Stryer Biochemie PDF
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Jeremy M. Berg John L. Tymoczko Lubert Stryer Str yer Biochemie 7. Aufl age Biochemie Jeremy M. Berg John L. Tymoczko Lubert Stryer Biochemie 7. Auflage Unter Mitwirkung von Gregory J. Gatto, Jr. Aus dem Englischen übersetzt von Andreas Held, Manuela Held, Birgit Jarosch, Gudrun Maxam, Lothar Seidler ISBN 978-3-8274-2988-9 Aus dem Englischen übersetzt von Andreas Held, Manuela Held, Birgit Jarosch, Gudrun Maxam, Lothar Seidler (An der Übersetzung der vorherigen Auflagen waren beteiligt: Brigitte Pfeiffer-Guglielmi, Johannes Guglielmi, Bärbel Häcker, Andreas Held, Birgit Jarosch, Susanne Kuhlmann-Krieg, Christina Lange, Kerstin Mahlke, Gudrun Maxam, Lothar Seidler, Sebastian Vogel, Karin von der Saal, Nina Zellerhoff sowie Günther Stoll) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Spektrum Übersetzung der amerikanischen Ausgabe: Biochemistry, Seventh Edition von Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer unter Mitwirkung von Gregory J. Gatto, Jr., erschienen bei W. H. Freeman and Company, New York © 2012, 2007, 2002 W. H. Freeman and Company © 1975, 1981, 1988, 1995 Lubert Stryer All rights reserved 3.–6. Aufl.: © Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 1991, 1996, 2003, 2007 7. Aufl.: © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013. Korrigierter Nachdruck 2014 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheber- rechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bear- beitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne beson- dere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Planung und Lektorat: Frank Wigger, Martina Mechler Redaktion: Birgit Jarosch Index: Bärbel Häcker Covergestaltung und -layout: deblik Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Spektrum ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. www.springer-spektrum.de Für unsere Lehrer und unsere Studenten VI Die Autoren Jeremy M. Berg erwarb den Bachelor of Science und den Master of Science in Chemie an der Stanford University (wo er zusammen mit Keith Hodgson und Lubert Stryer Forschungsarbeiten durchführte) und promovierte an der Harvard University bei Richard Holm in Chemie. Danach schloss er seine Arbeiten in der Biophysik im Rahmen einer Postdoc-Stelle bei Carl Pabo an der Johns Hopkins University School of Medicine ab. Von 1986 bis 1990 hatte er an dieser Universität eine Assistenzprofessur am Department of Chemistry inne und war im Anschluss bis 2003 als Professor und Leiter des Department of Biophysics and Biophysical Chemistry tätig. Von 2003 bis 2011 war Jeremy Berg Leiter des National Institute of General Medical Sciences an den National Institutes of Health. Im Jahr 2011 wechselte er als Associate Senior Vice Chancellor for Science Strategy and Planning und Fakultätsmitglied des Department of Computational and Systems Biology an die University of Pittsburgh. Jeremy Berg ist Mitglied des Institute of Medicine of the National Academy of Sciences und Fellow of the American Asso- ciation for the Advancement of Science. Er ist Träger des American Chemical Society Award in Pure Chemistry (1994), des Eli Lilly Award for Fundamental Research in Biological Chemistry (1995), der Auszeichnung Maryland Outstanding Young Scientist of the Year (1995), des Harrison Howe Award (1997), des Howard K. Schachman Public Service Award der American Society for Biochemistry and Molecular Biology (2011) und des Public Service Award der American Chemical Society (2011). Während seiner Zeit an der Johns Hopkins University erhielt er den W. Barry Wood Teaching Award (dessen Preisträger von Studierenden der Medizin ausgewählt wird), den Graduate Student Teaching Award und den Professor’s Teaching Award für die vorklinischen Wissenschaften. John L. Tymoczko ist Towsley-Professor für Biologie am Carleton College, wo er seit 1976 lehrt. Zurzeit unterrichtet er Biochemie, Bioche- mische Methoden, Onkogene und Molekularbiologie von Krebserkrankungen sowie Sportbiochemie; außerdem wirkt bei einem Einführungskurs zum Energiefluss in biologischen Systemen mit. John Tymoczko erwarb 1970 den Bachelor of Arts an der University of Chicago und promovierte am dortigen Ben May Institute for Cancer Research bei Shutsung Liao in Biochemie. Daran schloss sich eine Postdoc-Stelle bei Hewson Swift am Department for Biology der University of Chicago an. Seine Forschungsschwerpunkte umfassen Steroidrezeptoren, Ribonucleoproteinpartikel und proteolytische Enzyme bei der Prozessierung von Proteinen. Lubert Stryer ist emeritierter Winzer-Professor für Zellbiologie an der School of Medicine und emeritierter Professor für Neurobiologie an der Stanford University, wo er ab 1976 dem Lehrkörper angehörte. 1975 erwarb er an der Harvard Medical School den Grad eines Doktors der Medizin. Für seine Forschungen über die Wechselwirkungen zwischen Licht und Leben hat Lubert Stryer zahlreiche Preise erhalten, darunter den Eli Lilly Award for Fundamental Research in Biological Chemistry und den Distinguished Inventors Award der Intellectual Property Owners’ Association. 1984 wurde er in die National Academy of Science und die American Philosophical Society gewählt. Außerdem erhielt Lubert Stryer im Jahr 2006 die National Medal of Science. Die Veröffentlichung der ersten Auflage seiner Biochemie im Jahre 1975 veränderte Gestalt und Inhalt bioche- mischer Lehrbücher. Gregory J. Gatto jr. erwarb den Bachelor of Arts an der Princeton University, wo er bei Martin F. Semmelhack arbeitete und den Everett S. Wallis Prize in Organic Chemistry erhielt. 2003 erwarb er an der Johns Hopkins University School of Medicine den Grad eines Doktors der Medizin und promovierte in Biochemie. Er untersuchte dort zusammen mit Jeremy M. Berg die biologischen Strukturen der gerichteten peroxisomalen Signalerkennung und erhielt den Michael A. Shanoff Young Investigator Research Award. Im Jahr 2006 beendete Gregory Gatto eine Postdoc-Zeit bei Christopher T. Walsh an der Harvard Medical School, wo er die Biosynthese der Macrolid-Immunsuppressiva untersuchte. Zurzeit arbeitet er als Forscher in der Heart Failure Discovery Performance Unit bei GlaxoSmithKline Pharmaceuticals. VII Vorwort Als wir an der siebten Aulage dieses Buches arbei- Neu in dieser Aulage teten, haben wir uns bemüht, einen Ausgleich zu inden zwischen dem Wunsch, die allerneuesten For- Jeden Tag gibt es in der biochemischen Forschung schungsergebnisse zu präsentieren, und der Notwen- neue Erkenntnisse. In der siebten Aulage sind alle digkeit, die Biochemie für die Studierenden, die sich Entdeckungen berücksichtigt, die unsere Vorstel- zum ersten Mal mit diesem Gebiet beschätigen, so lung von den Grundlagen der Biochemie und der verständlich und interessant wie möglich darzustel- menschlichen Gesundheit verändert haben. Das ist len. Dozenten und Studenten bedienen sich dieses neu in diesem Buch: Buches schon seit langem, und zwar aus verschiede- nen Gründen: Der Stofwechsel wird in neuen Zusammenhängen betrachtet Neue Erkenntnisse über die Bedeutung Verständliche Darstellung Der Zugang zur Spra- der Leptine beim Hunger- und beim Sättigungsge- che der Biochemie soll so einfach wie möglich gestal- fühl haben unsere Vorstellungen von Fettleibigkeit tet werden. Der unkomplizierte und logische Aubau und der epidemischen Zunahme von Diabetes stark führt den Leser durch die biochemischen Vorgänge beeinlusst. In der vorliegenden Aulage behandeln und hilt dabei, komplexe Reaktionswege und Me- wir auch den Zusammenhang zwischen Stofwechsel, chanismen nachzuvollziehen. Ernährung und Fettleibigkeit. Thematisch fokussierte Abbildungen Die Illustrati- Neue Kapitel zur Genregulation Um den schnell onen in diesem Buch betrefen immer einen einzigen wachsenden Erkenntnissen über die biochemischen thematischen Schwerpunkt, sodass jede Abbildung Zusammenhänge der Genregulation Rechnung zu einen bestimmten Mechanismus, Reaktionsweg oder tragen, haben wir die Besprechung der Regulation biochemischen Prozess ohne allzu viele, möglicher- erweitert und das Kapitel 31 der bisherigen Aulagen weise verwirrende Einzelheiten klar verständlich in zwei Kapitel geteilt: Kapitel 31, „Die Kontrolle der darstellt. Genregulation bei Prokaryoten“, und Kapitel 32, „Die Kontrolle der Genregulation bei Eukaryoten“. Diese Physiologische Bedeutung Die Biochemie ist die Erforschung des Lebens im kleinsten Maßstab, und es war schon immer unser Ziel, die Studierenden dabei zu unterstützen, einen Bezug zwischen der Leptin Biochemie und ihrem eigenen Leben herstellen zu – Nahrungs- können. Reaktionswege und biochemische Vorgänge aufnahme Gehirn werden im physiologischen Zusammenhang darge- stellt, sodass der Leser erkennen kann, wie die Bio- chemie in den verschiedenen Körperregionen und – unter verschiedenen äußeren und hormonell beein- lussten Bedingungen funktioniert. Leber Darm Glucose Medizinische Zusammenhänge Wann immer es angebracht ist, werden Reaktionswege und Mecha- nismen im Zusammenhang mit Gesundheit und Muskel Krankheit dargestellt. Dadurch ist es den Studieren- den möglich zu erkennen, inwieweit die Biochemie Fett + + für sie von Bedeutung ist, während sie gleichzeitig Insulin ihre biochemischen Kenntnisse vertiefen können. (Eine vollständige Liste der angesprochenen hemen indet sich auf S. XIV.) Evolutionsbiologische Perspektive Die Evolution Pankreas tritt in den biochemischen Strukturen und Reakti- . Kapitel 27 Die schematische Darstellung veranschaulicht onswegen deutlich hervor und ist in den Texten die- einen kleinen Auschnitt der zahlreichen Stofwechselwege, die ses Lehrbuchs fest eingebunden. (Eine vollständige koordiniert werden müssen, um die Bedürfnisse eines lebenden Liste der Einzelthemen indet sich auf S. XIII.) Organismus zu bedienen. VIII Kapitel behandeln aktuelle Forschungsergebnisse wie • Osteogenesis imperfecta oder Glasknochen- etwa die Entdeckung des quorum sensing bei Proka- krankheit (Kapitel 2) ryoten, die Induktion von pluripotenten Stammzel- • In sich unstrukturierte und metamorphe Prote- len oder die Funktion von MikroRNAs bei der Regu- ine (Kapitel 2) lation der Genexpression. • Krankheiten aufgrund falsch gefalteter Proteine (Kapitel 2) Versuchsmethoden sind aktualisiert und noch • Anwendung der DNA-Rekombinationstechnik verständlicher dargestellt Wir haben die Kapi- bei der Aufreinigung von Proteinen (Kapitel 3) tel 3 („Erforschung der Proteine und Proteome“), 5 • Ausführlichere Besprechung der Massenspektro- („Erforschung der Gene und Genome“) und 6 („Er- metrie und der Röntgenstrukturanalyse forschung der Evolution und die Bioinformatik“) (Kapitel 3) überarbeitet, um den Studierenden die Vorzüge und • Sequenziermethoden der nächsten Generation Grenzen der Methoden, die sie im Labor anwenden, (Kapitel 5) für die Praxis nahe zu bringen. Wir haben zum Bei- • Quantitative PCR (Kapitel 5) spiel die Besprechung der Massenspektrometrie und • DNA-Microarrays (Kapitel 5) der Röntgenstrukturanalyse erweitert und sie für • Kohlenmonoxidvergitung (Kapitel 7) Studierende, die sich zum ersten Mal damit beschäf- • Enzymkinetische Untersuchung einzelner Mole- tigen, noch verständlicher gemacht. Wir beschreiben küle (Kapitel 8) neue Methoden wie die Sequenzierverfahren der • Myosine als Modell für einen katalytischen Me- nächsten Generation und quantitative PCR hinsicht- chanismus mit ATP (Kapitel 9) lich ihrer Bedeutung in der modernen biochemi- • Glykobiologie und Glykomik (Kapitel 11) schen Forschung. (Eine vollständige Aulistung in- • Hurler-Pfaundler-Krankheit (Kapitel 11) det sich auf S. XVI.) • Vogelgrippe (Kapitel 11) • Lipidlöße (Kapitel 12) • Transferrin als Beispiel für eine rezeptorvermit- Aktuelle wissenschaftliche telte Endocytose (Kapitel 12) Fortschritte • Long-QT-Syndrom und Herzrhythmusstörun- gen aufgrund der Hemmung von Kaliumkanälen Einige der interessanten neuen Erkenntnisse in der (Kapitel 13) siebten Aulage betrefen folgende hemen: • Defekte im Citratzyklus und das Entstehen von Krebs (Kapitel 17) A B LA1 LA2 LA3 LA4 LDL LA5 LA6 LA7 EGFA Endosom EGFB Propeller- EGFC struktur mit sechs Flügeln . 26.24 Der LDL-Rezeptor setzt im Endosom LDL frei. (Nach Campbell ID (2003) Biochem Soc Trans 31: 1107–1114, Abb. 1A.) IX mRNA-Fragmente mRNA miRNA Argonaut . 32.27 Wirkung der MikroRNA. • Synthese einer eizienteren Rubisco (Kapitel 20) Neue Aufgaben an den Kapitelenden • Struktur der Fettsäuresynthetase bei Säugern (Kapitel 22) Biochemie lässt sich am besten dadurch erlernen, • Reaktionswege zur Rückgewinnung von Pyrimi- dass man sie (aus)übt. Um die Studierenden dabei din (Kapitel 25) zu unterstützen, haben wir die Anzahl der Aufgaben • Physikalische Assoziation von Enzymen in Stof- an den Kapitelenden um die Hälte erweitert. Neben wechselwegen (Kapitel 25) vielen „klassischen“ Fragen, die auf das biochemi- • Phosphatidsäure-Phosphatase bei der Regulation sche Wissen abzielen und die Fähigkeit testen, dieses des Lipidstofwechsels (Kapitel 26) Wissen anzuwenden, gibt es drei Arten von Aufga- • Regulation des SCAB-SREBP-Transfers beim ben, die speziische Fähigkeiten der Problemlösung Cholesterinstofwechsel (Kapitel 26) abfragen. • Mutationen des LDL-Rezeptors (Kapitel 26) • Die Bedeutung von HDL beim Schutz vor Athe- • Mechanistische Aufgaben fordern dazu auf, rosklerose (Kapitel 26) einen chemischen Mechanismus zu postulieren • Inhibitoren der Aromatase bei der Behandlung oder auszuarbeiten. von Brust- und Eierstockkrebs (Kapitel 26) • Aufgaben zur Dateninterpretation beinhalten • Bedeutung von Leptin für die langfristige Regu- Fragen zu Daten in einer Tabelle oder Graik. lation der kalorischen Homöostase (Kapitel 27) Diese Aufgaben sollen ein Gefühl dafür vermit- • Fettleibigkeit und Diabetes (Kapitel 27) teln, wie man zu wissenschatlichen Schlussfol- • Sportliche Betätigung und ihre Wirkung auf die gerungen gelangt. Biochemie der Zellen (Kapitel 27) • Kapitelübergreifende Aufgaben erfordern, dass • Genaue aktualisierte Darstellung der Helikasere- man für das Erarbeiten der Lösung Informati- aktion (Kapitel 28) onen aus mehreren Kapiteln verwendet. Diese • Genaue aktualisierte Darstellung der Topoiso- Aufgaben sollen die Aufmerksamkeit dafür merasereaktion (Kapitel 28) stärken, dass die verschiedenen Bereiche der • Riboswitches (Kapitel 29) Biochemie miteinander vernetzt sind. • Produktion der kleinen regulatorischen RNAs (Kapitel 29) Am Ende des Buches stehen die Lösungen der Auf- • vanishing white matter-Krankheit (VWM) (Ka- gaben in Kurzform; eine ausführliche Darstellung pitel 30) (in englischer Sprache) ist im separat erwerbba- • quorum sensing (Kapitel 31) ren Student Companion zu inden (ISBN 1-4292- • Bioilme (Kapitel 31) 3115-7). • Induktion von pluripotenten Stammzellen (Ka- pitel 32) • Funktion der MikroRNAs bei der Genregulation Darstellung von Molekülstrukturen (Kapitel 32) • Wie Impfstofe wirken (Kapitel 34) Die Molekülstrukturen wurden von Jeremy Berg und • Struktur der Kopfdomäne des Myosins (Kapitel Gregory Gatto ausgewählt und aus Datenbankdaten 35) erstellt. Dem besseren Verständnis dieser Strukturen dienen folgende Hilfsmittel: • In einer kurzen Einführung werden die verschie- denen Arten der Proteinmodelle erklärt und ihre Vor- und Nachteile erläutert (Anhänge der Kapitel 1 und 2). • Die Abbildungslegenden lenken den Blick immer auf die entscheidenden Merkmale eines Modells. X AMP-PNP • Es wurde eine vielfältige Auswahl an molekula- 30° ren Strukturen getrofen, darunter auch klarere Darstellungen von Membranproteinen. 15° • Bei den meisten Molekülmodellen ist am Ende der Abbildungslegende der PDB-Code angege- ben, sodass der Leser auf der Internetseite der 0° Protein Data Bank (www.pdb.org) die Datei, aus 0° der die Struktur erstellt wurde, leicht auinden kann. Auf dieser Website stehen verschiedene Funktionen zur Verfügung, mit denen sich die Struktur dann darstellen und analysieren lässt. 15° • Von den meisten Molekülstrukturen gibt es jetzt 30° auf www.whfreeman.com/berg7e (Book Compa- nion Site) in Jmol animierte 3D-Darstellungen („Living Figures“), bei denen es online möglich . 28.12 Asymmetrie der Helikase. Zu beachten ist hier, dass ist, die dreidimensionalen Strukturen zu drehen AMP-PNP nur an vier Untereinheiten (blau und gelb) gebunden ist. (Zeichnung nach 1E0K.pdb.) und auf verschiedene Weise zu betrachten.
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