Springer-Lehrbuch

Georg Löffler (Hrsg.) Petro E. Petrides (Hrsg.) Peter C. Heinrich (Hrsg.)

Biochemie und Pathobiochemie 8., völlig neu bearbeitete Auflage Mit 1192 vierfarbigen Abbildungen und 192 Tabellen

123

Professor Dr. Georg Löffler

Professor Dr. Peter C. Heinrich

Institut für Biochemie Genetik und Mikrobiologie Universität Regensburg Universitätsstraße 31 93053 Regensburg E-Mail: [email protected]

Institut für Biochemie Universitätsklinikum RWTH Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen E-Mail: [email protected]

Professor Dr. Petro E. Petrides Hämatologisch-onkologische Praxis am Isartor und Medizinische Fakultät der Ludwig-Maximilians-Universität München Zweibrückenstraße 2 80331 München E-Mail:[email protected]

ISBN-10 3-540-32680-4 8. Auflage Springer Medizin Verlag Heidelberg ISBN-13 978-3-540-32680-9 8. Auflage Springer Medizin Verlag Heidelberg Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Medizin Verlag Heidelberg Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer Medizin Verlag. springer.com © Springer Medizin Verlag Heidelberg 1975, 1979, 1985, 1990, 1997, 1998, 2003, 2007 Printed in Germany Produkthaftung: Für Angaben über Dosierungsanweisungen und Applikationsformen kann vom Verlag keine Gewähr übernommen werden. Derartige Angaben müssen vom jeweiligen Anwender im Einzelfall anhand anderer Literaturstellen auf ihre Richtigkeit überprüft werden. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutzgesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen. Planung: Renate Scheddin, Kathrin Nühse, Heidelberg Projektmanagement: Rose-Marie Doyon, Heidelberg Umschlaggestaltung & Design: deblik Berlin Abbildung Umschlag: Dr. Serge Haan, Institut für Biochemie, RWTH Aachen. Die Abbildung zeigt ein Detail der Bindung des Transkriptionsfaktors STAT3 (gelb dargestellt) an sein response element (7 Abb. 25.29b; Literaturstelle zur Kristallstruktur: Becker et al. 1998, Nature 394, 145–51). Einige für die Interaktion mit der doppelsträngigen DNA wichtige Aminosäuren (Lys340, Asn 466, Ser 465 und Gln469) sind abgebildet. Zeichnungen: BITmap Mannheim SPIN 10912935 Satz: Fotosatz-Service Köhler GmbH, Würzburg Druck- und Bindearbeiten: Stürtz GmbH, Würzburg Gedruckt auf säurefreiem Papier 15/2117 rd – 5 4 3 2 1 0

V

Vorwort Gegenstand der Biochemie ist die Aufklärung der molekularen Grundlagen des Lebens. Die Biochemie ist insbesondere aufgrund einer Vielzahl neuer innovativer Techniken und Forschungsansätze sehr stark in ihre Nachbardisziplinen wie die Molekularbiologie, Zellbiologie, Zellphysiologie, Genetik, molekulare Pharmakologie, Anatomie, Physiologie, aber auch Medizin hineingewachsen, so dass heute eine exakte Abgrenzung der Biochemie von diesen Nachbardisziplinen sehr schwierig ist. In Zukunft werden die genannten Fächer sich vielleicht alle unter dem Dach Lebenswissenschaften wieder finden. Die seit Jahren mit ungebrochener Geschwindigkeit ablaufende Zunahme unserer Kenntnisse in den Biowissenschaften, und hier speziell in der Biochemie, Molekular- und Zellbiologie hat für die Medizin wichtige Konsequenzen ergeben. Sie haben zum tieferen Verständnis pathobiochemischer Zusammenhänge geführt, aber auch neue diagnostische Verfahren und Fortschritte der Arzneimitteltherapie ermöglicht. Diese rasante Entwicklung ist der Grund dafür, dass nur vier Jahre nach dem Erscheinen der 7. Auflage unseres Lehrbuches der Biochemie und Pathobiochemie nun eine gründlich überarbeitete und aktualisierte 8. Auflage vorgelegt wird. In Anbetracht dieser Tatsache war es uns besonders wichtig, auf der einen Seite das moderne biochemische Grundwissen zu aktualisieren und möglichst kompakt darzustellen. Darüber hinaus werden Themen wie die molekularen Grundlagen der Regulation zellulärer Aktivitäten vertieft behandelt. Andererseits sollten die Kapitel über spezifische Stoffwechselleistungen einzelner Organe und Organsysteme möglichst umfassend präsentiert werden, da sie von besonderer medizinischer Relevanz sind und die Darstellung der vielfältigen Bezüge zur Pathobiochemie ermöglichen. Um diese Ziele zu erreichen, haben wir den mit der 7. Auflage beschrittenen Weg der Erweiterung unserer Kompetenz durch Einbeziehung neuer Autoren weiter verfolgt, wobei das bisherige didaktische Konzept mit straffer Gliederung der einzelnen Kapitel, Zusammenfassungen nach jedem größeren Abschnitt, Überschriften in Satzform und Infoboxen unverändert blieb. Ebenso wurde die bisherige Gliederung des Buches mit geringen Veränderungen beibehalten. Von entscheidender Bedeutung für das Zustandekommen der vorliegenden Ausgabe war auch die Erweiterung des Herausgebergremiums. Peter C. Heinrich hat sich als Chemiker sehr früh zum Biochemiker spezialisiert und sich als Forschungsgebiet mit Untersuchungen zum Wirkungsmechanismus von Zytokinen einem Thema von höchster medizinischer Relevanz gewidmet. Seit Jahren ist er darüber hinaus in seiner Eigenschaft als Lehrstuhlinhaber mit den Problemen des Biochemieunterrichtes für Medizinstudenten bestens vertraut. Seine Tätigkeit als Herausgeber hat eine umfassende Durchsicht der einzelnen Kapitel und damit deren notwendige Abstimmung ermöglicht. Außerdem wurde das umfangreiche Bildmaterial kritisch gesichtet und verbessert. Darüber hinaus sind durch Peter C. Heinrich neue Kompetenzen in das Lehrbuch eingebracht worden. Die in den ersten 6 Kapiteln behandelten Themen Bausteine des Organismus, Enzymologie und Grundzüge der Zellbiologie wurden von den Kollegen Kalbitzer, Kriegel, Schellenberger und Hasilik aktualisiert und z. T. neu gefasst. Dasselbe gilt für den Abschnitt Weitergabe und Aktualisierung der Erbinformation, der durch die Kollegen Montenarh, Hasilik und Modrow sehr gründlich überarbeitet und in weiten Teilen neu verfasst wurde. Die folgenden 13 Kapitel beschreiben verschiedene Aspekte des Zellstoffwechsels. Von Herrn Kollegen Röhm ist der Abschnitt über den Aminosäurestoffwechsel neu gestaltet worden, Herr Brandt hat die Kapitel Citratzyklus sowie Atmungskette und oxidative Phosphorylierung überarbeitet, Frau Löffler das Kapitel Purin- und Pyrimidinstoffwechsel. Frau Daniel hat das Ernährungskapitel neu geschrieben und Frau BrigeliusFlohé das Vitaminkapitel gründlich überprüft. Das Kapitel 25, Kommunikation zwischen Zellen, wurde weitgehend neu geschrieben. Die letzten 12 Kapitel des Buches beschäftigen sich mit den für die Medizin besonders relevanten Stoffwechselleistungen spezifischer Gewebe oder Organe. Alle Kapitel wurden intensiv überarbeitet bzw. neu gefasst, wofür den Kollegen Ansorge, Becker, Betz, Bruckner, Deutzmann, Fürst, Gautel, Häring, Häussinger, Kurtz und Mössner und ihren jeweiligen Mitarbeitern gedankt sei. Für die Überlassung der medizinhistorischen Fallbeispiele möchten wir Herrn Kollegen Bankl, besonders danken.

VI

Danksagung

Die Inhalte des Gegenstandkatalogs werden selbstverständlich in der vorliegenden 8. Auflage des Lehrbuchs Biochemie und Pathobiochemie voll abgedeckt. Auch das in der neuen Approbationsordnung geforderte Zusammenwachsen von Biochemie und Molekularbiologie auf der einen und eine stärkere Verzahnung der vorklinischen Fächer mit der Klinik auf der anderen Seite spiegeln sich in der 8. Auflage wider. Die Benutzung unseres Biochemie/Pathobiochemie-Lehrbuches sollte die Studierenden der Medizin in die Lage versetzen, den »1. Abschnitt der ärztlichen Prüfung« erfolgreich zu bestehen. Es sollte aber auch eine Orientierungshilfe für die in der Klinik und Praxis tätigen Ärztinnen und Ärzte sein. Für Biologen, Biochemiker, Pharmakologen, Pharmazeuten und Psychologen stellt das vorliegende Werk eine wertvolle Informationsquelle dar. Ein Buch ist niemals perfekt. Es lebt von der Kritik und den Anregungen seiner Leser. Wir sind daher – wie in der Vergangenheit – auch künftig dankbar für Kommentare, Korrekturen und Verbesserungsvorschläge. Wir wünschen unseren Lesern viel Freude an dem spannenden Fach Biochemie/Pathobiochemie, auch wenn die Lektüre zeitweise recht anspruchsvoll sein kann. September 2006 Die Herausgeber

Danksagung Folgenden Kolleginnen und Kollegen möchten die Herausgeber ganz herzlich für die kritische und kompetente Durchsicht der verschiedenen Kapitel danken. Ihre konstruktive Kritik hat zweifellos zur Verbesserung der Qualität und Klarheit der folgenden Kapitel beigetragen: Institut für Biochemie, Universitätsklinikum RWTH Aachen: Alexandra Dreuw, (Kapitel 34); Serge Haan, (Kapitel 2, 3, 10, 13, 28, 33); Heike Hermanns, (Kapitel 2, 11, 14, 16, 17, 26); Gerhard Müller-Newen, (Kapitel 1, 2, 9, 12, 15, 18, 21, 23, 24, 32); Fred Schaper, (Kapitel 4, 5, 7, 8, 19); Ulrike Sommer, (Kapitel 6); Pia Müller, Georg Munz, Michael Sommerauer, (Kapitel 25); Marcus Thelen, Institute for Research in Biomedicine, Bellinzona (Kapitel 25); Andreas Lückhoff, Institut für Physiologie, Universitätsklinikum RWTH Aachen (Kapitel 25); Institut für Neuropathologie, Universitätsklinikum RWTH Aachen: Alexander Krüttgen, Joachim Weis, (Kapitel 31); Peter Freyer, Institut für Biochemie, RWTH Aachen, gebührt Dank und Anerkennung für die zahlreichen graphischen Darstellungen des Kapitels 25, Kerstin Paus und Elke Broekmeulen, Institut für Biochemie, RWTH Aachen für die unermüdliche und tatkräftige organisatorische Hilfe. Mit Dieter Enders, Institut für Organische Chemie der RWTH Aachen, wurden zahlreiche Reaktionsmechanismen diskutiert und deren Darstellung verbessert. Ebenso wie für die vergangenen Auflagen war auch für diese der unermüdliche Einsatz der Lehrbuchabteilung des Springer-Verlages von großer Bedeutung: ganz besonders möchten wir in diesem Zusammenhang Rose-Marie Doyon und Kathrin Nühse danken. Bärbel Bittermann und ihrem Team sind wir für die graphische Umsetzung der nahezu 1000 Abbildungen zu großem Dank verpflichtet und schließlich Ursula Osterkamp-Baust für die Erstellung des umfangreichen Sachverzeichnisses. Auch für diese Auflage waren die zahlreichen Hinweise und Verbesserungsvorschläge von Kollegen und Studierenden eine große Hilfe. Ganz besonders sei an dieser Stelle Renate Lüllmann, Anatomisches Institut der Universität Kiel, Michael Fischer, IMPP Mainz, sowie Andrej Hasilik, Institut für Physiologische Chemie der Universität Marburg, gedankt.

VII

Biographien Georg Löffler studierte Medizin an der Universität München. Nach der Promotion über die Regulation der Ketonkörpersynthese folgte eine dreijährige klinische Tätigkeit bei Hans Peter Wolff in Homburg/ Saar. Anschließend ging er als Oberassistent an das Biochemische Institut der Medizinischen Hochschule Hannover, wo auch die Habilitation für Physiologische Chemie und Klinische Biochemie mit einer Arbeit über die Regulation der Lipolyse im Fettgewebe erfolgte. 1969 wurde er Leiter der Biochemischen Abteilung der von Otto Wieland und Helmut Mehnert gegründeten Forschergruppe Diabetes in München, wo Arbeiten über die Regulation des Pyruvatdehydrogenasekomplexes und die Insulinsekretion im Vordergrund standen. 1975 wechselte Georg Löffler an das Institut für Biochemie, Genetik und Mikrobiologie an der Universität Regensburg, von 1991 bis 2001 war er Inhaber des Lehrstuhls Biochemie III. Sein wichtigstes Arbeitsgebiet ist die Differenzierung des Fettgewebes und die Analyse sekretorischer Funktionen der Fettzelle. Petro E. Petrides studierte Medizin in Freiburg und München, 1975 deutsches und amerikanisches Staatsexamen, Promotion mit einer biochemischen Arbeit bei Otto Wieland und Beginn der internistischen Ausbildung. Von 1978 bis 1980 Postdoktorand bei Medizinnobelpreisträger R. Guillemin am Salk-Institut für Biologische Studien in La Jolla, anschließend Tätigkeit bei E.M. Shooter an der Medizinischen Hochschule Stanford in Palo Alto, Kalifornien. Von 1984 bis 1998 am Klinikum Großhadern der Ludwig-Maximillians-Universität München, an dieser Fakultät Habilitation über akute Leukämien und Ernennung zum Professor für Innere Medizin mit Schwerpunkt Hämatologie und Onkologie. Von 1998 bis 2000 Professor für Innere Medizin und Leiter der onkologischen Ambulanz und Tagesklinik an der Charité der Humboldt-Universität Berlin. Im Jahre 2000 Aufgabe der Professur und Einrichtung einer Schwerpunktpraxis für Hämato-Onkologie in München mit Lehrauftrag an der Ludwig-Maximilians-Universität. Außerdem Gründung der InnovaMedBiotech, die sich mit der Erforschung chronisch myeloproliferativer Erkrankungen beschäftigt. Regelmäßige wissenschaftliche Veröffentlichungen auf den Gebieten der Hämatologie und Onkologie (chronisch myeloproliferative Erkrankungen, Eisenstoffwechsel, Porphyrien) sowie Durchführung DFG-geförderter internationaler Symposien (www.innova-med.de). Peter C. Heinrich studierte Chemie an den Universitäten in Frankfurt und Marburg. Promotion bei K. Dimroth an der Universität Marburg. Von 1967–68 research associate im Institut für Biochemie der Yale University (JS. Fruton) in New Haven, im Anschluss wissenschaftlicher Assistent am Biochemischen Institut der Universität Freiburg (H. Holzer). Von 1970–73 wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Grundlagenforschung der Firma Hoffmann LaRoche, Basel. Von 1973–74 assistant professor für Pharmakologie an der Indiana University in Indianapolis, USA. 1975 Habilitation für das Fach Biochemie an der Universität Freiburg. 1980 Professur für Biochemie an der Universität Freiburg. 1986 visiting professor an der Stanford University Medical School (G. Ringold). Seit 1987 Inhaber des Lehrstuhls für Biochemie und Molekularbiologie und Geschäftsführender Direktor des Institutes für Biochemie an der RWTH Aachen. 1994–2004 Sprecher der DFG-Forschergruppe und des anschließenden/Sonderforschungsbereichs 542 »Molekulare Mechanismen Zytokin-gesteuerter Entzündungsprozesse: Signaltransduktion und pathophysiologische Konsequenzen«. Von 1994–2001 Editorial Board Member des Biochemical Journal. 2003–heute Editorial Board Member des Journal of Biological Chemistry. Wichtige wissenschaftliche Beiträge: Identifikation des Hepatozyten-stimulierenden Faktors als Interleukin-6; Entdeckung des Transkriptionsfaktors APRF/STAT3; Aufklärung der molekularen Mechanismen der Interleukin-6 Signaltransduktion über den Jak/STAT-Weg und deren Signalabschaltung. Professor Heinrich hat langjährige Erfahrung in Lehre und Betreuung von Medizin-, Biologieund Biochemiestudenten.

Beitragsautoren Prof. Dr. Siegfried Ansorge

Prof. Dr. Rainer Deutzmann

Dr. Heike Hermanns

IMTM GmbH ZENIT-Technologiepark Leipziger Straße 44 D-39120 Magdeburg

Lehrstuhl für Biochemie I Universität Regensburg Universitätsstraße 31 93053 Regensburg

Institut für Biochemie Universitätsklinikum RWTH Aachen Pauwelstr. 30 52074 Aachen

Prof. Dr. Cord M. Becker

Prof. Dr. Dieter O. Fürst

Prof. Dr. Dr. Hans R. Kalbitzer

Institut für Biochemie Universität Erlangen-Nürnberg Fahrstr. 17 91054 Erlangen

Institut für Zellbiologie Universität Bonn Ulrich Haberlandstraße 61a 53121 Bonn

Lehrstuhl für Biologie III Universität Regensburg Universitätsstraße 31 93053 Regensburg

Prof. Dr. Heinrich Betz

Prof. Dr. Matthias Gautel

Prof. Dr. Monika Kellerer

Max-Planck-Institut für Hirnforschung Deutschordenstraße 46 D-60528 Frankfurt/Main

Muscle Cell Biology, The Randall Centre New Hunt’s House, Kings College London Guy’s Campus, London SE1 1UL Great Britain

Zentrum für Innere Medizin I Marienhospital Stuttgart Böheimstr. 37 70199 Stuttgart

Institut für Biochemie I, Zentrum f. Biologische Chemie Universitätsklinikum Theodor-Stern-Kai 7, Haus 25B 60590 Frankfurt

PD Dr. Serge Haan

Prof. Dr. Josef Köhrle

Institut für Biochemie Universitätsklinikum RWTH Aachen Pauwelstr. 30 52074 Aachen

Prof. Dr. Regina Brigelius-Flohé

Prof. Dr. Hans-Ulrich Häring

Institut für Experimentelle Endokrinologie Charité – Universitätsmedizin Berlin Campus Charité Mitte Schumannstr. 20/21 10117 Berlin

Prof. Dr. Ulrich Brandt

Deutsches Institut für Ernährungsforschung Potsdam-Rehbrücke Arthur-Scheunert-Allee 114 - 116 14558 Nuthetal

Medizinische Universitätsklinik Klinische Chemie, Stoffwechselkrankheiten und Endokrinologie Otfried-Müller-Straße 10 72076 Tübingen

Prof. Dr. Peter Bruckner

Prof. Dr. Andrej Hasilik

Prof. Dr. Armin Kurtz

Institut für Physiologische Chemie und Pathobiochemie Universitätsklinikum Münster Waldeyerstr. 15 48129 Münster

Institut für Physiologische Chemie Karl-von-Frisch-Str.1 35043 Marburg

Lehrstuhl f. Physiologie I Universität Regensburg Universitätsstraße 31 93053 Regensburg

Prof. Dr. Leena Bruckner-Tuderman Abt. Dermatologie und Venerologie mit Poliklinik Universitätsklinikum Freiburg Hugstetter Strasse 49 79095 Freiburg

Technische Universität München Lehrstuhl für Ernährungsphysiologie Hochfeldweg 2 85350 Freising-Weihenstephan

Medizinische Fakultät Carl Gustav Carus Institut für Physiologische Chemie Technische Universität Dresden Fetscherstr. 74, D-01307 Dresden

Prof. Dr. Dieter Häussinger Klinik für Gastroenterologie, Hepatologie und Infektiologie Medizinische Einrichtungen der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf Postfach 10 10 07 40001 Düsseldorf

Prof. Dr. Georg Löffler Institut für Biochemie Universität Regensburg Universitätsstraße 31 93053 Regensburg

Prof. Dr. Monika Löffler Prof. Dr. Peter C. Heinrich

Prof. Dr. Hannelore Daniel

Prof. Dr. Thomas Kriegel

Institut für Biochemie Universitätsklinikum RWTH Aachen Pauwelstraße 30 52074 Aachen

Institut für Physiologische Chemie Universität Marburg Karl-von-Frisch-Str. 1 35033 Marburg

IX Beitragsautoren

Prof. Dr. Susanne Modrow

Dr. Harald Staiger

Institut für Medizinische Mikrobiologie und Hygiene Universität Regensburg Franz-Josef-Strauß-Allee 11 93053 Regensburg

Department für Innere Medizin Abteilung IV Medizinische Klinik und Poliklinik Eberhard-Karls-Universität Tübingen Otfried-Müller-Str. 10 72076 Tübingen

Prof. Dr. Mathias Montenarh Institut für Medizinische Biochemie Universitätskliniken des Saarlandes 66421 Homburg/Saar

Prof. Dr. Joachim Mössner Medizinische Klinik und Poliklinik II Gastroenterologie/Hepatologie und Hämatologie/Onkologie Philipp-Rosenthal-Str. 27 04103 Leipzig

PD Dr. Gerhard Müller-Newen Institut für Biochemie Universitätsklinikum RWTH Aachen Pauwelstr. 30 52074 Aachen

Prof. Dr. Petro E. Petrides Hämatologisch-onkologische Schwerpunktpraxis am Isartor Zweibrückenstr. 2 80331 München

Prof. Dr. Klaus-Heinrich Röhm Institut für Physiologische Chemie Universität Marburg Karl-von-Frisch-Straße 1 35043 Marburg

Prof. Dr. Fred Schaper Institut für Biochemie Universitätsklinikum RWTH Aachen Pauwelstr. 30 52074 Aachen

Prof. Dr. Wolfgang Schellenberger Institut für Biochemie Medizinische Fakultät Universität Leipzig Liebigstr. 16 04103 Leipzig

Dr. Astrid Scheschonka Max-Planck-Institut für Hirnforschung Deutschordenstraße 46 60528 Frankfurt/Main

Dr. Norbert Stefan Department für Innere Medizin Abteilung IV Medizinische Klinik und Poliklinik Eberhard-Karls-Universität Tübingen Otfried-Müller-Str. 10 72076 Tübingen

Dr. Uwe Wenzel Lehrstuhl für Ernährungsphysiologie Technische Universität München Am Forum 5 85350 Freising-Weihenstephan

Biochemie und Pathobiochemie: das neue Layout

4

Leitsystem: Orientierung über die Kapitel 1–35 und Anhang

Einleitung: thematischer Einstieg ins Kapitel

Inhaltliche Struktur: klare Gliederung durch alle Kapitel

1

Kapitel 1 · Grundlagen der Lebensvorgänge

> > Einleitung Nur 25 chemische Elemente kommen in den verschiedenen Lebensformen und damit auch im menschlichen Körper vor. Man nimmt heute an, dass in der präbiotischen Phase der Erde, also vor etwa 4 Milliarden Jahren, organische Moleküle spontan entstanden sind, deren funktionelle Gruppen eine Assoziation zu Makromolekülen und übergeordneten Strukturen ermöglichte, aus denen schließlich das Leben in seiner heutigen Form entstanden ist. Die heutigen Lebensformen werden in die kernlosen Prokaryoten (Bakterien und Archaeen) sowie die kernhaltigen Eukaryoten eingeteilt, zu denen auch höhere Pflanzen und Tiere gehören. Wasser ist vom quantitativen und qualitativen Gesichtspunkt aus für alle biochemischen Prozesse von außerordentlicher Bedeutung. Aufgrund seiner physikalisch-chemischen Eigenschaften nimmt Wasser an vielen zellulären Reaktionen teil und bestimmt nahezu alle biochemischen Prozesse.

1.1

Biomoleküle, Zellen und Organismen

1.1.1 Elemente in lebenden Systemen

Verweis auf Abbildungen, Tabellen und Kapitel: deutlich herausgestellt und leicht zu finden

Infobox: vertieft interessante Aspekte

Analysiert man die verschiedenen auf der Erde vorkommenden Lebensformen, so finden sich in ihnen etwa 25 chemische Elemente (. Tabelle 1.1). Von diesen kommen allerdings 14 nur als Spurenelemente (7 Kap. 22.1.1) vor. Infobox Chemische Evolution im Labor Der Student Stanley Miller füllte im Jahre 1953 im Labor von Harold Urey ein Gasgemisch aus Ammoniak (NH3), Methan (CH4), Wasserdampf, Wasserstoff (H2), Kohlendioxyd (CO2) und Blausäure (HCN) in einen Glaskolben und setzte dieses Gemisch bei 80°C mehr als eine Woche lang ständigen elektrischen Entladungen aus. Mit dieser Versuchsanordnung wollte er die Uratmosphäre unseres Planeten vor mehr als 4 Milliarden Jahren imitieren und ging dabei von der Annahme aus, dass zu dieser Zeit relativ hohe Temperaturen und permanente elektrische Entladungen in der Atmosphäre herrschten. Unter dieser Behandlung entstanden Hunderte von organischen Verbindungen, z.B. 10 der natürlich vorkommenden Aminosäuren, Mono-, Di- und Tricarbonsäuren, Formaldehyd, Adenin, Zucker und sogar Nucleotidpolymere. In jüngerer Zeit hat Günter Wächtershäuser die Annahme vertreten, dass Biomoleküle möglicherweise bei noch höheren Temperaturen an Eisensulfid-Oberflächen entstanden sind, die als Katalysatoren gewirkt haben. In Modellversuchen konnte jüngst die Synthese von Pyruvat aus Formiat in derartigen Systemen nachgewiesen werden. Insgesamt zeigen diese Experimente, dass die einfachen Bausteine lebender Systeme ohne weiteres abiotisch gebildet werden können.

Den größten Anteil an der Masse lebender Zellen hat der Kohlenstoff mit etwa 60%, gefolgt von Stickstoff und Sauerstoff mit jeweils etwa 10%. Wasserstoff, Calcium, Phosphor machen je 3–6% aus, während Kalium, Schwefel, Chlor, Natrium und Magnesium Anteile von etwa 1% und weniger haben. Chemisch können die in biologischen Systemen vorkommenden Elemente in Metalle und Nichtmetalle eingeteilt werden. Metalle sind in Form ihrer Kationen 4 Träger von Ladungen 4 Stabilisatoren von Strukturen sowie 4 Katalysatoren von verschiedener Reaktionen Eine Einteilung der Metall-Ionen nach ihrer biologischen Funktion findet sich in . Tabelle 1.2. ! Die Nichtmetalle Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff bilden bevorzugt untereinander chemische Bindungen.

Diese vier Elemente haben ihre besondere Bedeutung deshalb erlangt, weil sie covalente chemische Bindungen ausbilden können. Diese Fähigkeit beruht darauf, dass sie Elektronen mit anderen Atomen teilen können, was die Möglichkeit zur Ausbildung stabiler großer Moleküle bietet.

1.1.2 Präbiotische Entstehung

von Biomolekülen mit funktionellen Gruppen Man nimmt an, dass in der präbiotischen Phase der Erde vor etwa vier Milliarden Jahren aus den damaligen Bestandteilen der Atmosphäre unter dem Einfluss von ultraviolettem Licht und elektrischen Entladungen ein Satz einfacher organischer Verbindungen wie Ameisensäure, Milchsäure, Propionsäure, Essigsäure, Harnstoff und Aminosäuren entstanden sind. Diese Verbindungen weisen bereits funktionelle reaktive Gruppen auf.

Schlüsselbegriffe: sind fett hervorgehoben

1192 farbige Abbildungen: veranschaulichen komplizierte und komplexe Sachverhalte

Navigation Seitenzahl und Kapitelnummer für die schnelle Orientierung

5 1.1 · Biomoleküle, Zellen und Organismen

1

. Tabelle 15.3. Fließgleichgewichtszustände der Atmungskette Im Überschuss vorhanden

Atmungsgeschwindigkeit begrenzt durch

Zustand 1

O2

ADP und Substrat

Zustand 2

O2, ADP

Substrat

Zustand 3 »aktiv«

O2, ADP, Substrat

Δμ˜H

Zustand 4 »kontrolliert«

O2, Substrat

ADP

Zustand 5

ADP, Substrat

O2

Entkoppelt

O2, Substrata

Maximalgeschwindigkeit des Elektronentransports

a

In diesem Zustand hat ADP keinen Einfluss auf die Atmungsgeschwindigkeit.

! Der Protonengradient treibt eine Drehbewegung im FO-Teil.

. Abb. 15.11. Aufbau der F1/FO-ATP-Synthase. Eine α- und eine β-Untereinheit ist nicht gezeigt, um die Sicht auf den zentralen Stiel freizugeben. Außerdem fehlen in dieser Darstellung acht weitere Untereinheiten, die für die Funktion der ATP-Synthase nicht unmittelbar von Bedeutung sind. (Einzelheiten 7 Text) (Nach Junge et al. 1997)

zusammen, wobei zwei mitochondrial codiert werden (. Abb. 15.11). Diese Untereinheiten, von denen einige in mehreren Kopien vorkommen, bilden den membranständigen FO-Teil, durch den die Protonen fließen, und den in die Matrix hineinragenden F1-Teil, welcher die Nucleotid-Bindungsstellen enthält. Der FO-Teil besteht aus der Untereinheit a und 10 Kopien der Untereinheit c. Neben weiteren nicht gezeigten kleinen Untereinheiten

Tabelle: klare Übersicht der wichtigsten Fakten

Merke: das Wichtigste auf den Punkt gebracht

Der sich drehende Teil der ATP-Synthase (»Rotor«) besteht aus dem Ring aus c-Untereinheiten im FO-Teil und dem zentralen Stil aus den Untereinheiten γ und ε. Jede c-Untereinheit trägt einen essentiellen Asparaginsäure-Rest im hydrophoben Bereich. Man nimmt an, dass immer eine dieser sauren Gruppen durch die a-Untereinheit »maskiert« wird. Untereinheit a besitzt außerdem zwei Protonenkanäle, die Protonen an die saure Gruppe heran und wieder weg führen können. Induziert nun ein Proton, das sich durch diese Kanäle von einer Seite der Membran zur anderen bewegt, das Weiterrücken des Rings um eine c-Untereinheit, so entsteht eine Drehbewegung, die über den zentralen Stil in den F1-Teil übertragen wird. Wie bei jedem Motor muss verhindert werden, dass sich der F1-Teil (»Stator«) als Ganzes mitdreht. Diese Aufgabe übernimmt der periphere Stil, der auch die a-Untereinheit festhält. Damit entspricht die Funktionsweise des FO-Teils der eines Flagellenmotors, der ebenfalls durch einen Protonengradienten angetrieben werden.

In Kürze Die strukturelle und funktionelle Komplexität der Organismen kann nur durch eine kontinuierliche Zufuhr freier Enthalpie (ΔG) aufrechterhalten werden. Diese Notwendigkeit ergibt sich aus den Gesetzen der Thermodynamik, die auch für lebende Systeme Gültigkeit besitzen. Quelle der erforderlichen freien Enthalpie ist die sauerstoffabhängige biologische Oxidation komplexer organischer Verbindungen. Die Änderung der freien Enthalpie hat bei exergonem Reaktionsverlauf einen negativen Wert. Exergone Reaktionen laufen spontan (freiwillig) ab und können unter isotherm-isobaren Bedingungen Arbeit leisten. Ist ΔG hingegen positiv, handelt es sich um eine endergone Reaktion, die nicht freiwillig abläuft.

In der Zelle werden endergone Reaktionen durch Kopplung mit exergonen Prozessen ermöglicht. Die energetische Kopplung wird wirkungsvoll durch »energiereiche« Phosphate vermittelt. ATP ist die wichtigste Verbindung mit hohem Gruppenübertragungspotential. Die Synthese der energiereichen Phosphate ist funktionell mit dem Ablauf von Redoxreaktionen verbunden: 4 direkt durch Substratkettenphosphorylierung 4 indirekt durch den Ausgleich eines chemiosmotischen Potentials bei der Atmungskettenphosphorylierung sowie bei Transphosphorylierungsreaktionen

In Kürze: fasst das Wichtigste des Kapitels zusammen

www.lehrbuch-medizin.de/biochemie

Lerncenter 7 kurze Einleitungen in verschiedene Themen der Biochemie mit weiterführenden Links

7 Original IMPP MC-Fragen als Quiz 7 Memocards – unser virtuelles Lernkartenspiel

Chemie Basics 7 Alles vergessen? Das Wichtigste zum Wiederholen in 60 min

Weitere Websites unter www.lehrbuch-medizin.de 7 Anatomisches Bilderquiz 7 Anatomie in der Klinik 7 Anatomie-Lexikon

7 Physiologie in der Klinik 7 Links zum Weiterklicken

7 Antwortkommentare zu MC-Fragen 7 Praktikumsversuche 7 Formelsammlung

Klinik 7 Die wichtigsten Klinikfälle für die Vorklinik – mit Bildern, Filmsequenzen und vielen unterhaltsamen Links

7 Antwortkommentare zu MC-Fragen 7 Lexikon statistischer Begriffe

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Fragen? [email protected]

XV

Inhaltsverzeichnis 5.6

I Bausteine und Strukturelemente 6 1

Grundlagen der Lebensvorgänge . . . . . . Georg Löffler, Petro E. Petrides

3

1.1 1.2

Biomoleküle, Zellen und Organismen . . . . . . Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 8 20

2

Kohlenhydrate, Lipide und Aminosäuren Georg Löffler

21

2.1 2.2 2.3

Kohlenhydrate . Lipide . . . . . . Aminosäuren . Literatur . . . . .

. . . .

22 32 45 53

3

Proteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hans R. Kalbitzer, Petro E. Petrides

55

3.1

Klassifizierung und Eigenschaften von Proteinen . . . . . . . . . . . . . . . . . Charakterisierung von Proteinen . . . . . Die räumliche Struktur der Proteine . . . Denaturierung, Faltung und Fehlfaltung von Proteinen . . . . . . . . . . . . . . . . . Methoden zur Strukturbestimmung von Proteinen . . . . . . . . . . . . . . . . . Synthese von Peptiden und Proteinen . . Genomik und Proteomik . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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56 59 69

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86

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90 92 94 98

4

Bioenergetik und Enzymologie . . . . . . . . Thomas Kriegel, Wolfgang Schellenberger

99

4.1

Thermodynamik und allgemeine Bioenergetik . . . . . . . . . . . . . . . Katalyse in biologischen Systemen . Mechanismen der Enzymkatalyse . Enzymkinetik . . . . . . . . . . . . . . Regulation der Enzymaktivität . . . Enzyme in der Medizin . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7

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. . . . . . .

. . . . . . .

Zelluläre Kompartimente, Membranen und Transport . . . . . . . . . . . . . . . . Organellen und Partikel . . . . . . . . . Cytoskelett . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

173

174 187 207 215

7

Replikation und Gentechnik . . . . . . . . . . Mathias Montenarh

219

7.1 7.2 7.3 7.4

Der Zellzyklus . . . . . . . . . . . . . Die Replikation der DNA . . . . . . Veränderungen der DNA-Sequenz Gentechnik . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .

220 228 236 241 253

8

Transkription und posttranskriptionale Prozessierung der RNA . . . . . . . . . . . . . . Mathias Montenarh

255

8.1 8.2 8.3 8.4 8.5

5

Nucleotide und Nucleinsäuren . . . . . . . . . Matthias Montenarh, Georg Löffler

141

9.1 9.2

5.1 5.2

Nucleoside und Nucleotide . . . . . . . . . . . . Zusammensetzung und Primärstruktur der Nucleinsäuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau der DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DNA als Trägerin der Erbinformation . . . . . . . Struktur und biologische Bedeutung der RNA

142

9.3

146 147 158 162

Zelluläre Organellen, Strukturen und Transportvorgänge . . . . . . . . . . . . . Andrej Hasilik

165 172

II Stoffwechsel der Zelle: Weitergabe und Realisierung der Erbinformation

100 107 117 121 129 134 139

5.3 5.4 5.5

. . . . . . .

. . . .

6.2 6.3

. . . . . . .

4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

. . . . . . .

. . . .

6.1

Chemische und physikalische Eigenschaften von Nucleinsäuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

Allgemeiner Mechanismus der Transkription Transkription bei Prokaryoten . . . . . . . . . . Transkription bei Eukaryoten . . . . . . . . . . Regulation der Transkription bei Prokaryoten Regulation der Genexpression bei Eukaryoten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

256 257 259 271

. .

271 283

Biosynthese, Modifikation und Abbau von Proteinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Andrej Hasilik

285

Biosynthese von Proteinen . . . . . . . . Faltung, Transport und Modifikation von Proteinen . . . . . . . . . . . . . . . . Proteinolyse und Abbau von Proteinen Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .

287

. . . . . . . . . . . . . . .

301 314 324

10

Viren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Susanne Modrow

325

10.1

Aufbau und Einteilung der Viren . . . . . . . . .

326

XVI

Inhaltsverzeichnis

10.2 10.3 10.4 10.5

Virusvermehrung und Replikation . . . . . . . . Folgen der Virusinfektion für Wirtszelle und Wirtsorganismus . . . . . . . . . . . . . . . . Diagnostik von Virusinfektionen . . . . . . . . . Prophylaxe und Therapie von Virusinfektionen Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

330 342 346 348 353

III Stoffwechsel der Zelle: Intermediärstoffwechsel 11

Stoffwechsel von Glucose und Glycogen . . Georg Löffler

357

11.1 11.2 11.3 11.4

Abbau der Glucose . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der Glycogenstoffwechsel . . . . . . . . . . . . . Die Gluconeogenese . . . . . . . . . . . . . . . . . Regulation von Glucoseaufnahme und -phosphorylierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regulation des Glycogenstoffwechsels . . . . . Regulation von Glycolyse und Gluconeogenese Pathobiochemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

358 368 372

11.5 11.6 11.7

12

12.1 12.2 12.3 12.4 12.5

Stoffwechsel von Triacylglycerinen und Fettsäuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Georg Löffler Stoffwechsel der Triacylglycerine . . . . . . . . Stoffwechsel der Fettsäuren . . . . . . . . . . . Regulation des Stoffwechsels von Fettsäuren und Triacylglycerinen . . . . . . . . . . . . . . . Ungesättigte Fettsäuren und Eikosanoide . . Pathobiochemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

375 380 386 393 396

. . . . .

490 506 509 512 514

16

Koordinierung des Stoffwechsels . . . . . . . Georg Löffler

515

16.1 16.2

Nahrungszufuhr und Nahrungskarenz . . . . . Muskelarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

516 531 536

17

Biosynthese von Kohlenhydraten . . . . . . . Georg Löffler

17.1

Biosynthese und Stoffwechsel von Monosacchariden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biosynthese der Zuckerbausteine von Glycoproteinen und Glycosaminoglycanen . . . . . Biosynthese von Oligosacchariden und Heteroglycanen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17.3

. . . .

414 418 425 425

Stoffwechsel des Stickstoffs . . . . . . . . . . . . Stickstoffhaushalt des Menschen . . . . . . . . . Reaktionen und Enzyme im Aminosäurestoffwechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Übersicht über den menschlichen Aminosäurestoffwechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aminosäurestoffwechsel der Organe . . . . . . Stoffwechsel einzelner Aminosäuren . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

428 430 432 438 444 454 476

14

Der Citratzyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Georg Löffler, Ulrich Brandt

477

14.1 14.2 14.3 14.4

Stellung des Citratzyklus im Stoffwechsel Reaktionsfolge des Citratzyklus . . . . . . . Regulation des Citratzyklus . . . . . . . . . Amphibole Natur des Citratzyklus . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

478 479 484 486 488

. . . . .

. . . . .

IV Stoffwechsel der Zelle: Biosynthese von Speicher- und Baustoffen

398 403

13.1 13.2 13.3

. . . . .

Energieumwandlung in den Mitochondrien Oxidoreduktasen . . . . . . . . . . . . . . . . . Oxidativer Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . Pathobiochemie . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. .

427

. . . . .

15.1 15.2 15.3 15.4

17.2

Stoffwechsel der Aminosäuren . . . . . . . . Klaus-Heinrich Röhm

13.5 13.6

Redoxreaktionen, Sauerstoff und oxidative Phosphorylierung . . . . . . . . . . . . . . . . . 489 Ulrich Brandt

397

13

13.4

15

18

18.1 18.2 18.3

539

.

540

.

543

. .

546 552

Stoffwechsel von Phosphoglyceriden, Sphingolipiden und Cholesterin. . . . . . . . Georg Löffler

553

. . . . . . . . . . . . . .

554 559

. . . . .

. . . . .

564 571 572 580 583

19

Stoffwechsel der Purine und Pyrimidine . . Georg Löffler, Monika Löffler

585

19.1

Biosynthese von Purin- und Pyrimidinnucleotiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wiederverwertung von Purinen und Pyrimidinen Abbau von Nucleotiden . . . . . . . . . . . . . . . Pathobiochemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18.4 18.5 18.6

19.2 19.3 19.4

Stoffwechsel der Phosphoglyceride Stoffwechsel der Sphingolipide . . . Stoffwechsel der Isoprenlipide und des Cholesterins . . . . . . . . . . . . Lipide und Signalmoleküle . . . . . . Transport der Lipide im Blut . . . . . Pathobiochemie . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

586 597 599 602 605

20

Häm und Gallenfarbstoffe . . . . . . . . . . . . Petro E. Petrides

607

20.1

Biosynthese des Häms . . . . . . . . . . . . . . . .

608

XVII Inhaltsverzeichnis

20.2 20.3 20.4

Pathobiochemie: Störungen der Hämbiosynthese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abbau des Häms zu Gallenfarbstoffen . . . . . . Pathobiochemie: Störungen des Bilirubinstoffwechsels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

614 621 624 626

24.5 24.6 24.7 24.8

21.1 21.2 21.3 21.4 21.5 21.6

Ernährung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hannelore Daniel, Uwe Wenzel

655

22.1 22.2

Allgemeine Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . Die einzelnen Spurenelemente . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

656 658 678

23

Vitamine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Georg Löffler, Regina Brigelius-Flohé

679

23.1 23.2 23.3 23.4

Allgemeine Grundlagen und Pathobiochemie Fettlösliche Vitamine . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserlösliche Vitamine . . . . . . . . . . . . . . Vitaminähnliche Substanzen . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

680 683 697 711 712

VI Stoffwechsel des Organismus: spezifische Gewebe

25.3 25.4 25.5 25.6 25.7

25.9 25.10

24.1 24.2 24.3 24.4

Zusammensetzung der extrazellulären Matrix (ECM) . . . . . . . . . . . . . . . . . Kollagene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elastische Fasern . . . . . . . . . . . . . . Proteoglykane . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

716 716 724 727

760 763 769 777 779 785 791 801 804 807

Die schnelle Stoffwechselregulation . . . . . 809 Harald Staiger, Norbert Stefan, Monika Kellerer, Hans-Ulrich Häring

26.1 26.2 26.3 26.4

Insulin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Glucagon . . . . . . . . . . . . . . . . . Katecholamine . . . . . . . . . . . . . Pathobiochemie: Diabetes mellitus Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .

810 823 826 832 838

27

Hypothalamisch-hypophysäres System und Zielgewebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Josef Köhrle, Petro E. Petrides

841

27.1 27.2

Binde- und Stützgewebe . . . . . . . . . . . . . 715 Rainer Deutzmann, Leena Bruckner-Tuderman, Peter Bruckner

757

26

27.3

24

737 747 754

Extrazelluläre Signalmoleküle und die Kommunikation zwischen Zellen . . . . . . . . . Stoffwechsel und Analyse von Hormonen und Cytokinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rezeptoren für Hormone und Cytokine . . . . . Prinzipien der Signaltransduktion von Membranrezeptoren . . . . . . . . . . . . . . . . . Einteilung der Cytokine . . . . . . . . . . . . . . . Signaltransduktion G-Protein-gekoppelter Rezeptoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Signaltransduktion von Rezeptor-Tyrosinkinasen und Rezeptor-Serin/Threoninkinasen . . . . . . Signaltransduktion über Rezeptoren mit assoziierten Kinasen . . . . . . . . . . . . . . . . . Besondere Aktivierungsmechanismen . . . . . Regulation der Signaltransduktion . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25.2

Spurenelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . Petro E. Petrides

. . .

25.1

25.8

22

730 736

Kommunikation zwischen Zellen: Extrazelluläre Signalmoleküle, Rezeptoren und Signaltransduktion . . . . . . . . . . . . . 755 Peter C. Heinrich, Serge Haan, Heike M. Hermanns, Georg Löffler, Gerhard Müller-Newen, Fred Schaper

631

Energiebilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632 Der Ernährungszustand . . . . . . . . . . . . . . . 638 Veränderungen der Energiebilanz . . . . . . . . 639 Kontrollmechanismen der Nahrungsaufnahme, Energie- und Nährstoffzufuhr . . . . . . . . . . . 642 Die Stoffwechselbedeutung einzelner Nährstoffe und ihre Beteiligung an der Homöostase . . . . 644 Besondere Ernährungserfordernisse . . . . . . . 652 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654

. .

25

V Stoffwechsel des Organismus: Bedeutung von Nahrungskomponenten 21

Nichtkollagene, zelladhäsive Glycoproteine . Abbau der extrazellulären Matrix . . . . . . . . Biochemie und Pathobiochemie des Skelettsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biochemie der Haut . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27.4 27.5 27.6 27.7 27.8

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

Hypothalamisch-hypophysäre Beziehungen . Hypothalamus-Hypophysen-Schilddrüsenhormonachse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinden-(Zona fasciculata-)Achse . . . . . . . . . Hypothalamus-Hypophysen-Gonadenachse . Zielgewebe der Gonadotropine beim Mann . Zielgewebe der Gonadotropine bei der Frau . Die Wachstumshormon-IGF-Achse . . . . . . . Antidiuretisches Hormon (Vasopressin) und Oxytocin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

.

843

.

847

. . . . .

862 870 874 878 885

. .

890 891

XVIII

Inhaltsverzeichnis

28

Funktion der Nieren und Regulation des Wasser- und Elektrolyt-Haushalts . . . . Armin Kurtz

893

28.1 28.2 28.3 28.4 28.5 28.6 28.7 28.8

Die Niere . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der Endharn (Urin) . . . . . . . . . . . . Der Wasserhaushalt . . . . . . . . . . . Der Natriumhaushalt . . . . . . . . . . Der Kaliumhaushalt . . . . . . . . . . . Der Calcium- und Phosphathaushalt . Der Magnesium- und Sulfathaushalt . Der Säure-Basen-Haushalt . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

895 914 917 921 928 930 939 942 950

29

Blut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Petro E. Petrides

951

29.1 29.2 29.3 29.4 29.5 29.6

Korpuskuläre Elemente des Bluts Erythrozyten . . . . . . . . . . . . . Leukozyten . . . . . . . . . . . . . . Thrombozyten . . . . . . . . . . . Blutstillung . . . . . . . . . . . . . . Plasmaproteine . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . .

952 953 972 976 979 991 999

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

30

Muskelgewebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1001 Dieter O. Fürst, Matthias Gautel, Petro E. Petrides

30.1 30.2 30.3

Feinstruktur der Muskulatur . . . . . . . . . . . . Die Proteine des kontraktilen Apparats . . . . . Molekularer Mechanismus der Muskelkontraktion und -relaxation . . . . . . . . . . . . Regeneration der Muskelzelle . . . . . . . . . . . Pathobiochemie: Angeborene und erworbene Muskelerkrankungen . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30.4 30.5

31

31.1 31.2 31.3 31.4 31.5 31.6

1002 1004 1009 1015 1017 1022

Nervensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1023 Astrid Scheschonka, Heinrich Betz, Cord-Michael Becker Stoffwechsel des Gehirns . . . . . . . . . . . Neuronale Zellen . . . . . . . . . . . . . . . . Chemische Signalübertragung zwischen Neuronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nicht-neuronale Zellen . . . . . . . . . . . . Neurodegenerative Krankheiten . . . . . . Neuronale Stammzellen und neurotrophe Faktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . 1024 . . . 1029 . . . 1036 . . . 1045 . . . 1048 . . . 1051 . . . 1051

32

Gastrointestinaltrakt. . . . . . . . . . . . . . . . 1053 Georg Löffler, Joachim Mössner

32.1 32.2

Gastrointestinale Sekrete . . . . . . . . . . . . . . 1054 Verdauung und Resorption einzelner Nahrungsbestandteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1068 Das Immunsystem des Intestinaltrakts . . . . . 1079 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1080

32.3

33

Leber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1083 Dieter Häussinger, Georg Löffler

33.1

Die zellulären Bestandteile der Leber und ihre anatomischen Beziehungen . . . . . . Funktionen der Leberparenchymzellen . . Biotransformation . . . . . . . . . . . . . . . Die Leber als Ausscheidungsorgan . . . . . Funktionen der Nichtparenchymzellen der Leber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pathobiochemie . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33.2 33.3 33.4 33.5 33.6

. . . .

. . . .

. . . .

1084 1086 1090 1096

. . . 1098 . . . 1099 . . . 1102

34

Immunsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1103 Siegfried Ansorge

34.1 34.2

Angeborene Immunantwort . . . . . . . . . . . Molekulare Instrumente der adaptiven Immunantwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die zellulären Komponenten des adaptiven Immunsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Komplementsystem . . . . . . . . . . . . . . . . Wechselwirkungen zwischen unspezifischer und spezifischer Immunantwort . . . . . . . . Immunabwehr von Mikroorganismen . . . . . Pathobiochemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34.3 34.4 34.5 34.6 34.7

. 1104 . 1105 . 1109 . 1130 . . . .

1133 1134 1136 1139

35

Tumorgewebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1141 Petro E. Petrides

35.1

Fehlregulation des Wachstums und der Differenzierung bei Tumoren . . . . . . . . . . . Tumorentstehung (Cancerogenese) . . . . . . . Onkogene. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Antionkogene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kumulative Aktivierung von Onkogenen und Inaktivierung von Antionkogenen beim Mehrschrittprozess der Tumorigenese . . . . . Entstehung von Fusionsgenen durch Translokationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mechanismen der Invasion und Metastasierung Tumorentstehung durch Cancerogene . . . . . Stoffwechsel von Tumorgeweben . . . . . . . . . Früherkennung von Tumoren . . . . . . . . . . . Krebstherapie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gentherapeutische Ansätze bei Krebserkrankungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35.2 35.3 35.4 35.5

35.6 35.7 35.8 35.9 35.10 35.11 35.12

1142 1143 1143 1145

1150 1154 1155 1157 1159 1159 1160 1161 1162

Anhang Häufige Abkürzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1164 Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1167

XIX

Vorbemerkungen Maßeinheiten

Die IFCD (International Federation for Clinical Chemistry) und die IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) haben gemeinsame Empfehlungen zur Vereinheitlichung von Maßeinheiten verabschiedet, die sog. SIEinheiten (Système International d‘unités). Das Maßsystem basiert auf den Grundeinheiten: Meter (m), Kilogramm (kg), Sekunde (s), Ampère (A), Kelvin (K), Mol (mol), Candela (cd) (. Tab. 1). Die Einheiten für z. B. Volumen, Konzentration, Kraft und Druck werden von diesen Grundeinheiten abgeleitet (. Tab. 2).

. Tabelle 1. SI-Basiseinheiten, Namen und Symbole SI-Basisgröße

SI-Einheit

Symbol

Bemerkungen

Länge

Meter

m

1 Ångström (Å) = 10–10 m = 0,1 nm

Masse

Kilogramm

kg

Zeit

Sekunde

s

Stromstärke

Ampère

A

Temperatur

Kelvin

K

Temp. in °C = Temp. in K – 273,2

Stoffmenge

Mol

mol

1 mol = 6,022 · 1023 Teilchen (Avogadro-Konstante)

Lichtstärke

Candela

cd

1 min = 60 s 1 h = 3600 s 1 d = 86400 s

. Tabelle 2. Abgeleitete Basiseinheiten, Namen und Symbole Abgeleitete Größe

Einheit

Symbol

Ableitung

Bemerkungen

Volumen

Liter

l

10–3 m3

1 l = 1 dm3 1 ml = 1 cm3 1 μl = 1 mm3 1 nl = 1 μm3

Konzentration

Molarität

M

mol l–1

1 mmol l–1 = 1 mol m–3 1 μmol l–1 = 1mmol m–3 Angaben in g%, g/100 ml, mg/100 ml sowie mol%, mval/l oder äq/l, mäq/l sollten nicht mehr verwendet werden

molare Masse, Molmasse (früher: Molekulargewicht)

Dalton

Da

g mol–1

Molekulare Masse (M) = Masse (m)/Stoffmenge (n)

Masse

–

m

g

Kraft

Newton

N

kg m s–2

Druck

Pascal

Pa

N m2

1 Bar = 105 Pa = 750 mm Hg 1 mm Hg = 133,3 Pa 1 atm = 1,0133 bar 1 Torr = 1,3332 mbar

Energie, Arbeit, Wärmemenge

Joule

J

Nm

1 Kalorie (cal) = 4,1868 J 1 Elektronenvolt (eV) = 1,602 10-19 J

Frequenz

Hertz

Hz

s–1

Leistung

Watt

W

J s–1

Elektrische Ladung

Coulomb

C

As

Spannung

Volt

Reaktionsgeschwindigkeit

–

v

mol s–1

Katalytische Aktivität

Einheit

U

μmol min–1

Sedimentationskoeffizient

Svedberg

S

10–13 s

Radioaktivität

Bequerel

Bq

1 Zerfall s–1

W A–1

1 Curie (Ci) = 3,7 1010 Bq

XX

Vorbemerkungen

. Tabelle 3. Häufig verwendete Zehnerpotenzen, Präfixe und Symbole Faktor

Präfixum

Symbol

15

10

Peta

P

1012

Tera

T

9

Giga

G

6

10

Mega

M

103

Kilo

k

10

2

10

Hekto

h

10

Deka

da

10–1

Dezi

d

–2

10

Centi

c

10–3

Milli

m

10–6

Mikro

μ

10–9

Nano

n

–12

10

Pico

p

10–15

Femto

f

tiefen oder einarbeiten will, sollte zu den Übersichtsarbeiten greifen, in denen oft über 100 Originalarbeiten zu dem betreffenden Thema zitiert werden, so dass man einen Überblick über die verschiedenen Hypothesen oder Theorien sowie die historische Entwicklung der Bearbeitung des Themas gewinnt. Handbücher und Monographien geben die Möglichkeit, die Information in größeren Zusammenhängen oder auch aktueller (z.B. Kongressberichte mit Diskussionsbeiträgen) zu erhalten. Die biochemische Literatur ist heute auf mehrere hundert verschiedene Journale verstreut, da die Biochemie als interdisziplinäre Fachrichtung Eingang in die verschiedensten Disziplinen gefunden hat. Übersichtsarbeiten findet man in den genannten Zeitschriften oder in sog. Fortschrittsberichten (Advances in…, Annual Review of …, International Review of …, Trends in Biochemical Siences). Am schnellsten findet man heute aktuelle Informationen zu einzelnen Fragen in elektronischen Datenbanken. Am einfachsten sind Veröffentlichungen in der National Library of Medicine (pubmed: www.pubmed.org) zu finden. Normwertbereiche

Reaktionsschemata

Es bedeuten: A B Hin- und Rückreaktion werden von verschiedenen Enzymen katalysiert. A B Hin- und Rückreaktion werden von demselben Enzym katalysiert. C

A

B

C reguliert die Reaktion von A nach B über eine Hemmung; D reguliert die Reaktion von B nach A über eine Aktivierung.

D Induktion Repression Hinweise zum Literaturverzeichnis

Der Abschnitt Literatur am Ende jedes Kapitels listet wissenschaftliche Publikationen auf, in denen wichtige Aspekte des jeweiligen Kapitels behandelt werden. Häufig wird zwischen Einzel- oder Originalarbeiten, Übersichtsarbeiten und Lehr- bzw. Handbüchern (auch Monographien) unterschieden. Einzelarbeiten weisen auf Erstbeschreibungen oder auf Informationen hin, die an dieser Stelle besonders gut nachgelesen werden können. Für den Anfänger sind Originalarbeiten schwer zu lesen. Wer sich in ein Gebiet ver-

Da in diesem Buch bei einigen biologisch-chemischen Größen, wie z. B. bei der Konzentration der Glucose, den Aminosäuren oder Lipiden im Blut, quantitative Angaben gemacht werden, soll kurz einiges zum Begriff des Normbereiches gesagt werden. Bestimmt man in einem größeren, klinisch nichtkranken Kollektiv z. B. die Blutzuckerkonzentration, so erhält man eine wichtige Größe, den Mittelwert, als das arithmetische Mittel der Werte aller untersuchten Personen: dabei wird die Summe aller Einzelwerte durch die Anzahl der durchgeführten Untersuchungen dividiert: 6xi x– = 8 n wobei x– (gelesen »x quer«) den Mittelwert, xi die Einzelmessung und n die Anzahl der untersuchten Personen (bzw. Untersuchungen) darstellt. Die Kenntnis des Mittelwertes reicht jedoch nicht aus, da er nichts über die Streubreite, d. h. die Differenz zwischen dem höchsten und niedrigsten Wert aussagt. Die Angabe der Streu- oder Variationsbreite ist wiederum unbefriedigend, da 1. nur die beiden Extremwerte berücksichtigt werden und 2. die Variationsbreite durch die Anzahl der Messungen bestimmt wird. Je mehr Messwerte vorliegen, desto höher wird die Differenz zwischen den beiden Extremwerten. Aus diesen Gründen berechnet man die Standardabweichung (s) oder Variabilität nach der Formel:

s=

冑

08 6(xi – –x)2 08 n–1

XXI Vorbemerkungen

Sie stellt ein Maß für die Streuung der Einzelwerte um den Mittelwert dar. Ermittelt man die Häufigkeitsverteilung der einzelnen Messgrößen in einem Kollektiv, so kann diese eine beliebige Kurvenform haben. Im Idealfall gruppieren sich die Messwerte in Form einer Normalverteilung (GAUSS-Verteilung) um den Mittelwert (x–). Die GAUSSVerteilung entspricht einer Glockenkurve, wobei die beiden Wendepunkte von entscheidender Bedeutung sind: der Abstand zwischen x– und dem Wendepunkt ist der Wert s, die Standardabweichung. Um die Normalwerte von den pathologischen Resultaten deutlich zu trennen, muss man auf beiden Seiten der Kurve Grenzen zwischen den bei Gesunden häufigen bzw. den seltenen Werten ziehen. Als Grenze des sog. Normwertbereiches definiert man im Allgemeinen – beim Vorliegen einer Normalverteilung – die Spanne innerhalb der doppelten Standardabweichung (x– ± 2s) zu beiden Seiten des Mittelwertes. Dieser Bereich schließt die mittleren 95% der Verteilung ein (Vertrauensbereich oder Normbereich).