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Biochemie
Biochemie
Seite 2
Inhaltsverzeichnis
1.
Kohlenhydrate............................................................................................................................. 3
1.1.
1.1.1.
1.1.2.
Disaccharide.................................................................................................................................... 7
1.3.
Polysaccharide ................................................................................................................................ 8
1.4.
Stoffwechselwege der Kohlenhydrate......................................................................................... 11
2.1.
Nucleotide...................................................................................................................................... 25
2.2.
DNA und RNA.............................................................................................................................. 26
Metabolismus................................................................................................................................ 37
2.4.
Weitere Funktionen von Nucleosiden......................................................................................... 38
Lipide......................................................................................................................................... 40
3.1.
Eigenschaften der Lipide ............................................................................................................. 40
3.2.
Biomembrane und Stofftransport............................................................................................... 41
3.3.
Fettsäuren und Speicherfette ...................................................................................................... 42
3.4.
Membranbestandteile und Folgeprodukte................................................................................. 47
3.5.
3.5.1.
3.5.2.
3.5.3.
Phospholipide ........................................................................................................................................... 47
Sphingolipide............................................................................................................................................ 49
Steroide..................................................................................................................................................... 50
Fettsäuremetabolismus ................................................................................................................ 51
Anabole Stoffwechselwege ...................................................................................................................... 51
Katabole Stoffwechselwege ..................................................................................................................... 53
Verknüpfung der Stoffwechselwege......................................................................................................... 54
Proteine ..................................................................................................................................... 56
4.1.
Aminosäuren................................................................................................................................. 56
4.2.
Peptide und Proteine.................................................................................................................... 58
4.2.1.
4.2.2.
4.2.3.
4.2.4.
4.3.
4.3.1.
4.3.2.
5.
Struktur und Funktion............................................................................................................................... 26
Mutationen................................................................................................................................................ 33
Editieren von RNA ................................................................................................................................... 36
2.3.
3.4.1.
3.4.2.
3.4.3.
4.
Glycolyse.................................................................................................................................................. 11
Citratcyklus .............................................................................................................................................. 14
Endoxidation oder Substratkettenphosphorylierung................................................................................. 18
Katabolismus anderer Kohlenhydrate....................................................................................................... 22
Nucleotide und Nucleinsäuren................................................................................................. 25
2.2.1.
2.2.2.
2.2.3.
3.
Strukturen und Namen................................................................................................................................ 3
Wichtige Monosaccharide .......................................................................................................................... 7
1.2.
1.4.1.
1.4.2.
1.4.3.
1.4.4.
2.
Monosaccharide.............................................................................................................................. 3
Primärstruktur........................................................................................................................................... 58
Sekundärstruktur ...................................................................................................................................... 59
Tertiärstruktur........................................................................................................................................... 63
Quartärstruktur ......................................................................................................................................... 63
Stoffwechsel der Aminosäuren.................................................................................................... 67
Anabolismus............................................................................................................................................. 67
Katabolismus ............................................................................................................................................ 67
Literatur .................................................................................................................................... 70
Biochemie
Seite 3
Die vorliegende Übersicht ist als Ergänzung zu Ihrem Biologie- und Chemiebuch1 gedacht, und es werden
deshalb ab und zu Hinweise zu Text- und Bildstellen in diesen Büchern gemacht. Es ist nicht die Idee, hier
eine vollständige biochemische Abhandlung zu finden, sondern es soll vielmehr ein kleiner Einblick in die
Stoffgruppen der Biochemie geben, sowie die wichtigsten anabolen und katabolen Stoffwechselwege
beleuchten.
1. Kohlenhydrate2
Der grösste Teil der von lebenden Organismen synthetisierte Verbindungen sind Kohlenhydrate.
Dementsprechend sind ihre Funktionen ausserordentlich vielfältig. Sie kommen als rasch metabolisierbare
Substrate oder Speicherstoffe hoher Energiedichte vor. Sie sind die Gerüstsubstanz mancher Organismen,
bilden einen wichtigen Bestandteil der extrazellulären Matrix und sind ergänzende Bauteile vieler Proteine.
Ihren Namen haben die Kohlenhydrate wegen ihrer Summenformel erhalten. Bei der Analyse der
Zusammensetzung der Kohlenhydrate merkte man, dass sie alle die Summenformel Cn(H2O)n haben, was
fälschlicherweise interpretiert werden könnte, dass sie aus an Kohlenstoff gebundenes Wasser bestehen
würden.
1.1. Monosaccharide
1.1.1.
Strukturen und Namen
Das Wort Saccharid stammt aus dem griechischen und heisst Zucker. Monosaccharide sind also
Einfachzucker mit der Summenformel (CH2O)n, wobei n > 2 ist. Dabei trägt C1 oder C2 eine Carbonylgruppe,
jedes weiter C eine Hydroxylgruppe. Ist die Carbonylgruppe am Anfang der Kohlenstoffkette, der Zucker also
ein Aldehyd, spricht man von einer Aldose, ist die Carbonylgruppe aber am C 2, der Zucker also ein Keton,
spricht man von einer Ketose. Ausser der
Ketose
Dihydroxyaceton
Monosaccharide
ein
besitzen
oder
mehrere
asymmetrische C-Atome, und kommen daher
in optisch aktiven, isomeren Formen vor. Die
vor den Namen gestellte Bezeichnung D oder
L verwendet man für das am weitesten vom
Carbonyl-C
entfernten
CHO
CHO
alle
H
C
OH
CH2OH
D-Glycerinaldehyd
HO
C
H
CH2OH
L-Glycerinaldehyd
Abbildung 1: Räumliche Anordnung beim Glycerinaldehyd
asymmetrischen
Kohlenstoffatom. Weist die Hydroxylgruppe dieses C-Atoms in der Fischerprojektion nach rechts, so
kennzeichnet sie einen D-Zucker, weist sie nach links, einen L-Zucker. In der Natur kommen praktisch nur
die Monosaccharide der D-Reihe vor. Die Strukturen und Namen aller Stereoisomere der Aldotriosen,
Aldotetrosen, Aldopentosen und Aldohexosen der D-Reihe finden Sie in Abbildung 2. Die systematische
Bezeichnung der Ketosen erfolgt durch Einfügen von „ul“ in den Namen der entsprechenden Aldose, also
1
Günter Baars, Hans Rudolf Christen: Allgemeine Chemie: Theorie und Praxis;
Neil A. Campbell, Jane B.Reece: Biologie
2
Grafiken im Campbell S. 77-82
Biochemie
D-Ribulose
Seite 4
oder
D-Sedoheptulose.
Die
Monosaccharide
der
L-Reihe
werden
jeweils
nach
entsprechenden Enantiomer der D-Reihe benannt: das Enantiomer der D-Glucose ist die L-Glucose.
dem
Biochemie
Seite 5
H
Triose
H
C
O
C
OH
CH2 OH
D-Glycerinaldehd
H
Tetrosen
H
C
O
H
C
OH
H
C
OH
C
O
HO
C
H
H
C
OH
CH2 OH
CH2 OH
D-Erythrose
D-Threose
H
Pentosen
C
O
H
C
OH
H
C
H
C
C
O
H
C
OH
OH
HO
C
H
OH
H
C
OH
C
O
HO
C
H
OH
H
C
OH
H
C
CH2 OH
D-Ribose
H
C
C
OH
H
C
OH
H
H
H
C
H
H
C
OH
CH2 OH
H
OH
C
HO
H
H
H
H
H
C
OH
C
D-Lyxose
HO
C
HO
D-Xylose
O
H
O
D-Arabinose
C
O
C
CH2 OH
CH2 OH
H
C
H
H
H
O
HO
C
H
HO
C
H
OH
H
C
OH
OH
H
C
OH
O
H
C
OH
OH
HO
C
H
C
OH
H
C
C
OH
H
C
CH2 OH
CH2 OH
C
C
CH2 OH
CH2 OH
D-Allose
D-Altrose
D-Glucose
D-Mannose
H
H
H
H
Hexosen
C
O
H
C
OH
H
C
OH
HO
C
H
H
C
OH
CH2 OH
D-Gulose
C
O
HO
C
H
H
C
OH
HO
C
H
H
C
OH
CH2 OH
D-Idose
Abbildung 2: Fischerprojektion und Namen einiger Zucker
C
O
H
C
OH
HO
C
HO
H
C
O
HO
C
H
H
HO
C
H
C
H
HO
C
H
C
OH
H
C
OH
CH2 OH
D-Galactose
CH2 OH
D-Talose
Biochemie
Seite 6
Konfiguration am Ringgrösse
zweitletzten C
Zucker
Konfiguration
an C-1
HO
4
OH
1
3
2
OH
Glucosid
Methyl- β- D- ribo furan osid
O
5
Zucker
Konfiguration
an C-1
C-1 frei
α- D- Ribo pyran ose
Konfiguration am Ringgrösse
zweitletzten C
Substituent
an C-1
5
α
4
OH
O CH3
O
3
OH
2
1
β
OH
OH
Abbildung 3: Benennung der Zucker
Monosaccharide mit fünf und mehr C-Atomen kommen aber in wässrigen Lösungen nicht in einer
offenkettigen
CH2 OH
CH2 OH
C O
C O
HO C
H
vor,
CH2 OH
sondern besitzen eine cyclische
C O
Struktur. Sie entsteht durch
eine
intramolekulare
H C OH
nucleophile
Addition
HO C
H
der
H C OH
H C OH
H C OH
Hydroxylgruppe am C4 bzw. C5
H C OH
H C OH
H C OH
an die Carbonylgruppe, wobei
CH2 OH
CH2 OH
CH2 OH
ein Fünfring (Furanose) bzw.
D-Ribulose
D-Fructose
D-Sedoheptulaose
D-Sedoheptulose
Abbildung 5: Strukturen einiger Ketosen
ein Sechsring (Pyranose) entsteht. Der Carbonylkohlenstoff wird dabei in
ein zusätzliches asymmetrisches C-Atom umgewandelt und führt zu einer
α- und einer β-Form. Die α- und β-Form ist über die offenkettige Form des
Monosaccharids ineinander überführbar. So stellt sich zum Beispiel in
wässriger Lösung von Glucose (Glc) ein Gleichgewicht ein, bei dem etwa
ein Drittel α-D-Glc, zwei Drittel β-D-Glc und eine sehr kleine Menge in der
offenkettigen Form vorliegen. Diese offenkettige Form hat aber die
wichtige
Eigenschaft,
dass
sie
reduzierend
wirken
kann.
Die
Carbonylgruppe wird dabei oxidiert3, was zur Folge hat, dass die
offenkettige Form aus dem Gleichgewicht weggenommen wird, und aller
vorhandene Zucker oxidiert wird. Auf diese Weise kann der Zuckergehalt
(Glucosegehalt) des Blutes oder des Urins analysiert werden, was bei der
Abbildung 4: Offene Form und Ringformen der Glucose
3
Form
vgl. Chemiepraktikum (Fehlingreaktion) zu Kapitel 14; wurde bereits in der Tertia (Biologie) durchgeführt
Biochemie
Seite 7
Diagnose des Diabetes mellitus eine wichtige Rolle spielt. Zur Verdeutlichung der Ringformen werden häufig
sogenannte Haworth-Projektionsformen verwendet. Obwohl die dem Leser zugewandte Ringseite
fettgedruckt wird, ist der Pyranosering nicht planar. Bei den meisten Zuckern liegt der Sechsring in der
Sesselform vor, bei einigen aber auch in der Wannenform (vgl. Chemiebuch S. 130 und 131).
1.1.2.
Wichtige Monosaccharide
Die höchste Umsatzrate im Organismus und die grösste biologische Bedeutung haben Hexosen und
Pentosen. Daneben kommen in geringem Umfang als Zwischenprodukte von Stoffwechselwegen die
Erythrose und die Sedoheptulose in Form ihrer Phosphorsäureester vor.
Glc ist der zweifellos bedeutendste Zucker. Fast alle mit der Nahrung aufgenommenen Zucker müssen zuerst
in Glc umgewandelt werden, bevor sie unter Energiegewinn abgebaut werden können. Glc ist also
mengenmässig der bedeutendste Energielieferant des Organismus. Darüber hinaus können auch alle im
Organismus vorkommenden Monosaccharide aus Glc synthetisiert werden. D-Glucose kommt als
„Traubenzucker“ in Fruchtsäften vor, ist Bestandteil von Stärke, Glykogen, Saccharose und Lactose (s.
unten).
Im
weiteren
ist
Glucose
für
den
Wasserpfeifer,
ein
nordamerikanischer
Laubfrosch,
überlebenswichtig. Dieser Frosch verbringt praktisch den ganzen Winter mit einem Grossteil seines Körpers
solide gefroren. Sein Blut und fast seine gesamte interstitielle4 Flüssigkeit wird zu Eis, doch seine Zellen und
einen sie umgebenden Flüssigkeitsfilm schützen spezialisierte Proteine und ein sehr hoher Glucosegehalt vor
dem Einfrieren. Ohne dieses Gefrierschutzmittel würden Eiskristalle die Plasmamembran der Zellen
zerstören, und das Tier würde sterben.
D-Galaktose (Gal) ist Bestandteil der Lactose (Milchzucker), und wird vom Organismus in Sphingolipide 5 und
Glykoproteine6 eingebaut.
Die D-Mannose (Man) ist Bestandteil von tierischen und pflanzlichen Glykoproteinen, und dient auch als
Bestandteil eines sogenannten Glykosylphosphatidylinositol-Ankers (GPI-Anker), eine Möglichkeit, Proteine
auf
Zelloberflächen
festzumachen.
Mannose
dient
zudem
dazu,
lysosomale
Proteine
für
ihren
Bestimmungsort (Lysosomen) zu adressieren.
D-Fructose (Fru) ist wie die Glc Bestandteil der Saccharose. Als einzige Hexose ist sie neben der Glc in der
Leber abbaubar. In allen übrigen Geweben muss sie zuerst in Glc umgewandelt werden.
Die D-Ribose und D-Desoxyribose sind Bestandteile der RNA bzw. DNA (siehe dort).
Die D-Arabinose (Ara) und D-Xylose (Xyl) sind beides Bestandteile von Glykoproteinen und Proteoglykanen 7.
1.2. Disaccharide
Disaccharide entstehen durch Kondensation8 von zwei Monosacchariden, wobei eine sogenannte
Glycosidbindung entsteht. Die kovalente Bindung entsteht zwischen der Hydroxylgruppe am C 1 des einen
Monosaccharids und einer beliebigen Hydroxylgruppe des anderen Monosaccharids. Da das C 1 sowohl in der
4
5
6
7
8
Raum zwischen den Zellen
Bestandteile der Plasmamembran der Zellen
Praktisch alle extrazellulären Proteine enthalten zu unterschiedlichen Zwecken Zucker
Extrem grosse Molekülkomplexe bestehend aus KH (95 %) und Proteinen (5 %)
Reaktion, bei der Wasser abgespalten wird
Biochemie
Seite 8
α-, als auch in der β-Form vorkommen kann, muss bei der Bindung auch seine Konformation angegeben
werden.
In Abb. 6 sind einige wichtige Disaccharide dargestellt. Über die Saccharose und die Maltose finden Sie im
Chemiebuch Kapitel 27.1 und 27.2 weitere Informationen.
Die Trehalose kommt in Pilzen vor, und ist als der „Blutzucker“ der
Insekten identifiziert worden. Die Insekten überleben ein Einfrieren im
Winter dank der schützenden Wirkung der Trehalose. Auch für das
Bärtierchen, ein mikroskopisch kleines Lebewesen, ist die Trehalose von
wichtiger Bedeutung. Bärtierchen bewohnen temporäre Pfützen und
Wasserfilme in Laubstreu und lockerem Boden oder auf niedrigen
Pflanzen. Auch ein bemoostes Dach ist ein geeigneter Lebensraum. Ist
ihre Umgebung feucht, sind die Bärtierchen aktiv und ernähren sich von
Pflanzensäften. Beim Austrocknen kann das Tier mehr als 95 % seines
Körperwassers verlieren und dann als inaktives Tönnchen mehrere
Jahrzehnte überdauern. Dehydrierte Tiere enthalten grosse Mengen an
Zuckern, vor allem Trehalose. Diese scheint die Zellen zu schützen, indem
sie den Wassermantel ersetzen, der Membrane und Proteine umgibt.
Die Lactose ist das wichtigste Kohlenhydrat der Milch (menschliche
Muttermilch: 5-7 g / 100 ml), und die Cellobiose ist der Baustein der
Cellulose.
Die verschiedenen Kohlenhydrate können zum süssen von Nahrungsmittel
verwendet werden. Dabei haben nicht alle Stoffe
O
die gleiche Süsskraft. Die Süsskraft wird durch
NH
SO 2
Abbildung 7:
Saccharin
freiwillige Testpersonen ermittelt. Der künstliche
Süssstoff Saccharin, der 400 mal stärker als
Saccharose
ist,
eignet
Übergewichtige,
oder
Künstliche
Süssstoffe
sich
vor
allem
für
Diabetes-Patienten.
stimulieren
die
selben
Geschmacksknospen der Zunge, die auch von Saccharose stimuliert
Abbildung 6: Trehalose, Saccharose,
Maltose, Lactose und Cellobiose (von
oben nach unten)
werden, sie werden jedoch vom Körper nicht als Nahrungsmittel, also Energielieferanten verwertet.
1.3. Polysaccharide
Die wichtigsten Polysaccharide sind Glykogen, Stärke, bestehend aus Amylose und Amylopektin, und
Cellulose9. All diese Polysaccharide bestehen aus Glucoseeinheiten, die jedoch unterschiedlich miteinander
verknüpft sind. Allen gemeinsam ist eine 1→4 Verknüpfung, wobei sie bei der Zellulose in β-Stellung erfolgt,
bei allen anderen in α-Stellung. Amylopektin und Glykogen haben zusätzlich noch eine α1→6-Verknüpfung
als Verzweigung (Abb. 8), wobei Glykogen häufiger verzweigt wird (ca. alle 10 Glc-Einheiten) als
Amylopektin (alle 30 Glc-Einheiten). Während die Amylose durch die α-Verknüpfung eine Helix ausbildet,
Biochemie
Seite 9
ergibt sich bei der Cellulose ein lineares Makromolekül. Mehrere Cellulosestränge können sich mit Hilfe von
Wasserstoffbrücken aneinander lagern und so eine sehr stabile Struktur ausbilden.
Tierische Organismen können nur α1→4-Verknüpfungen lösen, und somit die frei werdende Glucose
verdauen. Lediglich gewisse Pilze und Bakterien können Cellulase, ein Cellulose hydrolysierendes Enzym
produzieren. Trotzdem können Termiten und Wiederkäuer Cellulose als Nahrungsmittel nutzen. Der Grund
liegt in der symbiotischen Beziehung, in der diese Tiere leben. Bei den Wiederkäuern bewerkstelligen dies
Mikroorganismen im Pansen (ersten zwei Mägen) der Tiere. Hier wird Cellulose zu D-Glucose abgebaut, und
weiter zu kurzkettigen Fettsäuren, CO2 und CH4 umgewandelt bzw. abgebaut. Die Fettsäuren werden vom
Wiederkäuer als Nahrung aufgenommen, CO2 und CH4 in der Frequenz von 2 Litern pro Minute
ausgestossen. In den anderen beiden Mägen werden anschliessend die Mikroorganismen selbst vom
Wiederkäuer verdaut, und liefern so wertvolle Aminosäuren, Fette und Kohlenhydrate. Diese verbringen also
ein kurzes, aber angenehm warmes Leben!
Abbildung 8: Glykogen
Weitere Kohlenhydratketten kommen hauptsächlich als Proteoglykane, u.a. auch Derivate der Glucose in der
extrazellulären Matrix vor. Man findet sie in den folgenden Körperteilen:
•
Bindegewebe (Hyaluronsäure, Chondroitinsulfate, Dermatansulfat)
•
Glaskörper des Auges (Hyaluronsäure)
•
Nabelschnur (Hyaluronsäure)
•
Knorpel (Chondroitinsulfate)
•
Hornhaut (Chondroitinsulfate)
•
Haut (Chondroitinsulfate, Dermatansulfat)
9
Vgl. dazu Chemiebuch Kapitel 27.3
Biochemie
•
Herzklappen (Dermatansulfat)
Auch Murein, ein Bestandteil der Bakterienzellwände, besteht aus Proteoglykanen.
Abbildung 9: Struktur der wichtigsten Proteoglykane
Seite 10
Biochemie
Seite 11
1.4. Stoffwechselwege der Kohlenhydrate10
1.4.1.
Glycolyse
Die Glycolyse ist ein fast universeller zentraler Weg des Glucosekatabolismus, nicht nur bei Pflanzen und
Tieren, sondern auch bei vielen Mikroorganismen. Der Unterschied liegt lediglich darin, wie ihre
Geschwindigkeit reguliert wird und wie das gebildete Pyruvat11 weiterverarbeitet wird. Dazu gibt es im
wesentlichen drei Möglichkeiten. Unter aeroben Bedingungen wird das Pyruvat im Citratcyklus und der
Elektronentransportkette zu H2O und CO2 abgebaut. Unter anaeroben Bedingungen wird das Pyruvat zu
Lactat12 reduziert (Skelettmuskel oder Milchsäure produzierende Mikroorganismen) oder, wie bei der
alkoholischen Gärung der Bierhefe, zu Ethanol und CO2 umgesetzt. Da die ersten lebenden Organismen in
einer sauerstofffreien Atmosphäre entstanden sind, stellt der anaerobe Glucoseabbau den ältesten Typ
biochemischer Mechanismen zur Energiegewinnu ng aus Brennstoffmolekülen dar. Bei der anaeroben
Glycolyse in Bierhefe wird Pyruvat zuerst decarboxyliert (CO2 weg) und anschliessend zu Ethanol reduziert.
Die Summengleichung lautet demnach:
Glc + 2 Pi13 + 2 ADP → 2 Ethanol + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O
oder ausgeschrieben (Ladungen beachten; zur Struktur von ADP und ATP s. Kapitel Nucleinsäuren):
C6H12O6 + 2 H2PO4- + 2 ADP3- → 2 CH3CH2OH + 2 CO2 + 2 ATP4- + 2 H2O
Die Summengleichung bei der anaeroben Glycolyse zu Lactat lautet:
Glc + 2 Pi + 2 ADP → 2 Lactat + 2 H+ + 2 ATP + 2 H2O
C6H12O6 + 2
H2PO4-
3-
-
bzw.:
+
+ 2 ADP → 2 CH3CH(OH)COO + 2 H + 2 ATP4- + 2 H2O
Dabei werden 197 kJ pro mol Glc frei, wobei 61 kJ weiterhin im ATP gespeichert bleiben. Das gebildete
Lactat wird anschliessend via Blutbahn in die Leber transportiert, wo es in der Gluconeogenese wieder zu Glc
aufgebaut wird. Die Glc kann so wieder via Blutbahn in die Muskulatur zurück transportiert werden, und zu
erneutem Energiegewinn gebraucht werden.
10
Glykolyse, Citratcyklus, Endoxidation und ATP-Synthese: gehen Sie die Grafiken (inkl. Beschriftung) im Campbell auf den Seiten 190
bis 205 durch
11
Konjugierte Base der Brenztraubensäure; kommt bei physiologischem pH-Wert (7.4) deprotoniert vor
12
Konjugierte Base der Milchsäure; kommt bei physiologischem pH-Wert (7.4) deprotoniert vor
13
anorganisches Phosphat (H2PO4 bzw. HPO42)
Biochemie
Seite 12
Abbildung 10: Die wichtigsten Schritte der Glykolyse und die Lokalisation der Stoffwechselwege in der Zelle; die Säuren
müssten deprotoniert gezeichnet werden.
Biochemie
Seite 13
Durch die Glycolyse wird nur ein kleiner Teil der insgesamt verfügbaren Energie des Glucosemoleküls
freigesetzt. Bei der vollständigen Oxidation der Glc zu CO2 und H2O im Citratcyklus beträgt der
Energiegewinn 2870 kJ pro mol Glc. Somit wird beim anaeroben Abbau der Glc zu Lactat nur 6.9 % der
Energie frei, die im Glucosemolekül stecken würde.
Die Glycolyse verläuft in zwei Stufen, wovon die erste dazu dient, die Kohlenstoffketten aller Hexosen des
Stoffwechsels zusammenzufassen und zu ein und demselben Produkt, dem Glycerinaldehyd-3-phosphat
umzusetzen (s. Abb. 10). Bei dieser präparativen Stufe, bei der 2 ATP verbraucht werden, wird das
Glucosemolekül aktiviert. In der zweiten Stufe werden dann pro mol Glucose 4 ATP gewonnen. Man nennt
dies die energiekonservierenden Phosphorylierungsschritte, da die Energie nun in Form von ATP konserviert
wird. Die Glykolyse erfolgt bis zum Pyruvat im Cytosol. Die Glucose selber wird via Blutbahn zur Zelle
geführt, und anschliessend in die Zelle hinein befördert. Das Pyruvat wird danach ins Mitochondrium
geschleust. Je nach Verwendungszweck kann Pyruvat via Malat wieder in der Gluconeogenese verwendet
werden, es kann Fett aufgebaut werden, oder es kann weiter Energie im Citratcyklus gewonnen werden.
Biochemie
Seite 14
1.4.2.
Citratcyklus
Abbildung 11: Die Reaktionen des Citratcyklus (aussen); Produkte des Citratcyklus und Kohlenstoffgerüst im Cyklus
(innen); Wichtig: α-Ketoglutarat und 2-Oxoglutarat sind zwei Namen für das gleiche Molekül!
Bei einer intensiven sportlichen Anstrengung können mit der Glykolyse 2 ATP 14 gewonnen werden. Dabei
entsteht, wie schon erwähnt, Lactat als Endprodukt. Dies ist jedoch nicht die gesamte Energie, die in der
Glucose steckt. Falls genügend Sauerstoff vorhanden ist, kann Pyruvat im Mitochondrium weiter zu CO 2 und
Wasser oxidiert werden. Dies geschieht u.a. im Citratcyklus, dem zentralen Kreislauf des Katabolismus. In
diesem Cyklus werden also nicht nur die Produkte der Glykolyse weiterverarbeitet, sondern auch Fette und
Aminosäuren. Als erster Reaktionsschritt wird Pyruvat auf das Coenzym A (CoA) übertragen und bildet das
Acetylcoenzym A.
14
vor allem auch notwendig für die Muskelbewegung
Biochemie
Seite 15
Abbildung 12: Übertragung einer Acetyl-Gruppe des Pyruvat auf das Coenzym A (oben) und der erste Schritt des
Citratcyklus (unten)
Ein Coenzym ist ein Molekül, das an einem Enzym „hängt“, und massgeblich an der zu katalysierenden
Reaktion teilnimmt. Das CoA besteht seinerseits auch aus Pantothensäure, die für den Menschen ein
Vitamin15 ist. Der tägliche Bedarf eines Menschen beträgt 10 mg (46µmol). Da sie aber in fast allen
Nahrungsmitteln vorkommt (daher der Name), sind Mangelerscheinungen nicht bekannt.
Abbildung 13: Das Vitamin Pantothensäure, das zum Vitamin-B-Komplex gehört (oben), und das Coenzym A, das aus
einem am C 3‘ phosphorylierten ADP, Pantothensäure und 2-Mercaptoethylamin besteht.
15
Lebensnotwendige organische Verbindungen, die der tierische Organismus nicht selber aufbauen kann
Biochemie
Acetyl-CoA,
Seite 16
das
auch
Intermediärstoffwechsels
als
„aktivierte
bezeichnet.
Es
Essigsäure“
ist
das
bezeichnet
wird,
Endprodukt
das
wird
als
Drehpunkt
Kohlenhydrat-,
Fett-,
des
und
Aminosäurenstoffwechsels. Durch direkte Addition an Oxalacetat werden nun unter Bildung von Citrat zwei
neue Kohlenstoffe in den Citratcyklus eingeschleust. Im Citratcyklus werden 2 CO2, ein GTP, ein FADH2
(Flavinadenindinucleotid) und drei NADH (Nicotinamidadenindinucleotid) gebildet (Abbildung 11). GTP
übergibt ein Phosphat an ein ADP. Somit ist im Citratcyklus
ein ATP gebildet worden. Wichtig für die Energiegewinnung
ist jedoch die Bildung von FADH2 und NADH aus FAD bzw.
NAD+.
Diese
zwei
Moleküle
sind
sogenannte
Reduktionsäquivalente. Riboflavin, ein Bestandteil des FAD
ist Vitamin B2, Nicotinsäure oder Niacin wie es auch
genannt wird, ein Bestandteil des NAD+, ist ebenfalls ein
Vitamin. In der Pathobiochemie führt ein Mangel an
Riboflavin zu Schäden der Lippe, lokale seborrhoische16
Dermatitis17 am Gesicht, Glossitis18 (Landkartenzunge) und
verschiedene funktionelle und organische Störungen der
Augen. Ein Mangel an Nicotinsäure führt zu Pellagra (Pelle
agra = kranke Haut). Auch weitere Vitamine sind
massgeblich am Citratcyklus beteiligt. Es sei hier noch
Thiamin (Vitamin B1) erwähnt. Thiamin ist das Coenzym bei
der Reaktion von α-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA und von
Pyruvat zu Acetyl-CoA. Ein Mangel an Thiamin führt zu
Beriberi. Bei dieser Erkrankung kommt es beim Menschen
zu neurologischen Störungen vor allem im peripheren
Nervensystem, was zu Gliederschmerzen führt, Paralyse19
Abbildung 14: Thiamin (oben) und seine aktiven
Formen
oder „nur“ Muskelschwäche und Gewichtsverlust. Das Herz
kann vergrössert und die Herzleistung unzureichend sein.
Im 19. und frühen 20. Jahrhundert führte Beriberi in Asien
bei Hunderttausenden von Menschen, für die geschälter und polierter Reis das Hauptnahrungsmittel war,
zum Tod. Die Hülsen, die beim Polieren des Reises entfernt werden, enthalten fast das gesamte im Reis
enthaltene Thiamin.
16
17
18
19
gesteigerte Talgabsonderung
Entzündliche Hautreaktion
Zungenentzündung
Vollständige motorische Lähmung
Biochemie
Seite 17
C
„Nucleotide und Nucleinsäuren)
zwei Nucleotide (Dinucloetid; vgl. Kapitel
Abbildung 15: Links oben: Riboflavin (Vitamin B2); Rechts: FAD; Links unten: Reaktion vom FAD zum FADH2
N
OH
O
Nicotinsäure
(Niacin)
C
N
NH2
O
Nicotinamid
(Niacinamid)
Abbildung 16: Strukturen der Nicotinsäure, von Nicotinamid und NAD +. Reaktion von NAD+ zu NADH
Biochemie
Seite 18
Gehen wir zurück zum im Citratcyklus gebildeten NADH und FADH2. Diese zwei reduzierten Moleküle bringen
die Elektronen nun zur inneren Mitochondrienmembran, wo jetzt die Endoxidation stattfindet.
Endoxidation oder Substratkettenphosphorylierung20
1.4.3.
Der Energiegewinn bei der Endoxidation entspricht im Prinzip der Knallgasreaktion:
1
/2 O2 + H2 → H2O
Abbildung 17: Frei werdende Energie bei der Verbrennung von Wasserstoff (links) und gestaffelte Energiegewinnung
bei der Endoxidation in der Mitochondrienmembran (rechts).
Da bei dieser Reaktion aber sehr viel Energie frei wird, muss dies gestaffelt ablaufen. Alle in oder an der
Mitochondrieninnenmembran ablaufenden Reaktionen sind Redoxreaktionen. Dabei ist das Edukt NADH in
der Redoxreihe relativ weit vom Produkt H2O entfernt.
NAD+ + H+ + 2 e → NADH
E0:
-0.32 V
/2 O2 + 2 H+ + 2 e → H2O
E0:
+0.82 V
1
Diese Spannweite von 1.14 V entsprechen 220 kJ. Dies ist also vergleichbar mit einer Batterie, bei der die
frei werdende Energie zum Transport von Protonen in den Intermembranraum dient. Der Sauerstoff kommt
durch
Diffusion
von
der
Zellmembran
zum
Mitochondrium.
Die
Elektronen
werden
in
der
Mitochondrienmembran von Protein zu Protein weitergegeben. In den Proteinen gibt es Möglichkeiten, meist
in Form von Metallen, die verschiedene Oxidationsstufen einnehmen können, die Elektronen aufzunehmen.
Beim Cytochrom c zum Beispiel befindet sich das Eisen in einem Häm, das sich wiederum in einem Protein
20
Betrachten und lesen Sie im Campbell die Grafiken 9.13 und 9.15
Biochemie
Seite 19
befindet21. Da aber das Häm in den Cytochromen wie gesagt vom Protein völlig eingehüllt ist, muss die
Reaktion über eine verhältnismässig lange Strecke erfolgen, nämlich durch das Protein hindurch. Man nimmt
dafür einen nur quantenmechanisch erklärbaren Tunneleffekt an: das Elektron überwindet eine
Energiebarriere, ohne genügend Energie zu ihrer
Übersteigung zu haben (Wellenmodell)! Am Schluss
werden die Elektronen an den Sauerstoff abgegeben.
Dabei sind Eisen- und Kupferionen mit im Spiel. Der
Grund ist der folgende: Sauerstoff ist ein idealer
Elektronenakzeptor, es besteht jedoch die Gefahr,
dass nur ein Elektron aufgenommen wird, und so das
ausserordentlich
reaktive
Superoxidanion
(O2)
entsteht. Die Strategie ist also klar: Der Katalysator
darf keine teilweise reduzierten Zwischenprodukte
freisetzen.
O2
wird
also
im
(Komplex IV) zwischen das Fe
dritten
2+
Komplex
und das Cu+
geklemmt (Abbildung 20). Jedes Metall überlässt
dann dem O2 je ein Elektron. Das Sauerstoff wird in
ein Dianion überführt. Beim Einschleusen des ersten
Abbildung 18: Kristallographische Struktur von
Cytochrom c
Elektrons wird das Eisen weiter zum Fe4+ oxidiert.
Nach der Aufnahme eines zweiten Elektrons wird nun
Wasser gebildet und freigesetzt. Ein OH

gebunden an Fe3+ bleibt zurück. Ein drittes Elektron dient zur
Reduktion des Cu2+ zu Cu+. In den letzten Schritten des Zyklus treten wieder ein Elektron und ein O 2 ein. Es
entsteht ein zweites Wasser und wieder ein Dianion.
Abbildung 19:
Redoxpotential der an der
Elektronentransportkette
beteiligten Proteine, mit
der Möglichkeit, ATP zu
bilden.
21
vgl. Sauerstofftransport im Hämoglobin
Biochemie
Seite 20
Abbildung 20: Mutmasslicher Reaktionszyklus für die Reduktion des O 2 mit vier Elektronen
Mit dem nun aufgebauten Protonengradienten (vgl. Biobuch) wird an der ATPase ATP gebildet 22. Die ATPase
besteht aus einem F0 und einem F1 Teil, wobei der F1 Teil wiederum aus 9 Untereinheiten aufgebaut ist.
Sechs Untereinheiten bilden je zu zweit wieder einen isolierten Teil (αβ-Paare), die restlichen drei sind für
sich verschieden (γ, δ und ε). Der F0 Teil befindet sich in der Mitochondrienmembran, der F1 Teil ragt in die
Mitochondrienmatrix (Innenraum) hinein. Durch Rotation des F1 Teils wird nun ATP gebildet. Die Protonen
sind für diese Rotation verantwortlich, wobei noch nicht ganz klar ist, ob 2 oder 3 Protonen zur Bildung eines
ATP gebraucht werden.
22
vgl. Biobuch Abb. 9.14
Biochemie
Seite 21
Abbildung 21: ATPase Komplex (a) und seine Lokalisation in der Membran (b). Die ATP-Produktion ist vergleichbar mit
einem Wasserrad, das Energie produziert (rechts oben). Rotation des ATPase Komplexes. L, O und T symbolisieren je
eine αβ-Untereinheit, der Mittelteil besteht aus γ, δ und ε (rechts unten).
Zusammenfassend kann die Ausbeute an ATP von einem Molekül Glucose auf 36 oder 38 beziffert werden 23.
Der Unterschiede liegt darin, dass ein NADH bei der Glykolyse entsteht, die bekanntlich im Cytosol abläuft.
Dieses NADH muss für die Endoxidation in das Mitochondrium gebracht werden. Dies ist jedoch unmöglich,
da die innere Mitochondrienmembran für NADH undurchlässig ist. Also werden nur die Elektronen
übergeben. Dazu gibt es zwei Möglichkeiten: den Glycerinphosphat-Shuttle und, in der Leber und im Herz,
den Malat-Aspartat-Shuttle. Die Elektronen werden auf ein Molekül übergeben, das die Membran
durchdringen kann. Dieses Molekül ist einerseits Glycerinphosphat, andererseits Malat. Auf der anderen Seite
übergibt das Malat die Elektronen wieder einem NAD+, wobei ein NADH entsteht, Glycerinphosphat übergibt
jedoch seine Elektronen einem FAD, wobei ein FADH2 entsteht. Im Gegensatz zum NADH, bei dem 3 ATP
gebildet werden, werden beim FADH2 nur 2 ATP gebildet.
23
zählen Sie selber nach!
Biochemie
Seite 22
Abbildung 22: Energiegewinnung nach der Glykolyse schematisch dargestellt (links) und die Lokalisation im
Mitochondrium (rechts).
1.4.4.
Katabolismus anderer Kohlenhydrate
Grundsätzlich kann gesagt werden, dass alle anderen Kohlenhydrate irgendwie in die Glykolyse
eingeschleust werden müssen.
Biochemie
Seite 23
Abbildung 23: Einschleusen der wichtigsten Monosaccharide in die Glykolyse.
Die Fructose, Bestandteil der Saccharose, wird entweder direkt am C6 phosphoryliert (Muskel und Niere) und
ist somit in der Glykolyse, oder aber am C1. Dabei entsteht Fructose-1-phosphat. Über mehrere
Zwischenschritte werden daraus zwei Glycerinaldehyd-3-phosphat gewonnen, ebenfalls Zwischenprodukte
der Glykolyse.
Die Mannose wird auch an Position 6 phosphoryliert, anschliessend in das Fructose-6-phosphat, einem
Zwischenprodukt der Glykolyse, isomerisiert.
Die Lactose (Milchzucker) wird, wie übrigens auch die Saccharose, im Dünndarm gespalten. Dabei entstehen
Glucose und Galactose. Die Galactose wird weiter in der Leber abgebaut. Sie wird als erstes phosphoryliert.
Anschliessend wird ein UMP24 von einer UDP-Glucose übertragen. Die dabei entstandene und aktivierte UDP-
24
Uridinmonophosphat
Biochemie
Seite 24
Galactose kann zu einer UDP-Glucose epimerisiert werden. Ein UMP wird abgespalten, es entsteht ein
Glucose-1-phosphat, ein Zwischenprodukt der Glykolyse. In umgekehrter Richtung wird diese Reaktionsfolge
in der Milchdrüse für die Bildung von Milchzucker verwendet. In der Pathobiochemie gibt es zwei Defekte.
Einerseits die Lactoseintoleranz, andererseits die Galactosämie.
Bei der Lactoseintoleranz verliert die Lactase, die im Darm für die Spaltung der Lactose in Glucose und
Galactose verantwortlich ist, ihre Aktivität. Dieses Enzym besitzt bei Säuglingen eine hohe Aktivität, im
Erwachsenenalter behalten aber nur Nordeuropäer und einige afrikanische Stämme die Darm-Lactase.
Erwachsene der meisten anderen Völker besitzen nur wenig bis gar keine Darm-Lactase, und weisen eine
Lactoseintoleranz auf. Auch nach z.T. nur geringen Darmerkrankungen, wie Durchfall, kann bei
Nordeuropäern eine Lactoseintoleranz auftreten. Dieser
Gal
Unterschied zwischen den Völkern ist genetisch bedingt.
Da Lactose bei einer Lactoseintoleranz nicht in den
Blutkreislauf aufgenommen werden kann, verbleibt sie
im Darm. Bei diesen Patienten führt die Aufnahme einer
Gal-1-P
Glc-1-P
grösseren Menge Milch zu einem wässrigen Durchfall,
abnormaler Darmpassage und kolikartigen Schmerzen.
Bei der Galactosämie, einer erblichen Mangelkrankheit,
UMP
kann
UMP
nicht
auf
das
Galactose-1-phosphat
übertragen werden. Als Folge häufen sich Galactose und
Galactose-1-phosphat im Blut an. Die Leber und andere
UDP-Glc
UDP-Gal
Organe werden vergrössert und funktionieren nicht
mehr optimal, die Sehfähigkeit wird durch den grauen
Abbildung 24: Verwertung der Galactose
Star beeinträchtigt und die geistige Entwicklung wird
verzögert.
Biochemie
Seite 25
2. Nucleotide und
Nucleinsäuren
Nucleotide und Nucleinsäuren sind für die Lebensvorgänge aller bekannten Organismen von entscheidender
Bedeutung. Mononucleotide sind an der Energiespeicherung im Körper und der Informationsweiterleitung in
Zellen beteiligt, sind Teile von Coenzymen und können als aktivierende Bausteine bei Biosynthesen anderer
Stoffe figurieren. Und natürlich sind sie die Bausteine der Nucleinsäuren, die ihrerseits in Form der
Desoxyribonucleinsäure (DNA; der A steht für engl. „acid“) Träger der genetischen Information sind, oder in
Form der Ribonucleinsäure (RNA) Träger der Information zum Bau von Proteinen oder Bauelemente von
Ribosomen sind. RNA kann auch enzymatische Funktionen wahrnehmen, und es wird sogar darüber
spekuliert, dass zu Beginn der Evolution die ersten Enzyme aus RNA bestanden.
2.1. Nucleotide25
Ein Nucleosid besteht aus einer Base und einer Pentose. Kommt zu
dieser Einheit eine Phosphatgruppe dazu, spricht man von einem
Nucleotid. Als Zucker kommt ausschliesslich Ribose (vgl. Abb. 2) oder
Desoxyribose, bei der die Hydroxylgruppe am C-2 fehlt, in Frage. Die
Ribose kommt in den Nucleotiden in der β-Furanose-Form vor
Abbildung 26: Struktur der
Nucleoside bzw. Nucleotide
Abbildung 25:
Numerierung der Basen
und der Zucker
25
vgl. Biobuch S. 98
Biochemie
Seite 26
(s. Kohlenhydrate). Die Basen leiten sich formal vom Purin oder vom Pyrimidin ab. Als Bausteine der DNA
findet man die Purinbasen Adenin und Guanin und die Pyrimidinbasen Thymin und Cytosin. Die RNA enthält
an Stelle von Thymin Uracil. Die Numerierung der Ringatome erfolgt in den Basen von 1 bis 6 bzw. 9. Damit
die Atome der Base von denjenigen im Zucker unterschieden werden können, wird die Ribose von 1‘ bis 5‘
durchnumeriert. Die Phosphatgruppe ist mit der Hydroxylgruppe am C-5‘ verestert, d.h. unter
Wasserabspaltung bildet sich aus einem anorganischen Phosphat und der Hydroxylgruppe ein Phosphatester
(Abbildung 30). Verknüpft sind die Basen N-glykosidisch mit dem Zucker. Ausnahme bildet Pseudouridin, das
mit dem C-5 der Base am Zucker hängt. Pseudouridin ist ein Nucleotid, das man nur in der tRNA findet.
Weitere seltene Basen in der tRNA sind Inosin, Dihydrouridin und 1-Methylguanosin (Abbildung 29).
2.2. DNA und RNA26
2.2.1.
Struktur und Funktion
RNA und DNA enthalten als Bausteine die oben beschriebenen Nucleotide. Die Aufgabe der DNA ist die
Weitergabe der Erbinformation an die Tochterzellen. Zudem dient
sie als Vorlage für die Transkription auf die RNA. Bei der RNA
unterscheidet man zwischen hnRNA (heterogen nuclear RNA),
snRNA (small nuclear RNA), mRNA, tRNA und rRNA. Die hnRNA
ist
das
direkte
Transkriptionsprodukt
der
DNA,
enthält also sowohl
Introns
Abbildung 27: Bei der Bildung von
Adenosin aus Adenin und Ribose wird
Wasser abgespalten
als
auch
Exons. Im Zellkern
müssen die Introns
noch
aus
der
hnRNA weggeschnitten werden, um die korrekte mRNA zu
erhalten. Dabei hilft die snRNA, die etwa 100 Nucleotide lang
ist. Ihre Basensequenz ist komplementär zu den beiden Enden
der Introns. Durch Basenpaarung zwischen der snRNA und
den Enden der Intron-Schleife werden die Sequenzen der
Abbildung 28: Aufgabe der snRNA
beiden Exons in die für das enzymatische Zusammenspleissen
der Exons und die Entfernung der sie trennenden Introns richtige Stellung nebeneinander gebracht. Die
snRNA dient also vorübergehend als Matrize, um die beiden Enden der Exons so zusammenzuhalten, dass
das Spleissen an der richtigen Stelle erfolgt.
Für die Synthese der tRNA und der rRNA dient die DNA als Matrize.
26
Voraussetzung: Biologieunterricht zum Thema DNA und RNA; Biobuch S. 136 bis 147
Biochemie
Abbildung 29: Seltene Basen
Seite 27
Biochemie
Seite 28
Abbildung 30: Strukturen der Hauptbestandteile der DNA (a) und der RNA (b). Normalerweise wird die
Einbuchstabenabkürzung verwendet. Der Buchstabe beinhaltet automatisch, dass sich die Phosphatgruppe in der
Position 5‘ befindet.
Biochemie
Seite 29
Nun zum Aufbau und der Struktur der Nucleinsäuren. Nucleinsäuren sind Polymere, die aus Ketten von
Mononucleotiden bestehen, welche untereinander mit Phosphodiesterbindungen verknüpft sind, d.h. die
Phosphatgruppe dient als Bindeglied zwischen den Nucleosiden, wobei sie am C-5‘ des einen Nucleosids und
am C-3‘ des anderen Nucleosids hängt. In der DNA ist dies die einzig mögliche Verbindung, da die
Hydroxylgruppe am C-2‘ fehlt, und am C-1‘ die Base hängt. Bei der Angabe einer Basensequenz auf dem
Papier wird nach Konvention das 5‘-Ende rechts, das 3‘-Ende links geschrieben.
Abbildung 31: Kettenverlängerung der DNA
Die DNA kommt in der Zelle als Doppelhelix vor, wobei immer zwei Stränge antiparallel zueinander verlaufen
(Abbildung 32). Das Rückgrat der
Doppelhelix
bilden
die
hydrophilen
Zuckerreste
und
Phosphate, innen befinden sich
die
hydrophoben
Purin-
und
Pyrimidinbasen. Dabei paaren sich
jeweils Adenin (A) und Thymin
(T)
mit
zwei
27
Wasserstoffbrücken , und Cytidin
(C) und Guanin (G) mit drei
Wasserstoffbrücken.
Wasserstoffbrücken
Die
sind
also
direkt dafür verantwortlich, dass
die Erbinformation weitergegeben
Abbildung 32: Zwischen A und T können sich zwei, zwischen C und G drei
Wasserstoffbrücken bilden
wird. Das Ringsystem der Basen
ist relativ planar, d.h. es bildet
sich innerhalb der Helix eine Art Treppe aus. Die Zucker und Phosphate bilden durch ihre Bindungswinkel
eine grosse und eine kleine Furche innerhalb der Helix (Abbildung 34).
Biochemie
Abbildung 34: Treppenförmiger Aufbau der
DNA mit dem Zucker-Phosphat-Rückgrat
und den Basen in der Mitte (oben).
Die grosse und die kleine Furche in der DNA
ergeben sich aus den Bindungswinkeln in
den Molekülen (oben und rechts)
Abbildung 33: Originalbild der Röntgenstrukturanalyse der DNA von Rosalind Franklin (links).
DNA-Modell hergestellt von James Watson und Francis Crick (rechts).
27
vgl. Chemiebuch S. 115
Seite 30
Biochemie
Seite 31
Abbildung 35: Synthese neuer DNA. Die Syntheserichtung der Polymerase erfolgt bei beiden Strängen von 5‘ nach 3‘
Die Kettenverlängerung beim Erneuern der DNA erfolgt jeweils mit einem
Nucleosidtriphosphat, das durch die energiereiche Phosphatbindung, die
während der Reaktion gespalten wird, der Polymerase die Energie liefert (vgl.
Abbildung 31). Es handelt sich hier um einen nucleophilen Angriff der
Hydroxylgruppe an das Phosphor der ersten Phosphatgruppe. Da die
Polymerase nur von 3‘ nach 5‘ synthetisieren kann, muss beim gegenläufigen
Strang das jeweilige Okazaki-Fragment28 am Schluss mit einer Ligase
geschlossen werden. Auch dies erfolgt durch einen nucleophilen Angriff.
Genau gleich verläuft die Synthese der RNA. Das primäre Transkript
eukaryotischer Zellen, die hnRNA, wird, wie schon erwähnt, im Zellkern weiter
modifiziert. Einerseits erhält sie eine Kopfgruppe und einen polyA-Schwanz.
Andererseits
wird
sie
noch
gespleisst,
d.h.
die
Exons
werden
herausgeschnitten. Am 5‘-Ende wird schon während der Transkription die
sogenannte
Cap-Gruppe
angehängt.
Diese
besteht
aus
einem
7-Methylguanosintriphosphat. Oft werden an die 2‘-Hydroxygruppe der
folgenden zwei Nucleotide zusätzlich eine Methylgruppe angehängt. Diese
Kopfgruppe hat folgende Funktionen:
28
Abbildung 36: Verknüpfung der
Okazaki-Fragmente
benennt nach dem Japaner Reiji Okazaki, der herausfand, dass die Synthese in diesem Strang diskontinuierlich in Stücken von 1000
bis 2000 Basen erfolgt.
Biochemie
Seite 32
-
Sie dient als Schutz vor Nucleasen
-
Es ist ein Signal für die mRNA für den Transport durch die
Kernporen
-
Sie dient zur Anheftung der mRNA an das Ribosom
Am 3‘-Ende werden 50 bis 200 Adenylreste (A), der sogenannte polyASchwanz, bei einem bestimmten Signal, d.h. einer bestimmten
Basensequenz, auf der RNA angehängt.
Auch
dieser
wahrscheinlich
Schwanz
dient
dem
höchst
Schutz
vor
Nucleasen. So wird die Halbwertszeit der
mRNA
beträchtlich
schlussendlich
erhöht.
muss
die
Und
RNA
noch
gespleisst werden. Dies geschieht durch
mehrfache Umesterung in einem dazu
spezialisierten
dafür,
dass
Enzym.
die
aneinandergehängt
Verantwortlich
Exons
werden,
richtig
ist
die
snRNA.
Abbildung 38: PolyA-Schwanz
Abbildung 37: CAP-Struktur am Kopf
der mRNA
Abbildung 39: Wegschneiden der Exons durch zweimalige Umesterung
Biochemie
Seite 33
Abbildung 40: Galacidalacidesoxyribonucleicacid. Auch der Surrealist Salvador Dalí liess sich 1963 von der DNAStruktur inspirieren. Die drei Teile der Existenz (Leben, Tod, Leben nach dem Tod) wird von der
DNA-Helix links symbolisiert. Rechts befinden sich Menschen, die je in einer Ecke eines Salzkristalls stehen. Die
Verbindung zum Nachbarn ist durch ein Gewehr gewährleistet. Im Zentrum oben befindet sich Gott, der Jesus hinauf
holt. Die ganze Szene wird von Gala, Dalís Lebensgefährtin beobachtet.
2.2.2.
Mutationen29
Mutationen an der DNA durch äussere Einflüsse können, falls sie nicht durch Reparaturenzyme geflickt
werden, unproblematisch (Ersatz einer Aminosäure durch eine ähnliche Aminosäure) bis letal (Protein nicht
mehr funktionsfähig) sein. Andererseits sind Mutationen zwingend dazu notwendig, dass sich eine Art den
gegebenen Einflüssen ihrer Umwelt anpassen kann (survival of the fittest). So ist die Sichelzellanämie 30 in
Afrika und Süd- und Mittelamerika relativ häufig vertreten. Obwohl homozygote Sichelzellanämieträger schon
als Kinder sterben, wird heterozygoten Trägern eine gewisse Resistenz gegen Malaria gewährleistet.
Bei tiefer entwickelten Lebewesen werden
Mutationen,
entwickelten
repariert.
im
Gegensatz
Lebewesen,
So
Anpassungsfähigkeit
ist
von
zu
höher
kaum
mehr
die
schnelle
Bakterien
zu
erklären. Direkt wirkt sich dies auf die
Abbildung 41: Keto-Enol-Tautomerie von Thymin. Links befindet
sich Thymin in der Ketoform, rechts in der Enolform.
Antibiotikaresistenz
vieler
pathogener
Bakterien aus, was immer zu grösseren
Problemen in Spitälern führt.
29
30
vgl. Biounterricht
Biobuch in diversen Kapiteln
Biochemie
Seite 34
Mutationen können durch UV-Licht, durch Chemikalien oder spontan hervorgerufen werden. Spontane
Mutationen sind vor allem während der Replikation der DNA von entscheidender Bedeutung. Jede Base kann
in verschiedenen tautomeren Formen vorkommen (Abbildung 42). Diese Formen befinden sich im
Gleichgewicht. Normalerweise liegt die Base in der DNA in der Ketoform vor. Kommt es während der
Replikation zu einer Umlagerung in die Enolform, führt dies zu einer Fehlbasenpaarung und damit zu einer
Mutation während der DNA-Replikation.
Abbildung 42: Thymin als Keton paart sich mit Adenin, Thymin als Alkohol mit Guanin.
Eine nächste spontane Mutation kann durch den Verlust einer Purinbase oder,
etwas seltener, einer Pyrimidinbase zustande kommen. Grund ist die hydrolytische
Spaltung der glykosidischen Bindung zwischen der Base und dem Zucker. Bei der
Replikation wird in diese daraus entstehende Lücke durch die Polymerase
irgendeine beliebige Base eingefügt.
Auch
reaktive
Sauerstoffverbindungen
wie
Wasserstoffperoxid
und
Hydroxylradikale können zu Mutationen führen.
UV-Licht bewirkt eine Dimerisierung zweier Pyrimidinbasen, wie dies am Beispiel
von Thymin gezeigt ist (Abbildung 43).
Chemische Mutagene sind viele bekannt (Abbildung 45). So zum Beispiel
5-Bromuracil, salpetrige Säure, Benzol und Benzpyren. 5-Bromuracil ist ein
Thyminanaloga. Der Anteil des Enoltautomers ist jedoch höher als beim Thymin,
wahrscheinlich wegen der höheren Elektronegativität das Br gegenüber der
Methylgruppe. So kommt es zu einer Paarung mit Guanin anstelle von Adenin
(Abbildung 46). Salpetrige Säure wirkt auf die Aminogruppen in den Basen.
Adenin wird zum Beispiel zu Hypoxanthin desaminiert, das statt mit Thymin mit
Cytosin paart. Aromatische Verbindungen können, da sie flach sind, gut in die
DNA hinein geschoben werden, was zu einer Verschiebung der Basen führt. Das
vor allem in Zigarettenrauch aber auch in Dieselabgasen und zu stark gebratenem
Fleisch vorkommende Benzpyren wird zuerst durch körpereigene Enzyme so
abgewandelt, dass es einen Dreiring gibt. Dieser wird durch den Stickstoff des
Guanins nucleophil angegriffen (Abbildung 47).
Abbildung 43: Eine durch UVLicht hervorgerufene
Dimerisierung
Biochemie
Seite 35
Abbildung 47: Cancerogene Wirkung von Benzpyren
Abbildung 46: 5-Bromuracil, das leichter
in seine Enolform übergeht
Abbildung 45: Einige chemische cancerogene Stoffe
Abbildung 44: Wirkung von salpetriger Säure auf die
DNA
Biochemie
Seite 36
2.2.3.
Editieren von RNA
Ein ursprünglich bei Trypanosomen beschriebenes Phänomen ist das editieren von RNA. Dabei versteht man
die nachträglich Korrektur der RNA, indem U
eingefügt oder seltener weggeschnitten wird.
Gesteuert wird dieser Vorgang durch guide-RNA
(gRNA), die komplementär zur RNA ist, die
editiert werden soll. In Trypanosomen können so
bis
zu
50
%
Proteincodierung
der
Nucleotide,
notwendig
sind,
die
zur
eingefügt
werden. RNA-Editing wurde in mRNA, tRNA und
rRNA von eukaryontischen Zellen beobachtet,
nicht aber bei Prokaryonten. Eine weitere Art von
RNA-Editing ist erst seit kurzem bekannt. So kann
bei Säugern die mRNA für Apolipoprotein B
editiert werden (Abbildung 49). Dabei wird in
Darmzellen ein Cytidin desaminiert, resultierend
in einem Uridin, was zu einem Stoppcodon führt.
Dieses
Editing
geschieht
aber
nicht
in
Leberzellen. Ausgehend von der gleichen mRNA
Abbildung 48: Desaminieren von Cytidin zu Uracil (oben) und von
Adenosin zu Inosin (unten)
können somit zwei von der Grösse unterschiedliche Proteine produziert werden.
Weiter kann Adenosin zu Inosin, das als Guanosin gelesen wird, desaminiert werden. Ein Beispiel dafür ist
ein Serotoninrezeptor im Gehirn, bei dem durch RNA-Editing drei Aminosäuren ausgetauscht werden..
Neuere Forschungsresultate weisen darauf hin, dass bei depressiven Selbstmordopfern ein erhöhtes Editing
statt findet. Mäuse, die mit dem Psychopharmaka Fluoxetin (Fluctin, Sarafem, Prozac) behandelt werden,
vermindern das Editing im Serotoninrezeptor.
CAA
apo-B gene
TAA
5’
CAA _ UAA
No editing
CAA
5’
UAA
3’
UAA
An
apo-B mRNA
5’
Apo-B100 Protein
In Liver
Abbildung 49: mRNA ohne Editing in der Leber (links) und mit Editing im Darm (rechts)
Apo-B48 Protein
In Intestine
UAA
An
Biochemie
Seite 37
2.3. Metabolismus
Purine und Pyrimidine können grundsätzlich im
Körper selbst hergestellt werden, d.h. sie müssen
nicht mit der Nahrung aufgenommen werden. Die
Stickstoffe
stammen
ausnahmslos
aus
Aminosäuren, aber auch die meisten C-Atome
haben
ihren
Ursprung
bei
Aminosäuren
(Abbildung 50). Neben diesem Syntheseweg gibt es
für Purinbasen auch die Möglichkeit, recycliert zu
werden. D.h. beim Abbau von Nucleinsäuren
können
Purine
auf einfache, energetisch viel
günstigere Art, wieder zu neuen, den Bedürfnissen
entsprechenden Weise hergestellt werden.
Abbildung 50: Herkunft der Kohlenstoff- und
Stickstoffatome bei den Pyrimidinen
Der Abbau der Purine endet bei den Primaten bei der Harnsäure (Urat). Der Mensch scheidet pro Tag
ungefähr 0.6 g Harnsäure aus. Sie stammt z.T. aus den mit der Nahrung aufgenommenen Purinen, z.T. aus
dem Turnover der Purinnucleotide aus den Nucleinsäuren. Die Gicht, deren Ursachen lange Zeit
irrtümlicherweise in einem „zu guten Leben“ gesehen wurde, ist eine Erkrankung der Gelenke, die
O
O
O
H3 C
NH
HN
NH
NH
O
NH
N
CH3
O
NH
N
CH3
Theophyllin
NH
O
CH3
N
HN
N
gewöhnlich bei Männern auftritt. Sie wird durch erhöhte
Harnsäurekonzentration in Blut und Gewebe verursacht. Durch
die Ablagerung von Natrium-Urat-Kristallen entzünden sich die
Gelenke, schmerzen und werden arthritisch. Auch die Nieren
werden betroffen, denn überschüssiges Urat wird in den
Koffein
O
N
N
N
O
Xanthin
H3 C
CH3
NH
CH3
Theobromin
Abbildung 51: Natürlich vorkommende
Xanthin-Derivate. Koffeinkonzentrationen in
Lebensmitteln: Kaffee (40 – 90 mg/dl);
Schwarztee (15 – 25 mg/dl); Cola-Getränke
(7 – 24 mg/dl); Red Bull (32 mg/dl);
Schokolade (20 – 30 mg/100g)
Nierentubuli abgelagert. Die genaue Ursache der Gicht ist nicht
bekannt, aber man vermutet, dass sie durch einen partiellen
genetischen
Defekt
eines
oder
Purinstoffwechsels
verursacht
Krankheit
anderem
unter
mehrerer
wird.
mit
Enzyme
Gelindert
einer
Diät,
des
wird
die
bei
der
Nahrungsmittel, die besonders reich an Nucleinsäuren oder
Nucleotiden sind (Leber), gemieden werden. Zudem darf kein
Kaffee und Tee getrunken werden, da sie die Purine Coffein
und Theobromin enthalten (Abbildung 51). Ein fast völliges
Fehlen des Enzyms, das bei der Gicht schon vermindert ist,
führt zum Lesch-Nyhan-Syndrom. Die Patienten zeigen einen zwanghaften Drang zur Selbstzerstümmelung.
Im Alter von zwei bis drei Jahren fangen Kinder an, ihre Finger und Lippen anzunagen. Gegenüber anderen
Kindern zeigen sie sich aggressiv. Geistige Behinderung und spastisches Verhalten sind weitere
Charakteristika der Krankheit. Schon bald tritt die Gicht ein. Die Krankheit wird geschlechtsgebunden
rezessiv vererbt.
Biochemie
Seite 38
Bei Amphibien und den meisten Fischen geht der Abbau der Nucleoside weiter bis zu zwei Molekülen
Harnstoff und einem Glyoxylat. Das gleiche gilt bei den Menschen für den Abbau der Pyrimidine. Auch hier
ist Harnstoff das Ausscheidungsprodukt des Stickstoffs. Das Kohlenstoffgerüst wird via Succinyl-CoA in den
Citratcyklus geschleust, und dort weiter verwertet (s. Kapitel 1).
Abbildung 52: Der Abbau der Harnsäure
2.4. Weitere Funktionen von Nucleosiden
Nucleosidmono-, -di- und –triphosphate spielen aber nicht nur bei den
Nucleinsäuren eine wichtige Rolle, sondern sie sind auch für andere Aufgaben
im Körper wichtig. Die wohl bekannteste Aufgabe ist diejenige des
Adenosintriphosphates (ATP4-), das der Energiespeicher im Körper ist, und
somit das chemische Bindeglied darstellt zwischen energieerzeugenden und
energieverbrauchenden Zellaktivitäten. Mehr dazu finden Sie in Ihrem
Biologiebuch und im ersten Kapitel. Moleküle mit Phosphatgruppen sind
generell sehr energiereiche Verbindungen. Bei der Hydrolyse von ATP zu ADP
+ Pi werden beispielsweise 30.5 kJ/mol frei. Selten wird ATP auch zu AMP
hydrolysiert, wobei eine Diphosphatgruppe (PPi) abgespalten wird.
Adenosin hat eine weitere Aufgabe als cyklisches Adenosinmonophosphat
(cAMP). cAMP dient als sogenannter „second messenger“ innerhalb der Zelle,
d.h. es gibt ein Signal, das von ausserhalb der Zelle kommt, innerhalb der
Zelle weiter. Vor allem das Signal von lipophoben Hormonen wie Adrenalin
und Glucagon wird so weitergeleitet, da die Hormone selber die Zellwand
nicht durchdringen können. ATP wird dabei mit einem speziellen Protein,
Adenylatcyklase genannt, zu cAMP cyclisiert, anschliessend mit einem
anderen Enzym wieder zu AMP deaktiviert, nachdem es das Signal
Abbildung 53: Biosynthese
und Abbau von cAMP
Biochemie
Seite 39
weitergegeben hat. Wie aber wird die Adenylatcyklase aktiviert? Die Antwort liegt in einem zweiten Protein
(G-Protein), das seinen aktiven Zustand erhält, wenn es GTP, also ein weiteres Nucleosidtriphosphat, bindet.
Die Reaktionsfolge ist in Abbildung 54 zusammengefasst. Inaktiviert wird die Adenylatcyklase, indem GTP zu
GDP + Pi hydrolysiert wird. Bei der Cholera, einer Krankheit, die durch ein Bakterium verursacht wird, kann
GTP nicht mehr hydrolysiert werden. Der Grund ist ein Protein, das vom Bakterium stammt und diese
Reaktion hemmt. Die Folge ist eine dauernde Produktion von cAMP, das wiederum einen dauernden aktiven
Transport von Na+ und Wasser in den Darm bewirkt. Der Patient leidet unter einem starken Durchfall, bei
dem innerhalb weniger Stunden mehrere Liter Wasser verloren werden. Wenn die Flüssigkeit nicht ersetzt
wird, führt der Wasserverlust zu einem Schock und zum Tod.
Auch Uridin wird als Aktivator für gewisse Reaktionen gebraucht, wie Sie es bereits beim Abbau der
Galactose kennengelernt haben.
Abbildung 54: Weiterleitung des Signals, ausgehend von einem Hormon, via ein G-Protein an die Adenylatcyklase.
Biochemie
Seite 40
3. Lipide
Ohne Lipide könnte keine bekannte Lebensform existieren. Zur Klasse der Lipide gehören die amphiphilen
Phospholipide und Sphingolipide, welche die Membranstruktur der Zellen ausmacht. Triacylglicerine, die
ebenfalls zu den Lipiden gehören, sind die energiedichtesten Speicherverbindungen, und werden im
Fettgewebe gespeichert. Bei ihnen handelt es sich um wasserunlösliche, ölige oder fettige organische
Verbindungen.
Aber nicht nur Lipide bauen die Zellmembran auf, sondern auch weitere Bestandteile wie das Cholesterin,
von dem sich die Steroidhormone und die Gallensäure ableiten lassen.
3.1. Eigenschaften der Lipide
Der amphiphile (gr.: amphi: beidseitig; philos: Liebe) Charakter der Lipide ist eine wichtige Voraussetzung
für den Bau von Zellmembranen. Je nach Anteil in einer wässrigen Lösung ordnen sich die Lipide zu einer
bestimmten Struktur an. In geringen Konzentrationen werden Micellen gebildet, bei denen sich die
hydrophoben Schwänze gegeneinander richten, während die hydrophilen Teile nach aussen zeigen.
Triacylglyceride
(Speisefette)
Cholesterin können selber
keine Micellen bilden, da
sie keinen hydrophilen Teil
haben.
Sie
imstande,
sind
sich
an
aber
die
polaren Lipide anzulagern
und so gemischte Micellen
zu
bilden.
Protein (%)
und
Lipid (%)
Kohlenhydrat (%)
HepatocytPlasmamembran
46
54
2-4
ErythrocytPlasmamembran
49
43
8
Innere Mitochondrienmembran
76
24
0
Myellinmembran
18
79
3
Tabelle 1: Zusammensetzung verschiedener Biomembranen
Derartige
gemischte Micellen sind eine wichtige Voraussetzung für die Lipidresorption im Darm. Eine wichtige
Eigenschaft von Lipiden ist die Ausbildung von Doppelschichten. Dabei richten sich die hydrophoben
Schwänze gegeneinander, die hydrophilen Köpfe verbinden sich aussen mit der wässrigen Phase. Auf diese
Weise können biologische Membranen ausgebildet werden. Behandelt man solche Membrane mit Ultraschall,
entstehen Liposomen, die aufgrund ihrer strukturellen Ähnlichkeit mit zellulären Membranen die
Plasmamembran vieler Zellen relativ leicht permeieren können. Liposomen werden deshalb zum Teil mit
nicht membrangängigen Wirkstoffen beladen und auf diese Weise als Vehikel benutzt, so dass Arzneimittel,
Enzyme und DNA in den intrazellulären Raum transportiert werden können. Auch das Sonnenschutzmittel
„Daylong“ basiert auf Liposomen und garantiert so einen wasserfesten Schutz vor Sonnenstrahlung.
Biochemie
Seite 41
Monomolekulare Schicht
Micelle
Doppelschicht
Liposom
Abbildung 55: Möglichkeiten der Anordnungen der amphiphilen Lipide
3.2. Biomembrane und Stofftransport
Die wichtigsten Grundlagen über Biomembrane und den Stoffaustausch finden Sie im Kapitel 8 Ihres
Biobuches (nur Grafiken durch gehen).
Die Zusammensetzung der Membranen kann je nach Zelltyp und Organell stark variieren (Tab. 1). Beim
aktiven
Transport
durch
eine
Zellmembran
unterscheidet unterscheiden zwischen einem Uniport,
einem Symport und einem Antiport. Dabei ist zwingend
nötig, dass beide Stoffe gleichzeitig transportiert
werden. Als Beispiel solcher Transportprozesse sei hier
die Aufnahme von Glucose aus dem Dünndarm
erwähnt. Der gegen einen Konzentrationsgradienten
erfolgende Glucosetransport aus dem Dünndarm in die
Abbildung 56: Möglichkeiten für den aktiven
Transport durch eine Zellmembran
Zelle wird durch einen Natriumgradienten getrieben
(Symport). Die zu diesem Zweck notwendige niedrige
Natriumkonzentration im Zellinnern wird durch die hohe Aktivität der Na/K-ATPase (Antiport) auf der
gegenüberliegenden Zellwand gewährleistet. Glucose wird ebenfalls auf der anderen Seite der Zelle wieder
entlassen, jedoch durch ein passives Transportsystem.
Biochemie
Seite 42
Abbildung 57: Transport der Glucose aus dem Darm
3.3. Fettsäuren und Speicherfette
Informationen über Fettsäuren finden Sie im Biobuch auf Seite 83 und im Chemiebuch im Kapitel 16.2.
Fast alle natürlich vorkommenden Fettsäuren haben eine gerade Anzahl C-Atome; diejenigen mit 16 und 18
C-Atomen sind die häufigsten. Diese Kohlenstoffketten können gesättigt oder ungesättigt sein mit einer oder
mehreren Doppelbindungen. Ganz allgemein sind ungesättigte Fettsäuren sowohl in tierischen wie in
pflanzlichen Fetten doppelt so häufig wie gesättigte. Die meisten ungesättigten Fettsäuren haben eine
Doppelbindung zwischen den C-Atomen 9 und 10. Bei zwei oder mehr Doppelbindungen sind diese niemals
konjugiert (Einfach- und Doppelbindung abwechselnd; -CH=CH-CH=CH-), sondern stets isoliert. Die
Doppelbindungen fast aller natürlich vorkommenden ungesättigten Fettsäuren haben cis-Konfiguration,
wodurch ein Knick in der Kette entsteht. Die gesättigten Fettsäuren mit Kettenlängen zwischen C12 und C24
sind bei Körpertemperatur fest und haben eine wachsartige Konsistenz, während die ungesättigten
Fettsäuren bei dieser Temperatur ölige Flüssigkeiten sind. Die folgende Tabelle zeigt einige häufige
Fettsäuren.
Biochemie
Seite 43
Anzahl
C-Atome
Formel
Systematischer Name
Trivialname
Gesättigte Fettsäuren
12
CH3(CH2)10COOH
Dodecansäure
Laurinsäure
14
CH3(CH2)12COOH
Tetradecansäure
Myristinsäure
16
CH3(CH2)14COOH
Hexadecansäure
Palmitinsäure
18
CH3(CH2)16COOH
Octadecansäure
Stearinsäure
20
CH3(CH2)18COOH
Eicosansäure
Arachidonsäure
24
CH3(CH2)22COOH
Tetracosansäure
Lignocerinsäure
Ungesättigte Fettsäuren
16
CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH
Palmitoleinsäure
18
CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH
Ölsäure
18
CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH
Linolensäure
18
CH3CH2=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)3COOH
Linoleninsäure
20
CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)3COOH
Arachidonsäure
Tabelle 2: Einige natürlich vorkommende Fettsäuren
Im tierischen Organismus produziert das Fettsäure-SynthaseSystem die Palmitinsäure (s. Kapitel 3.5.). Von ihr ausgehend
können
weitere
gesättigte
Fettsäuren
und
die
einfach
ungesättigte Fettsäure Ölsäure hergestellt werden. Dem
tierischen Organismus fehlen dann aber die Enzyme, weitere
Doppelbindungen einzuführen, obschon auch diese Fettsäuren
für den Körper notwendig sind. Sie müssen deshalb mit der
Nahrung
essentielle
aufgenommen
Fettsäuren.
werden.
Man
Linolsäuremangel
nennt
sie
verursacht
daher
zum
Beispiel bei der Ratte eine schuppige Dermatitis. Weiter sind
eine Wachstumsverlangsamung, Schäden der Nieren und
Fertilitätsstörungen bekannt. Man hat auch beobachtet, dass
Hautveränderungen bei Kleinkindern, die mit einer speziell
fettarmen Diät ernährt wurden, nach der Zugabe von
Linolsäure verschwinden.
Die ungesättigte C20-Fettsäure ist Edukt zur Synthese der
Eikosanoiden, zu denen die Prostaglandine, Thromboxane und
Leukotriene gehören (Abbildung 57). Dies sind hormonähnliche
Substanzen, die in den meisten tierischen Geweben produziert
werden.
Die
Prostaglandine
sind
vor
allem
an
der
Sensibilisierung der Schmerzrezeptoren beteiligt und für den
Dauerschmerz verantwortlich. Eine wichtige Rolle spielen sie
Abbildung 58: Biosynthese der ungesättigten
Fettsäuren und der Eikosanoide
Biochemie
Seite 44
zusätzlich auch beim Fieber. Ein viraler oder
bakterieller
Infekt
Prostaglandinen,
die
bewirkt
auf
die
den
Bildung
von
Hypothalamus
wirken. Ein Teil des Hypothalamus dient als
Thermoregulationszentrum des Körpers, d.h. er
reguliert typische Reaktionen wie Schwitzen oder
Wärmeproduktion im Körper. Durch die Einwirkung
via den „second messenger“31 cAMP auf dieses
Zentrum wird der Sollwert der Körpertemperatur
hinaufgeschraubt, was nichts anderes als Fieber
bedeutet. Acetylsalicylsäure, der Hauptbestandteil
von Aspirin und Alka-Selzer, ist das am meisten
verwendete
Schmerzmittel.
ausgeprägte
Es
hat
zusätzlich
entzündungshemmende
und
fiebersenkende Wirkungen. Daneben ist es der
wichtigste Thrombozytenaggregationshemmer. All
diese Auswirkungen werden durch die Hemmung
der Cyclooxigenase, einem Enzym, das nötig ist zur
Biosynthese der Prostaglandine, ausgelöst. Die
Nebenwirkungen von Acetylsalicylsäure treten erst
bei sehr hohen und sehr langer Anwendung des
Medikaments auf.
Abbildung 59: Biosynthese der Eikosanoide. Die
Cyclooxigenase wird durch Aspirin gehemmt
31
Stoff, der ein Signal innerhalb der Zelle weiterleitet (vgl. Kapitel Nucleotide und Nucleinsäuren)
Biochemie
Seite 45
-
-
COO
COO
O
O
O C CH3 + E NH2
OH
+ E
NH C CH3
Abbildung 60: Aspirin inaktiviert die Cyclooxigenase (E) der Prostaglandinsynthese
Thromboxane sind zum Teil Antagonisten zu den Prostaglandinen, d.h. sie bewirken in den Zielzellen einen
Abfall der cAMP-Konzentration. Ein gestörtes Verhältnis von Thromboxanen zu Prostaglandin I2 wird für eine
Reihe pathologischer Zustände verantwortlich gemacht. So vor allem bei Diabetes und Arteriosklerose.
Leukotriene bewirken eine starke Kontraktion der glatten Muskulatur. Sie spielen deshalb eine entscheidende
Rolle bei Asthmaanfällen. Auch bei einer Reihe entzündlicher Reaktionen sind die Leukotriene, neben den
Prostaglandinen, eingeschaltet. Sie können eine Ödembildung verursachen, und es wird vermutet, dass sie
die weissen Blutzellen dazu veranlassen, an den Entzündungsherd zu wandern. Die eigentliche
physiologische Funktion ist aber noch nicht geklärt. Knock out Mäuse, die keine Leukotriene mehr
produzieren, entwickeln sich normal und überstehen eine Reihe von experimentell ausgelösten Entzündungsund Schockreaktionen besser als Wildtypmäuse.
Werden drei Fettsäuren mit dem Alkohol
Glycerin
verestert,
entstehen
Triacylglycerine, die Speicherlipide. Je nach
Anteil
an
ungesättigten
und
kurzen
Fettsäuren sind die Triacylglycerine bei
Raumtemperatur
fest
oder
flüssig.
Tristearoylglycerin ist zum Beispiel der
Hauptbestandteil
des
Rindertalgs,
und
Trioleolylglycerin der Hauptbestandteil des
Olivenöls.
Abbildung 61: Der Wedell-Seehund der Antarktis. Die dicke
Fettschicht unter der Haut ist nicht nur ein Fettspeicher, sondern
sie dient auch wie ein gut sitzender Taucheranzug zur Isolierung
gegen die Kälte.
Bei
Triacylglycerinen
der
mit
Hydrolyse
KOH
oder
von
NaOH
entstehen Kalium- oder Natriumseifen und
Glycerin
(Verseifung32).
Triacylglycerine
kommen nicht in den Zellmembranen vor,
sondern bilden im Cytosol der pflanzlichen und tierischen Zellen fein verteilte mikroskopisch kleine
Tröpfchen. In den Adipozyten (Fettzellen), bei denen es sich um spezialisierte Zellen des Bindegewebes
handelt, füllen diese Fetttröpfchen fast das ganze Zellvolumen aus. Adipozyten befinden sich in grossen
Mengen unter der Haut, in der Bauchhöhle und in den Milchdrüsen. Fettleibige Personen können so den
Grundenergiebedarf des Körpers von mehreren Monaten speichern. Im Gegensatz dazu kann der Körper
nicht einmal den Tagesbedarf an Glykogen speichern.
Neuere Untersuchungen über die Anatomie und das Fressverhalten des Pottwales brachten eine weitere
biologische Funktion der Triacylglycerine ans Tageslicht. Pottwale erreichen im Durchschnitt eine Länge von
18 m. Ihr Kopf ist sehr gross. Seine Länge macht einen Viertel der Gesamtlänge aus, sein Gewicht mehr als
Biochemie
Seite 46
ein Drittel des gesamten Körpergewichtes. Der Kopf enthält das Walrat-Organ, das etwa 90 % des
Gewichtes des Kopfes ausmacht und sich über dem Oberkiefer befindet. Die speckige Masse dieses Organs
besteht aus Bläschen die von einem öligen Bindegewebe umgeben sind. Das Organ enthält bis zu 4 Tonnen
Walrat, eine Mischung aus Triacylglycerinen mit einem Überschuß an ungesättigten Fettsäuren. Bei der
normalen Körpertemperatur des ruhenden Wals, etwa 37 °C, ist dieses Öl flüssig, bei 31 °C beginnt es aber
zu kristallisieren und wird bei einem weiteren Temperaturabfall um einige Grade fest.
Über die biologische Bedeutung des Walrats ist lange spekuliert worden. Aus Untersuchungen über die
Anatomie und das Fressverhalten des Pottwales war es möglich, Rückschlüsse auf die wahrscheinliche
Funktion dieses Öls zu ziehen. Pottwale leben fast ausschliesslich von Tintenfischen, die in großer Tiefe
leben. Bei der Nahrungssuche bleiben die Wale etwa 50 min untergetaucht. Danach brauchen sie nur 10 min
an der Oberfläche zu bleiben, um ihren Sauerstoffvorrat wieder aufzufüllen und das CO2 auszublasen.
Pottwale können sehr tief tauchen, 1000m und mehr. Der gemessene Rekord liegt bei 3000 m. In dieser
Tiefe gibt es für den Pottwal keine Konkurrenten für die großen Mengen an Tintenfisch.
Während des Tauchens verbringt der Pottwal nur etwa 25 % der Zeit mit Herumschwimmen. Die restliche
Zeit liegt er in großer Tiefe unbeweglich auf der Lauer und wartet
auf Tintenfischschwärme, die er gierig verschlingt. Nun zurück
Walrat-Organ
zum Walrat. Will sich ein marines Tier in einer bestimmten
Wassertiefe aufhalten, so muß es die gleiche Dichte haben wie
das umgebende Wasser. Zu diesem Zweck haben manche Arten
eine mit Luft oder Stickstoff gefüllte Schwimmblase, andere
speichern Fett, das eine geringere Dichte als Seewasser hat. Der
Pottwal aber ist in der Lage, seinen Auftrieb zu variieren. Er kann
Abbildung 62: Seitenansicht eines
Pottwals. Das Walrat-Organ befindet
sich oberhalb des Oberkiefers in dem
gewaltigen Kopf des Tieres.
ihn der Dichte des Oberflächenwassers des tropischen Ozeans
anpassen, aber auch der höheren Dichte des viel kälteren Wassers in großen Tiefen.
Der Schlüssel zur Erklärung dieses Phänomens liegt im Gefrierpunkt des Walrats. Wird die Temperatur des
flüssigen Öls beim Tauchen um mehrere Grade gesenkt, so erstarrt es und seine Dichte nimmt zu. Dadurch
kann der Auftrieb des Wales auf die größere Dichte des Wassers in der Tiefe eingestellt werden. Um ein
schnelles Abkühlen des Öls während des Tauchens zu erreichen, ist das Walrat-Organ stark von
Blutkapillaren durchzogen. Bevor das schnell zirkulierende Blut in diese Kapillaren gelangt, fließt es eine
lange Strecke durch die Nase, die der Wal abschließen und während des Tauchens mit kaltem Wasser füllen
kann. Dadurch wird das Absinken der Temperatur im Walrat-Organ beschleunigt. Während der Rückkehr zur
Oberfläche wird das erstarrte Öl wieder angewärmt und geschmolzen, so daß seine Dichte abnimmt und der
Wal eine Dichte erhält, die dem Oberflächenwasser entspricht.
Wir sehen also, daß die Evolution beim Pottwal eine bemerkenswerte anatomische und biochemische
Anpassung hervorgebracht hat. Die vom Pottwal synthetisierten Triacylglycerine enthalten die Fettsäuren der
passenden Länge und mit dem passenden Sättigungsgrad für den passenden Schmelzpunkt des Walrats.
Dadurch kann das Tier mit einem minimalen Aufwand an Energie in großer Tiefe verweilen und Nahrung
aufnehmen, ohne dauernd Schwimmbewegungen machen zu müssen.
32
vgl. Praktikum
Biochemie
Seite 47
3.4. Membranbestandteile und Folgeprodukte
Die Zellmembran wird als sogenanntes „flüssiges Mosaik“ betrachtet, demzufolge eine seitliche Bewegung
der Membranproteine möglich ist. Je mehr ungesättigte Fettsäuren eine Zellmembran enthält, desto höher
ist die Fluidität. Zudem sind die meisten Membrane nach einer Seite ausgerichtet (asymmetrisch), d.h. einige
Lipide sind vermehrt auf der einen Seite, andere vermehrt auf der anderen Seite anzutreffen. Die Fettsäuren
aller Membranen werden auf der dem Cytosol zugewandten Seite des ER gebildet, ein Teil der neu
gebildeten Fettsäuren muss also auf die andere Seite der ER-Membran befördert werden. Dieser sogenannte
flip-flop Mechanismus wird durch Flippasen in der ER-Membran katalysiert.
Das ER produziert auch Cholesterol und Ceramid. Das Ceramid wird in den Golgi-Apparat befördert. Dort
werden ihm auf der dem Cytosol abgewandten Seite die polaren Kopfgruppen angehängt. Diese Art von
Lipiden sind also nur auf der dem Cytosol abgewandten Seiten der Membranen anzutreffen, da es im Golgi
keine Flippasen gibt.
3.4.1.
Phospholipide
Die häufigsten Vertreter von Zellmembranen sind Phospholipide. Sie enthalten zwei Fettsäuren am Glycerin,
vorwiegend mit 16 oder 18 C-Atomen, wobei die erste Fettsäure meist
gesättigt, die zweite jedoch ungesättigt ist. Die dritte Hydroxylgruppe des
Glycerins ist mit Phosphorsäure verestert, was zur Phosphatidsäure (oder
Phosphatidat),
(Abbildung
der
Ausgangsverbindung
63).
Die
der
häufigsten
Phosphoglyceride
Phosphoglyceride
führt
sind
Phosphatidylethanolamin (PE) und Phosphatidylcholin (PC), auch Lecithin
genannt.
Weitere
Phosphoglyceride
sind
Phosphatidylserin
(PS)
und
Phosphatidylinositol (PI).
Bei allen Phosphoglyceriden sind die Phosphatgruppen bei pH 7 negativ
geladen.
Aber
auch
die
unterschiedlichen
Kopfgruppen
können
bei
physiologischem pH-Wert Ladungen tragen (Abbildung 65).
Unter der Einwirkung von Phospholipasen33 entstehen aus Phosphoglyceriden
durch Abspaltung einer Fettsäure die entsprechenden Lysophosphoglyceride.
Der bekannteste Vertreter dieser Gruppe ist das Lysophosphatidylcholin,
welches schon in geringen Mengen hämolytisch (die roten Blutkörperchen
auflösend) wirkt.
Phospholipasen, die zur Bildung von Lysophosphoglyceriden führen, kommen
u.a. in Schlangengiften vor und sind mit ein Grund für die Gefährlichkeit
dieser Gifte.
Cardiolipin, ein charakteristischer Bestandteil der inneren Mitochondrienmembran, ist eine Art doppeltes Phosphoglycerid (Abbildung 64).
Abbildung 63: Phosphatidat, die Ausgangssubstanz der Phosphoglyceride
33
Enzyme, die eine bestimmte Bindung an den Phosphoglyceriden hydrolysieren.
Biochemie
Seite 48
Abbildung 65: Die häufig vorkommenden Phosphoglyceride. Die Phosphatgruppe ist mit einem „Kopf“ verestert. Die
Ladungen entsprechen einem pH-Wert von 7.
Biochemie
Seite 49
3.4.2.
Sphingolipide
Die Sphingolipide, die zweite grosse Klasse der Membranlipide, enthalten ebenfalls
einen polaren Kopf und zwei unpolare Schwanzketten, aber kein Glycerin. Dabei ist
Sphingosin meistens die Ausgangsverbindung. Man unterscheidet bei den
Sphingolipiden zwischen den Sphingomyelinen, den Cerebrosiden und den
Gangliosiden.
Die
Sphingomyeline
kommen
besonders
reichlich
in
den
Myelinscheiden vor, von denen bestimmte Nervenzellen umgeben sind. Als
Kopfgruppe
enthalten
sie
Phosphocholin
oder
Phosphoethanolamin.
Die
Cerebroside enthalten einen oder mehrere Zucker als Kopfgruppe (Abbildung 67).
Charakteristische
Bestandteile
der
Zellmembranen
im
Gehirn
ist
das
Galactocerebrosid, das als Zucker die Galactose enthält. Mehrere Zuckereinheiten
bilden komplexere Cerebroside, die wichtige Bestandteile der Zelloberfläche sind.
Die Ganglioside enthalten sehr grosse polare Kopfgruppen mit mehreren Zuckern.
In der grauen Substanz des Gehirns machen Ganglioside bis zu 6% der
Membranlipide aus. Sie sind wichtige Bestandteile der Rezeptorstellen auf der
Oberfläche von Zellmembranen. Sie werden z.B. an den Nervenenden gefunden,
an die die Neurotransmitter während der chemischen Übertragung eines Impuls
von einem Nerv zum nächsten gebunden werden.
Abbildung 66:
Sphingosin
Biochemie
Seite 50
Abbildung 67: Links: ein Gangliosid; Sie kommen besonders häufig auf den Zelloberflächen von Nervenenden und an
spezifischen Rezeptorstellen vor. Mitte: Sphingomyelin; Kommt in den Membranen vieler tierischer Gewebe vor; wurde
erstmals aus der Myelinscheide isoliert. Rechts: Galactocerebrosid mit einer Galactose als Kopfgruppe.
3.4.3.
Steroide
Steroide sind fettlösliche, unverseifbare Moleküle mit vier kondensierten Ringen. Die verbreitetsten Steroide
sind die Sterine, das sind Steroidalkohole, deren Hauptvertreter in
tierischen Geweben das Cholesterin ist. Cholesterin und seine Ester mit
langkettigen
Fettsäuren
sind
wichtige
Bestandteile
der
äusseren
Zellmembranen. Das Cholesterin enthält die Hydroxylgruppe als polaren
Kopf. Wegen der Starrheit des 4-Ring-Systems bewirkt die Gegenwart
von Cholesterin eine Verringerung der Fluidität der Membranen.
Abbildung 68: Cholesterin
Cholesterin ist das Edukt zur Biosynthese der Steroidhormone, die in der
Nebennierenrinde (Cortisol), in den Eierstöcken (β-Östradiol), dem Gelbkörper (Progesteron) und den Hoden
(Testosteron) gebildet werden. Weitere Steroide sind die für die Lipidaufnahme wichtigen Gallensäuren und
die für den Calciumhaushalt und somit für die Knochenbildung wichtigen D-Vitamine.
Biochemie
Seite 51
3.5. Fettsäuremetabolismus
Verlassen wir nun wieder die Zellmembrane und betrachten wir die Stoffwechselwege der Fettsäuren.
3.5.1.
Anabole Stoffwechselwege
In tierischen Geweben sind die sieben an der Fettsäurebiosynthese beteiligten Enzyme zu einem Komplex
zusammengeschlossen, dem FettsäureSynthase-System,
dessen
gesamtes
Molekulargewicht 400'000 unit beträgt.
Der Komplex befindet sich im Cytosol.
In der Mitte befindet sich ein Enzym
mit
einem
Pendelarm,
das
die
Zwischenprodukte von einem aktiven
Zentrum an das nächste weitergibt. Als
Ausgangssubstanz
Dieses
im
dient
Acetyl-CoA.
Mitochondrium
bei
der
Glykolyse entstehende Produkt muss
also
in
das
Cytosol
transportiert
werden. Dies erfolgt indirekt via Citrat
(Abbildung
69).
Reaktionen
im
Die
einzelnen
Fettsäure-Synthase-
System sind in der nächsten Abbildung
zusammengefasst.
Als
Endprodukt
entsteht die Palmitinsäure, die nach
Abbildung 69: Der Acetylgruppen-Shuttle für den Transport von
Acetylgruppen aus dem mitochondrialen Acetyl-CoA ins Cytosol. Damit
bleibt gewährleistet, dass der mitochondriale und der cytosolische
Coenzym A-Pool konstant bleibt.
Wunsch
zu
weiteren
Fettsäuren
metabolisiert werden kann (s. Kapitel
„Fettsäuren und Speicherfette).
Biochemie
Seite 52
CO2
CO2
Abbildung 70: Einzelreaktionen der Biosynthese langkettiger, geradzahliger Fettsäuren aus Acetyl-CoA
Abbildung 71: „Pendelarm“, an dem die neu entstehende Fettsäure hängt; oben nur noch als „S“ angegeben
Biochemie
Seite 53
3.5.2.
Katabole Stoffwechselwege
Fette bestehen, wie schon erwähnt wurde, aus einem Glycerin, das mit drei Fettsäuren verestert ist. Falls
Energie benötigt wird, spalten Lipasen im Cytosol die drei Fettsäuren vom
Glycerin
ab.
Das
dabei
Glycerinaldehyd-3-phosphat
Fettsäureabbau,
die
in
entstandene
die
sogenannte
Glycerin
Glykolyse
β-Oxidation,
wird
beim
eingeschleust.
findet
Der
jedoch
im
Mitochondrium statt. Zu diesem Zweck muss die Fettsäure in einem
dreistufigen Prozess in das Mitochondrium gebracht werden. Zuerst wird
ein Coenzym A ATP-abhängig an die Fettsäure gehängt:
RCOOH + ATP + CoA → Acyl-CoA + AMP + PPi
Dabei entsteht ein Acyl-CoA34 und anorganisches Diphosphat. Das Acyl-CoA
übergibt anschliessend die Fettsäure an Carnithin, einem Protein in der
inneren Mitochondrienmembran. Das Carnithin seinerseits übergibt die
Fettsäure wieder einem Coenzym A, jedoch im Innern des Mitochondriums.
Dieser Dreistufenvorgang für den Transport der Fettsäuren in das
Mitochondrium mag unnötig erscheinen, aber durch ihn wird der
intramitochondriale vom cytosolischen CoA-Pool getrennt gehalten, und das
ist nötig, weil sie verschiedene Funktionen haben. Der CoA-Pool in den
Mitochondrien
wird
hauptsächlich für den
Abbau von Pyruvat,
Fettsäuren
und
einigen Aminosäuren
gebraucht, während
der
cytosolische
CoA-Pool
für
Biosynthese
die
von
Fettsäuren
verwendet wird. Der
Abbildung 72: Palmitinsäure
mit dem Coenzym A verestert
und somit parat zum Abbau
eigentliche Abbau der Fettsäure erfolgt dann in einem
Abbildung 73: Transport der Fettsäure durch die
innere Mitochondrienmembran. Somit bleibt der
Coenzym A-Pool auf beiden Seiten erhalten.
Cyklus, bei dem jeweils zwei C-Atome in Form eines
Acetyl-CoA
abgeschnitten
werden.
Zusätzlich
entstehen pro Cyklus ein FADH2 und ein NADH + H+,
die direkt in die Elektronentransportkette eingebracht werden können. Das Acetyl-CoA geht seinen
bekannten weg in den Citratcyklus.
34
Nicht zu verwechseln mit dem Acetyl-CoA, bei dem „nur“ eine Essigsäure am Coenzym A hängt.
Biochemie
Seite 54
Abbildung 74: Abbau der Fettsäuren durch β-Oxidation (links). Pro Umlauf entsteht ein Acetyl-CoA, bis nur noch ein
Acetyl-CoA übrig bleibt (rechts).
3.5.3.
Verknüpfung der Stoffwechselwege
Der erste Stoff für die Fettsäurebiosynthese ist das Acetyl-CoA, das unter anderem auch beim Zuckerabbau
entsteht. Mit anderen Worten: ist zu viel
Glucose vorhanden und der Glykogenspeicher
gefüllt, wird im Körper aus Glucose Fett
aufgebaut, da der Energiegehalt in Bezug auf
das benötigte Volumen bei Fett günstiger ist
als beim Glykogen.
Der erste Stoff für die Gluconeogenese ist
Oxalacetat bzw. Malat. Bei der β-Oxidation
entsteht jedoch Acetyl-CoA. Um von da zum
Oxalacetat zu kommen, müssen Schritte des
Citratcyklus durchlaufen werden. Wird nun
Abbildung 75: Der Glyoxylatcyklus
das
entstehende
Oxalacetat
für
die
Gluconeogenese verwendet, entleert sich der
Citratcyklus, was nicht passieren darf. Mit anderen Worten: die Nettosynthese von Glykogen aus Fetten ist
Biochemie
Seite 55
im tierischen Organismus nicht möglich. Dies alles gilt für den tierischen Organismus, Pflanzen jedoch haben
eine Lösung für dieses Problem gefunden: den Glyoxylatcyklus
(Abbildung 75). In diesen Cyklus werden zwei Acetyl-CoA
eingeschleust, und ein Succinat abgezweigt. Ausser den Schritten
vor und nach dem Glyoxylat sind alles Reaktionen des Citratcyklus.
Auch das Succinat geht via Fumarat und Malat zum Oxalacetat,
also auch Reaktionen des Citratcyklus. Das Oxalacetat kann
anschliessend für die Gluconeogenese verwendet werden. Sehr
aktiv ist der Glyoxylatcyklus in keimenden Pflanzensamen, wo er
die aus den gespeicherten Fetten stammenden Acetylreste in
Glucose umwandelt, damit Cellulose hergestellt werden kann35.
Abbildung 76: Die zwei neuen Reaktionen, die in der tierischen Zelle
nicht möglich sind. Alle anderen Reaktionen des Glyoxylatcyklus sind
Reaktionen des Citratcyklus.
35
Zeichnen Sie den Citratcyklus und den Glyoxylatcyklus ineinander verknüpft auf und beachten Sie die zum grossen Teil identischen
Zwischenprodukte. Die individuellen Moleküle können natürlich nicht nur einem Cyklus zugeordnet werden, da die Cyklen nicht getrennt
voneinander ablaufen.
Biochemie
Seite 56
4. Proteine
Proteine sind Polykondensate aus den Aminosäuren und machen mit mehr als 20 % des Feuchtgewichtes
den bedeutendsten Anteil organischer Makromoleküle von Zellen, Geweben und Organen aus. Nach groben
Schätzungen enthält der menschliche Organismus etwa 50'000 verschiedene Proteine. Proteine sind für die
Zellstruktur und den Aufbau und Funktion von Geweben verantwortlich. Proteine regulieren und katalysieren
chemische Reaktionen (Enzyme), übermitteln Signale von Zelle zu Zelle (Hormone, Zytokine), erkennen
diese Signale und leiten sie dem Zellinnern weiter (Rezeptoren und Signalübermittlungssysteme),
transportieren schlecht wasserlösliche Stoffe wie Sauerstoff (Hämoglobin) und leiten oder pumpen Ionen
durch Zellmembranen (Ionenkanäle und –pumpen).
4.1. Aminosäuren
Die Struktur der Aminosäuren finden
Sie in Ihrem Chemiebuch Kapitel 27.5
Aminosäure
3-BuchstabenAbkürzung
1-BuchstabenAbkürzung
und im Biobuch S. 87. Meistens
Alanin
Ala
A
werden die Aminosäuren nicht mit
Arginin
Arg
R
ihrem vollen Namen ausgeschrieben,
Asparagin
Asn
N
sondern
Asparaginsäure
Asp
D
Einbuchstabenabkürzungen. Unterteilt
Cystein
Cys
C
werden die Aminosäuren in solche mit
Glutamin
Gln
Q
unpolaren
es
gibt
Drei-
oder
(hydrophoben)
Glutaminsäure
Glu
E
Restgruppen (Ala, Val, Leu, Ile, Pro,
Glycin
Gly
G
Met, Phe, Trp), mit polaren aber
Histidin
His
H
ungeladenen Restgruppen (Gly, Ser,
Isoleucin
Ile
I
Thr, Cys, Tyr, Asn, Gln), mit negativ
Leucin
Leu
L
geladenen Restgruppen (Asp, Glu)
Lysin
Lys
K
und
mit
positiv
geladenen
Methionin
Met
M
Restgruppen (Lys, Arg, His). Damit die
Phenylalanin
Phe
F
Restgruppen geladen sind, muss ein
Prolin
Pro
P
pH-Wert
also
Serin
Ser
S
Das
von
physiologische
7.4
vorliegen,
Bedingungen.
Threonin
Thr
T
heisst aber auch, dass Aminosäuren in
Tryptophan
Trp
W
wässriger Lösung ionisiert sind und
Tyrosin
Tyr
Y
sogenannte Zwitterionen bilden. Wie
Valin
Val
V
Wasser auch sind sie Ampholyte:
Tabelle 3: Abkürzungen für die Aminosäuren
Biochemie
Seite 57
H
R
C
H
COOH
H+
NH3
+
R
H
H+
COO-
C
R
COO-
C
NH3
NH2
+
Abbildung 77: Allgemeine Struktur der Aminosäuren mit zunehmendem pH-Wert
Neben den 20 Standard-Aminosäuren, die in allen
Proteinen vorkommen, wurden besondere Aminosäuren
als Bestandteil nur einiger bestimmter Proteinarten
gefunden. Jede der besonderen Aminosäuren leitet sich
von
einer
der
20
häufigen
Aminosäuren
ab.
4-Hydroxyprolin und 5-Hydroxylysin findet man im
fibrillären Collagen des Bindegewebes, N-Methyllysin im
Myosin, einem Muskelprotein, und das komplizierte
Desmosin,
ein
Lysin-Derivat,
im
fibrillären
Protein
Elastin. Weiter scheint es auch Selenocystein zu geben.
Diese Aminosäure enthält statt des Schwefels im Cystein
ein Selen. Bemerkenswert ist, dass diese AS durch ein
Stoppcodon codiert wird. Dass die Proteinsynthese hier
nicht endet, scheint vor dem Startcodon codiert zu sein;
ein bisher unbekanntes Phänomen.
Aminosäuren kommen in der Natur ausschliesslich als
L-Aminosäuren
vor.
Die
optischen
Isomere
von
Aminosäuren werden spontan, d. h. nicht-enzymatisch,
sehr langsam in Racemate umgewandelt, so dass über
einen langen Zeitraum eine äquimolare Mischung von
D- und L-Isomeren aus dem reinen L- oder reinen
Abbildung 78: Seltene Aminosäuren
D-Isomer gebildet wird. Jede Aminosäure bildet bei
vorgegebener
Temperatur
Racemate
mit
einer
bekannten Geschwindigkeit. Diese Tatsache kann zur Bestimmung des Alters von lebenden Personen und
Tieren oder des Alters fossiler Knochen verwendet werden. So racemisiert zum Beispiel das L-Aspartat des
Proteins Dentin, das im äußeren, harten Zahnschmelz vorkommt, bei Körpertemperatur spontan mit einer
Geschwindigkeit von 0.10% pro Jahr. Dentin enthält zur Zeit der Zahnbildung während der Kindheit nur
L-Aspartat. Das Dentin eines Zahnes kann isoliert und sein Gehalt an D-Aspartat bestimmt werden. Solche
Dentin-Analysen wurden an Bewohnern von Bergdörfern in Ecuador vorgenommen, wo einige Menschen
behaupteten, ein besonders hohes Lebensalter erreicht zu haben. Einige dieser Behauptungen sind natürlich
mit Vorsicht zu beurteilen. Die Racemat-Tests ergaben jedoch relativ genaue Ergebnisse. So ergab der Test
z. B. bei einer Frau, deren Alter nach amtlichen Urkunden 97 Jahre war, ein tatsächliches Lebensalter von 99
Biochemie
Seite 58
Jahren. Untersuchungen an prähistorischen fossilen Skeletten von Elefanten, Delphinen und Bären zeigten,
dass diese Methode sehr gut mit den Ergebnissen von Altersbestimmungen übereinstimmt, die auf Daten
des radioaktiven Zerfalls basieren.
4.2. Peptide und Proteine
4.2.1.
Primärstruktur
Die Biosynthese der Proteine erfolgt im Cytosol. Der Mechanismus ist in Ihrem Biobuch auf der Seite 90 und
im Chemiebuch Kapitel 27.6 beschrieben. Die Peptidbindung ist durch die Mesomerie starr.
Abbildung 79: Planare Peptidbindung (unten); Polypeptid mit den möglichen Drehachsen
(oben)
Insulin war das erste Protein, dessen Primärstruktur aufgeklärt wurde. Dabei merkte
man aber, dass Insulin aus zwei Ketten besteht, die miteinander durch zwei
Disulfidbrücken verknüpft sind. Disulfidbrücken sind zwischen zwei Cys möglich, da
dies die einzige Aminosäure mit Schwefel ist. Zwei Cysteine mit einer Disulfidbrücke
verbunden nennt man Cystin.
Abbildung 80: Primärstruktur von Insulin mit den Disulfidbrücken
Biochemie
Seite 59
4.2.2.
Sekundärstruktur36
Bei der Sekundärstruktur unterscheidet man zwischen
α-Helix
Collagenhelix
β-Faltblatt parallel oder antiparallel
β-Schleifen
Obwohl alle Strukturen in einem Protein vorkommen können, gibt
es trotzdem einige Proteine, die ein Strukturelement vorzugsweise
enthalten. So besitzen α-Keratine hauptsächlich eine α-Helix.
α-Keratine sind die wichtigsten Faserproteine zum äusseren
Schutz
der
Wirbeltiere.
Sie
machen
fast
die
gesamte
Trockenmasse von Haaren, Wolle, Federn, Nägeln, Krallen,
Stacheln, Schuppen, Hörnern, Hufen und Schildkrötenpanzer aus,
und sie bilden einen grossen Teil der äusseren Hautschicht. Die
einzelnen Schichten der α-Helix werden durch Wasserstoffbrücken
zusammengehalten, d.h. aber auch, dass nur die geeigneten
Aminosäuren sich zu einer solchen Struktur formieren (gilt für alle
Abbildung 81: Der Schildkrötenpanzer
besteht vor allem aus Keratin
Sekundärstrukturen). Zusätzlich werden benachbarte Helices mit
Disulfidbrücken zusammengehalten. Dieser Umstand wird für die Herstellung von Dauerwelle ausgenutzt.
Das zu wellende Haar wird zunächst um einen Gegenstand von geeigneter Form aufgedreht. dann wird die
Lösung eines Reduktionsmittels aufgetragen und erwärmt. Das Reduktionsmittel spaltet die Disulfidbrücke
durch Reduktion der Cystine zu Cysteinresten, ein Rest in jeder Kette. Die feuchte Wärme bricht die
Wasserstoffbrücken auf und bewirkt die Entspiralisierung und Dehnung der α-Helix. Nach einiger Zeit wird
die Reduktionslösung entfernt und ein Oxidationsmittel aufgetragen, um neue Disulfidbindungen zwischen
Cysteinresten benachbarter Polypeptidkette herzustellen. Dies entstehen jedoch nicht zwischen denselben
Paaren wie vor der Behandlung. Beim Waschen und Abkühlen der Haare kehren die Polypeptidketten zu
einer α-Helix zurück. Die Haarfasern wellen sich nun in der gewünschten Weise, da die neuen
Disulfidbrücken eine gewisse Dehnung oder Windung der Bündel des α-Helixstranges in den Haarfasern
bewirken.
36
vgl. Biobuch S. 91-93
Biochemie
Seite 60
Abbildung 82: α-Helix mit starren Peptidbindungen (oben links), den Wasserstoffbrücken (oben Mitte) und dem
Gangunterschied ohne Aminosäurereste (oben rechts). Mechanismus zur Ausbildung einer Dauerwelle (unten)
Collagen macht fast ein Drittel der gesamten Proteinmasse aus und ist somit das häufigste Protein. Collagen
kommt neben dem Protein Elastin und Proteoglykanen im Bindegewebe vor. Das Bindegewebe umfasst
Sehnen, Ligamente, Knorpel und die Grundsubstanz der Knochen (Gelatine). Aber es umfasst auch die
Blutgefässe, bildet eine wichtige strukturelle Schicht unter der Haut, hilft beim Zusammenhalt von Zellen und
bildet eine extrazelluläre Grundsubstanz zwischen den Zellen. Da Collagenfasern nicht dehnbar sind,
bestehen Sehnen, welche die Muskelspannung auf das Skelett übertragen, hauptsächlich aus Collagen.
Collagen bildet auch eine Helixstruktur, jedoch mit einem viel grösseren Unterschied zwischen den Spiralen,
was eine Wasserstoffbrücke verunmöglicht. Collagen ist deshalb nur stabil, wenn sich drei Helices
umeinander winden. Dieses dreisträngige Seil ist seinerseits wieder ein Teil eines grösseren Gebildes, bei
dem sich mehrere Seile zu einer Fibrille zusammenlagern. Solche Fibrillen können ungefähr das 10'000-fache
Biochemie
Seite 61
ihres eigenen Gewichts tragen, und sollen eine grössere Festigkeit haben, als ein Stahldraht gleichen
Durchmessers.
Abbildung 83: Struktur einer Kollagenfaser
Wie schon erwähnt ist auch Elastin ein Bestandteil des Bindegewebes, vor allem da wo eine hohe Elastizität
gefragt ist, wie dem Herzkreislaufsystem, den Lungen, den Stimmbänder und der Haut. Elastin enthält die
seltene Aminosäure Desmosin, die vier Proteinketten zusammenführen kann. Wie Collagen ist Elastin reich
an Gly und Ala, enthält aber statt Pro wie im Collagen Lys.
Biochemie
Seite 62
Abbildung 84: Verzweigung beim Elastin mit der seltenen Aminosäure Desmosin
Die zweite entdeckte Struktur war die Faltblattstruktur, die deshalb auch als β-Struktur oder als β-Faltblatt
bezeichnet wird. Im Faltblatt sind die Ketten relativ stark gestreckt und, wie auch in der Helix, gegenseitig
durch
Wasserstoffbrücken
stabilisiert.
Die
Ketten
bilden
eine
zick-zack
Form,
wobei
sich
die
Wasserstoffbrücken zwischen den Ketten und nicht innerhalb der Ketten wie bei der α-Helix bilden. βFaltblattstrukturen kommen hauptsächlich in der Seide und den Spinnweben vor, und zeichnen sich durch
ihre grosse Elastizität und geringe Dehnbarkeit aus. Wenn zwei eine Faltblattstruktur bildende Peptidketten
dieselbe Richtung vom N- zum C-Terminus haben, spricht man von parallelem, bei entgegengesetzter
Richtung von antiparallelem Faltblatt. In der Seide sind die Stränge antiparallel angeordnet.
Abbildung 85: Räumliche Anordnung der β-Faltblattstruktur (links). Schematische Zeichnung von oben (a) und von der
Seite (b) gezeichnet
Biochemie
Seite 63
An Stellen, an denen die Peptidkette ihre Richtung ändert, findet man häufig sogenannte β-Schleifen. Hier
sind vier Aminosäuren so angeordnet, dass sich der ursprüngliche Verlauf der Kette um etwa 180° in die
Gegenrichtung umkehrt. Die Schleife wird durch eine Wasserstoffbrücke zwischen den Resten 1 und 4
stabilisiert.
4.2.3.
Tertiärstruktur
Die
dreidimensional
Konformation
eines
gefaltete,
Proteins
biologisch
aktive
bezeichnet man als
Tertiärstruktur. Die meisten Proteine bestehen aus
Kombinationen von Sekundärstrukturelementen, d.h.
α-Helices
und
Schleifenregionen
β-Faltblättern,
mit
die
über
unterschiedlicher
Länge
miteinander verbunden sind. In den Abbildungen
werden Faltblätter oft als Pfeile, Helices als Spirale oder
Zylinder dargestellt.
Ein wichtiger Faktor spielt die Tertiärstruktur bei den
Prionenerkrankungen, zu denen Scrapie, BSE (bovine
spongiforme encaphalopathie) und die CreutzfeldtJakob-Krankheit (CJK) gehören. Die Krankheit wird
höchst
wahrscheinlich
durch
eine
veränderte
dreidimensionale Struktur des Prion Proteins ausgelöst.
Das im Hirn vorkommende zelluläre Prion Protein
(PrPC) enthält mehr α-Helices, während das Scrapie
Prion
Protein
(PrPSc)
eher
β-Faltblattstrukturen
37
aufweist . Es könnte also sein, dass sich Teile des
Proteins falsch anordnen, und das Protein somit nicht
mehr abgebaut werden kann. Jedoch gibt es noch
weitere Änderungen, die so interpretiert werden
Abbildung 86: Verschiedene Sekundärstrukturen sind
zu einem 3-dimensionalen Protein gefaltet
4.2.4.
können, dass PrPSc nicht abgebaut werden kann.
Quartärstruktur
Zusätzlich zu der Tertiärstruktur besitzen manche Proteine einen noch höheren Organisationsgrad, die
sogenannte Quartärstruktur. Bei dieser treten mehrere identische oder nichtidentische Untereinheiten mit
eigener Primär-, Sekundär- und Tertiärstruktur zu einer Funktionseinheit zusammen. Die Untereinheiten,
deren Anzahl von wenigen (4 beim Hämoglobin, 9 bei der ATPase) bis zu einigen Tausenden (Hüllprotein
des Tabakmosaikvirus mit 2130 Untereinheiten) reichen kann, werden durch hydrophobe Wechselwirkungen
oder Wasserstoffbrücken zusammengehalten.
Biochemie
Seite 64
Ein bekanntes und gut untersuchtes Protein mit einer Quartärstruktur ist das Hämoglobin. Hämoglobin
besitzt vier Untereinheiten, wobei immer zwei
identisch sind, und dementsprechend α1, α2,
β1 und β2 genannt werden. Die β-Untereinheit
ist ihrerseits identisch zum Myoglobin, dem
Sauerstoffspeicher in den Muskeln und dem
Herz. Beide Proteine besitzen, wie übrigens
auch andere Proteine, die Hämgruppe als
funktionellen Bestandteil. Häm besteht aus
einem Porphyringerüst, in dessen Mitte ein
Fe2+ ist. Das Eisenion kann von sechs Seiten
koordiniert sein. Vier Koordinationsstellen, alle
Abbildung 88: Struktur des Porphyrinringes im innern des
Hämoglobins
in der gleichen Ebene, werden vom Porphyringerüst besetzt
und eine senkrecht dazu von einem Stickstoffatom eines
Histidinrestes im Hämoglobin oder Myoglobin. Die zweite
senkrecht zum Porphyringerüst stehende Bindung ist offen
und
dient
als
Bindungsstelle
für
ein
Sauerstoffatom
Abbildung 87: Sauerstoffsättigungskurven
von Hämogloboin und Myoglobin
(Abbildung 88). Was aber ist der Vorteil, dass Hämoglobin aus
4 Untereinheiten besteht, die alle die gleiche Funktion haben? Ein Blick auf die Sauerstoffanlagerungskurve
von Myoglobin und Hämoglobin geben die Antwort. Myoglobin besitzt eine sehr hohe Affinität zu Sauerstoff.
Bereits bei 1 bis 2 mbar ist es zu 50 % mit Sauerstoff gesättigt. Dies macht Sinn, da Myoglobin im
Herzmuskel bei der Sauerstoffversorgung während der Kontraktionsphase verantwortlich ist. Zudem dient es
im Muskel zur Sauerstoffreserve, die bei erhöhtem Sauerstoffbedarf und somit tiefem Druck angezapft
werden kann. Hämoglobin jedoch muss Sauerstoff im Blut transportieren. Es ist erst bei 35 mbar zu 50 %
gesättigt. Zur Bindung des ersten Sauerstoffmoleküls braucht es einen relativ hohen Druck. Die Affinität von
Hämoglobin vervielfältigt sich jedoch nach Bindung des ersten Sauerstoffs um fast das 500-fache. Die vier
Untereinheiten sind also nicht voneinander unabhängig. Vielmehr bewirkt die Bindung des ersten
Sauerstoffmoleküls eine Konformationsänderung der anderen Untereinheiten, die somit Sauerstoff besser
37
vgl. dazu die Struktur unter http://www.mol.biol.ethz.ch/groups/wuthrich_group/research/struc_pics/mammalian_prions
Biochemie
Seite 65
binden können (Abbildung 87). Ist man sich der Grössenunterschiede zwischen dem Sauerstoff (32 u) und
dem Hämoglobin (64'500 u) bewusst, erscheint dies ziemlich bemerkenswert. Dies ist, als würde ein Floh
einen Elefanten zum hüpfen bringen! Was aber ist der Vorteil dieser positiven Kooperativität38? Dazu müssen
wir nicht die Aufnahme, sondern die Abgabe von Sauerstoff betrachten. In der Lunge ist es für das
Hämoglobin kein Problem, zu 95 % gesättigt zu sein, da hier der Druck (135 mbar) hoch genug ist. In den
Zellen arbeitender Muskeln beträgt der Sauerstoff-Partialdruck jedoch nur 35 mbar, da Muskelzellen
Sauerstoff mit hoher Geschwindigkeit verbrauchen und daher die lokale Konzentration rasch herab setzen.
Der Sauerstoff kann so gut im Muskel abgegeben werden. Nehmen wir nun einmal an, das Hämoglobin
würde durch Myoglobin ersetzt. Aus der Sauerstoff-Sättigungskurve sehen wir, dass nur 1-2 % des
gebundenen Sauerstoffs vom Myoglobin freigesetzt werden könnten, wenn der Sauerstoff-Partialdruck von
135 mbar in den Lungen auf 35 mbar in den Muskeln herabgesetzt würde. Hämoglobin und Myoglobin sind
also für verschiedene Funktionen spezialisiert und adaptiert.
Abbildung 89: Struktur von Myoglobin
38
Die Bindung eines Sauerstoffmoleküls erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass weitere Sauerstoffmoleküle an die übrigen Untereinheiten
gebunden werden.
Biochemie
Seite 66
Abbildung 90: Quartärstruktur von Hämoglobin mit und ohne Sauerstoff (vgl Biobuch S. 93)
Hämoglobin ist aber nicht nur für den Sauerstofftransport
zuständig,
sondern
auch
für
den
Abtransport
von
zwei
Stoffwechselendprodukten: den Protonen zu den Nieren und dem
CO2 zu den Lungen. Diese zwei Produkte werden umgekehrt
proportional
zum
Sauerstoff
gebunden.
Ist
also
die
Sauerstoffkonzentration hoch wie in den Lungen, wird Sauerstoff
gebunden und CO2 und H+ abgegeben, in den Muskeln, wo der
Sauerstoffdruck tief, die CO2-Konzentration hoch und der pH tief ist,
verhält es sich genau umgekehrt. Die Protonen werden in den βAbbildung 91: Sauerstoffsättigungskurve von Hämoglobin in Abhängigkeit
vom pH-Wert
Ketten an His 146 gehängt, in den α-Ketten an einen anderen Rest.
CO2 hingegen wird an den N-Terminus des Proteins angehängt:
Biochemie
Seite 67
H+
O
C
+
H
C
NH2
O
C
C
N
H
H
C
C
O R
O
R
O
O
Wir sehen also, dass nicht nur die Ketten untereinander „kommunizieren“ müssen, sondern dass auch
innerhalb der Kette eine gewisse Absprache vorhanden sein muss.
4.3. Stoffwechsel der Aminosäuren
4.3.1.
Anabolismus
Die Biosynthesewege der Aminosäuren sind relativ komplex, da es für fast jede Aminosäure einen anderen
Weg gibt. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass einzelne Aminosäuren Vorstufen von anderen
Aminosäuren sind, so zum Beispiel Serin für Glycin oder die zwei Aminosäuren Methionin und Serin für
Cystein. Andere wiederum werden über einen gemeinsamen Weg synthetisiert, so zum Beispiel Glutamat,
Glutamin und Prolin.
Wichtig jedoch ist, dass es 10 für den Menschen essentielle Aminosäuren gibt. Dies sind:
Ile, Leu, Lys, Met, Phe, Thr, Try, Val, His und Arg
Ein gesunder Erwachsener sollte täglich 32 g Protein zu sich nehmen, damit das Stickstoffgleichgewicht
beibehalten wird. In den Industriestaaten der westlichen Welt liegt die Zufuhr mit rund 100 g deutlich höher.
Dazu kommen noch rund 300 g, die ein erwachsener Mann mit einem Gesamtbestand von etwa 10 kg
Protein synthetisiert. Die Leber dient dabei als zentrales Pufferorgan, um eine Überschwemmung der
peripheren Organe mit Aminosäuren zu verhindern. In der Leber werden die Aminosäuren entweder zur
Biosynthese
von
Proteinen
(Leber-
und
Plasmaproteine)
oder
unter
Ammoniakabspaltung
in
Ketocarbonsäuren umgewandelt. Diese können in Fettsäuren oder Glucose überführt oder unter ATP-Bildung
zu CO2 und Wasser oxidiert werden.
4.3.2.
Katabolismus
Beim Abbau der Aminosäuren macht es Sinn, den Stickstoff und das Kohlenstoffgerüst separat zu
betrachten. Obwohl die Hauptaufgabe der Aminosäuren in der Nahrung der Aufbau von körpereigenem
Protein
ist,
beträgt
der
Anteil
der
Aminosäuren
an
der
Stoffwechselenergie
je
nach
Nahrungszusammensetzung 10 bis 15 %. Andererseits greift der Körper auch während einer Fastenperiode
auf sein körpereigenes Protein als Brennstoff zurück. Für die Energiegewinnung ist das Kohlenstoffgerüst
ohne Aminogruppe verwertbar. Da sich alle Aminosäuren in ihrem Kohlenstoffgerüst unterscheiden, gibt es
dementsprechend 20 verschiedene Abbauwege. Da diese Abbauwege zusammen nur etwa 10 %
der
Körperenergie liefern, macht jeder einzelne von ihnen im Durchschnitt nur etwa 0.5 % des
Gesamtkatabolismus aus. Die einzelnen Wege haben deshalb in keinem Fall auch nur entfernt die Aktivität
der Glykolyse oder des Citratcyklus. Die Abbauwege der 20 Aminosäuren konvergieren in der Bildung von
nur fünf Produkten, die alle in den Citratcyklus eingeschleust und dort zu CO 2 und H2O oxidiert werden
(Abbildung 92).
Biochemie
Seite 68
Abbildung 92: Abbau des Kohlenstoffgerüsts der Aminosäuren
Obwohl Ammoniak für die Proteinsynthese benötigt wird, ist es ein starkes Gift. Ammoniak darf daher nie in
grossen Konzentrationen frei auftreten, sondern muss immer gebunden sein. Seine toxische Wirkung macht
sich vor allem im Hirn bemerkbar. Symptome sind:
• Zittern der Hände
• Eine verwaschene Sprache
• Sehstörungen
• Koma und Tod
Beim Abbau der Aminosäuren muss deshalb besonders grosse Sorgfalt angewendet werden. Alle
Aminogruppen der Aminosäuren werden auf 2-Oxoglutarat39 übertragen, einem Zwischenprodukt des
Citratcyklus. Ziel dabei ist es, alle Aminogruppen in einem Produkt zu sammeln, das dann weiter abgebaut
werden kann. Essentiell für diese Übertragung ist Pyridoxalphosphat, ein Stoff, der zur Vitamin B 6-Gruppe
gehört. Beispiele für diese Übertragung, auch Transaminierung genannt:
Alanin + 2-Oxoglutarat → Pyruvat + Glutamat40
Aspartat + 2-Oxoglutarat → Oxalacetat + Glutamat
39
40
in einigen Lehrbüchern auch α-Ketoglutarat genannt
vergleichen Sie die Lewis-Formeln aller an der Reaktion teilnehmenden Teilchen
Biochemie
Abbildung 93: der Harnstoffcyklus ohne (oben) und mit (unten) Lewis-Formeln
Seite 69
Biochemie
Seite 70
Dabei wird klar, dass die Aminosäure
Glutamat41 das Sammelmolekül für
die Aminogruppen ist. Glutamat gibt
anschliessend den Stickstoff in den
Harnstoffcyklus
Dieser
Cyklus
(Abbildung
befindet
sich
93).
im
Mitochondrium und im Cytosol. Dabei
werden pro Umgang zwei Mal ein
Glutamat eingeschleust. Als Produkte
entstehen
2-Oxoglutarat
und
Fumarat, beides Zwischenprodukte
des Citratcyklus, und Harnstoff, der
über die Niere ausgeschieden wird.
Dabei werden 3 ATP, ein Wasser und
Abbildung 94: Guano-Vögle produzierten im Laufe von Jahrhunderten
klippenartige Guano-Ablagerungen, die grösstenteils aus fester
Harnsäure bestehen.
ein Hydrogencarbonation verbraucht.
Der Harnstoffcyklus ist also nebenbei
auch
an
der
Blut-pH-Wertes
Vorteil Harnstoff statt Ammoniak ausscheiden zu können, verlieren ureotelische
42
Regulation
beteiligt.
Für
des
den
Tiere etwa 15 % der
Energie der Aminosäuren, aus denen der Stickstoff stammt. Dieser Verlust wird bei einigen Wiederkäuern,
z.B. der Kuh, dadurch ausgeglichen, dass ein grosser Teil des Harnstoffs aus dem Blut in den Pansen
sezerniert wird. Dort wird er von Mikroorganismen des Pansen für die Synthese von Aminosäuren benutzt,
die dann wieder von der Kuh absorbiert und verwendet werden. Bei den urikotelischen Tieren ist die
Harnsäure die Hauptausscheidungsform des Aminostickstoffs. Zufälligerweise ist Harnsäure auch das
hauptsächliche Endprodukt des Purinstoffwechsels bei Primaten, Vögeln und Reptilien (vgl. Kapitel 2.3).
Harnsäure wird auf manchen Inseln vor der südamerikanischen Küste, die unzähligen Seevögeln als
Nistplätze dienen, in riesigen Mengen abgelagert und als Düngemittel (Guano) abgebaut. Der Preis pro
Tonne Guano liegt bei etwa 300 Franken.
5. Literatur
Albert L. Lehninger, Prinzipien der Biochemie, 1987
Georg Löffler, Petro E. Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 1998
B. Alberts, D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, J.D. Watson, Molekularbiologie der Zelle, 1990
L. Stryer, Biochemie, 1994
Ernst Mutschler, Arzneimittelwirkungen; Lehrbuch der Pharmakologie und Toxikologie, 1997
41
wird vor allem in der asiatischen Küche als Geschmacksverstärker verwendet (Aromat)
die meisten im Wasser lebenden Formen scheiden den Aminostickstoff als Ammoniak aus und werden daher ammonotelisch genannt,
die meisten Landtiere und Haifische scheiden den Aminostickstoff als Harnstoff aus und werden ureotelisch genannt, während Vögel,
Eidechsen und Schlangen ihn als Harnsäure ausscheiden und urikotelisch genannt werden.
42