Duale Reihe Biochemie

957 Pages·2016·58.035 MB·German

by  Joachim Rassow

A Energiestoffwechsel · 17
B Zellbiologie · 337
C Zellzyklus und molekulare Genetik · 417
D Zelluläre Kommunikation · 551
E Infektionen, Verletzungen und
Vergiftungen · 671
F Blut, Leber und Niere · 747
G Muskulatur und Nervensystem · 785
H Ausblick · 841
I Antwortkommentare klinische Fälle · 851

Duale Reihe
Biochemie
JoachimRassow,KarinHauser,RolandNetzker,RainerDeutzmann
4.Auflage
855Abbildungen
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tern unsere Erkenntnisse, insbesondere was Behandlung und medikamentöse Therapie anbelangt. Soweit in diesem
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sonderswichtigbeiseltenverwendetenPräparatenodersolchen,dieneuaufdenMarktgebrachtwordensind.JedeDo-
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Umschlagfoto:PROFESSORSP.M.MOTTA,S.MAKABEundT.NAGURO/SPL/AgenturFocus
Satz:L42MediaSolutions,Berlin
Druck:AprintaDruckGmbH,Wemding
ISBN978-3-13-125354-5 123456
AucherhältlichalsE-Book:
eISBN(PDF)978-3-13-152104-0
5
Vorwort
Vorwort
Wirfreuenuns,erneuteineumfassendüberarbeiteteneueAuf- chemiederEntzündungundzurFunktionderInflammasomen.
lagederDualenReiheBiochemievorlegenzukönnen.DasZiel GanzneuwurdeeineEinführungindieBiochemiederhuman-
der Dualen Reihe bestand von Anfang an darin, ein modernes pathogenen Viren integriert. Nicht zuletzt wurden unter Be-
LehrbuchderBiochemiezuentwickeln,welchesdenaktuellen rücksichtigungdesaktuellenForschungsstandesauchdieErläu-
StandderForschungberücksichtigt,gleichzeitigsolltedasBuch terungenzudenmolekularenMechanismenderHIV-Infektion
aberauchmöglichstklarundverständlichsein.IndiesemSinne neugeschrieben.ÜberaushilfreichwarenunsinderVorberei-
haben wir nun sämtliche Kapitel erneut durchgesehen. Nicht tung der neuen Auflage erneut die zahlreichen Hinweise, die
zuletzthabenwirdabeiauchdieneuestenFragendesIMPPim wir von Studierenden und von Mitgliedern der verschiedenen
Blickgehabt. DurchdiefreundlicheUnterstützungdesThieme Hochschulen erhalten haben. Für alle Zusendungen möchten
Verlages war es möglich, die thematischen Schwerpunkte der wirunsherzlichbedanken.
Prüfungsfragen des IMPP umfassend zu integrieren und den Bedanken möchtenwir uns auch für die exzellenteArbeit des
TextaufdierelevantenSachverhaltezufokussieren. Verlages, insbesonderebei Frau Eva Wacker und bei Herrn Dr.
Einige Kapitel des Buches wurden angesichts der Fortschritte Jochen Neuberger was die aufwendige Revision der Texte be-
derForschunginweitenTeilenganzneugeschrieben.Dasbetraf trifft, bei Herrn Dr. Wilhelm Kuhn, was die professionelle Ge-
zunächst das Kapitel zur Biochemie des Nervensystems. Viele staltungdervielenneuenAbbildungenbetrifftsowiebeiHerrn
Jahrzehntelang war über die Strukturen der Ionenkanäle und MichaelZepffürdieperfekteOrganisationdesHerstellungspro-
der Rezeptoren für die verschiedenen Neurotransmitter kaum zesses.
etwasbekannt.IndieserHinsichthabendievergangenenJahre Sohoffenwir,dassdieDualeReiheauchinZukunfteinesolide
geradezu eine Revolution mit sich gebracht. Viele Funktionen undgutlesbareGrundlagefürdieVorbereitungaufdievorkli-
des Nervensystems sind erst jetzt für biochemische Fragestel- nischenPrüfungenbietenwird.Zumanderenwürdenwir uns
lungen zugänglich geworden. Weitgehend neu geschrieben freuen,wenndasLehrbuchauchlängerfristigundüberdiePrü-
wurde auchdas Kapitel zur Immunologie.Hier waren u.a.die fungen hinaus ein Verständnis für die molekularen Mechanis-
neuestenüberausinteressantenErgebnissederTumorimmuno- men physiologischer und pathologischer Prozesse vermitteln
logie zu integrieren. Die Fortschritteder Onkologiehaben uns könnte.DasBuchwurdespeziellfürdieStudierendenderMedi-
auch veranlasst, ein gänzlich neues Kapitel zum Stoffwechsel zingeschrieben.Wirhoffen,dassdiesesbeimDurchblätternso-
der Tumorzellen zu schreiben. Unerwartet hat injüngster Zeit wiebeimLesenderKapitelspürbarseinwird.
auchdieInfektiologiewiederanBedeutunggewonnen.Diera-
sante Ausbreitung multiresistenter Erreger stellt die Medizin Stuttgart,imDezember2015 JoachimRassow
weltweit vor große Herausforderungen. In der neuen Auflage KarinHauser
habenwirdeshalbdieKapitelzudenAntibiotikaentsprechend RolandNetzker
aktualisiert.ErheblicherweitertwurdendieAbschnittezurBio- RainerDeutzmann
6
Anschriften
Prof.Dr.rer.nat.JoachimRassow,
Ruhr-UniversitätBochum
InstitutfürBiochemieundPathobiochemie
AbteilungZellbiochemie
GebäudeMA3/143
Universitätsstraße150
44780Bochum
Dr.rer.nat.KarinHauser
Kaindlstraße13
70569Stuttgart
Dr.rer.nat.RolandNetzker
Friedrich-Alexander-UniversitätErlangen-Nürnberg
InstitutfürBiochemie
Emil-Fischer-Zentrum
Fahrstraße17
91054Erlangen
Prof.Dr.rer.nat.RainerDeutzmann
UniversitätRegensburg
InstitutfürBiochemie,GenetikundMikrobiologie
LehrstuhlfürBiochemieI
Universitätsstraße31
93053Regensburg
A
ff
1 Der Energiesto wechsel im
Überblick
1.1 WorumgehtesindiesemKapitel?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2 WoherstammtdieEnergiefürLebensprozesse? . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3 WieentstehtATP? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.4 WoherstammtdieEnergiefürdieATP-Synthese?. . . . . . . . . . . . . . 23
©tiero/Fotolia.com
J.Rassow
1.1 Worum geht es in diesem Kapitel?
1.1 WorumgehtesindiesemKapitel?
BiochemieistdieWissenschaftvondenmolekularenStrukturenundProzessen,die
sichindenverschiedenenOrganismennachweisenlassen.Esistoffensichtlich,dass
esfüreinenMenschenniemalsmöglichseinwird,alledieseStrukturenundProzes-
sezukennen.Wennmannur wenig weiß,kannmanabermitunterdennochsehr
vielverstehen.
DieBiochemiekannnichtdieFragebeantworten,wasdieWeltimInnerstenzusam-
menhält,abersieerlaubtdurchausdieFrage,waseigentlichdiezentralenmolekula-
ren Mechanismen sind, die es ermöglichen, dass es überhaupt einen lebendigen
Menschengibt.Esbietetsichan,zurBeantwortungdieserFragevonderBeobach-
tungauszugehen,dassesTätigkeitengibt,diefürdasÜberlebeneinesMenschenun-
eingeschränkt essenziell sind. Dazu gehört etwa, dass Menschen Nahrung zu sich
nehmenunddasssieatmen.Warumistdasso?
DaEssenundAtmenlebensnotwendigsind,handeltessichoffenbarumVorausset-
zungendafür,dassderOrganismusüberhauptexistiertunddieZellendesOrganis-
muskorrektarbeiten.DieFähigkeit,Arbeitzuleisten,istaberimRahmenderNatur-
wissenschaftenEnergie.SosollesindiesemeinführendenKapitelumdieFragege-
hen,wieimOrganismusEnergiefürLebensprozessebereitgestelltwird,unddamit
letztlichumdieFrage,wieLebenüberhauptmöglichist.DamitführtdiesesThema
direktindieMittedergesamtenBiochemieundermöglichteinenerstenEindruck
vondenzentralenZusammenhängendesgesamtenStoffwechsels.
DiesesKapitelgibt zunächstalsonureinenÜberblick.WerDetailswissenmöchte,
wirdindenweiterenKapitelndiesesBucheszuvielenFrageneineAntwortfinden.
1.2 Woher stammt die Energie für
1.2 WoherstammtdieEnergiefür
Lebensprozesse? Lebensprozesse?
Zu den Eigentümlichkeiten von Lebensprozessen gehört, dass ständig etwas pas-
siert, was auf den ersten Blick den einfachsten Naturgesetzen zu widersprechen
scheint,z.B.:
■EisbärenkönneneinenganzenWinterinderArktisverbringenunderhaltendoch
immereineKörpertemperaturaufrecht,diewesentlichhöheristalsdieihrerUm-
gebung.JedesanorganischeObjektnimmthingegensehrschnelldiejeweiligeUm-
gebungstemperaturan.
■VögelkönnensichjederzeitindieLufterheben,währendz.B.einSteinnurfallen
oderliegenbleibenkann.
DasGeheimnisvolle desLebensscheintdarin zu bestehen, dasses aus einer Anei-
nanderreihungvonUnwahrscheinlichkeitenbesteht.WiekannmandieseBeobach-
tungmitdenGesetzenderPhysikinEinklangbringen?EineAntwortlässtsichmit
demBegriffderenergetischenKopplunggeben.
1.2.1 DieBedeutungderenergetischenKopplung 1.2.1 DieBedeutungderenergetischen
Kopplung
▶Defintion. Unter energetischer Kopplung versteht man eine Verbindung zweier ▶Defintion.
Prozesse,beidereinProzessdieEnergieliefert,diedenanderenProzessermöglicht.
20
A 1 DerEnergiestoffwechselimÜberblick
⊙
A-1.1 EnergetischeKopplung
NH2
N
O– O– O– N H2O
Hydrolyse
–O P O P O P O CH2 O N N NH2
O O O
N
H H O– O– N
H H
Adenosintriphosphat –O P O P O CH2 N N
O
(ATP) HO OH O O
O– H H
–O P OH + H H
O HO OH
Phosphat Adenosindiphosphat (ADP)
DerVogelmussEnergieaufbringen,umsichgegendieSchwerkraftzubewegen.DieseEnergieliefernProzesse,diemitdemFliegenenerge-
tischgekoppeltsind.
Typ:Abbildung
DasPrinzipistinAbbildung Abb.A-1.1erläutert.EinObjektkannsichnichtvonal-
leinegegendieSchwerkraftnachobenbewegen.DieserProzesswirderstmöglich,
indemermiteinemanderenVorganggekoppeltwird,derspontanabläuft.
Viele Lebensprozesse sind mit solchen Vorgängenverbunden, die das Unmögliche
möglichmachen.DabeihandeltessichoftumkomplizierteReaktionsketten,inde-
nendereineProzessdennächstenanstößt.
▶Merke. ▶Merke. Letztlich istes bei fast allen Lebensvorgängen nur eine ganz bestimmte
chemische Reaktion, welche die nötige Energie liefert, und das ist die Hydrolyse
vonAdenosintriphosphat(ATP).
1.2.2 DieBedeutungdesATPals 1.2.2 DieBedeutungdesATPalsEnergieträger
Energieträger
UmdieFunktiondesATPexaktbeschreibenzukönnen,müssenLebensprozesseauf
molekularemNiveaubetrachtetwerden,alsoinbiochemischerPerspektive.
EinbesonderseinfachesBeispielfürdieenergetischeKopplungbiochemischerPro-
zesseandieHydrolysevonATPistdieReaktionvonGlucosemitPhosphat.Glucose
(=Traubenzucker) ist ein wichtiger Nahrungsstoff für die Zellen des Körpers. Sie
wirdvomBlutandieZellenherangeführtunddannvondenZellenaufgenommen.
DerersteSchrittderEinbeziehungvonGlucoseindenZellstoffwechselistihreVer-
bindungmitPhosphat:DieGlucosewirdphosphoryliert(Abb.A-1.2).
DaPhosphat-IoneninjederZellevorhandensind,könntemanerwarten,dassGluco-
seundPhosphat-IonenspontaneineVerbindungeingehen.EinederartigeReaktion
wird aber weder in lebenden Zellen noch bei Mischung der Reaktionspartner in
einemReagenzglasbeobachtet.DieReaktionistgenausounmöglich,wieesunmög-
lichist,dasssicheinGegenstandohneäußereEinwirkungvonalleinevonderErd-
oberflächeindieLufterhebt.DerGrundhierfürist,dassderEnergiegehaltvonGlu-
cose-6-phosphathöheristalsderderAusgangssubstanzenGlucoseundPhosphat-
Ionen.DamitdiePhosphorylierungstattfindenkann,mussdenAusgangssubstanzen
Energiezugeführtwerden.DieseEnergiestammtausderHydrolysedesATP.
▶Merke. ▶Merke. ATPistderzentraleundentscheidendeEnergieträgerallerOrganismen.
⊙ ⊙
A-1.2 A-1.2 DiePhosphorylierungvonGlucose
O– O–
6CH2OH –O P OH –O P O CH2
H 5C O OH O O H C O OH
4C OHH H C1 Phosphat C OHH H C
HO 3C C2 H Glucose G6-lpuhcoossep-hat HO C C H
H OH H2O H OH
21
A 1.2 WoherstammtdieEnergiefürLebensprozesse?
Aufgrund der zentralen Bedeutung des Energieträgers ATP dreht sich die gesamte
BiochemieletztlichumzweiprinzipielleFragen:
1.WiewirdATPproduziert,d.h.wiewirdLebenermöglicht?
2.WiewirdATPvondenZellendesKörpersgenutzt?
DieersteFragewirdinTeilAdiesesLehrbuchsbeantwortet,diezweiteindenTeilen
BbisG.
DieBedeutungdesATPfürdieFunktionendesgesamtenOrganismuslässtsichmit
einereinfachenZahlillustrieren:EinerwachsenerMenschproduziertundhydroly-
siert jeden Tag etwa 100kg ATP. Im Stoffwechsel eines Teilnehmers der Tour de
Francekönnen an einem Tag sogar bis zu 300kg ATP synthetisiert werden. Dabei
bleibt die Konzentration des ATP in den Zellen relativ konstant bei ca. 3–4mM
(mM=mmol/l),waseinerGesamtmengeimKörpervonnurca.50gentspricht.Die
große Menge an ATP, die pro Tag umgesetzt wird, ergibt sich nur durch die Ge-
schwindigkeit,mitderdasATPständighydrolysiertundneusynthetisiertwird.Die
genannten50gATPwerdendurchschnittlichinjederMinuteeinmalvollständigre-
generiert,alsomehrals1000-malamTag.
WoimATPstecktdieEnergie? WoimATPstecktdieEnergie?
ATPbestehtauszweiTeilen,demAdenosinunddemTriphosphat(Abb.A-1.3).
Für die Funktion des ATP im Energiestoffwechsel ist allein die Triphosphatgruppe
entscheidend.BeiderHydrolysedieserGruppewirddieEnergiefreigesetzt,diein
energetischer Kopplung anderen Reaktionen zur Verfügung gestellt werden kann.
DerAdenosin-TeildesMolekülsisthingegensoetwaswieein„molekularerHand-
griff“,durchdenderTriphosphatrestfürdieZellehandhabbarwird.VieleProteine
der Zelle enthalten Strukturen, die den Adenosin-Teil spezifisch binden und da-
durchdannauchdieTriphosphatgruppegenaudorthinbringen,woderenEnergie
geradebenötigtwird.
Die Triphosphatgruppe ist mit dem Adenosin über eine Esterbindung verbunden,
die drei Phosphoratome sind untereinander durch Anhydridbindungen verbunden
(Abb.A-1.4).DurchHydrolysekanninzweiSchrittenjeweilseinePhosphatgruppe
freigesetzt werden. Dadurch entsteht aus dem Adenosintriphosphat (ATP) Adeno-
sindiphosphat (ADP) bzw. Adenosinmonophosphat (AMP) (Abb. A-1.4). Alternativ
kanneineDiphosphatgruppe(=Pyrophosphat,Abb.A-1.5)abgespaltenwerden,so-
dassausATPAMPentsteht.
⊙ ⊙
A-1.3 Adenosintriphosphat(ATP) A-1.3
NH2
N
O– O– O– N Adenin
–O P O P O P O CH2 N N Adenosin-
O Adenosin triphosphat
O O O N-glykosidische (ATP)
Triphosphatrest H H Bindung
H H
OH OH Ribose
⊙
A-1.4 HydrolysevonATP
Freisetzung von O– Freisetzung von O–
30,5 kJ/Mol 30,5 kJ/Mol
H+ + –O P OH + 2 H+ + 2 –O P OH +
Anhydridbindungen Esterbindung (unter Standard- (unter Standard-
bedingungen) O bedingungen) O
O– O– O– H2O O– O– H2O O–
–O P O P O P O Adenosin –O P O P O Adenosin –O P O Adenosin
O O O O O O
Adenosintriphosphat Adenosindiphosphat Adenosinmonophosphat
(ATP) (ADP) (AMP)