert 447
Manche Rezeptoren bilden nach der
Ligandenbindung Dimere und geben Signale
durch gegenseitige Phosphorylierung weiter 449
Manche Rezeptoren enthalten Tyrosin-KinaseDomnen in ihrer kovalenten Struktur 452
Ras: eine weitere Klasse von G-Proteinen fr die
Signalbertragung 453
Defekte in Signaltransduktionswegen knnen zu
Krebs und anderen Krankheiten fhren 454
Proteinkinaseinhibitoren knnten wirksame
Krebsmedikamente sein 456
Cholera und Keuchhusten entstehen durch die
vernderte Aktivitt von G-Proteinen 457
Immer wiederkehrende Merkmale der
Signaltransduktionswege machen
entwicklungsgeschichtliche
Verwandtschaftsverhltnisse deutlich 457
16.1.9
16.1.10
16.1.11
16.1.12
16.1.13
16.2
16.2.1
16.2.2
16.2.3
16.2.4
16.2.5
Die Aufrechterhaltung des Redoxgleichgewichts:
Die unterschiedliche Verwertung des
Pyruvats 479
þ
Die NAD -Bindungsstelle ist bei vielen
Dehydrogenasen sehr hnlich 481
Der Eintritt von Fructose und Galactose in die
Glykolyse 481
Viele Erwachsene vertragen keine Milch, weil
ihnen die Lactase fehlt 483
Wenn die Transferase fehlt, ist Galactose stark
toxisch 484
Die Glykolyse wird streng kontrolliert 485
Die Phosphofructokinase ist das Schlsselenzym
bei der Kontrolle der Glykolyse 485
Ein reguliertes bifunktionelles Enzym
synthetisiert Fructose-2,6-bisphosphat und baut es
ab 487
Hexokinase und Pyruvat-Kinase bestimmen
ebenfalls die Geschwindigkeit der
Glykolyse 488
Eine Familie von Transportproteinen ermglicht
es der Glucose, in tierische Zellen zu gelangen
oder sie zu verlassen 490
Krebs und Glykolyse 491
Inhalt
16.3
16.3.1
16.3.2
16.3.3
16.3.4
16.3.5
16.3.6
16.4
16.4.1
16.4.2
16.4.3
Glucose lsst sich aus Moleklen, die keine
Kohlenhydrate sind, synthetisieren 491
Die Gluconeogenese ist keine Umkehr der
Glykolyse 493
Die Umwandlung von Pyruvat in
Phosphoenolpyruvat beginnt mit der Bildung von
Oxalacetat 494
Oxalacetat wird in das Cytosol eingeschleust und
in Phosphoenolpyruvat umgewandelt 495
Die Umwandlung von Fructose-1,6-bisphosphat in
Fructose-6-phosphat und Orthophosphat ist ein
irreversibler Schritt 496
Die Bildung freier Glucose ist ein wichtiger
Kontrollpunkt 496
Sechs Phosphorylgruppen mit hohem
bertragungspotenzial mssen fr die Synthese
von Glucose aus Pyruvat aufgewendet
werden 497
Gluconeogenese und Glykolyse werden reziprok
reguliert 498
Substratzyklen verstrken Stoffwechselsignale
und erzeugen Wrme 499
Das bei der Muskelkontraktion entstehende
Lactat und Alanin wird von anderen Organen
verwendet 500
Glykolyse und Gluconeogenese sind durch die
Evolution miteinander verbunden 502
17.3.2
17.3.3
Der Glyoxylatzyklus ermglicht es Pflanzen und
Bakterien, mit Acetat zu wachsen 529
18
Die oxidative Phosphorylierung
18.1
Die oxidative Phosphorylierung findet bei
Eukaryoten in den Mitochondrien statt 537
Mitochondrien sind von einer Doppelmembran
umschlossen 537
Mitochondrien sind das Resultat eines
endosymbiotischen Ereignisses 538
18.1.1
18.1.2
18.2
18.2.1
18.2.2
18.2.3
509
Der Citratzyklus
17.0.1
Ein berblick ber den Citratzyklus
17.1
Der Citratzyklus oxidiert Einheiten aus zwei
Kohlenstoffatomen 511
Die Entstehung des Acetyl-CoA aus
Pyruvat 511
Durch flexible Bindungen kann sich das
Liponamid zwischen verschiedenen Zentren
bewegen 514
Die Citrat-Synthase bildet Citrat aus Oxalacetat
und Acetyl-Coenzym A 516
Citrat wird zu Isocitrat isomerisiert 518
Isocitrat wird durch Oxidation und
Decarboxylierung in a-Ketoglutarat
berfhrt 519
Succinyl-CoA entsteht durch oxidative
Decarboxylierung von a-Ketoglutarat 519
Eine Verbindung mit hohem
Phosphorylgruppenbertragungspotenzial geht
aus Succinyl-CoA hervor 520
Die Regenerierung von Oxalacetat durch
Oxidation von Succinat 522
Die Stchiometrie des Citratzyklus 523
17.1.1
17.1.2
17.1.3
17.1.4
17.1.5
17.1.6
17.1.7
17.1.8
17.1.9
17.2
17.2.1
17.2.2
17.3
17.3.1
Die Entgleisung des Pyruvatstoffwechsels ist die
Ursache von Beriberi sowie von Quecksilber- und
Arsenitvergiftungen 527
Spekulationen zur Evolution des
Citratzyklus 529
17.4
18.3
17
XXV
535
Die oxidative Phosphorylierung hngt vom
Elektronentransfer ab 539
Elektronen hoher Energie: Redoxpotenziale und
nderungen der freien Enthalpie 539
Eine Potenzialdifferenz von 1,14 V zwischen
NADH und O2 treibt die
Elektronentransportkette an und begnstigt die
Bildung eines Protonengradienten 541
Elektronen knnen zwischen Gruppen bertragen
werden, die nicht in Kontakt stehen 542
Die Atmungskette besteht aus vier Komplexen:
drei Protonenpumpen und einer direkten
Verbindung zum Citratzyklus 543
510
Der Eintritt in den Citratzyklus und sein
Stoffumsatz werden kontrolliert 525
Die Regulation des Pyruvat-DehydrogenaseKomplexes erfolgt allosterisch und durch
reversible Phosphorylierung 525
Der Citratzyklus wird an verschiedenen Stellen
kontrolliert 526
Der Citratzyklus liefert zahlreiche
Biosynthesevorstufen 526
Der Citratzyklus muss schnell aufgefllt
werden 527
H+
H+ H+
H+
H+
18.3.1
18.3.2
18.3.3
18.3.4
18.3.5
18.3.6
18.3.7
H+
H+
H+
H+
H+
H+
+
H H+ H+
H+
Am Anfang der Atmungskette werden
Elektronen mit hohem Potenzial vom NADH auf
die NADH-Q-Oxidoreduktase bertragen 544
ber Ubichinol treten Elektronen vom FADH2
der Flavoproteine in die Atmungskette ein 547
Die Elektronen fließen vom Ubichinol ber die
Q-Cytochrom-c-Oxidoreduktase zum
Cytochrom c 547
Transmembrantransport von Protonen: der QZyklus 548
Die Cyrochrom-c-Oxidase katalysiert die
Reduktion von molekularem Sauerstoff zu
Wasser 549
Das Superoxidradikal und andere toxische
Derivate des O2 werden durch Schutzenzyme
abgefangen 552
Die Konformation des Cytochrom c blieb im
Wesentlichen mehr als eine Milliarde Jahre lang
konstant 553
XXVI
18.4
18.4.1
18.4.2
18.4.3
18.4.4
18.4.5
18.5
18.5.1
18.5.2
18.5.3
18.6
18.6.1
18.6.2
18.6.3
18.6.4
18.6.5
18.6.6
18.6.7
Inhalt
Ein Protonengradient treibt die ATP-Synthese
an 554
Die ATP-Synthase besteht aus einer
protonenleitenden und einer katalytischen
Einheit 555
Der Protonenfluss durch die ATP-Synthase fhrt
zur Freisetzung von fest gebundenem ATP: der
Mechanismus des Bindungswechsels 556
Der kleinste molekulare Motor der Welt: die
Rotationskatalyse 558
Der Protonenfluss rund um den c-Ring treibt die
ATP-Synthese an 559
ATP-Synthase und G-Proteine besitzen mehrere
gemeinsame Eigenschaften 560
Viele Shuttle-Systeme ermglichen den Transport
durch mitochondriale Membranen 561
Die Elektronen des cytosolischen NADH
gelangen durch Shuttle-Systeme in die
Mitochondrien 561
Der Eintritt von ADP in die Mitochondrien ist
mit dem Austritt von ATP durch eine ATP-ADPTranslokase gekoppelt 562
Die mitochondrialen Transporter fr Metaboliten
haben ein gemeinsames dreiteiliges
Strukturmotiv 563
Die Regulation der oxidativen Phosphorylierung
wird hauptschlich durch den ATP-Bedarf
bestimmt 564
Die vollstndige Oxidation der Glucose ergibt
etwa 30 ATP 564
Die Geschwindigkeit der oxidativen
Phosphorylierung wird durch den ATP-Bedarf
bestimmt 565
Die oxidative Phosphorylierung kann an vielen
Stellen gehemmt werden 566
Ein Kurzschluss im Protonengradienten erzeugt
Wrme 567
Mitochondrienkrankheiten werden entdeckt 567
Mitochondrien spielen bei der Apoptose eine
Schlsselrolle 568
Energiebertragung durch Protonengradienten:
ein zentrales Prinzip der Bioenergetik 568
575
19
Die Lichtreaktionen der Photosynthese
19.0.1
Die Photosynthese im berblick 576
19.1
Die Photosynthese findet in den Chloroplasten
statt 577
Die Primrprozesse der Photosynthese laufen in
den Thylakoidmembranen ab 578
Die Evolution der Chloroplasten 578
19.1.1
19.1.2
19.2
19.2.1
19.2.2
Die Lichtabsorption durch Chlorophyll fhrt zu
einem Elektronentransfer 578
Photosynthetisch aktive Bakterien und die
photosynthetischen Reaktionszentren der grnen
Pflanzen besitzen den gleichen Kern 580
Ein spezielles Paar von Chlorophyllen fhrt zur
Ladungstrennung 580
19.3
19.3.1
19.3.2
19.3.3
19.3.4
19.4
19.4.1
19.4.2
19.4.3
19.5
19.5.1
19.5.2
19.5.3
19.5.4
19.5.5
Zwei Photosysteme erzeugen in der
sauerstoffproduzierenden Photosynthese einen
Protonengradienten und NADPH 582
Das Photosystem II bertrgt Elektronen vom
Wasser zum Plastochinon und erzeugt einen
Protonengradienten 583
Das Cytochrom bf verbindet Photosystem II mit
Photosystem I 585
Das Photosystem I verwendet Licht zur
Erzeugung von Ferredoxin, einem starken
Reduktionsmittel 586
þ
Die Ferredoxin-NADP -Reduktase berfhrt
þ
NADP in NADPH 588
Ein Protonengradient ber die
Thylakiodmembran treibt die ATP-Synthese
an 589
Die ATP-Synthasen von Chloroplasten,
Mitochondrien und Prokaryoten sind einander
sehr hnlich 589
Ein zyklischer Elektronenfluss durch das
Photosystem I fhrt zur Produktion von ATP
anstelle von NADPH 590
Die Absorption von acht Photonen erzeugt ein
O2, zwei NADPH und drei ATP-Molekle 591
Zustzliche Pigmente leiten Energie in die
Reaktionszentren 592
Die bertragung von Resonanzenergie erlaubt
die Energiebewegung vom ursprnglichen
Absorptionsort zum Reaktionszentrum 592
Lichtsammelnde Komplexe enthalten zustzliche
Chlorophylle und Carotinoide 593
Phycobilisomen dienen in Cyanobakterien und
Rotalgen als molekulare Lichtleiter 594
Die Komponenten der Photosynthese sind
hochorganisiert angeordnet 595
Viele Herbizide hemmen die Lichtreaktionen der
Photosynthese 596
19.6
Die Fhigkeit, Licht in chemische Energie
umzuwandeln, ist alt 596
20
Der Calvin-Zyklus und der
Pentosephosphatweg 603
20.1
Der Calvin-Zyklus synthetisiert Hexosen aus
Kohlendioxid und Wasser 604
CO2 reagiert mit Ribulose-1,5-bisphosphat unter
Bildung von zwei Moleklen 3Phosphoglycerat 605
Katalytische Unvollkommenheit: Die Rubisco
katalysiert auch eine verschwenderische
Oxygenasereaktion 607
Hexosephosphate werden aus Phosphoglycerat
gebildet und Ribulose-1,5-bisphosphat wird
regeneriert 609
Drei ATP und zwei NADPH werden verbraucht,
um CO2 auf die Energiestufe einer Hexose zu
berfhren 611
Strke und Saccharose sind die wichtigsten
Kohlenhydratspeicher der Pflanzen 612
20.1.1
20.1.2
20.1.3
20.1.4
20.1.5
Inhalt
20.2
20.2.1
20.2.2
Die Aktivitt des Calvin-Zyklus hngt von den
Umweltbedingungen ab 612
Die Rubisco wird durch Vernderungen der
Protonen- und Magnesiumionenkonzentration
aktiviert, die durch Licht hervorgerufen
werden 613
Thioredoxin spielt eine Schlsselrolle bei der
Regulierung des Calvin-Zyklus 613
21.1
21.1.1
21.1.2
21.1.3
21.1.4
21.1.5
21.2
XXVII
Der Glykogenabbau erfordert das
Zusammenspiel mehrerer Enzyme 633
Die Phosphorylase katalysiert die
phosphorolytische Spaltung des Glykogens zu
Glucose-1-phosphat 634
Ein debranching enzyme ist ebenfalls zum
Glykogenabbau notwendig 634
Die Glucosephosphat-Mutase wandelt Glucose-1phosphat in Glucose-6-phosphat um 636
Die Leber enthlt Glucose-6-phosphatase, ein
Hydrolyseenzym, das der Muskulatur fehlt 636
Pyridoxalphosphat ist an der phosphorolytischen
Spaltung des Glykogens beteiligt 637
Die Phosphorylase wird durch allosterische
Wechselwirkungen und reversible
Phosphorylierung reguliert 639
ATP
ADP
P
P
20.2.3
20.2.4
20.3
20.3.1
20.3.2
20.3.3
20.4
20.4.1
20.4.2
20.4.3
20.5
20.5.1
20.5.2
Der C4-Weg tropischer Pflanzen beschleunigt die
Photosynthese durch Anreicherung von CO2 614
Der Crassulaceensurestoffwechsel erlaubt ein
Wachstum in trockenen kosystemen 615
Der Pentosephosphatweg erzeugt NADPH und
C5-Kohlenhydrate 616
Zwei NADPH werden bei der Umwandlung von
Glucose-6-phosphat in Ribulose-5-phosphat
erzeugt 617
Pentosephosphatweg und Glykolyse sind ber die
Transketolase und die Transaldolase miteinander
verbunden 617
Tranketolase und Transaldolase stabilisieren
carbanionische Zwischenprodukte ber
verschiedene Mechanismen 619
Der Stoffwechsel von Glucose-6-phosphat im
Pentosephosphatweg ist mit der Glykolyse
koordiniert 621
þ
Der NADP -Spiegel kontrolliert die
Geschwindigkeit des Pentosephosphatweges 621
Die Verwertung von Glucose-6-phosphat hngt
vom Bedarf an NADPH, Ribose-5-phosphat und
ATP ab 622
Im Spiegel betrachtet: der Calvin-Zyklus und der
Pentosephosphatweg 624
Die Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase spielt
eine Schlsselrolle beim Schutz vor reaktiven
Sauerstoffverbindungen 624
Ein Mangel an Glucose-6-phosphatDehydrogenase ruft eine arzneimittelinduzierte
hmolytische Anmie hervor 625
Ein Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase-Mangel
verleiht in einigen Fllen einen evolutionren
Vorteil 626
21
Der Glykogenstoffwechsel
21.0.1
Ein berblick ber den
Glykogenstoffwechsel 632
631
21.2.1
21.2.2
21.2.3
Die Muskelphosphorylase wird ber die
intrazellulre Energieladung reguliert 639
Die Leberphosphorylase erzeugt Glucose zum
Nutzen anderer Gewebe 641
Die Phosphorylase-Kinase wird durch
Phosphorylierung und Calciumionen
aktiviert 642
21.3
Adrenalin und Glucagon signalisieren den
Bedarf, Glykogen abzubauen 642
21.3.1 G-Proteine bertragen das Signal fr den Beginn
des Glykogenabbaus 643
21.3.2 Der Glykogenabbau muss rasch gestoppt werden
knnen 644
21.3.3. Mit der Evolution der Glykogen-Phosphorylase
wurde ihre Regulation immer
ausgeklgelter 644
21.4
21.4.1
21.4.2
21.4.3
21.4.4
21.4.5
21.5
21.5.1
21.5.2
21.5.3
Glykogen wird auf verschiedenen Wegen
synthetisiert und abgebaut 645
UDP-Glucose ist eine aktivierte Form der
Glucose 645
Die Glykogen-Synthase katalysiert die
bertragung von Glucose aus der UDP-Glucose
auf eine wachsende Kette 646
Ein Verzweigungsenzym (branching enzyme)
bildet a-1,6-Bindungen 647
Die Glykogen-Synthase ist das wichtigste
regulatorische Enzym der Glykogensynthese 647
Glykogen ist eine effiziente Speicherform der
Glucose 648
Glykogenabbau und -synthese werden reziprok
reguliert 648
Die Proteinphosphatase 1 kehrt die
Steuerungseffekte der Kinasen auf den
Glykogenstoffwechsel um 649
Insulin stimuliert die Glykogensynthese, indem es
die Proteinphosphatase 1 aktiviert 650
Der Glykogenstoffwechsel in der Leber reguliert
den Blutglucosespiegel 650
XXVIII
Inhalt
21.5.4
Glykogenspeicherkrankheiten kann man
biochemisch verstehen 651
22
Der Fettsurestoffwechsel
22.0.1
Ein berblick ber den
Fettsurestoffwechsel 660
22.1
Triacylglycerine stellen hochkonzentrierte
Energiespeicher dar 661
Lipide aus der Nahrung werden von PankreasLipasen verdaut 662
Nahrungsfette werden in Chylomikronen
transportiert 663
22.1.1
22.1.2
22.2
22.2.1
22.2.2
22.2.3
22.2.4
22.2.5
22.3
22.3.1
22.3.2
22.3.3
22.3.4
22.3.5
22.3.6
22.3.7
22.4
22.4.1
22.4.2
22.4.3
22.4.4
22.4.5
22.4.6
22.4.7
659
Um Fettsuren als Brennstoff nutzen zu knnen,
sind drei Verarbeitungsschritte erforderlich 663
Triacylglycerine werden durch cAMP-gesteuerte
Lipasen hydrolysiert 664
Vor der Oxidation werden Fettsuren an
Coenzym A gebunden 665
Carnitin transportiert langkettige aktivierte
Fettsuren in die mitochondriale Matrix 666
Acetyl-CoA, NADH und FADH2 werden in jeder
Runde der Fettsureoxidation erzeugt 666
Die vollstndige Oxidation von Palmitat liefert
106 Molekle ATP 668
Fr den Abbau bestimmter Fettsuren sind
zustzliche Schritte erforderlich 669
Zur Oxidation ungesttigter Fettsuren sind eine
Isomerase und eine Reduktase erforderlich 669
Ungeradzahlige Fettsuren liefern im letzten
Thiolyseschritt Propionyl-Coenzym A 670
Propionyl-CoA wird in einer Reaktion, fr die
Vitamin B12 erforderlich ist, in Succinyl-CoA
umgewandelt 671
Fettsuren werden auch in Peroxisomen
oxidiert 673
Wenn der Fettabbau vorherrscht, entstehen
Ketonkrper aus Acetyl-CoA 674
In einigen Geweben sind Ketonkrper der
Hauptbrennstoff 675
Tiere knnen Fettsuren nicht in Glucose
umwandeln 676
Synthese und Abbau der Fettsuren erfolgen auf
getrennten Wegen 676
Der entscheidende Schritt in der Fettsuresynthese ist die Bildung von Malonyl-Coenzym
A 677
Die Zwischenprodukte der Fettsuresynthese sind
an ein Acyl-Carrier-Protein (ACP)
gebunden 677
Der Verlngerungszyklus in der
Fettsuresynthese 678
Fettsuren werden in Eukaryoten von einem
multifunktionellen Enzymkomplex
synthetisiert 679
Die flexible Phosphopantetheineinheit von ACP
transportiert das Substrat von einem aktiven
Zentrum zum anderen 680
Die Stchiometrie der Fettsuresynthese 681
Citrat transportiert Acetylgruppen zur
Fettsuresynthese aus den Mitochondrien in das
Cytosol 682
22.4.8
Die Quellen des NADPH fr die
Fettsuresynthese 682
22.4.9 Fettsure-Synthase-Inhibitoren knnen ntzliche
Medikamente sein 683
22.4.10 Variationen eines Themas: Polyketid- und
nichtribosomale Peptid-Synthetasen hneln der
Fettsure-Synthase 683
22.5
Die Acetyl-CoA-Carboxylase spielt eine
Schlsselrolle bei der Kontrolle des
Fettsurestoffwechsels 684
22.6
Zustzliche Enzyme fhren die Verlngerung der
Fettsuren und die Einfhrung von
Doppelbindungen durch 686
Membrangebundene Enzyme erzeugen
ungesttigte Fettsuren 686
Eicosanoidhormone leiten sich von mehrfach
ungesttigten Fettsuren ab 687
22.6.1
22.6.2
23
Proteinumsatz und
Aminosurekatabolismus
23.1
23.1.1
Proteine werden zu Aminosuren abgebaut 696
Die Verdauung und Absorption von Proteinen
aus der Nahrung 696
Der Abbau zellulrer Proteine erfolgt mit
unterschiedlicher Geschwindigkeit 697
23.1.2
23.2
23.2.1
23.2.2
23.2.3
23.2.4
23.3
23.3.1
23.3.2
23.3.3
23.3.4
23.3.5
23.4
23.4.1
23.4.2
23.4.3
23.4.4
23.4.5
695
Der Proteinumsatz unterliegt einer strengen
Regulation 698
Ubiquitin markiert Proteine fr den Abbau 698
Das Proteasom verdaut mit Ubiquitin markierte
Proteine 700
Der Proteinabbau kann zur Regulation
biologischer Funktionen dienen 701
Bei Prokaryoten gibt es Gegenstcke zum
Ubiquitinweg und zum Proteasom 701
Der erste Schritt beim Aminosureabbau ist die
Abspaltung von Stickstoff 702
a-Aminogruppen werden durch oxidative
Desaminierung von Glutamat in
Ammoniumionen berfhrt 702
In Aminotransferasen bildet Pyridoxalphosphat
Schiff-Basen als Zwischenprodukt 704
Die Aspartat-Aminotransferase ist ein Vertreter
einer großen und vielfltigen Familie
pyridoxalabhngiger Enzyme 705
Serin und Threonin knnen direkt desaminiert
werden 707
Periphere Gewebe transportieren Stickstoff
zur Leber 707
Ammoniumionen werden bei den meisten
terrestrischen Wirbeltieren in Harnstoff
umgewandelt 708
Der Harnstoffzyklus beginnt mit der Bildung von
Carbamoylphosphat 709
Der Harnstoffzyklus ist mit dem Citratzyklus
verbunden 710
Die Evolution des Harnstoffzyklus 711
Ererbte Defekte im Harnstoffzyklus verursachen
Hyperammonmie und knnen zu
Gehirnschdigungen fhren 712
berschssiger Stickstoff kann nicht nur in Form
von Harnstoff entsorgt werden 713
Inhalt
23.5
23.5.1
23.5.2
23.5.3
23.5.4
23.5.5
23.5.6
23.5.7
23.6
Kohlenstoffatome aus dem Aminosureabbau
tauchen in wichtigen
Stoffwechselzwischenprodukten auf 713
Pyruvat als Eintrittsstelle in den
Stoffwechsel 714
Oxalacetat als Eintrittsstelle in den
Stoffwechsel 715
a-Ketoglutarat als Eintrittsstelle in den
Stoffwechsel 715
Succinyl-CoA ist eine Eintrittsstelle fr einige
unpolare Aminosuren 716
Der Abbau von Methionin erfordert die Bildung
von S-Adenosylmethionin, einem entscheidenden
Methylgruppendonor 717
Aus den Aminosuren mit verzweigten
Seitenketten entstehen Acetyl-CoA, Acetaceat
oder Propionyl-CoA 717
Fr den Abbau aromatischer Aminosuren sind
Oxygenasen erforderlich 719
24.2.4
Angeborene Stoffwechseldefekte knnen den
Abbau von Aminosuren stren 720
24.3
Glutamat ist die Vorstufe von Glutamin, Prolin
und Arginin 741
24.2.5 Serin, Cystein und Glycin werden aus
3-Phosphoglycerat synthetisiert 741
24.2.6 Tetrahydrofolat bertrgt aktivierte EinKohlenstoff-Einheiten verschiedener
Oxidationsstufen 742
24.2.7 S-Adenosylmethionin ist der wichtigste
Methylgruppendonor 744
24.2.8 Cystein wird aus Serin und Homocystein
synthetisiert 746
24.2.9 Hohe Konzentrationen an Homocystein gehen
mit Gefßerkrankungen einher 746
24.2.10 Shikimat und Chorismat sind Zwischenprodukte
bei der Biosynthese aromatischer
Aminosuren 747
24.2.11 Die Tryptophan-Synthetase verdeutlicht das
Prinzip der Substratkanalisierung bei der
enzymatischen Katalyse 749
24.3.1
24.3.2
III.
Synthese der Molekle des
Lebens
24
Biosynthese der Aminosuren 731
24.0.1
Die Synthese von Aminosuren im berblick 732
24.4.2
24.1
Stickstoff-Fixierung: Mikroorganismen knnen
mithilfe von ATP und einem hochwirksamen
Reduktionsmittel atmosphrischen Stickstoff in
Ammoniak umwandeln 733
Der Eisen-Molybdn-Cofaktor der Nitrogenase
bindet und reduziert atmosphrischen
Stickstoff 734
Das Ammoniumion wird ber Glutamat und
Glutamin in Aminosuren aufgenommen 735
24.4.3
24.1.1
24.1.2
24.2
Aminosuren entstehen aus Zwischenprodukten
des Citratzyklus und anderer wichtiger
Stoffwechselwege 737
24.4
24.4.1
24.4.4
Ein berblick: Nucleotidbiosynthese und
-nomenklatur 764
25.1
Bei der de novo-Synthese wird der Pyrimidinring
aus Hydrogencarbonat, Aspartat und Glutamin
aufgebaut 765
Hydrogencarbonat und andere sauerstoffhaltige
Kohlenstoffverbindungen werden durch
Phosphorylierung aktiviert 765
Die Seitenkette des Glutamins kann zur
Erzeugung von Ammoniak hydrolysiert
werden 766
Zwischenprodukte erreichen die aktiven Zentren
durch einen Kanal 766
Orotat bernimmt eine Ribosephosphateinheit
aus dem PRPP unter Bildung eines
Pyrimidinnucleotids, das dann in Uridylat
bergeht 767
Nucleotidmono-, di- und triphosphate sind
ineinander umwandelbar 768
CTP wird durch Aminierung von UTP
gebildet 768
25.1.4
25.1.5
24.2.3
763
25.0.1
25.1.3
24.2.2
Aminosuren sind die Vorstufen einer großen
Zahl von Biomoleklen 754
Glutathion, ein g-Glutamylpeptid, dient als
Sulfhydrylpuffer und Antioxidans 754
Stickstoffmonoxid, ein kurzlebiges Signalmolekl,
entsteht aus Arginin 755
Suger synthetisieren Porphyrine aus Glycin und
Succinyl-Coenzym A 756
Porphyrine akkumulieren bei einigen erblichen
Defekten des Porphyrinmetabolismus 758
Biosynthese der Nucleotide
25.1.2
Der Mensch kann einige Aminosuren selbst
synthetisieren, andere muss er mit der Nahrung
aufnehmen 737
Die Chiralitt aller Aminosuren wird durch
einen gemeinsamen Schritt festgelegt 738
Um aus Asparagin Aspartat zu bilden, ist ein
adenyliertes Zwischenprodukt erforderlich 740
Die Aminosurebiosynthese wird durch
Rckkopplungshemmung reguliert 750
Fr verzweigte Stoffwechselwege ist eine
ausgeklgelte Regulation erforderlich 751
Die Aktivitt der Glutamin-Synthetase wird
durch eine Enzymkaskade reguliert 753
25
25.1.1
24.2.1
XXIX
25.1.6
25.2
25.2.1
Purinbasen knnen de novo synthetisiert oder
wiederverwertet werden (salvage pathways) 769
Recycling spart intrazellulre
Energieausgaben 769
Inhalt
XXX
26.1.4
26.1.5
His
26.1.6
26.2
26.2.1
26.2.2
26.2.3
26.3
26.3.1
26.3.2
25.2.2
25.2.3
25.2.4
25.3
25.3.1
25.3.2
25.3.3
25.4
Das Purinringsystem wird am Ribosephosphat
aufgebaut 769
Der Aufbau des Purinringes verluft ber
aufeinander folgende Schritte von Aktivierung
durch Phosphorylierung und anschließende
Substitution 770
AMP und GMP entstehen aus IMP 772
26.3.3
Ein radikalischer Mechanismus reduziert
Ribonucleotide zu Desoxyribonucleotiden 773
Thymidylat entsteht durch Methylierung von
Desoxyuridylat 775
Die Dihydrofolat-Reduktase katalysiert die
Regeneration von Tetrahydrofolat, einem
bertrger von C1-Einheiten 776
Einige wertvolle krebshemmende Medikamente
blockieren die Synthese des Thymidylats 777
26.3.6
Entscheidende Schritte der Nucleotidbiosynthese
werden durch Rckkopplungshemmung
reguliert 778
þ
26.3.4
26.3.5
26.4
26.4.1
26.4.2
26.4.3
25.5
NAD , FAD und Coenzym A werden aus ATP
gebildet 779
26.4.4
25.6
Strungen im Nucleotidstoffwechsel knnen zu
pathologischen Zustnden fhren 780
Purine werden im Menschen zu Urat
abgebaut 780
Das Lesch-Nyhan-Syndrom ist eine dramatische
Folge von Mutationen in einem
Recyclingenzym 781
26.4.5
26.6.1
25.6.2
26
Biosynthese der Membranlipide und
Steroide 787
26.1
Phosphatidat ist ein gemeinsames
Zwischenprodukt bei der Synthese von
Phospholipiden und Triacylglycerinen 788
Die Synthese der Phospholipide erfordert die
Bildung eines aktivierten Zwischenprodukts 789
Plasmalogene und andere Etherphospholipide
entstehen aus Dihydroxyacetonphosphat 791
Sphingolipide entstehen aus Ceramid 792
26.1.1
26.1.2
26.1.3
26.4.6
26.4.7
26.4.8
Ganglioside sind kohlenhydratreiche
Sphingolipide, die saure Zucker enthalten 793
Sphingolipide machen Struktur und Funktion von
Lipiden vielgestaltig 794
Das Atemnotsyndrom und die Tay-SachsKrankheit sind die Folge einer Strung im
Lipidstoffwechsel 794
Cholesterin wird in drei Schritten aus AcetylCoenzym A synthetisiert 795
Die Synthese von Cholesterin beginnt mit der
Erzeugung von Mevalonat, das zu
Isopentenylpyrophosphat aktiviert wird 795
Squalen (C30) wird aus sechs Moleklen
Isopentenylpyrophosphat (C5) synthetisiert 796
Squalen zyklisiert zu Cholesterin 798
Die komplexe Regulation der
Cholesterinbiosynthese erfolgt auf mehreren
Ebenen 799
Lipoproteine transportieren Cholesterin und
Triacylglycerine durch den Krper 800
Die Konzentrationen bestimmter Lipoproteine
knnen bei der Diagnose hilfreich sein 801
Lipoproteine mit geringer Dichte spielen eine
wichtige Rolle bei der Regulation des
Cholesterinstoffwechsels 801
Der LDL-Rezeptor ist ein Transmembranprotein
mit fnf verschiedenen funktionellen
Domnen 803
Das Fehlen des LDL-Rezeptors fhrt zu
Hypercholesterinmie und Atherosklerose 803
Die klinische Behandlung des Cholesterinspiegels
lsst sich aufgrund der biochemischen Vorgnge
ableiten 804
Zu den wichtigen Abkmmlingen des
Cholesterins gehren die Gallensalze und die
Steroidhormone 805
Die Nomenklatur der Steroidhormone 806
Steroide werden durch CytochromP450-Monooxygenasen hydroxyliert, die NADPH
und O2 verwenden 807
Das Cytochrom-P450-System ist weit verbreitet
und bt eine Schutzfunktion aus 808
Pregnenolon, eine Vorstufe fr zahlreiche andere
Steroide, entsteht aus Cholesterin durch
Abspaltung einer Seitenkette 809
Die Synthese des Progesterons und der
Corticosteroide aus Pregnenolon 809
Die Synthese der Androgene und strogene aus
Pregnenolon 810
Vitamin D entsteht aus Cholesterin unter der
ringffnenden Wirkung von Licht 811
Isopentenylpyrophosphat ist eine Vorstufe fr
eine Vielzahl von Biomoleklen 812
27
Replikation, Rekombination und Reparatur
von DNA 819
27.1
27.1.1
DNA kann verschiedene Formen annehmen 821
Die A-DNA ist eine Doppelhelix mit anderen
Eigenschaften als die der hufigeren BDNA 821
Inhalt
27.1.2
27.1.3
27.1.4
27.2
Die große und die kleine Furche werden
von sequenzspezifischen Gruppen gesumt,
die Wasserstoffbrcken ausbilden knnen 822
Die Untersuchung einzelner DNA-Kristalle zeigte
lokale Strukturabweichungen 823
Die Z-DNA ist eine linksgngige Doppelhelix, in
der die Phosphatgruppen des Rckgrats im
Zickzack verlaufen 824
DNA-Polymerasen bentigen eine Matrize und
einen Primer 825
27.4.5
27.4.6
27.4.7
27.4.8
27.5
27.5.1
27.5.2
27.6
27.6.1
27.6.2
27.2.1
27.2.2
27.2.3
27.2.4
27.2.5
27.3
27.3.1
27.3.2
27.3.3
27.3.4
27.4
27.4.1
27.4.2
27.4.3
27.4.4
Alle DNA-Polymerasen haben gemeinsame
Strukturmerkmale 825
An der Polymerasereaktion sind zwei gebundene
Metallionen beteiligt 826
Fr die Spezifitt der Replikation sorgen
Wasserstoffbrcken und die komplementren
Formen der Basen 826
Viele Polymerasen unterziehen die neu
angefgten Basen einem Korrekturlesen und
schneiden Fehlstellen aus 827
Die Trennung der DNA-Strnge erfordert
spezifische Helikasen und die Hydrolyse von
ATP 828
Doppelstrngige DNA kann sich um sich selbst
herumwinden und superspiralisierte Strukturen
bilden 829
Die Verwindungszahl der DNA ist eine
topologische Eigenschaft und bestimmt das
Ausmaß der Superspiralisierung 830
Die helikale Verdrehung und die superhelikale
Windung sind ber die Verwindungszahl
verknpft 831
Typ-I-Topoisomerasen katalysieren die
Entspannung superspiralisierter Strukturen 832
Typ-II-Topoisomerasen erzeugen durch Kopplung
an die ATP-Hydrolyse negative
Superspiralen 833
Die Replikation beider DNA-Strnge schreitet
von spezifischen Startpunkten aus schnell
voran 836
Ein RNA-Primer wird von der Primase
synthetisiert und ermglicht den Start der DNASynthese 836
Ein Strang der DNA wird kontinuierlich
synthetisiert, der andere entsteht in
Fragmenten 837
Die DNA-Ligase verknpft DNA-Enden in
Doppelstrangregionen 838
Die DNA-Replikation erfordert hochprozessive
Polymerasen 839
27.6.3
27.6.4
27.6.5
27.6.6
27.6.7
XXXI
Leit- und Folgestrang werden koordiniert
synthetisiert 839
Bei Eukaryoten ist die DNA-Synthese
komplizierter als bei Prokaryoten 840
Telomere sind besondere Strukturen an den
Enden linearer Chromosomen 841
Telomere werden von der Telomerase repliziert,
einer spezialisierten Polymerase, die ihre eigene
RNA-Matrize mitbringt 842
Doppelstrngige DNA-Molekle mit hnlicher
Sequenz rekombinieren manchmal 843
Rekombinationsreaktionen verlaufen ber
Holliday-Zwischenstrukturen 843
Die Rekombinasen sind
entwicklungsgeschichtlich mit den
Topoisomerasen verwandt 845
Mutationen sind mit Vernderungen in der
Basensequenz der DNA verbunden 845
Manche chemischen Mutagene wirken sehr
spezifisch 846
Ultraviolettes Licht lsst Pyrimidindimere
entstehen 847
Die DNA-Reparatur verluft auf verschiedenen
Wegen 847
DNA enthlt Thymin anstelle von Uracil, um die
Reparatur von desaminiertem Cytosin zu
ermglichen 849
Viele Krebsarten entstehen durch fehlerhafte
DNA-Reparatur 849
Manche genetisch bedingten Erkrankungen
entstehen durch die Vermehrung von
Wiederholungseinheiten aus drei
Nucleotiden 850
Viele potenzielle Karzinogene lassen sich
aufgrund ihrer mutagenen Wirkung auf Bakterien
nachweisen 851
859
28
Synthese und Spleißen von RNA
28.0.1
RNA-Synthese: ein berblick
28.1
Die RNA-Polymerase katalysiert die
Transkription 862
Die Transkription beginnt an Promotorstellen auf
der DNA-Matrize 862
Die Sigma-Untereinheiten der RNA-Polymerase
erkennen Promotorstellen 864
Damit die Transkription stattfinden kann,
muss die RNA-Polymerase die Doppelhelix der
Matrize entwinden 865
RNA-Ketten beginnen de novo und wachsen in
5’!3’-Richtung 865
Die Elongation findet an Transkriptionsblasen
statt, die sich entlang der DNA-Matrize
bewegen 866
Bei manchen Genen sorgt eine Stamm-SchleifeStruktur in der RNA gefolgt von mehreren
Uracilresten, fr die Termination der
Transkription 867
Das Rho-Protein hilft bei der Termination der
Transkription einiger Gene 868
Vorstufen der Transfer- und der ribosomalen
RNA werden nach der Transkription gespalten
und chemisch verndert 869
28.1.1
28.1.2
28.1.3
28.1.4
28.1.5
28.1.6
28.1.7
28.1.8
860
XXXII
Inhalt
28.1.9
Antibiotika als Transkriptionshemmer
28.2
Bei Eukaryoten sind Transkription und
Translation rumlich und zeitlich getrennt 871
In Eukaryotenzellen wird die RNA von drei
verschiedenen RNA-Polymerasen
synthetisiert 872
Cis- und trans-aktive Elemente: Schlsser und
Schlssel der Transkription 873
Die meisten Promotoren fr die
RNA-Polymerase II enthalten in der Nhe der
Transkriptionsstartstelle eine TATA-Box 874
Das TATA-Box-Bindeprotein initiiert den
Zusammenbau des aktiven
Transkriptionskomplexes 874
Eine Vielzahl von Transkriptionsfaktoren tritt mit
eukaryotischen Promotoren in
Wechselwirkung 875
Enhancer-Sequenzen knnen die Transkription an
Startstellen stimulieren, die Tausende von Basen
entfernt liegen 876
28.2.1
28.2.2
28.2.3
28.2.4
28.2.5
28.2.6
28.3
28.3.1
28.3.2
28.3.3
28.3.4
28.3.5
28.3.6
28.4
870
Die Transkriptionsprodukte aller drei
eukaryotischen RNA-Polymerasen werden
weiterverarbeitet 877
Die Enden der transkribierten Pr-mRNA
werden mit einem 5’-Cap und einem 3’-Poly(A)Schwanz versehen 877
RNA-Editing verndert die von der mRNA
codierten Proteine 878
Die Spleißstellen in mRNA-Vorlufern sind
durch Sequenzen an den Enden der Introns
gekennzeichnet 879
Das Spleißen besteht aus zwei
Umesterungsreaktionen 880
Kleine Kern-RNAs in den Spleißosomen
katalysieren das Spleißen der mRNAVorstufen 882
Manche Pr-mRNA-Molekle knnen alternativ
gespleißt werden und liefern dann verschiedene
mRNAs 884
Die Entdeckung katalytischer RNA lieferte
wichtige Aufschlsse ber
Reaktionsmechanismen und Evolution 884
29.2.3
29.2.4
29.2.5
29.3
Ein Ribosom ist ein Ribonucleoproteinpartikel
(70S) aus einer kleinen (30S) und einer großen
(50S) Untereinheit 904
29.3.1
Die ribosomalen RNAs (5S-, 16S- und 23SrRNA) spielen fr die Proteinsynthese eine
zentrale Rolle 905
Proteine werden vom Amino- zum Caboxylende
synthetisiert 907
Die Messenger-RNA wird in 5’!3’-Richtung
translatiert 907
Vor dem Startsignal AUG (oder GUG) liegen
mehrere Basen, die sich mit der 16S-rRNA
paaren 908
Die Proteinsynthese der Bakterien beginnt mit
Formylmethionyl-tRNA 909
Ribosomen enthalten drei tRNA-Bindungsstellen,
die Brcken zwischen 30S- und 50S-Untereinheit
darstellen 909
Die wachsende Polypeptidkette wird bei der
Ausbildung der Peptidkette von einer tRNA auf
die andere bertragen 910
Allein die Wechselwirkungen zwischen Codon
und Anticodon bestimmen darber, welche
Aminosure eingebaut wird 912
Manche Transfer-RNA-Molekle erkennen durch
das „Wobble“ der Basenpaarung mehrere
Codons 913
29.3.2
29.3.3
29.3.4
29.3.5
29.3.6
29.3.7
29.3.8
893
29
Proteinsynthese
29.1
Zur Proteinsynthese mssen Nucleotidsequenzen
in Aminosuresequenzen translatiert
werden 894
Die Synthese langer Proteine erfordert eine
geringe Fehlerhufigkeit 895
Die Molekle der tRNA haben ein gemeinsames
Konstruktionsprinzip 896
Die aktivierte Aminosure und das Anticodon
liegen an entgegengesetzten Enden des Lfrmigen tRNA-Molekls 897
29.1.1
29.1.2
29.1.3
29.2
29.2.1
29.2.2
Aminoacyl-tRNA-Synthetasen lesen den
genetischen Code 898
Aminosuren werden zunchst durch
Adenylierung aktiviert 898
Aminoacyl-tRNA-Synthetasen besitzen
hochspezifische Stellen fr die
Aminosureaktivierung 899
Das Korrekturlesen durch die Aminoacyl-tRNASynthetase steigert die Genauigkeit der
Proteinsynthese 900
Synthetasen erkennen die Anticodonschleife und
den Akzeptorstamm der Transfer-RNAMolekle 901
Die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen kann man in
zwei Klassen einteilen 903
29.3.9
29.4
29.4.1
29.4.2
29.4.3
29.4.4
Proteinfaktoren spielen in der Proteinsynthese
eine Schlsselrolle 915
Die Formylmethionyl-tRNAf wird whrend der
Bildung des 70S-Initiationskomplexes in der PStelle des Ribosoms angeordnet 915
Elongationsfaktoren liefern die Aminoacyl-tRNA
zum Ribosom 916
Auf die Bildung einer Peptidbindung folgt die
von GTP angetriebene Translokation der tRNAs
und der mRNA 916
Die Proteinsynthese wird durch
Freisetzungsfaktoren beendet, die Stoppcodons
lesen 917
Inhalt
29.5
29.5.1
29.5.2
Pro- und eukaryotische Proteinsynthese
unterscheiden sich vor allem in der Initiation der
Translation 918
Viele Antibiotika ben ihre Wirkung aus, indem
sie die Proteinsynthese hemmen 920
Das Diphtherietoxin hemmt die Translokation
und blockiert so bei Eukaryoten die
Proteinsynthese 921
929
30
Koordination des Stoffwechsels
30.1
Der Stoffwechsel besteht aus stark untereinander
vernetzten Wegen 930
Immer wiederkehrende Motive der
Stoffwechselregulation 931
Die wichtigsten Stoffwechselwege und
Kontrollstellen 932
Wichtige Knotenpunkte: Glucose-6-phosphat,
Pyruvat und Acetyl-CoA 934
30.1.1
30.1.2
30.1.3
30.2
Jedes Organ hat ein einzigartiges
Stoffwechselprofil 936
30.3
Nahrungsaufnahme und Hunger bewirken
nderungen des Stoffwechsels 939
Stoffwechselanpassungen minimieren bei langen
Hungerperioden den Proteinabbau 941
Die Stoffwechselentgleisungen bei Diabetes
beruhen auf einem relativen Insulinmangel und
Glucagonberschuss 943
Kalorische Homostase: Ein Weg zur Regulation
des Krpergewichts 944
30.3.1
30.3.2
30.3.3
30.4
Die Auswahl der Energiequelle whrend der
Muskelarbeit wird durch Intensitt und Dauer
der Aktivitt bestimmt 944
30.5
Ethanol verndert den Energiestoffwechsel der
Leber 946
31
Kontrolle der Genexpression
31.1
DNA-bindende Proteine der Prokaryoten heften
sich spezifisch an Regulationsstellen in den
Operons 954
Ein Operon besteht aus Regulationselementen
und proteincodierenden Genen 955
Der lac-Operator hat eine symmetrische
Basensequenz 956
In Abwesenheit von Lactose bindet das lacRepressorprotein an den Operator und blockiert
die Transkription 956
Die Ligandenbindung kann
Strukturvernderungen der Regulationsproteine
auslsen 958
Das Operon ist bei Prokaryoten eine allgemein
bliche Regulationseinheit 959
Proteine, die mit der RNA-Polymerase Kontakt
aufnehmen, knnen die Transkription
stimulieren 959
Viele DNA-bindende Proteine der Prokaryoten
enthalten das Helix-Kehre-Helix-Motiv 960
31.1.1
31.1.2
31.1.3
31.1.4
31.1.5
31.1.6
31.1.7
953
31.2
31.2.1
31.2.2
31.2.3
31.2.4
31.2.5
XXXIII
Die grßere Komplexitt der Eukaryotengenome
erfordert ausgefeilte
Genregulationsmechanismen 961
Nucleosomen sind Komplexe aus DNA und
Histonen 962
Die Eukaryoten-DNA ist in den Nucleosomen
um die Histone gewickelt 963
Die Steuerung der Genexpression erfordert die
Umgestaltung des Chromatins 964
Enhancer knnen die Chromatinstruktur stren
und dadurch die Transkription stimulieren 965
Durch DNA-Modifikation kann sich das
Genexpressionsmuster ndern 966
31.3
Aktivierung und Repression der Transkription
erfolgen durch Protein-Protein-Wechselwirkungen 966
31.3.1
Steroide und hnliche hydrophobe Molekle
durchqueren Membranen und heften sich an
DNA-bindende Rezeptoren 967
Die Zellkernhormonrezeptoren regulieren die
Transkription, indem sie Coaktivatoren und
Corepressoren zum Transkriptionskomplex
hinzuziehen 969
Steroidhormonrezeptoren sind Angriffspunkte fr
Medikamente 970
Die Chromatinstruktur wird durch kovalente
Modifikation der Histonschwnze
abgewandelt 971
Histondeacetylasen tragen zur Repression der
Transkription bei 972
Die Bindung eines Liganden an einen
Membranrezeptor kann ber eine
Phosphorylierungskaskade die Transkription
regulieren 973
Durch die Chromatinstruktur sinkt die effektive
Grße des Genoms 974
31.3.2
31.3.3
31.3.4
31.3.5
31.3.6
31.3.7
31.4
31.4.1
31.4.2
Die Genexpression kann auch nach der
Transkription noch kontrolliert werden 975
Die Attenuation ist ein prokaryotischer
Mechanismus, der die Transkription durch
Abwandlung der Sekundrstruktur neu
entstehender RNA-Molekle reguliert 975
Gene, die am Eisenstoffwechsel mitwirken,
werden bei Tieren ber die Translation
reguliert 976
XXXIV
Inhalt
IV.
Reaktionen auf
Umweltvernderungen
32
Sensorische Systeme
32.1
Der Geruchssinn nimmt ein breites Spektrum
organischer Verbindungen wahr 987
Der Geruch wird durch eine riesige Familie von
Rezeptoren mit sieben Transmembranhelices
wahrgenommen 987
Gerche werden durch einen kombinatorischen
Mechanismus entschlsselt 990
Die Kernspintomographie zeigt, in welchen
Gehirnbereichen sensorische Informationen
verarbeitet werden 991
32.1.1
32.1.2
32.1.3
32.2
32.2.1
32.2.2
32.2.3
32.2.4
32.2.5
32.3
985
Geschmack ist eine Kombination mehrerer Sinne
mit unterschiedlichen Mechanismen 992
Die Sequenzierung des menschlichen Genoms
fhrte zur Entdeckung einer großen Familie von
7TM-Rezeptoren fr bitteren Geschmack 993
Auf sße Substanzen spricht eine Familie von
7TM-Rezeptoren an 995
Fr die Wahrnehmung von salzigem
Geschmack sorgen vorwiegend Natriumionen,
die durch Ionenkanle strmen 996
Saurer Geschmack entsteht durch die Wirkung
von Wasserstoffionen (Suren) auf
Ionenkanle 996
Umami, der Geschmack von Glutamat, wird durch
einen spezialisierten Glutamatrezeptor
wahrgenommen 997
Photorezeptormolekle im Auge nehmen
sichtbares Licht wahr 997
32.4.2
In Drosophila und Bakterien identifizierte man
einen mutmaßlichen mechanosensorischen
Kanal 1005
32.5
Zum Tastsinn gehrt die Wahrnehmung von
Druck, Temperatur und anderen Faktoren 1006
Bei der Untersuchung des Capsaicins, des aktiven
Bestandteils in „scharfen“ Paprikaschoten, stieß
man auf einen Rezeptor fr die Wahrnehmung
hoher Temperaturen und anderer schmerzhafter
Reize 1006
Feine sensorische Systeme nehmen das
Erdmagnetfeld und andere Umweltfaktoren
wahr 1007
32.5.1
32.5.2
Das Immunsystem
33.0.1
Das Immunsystem passt sich an und nutzt dazu
die Prinzipien der Evolution 1014
33.1
Antikrper besitzen abgegrenzte
Antigenbindungs- und Effektoreinheiten 1015
33.2
Die Immunglobulinfaltung besteht aus einem
Beta-Sandwich als Gerst und hypervariablen
Schleifen 1019
33.3
Antikrper binden ber ihre hypervariablen
Schleifen spezifische Molekle 1020
Rntgenstrukturanalysen zeigen, wie Antikrper
ihre Antigene binden 1020
Große Antigene binden ber zahlreiche
Wechselwirkungen an Antikrper 1021
33.3.1
33.3.2
33.4
33.4.1
33.4.2
33.4.3
33.4.4
33.5
32.3.1
32.3.2
32.3.3
32.3.4
32.3.5
32.4
32.4.1
Rhodopsin, ein spezialisierter 7TM-Rezeptor,
absorbiert sichtbares Licht 998
Die Lichtabsorption induziert eine spezifische
Isomerisierung des gebundenen 11-cisRetinals 999
Die lichtinduzierte Senkung der
Calciumkonzentration koordiniert die
Regeneration 1000
Fr das Farbensehen sorgen drei zu Rhodopsin
homologe Zapfenrezeptoren 1001
Umordnungen in den Genen fr Grn- und
Rotpigmente fhren zur „Farbenblindheit“ 1003
Das Hren beruht auf der schnellen
Wahrnehmung mechanischer Reize 1003
Haarzellen nehmen winzige Bewegungen mit
einem Bndel verbundener Stereocilien
wahr 1004
1013
33
33.5.1
33.5.2
33.5.3
33.5.4
33.5.5
33.5.6
Die Umordnung von Genen erzeugt
Vielfalt 1023
J-( joining-) und D-(diversity-)Gene steigern die
Antikrpervielfalt 1023
Durch kombinatorische Verknpfung und
somatische Mutation knnen mehr als 108
verschiedene Antikrper entstehen 1025
Die Oligomerbildung von Antikrpern, die auf
der Oberflche unreifer B-Zellen exprimiert
werden, lst die Antikrpersekretion aus 1025
Die verschiedenen Antikrperklassen entstehen
durch das Springen von VH-Genen 1027
Die Proteine des
Haupthistokompatibilittskomplexes prsentieren
auf der Zelloberflche Peptidantigene, die von TZell-Rezeptoren erkannt werden 1028
Die von MHC-Proteinen prsentierten Peptide
besetzen eine tiefe, von a-Helices gesumte
Grube 1030
T-Zell-Rezeptoren sind antikrperhnliche
Proteine mit variablen und konstanten
Regionen 1031
CD8 auf cytotoxischen T-Zellen wirkt mit den
T-Zell-Rezeptoren zusammen 1032
Helfer-T-Zellen stimulieren Zellen, die an MHCKlasse-II-Proteine gebundene krperfremde
Peptide prsentieren 1034
Helfer-T-Zellen bedienen sich des T-ZellRezeptors und des Proteins CD4, um
krperfremde Peptide auf antigenprsentierenden
Zellen zu erkennen 1035
MHC-Proteine sind sehr vielgestaltig 1036
Inhalt
33.5.7
33.6
33.6.1
33.6.2
33.6.3
Die menschlichen Immunschwcheviren
unterwandern das Immunsystem durch
Zerstrung von Helfer-T-Zellen 1037
Immunreaktionen gegen Selbstantigene werden
unterdrckt 1038
T-Zellen unterliegen im Thymus der positiven
und negativen Selektion 1039
Autoimmunerkrankungen entstehen durch eine
Immunreaktion auf Selbstantigene 1040
Das Immunsystem spielt auch fr die
Krebsverhtung eine Rolle 1041
34
Molekulare Motoren 1047
34.1
Die meisten Proteine, die als molekulare
Motoren wirken, gehren zur Superfamilie der PSchleife-NTPasen 1048
Ein Motorprotein besteht aus einem ATPaseCore und einer lnglichen Struktur 1049
Bindung und Hydrolyse von ATP sorgen fr
Vernderungen in Konformation und
Bindungsaffinitt der Motorproteine 1051
34.1.1
34.1.2
34.2
34.2.1
Myosine wandern an Aktinfilamenten
entlang 1053
Der Muskel ist ein Komplex aus Myosin und
Aktin 1054
34.2.2
34.2.3
34.2.4
34.2.5
34.3
34.3.1
34.3.2
34.3.3
34.4
34.4.1
34.4.2
34.4.3
XXXV
Aktin ist ein polares, dynamisches Polymer, das
sich von selbst zusammenlagert 1055
Bewegungen einzelner Motorproteine lassen sich
unmittelbar beobachten 1057
Die Freisetzung von Phosphat lst den
Kraftschlag des Myosins aus 1058
Die Lnge des Hebelarmes bestimmt die
Motorgeschwindigkeit 1059
Kinesin und Dynein wandern an Mikrotubuli
entlang 1060
Mikrotubuli sind hohle, zylinderfrmige
Polymere 1060
Die Bewegung des Kinesins ist
hochprozessiv 1062
Kleine Strukturvernderungen knnen die
Polaritt der Motoren umkehren 1064
Ein Rotationsmotor treibt die Bewegung von
Bakterien an 1065
Bakterien schwimmen mit rotierenden
Flagellen 1065
Ein Protonenfluss treibt die Rotation der
Bakterienflagellen an 1066
Die Chemotaxis der Bakterien beruht auf einer
Richtungsumkehr der Flagellenrotation 1067