Biochemie: Die molekulare Logik in lebenden Organismen 3 Zellen 17
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Inhalt Teil 1: B i o m o l e k ü l e 1 Kapitel 1 Biochemie: Die molekulare Logik in lebenden Organismen Die lebende Materie besitzt mehrere typische Eigenschaften Die Biochemie versucht, den Zustand „Leben" zu verstehen Alle lebenden Organismen enthalten organische Makromoleküle, die nach einem einheitlichen Plan gebildet werden Lebende Organismen tauschen Energie und Materie aus Enzyme, die Katalysatoren der lebenden Zelle, beschleunigen strukturierte Sequenzen chemischer Reaktionen Zellen benutzen chemische Energie Der Zellstoffwechsel wird ständig reguliert Lebende Organismen reproduzieren sich mit großer Genauigkeit . . . ' 3 3 5 6 8 10 10 11 12 Kapitel 2 Zellen 17 Alle Zellen besitzen einige gemeinsame Strukturmerkmale Zellen müssen sehr kleine Abmessungen haben Es gibt zwei große Klassen von Zellen: Prokaryoten und Eukaryoten Die Prokaryoten sind die kleinsten und einfachsten Zellen Escherichia coli ist die am besten untersuchte Prokaryoten-Zelle.... Eukaryoten-Zellen sind größer und komplexer als Prokaryoten Der Zellkern der Eukaryoten besitzt eine sehr komplexe Struktur . . Mitochondrien sind die Kraftwerke der Eukaryoten-Zellen Das endoplasmatische Reticulum bildet Kanäle durch das Cytoplasma Der Golgi-Apparat ist ein Sekretionsorgan Lysosomen sind Bläschen mit hydrolysierenden Enzymen Peroxisomen sind Peroxid-zerstörende Vesikel Mikrofilamente spielen bei kontraktilen Prozessen der Zelle eine Rolle Mikrotubuli haben ebenfalls eine Funktion bei der Zellbewegung... Mikrofilamente, Mikrotubuli und das mikrotrabekulare Geflecht bilden das Cytoskelett Cilien und Geißeln erzeugen die Antriebskräfte der Zellen Das Cytoplasma enthält außerdem Granula Das Cytosol ist die wäßrige Phase des Cytoplasmas Die Zellmembran besitzt eine große Oberfläche Die Oberflächen vieler Tierzellen haben außerdem „Antennen" Eukaryotische Pflanzenzellen besitzen einige spezielle Eigenschaften. Viren sind supramolekulare Parasiten 18 18 http://d-nb.info/870161970 20 20 22 25 28 29 30 31 32 33 33 34 34 35 37 38 38 39 41 43 XII Inhalt Zusammenfassung Aufgaben 45 46 Kapitel 3 Die Zusammensetzung lebender Materie: Biomoleküle Die chemische Zusammensetzung lebender Materie unterscheidet sich von der in der Erdkruste Die meisten Biomoleküle sind Kohlenstoffverbindungen Organische Biomoleküle haben spezifische Formen und Abmessungen Die funktionellen Gruppen organischer Biomoleküle bestimmen ihre chemischen Eigenschaften Viele Biomoleküle sind asymmetrisch Die Hauptklassen von Biomolekülen in Zellen sind sehr große Moleküle Makromoleküle sind aus kleinen Bausteinmolekülen aufgebaut Die Bausteinmoleküle besitzen einfache Strukturen Es gibt eine Hierarchie der Zellstrukturen Biomoleküle entstanden ursprünglich durch chemische Evolution... Die chemische Evolution kann simuliert werden Zusammenfassung Aufgaben 51 51 52 53 56 58 60 61 62 63 66 67 70 71 Kapitel 4 Wasser 75 Die ungewöhnlichen physikalischen Eigenschaften des Wassers beruhen auf Wasserstoffbindungen 75 Wasserstofibindungen kommen in biologischen Systemen häufig vor 77 Wasser besitzt als Lösungsmittel ungewöhnliche Eigenschaften 78 Gelöste Substanzen verändern die Eigenschaften des Wassers 80 Die Lage des Gleichgewichtes reversibler Reaktionen wird durch die Gleichgewichtskonstante ausgedrückt 82 Die Dissoziation des Wassers wird durch eine Gleichgewichts­ konstante ausgedrückt 83 Die pH-Skala ist ein Maß für die H + - und die O H "-Konzentra­ tionen 85 Kasten 4-1: Das Ionenprodukt des Wassers 86 Säuren und Basen spiegeln die Eigenschaften des Wassers wider 87 Schwache Säuren besitzen charakteristische Titrationskurven 88 Puffer sind Mischungen schwacher Säuren und ihrer konjugierten Basen 91 Phosphat und Hydrogencarbonat sind wichtige biologische Puffer .. 93 Kasten 4-2: Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung 94 Kasten 4-3: Die Wirkung des Hydrogencarbonat-Puffersystems im Blut 96 Die Eignung des Wassers als Umwelt für lebende Organismen 97 Saurer Regen verschmutzt unsere Seen und Flüsse 98 Zusammenfassung 99 Aufgaben 100 Kapitel 5 Aminosäuren und Peptide 105 Aminosäuren haben gemeinsame strukturelle Eigenschaften Fast alle Aminosäuren haben ein asymmetrisches Kohlenstoffatom . Stereoisomere werden nach ihrer absoluten Konfiguration benannt . Kasten 5-1: Das RS-System zur Bezeichnung optischer Isomere Kasten 5-2: Bestimmung des Alters einer Person durch die Aminosäure-Chemie Die optisch aktiven Aminosäuren der Proteine sind L- Stereoisomere Aminosäuren können aufgrund ihrer R-Gruppen klassifiziert werden Acht Aminosäuren haben unpolare R-Gruppen Sieben Aminosäuren haben ungeladene polare R-Gruppen Zwei Aminosäuren haben negativ geladene (saure) R-Gruppen Drei Aminosäuren haben positiv geladene (basische) R-Gruppen . . . Einige Proteine enthalten außerdem „besondere" Aminosäuren . . . . Aminosäuren sind in wäßriger Lösung ionisiert Aminosäuren können als Säuren und als Basen reagieren Aminosäuren besitzen charakteristische Titrationskurven Aus der Titrationskurve läßt sich die elektrische Ladung einer Aminosäure ermitteln Aminosäuren unterscheiden sich in ihren Säure-Basen-Eigenschaften Die Säure-Basen-Eigenschaften der Aminosäuren bilden die Grundlagen für ihre Analyse Die Papierelektrophorese trennt Aminosäuren nach ihrer elektrischen Ladung Die Ionenaustauschchromatographie ist ein sehr nützliches Trennungsverfahren Aminosäuren gehen charakteristische chemische Reaktionen ein Peptide sind Aminosäureketten Peptide können auf der Basis ihres Ionisations-Verhaltens getrennt werden Peptide gehen charakteristische chemische Reaktionen ein Einige Peptide besitzen ausgeprägte biologische Aktivitäten Zusammenfassung Aufgaben 105 106 107 109 110 110 111 111 111 113 113 114 114 115 115 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 Kapitel 6 Proteine: Kovalente Struktur und biologische Funktion 135 Kasten 6-1: Wie viele Aminosäuresequenzen sind möglich? Proteine haben viele verschiedene biologische Funktionen Proteine können auch nach ihrer Form klassifiziert werden Bei der Hydrolyse von Proteinen werden die Aminosäuren freigesetzt Einige Proteine enthalten neben Aminosäuren noch andere chemische Gruppen Proteine sind sehr große Moleküle Proteine können isoliert und gereinigt werden Die Aminosäuresequenz der Polypeptidketten kann bestimmt werden Insulin war das erste Protein, dessen Sequenz aufgeklärt wurde Seitdem wurden die Sequenzen vieler anderer Proteine aufgeklärt... Homologe Proteine verschiedener Spezies besitzen homologe Sequenzen 136 136 138 139 140 140 142 144 149 150 151 XIV Inhalt Die Immunreaktion kann Unterschiede zwischen homologen Proteinen aufzeigen Proteine können denaturiert werden Zusammenfassung Aufgaben 152 155 157 158 Kapitel 7 Faserproteine 163 Konfiguration und Konformation sind nicht das gleiche Erstaunlicherweise besitzen natürliche Proteine nur eine oder wenige Konformationen a-Keratine sind Faserproteine, die von Epidermiszellen hergestellt werden Röntgenanalysen zeigen die sich wiederholenden Struktureinheiten im Keratin Röntgenstrukturuntersuchungen von Peptiden zeigen, daß die Peptidbindungen starr und die Peptidgruppen planar sind Im a-Keratin bilden die Polypeptidketten eine a-Helix Einige Aminosäuren sind in die a-Helixstruktur nicht einzubeziehen a-Keratine sind reich an Aminosäuren, die die a-Helixstruktur begünstigen In nativen a-Keratinen sind a-Helix-Polypeptidketten zu „Seilen" verdrillt Die Unlöslichkeit der a-Keratine beruht auf ihren unpolaren R-Gruppen Bei ^-Keratinen haben die Polypeptidketten eine andere Konformation: die ^-Struktur Dauerwellen entstehen durch eine biochemische „Technologie" Collagen und Elastin sind die hauptsächlichen Faserproteine des Bindegewebes Collagen ist das häufigste Protein im Körper Collagen besitzt einige ungewöhnliche Eigenschaften Die Polypeptide des Collagens sind zu dreisträngigen Helixstrukturen angeordnet Die Struktur des Elastins verleiht elastischem Gewebe besondere Eigenschaften Was uns Faserproteine über die Proteinstruktur verraten können . . . Im Innern von Zellen kommen noch andere Arten fibrillärer oder filamentöser Proteine vor Zusammenfassung Aufgaben 163 164 165 166 167 168 169 170 171 171 172 173 174 175 176 176 178 180 181 182 183 Kapitel 8 Globuläre Proteine: Struktur und Funktionen des Hämoglobins Die Polypeptidketten globulärer Proteine sind stark gefaltet Die Röntgenstrukturanalyse des Myoglobins war der Durchbruch.. Myoglobine verschiedener Spezies besitzen ähnliche Konforma­ tionen Jeder Typ globulärer Proteine hat seine, ihn kennzeichnende Tertiärstruktur Aminosäuresequenzen bestimmen die Tertiärstrukturen Vier verschiedene Kräfte stabilisieren die Tertiärstruktur globulärer Proteine 189 189 190 193 194 197 199 Die Faltungsgeschwindigkeit der Polypeptidketten ist eine noch offene Frage Oligomere Proteine besitzen sowohl Tertiär- als auch Quartärstrukturen Die vollständige Struktur der Hämoglobine wurde mit Hilfe von Röntgenanalysen aufgeklärt Myoglobin und die a- und /i-Ketten des Hämoglobins besitzen fast dieselbe Tertiärstruktur Auch die Quartärstrukturen anderer oligomerer Proteine wurden aufgeklärt Rote Blutzellen sind für den Transport von Sauerstoff spezialisiert.. Myoglobin und Hämoglobin unterscheiden sich in ihren Sauerstoff-Sättigungskurven Die kooperative Bindung des Sauerstoffs steigert die Leistungsfähigkeit des Hämoglobins als Sauerstoffträger Hämoglobin transportiert auch H + und C 0 2 Die Oxygenierung von Hämoglobin verändert seine dreidimensionale Konformation Kasten 8-1: Biphosphoglycerat und die Sauerstoff-Affinität des Hämoglobins Die Sichelzellenanämie ist eine molekulare Krankheit des Hämoglobins Sichelzell-Hämoglobin besitzt eine veränderte Aminosäuresequenz.. Die Sichelform entsteht durch die Neigung der Hämoglobin-S-Moleküle zusammenzukleben Gen-Mutationen führen zu Proteinen mit „falschen" Aminosäuren . Kann eine molekulare Heilung für Sichelzell-Hämoglobin gefunden werden? Zusammenfassung Aufgaben 200 200 202 204 205 206 208 209 210 213 214 216 217 220 220 222 222 224 Kapitel 9 Enzyme Die Geschichte der Biochemie ist zum großen Teil auch die Geschichte der Enzymforschung Enzyme weisen alle Eigenschaften von Proteinen auf Enzyme werden nach den von ihnen katalysierten Reaktionen klassifiziert Enzyme beschleunigen chemische Reaktionen durch Herabsetzung der Aktivierungsenergie Die Substratkonzentration übt einen entscheidenden Einfluß auf die Geschwindigkeit enzymkatalysierter Reaktionen aus Zwischen der Substratkonzentration und der Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion existiert eine quantitative Beziehung Jedes Enzym besitzt für ein gegebenes Substrat einen charakteristischen ÄTm-Wert Kasten 9-1: Die Michaelis-Menten-Gleichung Kasten 9-2: Umwandlung der Michaelis-Menten-Gleichung: Die doppeltreziproke Darstellung Viele Enzyme katalysieren Reaktionen, an denen zwei Substrate teilnehmen Enzyme besitzen ein pH-Optimum Enzyme können quantitativ bestimmt werden Enzyme sind für ihre Substrate spezifisch Enzyme können durch chemische Substanzen gehemmt werden 229 230 231 232 233 235 236 237 238 240 240 241 242 243 245 XVI Inhalt Es gibt zwei Arten von reversiblen Inhibitoren: kompetitive und nicht-kompetitive Nicht-kompetive Hemmungen sind ebenfalls reversibel - können aber nicht durch das Substrat rückgängig gemacht werden Kasten 9-3: Methoden zur Unterscheidung einer kompetitiven von einer nicht-kompetitiven Hemmung Zur katalytischen Wirksamkeit von Enzymen tragen mehrere Faktoren bei Mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse wurden wichtige strukturelle Merkmale der Enzyme entdeckt Kasten 9-4: Eine „Galerie" von Enzymstrukturen, wie sie durch die Röntgenstrukturanalyse aufgedeckt wurde Multienzymsysteme besitzen einen Schrittmacher oder ein regulierbares Enzym Allosterische Enzyme werden durch die nicht-kovalente Bindung von Modulatormolekülen reguliert Allosterische Enzyme können durch ihren Modulator gehemmt oder stimuliert werden Allosterische Enzyme weichen vom Michaelis-Menten-Verhalten ab. Bei allosterischen Enzymen gibt es eine Kommunikation zwischen den Untereinheiten Kasten 9-5: Die dreidimensionale Struktur des regulierbaren Enzyms Aspartat-Carbamoyltransferase Einige Enzyme werden durch reversible kovalente Modifikation reguliert Viele Enzyme kommen in mehreren Formen vor Genetische Mutationen können bei Enzymen katalytische Defekte auslösen Zusammenfassung Aufgaben 247 248 249 249 251 252 257 258 259 261 262 263 263 265 267 268 269 Kapitel 10 Die Rolle von Vitaminen und Spurenelementen für die Funktion von Enzymen Vitamine sind essentielle organische Mikronährstoffe Vitamine sind essentielle Bestandteile der Coenzyme und prosthetischen Gruppen von Enzymen Vitamine können in zwei Klassen unterteilt werden Thiamindiphosphat ist die funktionelle Form von Thiamin (Vitamin B J Riboflavin (Vitamin B2) ist ein Bestandteil der Flavinnucleotide Nicotinamid ist die aktive Gruppe der Coenzyme N A D und N A D P Pantothensäure ist ein Bestandteil des Coenzyms A Pyridoxin (Vitamin B6) ist für den Stoffwechsel der Aminosäuren wichtig Biotin ist der aktive Bestandteil des Biocytins, der prosthetischen Gruppe einiger carboxylierender Enzyme Folsäure ist die Vorstufe des Coenzyms Tetrahydrofolsäure Vitamin B 1 2 ist die Vorstufe des Coenzyms B 1 2 Die biochemische Funktion des Vitamins C (Ascorbinsäure) ist nicht bekannt Die fettlöslichen Vitamine sind Isoprenderivate Vitamin A hat wahrscheinlich mehrere Funktionen Vitamin D ist die Vorstufe eines Hormons Vitamin E schützt Zellmembranen vor Sauerstoff 275 276 277 278 279 280 282 283 285 286 288 290 291 292 292 294 295 Vitamin K ist ein Bestandteil eines carboxylierenden Enzyms Für die tierische Ernährung sind viele anorganische Elemente notwendig Viele Enzyme benötigen Eisen Auch Kupfer hat in einigen oxidativen Enzymen eine Funktion . . . . Zink ist für die Wirkung vieler Enzyme unersetzlich Mangan-Ionen werden von mehreren Enzymen benötigt Cobalt ist ein Bestandteil des Vitamins B 1 2 • Selen ist sowohl ein essentielles Spurenelement als auch ein G i f t . . . . Von einigen Enzymen werden auch andere Spurenelemente benötigt Zusammenfassung Aufgaben 296 297 298 299 299 300 300 300 301 301 302 Kapitel 11 Kohlenhydrate: Struktur und biologische Funktion Je nach der Anzahl der Zuckereinheiten unterscheidet man drei Klassen von Kohlenhydraten Es gibt zwei Familien von Monosacchariden: Aldosen und Ketosen Die meisten Monosaccharide besitzen mehrere asymmetrische Zentren Die meisten Monosaccharide kommen in Ringform vor Einfache Monosaccharide sind Reduktionsmittel Disaccharide enthalten zwei Monosaccharideinheiten Polysaccharide enthalten viele Monosaccharideinheiten Einige Polysaccharide dienen als Speicherform für Zell-Brennstoffe . Cellulose ist das häufigste Strukturpolysaccharid Zellwände sind reich an Struktur- und Schutz-Polysacchariden Glycoproteine sind Hybridmoleküle Die Oberfläche der Tierzellen enthält Glycoproteine Saure Mucopolysaccharide und Proteoglycane sind wichtige Bestandteile des Bindegewebes Zusammenfassung Aufgaben 307 307 308 310 312 314 315 318 318 321 324 326 327 328 329 331 Kapitel 12 Lipide und Membranen 335 Fettsäuren kommen als Bausteine in den meisten Lipiden vor 335 Triacylglycerine sind Fettsäureester des Glycerins 338 Triacylglycerine sind Speicheriipide 340 Wachse sind Ester aus Fettsäuren und langkettigen Alkoholen 341 Phospholipide sind die Hauptbestandteile der Membraniipide 342 Auch die Sphingolipide sind wichtige Bestandteile der Membranen . 344 Steroide sind unverseifbare Lipide mit speziellen Funktionen 347 In den Lipoproteinen sind die Eigenschaften von Lipiden und Proteinen vereinigt 348 Polare Lipide bilden Micellen sowie monomolekulare und bimolekulare Schichten 349 Die Hauptbestandteile der Membranen sind polare Lipide und Proteine 351 Kasten 12-1: Elektronenmikroskopische Untersuchungen an Membranen 353 Membranen besitzen die Struktur eines flüssigen Mosaiks 354 Der Aufbau der Membranen ist asymmetrisch bzw. gerichtet 355 XVIII Inhalt Die Membranen der roten Blutkörperchen sind eingehend untersucht worden Lectine sind spezifische Proteine, die sich an bestimmte Zellen binden oder diese agglutinieren können Membranen haben sehr komplexe Funktionen Zusammenfassung Aufgaben Teil II: B i o e n e r g e t i k u n d S t o f f w e c h s e l 356 358 359 360 361 365 Kapitel 13 Eine Übersicht ü b e r d e n Stoffwechsel Lebende Organismen nehmen am Kreislauf von Kohlenstoff und Sauerstoff teil Der Stickstoff durchläuft in der Biosphäre einen Kreislauf F ü r die Stoffwechselwege existieren aufeinanderfolgende Enzymsysteme Der Stoffwechsel besteht aus katabolen (abbauenden) und anabolen (synthetisierenden) Reaktionswegen Die Abbauwege führen zu einer kleinen Zahl von Endprodukten . . . Die biosynthetisierenden (anabolen) Stoffwechselwege verzweigen sich unter Bildung vieler Produkte Es gibt wichtige Unterschiede zwischen den sich entsprechenden Reaktionswegen von Anabolismus und Katabolismus ATP transportiert Energie von den katabolen zu den anabolen Reaktionen NADPH transportiert Energie in Form von Reduktions-Äquivalenten Der Zellstoffwechsel ist ein ökonomischer, streng regulierter Vorgang * Die Reaktionsketten werden auf drei Ebenen reguliert Stoffwechsel-Nebenwege Es gibt drei Haupt-Verfahrensweisen zur Aufklärung von Reaktionsfolgen des Stoffwechsels Mutanten von Organismen ermöglichen die Identifikation von Zwischenschritten des Stoffwechsels Isotopen-Markierungen sind ein wichtiges Hilfsmittel der Stoffwechseluntersuchungen Die Stoffwechselwege sind auf verschiedene Zellkompartimente verteilt Zusammenfassung Aufgaben 367 367 369 371 372 373 375 375 378 380 381 381 383 384 384 387 388 392 393 Kapitel 14 D e r ATP-Cyclus u n d die Bioenergetik d e r Zelle 399 Der erste und zweite Hauptsatz der Thermodynamik Kasten 14-1: Der Begriff Entropie Zellen brauchen freie Energie Die Änderung der freien Standardenergie einer chemischen Reaktion läßt sich berechnen Verschiedene Reaktionen haben verschiedene, für sie charakteristische AG "'-Werte 399 402 404 404 406 Es gibt einen wichtigen Unterschied zwischen AG°' und AG Die Werte für die freie Standardenergie von chemischen Reaktionen sind additiv ATP ist das hauptsächliche chemische Bindeglied zwischen energieerzeugenden und energieverbrauchenden Zellaktivitäten Die Reaktionen des ATP sind weitgehend aufgeklärt Die ATP-Hydrolyse hat eine charakteristische freie Standardenergie Warum hat die freie Standardenergie für die Hydrolyse von ATP einen relativ hohen Wert? ATP ist ein gemeinsames Zwischenprodukt bei PhosphatTransferreaktionen Kasten 14-2: Die freie Hydrolyseenergie von ATP in lebenden Zellen Beim Abbau von Glucose zu Lactat entstehen zwei superenergiereiche Phosphat-Verbindungen Die Übertragung einer Phosphatgruppe von ATP auf ein Akzeptormolekül kann dieses aktivieren ATP liefert auch die Energie für die Muskelkontraktion Phosphocreatin stellt eine vorübergehende Speicherform für energiereiche Phosphatgruppen in Muskeln dar ATP liefert auch die Energie für den aktiven Transport durch Membranen ATP kann auch zu A M P und Diphosphat abgebaut werden Kasten 14-3: ATP liefert die Energie für die Biolumineszenz des Leuchtkäfers Außer ATP gibt es noch andere energiereiche Nucleosid-5'-triphosphate Das ATP-System befindet sich in einem Fließgleichgewicht Zusammenfassung Aufgaben 408 409 410 411 413 414 415 416 417 418 420 423 424 427 428 429 431 432 433 Kapitel 15 Glycolyse: E i n zentraler Weg des Glucose-Katabolismus Die Glycolyse ist bei den meisten Organismen der zentrale Stoffwechselweg Die Bildung von ATP ist mit der Glycolyse gekoppelt Ein großer Teil der freien Energie verbleibt in den Produkten der Glycolyse Die Glycolyse verläuft in zwei Stufen Kasten 15-1: Anaerobe Glycolyse und Sauerstoffschuld bei Alligatoren und Quastenflossern Die Glycolyse verläuft über phosphorylierte Zwischenprodukte In der ersten Stufe der Glycolyse erfolgt die Spaltung der Hexosekette In der zweiten Stufe der Glycolyse wird die Energie konserviert . . . . Zum zentralen Glycolyseweg führen Zubringerwege vom Glycogen und von anderen Kohlenhydraten Auch andere Monosaccharide können in den Glycolyseweg ein­ treten Disaccharide müssen zuerst zu Monosacchariden hydrolysiert werden Der Eintritt von Glucoseresten in die Glycolyse unterliegt einer Regulation Die Interkonversion von Phosphorylase a und b wird letztlich von Hormonen reguliert 439 439 441 442 442 443 445 446 450 458 460 463 464 466 XX Inhalt Die eigentliche glycolytische Reaktionsfolge wird hauptsächlich an zwei Stellen reguliert Wie kann man feststellen, welche Schritte der Glycolyse in der lebenden Zelle reguliert werden? Die alkoholische Gärung unterscheidet sich von der Glycolyse nur im letzten Schritt Kasten 15-2: Das Bierbrauen Zusammenfassung Aufgaben 467 469 471 472 473 474 K a p i t e l 16 Der Citratcyclus Die Oxidation von Glucose zu C 0 2 und H 2 0 setzt viel mehr Energie frei als die Glycolyse Pyruvat muß zuerst zu Acetyl-CoA und C 0 2 oxidiert werden Der Citratcyclus ist eher ein zirkuläres als ein lineares Enzymsystem Wie kam man auf die Idee, daß der Citratcyclus existiert? Der Citratcyclus besteht aus acht Schritten Zusammenfassung des Citratcyclus Warum gibt es den Citratcyclus? Markierungsversuche zur Untersuchung des Citratcyclus Die Umsetzung von Pyruvat zu Acetyl-CoA ist ein regulierter Vorgang Kasten 16-1: Ist Citrat die erste im Cyclus gebildete Tricarbonsäure? Der Citratcyclus wird reguliert Die Zwischenprodukte des Citratcyclus werden auch für andere Stoffwechselprozesse gebraucht und können wieder aufgefüllt werden Der Glyoxylatcyclus ist eine Modifikation des Citratcyclus Der Pentosephosphat-Weg ist ein Nebenweg des Glucoseabbaus Der sekundäre Stoffwechselweg von Glucose zu Glucuronsäure und Ascorbinsäure Zusammenfassung Aufgaben 481 483 483 487 488 490 495 495 496 496 498 498 501 502 504 505 507 508 K a p i t e l 17 Elektronentransport, oxidative Phosphorylierung und Regulation der ATP-Bildung Der Elektronenfluß von den Substraten zum Sauerstoff ist die Quelle der ATP-Energie Elektronentransport und oxidative Phosphorylierung finden in der inneren Mitochondrienmembran statt Die Elektronentransportreaktionen sind OxidoreduktionsReaktionen Jedes konjugierte Redoxpaar hat ein charakteristisches Standardpotential Der Elektronentransport ist mit Änderungen der freien Energie verbunden Es gibt viele Elektronen-Carrier in der Elektronentransportkette . . . Die Pyridinnucleotide haben eine Sammelfunktion Die NADH-Dehydrogenase nimmt Elektronen vom N A D H a u f . . . . Ubichinon ist ein lipidlösliches Chinon Die Cytochrome sind elektronentransportierende Häm-Proteine . . . . 515 515 517 518 520 522 524 524 527 528 529 Unvollständige Reduktion von Sauerstoff verursacht Beschädigung der Zelle Die Elektronen-Carrier reagieren immer in einer bestimmten Reihenfolge Die Energie aus dem Elektronentransport wird durch oxidative Phosphorylierung konserviert Das ATP-synthetisierende Enzym wurde isoliert und aus seinen Untereinheiten rekonstituiert Wie wird die Redox-Energie des Elektronentransportes an die ATP-Synthetase abgegeben? Die chemoosmotische Hypothese postuliert, daß ein Protonen­ gradient Energie vom Elektronentransport auf die ATP-Synthese überträgt Die Energie des Elektronentransportes ist auch für andere Zwecke nützlich Kasten 17-1: Viele Fragen zum Mechanismus der oxidativen Phosphorylierung sind noch unbeantwortet Bakterien und Chlorplasten enthalten ebenfalls H + -transportierende Elektronentransportketten Die innere Mitochondrienmembran enthält spezifische Transportsysteme Für die Oxidation von extramitochondrialem N A D H werden Shuttle-Systeme gebraucht Die vollständige Oxidation eines Moleküls Glucose führt zur Bildung von 38 Molekülen ATP Die Bildung von ATP durch oxidative Phosphorylierung wird über den Energiebedarf der Zelle reguliert Die Energiebeladung ist eine weitere Meßgröße für den Energie­ zustand einer Zelle Glycolyse, Citratcyclus und oxidative Phosphorylierung verfügen über ineinandergreifende und konzertierte Regulationsmechanismen Die Zellen enthalten noch andere sauerstoffverbrauchende Enzyme . Zusammenfassung Aufgaben 530 531 533 534 536 539 541 542 542 544 546 547 1 548 550 551 553 554 556 Kapitel 1 8 Die Oxidation von Fettsäuren in tierischen Geweben 563 Die Fettsäuren werden in den Mitochondrien aktiviert und oxidiert Die Fettsäuren gelangen über einen dreistufigen Transportvorgang in die Mitochondrien Die Fettsäuren werden in zwei Stufen oxidiert Die erste Stufe der Oxidation gesättigter Fettsäuren besteht aus vier Schritten In der ersten Stufe der Fettsäurenoxidation entsteht Acetyl-CoA und ATP In der zweiten Stufe der Fettsäureoxidation wird Acetyl-CoA über den Citratcyclus oxidiert Für die Oxidation ungesättigter Fettsäuren sind zwei zusätzliche enzymatische Schritte erforderlich Die Oxidation von Fettsäuren mit einer ungeraden Anzahl von Kohlenstoffatomen Hypoglycin, ein toxischer pflanzlicher Wirkstoff, hemmt die Fettsäureoxidation Die Bildung von Ketonkörpern in der Leber und ihre Oxidation in anderen Organen 563 564 567 567 569 571 572 574 576 576 XXII Inhalt Die Regulierung der Fettsäureoxidation und Ketonkörperbildung .. Zusammenfassung Aufgaben 579 580 581 K a p i t e l 19 Oxidativer Abbau von Aminosäuren: Der Harnstoffcyclus . . . 585 Die Übertragung von a-Aminogruppen wird durch Aminotransferasen katalysiert 585 Kasten 19-1: Die Aminotransferasen und andere Enzyme im Blut sind wichtig für die medizinische Diagnostik 589 Die Aminogruppe des Glutamats wird als Ammoniak freigesetzt . . . 589 Die Kohlenstoffgerüste der Aminosäuren werden über 20 verschiedene Wege abgebaut 590 Zehn Aminosäuren werden zu Acetyl-CoA abgebaut 591 Manche Menschen haben einen genetischen Defekt im Phenylalanin-Katabolismus 594 Kasten 19-2: Die menschliche, soziale und ökonomische Belastung durch erbliche Schäden 597 Fünf Aminosäuren werden in 2-Oxoglutarat umgewandelt 597 Drei Aminosäuren werden zu Succinyl-CoA umgewandelt 598 Aus Phenylalanin und Tyrosin entsteht Fumarat 599 Der Oxalacetatweg 599 Einige Aminosäuren können in Glucose und einige in Ketonkörper 1 umgewandelt werden 600 Ammoniak ist für tierische Organismen toxisch 600 Glutamin transportiert den Ammoniak von zahlreichen peripheren Geweben zur Leber 601 Alanin transportiert den Ammoniak von den Muskeln zur L e b e r . . . 602 Die Ausscheidung des Aminostickstoffes ist ein weiteres biochemisches Problem 603 Die Glutaminase ist an der Ammoniakausscheidung beteiligt 605 Der Harnstoff wird über den Harnstoffcyclus gebildet 605 Der Harnstoffcyclus enthält mehrere komplexe Schritte 606 Der Energieverbrauch des Harnstoffcyclus 610 Genetische Defekte im Harnstoffcyclus führen zu einem Überschuß an Ammoniak im Blut 610 Vögel, Schlangen und Eidechsen scheiden Harnsäure aus 611 Zusammenfassung 612 Aufgaben 613 Kapitel 20 Die Biosynthese von Kohlenhydraten in tierischen Geweben . 617 Der Gluconeogeneseweg hat sieben Schritte mit dem Glycolyseweg gemeinsam..; Die Umwandlung von Pyruvat zu Phosphoenolpyruvat erfordert einen Umweg Die zweite Reaktion in der Gluconeogenese, die über einen Umweg erfolgt, ist die Umwandlung von Fructose-l,6-bisphosphat in Fructose-6-phosphat Die Umwandlung von Glucose-6-phosphat in freie Glucose ist die dritte Umgehungsreaktion Die Gluconeogenese ist aufwendig Gluconeogenese und Glycolyse werden reziprok reguliert 618 620 621 622 622 623 Die Zwischenprodukte des Citratcyclus sind auch Vorstufen der Glucose 624 Die meisten Aminosäuren sind glucogen 625 Die Gluconeogenese findet während der Erholungsphase nach Muskelarbeit statt 625 Die Gluconeogenese ist bei Wiederkäuern besonders aktiv 626 Alkoholkonsum hemmt die Gluconeogenese 627 „Nutzlose" Cyclen im Kohlenhydratstoffwechsel 628 Die Glycogenbiosynthese erfolgt über einen anderen Weg als der Glycogenabbau 629 Die Glycogen-Synthase und die Glycogen-Phosphorylase werden reziprok reguliert 631 Im Glycogenstoffwechsel können genetische Defekte vorkommen... 633 Die Lactose-Synthese wird auf eine einzigartige Weise reguliert 634 Zusammenfassung 635 Aufgaben 636 Kapitel 2 1 Die Biosynthese der Lipide Die Biosynthese der Fettsäuren verläuft über einen besonderen Reaktionsweg Malonyl-CoA wird aus Acetyl-CoA gebildet Das Fettsäure-Synthase-System hat sieben aktive Zentren Die Sulfhydrylgruppen der Fettsäure-Synthase werden zunächst mit Acylgruppen beladen Für das Anfügen jeder C 2 -Einheit sind vier Reaktionsschritte nötig. Palmitinsäure ist die Vorstufe anderer langkettiger Fettsäuren Die Regulation der Fettsäurebiosynthese Die Biosynthese von Triacylglycerinen und die von Glycerinphosphatiden beginnt mit gemeinsamen Vorstufen Die Triacylglycerin-Biosynthese wird durch Hormone reguliert Triacylglycerine sind die Energiequelle für einige winterschlafende Tiere Kasten 21-1: Eine ungewöhnliche biologische Funktion der Triacylglycerine Für die Biosynthese von Phosphoglyceriden wird eine Kopfgruppe gebraucht Phosphatidylcholin wird über zwei verschiedene Wege gebildet Polare Lipide werden in Zellmembranen eingebaut Im Lipidstoffwechsel kommen genetische Defekte vor Es gibt viele lysosomale Erkrankungen Auch Cholesterin und andere Steroide werden aus C 2 -Vorstufen hergestellt Isopentenyldiphosphat ist die Vorstufe für viele andere lipidlösliche Biomoleküle Zusammenfassung Aufgaben 641 641 643 645 , 646 648 652 654 654 656 657 658 659 660 662 663 665 667 670 671 672 Kapitel 2 2 Die Biosynthese der Aminosäuren und Nucleotide Einige Aminosäuren müssen mit der Nahrung aufgenommen werden Glutamat, Glutamin und Prolin werden über einen gemeinsamen Weg synthetisiert 675 675 676 XXIV Inhalt Auch Alanin, Aspartat und Asparagin entstehen aus zentralen Metaboliten Tyrosin wird aus der essentiellen Aminosäure Phenylalanin gebildet Cystein wird aus zwei anderen Aminosäuren gebildet, aus Methionin und Serin Serin ist eine Vorstufe des Glycins Die Biosynthese der essentiellen Aminosäuren Die Aminosäurebiosynthesen stehen unter allosterischer Kontrolle.. Die Aminosäurebiosynthesen werden auch durch Änderungen der Enzymkonzentration reguliert Glycin ist eine Vorstufe der Porphyrine Die Porphyrinderivate reichern sich bei einigen Erbkrankheiten an . Der Abbau der Hämgruppe führt zu Gallenpigmenten Die Purinnucleotide werden über einen komplexen Weg hergestellt . Die Biosynthese der Purinnucleotide wird durch Rückkopplung reguliert Pyrimidinnucleotide werden aus Aspartat und Ribosephosphat gebildet Die Regulation der Pyrimidinnucleotid-Biosynfhese Ribonucleotide sind die Vorstufen der Desoxyribonucleotide Der Abbau von Purinen führt beim Menschen zur Harnsäure Purinbasen werden über einen Wiederverwendungsweg recyclisiert.. Die Überproduktion von Harnsäure verursacht Gicht Der Kreislauf des Stickstoffs Nur wenige Organismen können Stickstoff fixieren Die Stickstoff-Fixierung ist ein komplexer symbiotischer Vorgang .. Zusammenfassung Aufgaben 678 678 679 680 682 682 685 686 687 688 688 691 692 694 694 696 696 697 698 699 700 702 703 Kapitel 2 3 Photosynthese 707 Die Entdeckung der Gleichung für die Photosynthese Die photosynthetisierenden Organismen sind sehr verschiedenartig . Die photosynthetisierenden Organismen bedienen sich verschiedener WasserstofFdonatoren Bei der Photosynthese unterscheidet man Hell- und Dunkelphasen . Die Photosynthese der Pflanzen findet in den Chloroplasten s t a t t . . . Durch Lichtabsorption werden Moleküle angeregt Chlorophylle sind die hauptsächlichen lichtabsorbierenden Pigmente Die Thylakoide enthalten zusätzlich Hilfspigmente Die Thylakoidmembranen enthalten zwei Arten photochemischer Reaktionssysteme Durch die Belichtung der Chloroplasten wird ein Elektronenfluß induziert Das eingefangene Licht bewirkt das Bergauffließen der Elektronen . Die Elektronensysteme I und II kooperieren beim Elektronentransport vom H z O zum N A D P + Das Z-Schema zeigt das Energieprofil des Energietransportes bei der Photosynthese Am Elektronentransport der Photosynthese sind mehrere Elektronen-Carrier beteiligt Die Phosphorylierung von ADP ist an den Elektronentransport der Photosynthese gekoppelt In den Chloroplasten gibt es außerdem einen cycli sehen Elektronenfluß und eine cyclische Photophosphorylierung 707 710 710 711 712 712 714 716 716 717 718 720 721 721 723 723 Die photosynthetische Phosphorylierung hat Ähnlichkeit mit der oxidativen Phosphorylierung Die Summengleichung der Photosynthese bei den Pflanzen Die photosynthetische Herstellung von Hexosen schließt die Netto-Reduktion von Kohlenstoffdioxid mit ein Kohlenstoffdioxid wird unter Bildung von Phosphoglycerat fixiert.. Die Synthese von Glucose aus C 0 2 erfolgt über den Calvin-Cyclus . Glucose ist die Vorstufe der pflanzlichen Kohlenhydrate Saccharose, Stärke und Cellulose Die Regulation der Dunkelreaktion Tropische Pflanzen verwenden den C 4 - oder Hatch-Slack-Weg Der C4-Weg hat den Zweck, das C 0 2 zu konzentrieren Die Photorespiration begrenzt den Wirkungsgrad der C3-Pflanzen .. Die Photorespiration ist für den Ackerbau in den gemäßigten Zonen ein schwerwiegendes Problem Halophile Bakterien verwenden Lichtenergie für die Synthese von ATP Photosynthetisierende Organismen dienen als Modelle für den Entwurf von Solarzellen Zusammenfassung Aufgaben 739 740 741 Teil III: Einige A s p e k t e der B i o c h e m i e d e s M e n s c h e n 745 724 725 726 727 727 731 732 733 735 736 737 738 Kapitel 24 Die Verdauung, Transportvorgänge und das Ineinander­ greifen des Stoffwechsels 747 Die Nahrung wird enzymatisch verdaut und damit für die Absorption vorbereitet 747 Die Leber verarbeitet und verteilt die Nährstoffe 756 Die Zucker werden in der Leber über fünf verschiedene Wege verarbeitet 756 Auch für die Aminosäuren gibt es fünf Stoffwechselwege 758 Für Lipide gibt es fünf Stoffwechselwege 759 Jedes Organ hat spezielle Stoffwechselfunktionen 760 Der Skelettmuskel verwendet ATP für zeitweise stattfindende mechanische Arbeit 761 Der Herzmuskel muß ununterbrochen und rhythmisch arbeiten . . . . 763 Das Gehirn verwendet Energie für die Weitergabe von Impulsen . . . 764 Das Fettgewebe besitzt einen aktiven Stoffwechsel 766 Die Nieren verwenden ATP für osmotische Arbeit 768 Das Blut ist eine sehr komplexe Flüssigkeit 770 Vom Blut werden große Volumina an Sauerstoff transportiert 772 Hämoglobin ist der Sauerstoffträger 774 Die roten Blutkörperchen transportieren auch C 0 2 775 Diagnose und Behandlung von Diabetes mellitus bauen auf biochemischen Messungen auf 777 Beim Diabetes tritt Ketose auf. 780 Die Harnstoffausscheidung ist bei Diabetikern erhöht 780 Schwerer Diabetes ist von Azidose begleitet 781 Zusammenfassung 782 Aufgaben 783 XXVI Inhalt Kapitel 25 Hormone Die Hormone wirken in einer komplexen Hierarchie mit Wechselbeziehungen Einige allgemeine Eigenschaften von Hormonen Die Hormone des Hypothalamus und der Hypophyse sind Peptide . Das Nebennierenmark sezerniert die Aminohormone Adrenalin und Noradrenalin Kasten 25-1: Der Radioimmuntest (Radioimmunoassay) für Polypeptidhormone Adrenalin stimuliert die Bildung von cyclischem Adenylat Cyclo-AMP stimuliert die Aktivität der Protein-Kinase Die Stimulierung des Glycogenabbaus durch Adrenalin erfolgt über eine Verstärkungskaskade Adrenalin hemmt auch die Glycogensynthese Die Phosphodiesterase inaktiviert cyclo-Adenylat Der Pankreas sezerniert mehrere stoffwechselregulierende Hormone Insulin ist das hypoglykämische Hormon Die Insulinsekretion wird hauptsächlich durch die Blutglucose reguliert Der zweite Messenger für Insulin ist noch nicht bekannt Insulin beeinflußt auch viele andere Stoffwechselbereiche Glucagon ist das hyperglykämische Pankreashormon Somatostatin hemmt die Sekretion von Insulin und Glucagon Somatotropin beeinflußt ebenfalls die Insulinwirkung Die Nebennierenrinden-Hormone sind Steroide Die Schilddrüsenhormone überwachen die Geschwindigkeit des Stoffwechsels Die Sexualhormone sind Steroide Wir stehen auf der Schwelle zum Verständnis der Östrogenwirkung in ihren Erfolgszellen Man kennt noch viele andere Hormone Prostaglandine und Thromboxane modulieren die Wirkungen einiger Hormone Zusammenfassung Aufgaben 789 789 791 793 795 796 798 799 801 803 804 805 805 807 807 808 809 810 810 811 812 814 815 816 817 818 820 Kapitel 2 6 Die menschliche Ernährung 825 Eine gesunde Ernährung besteht aus fünf Grundbestandteilen Die Energie wird durch die Oxidation der Grundnahrungsmittel gewonnen Auch Alkohol liefert Energie Fettleibigkeit ist die Folge kalorischer Überernährung Proteine werden wegen ihres Aminosäuregehaltes gebraucht Bestimmte pflanzliche Proteine können sich gegenseitig ergänzen . . . Marasmus und Kwashiorkor sind Weltgesundheitsprobleme Vitaminmangel kann lebensbedrohlich sein Thiaminmangel ist auch heute noch ein Ernährungsproblem Der Bedarf an Nicotinamid hängt von der Tryptophan-Zufuhr ab .. Viele Nahrungsmittel sind arm an Ascorbinsäure Kasten 26-1: Einer der ersten Berichte über die Heilung von Skorbut ist der über die Mannschaft der Expedition von Jacques Cartier im Jahre 1535 nach Neufundland 825 828 834 835 837 839 839 841 842 843 844 845 Ein latenter Riboflavinmangel ist ebenfalls verbreitet Folsäure-Mangel ist der am weitesten verbreitete Vitaminmangel... Ein Mangel an Pyridoxin, Biotin und Pantothensäure ist. selten Ein echter ernährungsbedingter Vitamin-B 12 -Mangel ist sehr selten . Ein Vitamin-A-Mangel hat vielfaltige Auswirkungen Durch Vitamin-D-Mangel kommt es zu Rachitis und Osteomalazie. Ein Mangel an Vitamin E oder K ist sehr selten Für die menschliche Ernährung werden viele chemischen Elemente gebraucht Calcium und Phosphor sind für die Entwicklung der Knochen und Zähne essentiell Ein latenter Magnesiummangel ist relativ häufig Natrium und Kalium sind wichtig für die Verhütung bzw. Behandlung von Bluthochdruck Eisen und Kupfer werden für die Synthese der Hämproteine gebraucht Ein Kropf entsteht als Folge von Iodmangel Die Zahnfäule ist ein wichtiges Ernährungsproblem Zink und mehrere andere Mikroelemente sind für die Ernährung essentiell Eine ausgewogene Ernährung muß abwechslungsreich sein Die Kennzeichnungspflicht von Nahrungsmitteln ist ein Schutz für den Verbraucher Aufgaben 846 847 847 848 848 850 851 852 853 854 854 855 857 857 858 859 860 862 Teil IV: Die molekulare W e i t e r g a b e der g e n e t i s c h e n Information 867 Kapitel 27 DNA: Die Struktur von Chromosomen und Genen 869 DNA und RNA üben verschiedene Funktionen aus Die Nucleotid-Einheiten von D N A und R N A enthalten charakteristische Basen und Pentosen Phosphodiester-Bindungen verknüpfen die aufeinanderfolgenden Nucleotide der Nucleinsäuren DNA speichert genetische Information Die DNAs verschiedener Spezies haben unterschiedliche Basenzusammensetzungen Watson und Crick postulierten die Doppelhelix-Struktur der D N A . Die Basensequenz der D N A bildet die Matrize Die DNA in der Doppelhelix kann denaturiert, d. h. entspiralisiert werden DNA-Stränge aus zwei verschiedenen Spezies können DNA-DNAHybride bilden Einige physikalische Eigenschaften der DNA-Doppelhelix spiegeln das Verhältnis von G = C - zu A=T-Paaren wider Native DNA-Moleküle sind sehr zerbrechlich Die DNA-Moleküle der Viren sind relativ klein Die Chromosomen von Prokaryoten sind einzelne, sehr große DNA-Moleküle Zirkuläre DNAs sind superspiralisiert Einige Bakterien enthalten außerdem D N A in Form von Plasmiden Die Zellen von Eukaryoten enthalten viel mehr D N A als Prokaryoten 870 872 873 877 879 880 883 885 886 886 887 888 889 890 890 892 XXVIII Inhalt Die Chromosomen von Eukaryoten bestehen aus Chromatinfasern . 893 Histone sind kleine, basische Proteine 895 DNA-Histon-Komplexe bilden perlenartige Nucleosomen 896 Eukaryotische Zellen enthalten auch cytoplasmatische D N A 897 Gene sind DNA-Abschnitte, die für Polypeptidketten oder RNAs codieren 898 Ein einzelnes Chromosom enthält viele Gene 899 Wie groß sind Gene? 900 Die D N A von Bakterien wird durch Restriktions-ModifikationsSysteme geschützt 901 Eukaryotische D N A enthält Basensequenzen, die sich vielfach wiederholen 903 Einige Eukaryoten-Gene kommen pro Zelle in vielen Exemplaren vor 904 Die Eukaryoten-DNA enthält viele Palindrome 904 Viele eukaryotische Gene enthalten intervenierende, nicht transkribierte Sequenzen (Introns) 905 Die Basensequenzen einiger DNAs konnten bestimmt werden 905 Kasten 27-1: Die Sequenzierung eines kurzen DNA-Fragmentes mit der chemischen Methode von Maxam und Gilbert 908 Zusammenfassung 910 Aufgaben 911 Kapitel 28 Replikation und Transkription der D N A 915 Die D N A wird semikonservativ repliziert Die zirkuläre D N A wird in beiden Richtungen repliziert Eukaryoten-DNAs enthalten viele Startpunkte für die Replikation . Manchmal wird D N A als „rollender Ring" repliziert Bakterien-Extrakte enthalten DNA-Polymerasen Die DNA-Polymerase braucht für ihre Reaktion präformierte D N A Für die DNA-Replikation werden viele Enzyme und ProteinFaktoren gebraucht In E. coli gibt es drei DNA-Polymerasen Die gleichzeitige Replikation beider DNA-Stränge wirft ein Problem auf Die Entdeckung der Okazaki-Stücke löst das Problem Die Synthese der Okazaki-Stücke erfordert einen RNA-Primer Die Okazaki-Stücke werden mit Hilfe der DNA-Ligase zusammengespleißt Die Replikation erfordert eine physikalische Trennung der elterlichen DNA-Stränge DNA-Polymerasen können korrekturlesen und Fehler korrigieren .. Die Replikation in Eukaryotenzellen ist ein sehr komplexer Vorgang Gene werden unter Bildung von RNAs transkribiert Messenger-RNAs codieren für Polypeptidketten Messenger-RNA wird durch eine DNA-abhängige RNA-Polymerase gebildet Eukaryotische Zellkerne enthalten drei RNA-Polymerasen Die DNA-abhängige RNA-Polymerase kann selektiv gehemmt werden Die RNA-Transkripte werden weiter umgewandelt (processed) Heterogene nucleare RNAs sind Vorstufen der eukaryotischen Messenger-RNAs Die Intron-RNA muß aus der mRNA-Vorstufe entfernt w e r d e n . . . . Kleine nucleare RNAs helfen bei der Entfernung der Intron-RNAs. 915 918 919 920 920 923 924 924 925 926 926 927 927 929 931 932 932 933 936 936 937 939 939 941 Der Transkriptionsvorgang kann sichtbar gemacht werden Von manchen Virus-RNAs kann D N A mittels einer reversen Transkriptase transkribiert werden Einige Virus-DNAs werden durch eine RNA-abhängige RNA-Polymerase repliziert Polynucleotid-Phosphorylase erzeugt RNA-ähnliche Polymere mit statistisch verteilten Basensequenzen Zusammenfassung Aufgaben 942 943 945 946 947 948 Kapitel 29 Die Proteinsynthese und ihre Regulation 953 Frühe Entdeckungen schaffen die Grundlagen Die Proteinsynthese verläuft in fünf Hauptschritten Die Transfer-RNAs werden für die Aktivierung der Aminosäuren gebraucht Aminoacyl-tRNA-Synthetasen befestigen die richtigen Aminosäuren an den tRNAs Transfer-RNA ist ein Adapter Polypeptidketten werden vom aminoterminalen Ende aus gebildet.. N-Formylmethionin ist die initiierende Aminosäure bei den Prokaryoten und Methionin die bei den Eukaryoten Ribosomen sind molekulare Maschinen zur Herstellung von Polypeptidketten Die extramitochondrialen Ribosomen der Eukaryoten sind größer und komplexer Die Initiation eines Polypeptids erfolgt in mehreren Schritten Die Elongation der Polypeptidkette ist ein sich wiederholender Vorgang Die Termination der Polypeptidsynthese erfordert ein spezielles Signal Für die Sicherstellung der Wiedergabetreue bei der Proteinsynthese wird Energie gebraucht Polyribosomen ermöglichen die gleichzeitige Entstehung mehrerer Polypeptidketten an einer Messenger-RNA Polypeptidketten werden gefaltet und unterliegen einer Molekularreifung Neu synthetisierte Proteine werden oft an ihren Bestimmungsort geleitet Die Proteinsynthese wird durch zahlreiche verschiedene Antibiotika gehemmt Der genetische Code wurde geknackt Der genetische Code hat einige interessante Besonderheiten Der „Wackel''-Mechanismus erlaubt einigen tRNAs mehr als ein Triplett zu erkennen Virus-DNAs enthalten manchmal Gene innerhalb von Genen oder überlappende Gene Die Proteinsynthese wird reguliert Bakterien besitzen konstitutive und induzierbare Enzyme Bei Prokaryoten ist auch die Repression der Proteinsynthese möglich Die Operon-Hypothese Es ist gelungen, Repressormoleküle zu isolieren Operons haben auch eine Promotorregion Zusammenfassung Aufgaben 954 955 957 960 962 963 963 964 . 967 967 969 972 974 974 976 978 979 980 982 983 985 986 987 988 989 991 992 994 996 XXX Inhalt Kapitel 3 0 Mehr über Gene: Reparatur, Mutation, Rekombination und Klonen Die D N A ist fortwährend zerstörenden Einflüssen ausgesetzt Durch ultraviolette Strahlung entstandene Schäden können herausgeschnitten und repariert werden Die spontane Desaminierung von Cytosin zu Uracil kann repariert werden Auch Beschädigungen durch externe chemische Substanzen können repariert werden Die Änderung eines einzelnen Basenpaares bewirkt eine Punktmutation Insertionen und Deletionen verursachen Leseraster-Mutationen . . . Mutationen sind zufallige, beim einzelnen Individuum seltene Ereignisse Viele mutagene Agentien sind auch carcinogen Gen-Rekombinationen sind häufig Einige Chromosomenabschnitte werden oft transponiert Die Vielfalt der Antikörper ist das Ergebnis von Transponierungs­ und Rekombinations-Vorgängen Gene verschiedener Organismen können künstlich rekombiniert werden Plasmide und der Phage k sind Vektoren für die Einführung fremder Gene in Bakterien Die Isolierung von Genen und die Darstellung von cDNAs Konstruktion des Gen-tragenden Vektors Einbau der „beladenen" Plasmide in das E.-coli-Chromosom Geklonte cDNAs können dazu verwendet werden, das entsprechende natürliche Gen wiederzufinden Die Expression geklönter Gene wird durch eine Promotor beschleunigt Viele Gene sind in verschiedenen Wirtszellen geklont worden Das Rekombinieren von D N A und das Klonen von Genen eröffnet der genetischen Forschung neue Möglichkeiten Die Erforschung der Rekombinanten-DNA könnte viele praktische Anwendungsmöglichkeiten haben Interferon-Gene sind geklont worden Zusammenfassung Aufgaben 999 1000 1000 1001 1002 1003 1006 1008 1008 1010 1014 1015 1018 1019 1020 1022 1022 1025 1025 1026 1027 1028 1029 1030 1031 Anhang A In der biochemischen Literatur häufig verwendete Abkürzungen 1035 Anhang B Einheitenzeichen, Vorsätze, Konstanten und Umrechnungsfaktoren 1039 Anhang C Protonenzahlen (Ordnungszahlen) und relative Atommassen der Elemente 1041 Anhang D Logarithmen 1043 Anhang E Lösungen der Aufgaben 1045 Anhang F Glossar 1067 Abbildungsnachweis Register 1081 1083
