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Springer-Lehrbuch
Lehninger Biochemie
Bearbeitet vonDavid Nelson, Michael Cox, Gerhard Heldmaier, Bärbel Häcker, Andreas Held, Gudrun Maxam, Claudia
Schön, Nina Zellerhoff
4. Aufl. 2009, 3., korr. Nachdruck 2010 2010. Buch. XLIV, 1668 S. HardcoverISBN 978 3 540 68637 8
Format (B x L): 21 x 27,9 cm
Weitere Fachgebiete > Chemie, Biowissenschaften, Agrarwissenschaften > Biochemie
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Inhaltsverzeichnis
1 Die Grundlagen der Biochemie . . 1
1.1 Zelluläre Grundlagen . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 Zellen sind die Bau- undFunktionseinheiten aller Lebewesen . . 4
1.1.2 Die Zellgröße istdurch Diffusion begrenzt . . . . . . . . . 4
1.1.3 Es gibt drei verschiedene Domänendes Lebens . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.4 Escherichia coli ist das am häufigstenuntersuchte Bakterium . . . . . . . . . . 6
1.1.5 Eukaryotische Zellen besitzeneine Vielzahl von Organellen,die von Membranen umgeben sindund die sich für Untersuchungenisolieren lassen . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.6 Das Cytoplasma wird durchdas Cytoskelett organisiertund ist sehr dynamisch . . . . . . . . . . 10
1.1.7 Zellen bildensupramolekulare Strukturen . . . . . . . 11
1.1.8 In vitro-Untersuchungenkönnen dazu führen,dass wichtige Wechselwirkungenzwischen Molekülen übersehen werden 11
1.2 Chemische Grundlagen . . . . . . . . . 14
1.2.1 Biomoleküle sindKohlenstoffverbindungen miteiner Vielzahl funktioneller Gruppen . . 15
1.2.2 Zellen enthalten einenuniversellen Satz kleiner Moleküle . . . 16
1.2.3 Die Hauptbestandteile von Zellensind Makromoleküle . . . . . . . . . . . . 17
EXKURS 1-1Molekulargewicht, Molekülmasseund deren korrekte Einheiten . . . . . 18
1.2.4 Konfiguration und Konformationdefinieren die dreidimensionale Struktur 19
EXKURS 1-2 Louis Pasteurund die optische Aktivität:In vino veritas . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.5 Die Wechselwirkungen zwischenBiomolekülen sind stereospezifisch . . 23
1.3 Physikalische Grundlagen . . . . . . . . 25
1.3.1 Lebewesen befinden sich in einemFließgleichgewicht und stehen niemalsmit ihrer Umgebung im Gleichgewicht 25
1.3.2 Organismen wandeln Energieund Materie aus ihrer Umgebung um . 26
1.3.3 Organismen erhalten Energieaus einem Elektronenfluss . . . . . . . . 26
EXKURS 1-3 Entropie:Die Vorteile von Unordnung . . . . . . 27
1.3.4 Das Schaffen von Ordnung und ihreErhaltung erfordern Arbeit und Energie 28
1.3.5 Die Energiekopplungverknüpft biologische Reaktionen . . . 30
1.3.6 Keq undΔG� sindMaßedafür, wie leichteine Reaktion spontan abläuft . . . . . . 31
1.3.7 Enzyme ermöglicheneine Abfolge chemischer Reaktionen . 32
1.3.8 Die Regulation des Stoffwechselssorgt für Balance und Ökonomie . . . . 34
1.4 Genetische Grundlagen . . . . . . . . . 35
1.4.1 Die genetische Kontinuität wird ineinzelnen DNA-Molekülen bewahrt . . 36
1.4.2 Die DNA-Struktur ermöglichtihre Replikation und Reparaturmit nahezu perfekter Genauigkeit . . . 37
1.4.3 In der linearen DNA-Sequenz istdie Information für dreidimensionaleProteinstrukturen gespeichert . . . . . . 37
1.5 Grundlagen der Evolution . . . . . . . . 38
1.5.1 Veränderungen in der Erbinformationermöglichen die Evolution . . . . . . . . 38
Inhaltsverzeichnis xxiii
1.5.2 Biomoleküle sind zuerst durcheine chemische Evolution entstanden . 40
1.5.3 RNA oder verwandte Vorstufenwaren möglicherweisedie ersten Gene und Katalysatoren . . . 40
1.5.4 Die biologische Evolutionbegann vor über 3,5 Mrd. Jahren . . . . 41
1.5.5 Die erste Zelle nutzte vermutlichanorganische Brennstoffe . . . . . . . . 42
1.5.6 Eukaryotische Zellen entwickeltensich in mehreren Schrittenaus einfacheren Vorläufern . . . . . . . . 43
1.5.7 Die molekulare Anatomie lässt dieevolutionäre Verwandtschaft erkennen 44
1.5.8 Die funktionelle Genomik weistspezifischen Zellvorgängen Gene zu . . 46
1.5.9 Genomvergleiche erhaltenin der Humanbiologie und Medizinzunehmende Bedeutung . . . . . . . . . 46
Teil IStrukturundKatalyse
2 Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.1 SchwacheWechselwirkungenin wässrigen Systemen . . . . . . . . . . 57
2.1.1 Wasserstoffbrücken verleihen Wasserseine ungewöhnlichen Eigenschaften . 58
2.1.2 Wasser bildet Wasserstoffbrückenmit polaren gelösten Stoffen . . . . . . . 60
2.1.3 Wasser geht mit gelösten Ionenelektrostatische Wechselwirkungen ein 60
2.1.4 Beim Auflösen kristalliner Substanzennimmt die Entropie zu . . . . . . . . . . . 62
2.1.5 Unpolare Gase lösen sichschlecht in Wasser . . . . . . . . . . . . . 62
2.1.6 Unpolare Verbindungenerzwingen energetisch ungünstigeVeränderungen der Wasserstruktur . . 63
2.1.7 Van-der-Waals-Wechselwirkungensind schwache Anziehungskräftezwischen Atomen . . . . . . . . . . . . . 64
2.1.8 Schwache Wechselwirkungensind für die Struktur und Funktionvon Makromolekülen ausschlaggebend 65
2.1.9 Gelöste Stoffe beeinflussendie kolligativen Eigenschaftenwässriger Lösungen . . . . . . . . . . . . 67
2.2 Dissoziation vonWasser, schwachenSäuren und schwachen Basen . . . . . 70
2.2.1 Reines Wasser ist ingeringem Umfang dissoziiert . . . . . . 71
2.2.2 Die Dissoziation von Wasserlässt sich durch eineGleichgewichtskonstante ausdrücken . 72
2.2.3 Die pH-Skala gibtdie H+- und OH−-Konzentrationen an . 73
2.2.4 Schwache Säuren und Basenhaben charakteristischeDissoziationskonstanten . . . . . . . . . 75
2.2.5 Titrationskurven zeigenden pKa-Wert schwacher Säuren . . . . 76
2.3 Pufferung gegen pH-Änderungenin biologischen Systemen . . . . . . . . 78
2.3.1 Puffer sindMischungen aus schwachenSäuren und deren konjugierten Basen . 79
2.3.2 Die Henderson-Hasselbalch-Gleichungverbindet pH, pKa
und Pufferkonzentration . . . . . . . . . 792.3.3 Schwache Säuren oder Basen
puffern Zellen und Gewebegegen pH-Änderungen . . . . . . . . . . 80
2.3.4 Unbehandelter Diabetes ruft einelebensbedrohliche Acidose hervor . . . 84
EXKURS2-1MedizinWennman seineigenes Versuchskaninchen ist(Nicht zu Hause versuchen!) . . . . . . 85
2.4 Wasser als Reaktionspartner . . . . . . 86
2.5 Die Eignung der wässrigenUmgebung für Lebewesen . . . . . . . 87
3 Aminosäuren, Peptideund Proteine . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.1 Aminosäuren . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.1.1 Aminosäuren habengemeinsame Strukturmerkmale . . . . . 96
3.1.2 Die Aminosäuren in Proteinenhaben L-Konfiguration . . . . . . . . . . 99
3.1.3 Aminosäuren lassen sich anhandihrer Seitenketten unterscheiden . . . . 99
EXKURS 3-1 Absorptionvon Licht durch Moleküle:Das Lambert-Beer-Gesetz . . . . . . . 102
3.1.4 Weniger häufige Aminosäurenhaben ebenfalls wichtige Funktionen . 103
3.1.5 Aminosäuren können als Säurenund Basen wirken . . . . . . . . . . . . . 103
3.1.6 Aminosäuren habencharakteristische Titrationskurven . . . 105
3.1.7 Aus der Titrationskurve lässt sichder isoelektrische Punkteiner Aminosäure bestimmen . . . . . . 106
3.1.8 Aminosäuren haben unterschiedlicheSäure-Base-Eigenschaften . . . . . . . . 107
xxiv Inhaltsverzeichnis
3.2 Peptide und Proteine . . . . . . . . . . . 108
3.2.1 Peptide sind Ketten aus Aminosäuren . 1083.2.2 Peptide lassen sich anhand ihres
Dissoziationsverhaltens unterscheiden 1103.2.3 Biologische aktive Peptide
und Polypeptide kommen inunterschiedlichen Größenund Zusammensetzungen vor . . . . . . 110
3.2.4 Einige Proteine enthaltenneben Aminosäuren noch anderechemische Gruppen . . . . . . . . . . . . 112
3.3 Arbeiten mit Proteinen . . . . . . . . . . 113
3.3.1 Proteine können isoliertund gereinigt werden . . . . . . . . . . . 113
3.3.2 Proteine können durchElektrophorese getrenntund charakterisiert werden . . . . . . . . 117
3.3.3 Nichtgetrennte Proteinelassen sich quantitativ bestimmen . . . 120
3.4 Die Struktur von Proteinen:Primärstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.4.1 Die Funktion eines Proteins wird durchseine Aminosäuresequenz bestimmt . . 123
3.4.2 Die Aminosäuresequenzen vonMillionen von Proteinen sind bekannt . 123
3.4.3 Kurze Polypeptide werden mitautomatisierten Verfahren sequenziert 124
3.4.4 Große Proteine müssen in kleinenAbschnitten sequenziert werden . . . . 126
3.4.5 Aminosäuresequenzen können auchmit anderen Methodenabgeleitet werden . . . . . . . . . . . . . 129
3.4.6 Kleine Peptide und Proteinekönnen chemisch synthetisiert werden 130
EXKURS3-2MassenspektrometrischeUntersuchung von Proteinen . . . . . 131
3.4.7 Aminosäuresequenzen liefernwichtige biochemische Informationen . 133
3.4.8 Proteinsequenzen könnenzur Aufklärung der Evolutiondes Lebens auf der Erde beitragen . . . 135
EXKURS 3-3 Consensus-sequenzen und Sequenzlogos . . . . 136
4 Die dreidimensionale Strukturvon Proteinen . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.1 Übersicht über die Proteinstruktur . 150
4.1.1 Die Proteinkonformation wirdhauptsächlich durch schwacheWechselwirkungen stabilisiert . . . . . . 150
4.1.2 Die Peptidbindung ist starr und planar . 153
4.2 Sekundärstruktur von Proteinen . . . 155
4.2.1 Die α-Helix ist eine häufigeSekundärstruktur in Proteinen . . . . . . 155
EXKURS 4-1 Die Unterscheidungder rechten von der linken Hand . . . 157
4.2.2 Die Aminosäuresequenz beeinflusstdie Stabilität der α-Helix . . . . . . . . . 157
4.2.3 Die β-Konformation ordnetPolypeptide zu Schichten . . . . . . . . . 158
4.2.4 β-Schleifen kommenin Proteinen häufig vor . . . . . . . . . . 159
4.2.5 Häufig auftretendeSekundärstrukturen besitzencharakteristische Diederwinkel . . . . . 160
4.2.6 Häufig auftretendeSekundärstrukturen lassen sichdurch Zirkulardichroismus bestimmen . 160
4.3 Tertiär- und Quartärstrukturenvon Proteinen . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.3.1 Faserproteine sind anihre Strukturfunktion angepasst . . . . . 162
EXKURS 4-2 Dauerwellensind das Ergebniseines biochemischen Vorgangs . . . . 164
EXKURS 4-3 Medizin WarumSeeleute, Forscher undCollege-Studenten frisches Obstund Gemüse essen sollten . . . . . . . 166
4.3.2 Die strukturelle Vielfalt spiegeltdie funktionelle Vielfaltglobulärer Proteine wider . . . . . . . . 168
EXKURS 4-4 Die Proteindatenbank . . 169
4.3.3 Myoglobin lieferte frühe Hinweiseauf die komplexe Strukturglobulärer Proteine . . . . . . . . . . . . 170
EXKURS 4-5 Methoden zur Bestim-mung der dreidimensionalen Struk-tur eines Proteins . . . . . . . . . . . . . 172
4.3.4 Globuläre Proteine besitzenvielfältige Tertiärstrukturen . . . . . . . 176
4.3.5 Proteinmotive bilden die Grundlagefür die Klassifizierungder Proteinstruktur . . . . . . . . . . . . . 178
4.3.6 Quartärstrukturen von Proteinenreichen von einfachen Dimerenbis zu großen Komplexen . . . . . . . . 181
4.4 Denaturierung und Faltungvon Proteinen . . . . . . . . . . . . . . . . 184
4.4.1 Der Verlust der Proteinstrukturführt zum Funktionsverlust . . . . . . . . 184
4.4.2 Die Aminosäuresequenzbestimmt die Tertiärstruktur . . . . . . . 184
Inhaltsverzeichnis xxv
4.4.3 Polypeptide falten sich raschin einem mehrstufigen Prozess . . . . . 185
4.4.4 Bei einigen Proteinenwird die Faltung unterstützt . . . . . . . 188
4.4.5 Defekte in der Proteinfaltungkönnen die molekulare Ursachefür ein breites Spektrum genetischerErkrankungen des Menschen sein . . . 190
EXKURS4-6Medizin Toddurch Fehl-faltung: die Prionenerkrankungen . . 193
5 Proteinfunktion . . . . . . . . . . . . . 201
5.1 Die reversible Bindungeines Proteins an einen Liganden:sauerstoffbindende Proteine . . . . . . 202
5.1.1 Sauerstoff kann an eineprosthetische Hämgruppe binden . . . 203
5.1.2 Myoglobin hat eine einzigeBindungsstelle für Sauerstoff . . . . . . 204
5.1.3 Wechselwirkungen zwischen Proteinund Ligand lassen sichquantitativ beschreiben . . . . . . . . . . 205
5.1.4 Die Proteinstruktur beeinflusstdie Ligandenbindung . . . . . . . . . . . 208
5.1.5 Hämoglobin transportiertden Sauerstoff im Blut . . . . . . . . . . . 209
5.1.6 Untereinheiten des Hämoglobinsähneln in ihrer Struktur dem Myoglobin 210
5.1.7 Bei der Sauerstoffbindung erfährtHämoglobin eine Strukturänderung . . 212
5.1.8 Hämoglobin bindetSauerstoff kooperativ . . . . . . . . . . . 214
5.1.9 Die kooperative Ligandenbindunglässt sich quantitativ beschreiben . . . . 215
EXKURS5-1Medizin Kohlenmonoxid:ein schleichender Mörder . . . . . . . 216
5.1.10 Zwei Modelle zeigenmöglicheMecha-nismen der kooperativen Bindung . . . 218
5.1.11 Hämoglobin transportiertauch H+ und CO2 . . . . . . . . . . . . . . 219
5.1.12 Die Bindung von Sauerstoffan Hämoglobin wird durch2,3-Bisphosphoglycerat reguliert . . . . 221
5.1.13 Sichelzellanämie ist eine molekulareErkrankung des Hämoglobins . . . . . . 222
5.2 KomplementäreWechselwirkungenzwischen Proteinen: Immunsystemund Immunglobuline . . . . . . . . . . . 224
5.2.1 Die Immunantwort zeichnet sichdurch ein ganzes Heer spezialisierterZellen und Proteine aus . . . . . . . . . . 225
5.2.2 Antikörper besitzen2 identische Antigenbindungsstellen . 226
5.2.3 Antikörper binden festund spezifisch an Antigene . . . . . . . . 228
5.2.4 Die Antikörper-Antigen-Wechsel-wirkung ist die Grundlage für eineVielzahl wichtiger analytischerVerfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
5.3 DieModulation vonProteinwechsel-wirkungen durch chemischeEnergie: Actin, Myosin undmolekulare Motoren . . . . . . . . . . . . 231
5.3.1 Actin und Myosin sind die wichtigstenProteine des Muskels . . . . . . . . . . . 232
5.3.2 Zusätzliche Proteine lassen ausdünnen und dicken Filamentengeordnete Strukturen entstehen . . . . 234
5.3.3 Dicke Myosinfilamente gleitenentlang dünner Actinfilamente . . . . . 235
6 Enzyme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
6.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
6.1.1 Die meisten Enzyme sind Proteine . . . 245
6.1.2 Die Klassifizierung der Enzymeerfolgt nach den Reaktionen,die sie katalysieren . . . . . . . . . . . . . 246
6.2 Die Funktionsweise von Enzymen . . 247
6.2.1 Enzyme beeinflussendie Geschwindigkeit, aber nichtdas Gleichgewicht einer Reaktion . . . . 247
6.2.2 Reaktionsgeschwindigkeitenund -gleichgewichte sindthermodynamisch genau definiert . . . 250
6.2.3 Wenige Prinzipien genügen,um die katalytische Leistung undSpezifität von Enzymen zu erklären . . . 251
6.2.4 Schwache Wechselwirkungenzwischen Enzym und Substrat werdenim Übergangszustand optimiert . . . . 252
6.2.5 Bindungsenergie leistet einen Beitragzur Spezifität der Reaktionund ihrer Katalyse . . . . . . . . . . . . . 254
6.2.6 Spezifische katalytische Gruppenbeteiligen sich an der Katalyse . . . . . 256
6.3 Durch Enzymkinetikzum Verständnis derReaktionsmechanismen . . . . . . . . . 259
6.3.1 Die Substratkonzentrationbeeinflusst die Geschwindigkeitenzymkatalysierter Reaktionen . . . . . 260
6.3.2 Die Beziehung zwischenSubstratkonzentration undReaktionsgeschwindigkeit kannquantitativ ausgedrückt werden . . . . 261
xxvi Inhaltsverzeichnis
6.3.3 Zum Vergleich enzymatischerAktivitäten werden kinetischeParameter herangezogen . . . . . . . . . 263
EXKURS 6-1 Transformationender Michaelis-Menten-Gleichung:die doppelt-reziproke Auftragung . . 264
6.3.4 Viele Enzyme katalysieren Reaktionenmit 2 oder mehr Substraten . . . . . . . 268
6.3.5 Die Kinetik der prästationären Phasekann Hinweise auf spezifischeReaktionsschritte liefern . . . . . . . . . 269
6.3.6 Enzyme können reversibeloder irreversibel gehemmt werden . . . 269
EXKURS6-2 Kinetische Bestimmungder verschiedenenHemmungsmechanismen . . . . . . . 271
6.3.7 Die Enzymaktivitätist vom pH-Wert abhängig . . . . . . . . 274
6.4 Beispiele enzymatischer Reaktionen 275
6.4.1 Der Wirkungsmechanismus vonChymotrypsin erfolgt über Acylierungund Deacylierung eines Ser-Restes . . . 275
EXKURS 6-3 Hinweise auf dieKomplementarität von Enzymund Übergangszustand . . . . . . . . . 281
6.4.2 Die Substratbindung von Hexokinaseerfolgt über induced fit . . . . . . . . . . 283
6.4.3 Für den Reaktionsmechanismus derEnolase sind Metall-Ionen erforderlich . 284
6.4.4 Lysozym nutzt 2 aufeinander folgendenucleophile Verdrängungsreaktionen . 285
6.4.5 Das Verständnis enzymatischerMechanismen ermöglicht wichtigeFortschritte in der Medizin . . . . . . . . 288
6.5 Regulatorische Enzyme . . . . . . . . . 293
6.5.1 Allosterische Enzyme reagieren aufdie Bindung eines Modulatorsmit einer Konformationsänderung . . . 294
6.5.2 In vielen Stoffwechselwegen werdendie regulatorischen Schrittevon allosterischen Enzymen katalysiert 295
6.5.3 Die kinetischen Eigenschaftenallosterischer Enzyme weichenvom „Michaelis-Menten-Verhalten“ ab . 295
6.5.4 Einige Enzyme werden durchreversible kovalente Modifikationreguliert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
6.5.5 Phosphorylgruppen beeinflussendie Struktur und katalytische Aktivitätvon Proteinen . . . . . . . . . . . . . . . . 298
6.5.6 Multiple Phosphorylierungen erlaubeneine hervorragende regulatorischeKontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
6.5.7 Einige Enzyme und andere Proteinewerden durch proteolytische Spaltungeiner Enzymvorstufe reguliert . . . . . . 301
6.5.8 Einige regulatorische Enzymeverwenden mehrere regulatorischeMechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . 303
7 Kohlenhydrateund Glycobiologie . . . . . . . . . . . . 311
7.1 Monosaccharide und Disaccharide . . 312
7.1.1 Die beiden Monosaccharidfamiliensind Aldosen und Ketosen . . . . . . . . 312
7.1.2 Monosaccharide habenasymmetrische Zentren . . . . . . . . . . 313
7.1.3 Die häufigen Monosaccharidehaben eine ringförmige Struktur . . . . 316
7.1.4 Lebewesen enthalten eine Vielzahlvon Hexosederivaten . . . . . . . . . . . 318
7.1.5 Monosaccharide sind Reduktionsmittel 3197.1.6 Disaccharide enthalten
eine glycosidische Bindung . . . . . . . 320
EXKURS 7-1 Medizin Messung desBlutglucosespiegels zur Diagnoseund Behandlung von Diabetes . . . . 321
7.2 Polysaccharide . . . . . . . . . . . . . . . 324
7.2.1 Einige Homopolysaccharidesind Formen gespeicherter Brennstoffe 325
7.2.2 Einige Homopolysaccharidebilden Strukturen . . . . . . . . . . . . . 326
7.2.3 Die Faltung vonHomopolysaccharidenwird durch sterische Faktorenund Wasserstoffbrücken beeinflusst . . 327
7.2.4 Die Zellwände von Bakterienund Algen enthaltenStruktur-Heteropolysaccharide . . . . . 330
7.2.5 Glycosaminoglycane sind Heteropoly-saccharide der extrazellulären Matrix . 331
7.3 Glycokonjugate: Proteoglycane,Glycoproteine und Glycolipide . . . . 334
7.3.1 Proteoglycane sind glycosamino-glycanhaltige Makromoleküleder Zelloberfläche und derextrazellulären Matrix . . . . . . . . . . . 335
7.3.2 An Glycoproteine sind kovalentOligosaccharide gebunden . . . . . . . . 338
7.3.3 Glycolipide und Lipopolysaccharidesind Bestandteile von Membranen . . . 340
7.4 Kohlenhydrate als informations-reiche Moleküle: der Zuckercode . . . 342
7.4.1 Lectine sind Proteine, die denZuckercode lesen und zahlreichebiologische Prozesse vermitteln . . . . . 343
Inhaltsverzeichnis xxvii
7.4.2 Wechselwirkungen zwischen Lectinenund Kohlenhydraten sind höchstspezifisch und oft multivalent . . . . . . 348
7.5 Arbeiten mit Kohlenhydraten . . . . . 350
8 Nucleotide und Nucleinsäuren . . 361
8.1 Einige Grundlagen . . . . . . . . . . . . . 361
8.1.1 Nucleotide und Nucleinsäurenenthalten charakteristische Basenund Pentosen . . . . . . . . . . . . . . . . 362
8.1.2 In Nucleinsäuren sind die aufeinanderfolgenden Nucleotide überPhosphodiesterbindungen verknüpft . 365
8.1.3 Die Eigenschaften der Nucleotidbasenbeeinflussen die dreidimensionaleStruktur von Nucleinsäuren . . . . . . . 366
8.2 Die Struktur der Nucleinsäuren . . . . 368
8.2.1 Die DNA ist eine Doppelhelix,in der die genetische Informationgespeichert wird . . . . . . . . . . . . . . 369
8.2.2 Die DNA kann unterschiedlichedreidimensionale Formen annehmen . 372
8.2.3 Bestimmte DNA-Sequenzen nehmenungewöhnliche Strukturen an . . . . . . 374
8.2.4 Messenger-RNAs codierenfür Polypeptidketten . . . . . . . . . . . 376
8.2.5 Viele RNAs haben komplizierteredreidimensionale Strukturen . . . . . . . 377
8.3 Die Chemie der Nucleinsäuren . . . . . 381
8.3.1 Doppelhelikale DNA und RNAkann denaturiert werden . . . . . . . . . 381
8.3.2 Nucleinsäuren aus verschiedenenSpezies können miteinanderhybridisieren . . . . . . . . . . . . . . . . 383
8.3.3 Nichtenzymatische Veränderungenvon Nucleotiden und Nucleinsäuren . . 384
8.3.4 Einige DNA-Basen sind methyliert . . . . 3878.3.5 Sequenzierung langer DNA-Stränge . . 3878.3.6 Die chemische DNA-Synthese
wurde automatisiert . . . . . . . . . . . . 391
8.4 Andere Funktionen der Nucleotide . 391
8.4.1 Nucleotide sind in Zellen die Trägerder chemischen Energie . . . . . . . . . 391
8.4.2 Viele Cofaktoren von Enzymenenthalten Adeninnucleotide . . . . . . . 392
8.4.3 Manche Nucleotide habenregulatorische Funktionen . . . . . . . . 393
9 DNA-Rekombinationstechnik . . . 401
9.1 DNA-Klonierung – die Grundlagen . . 402
9.1.1 Mit Restriktionsendonucleasenund DNA-Ligase kann manrekombinante DNA herstellen . . . . . . 403
9.1.2 Klonierungsvektoren erlaubendie Vermehrung eingefügterDNA-Abschnitte . . . . . . . . . . . . . . 406
9.1.3 Spezifische DNA-Sequenzenkönnen durch Hybridisierungnachgewiesen werden . . . . . . . . . . 411
9.1.4 Die Expression klonierter Geneliefert große Mengen an Protein . . . . 412
9.1.5 Veränderungen in klonierten Genenerzeugen modifizierte Proteine . . . . . 413
9.1.6 Terminale tags liefern Bindungsstellenfür die Affinitätsreinigung . . . . . . . . 415
9.2 Vom Gen zum Genom . . . . . . . . . . . 417
9.2.1 DNA-Bibliotheken liefern spezielleKataloge für genetische Informationen 418
9.2.2 Die Polymerasekettenreaktionvermehrt spezifische DNA-Sequenzen . 420
EXKURS 9-1 Eine mächtige Waffe inder Gerichtsmedizin . . . . . . . . . . . 422
9.2.3 Genomsequenzen liefern dieendgültigen genetischen Bibliotheken 426
9.3 Vom Genom zum Proteom . . . . . . . 429
9.3.1 Sequenz- oder Strukturverwandt-schaften liefern Informationenüber die Proteinfunktion . . . . . . . . . 430
9.3.2 Zelluläre Expressionsmuster könnendie zelluläre Funktioneines Gens aufdecken . . . . . . . . . . . 431
9.3.3 Die Ermittlung vonProtein-Protein-Wechselwirkungenunterstützt die Bestimmung derzellulären und molekularen Funktion . 434
9.4 Genomveränderungen und neuebiotechnologische Produkte . . . . . . 437
9.4.1 Ein parasitisch lebendes Bakteriumermöglicht die Klonierung in Pflanzen . 437
9.4.2 DieManipulation vonTierzellgenomenliefert Informationen überChromosomenstruktur undGenexpression . . . . . . . . . . . . . . . 441
EXKURS9-2Medizin Das GenomdesMenschen und die Gentherapie . . . 445
9.4.3 Neue Technologien beschleunigendie Entdeckung neuerpharmazeutischer Wirkstoffe . . . . . . 447
9.4.4 Die DNA-Rekombinationstechnikschafft neue Produkteund Herausforderungen . . . . . . . . . 448
10 Lipide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
10.1 Speicherlipide . . . . . . . . . . . . . . . . 457
xxviii Inhaltsverzeichnis
10.1.1 Fettsäuren sindKohlenwasserstoffderivate . . . . . . . . 458
10.1.2 Triacylglycerine sind Fettsäureesterdes Glycerins . . . . . . . . . . . . . . . . 461
10.1.3 Triacylglycerine speichern Energieund sorgen für eine Isolierung . . . . . . 461
10.1.4 Die Teilhydrierung von Speiseölenerzeugt trans-Fettsäuren . . . . . . . . . 462
EXKURS 10-1 Pottwale: mit Köpfenvoller Fett in die Tiefe . . . . . . . . . . 463
10.1.5 Wachse speichern Energieund sind wasserabweisend . . . . . . . . 464
10.2 Strukturlipide in Membranen . . . . . 465
10.2.1 Glycerophospholipide leiten sich vonPhosphatidsäure ab . . . . . . . . . . . . 466
10.2.2 Bei manchen Glycerophospholipidensind die Fettsäuren mitdem Molekül verethert . . . . . . . . . . 467
10.2.3 Chloroplasten enthalten Galactolipideund Sulfolipide . . . . . . . . . . . . . . . 468
10.2.4 Archaebakterien enthalteneinzigartige Membranlipide . . . . . . . 468
10.2.5 Sphingolipide stammenvom Sphingosin ab . . . . . . . . . . . . 470
10.2.6 Sphingolipide auf Zelloberflächen sindStellen für die biologische Erkennung . 472
10.2.7 Phospholipide und Sphingolipidewerden in Lysosomen abgebaut . . . . 472
10.2.8 Sterine besitzen4 fusionierte Kohlenstoffringe . . . . . . 473
EXKURS 10-2 Medizin AnormaleAnhäufungenvonMembranlipiden:Einige menschliche Erbkrankheiten . 474
10.3 Lipide als Signalmoleküle,Cofaktoren und Pigmente . . . . . . . . 475
10.3.1 Phosphatidylinositoleund Sphingosinderivatedienen als intrazelluläre Signale . . . . . 476
10.3.2 Eicosanoide übermitteln Signalean benachbarte Zellen . . . . . . . . . . 476
10.3.3 Steroidhormone übermitteln Signalezwischen den Geweben . . . . . . . . . . 477
10.3.4 Gefäßpflanzen erzeugen Tausendeflüchtiger Signale . . . . . . . . . . . . . 478
10.3.5 Die Vitamine A und Dsind Hormonvorstufen . . . . . . . . . . 479
10.3.6 Die Vitamine E und K sowiedie Lipidchinone sind Cofaktorenfür Redoxreaktionen . . . . . . . . . . . . 481
10.3.7 Dolichole aktivieren Zuckervorstufenfür die Biosynthese . . . . . . . . . . . . . 482
10.3.8 Viele natürliche Pigmentesind konjugierte Lipiddiene . . . . . . . 482
10.4 Isolierung und Untersuchungvon Lipiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483
10.4.1 Zur Lipidextraktion benötigt manorganische Lösungsmittel . . . . . . . . 484
10.4.2 Mithilfe derAdsorptionschromatographie trenntman unterschiedlich polare Lipide . . . 484
10.4.3 Mithilfe derGasflüssigkeitschromatographie trenntman Gemische flüchtiger Lipidderivate 485
10.4.4 Eine spezifische Hydrolyse istein erster Schritt bei der Bestimmungder Lipidstruktur . . . . . . . . . . . . . . 485
10.4.5 Mithilfe der Massenspektrometrielässt sich die gesamte Lipidstrukturentschlüsseln . . . . . . . . . . . . . . . . 486
10.4.6 Die Lipidomik strebt danach,alle Lipide und ihre Funktionenzu katalogisieren . . . . . . . . . . . . . . 486
11 BiologischeMembranenund Transport . . . . . . . . . . . . . . . 493
11.1 Zusammensetzung und Aufbauvon Membranen . . . . . . . . . . . . . . . 494
11.1.1 Jeder Membrantyp besitztcharakteristische Lipide und Proteine . 494
11.1.2 Alle biologischen Membranen habenwichtige gemeinsame Eigenschaften . 496
11.1.3 Eine Lipiddoppelschicht istdas grundlegende Strukturelementvon Membranen . . . . . . . . . . . . . . 497
11.1.4 Drei Typen von Membranproteinenunterscheiden sich hinsichtlichihrer Verknüpfung mit der Membran . . 498
11.1.5 VieleMembranproteine durchspannendie Lipiddoppelschicht . . . . . . . . . . 499
11.1.6 Integrale Proteine sind durchhydrophobe Wechselwirkungen mitLipiden in der Membran verankert . . . 500
11.1.7 Manchmal lässt sich die Topologieeines integralen Membranproteinsaufgrund seiner Sequenz vorhersagen . 500
11.1.8 Kovalent verknüpfte Lipide verankernmanche Membranproteine . . . . . . . . 503
11.2 Die Membrandynamik . . . . . . . . . . 505
11.2.1 Acylgruppen im Innerender Doppelschicht sind inunterschiedlichem Maß geordnet . . . . 505
11.2.2 Der Wechsel von Lipidenvon einer Schicht der Membranin die andere erfordert eine Katalyse . . 506
11.2.3 Lipide und Proteine diffundierenin der Doppelschicht seitwärts . . . . . 507
Inhaltsverzeichnis xxix
11.2.4 Sphingolipide und Cholesteringruppieren sich in „Membranflößen“ . . 508
EXKURS 11-1 Rasterkraft-mikroskopie zur Visualisierungder Membranproteine . . . . . . . . . . 510
11.2.5 Die Wölbung und Verschmelzungder Membran spielen bei vielenbiologischen Vorgängeneine zentrale Rolle . . . . . . . . . . . . . 511
11.2.6 Integrale Proteine der Plasmamembransind an der Oberflächenadhäsion, derSignalübertragung und an anderenzellulären Vorgängen beteiligt . . . . . 513
11.3 Transport gelöster StoffedurchMembranen . . . . . . . . . . . . . 514
11.3.1 Membranproteine erleichternden passiven Transport . . . . . . . . . . 514
11.3.2 Transporter lassen sich anhand ihrerStruktur in Superfamilien einteilen . . . 516
11.3.3 Der Glucosetransporter der Erythrocy-ten vermittelt einen passiven Transport 517
EXKURS 11-2 Medizin GestörterGlucose- und Wassertransportbei 2 Formen von Diabetes . . . . . . 520
11.3.4 Der Chlorid-Hydrogencarbonat-Austauscher katalysiert denelektroneutralen Cotransport vonAnionen durch die Plasmamembran . . 521
11.3.5 Durch aktiven Transport werdengelöste Stoffe gegen einenKonzentrations- oder elektro-chemischen Gradienten bewegt . . . . 521
11.3.6 ATPasen von P-Typ werdenwährend ihrer katalytischen Zyklenphosphoryliert . . . . . . . . . . . . . . . 523
11.3.7 ATPasen vom F-Typ sind reversible,durch ATP angetriebeneProtonenpumpen . . . . . . . . . . . . . 527
11.3.8 ABC-Transporter verwenden ATP, umden aktiven Transport eines breitenSpektrums an Substraten anzutreiben . 528
EXKURS 11-3 Medizin CystischeFibrose entsteht aufgrundeines defekten Ionenkanals . . . . . . 529
11.3.9 Ionengradienten liefern die Energiefür den sekundär aktiven Transport . . 530
11.3.10 Aquaporine bilden hydrophileKanäle für den Wasserdurchtrittdurch die Membran . . . . . . . . . . . . 534
11.3.11 Ionenselektive Kanäle erlaubenschnelle Ionenbewegungen durchdie Membran . . . . . . . . . . . . . . . . 537
11.3.12 Die Wirkungsweise der Ionenkanälelässt sich elektrisch messen . . . . . . . 538
11.3.13 Anhand der Struktureines K+-Kanals lässt sich erkennen,worauf seine Spezifität beruht . . . . . . 539
11.3.14 Gesteuerte Ionenkanälesind für die Nervenfunktionvon zentraler Bedeutung . . . . . . . . . 542
11.3.15 Defekte Ionenkanäle könnenerhebliche physiologischeAuswirkungen haben . . . . . . . . . . . 544
12 Biologische Signale . . . . . . . . . . . 553
12.1 Allgemeine Merkmaleder Signalübertragung . . . . . . . . . . 553
EXKURS12-1Die Scatchard-Analysemisst die Wechselwirkungenzwischen Ligand und Rezeptor . . . . 555
12.2 G-Protein-gekoppelte Rezeptorenund Second Messenger . . . . . . . . . . 559
12.2.1 Das β-adrenerge Rezeptorsystemwirktüber den Second Messenger cAMP . . . 559
EXKURS 12-2 Medizin G-Proteine:Binäre Schalter von Gesundheitund Krankheit . . . . . . . . . . . . . . . 561
12.2.2 Mehrere Mechanismen beendendie β-adrenerge Reaktion . . . . . . . . . 566
12.2.3 Der β-adrenerge Rezeptorwird durch Phosphorylierungund durch die Assoziationmit Arrestin desensibilisiert . . . . . . . 566
12.2.4 Zyklisches AMP dient einer Reihevon regulatorischen Molekülenals Second Messenger . . . . . . . . . . . 568
12.2.5 Diacylglycerin, Inositoltrisphosphatund Ca2+ haben als SecondMessenger ähnliche Aufgaben . . . . . 569
EXKURS 12-3 FRET:Biochemie, in lebenden Zellensichtbar gemacht . . . . . . . . . . . . . 570
12.2.6 Calcium ist ein Second Messenger,der sich räumlich und zeitlichlokalisieren lässt . . . . . . . . . . . . . . 574
12.3 Rezeptor-Tyrosin-Kinasen . . . . . . . . 577
12.3.1 Die Stimulation des Insulinrezeptorssetzt eine Kaskade von Protein-phosphorylierungsreaktionen in Gang . 577
12.3.2 Das Membranphospholipid PIP3 wirktauf einen Zweig im Insulinsignalweg . . 580
12.3.3 Das JAK-STAT-Signalsystem umfasstauch die Aktivität einer Tyrosin-Kinase . 583
xxx Inhaltsverzeichnis
12.3.4 Zwischen Signalsystemen istein Austausch üblich und komplex . . . 584
12.4 Rezeptor-Guanylat-Cyclase, cGMPund Proteinkinase G . . . . . . . . . . . . 585
12.5 Multivalente Adaptorproteineund Membranflöße . . . . . . . . . . . . 588
12.5.1 Proteinmodule bindenphosphorylierte Tyr-, Ser-oder Thr-Reste in Partnerproteinen . . . 588
12.5.2 Membranflöße und Caveolentrennen Signalproteine ab . . . . . . . . 591
12.6 Gesteuerte Ionenkanäle . . . . . . . . . 592
12.6.1 Erregbare Zellen nutzen Ionenkanälefür die Übertragung elektrischerSignale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592
12.6.2 Spannungsgesteuerte Ionenkanäleerzeugen neuronale Aktionspotenziale 594
12.6.3 Der Acetylcholinrezeptor istein ligandengesteuerter Ionenkanal . . 597
12.6.4 Neuronen besitzen Rezeptorkanäle,die auf unterschiedlicheNeurotransmitter reagieren . . . . . . . 599
12.6.5 Toxine haben Ionenkanäle zum Ziel . . 599
12.7 Integrine: BidirektionaleZelladhäsionsrezeptoren . . . . . . . . 600
12.8 Regulation der Transkriptiondurch Steroidhormone . . . . . . . . . . 602
12.9 Signalübertragung beiMikroorganismen und Pflanzen . . . . 604
12.9.1 Die Signalübertragung bei Bakterienumfasst die Phosphorylierungeines Zwei-Komponenten-Systems . . . 604
12.9.2 Pflanzliche Signalsysteme besitzeneinige der Komponenten,die auch in Mikroorganismenund Säugetieren vorkommen . . . . . . 605
12.9.3 Pflanzen erkennen Ethylen über einZwei-Komponenten-Systemund eine MAPK-Kaskade . . . . . . . . . 607
12.9.4 Rezeptorähnliche Proteinkinasenübermitteln Signale von Peptidenund Brassinosteroiden . . . . . . . . . . 607
12.10 Übertragung sensorischer Reize beimSehen, Riechen und Schmecken . . . . 609
12.10.1 Das Sehsystem verwendet denklassischen GPCR-Mechanismus . . . . . 609
12.10.2 Angeregtes Rhodopsin senkt mithilfedes G-Proteins Transducindie cGMP-Konzentration . . . . . . . . . 611
12.10.3 Das visuelle Signalwird rasch abgeschaltet . . . . . . . . . . 612
12.10.4 Zapfenzellen sind aufdas Farbensehen spezialisiert . . . . . . 613
EXKURS12-4Medizin Farbblindheit:Wie ein Experiment vonJohn Dalton nach seinem Toderfolgreich abgeschlossen wurde . . 614
12.10.5 Beim Riechen und Schmecken nutzenWirbeltiere ähnliche Mechanismenwie beim Sehen . . . . . . . . . . . . . . 614
12.10.6 GPCRs der sensorischenund der hormonellen Signalsystemehaben einige gemeinsame Merkmale . 616
12.11 Regulation des Zellzyklusdurch Proteinkinasen . . . . . . . . . . . 618
12.11.1 Der Zellzyklus besteht aus 4 Phasen . . 61812.11.2 Die Konzentration der cyclin-
abhängigen Proteinkinasen oszilliert . . 61912.11.3 CDKs regulieren die Zellteilung
durch Phosphorylierungentscheidender Proteine . . . . . . . . . 622
12.12 Onkogene, Tumorsuppressorgeneund der programmierte Zelltod . . . . 624
12.12.1 Onkogene sind mutierte Formenvon Genen für Proteine,die den Zellzyklus regulieren . . . . . . 624
12.12.2 Fehler in bestimmten Genenheben die normale Beschränkungder Zellteilung auf . . . . . . . . . . . . . 625
EXKURS 12-5 Medizin Entwicklungvon Proteinkinaseinhibitorenzur Krebsbehandlung . . . . . . . . . . 626
12.12.3 Apoptose ist programmierter Zelltod . . 629
Teil IIBioenergetik undStoffwechsel
13 Bioenergetik undchemische Reaktionstypen . . . . . 645
13.1 Bioenergetik und Thermodynamik . 646
13.1.1 Biologische Energieumwandlungengehorchen den Gesetzender Thermodynamik . . . . . . . . . . . . 646
13.1.2 Zellen benötigen Quellenvon Freier Enthalpie . . . . . . . . . . . . 648
13.1.3 Die Änderung der Freien Standard-enthalpie steht in direkter Beziehungzur Gleichgewichtskonstante . . . . . . 648
13.1.4 Die tatsächliche Änderungder Freien Enthalpie hängt vonden Konzentrationen der Reaktandenund Produkte ab . . . . . . . . . . . . . . 650
13.1.5 Änderungen der FreienStandardenthalpie sind additiv . . . . . 653
Inhaltsverzeichnis xxxi
13.2 Die Logik der Chemie und allge-meine biochemische Reaktionen . . . 655
13.2.1 Biochemische und chemischeReaktionen sind nicht identisch . . . . . 661
13.3 Phosphorylgruppenübertragungenund ATP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662
13.3.1 Die Änderung der Freien Enthalpiebei der Hydrolyse von ATP ist großund negativ . . . . . . . . . . . . . . . . . 662
13.3.2 Die Freie Enthalpie der Hydrolysevon anderen phosphoryliertenVerbindungen und Thioesternist ebenfalls groß . . . . . . . . . . . . . . 665
13.3.3 ATP liefert Energie durchGruppenübertragungen, nicht durcheinfache Hydrolyse . . . . . . . . . . . . . 667
13.3.4 ATP ist ein Donator von Phosphoryl-,Pyrophosphoryl- und Adenylatgruppen 669
EXKURS13-1 Leuchtkäferlicht machtATP sichtbar . . . . . . . . . . . . . . . . 671
13.3.5 Der Aufbau von informationsreichenMakromolekülen erfordert Energie . . . 672
13.3.6 ATP liefert die Energie für den aktivenTransport und die Muskelkontraktion . 672
13.3.7 Phosphorylgruppenübertragungenzwischen Nucleotiden kommenin allen Zelltypen vor . . . . . . . . . . . 673
13.3.8 Anorganisches Polyphosphatist ein potenziellerPhosphorylgruppendonator . . . . . . . 674
13.4 Biologische Redoxreaktionen . . . . . 676
13.4.1 Der Elektronenfluss kannbiologische Arbeit verrichten . . . . . . 676
13.4.2 Redoxreaktionen können alsHalbreaktionen formuliert werden . . . 677
13.4.3 Bei biologischen Oxidationenkommt es häufig zu Dehydrierung . . . 678
13.4.4 Reduktionspotenziale sind ein Maßfür die Elektronenaffinität . . . . . . . . 680
13.4.5 Standardreduktionspotenziale lassensich für die Berechnung der Änderungder Freien Enthalpie nutzen . . . . . . . 682
13.4.6 Für die zelluläre Oxidation vonGlucose zu Kohlendioxid sindspezialisierte Elektronencarrier nötig . . 683
13.4.7 Einige Arten von Coenzymenund Proteinen sinduniverselle Elektronencarrier . . . . . . . 684
13.4.8 NADH und NADPH wirken zusammenmit Dehydrogenasen alslösliche Elektronencarrier . . . . . . . . . 685
13.4.9 Mangel an Niacin, der Vitaminformvon NAD und NADP, in der Nahrungverursacht Pellagra . . . . . . . . . . . . 687
13.4.10 Flavinnucleotide sind festan Flavoproteine gebunden . . . . . . . 688
14 Glycolyse, Gluconeogeneseund der Pentosephosphatweg . . 697
14.1 Glycolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 698
14.1.1 Ein Überblick:Die Glycolyse verläuft in 2 Phasen . . . 699
14.1.2 Die Vorbereitungsphase der Glycolyseerfordert ATP . . . . . . . . . . . . . . . . 703
14.1.3 In der zweiten Phase der Glycolyse –der Ertragsphase – werden ATPund NADH gebildet . . . . . . . . . . . . 708
14.1.4 Die Gesamtbilanz weist einenNettogewinn an ATP auf . . . . . . . . . 713
14.1.5 Die Glycolyse ist streng reguliert . . . . 71414.1.6 Bei Diabetes mellitus Typ 1
ist die Glucoseaufnahme defekt . . . . . 715
EXKURS 14-1 Medizin Die hoheGeschwindigkeit der Glycolyse inTumoren bietet Angriffspunkte fürdie Chemotherapie und erleichtertdie Diagnose . . . . . . . . . . . . . . . . 716
14.2 Stoffwechselwege, diedie Glycolyse mitZwischenprodukten speisen . . . . . . 719
14.2.1 Poly- und Disaccacharide aus derNahrung werden hydrolytischzu Monosaccachariden abgebaut . . . . 719
14.2.2 Endogenes Glycogen und Stärkewerden durch Phosphorolyse abgebaut 719
14.2.3 Andere Monosaccharide tretenan verschiedenen Stellen indie Glycolyse ein . . . . . . . . . . . . . . 722
14.3 Gärung: die Wege des Pyruvatsunter anaeroben Bedingungen . . . . 724
14.3.1 Pyruvat ist der terminale Elektronen-akzeptor bei der Milchsäuregärung . . . 724
14.3.2 Ethanol ist das reduzierte Produktder alkoholischen Gärung . . . . . . . . 725
EXKURS 14-2 Glycolyse beibegrenzter Sauerstoffzufuhr:Athleten, Alligatorenund Quastenflosser . . . . . . . . . . . 726
14.3.3 Thiaminpyrophosphat trägt„aktivierte Acetaldehydgruppen“ . . . . 727
EXKURS 14-3 Ethanolische Gärung:Bierbrauerei und die Herstellungvon biologischen Brennstoffen . . . . 728
14.3.4 Mikrobielle Gärungen liefern einigealltägliche Nahrungsmittelund Industriechemikalien . . . . . . . . 730
xxxii Inhaltsverzeichnis
14.4 Gluconeogenese . . . . . . . . . . . . . . 731
14.4.1 Für die Umsetzung von Pyruvat inPhosphoenolpyruvat sind 2 exergoneReaktionen erforderlich . . . . . . . . . . 734
14.4.2 Die Umsetzung von Fructose-1,6-bisphosphat zu Fructose-6-phosphatist die zweite Umgehungsreaktion . . . 737
14.4.3 Die Umsetzung von Glucose-6-phosphat zu Glucose istdie dritte Umgehungsreaktion . . . . . 738
14.4.4 Die Gluconeogenese erfordertviel Energie, ist jedoch essenziell . . . . 738
14.4.5 Die Zwischenprodukte des Citratzyklusund viele Aminosäuren sind glucogen . 739
14.4.6 Säugetiere können Fettsäurennicht zu Glucose umsetzen . . . . . . . . 740
14.4.7 Glycolyse und Gluconeogenesewerden reziprok reguliert . . . . . . . . . 740
14.5 Der Pentosephosphatwegzur Oxidation von Glucose . . . . . . . 741
14.5.1 Die oxidative Phase liefertPentosephosphate und NADPH . . . . . 742
14.5.2 Die nichtoxidative Phase verwandeltPentosephosphate wieder zurückin Glucose-6-phosphat . . . . . . . . . . 742
EXKURS 14-4 Medizin WarumPythagoras keinen Falafel essenwollte: Mangel anGlucose-6-phosphat-Dehydrogenase 743
14.5.3 Das Wernicke-Korsakoff-Syndromwird durch einen Defekt in derTransketolase verschlimmert . . . . . . 746
14.5.4 Glucose-6-phosphat wird zwischenGlycolyse und Pentosephosphatwegaufgeteilt . . . . . . . . . . . . . . . . . . 746
15 Grundlagen derStoffwechselregulation . . . . . . . . 755
15.1 Regulation von Stoffwechselwegen . 757
15.1.1 Zellen und Organismen haltenein dynamisches Fließgleichgewichtaufrecht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 757
15.1.2 Sowohl die Menge als auchdie katalytische Aktivität einen Enzymskann reguliert werden . . . . . . . . . . . 758
15.1.3 Reaktionen, die in einer Zelleweit vomGleichgewicht entfernt ablaufen, sindallgemeine Stellen für die Regulation . 762
15.1.4 Adeninnucleotide spielen einewichtige Rolle bei der Regulationdes Stoffwechsels . . . . . . . . . . . . . 764
15.2 Metabolische Kontrollanalyse . . . . . 766
15.2.1 Der Beitrag jedes Enzyms zum Flussdurch einen Stoffwechselwegist experimentell messbar . . . . . . . . 767
EXKURS15-1Metabolische Kontroll-analyse: Quantitative Aspekte . . . . 768
15.2.2 Der Kontrollkoeffizient quantifiziertdie Auswirkung einer Veränderungder Enzymaktivität auf denmetabolischen Fluss durcheinen Stoffwechselweg . . . . . . . . . . 770
15.2.3 Der Elastizitätskoeffizient hängt mitder Empfindlichkeit eines Enzymsfür Veränderungen derMetabolit- oderRegulatorkonzentration zusammen . . 770
15.2.4 Der Reaktionskoeffizient ist ein Maßfür den Einfluss eines äußerenKontrollfaktors auf den Fluss durcheinen Stoffwechselweg . . . . . . . . . . 770
15.2.5 Die metabolische Kontrollanalysewurde auf den Kohlenhydratstoffwech-sel angewendet –mit überraschendenErgebnissen . . . . . . . . . . . . . . . . . 771
15.2.6 Die metabolische Kontrollanalyse istein allgemeines Verfahren, umden Fluss durch einen Weg zu erhöhen 772
15.3 Koordinierte Regulation vonGlycolyse und Gluconeogenese . . . . 773
15.3.1 Isoenzyme der Hexokinase in Muskelund Leber werden von ihrem SubstratGlucose-6-phosphat unterschiedlichbeeinflusst . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775
EXKURS 15-2 Isoenzyme:Verschiedene Proteine katalysierendie gleiche Reaktion . . . . . . . . . . . 776
15.3.2 Hexokinase IV (Glucokinase) undGlucose-6-phosphatase werden aufder Ebene der Transkription reguliert . 777
15.3.3 Phosphofructokinase-1 und Fructose-1,6-bisphosphatase werdenreziprok reguliert . . . . . . . . . . . . . . 777
15.3.4 Fructose-2,6-bisphosphat istein leistungsfähiger allosterischerRegulator von PFK-1 und FBPase-1 . . . 779
15.3.5 Xylulose-5-phosphat ist ein wichtigerRegulator des Kohlenhydrat-und Fettstoffwechsels . . . . . . . . . . . 781
15.3.6 Das glycolytische EnzymPyruvat-Kinasewird allosterisch durch ATP inhibiert . . 782
15.3.7 Die Umwandlung von Pyruvatzu Phosphoenolpyruvat in derGluconeogenese wird aufverschiedene Arten reguliert . . . . . . . 783
Inhaltsverzeichnis xxxiii
15.3.8 Die Regulation von Glycolyse undGluconeogenese auf transkriptionellerEbene verändert die Anzahleiner Reihe von Enzymmolekülen . . . . 783
EXKURS 15-3 Medizin GenetischeMutationen, die zu seltenenDiabetes-Erkrankungen führen . . . . 787
15.4 Glycogenstoffwechsel bei Tieren . . . 788
15.4.1 Der Abbau von Glycogen wird durchGlycogen-Phosphorylase katalysiert . . 789
15.4.2 Glucose-1-phosphat kann in dieGlycolyse eintreten oder, in der Leber,die Blutglucose wieder auffüllen . . . . 791
EXKURS 15-4 Carl und Gerty Cori:Pioniere bei der Erforschung desGlycogenmetabolismus undder Störungen dieses Stoffwechsels . 792
15.4.3 Das Zuckernucleotid UDP-Glucose lie-fert Glucose für die Glycogensynthese . 793
15.4.4 Glycogenin dient als Primer fürden Aufbau neuer Glycogenketten . . . 797
15.5 Koordinierte Regulation vonGlycogensynthese und -abbau . . . . 798
15.5.1 Glycogen-Phosphorylase wird alloste-risch und durch Hormone reguliert . . . 799
15.5.2 Glycogen-Synthase wird ebenfallsdurch Phosphorylierung undDephosphorylierung reguliert . . . . . . 801
15.5.3 Glycogen-Synthase-Kinase 3 vermittelteinige der Wirkungen von Insulin . . . . 802
15.5.4 Phosphoprotein-Phosphatase 1ist für den Glycogenstoffwechselvon zentraler Bedeutung . . . . . . . . . 803
15.5.5 Allosterische und hormonelle Signalekoordinieren den gesamtenKohlenhydratstoffwechsel . . . . . . . . 804
15.5.6 Kohlenhydrat- und Fettstoffwechselwerden durch hormonelle undallosterische Mechanismen integriert . 806
16 Der Citratzyklus . . . . . . . . . . . . . 813
16.1 Bildung von Acetyl-CoA(aktiviertem Acetat) . . . . . . . . . . . . 814
16.1.1 Pyruvat wird zu Acetyl-CoAund CO2 oxidiert . . . . . . . . . . . . . . 814
16.1.2 Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplexbenötigt 5 Coenzyme . . . . . . . . . . . 815
16.1.3 Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplexbesteht aus 3 unterschiedlichenEnzymen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 816
16.1.4 Bei der Substratkanalisierungbleiben Zwischenprodukte andie Enzymoberfläche gebunden . . . . 817
16.2 Reaktionen des Citratzyklus . . . . . . 819
16.2.1 Der Citratzyklus umfasst 8 Schritte . . . 821
EXKURS 16-1 Enzyme mit„Nebenjob“: Proteine mit mehrals einer Funktion . . . . . . . . . . . . 824
EXKURS 16-2 Zur verwirrendenNomenklatur von Synthasenund Synthetasen; Ligasen undLyasen; Kinasen, Phosphatasenund Phosphorylasen . . . . . . . . . . . 827
EXKURS 16-3 Citrat:Ein symmetrisches Molekül,das asymmetrisch reagiert . . . . . . . 831
16.2.2 Die Energie aus den Oxidationenim Zyklus wird effizient konserviert . . . 832
16.2.3 Warum ist die Oxidation von Acetatso kompliziert? . . . . . . . . . . . . . . . 833
16.2.4 Die Komponenten des Citratzyklussind wichtige Zwischenprodukteder Biosynthese . . . . . . . . . . . . . . 834
EXKURS 16-4 Citrat-Synthase,Limonaden und die Ernährungder Weltbevölkerung . . . . . . . . . . 835
16.2.5 Anaplerotische Reaktionenfüllen die Zwischenproduktedes Citratzyklus wieder auf . . . . . . . . 835
16.2.6 Biotin in Pyruvat-Carboxylaseist ein CO2-Carrier . . . . . . . . . . . . . 836
16.3 Regulation des Citratzyklus . . . . . . . 839
16.3.1 Die Produktion von Acetyl-CoA durchden Pyruvat-Dehydrogenase-Komplexwird durch allosterische undkovalente Mechanismen reguliert . . . 839
16.3.2 Der Citratzyklus wird auf Ebene seiner3 exergonen Schritte reguliert . . . . . . 840
16.3.3 Substratkanalisierungdurch Multienzymkomplexekann im Citratzyklus vorkommen . . . . 841
16.3.4 Einige Mutationen in Enzymendes Citratzyklus führen zu Krebs . . . . 842
16.4 Der Glyoxylatzyklus . . . . . . . . . . . . 842
16.4.1 Der Glyoxylatzyklus erzeugtaus Acetat C4-Verbindungen . . . . . . . 843
16.4.2 Der Citrat- und der Glyoxylatzykluswerden gemeinsam reguliert . . . . . . 844
17 Abbau von Fettsäuren . . . . . . . . . 855
17.1 Verdauung, Mobilisierungund Transport von Fetten . . . . . . . . 856
17.1.1 Nahrungsfette werdenim Dünndarm absorbiert . . . . . . . . . 857
xxxiv Inhaltsverzeichnis
17.1.2 Hormone lösen die Mobilisierunggespeicherter Triacylglycerine aus . . . 859
17.1.3 Fettsäuren werden aktiviert undin die Mitochondrien transportiert . . . 860
17.2 Oxidation von Fettsäuren . . . . . . . . 863
17.2.1 Die β-Oxidation von gesättigtenFettsäuren verläuft in 4 Schritten . . . . 864
17.2.2 Zur Bildung von Acetyl-CoA und ATPwerden die 4 Schritte der β-Oxidationwiederholt . . . . . . . . . . . . . . . . . . 866
17.2.3 Acetyl-CoA kann im Citratzyklusweiter oxidiert werden . . . . . . . . . . 866
EXKURS 17-1 β-Oxidation bei Bärenim Winterschlaf . . . . . . . . . . . . . . 867
17.2.4 Die Oxidation ungesättigterFettsäuren erfordert 2 zusätzlicheReaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . 868
17.2.5 Die vollständige Oxidation von Fett-säuren mit ungerader Kohlenstoffzahlerfordert 3 zusätzliche Reaktionen . . . 870
17.2.6 Die Fettsäureoxidationist streng reguliert . . . . . . . . . . . . . 871
EXKURS 17-2 Coenzym B12:eine radikale Lösung fürein kompliziertes Problem . . . . . . . 872
17.2.7 Transkriptionsfaktoren aktivierendie Synthese von Proteinendes Lipidkatabolismus . . . . . . . . . . . 874
17.2.8 Genetische Defekte inFettsäureacyl-CoA-Dehydrogenasenverursachen schwere Erkrankungen . . 875
17.2.9 Peroxisomen führen ebenfallsβ-Oxidation durch . . . . . . . . . . . . . 876
17.2.10 Peroxisomen und Glyoxysomenin Pflanzen verwenden Acetyl-CoAaus der β-Oxidationals Biosynthesevorstufe . . . . . . . . . . 878
17.2.11 Die Enzyme für die β-Oxidationin unterschiedlichen Organellenhaben sich im Lauf der Evolutionauseinander entwickelt . . . . . . . . . . 878
17.2.12 Die ω-Oxidation läuftim endoplasmatischen Reticulum ab . . 879
17.2.13 Phytansäure durchläufteine α-Oxidation in den Peroxisomen . 881
17.3 Ketonkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . 881
17.3.1 In der Leber gebildete Ketonkörperwerden als Brennstoff in andereOrgane exportiert . . . . . . . . . . . . . 882
17.3.2 Überproduktion von Ketonkörpernbei Diabetes und längerem Fasten . . . 883
18 Aminosäureoxidation unddie Produktion von Harnstoff . . . 891
18.1 Stoffwechselwegevon Aminogruppen . . . . . . . . . . . . 892
18.1.1 Nahrungsproteine werden enzymatischzu Aminosäuren abgebaut . . . . . . . . 894
18.1.2 Pyridoxalphosphat wirkt bei derÜbertragung von α-Aminogruppenauf α-Ketoglutarat mit . . . . . . . . . . 896
EXKURS 18-1 Medizin Untersuchun-gen auf Gewebeschäden . . . . . . . . 899
18.1.3 Glutamat setzt seine Aminogruppein der Leber als Ammoniak frei . . . . . 899
18.1.4 Glutamin transportiert Ammoniakim Blutkreislauf . . . . . . . . . . . . . . . 900
18.1.5 Alanin transportiert Ammoniakvon den Skelettmuskeln zur Leber . . . 901
18.1.6 Ammoniak ist für Tiere toxisch . . . . . . 902
18.2 Stickstoffausscheidungund der Harnstoffzyklus . . . . . . . . . 903
18.2.1 Harnstoff entsteht in 5 enzymatischenSchritten aus Ammoniak . . . . . . . . . 903
18.2.2 Citrat- und Harnstoffzyklussind miteinander verbunden . . . . . . . 906
18.2.3 Die Aktivität des Harnstoffzykluswird auf 2 Ebenen reguliert . . . . . . . 907
18.2.4 Verknüpfungen von Reaktionswegenreduzieren den Energieaufwandfür die Harnstoffsynthese . . . . . . . . . 908
18.2.5 Genetische Defekte imHarnstoffzyklus
können lebensbedrohlich sein . . . . . 908
18.3 Wege des Aminosäureabbaus . . . . . 910
18.3.1 Einige Aminosäuren werdenzu Glucose, andere zu Ketonkörpernumgesetzt . . . . . . . . . . . . . . . . . . 911
18.3.2 Beim Aminosäurekatabolismus sindmehrere Enzymcofaktoren wichtig . . . 912
18.3.3 Sechs Aminosäuren werdenzu Pyruvat abgebaut . . . . . . . . . . . 916
18.3.4 Sieben Aminosäuren werdenzu Acetyl-CoA abgebaut . . . . . . . . . 919
18.3.5 Bei manchen Menschen weistder Phenylalaninkatabolismusgenetische Defekte auf . . . . . . . . . . 920
18.3.6 Fünf Aminosäuren werdenzu α-Ketoglutarat umgesetzt . . . . . . 924
18.3.7 Vier Aminosäuren werdenzu Succinyl-CoA umgesetzt . . . . . . . 925
18.3.8 Verzweigte Aminosäuren werdennicht in der Leber abgebaut . . . . . . . 925
EXKURS18-2MedizinWissenschaft-liche Detektive klären einenrätselhaften Mordfall . . . . . . . . . . 927
Inhaltsverzeichnis xxxv
18.3.9 Asparagin und Aspartat werdenzu Oxalacetat abgebaut . . . . . . . . . . 928
19 Oxidative Phosphorylierungund Photophosphorylierung . . . . 935
OXIDATIVE PHOSPHORYLIERUNG . . . . . . . 936
19.1 Elektronenübertragungenin Mitochondrien . . . . . . . . . . . . . . 936
19.1.1 Elektronen werden zu universellenElektronenakzeptoren gelenkt . . . . . . 937
19.1.2 Elektronen passieren eine Reihevon membrangebundenen Carriern . . 938
19.1.3 Elektronencarrier wirkenin Multienzymkomplexen . . . . . . . . 941
19.1.4 Mitochondriale Komplexe können sichzu Respirasomen zusammenlagern . . . 949
19.1.5 Die Energie der Elektronenübertragungwird in einem Protonengradienteneffizient gespeichert . . . . . . . . . . . . 949
19.1.6 Während der oxidativenPhosphorylierung entstehenreaktive Sauerstoffspezies . . . . . . . . 951
19.1.7 Bei pflanzlichen Mitochondrienfolgt die Oxidation von NADHanderen Mechanismen . . . . . . . . . . 952
EXKURS 19-1 Heiße, stinkendePflanzen und alternative Wegeder Atmungskette . . . . . . . . . . . . 953
19.2 ATP-Synthese . . . . . . . . . . . . . . . . 954
19.2.1 Die ATP-Synthase hat2 funktionelle Bereiche: Fo und F1 . . . . 957
19.2.2 ATP wird gegenüber ADPan der Oberfläche von F1 stabilisiert . . 958
19.2.3 Der Protonengradient treibtdie Freisetzung von ATPvon der Enzymoberfläche an . . . . . . . 959
19.2.4 Jede β-Untereinheit der ATP-Synthasekann 3 verschiedene Konformationenannehmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 959
19.2.5 Die Rotationskatalyse ist für den Me-chanismus des Bindungswechselsbei der ATP-Synthese entscheidend . . 962
19.2.6 Die chemiosmotische Kopplung erlaubtnichtganzzahlige Stöchiometrien desO2-Verbrauchs und der ATP-Synthese . 964
19.2.7 Die protonenmotorische Kraft liefertEnergie für den aktiven Transport . . . . 965
19.2.8 Shuttle-Systeme befördern indirektcytosolisches NADH zur Oxidationin die Mitochondrien . . . . . . . . . . . 966
19.3 Regulation der oxidativenPhosphorylierung . . . . . . . . . . . . . 968
19.3.1 Die oxidative Phosphorylierungwird durch den Energiebedarfder Zelle reguliert . . . . . . . . . . . . . 969
19.3.2 Ein Inhibitorprotein verhindertdie ATP-Hydrolyse bei Hypoxie . . . . . 969
19.3.3 Sauerstoffmangel führt zur Bildung vonROS und einigen adaptiven Reaktionen 970
19.3.4 ATP-erzeugende Reaktionswegewerden koordiniert reguliert . . . . . . . 971
19.4 Mitochondrien beiWärmeerzeugung,Steroidsynthese und Apoptose . . . . 972
19.4.1 Entkoppelte Mitochondrien inbraunem Fettgewebe erzeugen Wärme 972
19.4.2 P450-Oxygenasen der Mitochondrienkatalysieren Hydroxylierungenvon Steroiden . . . . . . . . . . . . . . . . 973
19.4.3 Mitochondrien sind für die Auslösungdes programmierten Zelltodsentscheidend . . . . . . . . . . . . . . . . 975
19.5 Mitochondriale Gene: ihr Ursprungund die Auswirkungenvon Mutationen . . . . . . . . . . . . . . . 975
19.5.1 Mitochondrien entwickelten sichaus endosymbiotischen Bakterien . . . 977
19.5.2 Mutationen in derMitochondrien-DNAhäufen sich im Laufe des Lebens einesOrganismus an . . . . . . . . . . . . . . . 977
19.5.3 Einige Mutationen im mitochondria-len Genom verursachen Krankheiten . . 979
19.5.4 Diabetes kann auf Mitochondrien-schäden in β-Zellender Bauchspeicheldrüse beruhen . . . . 980
PHOTOSYNTHESE: EINFANGENVON LICHTENERGIE . . . . . . . . . . . . . . . . . 981
19.6 Allgemeine Merkmaleder Photophosphorylierung . . . . . . 982
19.6.1 Die Photosynthese der Pflanzenerfolgt in Chloroplasten . . . . . . . . . . 982
19.6.2 Licht treibt den Elektronenflussin Chloroplasten an . . . . . . . . . . . . 983
19.7 Lichtabsorption . . . . . . . . . . . . . . . 984
19.7.1 Chlorophylle absorbieren Lichtenergiefür die Photosynthese . . . . . . . . . . . 985
19.7.2 Akzessorische Pigmente erweitern denSpektralbereich der Lichtabsorption . . 987
19.7.3 Chlorophyll leitet die absorbierteEnergie durch Excitonentransferzum Reaktionszentrum . . . . . . . . . . 990
19.8 Das zentrale photochemischeEreignis: der lichtgetriebeneElektronenfluss . . . . . . . . . . . . . . . 991
xxxvi Inhaltsverzeichnis
19.8.1 Bakterien besitzen einen von 2 Typeneinzelner photochemischerReaktionszentren . . . . . . . . . . . . . . 991
19.8.2 Kinetische und thermodynamischeFaktoren verhindern einen Energie-verlust durch innere Konversion . . . . 994
19.8.3 In Pflanzen wirken 2 Reaktionszentrenhintereinander . . . . . . . . . . . . . . . 995
19.8.4 Antennenchlorophylle sind engmit Elek-tronencarriern verbunden . . . . . . . . 998
19.8.5 Der Cytochrom-b6 f -Komplex verknüpftdie Photosysteme I und II miteinander . 998
19.8.6 Der zyklische Elektronentransport zwi-schen PSI und dem Cytochrom-b6 f -Komplex erhöht die ATP-Bildung imVerhältnis zu NADPH . . . . . . . . . . . 1000
19.8.7 Zustandsübergänge verändern die Ver-teilung des LHCII zwischen den bei-den Photosystemen . . . . . . . . . . . . 1001
19.8.8 Wasser wird durch den sauerstoffbil-denden Komplex gespalten . . . . . . . 1003
19.9 ATP-Synthese durchPhotophospho-rylierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1005
19.9.1 Ein Protonengradient verknüpft denElektronenfluss und die Phosphorylie-rung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1005
19.9.2 Die ungefähre Stöchiometrie der Pho-tophosphorylierung wurde ermittelt . . 1006
19.9.3 Die ATP-Synthese in Chloroplasten äh-nelt der in den Mitochondrien . . . . . . 1007
19.10 Die Evolution der oxygenen Photo-synthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1008
19.10.1 Chloroplasten entwickelten sich ausehemaligen photosynthetisierenden Bak-terien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1009
19.10.2 In Halobacterium nimmt ein einzelnesProtein Licht auf und pumpt Proto-nen, um die ATP-Synthese anzutreiben 1010
20 BiosynthesevonKohlenhydratenin Pflanzen und Bakterien . . . . . . 1023
20.1 Synthese von Kohlenhydratenbei der Photosynthese . . . . . . . . . . 1024
20.1.1 Plastiden sind Organellen, einzigartigin pflanzlichen Zellen und Algen . . . . 1025
20.1.2 Die CO2-Fixierung läuft in 3 Phasen ab .102620.1.3 Pro Molekül Triosephosphat, das aus
CO2 synthetisiert wird, sind 6 NADPH-und 9 ATP-Moleküle erforderlich . . . . 1034
20.1.4 Ein Transportsystem schleust Triose-phosphate aus dem Chloroplastenheraus und Phosphat hinein . . . . . . . 1036
20.1.5 Vier Enzyme des Calvin-Zyklus werdenindirekt durch Licht aktiviert . . . . . . . 1037
20.2 Photorespiration, der C4-und der CAM-Stoffwechselweg . . . . 1039
20.2.1 Photorespiration resultiert ausder Oxygenaseaktivität von Rubisco . . 1039
20.2.2 Die Rückgewinnung desPhosphoglycolats ist kostspielig . . . . 1040
20.2.3 Bei C4-Pflanzen sind CO2-Fixierungund Aktivität der Rubisco räumlichvoneinander getrennt . . . . . . . . . . . 1043
20.2.4 Bei CAM-Pflanzen sind CO2-Aufnahmeund Aktivität der Rubisco zeitlichvoneinander getrennt . . . . . . . . . . . 1045
20.3 Biosynthese von Stärkeund Saccharose . . . . . . . . . . . . . . . 1045
20.3.1 ADP-Glucose ist das Substrat für dieStärkesynthese in pflanzlichenPlastiden und für dieGlycogensynthese bei Bakterien . . . . 1046
20.3.2 UDP-Glucose ist das Substrat für dieSynthese von Saccharose im Cytosolvon Blattzellen . . . . . . . . . . . . . . . 1047
20.3.3 Die Umsetzung von Triosephosphatenzu Saccharose und Stärke wirdfein reguliert . . . . . . . . . . . . . . . . 1048
20.4 Synthese von Zellwandpoly-sacchariden: Celluloseund Peptidoglycan . . . . . . . . . . . . . 1050
20.4.1 Cellulose wird von supramolekularenStrukturen in der Plasmamembrangebildet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1051
20.4.2 Lipidgebundene Oligosaccharidesind Vorstufen beim Aufbauder Bakterienzellwand . . . . . . . . . . 1053
20.5 Integration des Kohlenhydratstoff-wechsels in der Pflanzenzelle . . . . . 1055
20.5.1 Die Gluconeogenese setzt Fetteund Proteine in keimenden Samenzu Glucose um . . . . . . . . . . . . . . . 1055
20.5.2 Pools von zentralen Zwischenproduk-ten verbinden die Reaktionswegein verschiedenen Organellen . . . . . . 1058
21 Biosynthese von Lipiden . . . . . . . 1065
21.1 Biosynthese von Fettsäurenund Eicosanoiden . . . . . . . . . . . . . . 1065
21.1.1 Malonyl-CoA wird aus Acetyl-CoAund Hydrogencarbonat gebildet . . . . 1066
21.1.2 Fettsäuren werden in einer repetitivenReaktionsfolge synthetisiert . . . . . . . 1066
21.1.3 Die Fettsäure-Synthase vonSäugetieren hat viele aktive Zentren . . 1068
21.1.4 Die Fettsäure-Synthase nimmtdie Acetyl- und Malonylgruppen auf . . 1069
Inhaltsverzeichnis xxxvii
21.1.5 Die Reaktionen der Fettsäure-Synthasewerden zur Bildung von Palmitatwiederholt . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1072
21.1.6 Die Fettsäuresynthese erfolgtbei vielen Organismen im Cytosol,aber bei Pflanzen in den Chloroplasten 1073
21.1.7 Acetat wird als Citrat ausden Mitochondrien heraustransportiert 1074
21.1.8 Die Biosynthese von Fettsäurenwird streng reguliert . . . . . . . . . . . . 1076
21.1.9 Langkettige gesättigte Fettsäurenwerden aus Palmitat synthetisiert . . . . 1077
21.1.10 Eine mischfunktionelle Oxidase wirdbenötigt, um gesättigte Fettsäurenin ungesättigte umzuwandeln . . . . . . 1077
EXKURS 21-1 MischfunktionelleOxidasen, Oxygenasenund Cytochrom P450 . . . . . . . . . . 1078
21.1.11 Eicosanoide werden aus mehrfachungesättigten C20-Fettsäurensynthetisiert . . . . . . . . . . . . . . . . . 1079
21.2 Biosynthesevon Triacylglycerinen . . . . . . . . . . . 1083
21.2.1 Triacylglycerine und Glycerophospho-lipide werden aus den gleichenVorstufen gebildet . . . . . . . . . . . . . 1083
21.2.2 Die Biosynthese von Triacylglycerinenin Tieren wird durch Hormonereguliert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1085
21.2.3 Durch Glyceroneogenese wirdim Fettgewebe Glycerin-3-phosphathergestellt . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1087
21.2.4 Thiazolidindione behandelnTyp-2-Diabetes durch Aktivierungder Glyceroneogenese . . . . . . . . . . 1089
21.3 Biosynthese vonMembranphospholipiden . . . . . . . . 1089
21.3.1 Es gibt 2 Strategien zur Befestigungvon Phospholipidkopfgruppen . . . . . 1090
21.3.2 Die Phospholipidsynthese bei E. coliverwendet CDP-Diacylglycerin . . . . . 1092
21.3.3 Eukaryoten synthetisieren anionischePhospholipide aus CDP-Diacylglycerin . 1093
21.3.4 Eukaryotische Reaktionswege zuPhosphatidylserin, Phosphatidyl-ethanolamin und Phosphatidylcholinhängen miteinander zusammen . . . . 1093
21.3.5 Plasmalogensynthese erfordertdie Bildung eines etherverknüpftenFettalkohols . . . . . . . . . . . . . . . . . 1094
21.3.6 Sphingolipid- und Glycerophospho-lipidsynthese haben Vorstufenund einige Mechanismen gemeinsam . 1095
21.3.7 Polare Lipide werden zu spezifischenZellmembranen gesteuert . . . . . . . . 1097
21.4 Biosynthese von Cholesterin,Steroiden und Isoprenoiden . . . . . . 1098
21.4.1 Cholesterin wird in 4 Stufenaus Acetyl-CoA gebildet . . . . . . . . . 1099
21.4.2 Cholesterin schlägt verschiedeneWege ein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1102
21.4.3 Cholesterin und andere Lipidewerdenin Form von Plasmalipoproteinenbefördert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1104
EXKURS 21-2 Medizin ApoE-Allelegeben Hinweise für das Auftreteneiner Alzheimer-Erkrankung . . . . . 1107
21.4.4 Cholesterinester gelangen durchrezeptorvermittelte Endocytosein die Zellen . . . . . . . . . . . . . . . . . 1109
21.4.5 Die Cholsterinbiosynthese wird aufverschiedenen Ebenen reguliert . . . . 1110
EXKURS 21-3 Die Lipidhypotheseund die Entwicklung von Statinen . . 1112
21.4.6 Steroidhormone werden durchSpaltung von Seitenketten undOxidation von Cholesterin gebildet . . 1114
21.4.7 Zwischenprodukte der Biosynthese vonCholesterin können unterschiedlicheWege einschlagen . . . . . . . . . . . . . 1116
22 Biosynthese von Aminosäuren,Nucleotiden und verwandtenMolekülen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1123
22.1 Der Stickstoffmetabolismusim Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . 1124
22.1.1 Der Stickstoffkreislauf erhält einReservoir biologisch verfügbarenStickstoffs aufrecht . . . . . . . . . . . . . 1124
22.1.2 Stickstoff wird durch Enzyme desNitrogenasekomplexes fixiert . . . . . . 1125
EXKURS 22-1 Die ungewöhnlicheLebensweise eigenartiger,aber sehr häufiger Organismen . . . . 1126
22.1.3 Ammoniak wird über Glutamat undGlutamin in Biomoleküle eingebaut . . 1130
22.1.4 Glutamin-Synthetase ist einwichtiger Regulationspunktim Stickstoffmetabolismus . . . . . . . . 1132
22.1.5 Mehrere Klassen von Reaktionenspielen eine besondere Rolle beider Biosynthese von Aminosäurenund Nucleotiden . . . . . . . . . . . . . . 1134
22.2 Biosynthese von Aminosäuren . . . . 113522.2.1 Ausα-Ketoglutarat entstehen Glutamat,
Glutamin, Prolin und Arginin . . . . . . . 1137
xxxviii Inhaltsverzeichnis
22.2.2 Serin, Glycin und Cystein entstehenaus 3-Phosphoglycerat . . . . . . . . . . 1137
22.2.3 Drei nichtessenzielle und sechsessenzielle Aminosäuren werden ausOxalacetat und Pyruvat synthetisiert . . 1141
22.2.4 Chorismat ist ein entscheidendes Zwi-schenprodukt bei der Synthese vonTryptophan, Phenylalanin und Tyrosin . 1144
22.2.5 Die Biosynthese von Histidin erfolgtmithilfe von Vorstufen ausder Purinbiosynthese . . . . . . . . . . . 1149
22.2.6 Die Biosynthese von Aminosäurenunterliegt einer allosterischenRegulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1149
22.3 Von Aminosäuren abgeleiteteMoleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1152
22.3.1 Glycin ist eine Vorstufevon Porphyrinen . . . . . . . . . . . . . . 1153
22.3.2 Häm ist die Quelle für Gallenfarbstoffe .1154
EXKURS 22-2 Medizin Über Königeund Vampire . . . . . . . . . . . . . . . . 1155
22.3.3 Aminosäuren sind Vorstufenvon Creatin und Glutathion . . . . . . . 1157
22.3.4 D-Aminosäuren kommenhauptsächlich bei Bakterien vor . . . . . 1158
22.3.5 Aromatische Aminosäuren sindVorstufen vieler pflanzlicherSubstanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . 1158
22.3.6 Biologische Amine sind Produkteder Aminosäuredecarboxylierung . . . 1159
EXKURS 22-3 Medizin Die Heilungder Afrikanischen Schlafkrankheitmithilfe eines biochemischentrojanischen Pferdes . . . . . . . . . . . 1161
22.3.7 Arginin ist die Vorstufe für die biologi-sche Synthese von Stickstoffmonoxid . 1162
22.4 Biosynthese und Abbauvon Nucleotiden . . . . . . . . . . . . . . . 1163
22.4.1 Die de novo-Synthese von Purinbeginnt mit PRPP . . . . . . . . . . . . . . 1164
22.4.2 Die Purinnucleotidbiosynthese wirddurch Feedback-Hemmung reguliert . 1167
22.4.3 Pyrimidinnucleotide entstehenaus Aspartat, PRPPund Carbamoylphosphat . . . . . . . . . 1168
22.4.4 Die Biosynthese von Pyrimidin-nucleotiden wird durchFeedback-Hemmung reguliert . . . . . . 1170
22.4.5 Nucleosidmonophosphate werden inNucleosidtriphosphate umgewandelt . 1171
22.4.6 Ribonucleotide sind Vorstufender Desoxyribonucleotide . . . . . . . . 1171
22.4.7 Thymidylat entsteht aus dCDPund dUMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1174
22.4.8 Beim Abbau von Purinenund Pyrimidinen entstehtHarnsäure oder Harnstoff . . . . . . . . . 1176
22.4.9 Purin- und Pyrimidinbasen werdendurch Wiederverwendungswegezurückgewonnen . . . . . . . . . . . . . . 1178
22.4.10 Überschüssige Harnsäureverursacht Gicht . . . . . . . . . . . . . . 1179
22.4.11 Viele Chemotherapeutika wirken aufEnzyme der Nucleotidbiosynthese . . . 1179
23 Hormonelle Regulation undIntegration des Stoffwechselsvon Säugetieren . . . . . . . . . . . . . 1187
23.1 Hormone: unterschiedliche Struktu-ren für unterschiedliche Funktionen 1188
23.1.1 Zum Nachweis und zur Reinigungvon Hormonen ist ein Bioassay nötig . . 1188
EXKURS 23-1 Medizin Wie wird einHormon entdeckt? Der beschwerli-che Weg zu gereinigtem Insulin . . . 1189
23.1.2 Hormone wirken über spezifischezelluläre Rezeptoren mit hoher Affinität 1191
23.1.3 Hormone sind chemisch vielfältig . . . .1193
23.1.4 Die Ausschüttung vonHormonenwirddurch eine Hierarchie von neuronalenund hormonellen Signalen reguliert . . 1199
23.2 Gewebespezifischer Stoffwechsel:Arbeitsteilung . . . . . . . . . . . . . . . . 1202
23.2.1 Die Leber verarbeitetund verteilt Nährstoffe . . . . . . . . . . 1203
23.2.2 Fettgewebe speichertund liefert Fettsäuren . . . . . . . . . . . 1208
23.2.3 Braunes Fettgewebe erzeugt Wärme . .1209
23.2.4 Muskeln verbrauchen ATPfür mechanische Arbeit . . . . . . . . . . 1210
23.2.5 Das Gehirn verbraucht Energiezur Übertragung elektrischer Impulse . 1213
23.2.6 Das Blut transportiert Sauerstoff,Stoffwechselprodukte und Hormone . 1214
23.3 Hormonelle Steuerungdes Brennstoffhaushalts . . . . . . . . . 1216
23.3.1 Insulin wirkt einem hohenBlutglucosespiegel entgegen . . . . . . 1217
23.3.2 Als Reaktion auf Veränderungen desBlutglucosespiegels geben die β-Zellendes Pankreas Insulin ab . . . . . . . . . . 1217
23.3.3 Glucagon wirkt einem niedrigenBlutglucosespiegel entgegen . . . . . . 1220
Inhaltsverzeichnis xxxix
23.3.4 Beim Fasten und Hungern verändertsich der Stoffwechsel,damit das Gehirn weiterhinmit Brennstoff versorgt wird . . . . . . . 1222
23.3.5 Adrenalin signalisiertbevorstehende Aktivität . . . . . . . . . 1224
23.3.6 Cortisol signalisiert Stress,einschließlich eines niedrigenBlutglucosespiegels . . . . . . . . . . . . 1225
23.3.7 Diabetes mellitus entsteht durchDefekte der Produktion oder Wirkungvon Insulin . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1225
23.4 Fettleibigkeit und Regulationder Körpermasse . . . . . . . . . . . . . . 1227
23.4.1 Fettgewebe hat wichtigeendokrine Funktionen . . . . . . . . . . . 1228
23.4.2 Leptin stimuliert die Produktionvon anorexigenen Peptidhormonen . . 1229
23.4.3 Leptin löst eine Signalkaskade aus,die die Genexpression reguliert . . . . . 1231
23.4.4 Das Leptinsystem könnte sichentwickelt haben, um die Reaktionauf Hunger zu regulieren . . . . . . . . . 1232
23.4.5 Insulin wirkt im Nucleus arcuatus re-gulierend auf die Nahrungsaufnahmeund die Speicherung von Energie . . . . 1233
23.4.6 Adiponectin wirkt über AMPKund erhöht die Sensitivität für Insulin . 1234
23.4.7 Die Ernährung reguliert die Expressionvon Genen mit zentraler Funktionfür die Erhaltung der Körpermasse . . . 1235
23.4.8 Das kurzzeitige Essverhaltenwird durchGhrelin und PYY3–36 beeinflusst . . . . . 1237
23.5 Fettleibigkeit, metabolischesSyndrom und Typ-2-Diabetes . . . . . 1238
23.5.1 Bei Typ-2-Diabetes wird das Gewebeinsensitiv für Insulin . . . . . . . . . . . . 1239
23.5.2 Durch entsprechende Ernährung,Bewegung und Medikation lässt sichTyp-2-Diabetes kontrollieren . . . . . . . 1240
Teil IIIWegeder Informationsübertragung
24 Gene und Chromosomen . . . . . . 1251
24.1 Grundbestandteileder Chromosomen . . . . . . . . . . . . . 1251
24.1.1 Gene sind DNA-Abschnitte, die Poly-peptidketten und RNA codieren . . . . 1251
24.1.2 DNA-Moleküle sind sehr viel länger alsdie zellulären oder viralen Verpackun-gen, in denen sie enthalten sind . . . . 1253
24.1.3 Gene und Chromosomen von Euka-ryoten sind sehr komplex . . . . . . . . . 1257
24.2 Superspiralisierung der DNA . . . . . . 1260
24.2.1 Die zelluläre DNA ist zum großen Teilunterspiralisiert . . . . . . . . . . . . . . . 1261
24.2.2 Die DNA-Unterwindung ist durchdie topologische Verwindungszahldefiniert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1263
24.2.3 Topoisomerasen katalysierenVeränderungen der Verwindungszahlin der DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1266
EXKURS 24-1 Medizin Behandlungvon Krankheiten durch Hemmungder Topoisomerasen . . . . . . . . . . . 1268
24.2.4 Die Verdichtung der DNA erforderteine spezielle Formder Superspiralisierung . . . . . . . . . . 1269
24.3 Die Chromosomenstruktur . . . . . . . 1271
24.3.1 Chromatin besteht aus DNAund Proteinen . . . . . . . . . . . . . . . 1271
24.3.2 Histone sind kleine basische Proteine .127224.3.3 Nucleosomen sind die grundlegenden
Organisationseinheitendes Chromatins . . . . . . . . . . . . . . . 1273
24.3.4 Die Nucleosomen sind zu Strukturenimmer höherer Ordnung gepackt . . . . 1275
EXKURS 24-2 Medizin Epigenetik,Nucleosomenstrukturund Histonvarianten . . . . . . . . . . . 1276
24.3.5 Die kondensierten Chromosomen-strukturen werden durchSMC-Proteine aufrechterhalten . . . . . 1279
24.3.6 Auch Bakterien-DNAist hoch organisiert . . . . . . . . . . . . 1280
25 DNA-Stoffwechsel . . . . . . . . . . . . 1287
25.1 DNA-Replikation . . . . . . . . . . . . . . 1289
25.1.1 DNA-Replikation erfolgt nacheiner Reihe grundsätzlicher Regeln . . . 1290
25.1.2 DNA wird von Nucleasen abgebaut . . .129225.1.3 DNA wird von DNA-Polymerasen
synthetisiert . . . . . . . . . . . . . . . . . 1293
25.1.4 Die Replikation ist sehr genau . . . . . .129425.1.5 E. coli besitzt mindestens
5 DNA-Polymerasen . . . . . . . . . . . . 1295
25.1.6 Die DNA-Replikation erfordertviele Enzyme und Proteinfaktoren . . . 1299
25.1.7 Die Replikation des E. coli-Chromosomsverläuft in Phasen . . . . . . . . . . . . . 1299
25.1.8 Bei Eukaryotenzellen ist die Replikationähnlich aber doch komplexer . . . . . . 1307
xl Inhaltsverzeichnis
25.1.9 Virale DNA-Polymerasen sind Ziel-moleküle für antivirale Therapien . . . . 1309
25.2 DNA-Reparatur . . . . . . . . . . . . . . . 1310
25.2.1 Zwischen Mutationen und Krebsbesteht ein Zusammenhang . . . . . . . 1310
25.2.2 Alle Zellen besitzen mehrereDNA-Reparatursysteme . . . . . . . . . . 1311
EXKURS 25-1 MedizinDNA-Reparatur und Krebs . . . . . . . 1315
25.2.3 Die Wechselwirkungen zwischenReplikationsgabeln und Schadstellenin der DNA können zu einer fehler-anfälligen Transläsions-DNA-Syntheseführen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1321
25.3 DNA-Rekombination . . . . . . . . . . . 1324
25.3.1 Homologe genetische Rekombinationhat mehrere Funktionen . . . . . . . . . 1325
25.3.2 Die Rekombination währendder Meiose wird durch Doppelstrang-brüche eingeleitet . . . . . . . . . . . . . 1326
25.3.3 Für die Rekombination sindbesondere Enzyme und andereProteine erforderlich . . . . . . . . . . . . 1328
25.3.4 Bei der Reparatur stillstehenderReplikationsgabeln wirken alle Teiledes DNA-Stoffwechsels zusammen . . . 1331
25.3.5 Ortsspezifische Rekombination führtzu präziser Umordnung der DNA . . . . 1334
25.3.6 Die Replikation ganzer Chromosomenerfordert manchmal ortsspezifischeRekombination . . . . . . . . . . . . . . . 1336
25.3.7 Transponierbare genetische Elementewandern von einer Stelle zur anderen . 1336
25.3.8 Immunglobulingene werden durchRekombination zusammengesetzt . . . 1339
26 RNA-Stoffwechsel . . . . . . . . . . . . 1349
26.1 DNA-abhängige RNA-Synthese . . . . 1350
26.1.1 RNA wird von der RNA-Polymerasesynthetisiert . . . . . . . . . . . . . . . . . 1351
26.1.2 Die RNA-Synthese beginntan Promotoren . . . . . . . . . . . . . . . 1354
EXKURS 26-1 Die RNA-Polymerasehinterlässt am Promotoreinen Fußabdruck . . . . . . . . . . . . 1357
26.1.3 Die Transkription wird aufverschiedenen Ebenen reguliert . . . . 1360
26.1.4 Für die Termination der RNA-Synthesesorgen besondere Signalsequenzen . . 1360
26.1.5 Im Kern der Eukaryotenzellen gibt esdreierlei RNA-Polymerasen . . . . . . . . 1361
26.1.6 Die RNA-Polymerase II braucht für ihreAktivität viele andere Proteine . . . . . . 1362
26.1.7 Die DNA-abhängige RNA-Polymeraselässt sich selektiv hemmen . . . . . . . . 1365
26.2 RNA-Prozessierung . . . . . . . . . . . . 1366
26.2.1 Eukaryotische mRNAs werdenan ihrem 5′-Ende mit einem Capversehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1367
26.2.2 Sowohl Introns als auch Exonswerdenvon DNA in RNA transkribiert . . . . . . 1368
26.2.3 RNA katalysiert das Spleißenvon Introns aus der RNA . . . . . . . . . 1369
26.2.4 Eukaryotische mRNAs besitzencharakteristische Strukturenan den 3′-Enden . . . . . . . . . . . . . . 1374
26.2.5 Durch differenzielles Prozessieren derRNA entstehen an einem Genmehrere Produkte . . . . . . . . . . . . . 1375
26.2.6 Auch rRNAs und tRNAswerden prozessiert . . . . . . . . . . . . 1376
26.2.7 RNAs mit spezifischer Funktiondurchlaufen verschiedenen Formender Prozessierung . . . . . . . . . . . . . 1382
26.2.8 Manche Vorgängeim RNA-Stoffwechselwerden von RNA-Enzymen katalysiert . 1383
26.2.9 Zelluläre mRNAs werden mit unter-schiedlicher Geschwindigkeit abgebaut 1386
26.2.10 Die Polynucleotid-Phosphorylase stelltRNA-ähnliche Polymere mit zufälligerSequenz her . . . . . . . . . . . . . . . . . 1387
26.3 RNA-abhängige Synthese von RNAund DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1388
26.3.1 Die Reverse Transkriptase stellt DNAausgehend von viraler RNA her . . . . . 1388
26.3.2 Retroviren verursachen Krebsund AIDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1391
EXKURS 26-2 MedizinAIDS-Bekämpfungmit Hemmstoffenfür die Reverse Transkriptase . . . . . 1392
26.3.3 Viele Transposons, Retroviren undIntrons dürften in der Evolution einengemeinsamen Ursprung haben . . . . . 1392
26.3.4 Die Telomerase ist eine spezialisierteReverse Transkriptase . . . . . . . . . . . 1394
26.3.5 Manche Virus-RNAs werden durchRNA-abhängige RNA-Polymerasenrepliziert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1396
26.3.6 Die RNA-Synthese liefert wichtigeAnhaltspunkte für die biochemischeEvolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1397
EXKURS 26-3 Das SELEX-VerfahrenzurHerstellung vonRNA-Polymerenmit neuen Funktionen . . . . . . . . . . 1399
Inhaltsverzeichnis xli
EXKURS 26-4 Ein sich ausdehnen-des RNA-Universum, angefüllt mitTUF-RNAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1401
27 Proteinstoffwechsel . . . . . . . . . . 1409
27.1 Der genetische Code . . . . . . . . . . . 1410
27.1.1 Der genetische Code wurde mithilfesynthetischer mRNA-Matrizenentschlüsselt . . . . . . . . . . . . . . . . 1411
27.1.2 Durch „Wobble“ können manchetRNAs mehrere Codons erkennen . . . . 1415
EXKURS 27-1 Ausnahmen, diedie Regel bestätigen: NatürlicheVarianten im genetischen Code . . . 1416
27.1.3 Verschiebung des Leserasters bei derTranslation und das RNA-Editinghaben Einfluss darauf, wie der Codegelesen wird . . . . . . . . . . . . . . . . 1418
27.2 Proteinsynthese . . . . . . . . . . . . . . . 1421
27.2.1 Die Proteinbiosynthese läuftin 5 Phasen ab . . . . . . . . . . . . . . . 1422
27.2.2 Das Ribosom ist eine kompliziertesupramolekulare Maschine . . . . . . . . 1423
EXKURS 27-2 Von einer RNA-zu einer Protein-Welt . . . . . . . . . . 1426
27.2.3 Transfer-RNAs haben charakteristischeStrukturmerkmale . . . . . . . . . . . . . 1427
27.2.4 Phase 1: Aminoacyl-tRNA-Synthetasenverknüpfen die richtigen Amino-säuren mit ihren tRNAs . . . . . . . . . . 1429
27.2.5 Phase 2: Eine spezifische Aminosäureinitiiert die Proteinsynthese . . . . . . . 1434
EXKURS 27-3 Natürlicheund unnatürliche Erweiterungdes genetischen Codes . . . . . . . . . 1435
27.2.6 Phase 3: In der Elongationsphasewerden Peptidbindungen geknüpft . . 1442
27.2.7 Phase 4: Die Terminationder Polypeptidsynthese erfordertein besonderes Signal . . . . . . . . . . . 1446
EXKURS27-4 Induzierte Abweichun-gen vomgenetischen Code: Suppres-sion von nonsense-Codons . . . . . . 1447
27.2.8 Phase 5: Neu synthetisierte Polypep-tidketten falten sich und werden pro-zessiert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1450
27.2.9 Die Proteinsynthese wird durch vieleAntibiotika und Toxine gehemmt . . . . 1453
27.3 Protein-Targeting und Proteinabbau 1455
27.3.1 Die posttranslationaleModifikation vie-ler eukaryotischer Proteine beginnt imendoplasmatischen Reticulum . . . . . 1456
27.3.2 Die Glycosylierung spielt eine Schlüs-selrolle beim Protein-Targeting . . . . . 1457
27.3.3 Signalsequenzen für den Transportin den Zellkern werden nichtabgespalten . . . . . . . . . . . . . . . . . 1460
27.3.4 Auch Bakterien verwenden Signal-sequenzen zum zielgerichtetenProteintransport . . . . . . . . . . . . . . 1462
27.3.5 Zellen importieren Proteine mithilfeder rezeptorvermittelten Endocytose . 1463
27.3.6 Der Proteinabbau wird in allen Zellendurch ein spezialisiertes Systemvermittelt . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1464
28 Regulation der Genexpression . . 1473
28.1 Grundlagen der Genregulation . . . . 1475
28.1.1 Die RNA-Polymerase bindetan Promotoren in der DNA . . . . . . . . 1475
28.1.2 Die Transkriptionsinitiation wird vonProteinen reguliert, die am Promotoroder in seiner Nähe binden . . . . . . . 1476
28.1.3 Viele Bakteriengene werdenin Gruppen reguliert, die manals Operons bezeichnet . . . . . . . . . . 1478
28.1.4 Das lac-Operon unterliegtder negativen Regulation . . . . . . . . . 1480
28.1.5 Regulatorische Proteine habenseparate DNA-bindende Domänen . . . 1482
28.1.6 Regulatorische Proteine enthaltenauch Domänen für Protein-Protein-Wechselwirkungen . . . . . . . . . . . . 1486
28.2 Regulation der Genexpressionbei Prokaryoten . . . . . . . . . . . . . . . 1488
28.2.1 Das lac-Operon unterliegteiner positiven Regulation . . . . . . . . 1489
28.2.2 Viele Gene für Enzyme zur Biosyn-these von Aminosäuren werdendurch Abschwächungder Transkription reguliert . . . . . . . . 1490
28.2.3 Zur Induktion der SOS-Reaktionmüssen Repressorproteinezerstört werden . . . . . . . . . . . . . . . 1493
28.2.4 Die Synthese der ribosomalenProteine wird mit der rRNA-Synthesekoordiniert . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1495
28.2.5 Die Funktionmancher mRNA-Molekülewird von kleinen RNA-Molekülen in cisoder in trans reguliert . . . . . . . . . . . 1497
28.2.6 Manche Gene werden durch geneti-sche Rekombination reguliert . . . . . . 1499
28.3 Regulation der Genexpression beiEukaryoten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1501
xlii Inhaltsverzeichnis
28.3.1 Aktiv transkribiertes Chromatin unter-scheidet sich in seiner Strukturvon inaktivem Chromatin . . . . . . . . . 1502
28.3.2 Chromatin-Remodeling erfolgt durchAcetylierung und Nucleosomen-verschiebung bzw. -umlagerung . . . . 1503
28.3.3 Viele eukaryotische Promotorenwerden positiv reguliert . . . . . . . . . 1504
28.3.4 DNA-bindende Aktivatorenund Coaktivatoren erleichterndie Zusammenlagerung der allge-meinen Transkriptionsfaktoren . . . . . 1505
28.3.5 Die Gene für den Galactosestoff-wechsel in Hefe unterliegen sowohlpositiver als auch negativerRegulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1509
28.3.6 Transkriptionsaktivatorensind modular aufgebaut . . . . . . . . . 1510
28.3.7 Die Genexpression kannbei Eukaryoten durch inter-und intrazelluläre Signalereguliert werden . . . . . . . . . . . . . . 1512
28.3.8 Regulation kann durch Phosphory-lierung von Transkriptionsfaktorenim Zellkern erfolgen . . . . . . . . . . . . 1513
28.3.9 Viele eukaryotische mRNA-Moleküleunterliegen der Translationsrepression 1514
28.3.10 Das Gen-Silencing nach der Transkrip-tion wird durch RNA-Interferenzvermittelt . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1515
28.3.11 In Eukaryoten nimmtdie RNA-vermittelte Regulationder Genexpression viele Formen an . . 1516
28.3.12 Die Entwicklung wird durch Kaskadenvon regulatorischen Proteinengesteuert . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1517
EXKURS 28-1 Von Flossen, Flügeln,Schnäbeln und den „Siebensachen“ . 1525
AnhangABiochemische Abkürzungen . . . . . . . 1531
AnhangBLösungen der Aufgaben . . . . . . . . . . 1537
Quellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . .1587
Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1601
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . .1629
Danksagung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1665
Inhaltsverzeichnis xliii
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