Donald Voet, Judith G. Voet

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