Donald Voet, Judith G. Voet
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Donald Voet, Judith G. Voet Biochemie Übersetzung herausgegeben von Alfred Maelicke und Werner Müller-Esterl Übersetzt von Martina Börsch-Supan, Elke Buchholz, Beate Grünemann, Willi Jahnen, Jürgen Kuhlmann, Berthold Schmidt, Marlies Thiedemann, Sebastian Vogel Graphische Gestaltung von Irving Geis VCH Weinheim • New York • Basel • Cambridge • Tokyo Inhaltsübersicht I Einführung 1 2 3 Leben Wäßrige Lösungen Grundlagen der Thermodynamik: Einüberblick II Biomoleküle 4 5 6 7 8 1 3 29 43 55 Aminosäuren Techniken der Proteinreinigung Kovalente Struktur von Proteinen Dreidimensionale Struktur von Proteinen . . Faltung, Dynamik und strukturelle Evolution der Proteine 9 Hämoglobin: Proteinfunktion im Mikrokosmos 10 Zucker und Polysaccharide 11 Lipide und Membranen 57 72 106 141 206 240 265 III Mechanismen der Enzymwirkung 309 12 Enzyme: Eine Einführung 13 Geschwindigkeiten enzymatischer Reaktionen 14 Enzymatische Katalyse 311 323 348 IV Stoffwechsel 387 15 Einführung in den Stoffwechsel 16 Die Glycolyse 17 Glycogenstoffwechsel 18 Transport durch Membranen 19 Citronensäure-Cyclus 20 Elektronentransport und oxidative Phosphorylierung 21 Andere Wege des Kohlenhydrat-Stoffwechsels 22 Photosynthese 23 Lipidstoffwechsel 24 Aminosäurestoffwechsel 25 Koordination des Energiestoffwechsels und Spezialisierung von Organen 26 Nucleotid-Metabolismus 389 420 457 482 504 527 561 586 619 681 733 743 189 V Gen-Expression und Weitergabe der Erbinformation 773 27 DNA: Träger der Erbinformation 775 28 Struktur und Manipulation von Nucleinsäuren 794 29 Transcription 856 30 Translation 898 31 DNA-Replikation, DNA-Reparatur und Rekombination 953 32 Viren: Musterbeispiele für zelluläre Funktionen 997 33 Gen-Expression bei Eukaryonten 1044 34 Molekulare Physiologie 1100 Inhalt I Einführung 1 1 1. Leben Prokaryonten A. Form und Funktion B. Einteilung der Prokaryonten 3 3 3 6 2. Eukaryonten A. Zellstruktur B. Entwicklungsgeschichte und Differenzierung 7 8 3. 13 Biochemie: ein Prolog A. Biologische Strukturen B. Stoffwechselprozesse C. Expression und Übertragung genetischer Information 15 16 16 4. Der Ursprung des Lebens A. Besondere Eigenschaften des Kohlenstoffs B. Chemische Evolution C. Entstehung lebender Systeme 20 20 22 24 5. Biochemische Fachliteratur 26 2 1. Wäßrige Lösungen Eigenschaften des Wassers A. Struktur und Wechselwirkung B. Wasser als Lösungsmittel C. Protonenbeweglichkeit 29 29 29 32 34 Säuren, Basen und Puffersysteme A. Säure-Base-Reaktionen B. Puffer 35 35 37 2. 3 1. Grundlagen der Thermodynamik: Einüberblick Erster Hauptsatz der Thermodynamik: Energie bleibt erhalten A. Energie B. Enthalpie 18 2. Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik: Das Universum strebt einem Zustand maximaler Entropie entgegen A. Spontanität und Unordnung B. Entropie C. Messung der Entropie 44 45 45 47 3. Freie Enthalpie: Ein Maß für Spontanität . . A. Freie Enthalpie (Gibbs-Funktion) . . . . B. Freie Enthalpie und Arbeit 48 48 49 4. Chemisches Gleichgewicht A. Gleichgewichtskonstanten B. Freie Standardenthalpie C. Gekoppelte Reaktion 49 49 50 52 Anhang: Konzentrationsabhängigkeit der Freien Enthalpie 52 II Biomoleküle 55 4 1. Aminosäuren Die Aminosäuren der Proteine A. Allgemeine Eigenschaften B. Peptidbindungen C. Klassifizierung und Charakteristika D. Säure-Base-Eigenschaften E. Anmerkungen zur Nomenklatur 57 57 57 60 61 62 63 2. Optische Aktivität A. Operationale Klassifizierung B. Nomenklatur nach Fischer C. Cahn-Ingold-Prelog-System D. Chiralität und Biochemie 64 64 65 67 68 3. Seltene Aminosäuren A. Aminosäure-Derivate in Proteinen . . . . B. Besondere Funktionen von Aminosäuren . 69 69 69 43 43 43 44 ... XVI Inhalt 5 1. Techniken der Protein-Reinigung Protein-Isolierung A. Auswahl einer Proteinquelle B. Methoden der Solubilisierung C. Stabilisierung von Proteinen D. Proteinnachweise E. Strategien der Protein-Reinigung 72 72 72 73 73 75 75 2. Löslichkeit von Proteinen A. Einflüsse der Salzkonzentration B. Einflüsse organischer Lösungsmittel C. Bedeutung des pH-Werts D. Kristallisation ... 76 76 77 78 78 Chromatographische Trennverfahren . . . . A . Ionenaustausch-Chromatographie . . . . B. Papier-Chromatographie C. Gelfiltrations-Chromatographie D. Affinitätschromatographie E. Andere chromatographische Techniken . . 79 79 82 84 87 89 Elektrophorese A. Papier-Elektrophorese B. Gel-Elektrophorese C. SDS-PAGE D. Isoelektrische Fokussierung E. Kapillarelektrophorese (CE) 92 93 94 97 98 98 3. 4. 5. Ultrazentrifugation A. Sedimentation B. Präparative Ultrazentrifugation 99 99 102 Kovalente Struktur von Proteinen Analyse der Primärstruktur A. Endgruppen-Bestimmung B. Spaltung der Disulfid-Bindungen C. Trennung und Reinigung der Polypeptidketten D.Aminosäuren-Zusammensetzung E. Spezifische Spaltreaktionen für Peptide . . F. Trennung und Reinigung von Peptidfragmenten G.Sequenzierung H. Abfolge der Peptidfragmente I. Anordnung der Disulfid-Brücken X Peptidkartierung K. Nucleinsäure-Sequenzierung 106 107 108 111 2. Protein-Modifikation 120 3. Chemische Evolution A. Sichelzellanämie: Der Einfluß der natürlichen Selektion . . B. Spezifische Veränderungen in homologen Proteinen: Der Effekt der neutralen Drift . C. Evolution durch Genduplikation 121 Polypeptid-Synthese A. Synthetische Verfahren B. Probleme und Ausblicke 135 136 137 6 1. 4. 7 1. Dreidimensionale Struktur von Proteinen Sekundärstruktur A. Peptidgruppen B. Helicale Strukturen C. ^-Strukturen D. Nichtrepetitive Strukturen 2. Faserproteine A. a-Keratin - Eine Helix aus Helices . . . B. Seidenfibroin - Eine ß-Faltblattstruktur C. Kollagen - Ein tripelhelicales Kabel . . D. Elastin - Ein nichtrepetitives Knäuel . . 3. 4. 5. 8 1. ... . . . . 141 141 141 145 148 150 153 154 155 156 162 Globuläre Proteine A. Interpretation von Röntgenstrukturen der Proteine B. Tertiärstruktur 163 Protein-Stabilisierung A. Elektrostatische Kräfte B. Wasserstoffbrücken-Bindung C. Hydrophobe Kräfte D. Disulfid-Bindungen E. Protein-Denaturierung 173 174 175 176 179 179 Quartärstruktur A. Wechselwirkungen der Untereinheiten B. Symmetrie in Proteinen " C. Bestimmung der Zusammensetzung der Untereinheiten D. Multienzymkomplexe 163 167 . . 180 181 181 182 185 Faltung, Dynamik und strukturelle Evolution der Proteine Proteinfaltung: Theorie und Experiment . . . A. Protein-Renaturierung B. Faltungsabläufe C. Vorhersage der Proteinstruktur 189 189 189 192 196 113 113 115 2. Proteindynamik 199 3. 117 117 117 118 119 120 Strukturelle Evolution A. Strukturen des Cytochroms c B. Gen-Duplikation 201 201 203 9 1. Hämoglobin: Proteinfunktion im Mikrokosmos Funktion des Hämoglobins A. Häm B. Sauerstoffbindung C. Kohlendioxidtransport und Bohr-Effekt . D. Bedeutung von BPG für die O2-Bindung . 206 206 207 208 210 211 2. Struktur und Mechanismus A. Struktur von Myoglobin B. Struktur von Hämoglobin C. Mechanismus der Kooperativst bei der Sauerstoffbindung D. Untersuchung des Perutz-Mechanismus . . E. Ursprung des Bohr-Effekts F. Strukturvorraussetzungen für die BPG-Bindung 213 214 215 121 127 133 217 221 223 224 Inhalt 3. 4. Anormale Hämoglobine A. Molekulare Pathologie des Hämoglobins . B. Molekulare Basis der Sichelzell-Anämie . . 224 224 226 Allosterische Regulation A. Adair-Gleichung B. Symmetriemodell C. Sequentielles Modell D. Kooperativität des Hämoglobins 231 231 232 235 236 Anhang: Ableitung der Gleichungen zum Symmetriemodell A. H o m o t r o p e Wechselwirkungen Gleichung 9.22 B. Heterotrope Wechselwirkungen Gleichung 9.23 10 1. 2. 3. Zucker und Polysaccharide Monosaccharide A. Einteilung B . Konfiguration uind Konformation C. Zuckerderivate 237 237 .... 240 240 241 242 244 Polysaccharide A. Analytik der Kohlenhydrate B. Disaccharide C. Struktur-Polysaccharide: Cellulose und Chitin D. Dcpot-Polysaccharidc: Stärke und Glycogen E. Glycosaminoglycane 247 247 248 249 251 Glycoproteine , A. l'i'uleoglyciiiic B. Die Bakterienzellwand C. Struktur und Funktion der Glycoproteine 254 2,">4 256 259 2. Eigenschaften von Lipidaggregaten A. Micellen und Doppelschichten B. Liposomen 272 273 274 Biologische M e m b r a n e n A. Membranproteine B. Fluid-Mosaik-Modell der Membranstruktur C. Die Erythrocytenmembran D. Blutgruppen E. Gap Junctions F. Membrananordnung und Protein-Targeting 278 278 282 285 287 290 291 Lipoproteine A. Struktur der Lipoproteine 298 298 4. 303 309 12 1. Enzyme: Eine Einführung Historischer Überblick 311 311 2. Substratspezifität A. Stereospezifität B. Geometrische Spezifität 312 313 314 3. Coenzyme 315 4. Regulation der Enzymaktivität 316 5. Einführung i n die Enzymnomenklatur . . . . 320 13 Geschwindigkeiten enzy malischer Reaktionen . 1. Chemische Kinetik A . BlementiuToiLklionun . . . . . . , , . . , B . Reuktionsgeschwindigkeilen . . . . . . . C. Theorie des Übergangszustandes 323 323 323 324 325 2. Enzymkinetik A. Michaelis-Menten-Gleichung B. Analyse kinetischer Daten C. Reversible Reaktionen 329 329 331 332 3. Hemmung A. Kornpetiüve Hemmung B , Unkompetitive Hemmung . . . . , . , , t , UöiniNcIilc Hemmung , 334 334 336 ,U7 4. Einfluß des pH-Wertes 338 5. Hi.suhslrul-Kcukliinicn A. Terminologie B. Geschwindigkeitsgleichungen C. Unterscheidung von BisubstratMechanismen D. Isotopenaustausch 340 340 341 249 265 265 265 266 267 269 271 300 III Mechanismen der Enzymwirkung 237 11 Lipide und Membranen 1. Einteilung der Lipide A. Fettsäuren B. Triacylglyceride C. Glycerophospholipide D. Sphingolipide E. Cholesterin 3. B. Physiologische Funktionen der Lipoproteine C. Funktionsstörung der Lipoproteine bei Atherosklerose XVII Anhang: Ableitungen der verschiedenen Formen der Michaelis-Menten-Gleichung A. Michaelis-Menten-Gleichung für reversible Reaktionen - Gleichung 13.30 B. Michaelis-Menten-Gleichung für unkompetitive Hemmung - Gleichung 13.41 . . . C. Michaelis-Menten-Gleichung für gemischte Hemmung - Gleichung 13.45 D. Berücksichtigung von pH-Effekten in der Michaelis-Menten-Gleichung Gleichung 13.47 14 1. Enzymatische Katalyse Katalysemechanismen A. Säure-Base-Katalyse B. Kovalente Katalyse 342 343 344 344 345 345 346 348 348 348 351 XVIII 2. 3. 4. Inhalt C. Metallionen-Katalyse D. Elektrostatische Katalyse E. Katalyse durch Nachbargruppenund Orientierungseffekte F. Katalyse durch Bindung des Übergangszustandes 353 354 356 Lysozym A. Enzymstruktur B. Katalysemechanismus C. Überprüfung des Phillips-Mechanismus . . 358 358 362 364 Serin-Proteasen A. Kinetik und katalytische Gruppen B. Röntgenstrukturanalyse C. Katalysemechanismus D. Experimentelle Überprüfung des Katalysemechanismus E. Zymogene 366 366 368 371 354 . . . . Glutathion-Reduktase 16 Die Glycolyse 1. Reaktionsfolge der Glycolyse A. Geschichtlicher Überblick B. Übersicht über den Glycolysestoffwechselweg 422 2. 424 372 375 376 IV Stoffwechsel 387 15 Einführung in den Stoffwechsel 1. Stoffwechselwege 389 389 3. 2. 392 392 394 395 4. 3. 4. Organische Reaktionsmechanismen A. Chemische Grundlagen B. Gruppenübertragungen C. Oxidationen und Reduktionen D. Eliminierungen, Isomerisierungen und Umlagerungen E. Reaktionen unter Bruch und Bildung von C-C-Bindungen Experimentelle Ansätze zur Untersuchung des Stoffwechsels A. Stoffwechsel, Wachstumsuntersuchungen und molekulare Genetik B. Isotope in der Biochemie C. Isolierte Organe, Zellen und subzelluläre Organellen 396 398 398 399 400 404 Thermodynamik von Phosphatverbindungen . A . Phosphorylgruppenübertragungen . . . . B. Zum Begriff der „Energie" bei energiereichen Verbindungen C. Rolle des ATP 404 405 5. Oxidations-Reduktions-Reaktionen A. Nernst-Gleichung B. Messung von Redoxpotentialen C. Konzentrationszellen 411 411 412 413 6. Thermodynamik biologischer Prozesse . . . . A. Lebende Systeme sind im Nichtgleichgewicht B. Nichtgleichgewichtsthermodynamik und Fließgleichgewicht C. Thermodynamik der Stoffwechselkontrolle 414 406 408 414 414 415 5. Die einzelnen Reaktionsschritte der Glycolyse . A. Hexokinase: Der Verbrauch des ersten Moleküls ATP B. Glucosephosphat-Isomerase C. Phosphofructokinase: Der Verbrauch des zweiten Moleküls ATP D. Aldolase E. Triosephosphat-Isomerase F. Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase: Erste Bildung eines energiereichen Zwischenprodukts G. Phosphoglycerat-Kinase: Produktion des ersten Moleküls ATP . . . H. Phosphoglycerat-Mutase I. Enolase: Bildung eines zweiten energiereichen Zwischenprodukts J. Pyruvat-Kinase: Bildung des zweiten Moleküls ATP . . . . 420 420 420 424 426 427 428 431 432 434 434 436 438 Gärung: Anaerober Pyruvatabbau . . . . . . . A. Homolactische Fermentation B. Alkoholische Gärung C. Energetik der Gärung Kontrolle des Stoffwechselflusses A. Erzeugung des Flusses B. Kontrolle der Glycolyse im Muskel . . . . 439 440 442 444 444 445 446 Stoffwechsel anderer Hexosen A. Fructose B. Galactose C. Mannose 450 451 452 454 17 Glycogenstoffwechsel 1. Glycogenabbau A. Glycogen-Phosphorylase B. Glucosephosphat-Mutase C . Das Glycogen-Debranching-Enzym . . . . D. Thermodynamik des Glycogenstoffwechsels: Die Notwendigkeit getrennter Wege für Synthese und Abbau 2. Glycogensynthese A . UDP-Glucose-Pyrophosphorylase . . . . B. Glycogen-Synthase C. Glycogenverzweigung 3. Die Kontrolle des Glycogenstoffwechsels . . A. Direkte allosterische Kontrolle von GlycogenPhosphorylase und Glycogen-Synthase . . B. Kovalente Modifikation von Enzymen durch cyclische Kaskaden: Verstärkung des Effektor-„Signals" . . . . C. Bicyclische Glycogen-PhosphorylaseKaskade 457 458 458 462 462 462 463 464 464 465 466 466 467 469 Inhalt D. Bicyclische Glycogen-Synthase-Kaskade . E. Integration der GlycogenstoffwechselKontrollmechanismen F. Aufrechterhaltung des Blutglucosespiegels G. Reaktion auf Streß 473 474 476 20 Elektronentransport und oxidative Phosphorylierung 1. Mitochondrium A. Aufbau des Mitochondriums B. Mitochondriales Transportsystem Glycogenspeicherkrankheiten 476 473 XIX . . . . 527 528 528 529 2. Elektronentransport A. Thermodynamik des Elektronentransports B. Reaktionsfolge beim Elektronentransport . C. Komponenten der Elektronentransportkette 532 532 533 536 3. Oxidative Phosphorylierung A. Hypothesen zur Energiekopplung . . . . B. Erzeugung des Protonengradienten . . . . C. Mechanismus der ATP-Synthese D. Entkopplung der oxidativen Phosphorylierung 545 545 546 549 Kontrolle der ATP-Produktion A. Kontrolle der oxidativen Phosphorylierung B. Koordinierte Kontrolle der ATP-Produktion C. Physiologische Bedeutung der Konkurrenz von aerobem und anaerobem Stoffwechsel 555 555 556 557 21 Andere Wege des Kohlenhydrat-Stoffwechsels . 1. Gluconeogenese A. Gluconeogenese-Stoffwechselweg B. Regulation der Gluconeogenese C. Cori-Cyclus 561 561 562 567 568 499 499 500 501 2. Glyoxylat-Cyclus 568 3. Biosynthese von Oligosacchariden und Glycoproteinen A. Lactose-Synthese B. Glycoprotein-Synthese 570 570 571 19 Citronensäure-Cyclus 1. Überblick A. Reaktionen B. Geschichte 504 504 504 506 4. 2. 507 4. Anhang: Kinetik einer cyclischen Kaskade . . . . 479 18 Transport durch Membranen 1. Thermodynamik des Transports 482 482 2. Kinetik und Mechanismus des Transports . . A. Nichtkatalysierter Transport B. Kinetik des katalysierten Transports: Glucosetransport in das Innere von Erythrocyten C. Ionophoren D. Mechanismus des passiv katalysierten Glucose-Transports . . . . . . . . . . . 483 483 Durch ATP angetriebener aktiver Transport . A. Die (Na ' /K ' )-ATPase der Plasmamembran B. Ca2 + -ATPase C. Die (H + /K + )-ATPase der Magenschleimhaut D. Gruppentranslokation 491 3. 4. Durch Ionengradienten angetriebener aktiver Transport A. Na+/Glucose-Symport B. Lactose-Permease C. ADP/ATP-Translokator 484 486 489 492 495 497 497 Stoffwechselquellen für Acetyl-Coenzym A . A. Pyruvat-DehydrogenaseMultienzymkomplex B. Kontrolle der Pyruvat-Dehydrogenase . . 507 511 Enzyme des Citronensäure-Cyclus A. Citrat-Synthase B. Aconitase C. NAD+-abhängige Isocitrat-Dehydrogenase D. a-Ketoglutarat-Dehydrogenase E. Succinyl-CoA-Synthetase F. Succinat-Dehydrogenase G. Fumarase H. Malat-Dehydrogenase I. Gesamtbild des Citronensäure-Cyclus . . . 512 513 514 515 516 516 517 518 519 520 4. Regulation des Citronensäure-Cyclus . . . . 521 5. Amphibole Natur des Citronensäure-Cyclus . 523 3. 4. Pentosephosphat-Cyclus A. Oxidative Reaktionen bei der NADPHProduktion B. Isomerisierung und Epimerisierung von Ribulose-5-phosphat C. Reaktionen zur Knüpfung und Spaltung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen . D. Regulation des Pentosephosphat-Cyclus . E. Mangel an Glucose-6-phosphatDehydrogenase 552 578 578 580 580 583 583 22 Photosynthese 1. Chloroplasten 586 587 2. Lichtreaktionen A. Absorption von Licht B. Elektronentransport bei photosynthetischen Bakterien C. Elektronentransport-Zentren D. Photophosphorylierung 588 588 Dunkelreaktionen A. Calvin-Cyclus 607 607 3. 594 598 606 XX Inhalt B. Kontrolle des Calvin-Cyclus C. Photorespiration und C4-Cyclus 612 612 23 Lipidstoffwechsel 1. Verdauung, Aufnahme und Transport von Fetten 619 2. Fettsäureoxidation A. Aktivierung der Fettsäuren B. Transport durch die Mitochondrienmembran C. j?-Oxidation D. Oxidation ungesättigter Fettsäuren . . . . E. Oxidation von Fettsäuren mit einer ungeraden Zahl von Kohlenstoffatomen . F. Peroxisomale ß-Oxidation G. Untergeordnete Reaktionswege der Fettsäureoxidation Ketonkörper 621 622 Biosynthese von Fettsäuren A. Überblick über die Fettsäuresynthese . . . B. Acetyl-CoA-Carboxylase C. Fettsäure-Synthase D. Transport von Acetyl-CoA aus den Mitochondrien ins Cytosol E. Elongasen und Desaturasen F. Synthese von Triacylglycerinen 635 635 636 637 5. Regulation des Fettsäurestoffwechsels . . . . 643 6. Cholesterinstoffwechsel A. Biosynthese von Cholesterin B. Kontrolle der Biosynthese und des Cholesterin-Transports C. Verwertung von Cholesterin 647 647 3. 4. 7. 8. Arachidonsäurestoffwechsel: Prostaglandine, Prostacycline, Thromboxane und Leukotriene . A. Hintergrund B. Der cyclische Weg des Arachidonsäurestoffwechsels: Prostaglandine, Prostacyline und Thromboxane C. Der lineare Weg des Arachidonsäurestoffwechsels: Leukotriene 619 3. 622 623 627 628 632 632 633 641 642 643 4. Harnstoff-Cyclus A. Carbamoylphosphat-Synthetase: Einbau des ersten Stickstoffatoms von Harnstoff . B. Ornithin-Transcarbamoylase C. Argininsuccinat-Synthetase: Einbau des zweiten Stickstoffatoms von Harnstoff D. Arginin-Succinase E. Arginase F. Regulation des Harnstoff-Cyclus Metabolischer Abbau einzelner Aminosäuren A. Aminosäuren können glucogen oder ketogen sein B. Alanin, Cystein, Glycin, Serin und Threonin werden zu Pyruvat abgebau C. Asparagin und Aspartat werden zu Oxalacetat abgebaut D. Arginin, Glutamat, Glutamin, Histidin und Prolin werden zu a-Ketoglutarat abgebaut E. Isoleucin, Methionin und Valin werden zu Succinyl-CoA abgebaut F. Leucin und Lysin werden zu Acetoacetat oder Acetyl-CoA abgebaut G. Tryptophan wird zu Alanin und Acetyl-CoA abgebaut H. Phenylalanin und Tyrosin werden zu Fumarat und Acetoacetat abgebaut . . 685 685 687 687 687 688 688 689 689 690 692 693 693 697 697 697 Aminosäuren als Vorstufen bei Biosynthesen . A. Häm: Biosynthese und Abbau B. Biosynthese physiologisch aktiver Amine . C. Glutathion D. Tetrahydrofolat-Coenzyme: Stoffwechsel von ^-Einheiten 703 704 711 712 714 656 659 5. Aminosäurebiosynthese A. Biosynthese nichtessentieller Aminosäuren B. Biosynthese essentieller Aminosäuren . . . 717 717 722 659 660 6. Stickstoff-Fixierung 729 663 25 665 1. Koordination des Energiestoffwechsels und Spezialisierung von Organen Die wichtigsten Stoffwechselwege und Strategien des Energiehaushalts: Eine Zusammenfassung A. Glycolyse (Kap. 16) B. Gluconeogenese (Abschn. 21-1) C. Abbau und Synthese von Glycogen (Kap. 17) D. Abbau und Synthese von Fettsäuren (Abschn. 23-1 bis 23-5) E. Citronensäure-Cyclus (Kap. 19) F. Oxidative Phosphorylierung (Kap. 20) . . G. Pentosephosphatweg (Abschn. 21-4) . . . H. Abbau und Synthese von Aminosäuren (Abschn. 24-1 bis 24-5) Stoffwechsel der Phospholipide und Glycolipide 668 A. Glycerophospholipide 668 B. Sphingophospholipide 671 C. Sphingoglycolipide 671 24 Aminosäurestoffwechsel 1. Aminosäure-Desaminierung A. Transaminierung B. Oxidative Desaminierung: Glutamat-Dehydrogenase C. Andere Desaminierungsmechanismen . . . 2. 681 681 682 684 685 733 733 733 733 734 735 735 735 735 735 Inhalt 2. 3. Spezialisierung von Organen A. Gehirn B. Muskel C. Fettgewebe D.Leber 736 736 736 738 739 Anpassung des Stoffwechsels A. Fasten B. Diabetes mellitus 740 740 741 26 Nucleotid-Metabolismus 1. Chemische Strukturen von Nucleotiden, Nucleosiden und Basen 2. 3. 4. 5. 6. V 2. Doppelhellx-Strukturen A. Die Watson-Crick-Struktur: B-DNA . . . B. Andere Nucleinsäure-Helices C. Größe der DNA 796 797 803 806 3. Strukturstabilisierende Kräfte bei Nucleinsäuren A. Denaturierung und Renaturierung . . . . B. Konformation des Zucker-Phosphat-Gerüsts C. Basenpaarung D. Basenstapelung und hydrophobe Wechselwirkungen E. Ionische Wechselwirkungen 745 745 748 749 750 750 751 752 Bildung von Desoxyribonucleotiden A. Produktion der Desoxyribose-Reste B. Ursprung von Thymin 753 754 758 . . . Nucleotidabbau A. Purine B. Harnsäure C. Pyrimidine . . . Gen-Expression und Weitergabe der Erbinformation Die DNA ist Träger der genetischen Information A. Die DNA ist das transformierende Prinzip . B. DNA ist die Erbsubstanz der Bakteriophagen 765 766 768 768 773 775 775 776 776 779 783 786 808 808 810 812 814 816 Nucleinsäure-Fraktionierung A. Lösungsverfahren B. Chromatographie C. Elektrophorese D. Ultrazentrifugation 817 817 817 818 820 5. Superspiralisierte DNA A. Topologie der Superhelix B. Messung der Superspiralisierung C. Topoisomerasen 821 822 825 826 6. Nucleinsäure-Sequenzierung A. Restriktions-Endonucleasen B. Chemische Spaltung von DNA C. Kettenabbruch-Methode D. RNA-Sequenzierung 829 830 834 838 840 7. Chemische Synthese von Oligonucleotiden . . 841 8. Molekulare Klonierung A. Klonierungsvektoren B. Gen-Spleißen C. Genomische Banken D. DNA-Amplifikation durch PolymeraseKettenreaktion E. Herstellung von Proteinen F. Ethische Erwägungen 842 844 846 848 29 Transcription 1. Die Rolle der RNA in der Proteinsynthese . . A. Enzym-Induktion B. Messenger-RNA 856 857 857 859 2. RNA-Polymerase A. Struktur des Enzyms B. Bindung an die Matrize C. Ketteninitiation D. Kettenelongation E. Kettentermination F. Eukaryontische RNA-Polymerasen . . . . 861 861 861 863 864 867 869 3. Kontrolle der Transcription in Prokaryonten . A. Promotoren 871 872 790 790 792 794 4. 752 761 761 764 765 27 DNA: Träger der Erbinformation 1. Genetik: Ein Überblick A. Chromosomen B. MendeljVererbungslehre C. Chromosomale Theorie der Vererbung . . D. Genetik der Bakterien E. Genetik der Viren: Bakteriophagen . . . . 2. 794 743 Synthese von Pyrimidinribonucleotiden . . . A. UMP-Synthese B. UTP- und CTP-Synthese C. Regulation der PyrimidinnucleotidBiosynthese Biosynthese von Nucleotid-Coenzymen A. Nicotinamid-Coenzyme B. Flavin-Coenzyme C. Coenzym A 28 Struktur und Manipulation von Nucleinsäuren . 1. Chemische Struktur und Basenzusammensetzung 743 Synthese von Purinribonucleotiden A. Synthese von Inosinmonophosphat . . . . B. Synthese von Adenin- und Guaninribonucleotiden aus Inosinmonophosphat . . . C. Regulation der Purinnucleotid-Biosynthese . D. Purin-Recycling XXI 849 850 851 XXII Inhalt B. /flc-Repressor C. Katabolische Repression: Ein Beispiel für Gen-Aktivierung D. Das araiL4.D-Operon: Positive und negative Kontrolle durch ein Protein E. Das trp-Opeion: Attenuierung (Transcriptions-Verzögerung) F. Regulation der Synthese der ribosomalen RNA: Stringente Kontrolle 872 Posttranscriptionale Modifikationen A. Messenger-RNA-Prozessierung B. Prozessierung der ribosomalen RNA . . . C. Prozessierung der Transfer-RNA 885 885 890 893 30 Translation 1. Der genetische Code A. Chemische Mutagenese B. Codons bestehen aus Basentripletts . . . . C. Gene und die von ihnen codierten Polypeptide sind colinear D. Entschlüsselung des genetischen Codes . . E . Beschaffenheit des Codes . . . . . . . . 898 898 899 900 4. 2. 874 879 901 901 904 Ribosomen A. Ribosomen-Struktur B. Polypeptid-Synthese: Ein Überblick . . . C. Kettenstart D. Kettenverlängerung E. Kettenabbruch F. Genauigkeit der Translation G. Antibiotika, Inhibitoren der Proteinsynthese 917 918 925 927 930 933 934 4. Translationskontrolle in Eukaryonten . . . . A . Translationskontrolle durch Häm . . . . B. Interferon C. mRNA-Maskierung 938 938 939 940 5. Posttranslationale Modifikation A. Proteolytische Spaltung B. Kovalente Modifikation 940 940 942 6. Proteinabbau A. Der Abbau erfolgt spezifisch B. Abbaumechanismen 943 943 944 7. Nichtribosomale Polypeptid-Synthese . . . . 946 31 DNA-Replikation, DNA-Reparatur und Rekombination DNA-Replikation: Ein Überblick A. Replikationsgabeln 953 953 953 935 . . . . 955 955 956 Enzyme der Replikation A. DNA-Polymerase I B. DNA-Polymerase III C. Helicasen, DNA-bindende Proteine und DNA-Ligasen 957 957 960 3. Replikationsmechanismen von Prokaryonten . A. Bakteriophage M l 3 B. Bakteriophage 0X174 C. E. coli D. Genauigkeit der Replikation 962 963 963 966 970 4. DNA-Replikation bei Eukaryonten A. Der Zellcyclus B. DNA-Polymerasen von Eukaryonten . . . C. Reverse Transcriptase D. Telomere und Telomerase 971 971 971 974 974 5. DNA-Reparatur A. Direkte Behebung des Schadens B. Excisionsreparatur C. Rekombinationsreparatur D. Die SOS-Antwort E. Identifizierung von Carcinogenen 975 975 976 977 978 980 6. Rekombination und mobile genetische Elemente A. Allgemeine Rekombination B. Transposition 981 981 985 DNA-Methylierung 991 883 906 906 907 910 914 917 1. 2. 881 Transfer-RNA A. Primär- und Sekundärstrukturen B. Tertiärstruktur C. Aminoacyl-tRNA-Synthetasen D . Codon-Anticodon-Wechselwirkungen . . . E. Nonsense-Suppression 3. B. Rolle der DNA-Gyrase C . Semidiskontinuierliche Replikation D. RNA-Primer 7. 961 32 Viren: Musterbeispiele für zelluläre Funktionen . 997 1. Tabakmosaik-Virus 999 A. Struktur 999 B. Organisation 1002 2. Sphärische Viren A. Architektur der Viren B. Tomaten-Zwergbusch-Virus C. Picorna-Viren 1004 1004 1007 1010 3. Bakteriophage X A. Lytischer Lebenscyclus B. Zusammenbau der Viruspartikel C. Lysogener Infektionscyclus D. Mechanismus der 2-Umschaltung 4. Influenza-Virus 1028 A. Struktur und Lebenscyclus von Influenza-Viren 1030 B. Mechanismus der Antigen-Variation . . . 1033 5. Subvirale Pathogene A. Viroide B. Prions 1010 1013 1017 1021 . . . . 1023 1035 1035 1039 Inhalt 33 Gen-Expression bei Eukaryonten 1. Chromosomenstruktur A. Histone B. Nucleosomen: Erste Organisationsebene des Chromatins C. 30-nm-Filamente: Zweite Organisationsebene des Chromatins D. Radiale Schleifen: Dritte Organisationsebene des Chromatins E. Polytänchromosomen 2. 3. 4. Aufbau des Genoms A. C-Wert-Parodoxon B. Repetitive Sequenzen C. Tandemförmige Gen-Gruppen D. Gen-Amplifikation E. Gen-Familien: Aufbau der Hämoglobin-Gene F. Bedeutung der Introns G. Thalassämien: Genetisch bedingte Störungen der Hämoglobinsynthese 1044 1044 1045 1046 1050 1051 1052 1053 1054 1055 1059 1061 1063 1065 34 Molekulare Physiologie 1100 1. Blutgerinnung 1100 A. Fibrinogen und seine Umwandlung in Fibrin 1102 B. Aktivierung von Thrombin und die Funktion von Vitamin K . . . . 1105 C. Der intrinsische Reaktionsweg 1107 D. Der extrinsische Reaktionsweg . . . . . . 1108 E. Steuerung der Blutgerinnung 1109 F. Auflösung von Blutgerinnseln 1109 2. Immunität A. Immunantwort B. Struktur von Antikörpern C. Entstehung der Antikörper-Vielfalt . . . . D. T-Zell-Rezeptoren E. Haupt-Histokompatibilitätskomplex . . . F. Das Complement-System 3. Bewegung: Muskeln, Cilien und Geißeln . . A. Die Struktur quergestreifter Muskeln . . B. Mechanismus der Muskelkontraktion . . C. Regulation der Muskelkontraktion . . . D. Glatte Muskeln E. Actin und Myosin in Nicht-Muskelzellen F. Cilienbewegung und Vesikeltransport . . G. Bakterien-Geißeln 4. Biochemische Kommunikation: Hormone und Nervenleitung . . . . . . . . A. Endokrines System B. Sekundäre Botenstoffe C. Neurotransmission . . . 1067 Regulation der Gen-Expression A. Aktivierung von Chromosomen B. Regulation der Transcriptions-Initiation C. Andere Mechanismen der Expressionssteuerung 1069 1069 . 1071 1078 Zelldifferenzierung 1080 A. Embryonalentwicklung 1080 B. Molekulare Grundlagen der Entwicklung . 1083 C. Molekulare Ursachen von Krebs: Oncogene 1089 XXIII Register 1110 1110 1113 1120 1127 1127 1130 . . . . 1135 1135 1141 1143 1146 . 1148 . 1151 1156 1158 1158 1171 1179 1197
