Der Zellstoff Wechsel und seine Regulation

241 Pages·1972·6.398 MB·German

by  Georges Cohen (auth.)

Georges Cohen
Der Zellstoffwechsel
und seine Regulation
Reihe Biologie
Bereits erschienen
Charles Houillon
Sexualitat
Charles Houillon
Embryologie
Michel Durand / Pierre Favard
Die Zelle
In Vorbereitung
A. Berkalaloff / G. Bourguet / P. Favard / M. Guinnebault
Biologie und Physiologie der Zelle
Georges Prevost
Genetik
Georges Cohen
Der Zellstoffwechsel
und seine Regulation
Mit 45 Abbildungen
Friedr. Vieweg + Sohn . Braunschweig
Reihe Biologie
Herausgegeben von
Prof. Dr. Rudolf Altevogt, Miinster
Verfasser: Georges Cohen
Obersetzung aus dem Franzosischen
Dr. Karl Heinz Grzeschik, Miinster
Titel der Originalausgabe: Le metabolisme cellulaire et sa regulation
Erschienen bei Editions Scientifiques HERMANN, Paris
Verlagsredaktion: Bernhard Lewerich
ISBN 978-3-528-03524-2 ISBN 978-3-322-85290-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-85290-8
1972
Alle Rechte an der deutschen Ausgabe vorbehalten
Copyright © 1972 der deutschen Ausgabe by Friedr. Vieweg + Sohn, GmbH, Verlag,
Bmunschweig
Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1972
Die Vervielf"altigung und tlbertragung einzelner Textabschnitte, Zeichnungen oder BUder
auch fUr die Zwec1re der Unterrichtsgestaltung, gestattet das Urheberrecht nur, wenn sie
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Vervielf"liltigung durch alle Verfahren einschlief.\lich Speicherung und jede tlbertmgung
aufPapier, Tmnsparente, Filme, Blinder, Platten und andere Medien.
Satz: Friedr. Vleweg + 8ohn, Braunschweig
Umschlaggestaltung: Peter Kohlhase, LUbeck
Vorwort
Mit diesem Bio10gie-Band der uni-texte wird dem Leser eine der kom
pliziertesten Leistungen des Lebendigen prasentiert: Der Zellstoffwechse1
und dessen Regulation. Herausgeber, Verlag und Obersetzer waren sich
bei der Auswah1 dieses international renommierten Textes dariiber k1ar,
daB mit diesem Tite1 eines der schwierigsten und speziellsten, aber auch
faszinierendsten Kapite1 moderner Bio10gie dargestellt wird.
Schon im rein Wortlichen ist das keine 1eichte Kost, die spezielle Termino-
10gie des Chemikers und Biochemikers will zunachst erobert sein, bevor
der Blick freigegeben wird fiir die dynamischen Ab1aufe inner-und
zwischenzelligen Geschehens. Dann aber stellt sich fiir jeden, der auch
nur ein wenig Freude am subminiaturisierten Extrem hat, ein Zug zum
fast gen~lichen Fortschreiten durch den gebotenen Stoff ein. Nur schein
bar kreist dieser vornehmlich urn die Bakterien, wiewoh1 hier die Mecha
nismen von Auf-, Um- und Abbau am ehesten iiberschaubar sind. G1eiche
Prozesse namlich find en sich bis herauf zum Menschen, und manche von
ihnen spie1en eine eher unheilvolle Rolle etwa beim Infektionsgeschehen,
so da~ es unnotig ist zu sagen, da~ ihre Kenntnis aus dem akademischen
Bereich reiner Grund1agenforschung in die handfeste Sphlire therapeu
tischer Bemiihung urn den Kranken riickt.
So ist das Buch fiir den Studente n der Biochemie, der Bio10gie, der
Veterinar-und Humanmedizin gedacht, aber auch der an wissenschaft
licher Akribie "nur" 1aienhaft Interessierte diirfte es mit Gewinn zur
Hand nehmen.
R. Altevogt
Miinster (Westf.), im Januar 1972
Inhaltsverzeichnis
Einleitung 1
I. Die Permeasen der Bakterien 3
1. Proteinnatur der fj-Galaktosid-Permease 3
2. Kinetik der fj-Galaktosid-Permease 6
3. Stereospezifitiit der fj-Galaktosid-Permease 9
4. Spezielle Funktion der fj-Galaktosid-l?ermease 10
5. Aminosiiure-Permeasen 10
6. Andere Permeasen der Bakterien 12
II. Regulation der Enzymaktivitiit. Die aUosterischen Enzyme 15
1. Eigenschaften der Enzyme, deren Aktivitiit einer Regulation
unterworfen ist 16
1.1. Allosterische Regulation 16
1.2. Kinetische Eigenschaften 18
1.3. Allosterische Hemmung 20
1.4. Allosterische Aktivatoren 21
2. Desensibilisierung gegeniiber allosterischen Effektoren 22
3. Thermische Inaktivierung 22
4. Empfindlichkeit gegeniiber Kiilte 23
5. Die Polymer-Natur der allosterischen Enzyme 23
6. Das Modell von MONOD, WYMAN und CHANGEUX 23
7. Andere Modelle 25
8. Vergleichende Erorterung der zwei Modelltypen 25
Anhang 26
III. Die Glykolyse und ihre Regulation 29
1. Phosphorylasen 30
1.1. Eigenschaften der Phosphorylasen 30
1.2. Dissoziation der Muskel-Phosphorylase a 31
1.3. Die Rolle des AMP bei der Aktivierung der Phosphorylase 32
1.4. Phosphorylase b-Kinase 33
1.5. Regulation der Glykogenolyse 33
2. Hexokinasen 35
3. Phosphoglucomutasen 37
4. Phosphohexoisomerasen 38
5. Phosphofructokinasen 38
5.1. Regulation auf dem N iveau der Phosphofructokinase 38
5.2. Physiologische Bedeutung der Regulation der Phospho
fructokinaseaktivitiit. Der Pasteur-Effekt 40
6. Fructosediphosphat-Aldolasen 41
7. Triosephosphat-lsomerasen 42
8. D-Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenasen 42
9. Phosphoglycerat-Kinasen 43
10. Phosphoglycerat-Mutasen 44
11. Enolasen 44
VIII Inhaltsveneichnis
12. Pyruvat-Kinasen 44
13. Bildung von Milchsiiure durch den anaerobionten Muskel.
Lactat-Dehydrogenase des Muskels 45
14. Alkoholische Giirung der anaerobionten Hefe 45
14.1. Pyruvat-Decarboxylase 45
14.2. Alkohol-Dehydrogenase 46
IV. Der Tricarbonsiiurezyklus 51
1. Synthese des Acetyl-CoA. Das System Pyruvat-Oxydase 51
2. Synthese des Oxalacetats 53
3. Der Tricarbonsaurezyklus 54
3.1. Kondensation 54
3.2. Aconitase 56
3.3. Isocitrat-Dehydrogenase 56
3.3.1. Bedeutung der zwei Isocitrat-Dehydrogenasen fUr die
allgemeine Stoffwechselregulation 57
3.4. C¥-Ketoglutarat-Oxydase 59
3.5. Succinat-Dehydrogenase 59
3.6. Fumarase 59
3.7. Malat-Dehydrogenase 60
4. Bedeutung des Tricarbonsiiurezyklus als Energiequelle und
als Lieferant von C-Atomen fUr die Biosynthesen 60
5. Der Glyoxylsiiurezyklus, ein modiflzierter Tricarbonsaure
zyklus 61
V_ Die Gluconeogenese. Die Glykogen-Synthese unci ihre Regulation 63
1. Synthese des Phosphoenolpyruvats 63
1.1. Die Pyruvat-Carboxylase und ihre allosterische Regulation 65
2. Die Fructosediphosphatase und ihre allosterische Regulation 66
2.1. Die Fructosediphosphatase bei den Mikroorganismen 68
2.2. Die Glucose-6-Phosphatase und ihre Regulation 69
3. Glykogen-Synthetase 70
3.1. Regulation der Glykogen-Synthese 70
VI. Die Lipid-Synthese und ihre Regulation 73
1. Die Synthese der Fettsiiuren mit kuner Kette 73
2. Oxydation der Fettsiiuren 74
3. Synthese langkettiger Fettsauren 75
3.1. Die Regulation der Acetyl-CoA-Carboxylase 80
4. Die Synthese der Triglyceride und der Lipoide 81
VII. Methodik der Untersuchung der Biosynthesewege. Summarischer
Abrifl der Regulation der Biosynthese von Enzymen 83
1. Verwendung von Isotopen 83
2. Verwendung auxotropher Mutanten 85
3. Analyse der Enzymketten 88
4. Die Regulation der Enzym-Biosynthese 89
Inhaltsverzeichnis IX
VIII. Die Biosynthese des Aspartats und der Aminosiiuren, die sich von
ihm ableiten 91
1. Aspartat-Biosynthese 91
2. Asparagin-Synthese 91
3. Die Biosynthese des Aspartat-semialdehyds, der gemeinsamen
Zwischenstufe der Biosynthese des Lysins, Methionins,
Threonins und des Isoleucins 92
4. Lysin-Biosynthese der Bakterien 92
5. Die Reduktion des Aspartat-semialdehyds zu Homoserin,
der gemeinsamen Vorstufe des Methionins, Threonins und
Isoleucins 94
6. Methionin-Biosynthese 94
7. Biosynthese des Threonins aus Homoserin 95
8. Biosynthese des Isoleucins aus Threonin 95
9. Einige Bemerkungen zu den in diesem Kapitel behandelten
Biosynthesen 97
IX. Biosynthese-Regulation der von der Asparaginsiiure abgeleiteten
Aminosiiuren bei Escherichia coli 100
1. Die drei Aspartokinasen von E. coli 10 1
2. Die Aspartat-semialdehyd-Dehydrogenase von E. coli 103
3. Bei E. coli katalysiert derselbe, vom Threonin hemmbare
Proteinkomplex die Phosphorylierung des Aspartats und
die Reduktion des Asparaginsaure-semialdehyds 103
4. Die multivalente Repression 108
5. Bei E. coli sind die Aspartokinase II und die Homoserin
Dehydrogenase II Bestandteil eines anderen Proteinkomplexes,
dessen Synthese durch Methionin reprimiert wird 109
6. Die Abzweigung, die vom Homoserin zum Methionin flihrt 109
7. Die biosynthetische Threonin-Desaminase 109
8. Vom Threonin zum Isoleucin 112
X. Biosynthese-Regulation der von der Asparaginsiiure abgeieiteten
Aminosiiuren bei anderen Mikroben 113
1. Konzertierte Retro-Inhibition der Aktivitat Aspartokinase
bei Rhodopseudomonas capsulatus und Bacillus polymyxa 113
2. Spezifische Umkehrungen der Retro-Inhibition durch einen
essentiellen Metaboliten, durch andere essentielle Metaboliten,
bei Rhodospirillum rubrum 115
3. Die Homoserin-Dehydrogenasen von Saccharomyces
cerevisiae und von Micrococcus glutamicus 117
XI. Die Biosynthese von Glutamat und den davon abgeleiteten
Aminosauren. Ihre Regulation 118
1. Glutamat-Synthese 118
2. Glutamin-Biosynthese 119
2.1. Regulation der Aktivitat der Glutamin-Synthetase von E. coli 119
x
Inhaltsverzeichnis
2.2. Die Glutamin-Synthetase von E. coli als Protein 120
2.3. Enzymatische Inaktivierung der Glutamin-Synthetase von
E. coli, induziert durch ihre Substrate 121
3. L-Prolin-Biosynthese 122
4. Arginin-Biosynthese 122
4.1. Regulation der Synthese von Arginin, Putrescin und Pro lin 124
5. L-Lysin-Synthese bei Hefen und Schimmelpilzen 125
XII. Die 8iosynthese der Aminosauren, die sich von der Phosphoglycerin-
saure und der 8renztraubensiure ableiten 128
1. Biosynthese von Glycin und Serin 128
1.1. Regulation der Serin-und Glycin-Synthese 130
2. Cystein-Biosynthese 130
2.1. Regulation der Cystein-Synthese 131
3. Alanin-Synthese 131
4. Valin-Synthese 132
5. Leucin-Synthese 134
6. Regulation der Synthese von Valin, Leucin und Isoleucin 135
XIII. Die 8iosynthese der aromatischen Aminosiiuren und ihre Regulation 137
1. Die Bildung der Shikimisiiure 137
2. Bildung von Chorismat 139
3. Biosynthese von Phenylalanin und Tyrosin aus Chorismat 140
4. Tryptophan-Biosynthese 141
4.1. Die Tryptophan-Synthetase 143
5. Die Regulation der Biosynthese der aromatischen Aminosiiuren 145
5.1. Die Proteinkomplexe der Enzyme, die die Synthese von
Tryptophan aus Chorismat sicherstellen 146
XIV. Die Histidin-8iosynthese und ihre Regulation 148
1. Die allosterische Hemmung der PR-ATP-Pyrophosphorylase
durch Histidin 151
XV. Die 8iosynthese der Pyrimidinnucleotide unci - dellOxynucleotide
unci ihre Regulation 153
1. Synthese des Carbamylphosphats 153
2. Die Synthese von Cytidintriphosphat und Uridintriphosphat 153
3. Die Synthese von Desoxycytidindiphosphat und
Desoxycytidintriphosphat 155
4. Die Synthese des zweiten Pyrimidindesoxynucleotids,
Desoxythymidintriphosphat 156
5. Die Regulation der Synthese der Pyrimidinribonucleotide und
4esoxyribonucleotide 157
5.1. Die Aspartat-Transcarbamylase von E. coli 158
5.2. Die Regulation der Dihydroorotase-Aktivitat 163
5.3. Die Regulation der Nucleosiddiphosphat-Reduktion 163
5.4. Die Regulation der Desoxycytidylat-Desaminase-Aktivitat 165
5.5. Regulation auf dem Niveau der Uridin-Kinase und der
Desoxythymidin-Kinase 166
Inhaltsverzeichnis XI
XVI. Die Synthese der Purinnucleotide und -desoxynucleotide und
ihre Regulation 168
1. Die Synthese des 5-Amino-4-imidazolcarboxamidri
bonuc1eotids 168
2. Synthese der Purinribonucleotide 170
3. Regulation der Aktivitiit der Enzyme,. die an der Biosynthese
der Purinnuc1eotide beteiligt sind 171
3.1. Regulationen der Glutamin-5' -phosphoribosylpyrophosphat
Amidotransferase 172
3.2. Regulation der Umlagerungen zwischen Nuc1eotiden 173
3.3. Regulation der Purinmononuc1eotid-Pyrophosphorylasen 174
XVII. Die Biosynthese einiger wasserloslicher Vitamine und ihrer
Coenzymformen 175
1. Biosynthese des Thiamins und der Cocarboxylase 175
1.1. Uberlegungen tiber die mogliche Herkunft von "Pyrimidin"
und "Thiazol" 176
1.2. Regulation der Thiamin-Biosynthese 177
2. Biosynthese des Riboflavins und seiner Derivate 178
3. Biosynthese von Nicotinamid, NAD+ und NADP+ 181
4. Biosynthesen der p-Aminobenzoesiiure, der Folsiiure und
ihrer Derivate 185
5. Biosynthese der Derivate des Vitamin B6 oder des Pyridoxins 187
6. Biosynthese von Biotin, "Biotin C02" und Biocytin 188
7. Biosynthese der Pantothensiiure und des Coenzym A 190
8. Inosit-Synthese 193
9. Biosynthese des Vitamin B12 194
XVIII. Die Synthese von Carotin, Vitamin A und Sterinen 195
1. Synthese von lsopentenylpyrophosphat 195
2. Synthese von p-Carotin und Vitamin A 196
3. Sterin-Synthese 198
XIX. Die Biosynthese des Tetrapyrrolkerns und seine Regulation.
Kurze tlbersicht tiber die Funktionen von Vitamin B 12 200
1. Protoporphyrin-Synthese 200
2. Hiim-Synthese aus Protoporphyrin 203
3. Regulation der Synthese des Tetrapyrrolkerns 203
4. Chlorophyll-Synthese aus Protoporphyrin 204
5. Regulation der Chlorophyll-Biosynthese 207
6. Vitamin BI2"Biosynthese 207
6.1. Glutamat-Mutase 210
6.2. L-Methylmalonyl-CoA-Mutase 211
6.3. Methionin-Biosynthese 211
Literatur 214
Sachwortverzeichnis 227