Springer-Lehrbuch

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

Biochemie und Pathobiochemie8., völlig neu bearbeitete Auflage

Mit 1192 vierfarbigen Abbildungen und 192 Tabellen

123

Professor Dr. Georg LöfflerInstitut für BiochemieGenetik und MikrobiologieUniversität RegensburgUniversitätsstraße 3193053 RegensburgE-Mail: GeorgLoeffler@web.de

Professor Dr. Petro E. PetridesHämatologisch-onkologische Praxis am Isartorund Medizinische Fakultät der Ludwig-Maximilians-Universität MünchenZweibrückenstraße 280331 MünchenE-Mail:petrides@onkologiemuenchen.de

Professor Dr. Peter C. HeinrichInstitut für BiochemieUniversitätsklinikum RWTH AachenPauwelsstraße 3052074 AachenE-Mail: heinrich@rwth-aachen.de

ISBN-10 3-540-32680-4 8. Auflage Springer Medizin Verlag HeidelbergISBN-13 978-3-540-32680-9 8. Auflage Springer Medizin Verlag Heidelberg

Bibliografische Information der Deutschen NationalbibliothekDie 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 Deutsch land vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflich-tig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes.

Springer Medizin Verlag.

springer.com© Springer Medizin Verlag Heidelberg 1975, 1979, 1985, 1990, 1997, 1998, 2003, 2007Printed 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 Literatur-stellen 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 Markenschutzgesetz-gebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen.

Planung: Renate Scheddin, Kathrin Nühse, HeidelbergProjektmanagement: Rose-Marie Doyon, HeidelbergUmschlaggestaltung & Design: deblik BerlinAbbildung Umschlag: Dr. Serge Haan, Institut für Biochemie, RWTH Aachen. Die Abbildung zeigt ein Detail der Bin-dung des Transkriptions faktors 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 MannheimSPIN 10912935Satz: Fotosatz-Service Köhler GmbH, WürzburgDruck- und Bindearbeiten: Stürtz GmbH, WürzburgGedruckt 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 Bio-chemie ist insbesondere aufgrund einer Vielzahl neuer innovativer Techniken und Forschungsan-sätze 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 Lebenswissen-schaften 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 pathobioche-mischer 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 Erweite-rung unserer Kompetenz durch Einbeziehung neuer Autoren weiter verfolgt, wobei das bisherige didaktische Konzept mit straffer Gliederung der einzelnen Kapitel, Zusammenfassungen nach je-dem 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 Wirkungs mechanismus von Zytokinen einem Thema von höchster medizinischer Relevanz ge-widmet. Seit Jahren ist er darüber hinaus in seiner Eigenschaft als Lehrstuhlinhaber mit den Prob-lemen des Biochemie unterrichtes 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 Aktua-lisierung der Erbinformation, der durch die Kollegen Montenarh, Hasilik und Modrow sehr gründ-lich 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 Brigelius-Flohé 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

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 Ver-besserungsvorschläge.

Wir wünschen unseren Lesern viel Freude an dem spannenden Fach Biochemie/Pathobio-chemie, auch wenn die Lektüre zeitweise recht anspruchsvoll sein kann.

September 2006 Die Herausgeber

DanksagungFolgenden 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, Uni-versitätsklinikum RWTH Aachen: Alexander Krüttgen, Joachim Weis, (Kapitel 31); Peter Freyer, Institut für Biochemie, RWTH Aachen, gebührt Dank und Anerkennung für die zahlreichen graphi-schen 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 Sach-verzeichnisses. Auch für diese Auflage waren die zahlreichen Hinweise und Verbesserungsvor-schläge 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.

Danksagung

VII

Biographien

Georg Löfflerstudierte Medizin an der Universität München. Nach der Promotion über die Regu lation 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 Bio-chemie 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 Pyruvatdehydrogenase-komplexes 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 Differen-zierung des Fettgewebes und die Analyse sekretorischer Funktionen der Fettzelle.

Petro E. Petridesstudierte 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 Hämato-logie und Onkologie. Von 1998 bis 2000 Professor für Innere Medizin und Leiter der onko-logischen 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) so-wie Durchführung DFG-geförderter internationaler Symposien (www.innova-med.de).

Peter C. Heinrichstudierte 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 Assis tent am Bioche-mischen Institut der Universität Freiburg (H. Holzer). Von 1970–73 wissenschaftlicher Mitar-beiter 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 Uni-versität Freiburg. 1986 visiting professor an der Stanford University Medical School (G. Ringold). Seit 1987 Inhaber des Lehrstuhls für Biochemie und Molekularbiologie und Geschäftsführen-der Direktor des Institutes für Biochemie an der RWTH Aachen. 1994–2004 Sprecher der DFG-Forschergruppe und des anschließenden/Sonder forschungsbereichs 542 »Molekulare Mechanismen Zytokin-gesteuerter Entzündungsprozesse: Signaltransduktion und pathophysio-lo gische 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 moleku-laren Mechanismen der Interleukin-6 Signaltransduktion über den Jak/STAT-Weg und deren Signalabschaltung.

Professor Heinrich hat langjährige Erfahrung in Lehre und Betreuung von Medizin-, Biologie- und Biochemiestudenten.

Beitragsautoren

Prof. Dr. Siegfried Ansorge IMTM GmbH ZENIT-Technologiepark Leipziger Straße 44 D-39120 Magdeburg

Prof. Dr. Cord M. BeckerInstitut für BiochemieUniversität Erlangen-NürnbergFahrstr. 1791054 Erlangen

Prof. Dr. Heinrich BetzMax-Planck-Institut für HirnforschungDeutschordenstraße 46D-60528 Frankfurt/Main

Prof. Dr. Ulrich BrandtInstitut für Biochemie I, Zentrum f. Biologische ChemieUniversitätsklinikumTheodor-Stern-Kai 7, Haus 25B60590 Frankfurt

Prof. Dr. Regina Brigelius-FlohéDeutsches Institut für Ernährungs-forschungPotsdam-RehbrückeArthur-Scheunert-Allee 114 - 11614558 Nuthetal

Prof. Dr. Peter BrucknerInstitut für Physiologische Chemie und PathobiochemieUniversitätsklinikum MünsterWaldeyerstr. 1548129 Münster

Prof. Dr. Leena Bruckner-TudermanAbt. Dermatologie und Venerologie mit PoliklinikUniversitätsklinikum FreiburgHugstetter Strasse 4979095 Freiburg

Prof. Dr. Hannelore DanielTechnische Universität MünchenLehrstuhl für ErnährungsphysiologieHochfeldweg 285350 Freising-Weihenstephan

Prof. Dr. Rainer DeutzmannLehrstuhl für Biochemie IUniversität RegensburgUniversitätsstraße 3193053 Regensburg

Prof. Dr. Dieter O. FürstInstitut für ZellbiologieUniversität BonnUlrich Haberlandstraße 61a53121 Bonn

Prof. Dr. Matthias GautelMuscle Cell Biology, The Randall CentreNew Hunt’s House, Kings College LondonGuy’s Campus, London SE1 1ULGreat Britain

PD Dr. Serge HaanInstitut für BiochemieUniversitätsklinikum RWTH AachenPauwelstr. 3052074 Aachen

Prof. Dr. Hans-Ulrich Häring Medizinische UniversitätsklinikKlinische Chemie, Stoffwechsel-krankheitenund EndokrinologieOtfried-Müller-Straße 1072076 Tübingen

Prof. Dr. Andrej HasilikInstitut für Physiologische ChemieKarl-von-Frisch-Str.135043 Marburg

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

Prof. Dr. Peter C. HeinrichInstitut für BiochemieUniversitätsklinikum RWTH AachenPauwelstraße 3052074 Aachen

Dr. Heike HermannsInstitut für BiochemieUniversitätsklinikum RWTH AachenPauwelstr. 3052074 Aachen

Prof. Dr. Dr. Hans R. KalbitzerLehrstuhl für Biologie IIIUniversität RegensburgUniversitätsstraße 3193053 Regensburg

Prof. Dr. Monika KellererZentrum für Innere Medizin IMarienhospital StuttgartBöheimstr. 3770199 Stuttgart

Prof. Dr. Josef KöhrleInstitut für Experimentelle EndokrinologieCharité – Universitätsmedizin BerlinCampus Charité MitteSchumannstr. 20/2110117 Berlin

Prof. Dr. Thomas KriegelMedizinische Fakultät Carl Gustav CarusInstitut für Physiologische ChemieTechnische Universität DresdenFetscherstr. 74, D-01307 Dresden

Prof. Dr. Armin KurtzLehrstuhl f. Physiologie IUniversität RegensburgUniversitätsstraße 3193053 Regensburg

Prof. Dr. Georg Löffler Institut für BiochemieUniversität RegensburgUniversitätsstraße 3193053 Regensburg

Prof. Dr. Monika LöfflerInstitut für Physiologische ChemieUniversität MarburgKarl-von-Frisch-Str. 135033 Marburg

IX

Prof. Dr. Susanne ModrowInstitut für Medizinische Mikrobiologie und Hygiene Universität RegensburgFranz-Josef-Strauß-Allee 1193053 Regensburg

Prof. Dr. Mathias MontenarhInstitut für Medizinische BiochemieUniversitätskliniken des Saarlandes66421 Homburg/Saar

Prof. Dr. Joachim MössnerMedizinische Klinik und Poliklinik IIGastroenterologie/Hepatologie und Hämatologie/OnkologiePhilipp-Rosenthal-Str. 2704103 Leipzig

PD Dr. Gerhard Müller-NewenInstitut für BiochemieUniversitätsklinikum RWTH AachenPauwelstr. 3052074 Aachen

Prof. Dr. Petro E. PetridesHämatologisch-onkologische Schwerpunktpraxis am IsartorZweibrückenstr. 280331 München

Prof. Dr. Klaus-Heinrich RöhmInstitut für Physiologische ChemieUniversität MarburgKarl-von-Frisch-Straße 135043 Marburg

Prof. Dr. Fred SchaperInstitut für BiochemieUniversitätsklinikum RWTH AachenPauwelstr. 3052074 Aachen

Prof. Dr. Wolfgang SchellenbergerInstitut für Biochemie Medizinische Fakultät Universität LeipzigLiebigstr. 1604103 Leipzig

Dr. Astrid ScheschonkaMax-Planck-Institut für HirnforschungDeutschordenstraße 4660528 Frankfurt/Main

Dr. Harald StaigerDepartment für Innere Medizin Abteilung IV Medizinische Klinik und Poliklinik Eberhard-Karls-Universität TübingenOtfried-Müller-Str. 1072076 Tübingen

Dr. Norbert StefanDepartment für Innere Medizin Abteilung IV Medizinische Klinik und Poliklinik Eberhard-Karls-Universität TübingenOtfried-Müller-Str. 1072076 Tübingen

Dr. Uwe WenzelLehrstuhl für ErnährungsphysiologieTechnische Universität MünchenAm Forum 585350 Freising-Weihenstephan

Beitragsautoren

4 Kapitel 1 · Grundlagen der Lebensvorgänge

1>> 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 ermöglich-te, 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 Eukaryo-ten 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.

Den größten Anteil an der Masse lebender Zellen hat der Kohlenstoff mit etwa 60%, gefolgt von Stickstoff und Sauer-stoff mit jeweils etwa 10%. Wasserstoff, Calcium, Phos-phor 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 vor-kommenden Elemente in Metalle und Nichtmetalle einge-teilt werden.

Metalle sind in Form ihrer Kationen4 Träger von Ladungen4 Stabilisatoren von Strukturen sowie4 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 che-mische 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 Bestand-teilen der Atmosphäre unter dem Einfluss von ultraviolet-tem Licht und elektrischen Entladungen ein Satz einfacher organischer Verbindungen wie Ameisensäure, Milchsäu-re, Propionsäure, Essigsäure, Harnstoff und Aminosäu-ren entstanden sind. Diese Verbindungen weisen bereits funktionelle reaktive Gruppen auf.

1.1 Biomoleküle, Zellen und Organismen

1.1.1 Elemente in lebenden Systemen

Analysiert man die verschiedenen auf der Erde vorkom-menden 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.

InfoboxChemische Evolution im LaborDer 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 Entla-dungen 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 Entla-dungen in der Atmosphäre herrschten. Unter dieser Behandlung entstanden Hunderte von organischen Verbindungen, z.B. 10 der natürlich vorkommenden Aminosäuren, Mono-, Di- und Tricarbonsäuren, Form-aldehyd, Adenin, Zucker und sogar Nucleotidpoly-mere.

In jüngerer Zeit hat Günter Wächtershäuser die Annahme vertreten, dass Biomoleküle möglicherweise bei noch höheren Temperaturen an Eisensulfid-Ober-flächen entstanden sind, die als Katalysatoren gewirkt haben. In Modellversuchen konnte jüngst die Synthese von Pyruvat aus Formiat in derartigen Systemen nach-gewiesen werden.

Insgesamt zeigen diese Experimente, dass die einfachen Bausteine lebender Systeme ohne weiteres abiotisch gebildet werden können.

Biochemie und Pathobiochemie: das neue Layout

Leitsystem: Orientie-rung über die Kapitel 1–35 und Anhang

Einleitung: thema-tischer Einstieg ins Kapitel

Verweis auf Abbil-dungen, Tabellen und Kapitel: deutlich herausgestellt und leicht zu finden

Infobox: vertieft interessante Aspekte

Schlüsselbegriffe:sind fett hervorge-hoben

Inhaltliche Struktur: klare Gliederung durch alle Kapitel

1.1 · Biomoleküle, Zellen und Organismen15

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

. 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 unmittel-bar von Bedeutung sind. (Einzelheiten 7 Text) (Nach Junge et al. 1997)

! Der Protonengradient treibt eine Drehbewegung im FO-Teil.

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-Unter-einheit trägt einen essentiellen Asparaginsäure-Rest im hydrophoben Bereich. Man nimmt an, dass immer eine dieser sauren Gruppen durch die a-Untereinheit »mas-kiert« wird. Untereinheit a besitzt außerdem zwei Pro-tonenkanäle, 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 Protonengra-dienten angetrieben werden.

. Tabelle 15.3. Fließgleichgewichtszustände der Atmungskette

Im Überschussvorhanden

Atmungsgeschwin-digkeit begrenzt durch

Zustand 1 O2 ADP und Substrat

Zustand 2 O2, ADP Substrat

Zustand 3 »aktiv« O2, ADP, Substrat Δμ̃ H

Zustand 4 »kontrolliert«

O2, Substrat ADP

Zustand 5 ADP, Substrat O2

Entkoppelt O2, Substrata Maximalgeschwindig-keit des Elektronen-transports

a In diesem Zustand hat ADP keinen Einfluss auf die Atmungsge-schwindigkeit.

In Kürze

Die strukturelle und funktionelle Komplexität der Orga-nismen kann nur durch eine kontinuierliche Zufuhr freier Enthalpie (ΔG) aufrechterhalten werden. Diese Notwen-digkeit ergibt sich aus den Gesetzen der Thermodynamik, die auch für lebende Systeme Gültigkeit besitzen. Quelle der erforderlichen freien Enthalpie ist die sauerstoffab-hängige biologische Oxidation komplexer organischer Verbindungen.

Die Änderung der freien Enthalpie hat bei exergonem Reaktionsverlauf einen negativen Wert. Exergone Reakti-onen laufen spontan (freiwillig) ab und können unter iso-therm-isobaren Bedingungen Arbeit leisten. Ist ΔG hinge-gen 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 ener-getische Kopplung wird wirkungsvoll durch »energierei-che« Phosphate vermittelt. ATP ist die wichtigste Verbin-dung mit hohem Gruppenübertragungspotential.

Die Synthese der energiereichen Phosphate ist funktio-nell mit dem Ablauf von Redoxreaktionen verbunden:4 direkt durch Substratkettenphosphorylierung4 indirekt durch den Ausgleich eines chemiosmotischen

Potentials bei der Atmungskettenphosphorylierung sowie bei Transphosphorylierungsreak tionen

In Kürze: fasst das Wichtigste des Kapitels zusammen

Tabelle: klare Über-sicht der wichtigsten Fakten

Navigation Seitenzahl und Kapitelnummer für die schnelle Orientierung

1192 farbige Abbildungen: veranschaulichen komplizierte und komplexe Sachverhalte

Merke: das Wich-tigste auf den Punkt gebracht

www.lehrbuch-medizin.de/biochemie

7 kurze Einleitungen in verschiedene Themen der Biochemie mit weiterführenden Links

7 Original IMPP MC-Fragen als Quiz7 Memocards – unser virtuelles Lernkartenspiel

Lerncenter

7 Alles vergessen? Das Wichtigste zum Wiederholen in 60 min

Chemie Basics Weitere Websites unterwww.lehrbuch-medizin.de

Fragen?redaktion@lehrbuch-medizin.de

Machen Sie sich fit fürs Erste Staatsexamen

Auf www. lehrbuch-medizin.de trainieren Sie ab Januar 07 mit Original-Prüfungsfragen:

7 immer die neusten Prüfungsfragen – verständ-lich kommentiert

7 personifizierte Zugang – ich kann heute sehen, ob ich mich im Vergleich zu gestern verbessert habe

7 Auswahl der Fragen nach Fächern und Begriffen im Lernmodus

7 Prüfungssimulation – bis zum »Nichts geht mehr«

7 Statistiken und Lernhilfen

Einfach registrieren und los!

7 Die wichtigsten Klinikfälle für die Vorklinik – mit Bildern, Filmsequenzen und vielen unter-haltsamen Links

Klinik

7 Anatomisches Bilderquiz7 Anatomie in der Klinik7 Anatomie-Lexikon

7 Antwortkommentare zu MC-Fragen

7 Lexikon statistischer Begriffe

7 Antwortkommentare zu MC-Fragen

7 Praktikumsversuche7 Formelsammlung

7 Physiologie in der Klinik7 Links zum Weiterklicken

XV

Inhaltsverzeichnis

I Bausteine und Strukturelemente

1 Grundlagen der Lebensvorgänge . . . . . . 3Georg Löffler, Petro E. Petrides

1.1 Biomoleküle, Zellen und Organismen . . . . . . 41.2 Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2 Kohlenhydrate, Lipide und Aminosäuren 21 Georg Löffler2.1 Kohlenhydrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.2 Lipide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.3 Aminosäuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3 Proteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Hans R. Kalbitzer, Petro E. Petrides3.1 Klassifizierung und Eigenschaften

von Proteinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.2 Charakterisierung von Proteinen . . . . . . . . . 593.3 Die räumliche Struktur der Proteine . . . . . . . 693.4 Denaturierung, Faltung und Fehlfaltung

von Proteinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 863.5 Methoden zur Strukturbestimmung

von Proteinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 903.6 Synthese von Peptiden und Proteinen . . . . . . 923.7 Genomik und Proteomik . . . . . . . . . . . . . . 94 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

4 Bioenergetik und Enzymologie . . . . . . . . 99 Thomas Kriegel, Wolfgang Schellenberger4.1 Thermodynamik und allgemeine

Bioenergetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004.2 Katalyse in biologischen Systemen . . . . . . . . 1074.3 Mechanismen der Enzymkatalyse . . . . . . . . 1174.4 Enzymkinetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1214.5 Regulation der Enzymaktivität . . . . . . . . . . 1294.6 Enzyme in der Medizin . . . . . . . . . . . . . . . 134 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

5 Nucleotide und Nucleinsäuren . . . . . . . . . 141 Matthias Montenarh, Georg Löffler5.1 Nucleoside und Nucleotide . . . . . . . . . . . . 1425.2 Zusammensetzung und Primär struktur

der Nucleinsäuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1465.3 Aufbau der DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1475.4 DNA als Trägerin der Erb in formation . . . . . . . 1585.5 Struktur und biologische Bedeutung der RNA 162

5.6 Chemische und physikalische Eigenschaften von Nucleinsäuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

6 Zelluläre Organellen, Strukturen und Transportvorgänge . . . . . . . . . . . . . 173

Andrej Hasilik6.1 Zelluläre Kompartimente, Membranen

und Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1746.2 Organellen und Partikel . . . . . . . . . . . . . . 1876.3 Cytoskelett . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

II Stoffwechsel der Zelle: Weitergabe und Reali sie-rung der Erbinformation

7 Replikation und Gentechnik . . . . . . . . . . 219 Mathias Montenarh7.1 Der Zellzyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2207.2 Die Replikation der DNA . . . . . . . . . . . . . . 2287.3 Veränderungen der DNA-Sequenz . . . . . . . . 2367.4 Gentechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

8 Transkription und posttranskriptionale Prozessierung der RNA . . . . . . . . . . . . . . 255

Mathias Montenarh8.1 Allgemeiner Mechanismus der Transkription . 2568.2 Transkription bei Prokaryoten . . . . . . . . . . . 2578.3 Transkription bei Eukaryoten . . . . . . . . . . . 2598.4 Regulation der Transkription bei Prokaryoten . 2718.5 Regulation der Genexpression bei

Eukaryoten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283

9 Biosynthese, Modifikation und Abbau von Proteinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285

Andrej Hasilik9.1 Biosynthese von Proteinen . . . . . . . . . . . . . 2879.2 Faltung, Transport und Modifikation

von Proteinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3019.3 Proteinolyse und Abbau von Proteinen . . . . . 314 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324

10 Viren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 Susanne Modrow10.1 Aufbau und Einteilung der Viren . . . . . . . . . 326

XVI

10.2 Virusvermehrung und Replikation . . . . . . . . 33010.3 Folgen der Virusinfektion für Wirtszelle

und Wirtsorganismus . . . . . . . . . . . . . . . . 34210.4 Diagnostik von Virusinfektionen . . . . . . . . . 34610.5 Prophylaxe und Therapie von Virusinfektionen 348 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353

III Stoffwechsel der Zelle: Intermediär stoffwechsel

11 Stoffwechsel von Glucose und Glycogen . . 357 Georg Löffler11.1 Abbau der Glucose . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35811.2 Der Glycogenstoffwechsel . . . . . . . . . . . . . 36811.3 Die Gluconeogenese . . . . . . . . . . . . . . . . . 37211.4 Regulation von Glucoseauf nahme und

-phosphorylierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37511.5 Regulation des Glycogen stoffwechsels . . . . . 38011.6 Regulation von Glycolyse und Gluconeogenese 38611.7 Pathobiochemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396

12 Stoffwechsel von Triacylglycerinen und Fettsäuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397

Georg Löffler12.1 Stoffwechsel der Triacylglycerine . . . . . . . . . 39812.2 Stoffwechsel der Fettsäuren . . . . . . . . . . . . 40312.3 Regulation des Stoffwechsels von Fettsäuren

und Triacylglycerinen . . . . . . . . . . . . . . . . 41412.4 Ungesättigte Fettsäuren und Eikosanoide . . . 41812.5 Pathobiochemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425

13 Stoffwechsel der Aminosäuren . . . . . . . . 427 Klaus-Heinrich Röhm13.1 Stoffwechsel des Stickstoffs . . . . . . . . . . . . 42813.2 Stickstoffhaushalt des Menschen . . . . . . . . . 43013.3 Reaktionen und Enzyme im Aminosäure-

stoffwechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43213.4 Übersicht über den mensch lichen Aminosäure-

stoffwechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43813.5 Aminosäurestoffwechsel der Organe . . . . . . 44413.6 Stoffwechsel einzelner Aminosäuren . . . . . . 454 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476

14 Der Citratzyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477 Georg Löffler, Ulrich Brandt14.1 Stellung des Citratzyklus im Stoffwechsel . . . 47814.2 Reaktionsfolge des Citratzyklus . . . . . . . . . . 47914.3 Regulation des Citratzyklus . . . . . . . . . . . . 48414.4 Amphibole Natur des Citratzyklus . . . . . . . . 486 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488

15 Redoxreaktionen, Sauerstoff und oxidative Phosphorylierung . . . . . . . . . . . . . . . . . 489

Ulrich Brandt15.1 Energieumwandlung in den Mitochondrien . . 49015.2 Oxidoreduktasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50615.3 Oxidativer Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50915.4 Pathobiochemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514

16 Koordinierung des Stoffwechsels . . . . . . . 515 Georg Löffler16.1 Nahrungszufuhr und Nahrungskarenz . . . . . 51616.2 Muskelarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536

IV Stoffwechsel der Zelle: Biosynthese von Speicher- und Baustoffen

17 Biosynthese von Kohlenhydraten . . . . . . . 539 Georg Löffler17.1 Biosynthese und Stoffwechsel von Mono-

sacchariden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54017.2 Biosynthese der Zuckerbau steine von Glyco-

proteinen und Glycosaminoglycanen . . . . . . 54317.3 Biosynthese von Oligosacchariden und

Heteroglycanen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552

18 Stoffwechsel von Phosphoglyceriden, Sphingolipiden und Cholesterin. . . . . . . . 553

Georg Löffler18.1 Stoffwechsel der Phosphoglyceride . . . . . . . 55418.2 Stoffwechsel der Sphingolipide . . . . . . . . . . 55918.3 Stoffwechsel der Isoprenlipide und

des Cholesterins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56418.4 Lipide und Signalmoleküle . . . . . . . . . . . . . 57118.5 Transport der Lipide im Blut . . . . . . . . . . . . 57218.6 Pathobiochemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583

19 Stoffwechsel der Purine und Pyrimidine . . 585 Georg Löffler, Monika Löffler19.1 Biosynthese von Purin- und Pyrimidin-

nucleotiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58619.2 Wiederverwertung von Purinen und Pyrimidinen 59719.3 Abbau von Nucleotiden . . . . . . . . . . . . . . . 59919.4 Pathobiochemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605

20 Häm und Gallenfarbstoffe . . . . . . . . . . . . 607 Petro E. Petrides20.1 Biosynthese des Häms . . . . . . . . . . . . . . . . 608

Inhaltsverzeichnis

XVII

20.2 Pathobiochemie: Störungen der Hämbiosynthese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614

20.3 Abbau des Häms zu Gallen farbstoffen . . . . . . 62120.4 Pathobiochemie: Störungen des Bilirubinstoff-

wechsels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626

V Stoffwechsel des Orga nis-mus: Bedeutung von Nahrungs komponenten

21 Ernährung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631 Hannelore Daniel, Uwe Wenzel21.1 Energiebilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63221.2 Der Ernährungszustand . . . . . . . . . . . . . . . 63821.3 Veränderungen der Energiebilanz . . . . . . . . 63921.4 Kontrollmechanismen der Nahrungsaufnahme,

Energie- und Nährstoffzufuhr . . . . . . . . . . . 64221.5 Die Stoffwechselbedeutung einzelner Nährstoffe

und ihre Beteiligung an der Homöostase . . . . 64421.6 Besondere Ernährungs erfordernisse . . . . . . . 652 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654

22 Spurenelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655 Petro E. Petrides22.1 Allgemeine Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . 65622.2 Die einzelnen Spurenelemente . . . . . . . . . . 658 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 678

23 Vitamine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 679 Georg Löffler, Regina Brigelius-Flohé23.1 Allgemeine Grundlagen und Pathobiochemie 68023.2 Fettlösliche Vitamine . . . . . . . . . . . . . . . . . 68323.3 Wasserlösliche Vitamine . . . . . . . . . . . . . . 69723.4 Vitaminähnliche Substanzen . . . . . . . . . . . 711 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712

VI Stoffwechsel des Organismus: spezifische Gewebe

24 Binde- und Stützgewebe . . . . . . . . . . . . . 715 Rainer Deutzmann, Leena Bruckner-Tuderman, Peter Bruckner24.1 Zusammensetzung der extra zellulären

Matrix (ECM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71624.2 Kollagene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71624.3 Elastische Fasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72424.4 Proteoglykane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727

24.5 Nichtkollagene, zelladhäsive Glycoproteine . . 73024.6 Abbau der extrazellulären Matrix . . . . . . . . . 73624.7 Biochemie und Pathobiochemie des Skelett-

systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73724.8 Biochemie der Haut . . . . . . . . . . . . . . . . . 747 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754

25 Kommunikation zwischen Zellen: Extra zelluläre Signalmoleküle, Rezeptoren und Signaltransduktion . . . . . . . . . . . . . 755

Peter C. Heinrich, Serge Haan, Heike M. Hermanns, Georg Löffler, Gerhard Müller-Newen, Fred Schaper

25.1 Extrazelluläre Signalmoleküle und die Kommu nikation zwischen Zellen . . . . . . . . . 757

25.2 Stoffwechsel und Analyse von Hormonen und Cytokinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 760

25.3 Rezeptoren für Hormone und Cytokine . . . . . 76325.4 Prinzipien der Signal transduktion von

Membran rezeptoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 76925.5 Einteilung der Cytokine . . . . . . . . . . . . . . . 77725.6 Signaltransduktion G-Protein-gekoppelter

Rezeptoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77925.7 Signaltransduktion von Rezeptor-Tyrosinkinasen

und Rezeptor-Serin/Threoninkinasen . . . . . . 78525.8 Signaltransduktion über Rezeptoren mit

assoziierten Kinasen . . . . . . . . . . . . . . . . . 79125.9 Besondere Aktivierungs mechanismen . . . . . 80125.10 Regulation der Signal transduktion . . . . . . . . 804 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 807

26 Die schnelle Stoffwechselregulation . . . . . 809 Harald Staiger, Norbert Stefan, Monika Kellerer,

Hans-Ulrich Häring26.1 Insulin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81026.2 Glucagon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82326.3 Katecholamine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82626.4 Pathobiochemie: Diabetes mellitus . . . . . . . 832 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 838

27 Hypothalamisch-hypophysäres System und Zielgewebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 841

Josef Köhrle, Petro E. Petrides27.1 Hypothalamisch-hypophysäre Beziehungen . . 84327.2 Hypothalamus-Hypophysen-Schilddrüsen-

hormonachse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84727.3 Hypothalamus-Hypophysen-Nebennieren-

rinden-(Zona fasciculata-)Achse . . . . . . . . . . 86227.4 Hypothalamus-Hypophysen-Gonadenachse . . 87027.5 Zielgewebe der Gonadotropine beim Mann . . 87427.6 Zielgewebe der Gonadotropine bei der Frau . . 87827.7 Die Wachstumshormon-IGF-Achse . . . . . . . . 88527.8 Antidiuretisches Hormon (Vasopressin)

und Oxytocin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 890 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 891

Inhaltsverzeichnis

XVIII

28 Funktion der Nieren und Regulation des Wasser- und Elektrolyt-Haushalts . . . . 893

Armin Kurtz28.1 Die Niere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89528.2 Der Endharn (Urin) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91428.3 Der Wasserhaushalt . . . . . . . . . . . . . . . . . 91728.4 Der Natriumhaushalt . . . . . . . . . . . . . . . . 92128.5 Der Kaliumhaushalt . . . . . . . . . . . . . . . . . 92828.6 Der Calcium- und Phosphat haushalt . . . . . . . 93028.7 Der Magnesium- und Sulfat haushalt . . . . . . . 93928.8 Der Säure-Basen-Haushalt . . . . . . . . . . . . . 942 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 950

29 Blut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 951 Petro E. Petrides29.1 Korpuskuläre Elemente des Bluts . . . . . . . . . 95229.2 Erythrozyten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95329.3 Leukozyten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97229.4 Thrombozyten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97629.5 Blutstillung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97929.6 Plasmaproteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 991 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 999

30 Muskelgewebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1001 Dieter O. Fürst, Matthias Gautel, Petro E. Petrides30.1 Feinstruktur der Muskulatur . . . . . . . . . . . . 100230.2 Die Proteine des kontraktilen Apparats . . . . . 100430.3 Molekularer Mechanismus der Muskel-

kontraktion und -relaxation . . . . . . . . . . . . 100930.4 Regeneration der Muskelzelle . . . . . . . . . . . 101530.5 Pathobiochemie: Angeborene und erworbene

Muskelerkrankungen . . . . . . . . . . . . . . . . 1017 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1022

31 Nervensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1023 Astrid Scheschonka, Heinrich Betz, Cord-Michael Becker31.1 Stoffwechsel des Gehirns . . . . . . . . . . . . . . 102431.2 Neuronale Zellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102931.3 Chemische Signalübertragung zwischen

Neuronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103631.4 Nicht-neuronale Zellen . . . . . . . . . . . . . . . 104531.5 Neurodegenerative Krankheiten . . . . . . . . . 104831.6 Neuronale Stammzellen und neurotrophe

Faktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1051 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1051

32 Gastrointestinaltrakt. . . . . . . . . . . . . . . . 1053 Georg Löffler, Joachim Mössner32.1 Gastrointestinale Sekrete . . . . . . . . . . . . . . 105432.2 Verdauung und Resorption einzelner Nahrungs-

bestandteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106832.3 Das Immunsystem des Intestinaltrakts . . . . . 1079 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1080

33 Leber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1083 Dieter Häussinger, Georg Löffler33.1 Die zellulären Bestandteile der Leber und

ihre anatomischen Beziehungen . . . . . . . . . 108433.2 Funktionen der Leber parenchymzellen . . . . . 108633.3 Biotransformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109033.4 Die Leber als Ausscheidungs organ . . . . . . . . 109633.5 Funktionen der Nichtparenchym zellen

der Leber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109833.6 Pathobiochemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1099 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1102

34 Immunsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1103 Siegfried Ansorge34.1 Angeborene Immunantwort . . . . . . . . . . . . 110434.2 Molekulare Instrumente der adaptiven

Immunantwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110534.3 Die zellulären Komponenten des adaptiven

Immunsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110934.4 Komplementsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . 113034.5 Wechselwirkungen zwischen unspezifischer

und spezifischer Immunantwort . . . . . . . . . 113334.6 Immunabwehr von Mikro organismen . . . . . . 113434.7 Pathobiochemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1136 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1139

35 Tumorgewebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1141 Petro E. Petrides35.1 Fehlregulation des Wachstums und der

Differenzierung bei Tumoren . . . . . . . . . . . 114235.2 Tumorentstehung (Cancerogenese) . . . . . . . 114335.3 Onkogene. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114335.4 Antionkogene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114535.5 Kumulative Aktivierung von Onkogenen

und Inaktivierung von Antionkogenen beim Mehrschrittprozess der Tumorigenese . . . . . 1150

35.6 Entstehung von Fusionsgenen durch Translokationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1154

35.7 Mechanismen der Invasion und Metastasierung 115535.8 Tumorentstehung durch Cancerogene . . . . . 115735.9 Stoffwechsel von Tumorgeweben . . . . . . . . . 115935.10 Früherkennung von Tumoren . . . . . . . . . . . 115935.11 Krebstherapie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116035.12 Gentherapeutische Ansätze bei

Krebserkrankungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1161 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1162

Anhang

Häufige Abkürzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1164

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1167

Inhaltsverzeichnis

XIX

Vorbemerkungen

MaßeinheitenDie IFCD (International Federation for Clinical Chemistry) und die IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) haben gemeinsame Empfehlungen zur Verein-heitlichung von Maßeinheiten verabschiedet, die sog. SI-Einheiten (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 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 Hg1 mm Hg = 133,3 Pa1 atm = 1,0133 bar1 Torr = 1,3332 mbar

Energie, Arbeit, Wärmemenge

Joule J N m 1 Kalorie (cal) = 4,1868 J1 Elektronenvolt (eV) = 1,602 10-19 J

Frequenz Hertz Hz s–1

Leistung Watt W J s–1

Elektrische Ladung Coulomb C A s

Spannung Volt W A–1

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 1 Curie (Ci) = 3,7 1010 Bq

. 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 1 min = 60 s1 h = 3600 s1 d = 86400 s

Stromstärke Ampère A

Temperatur Kelvin K Temp. in °C = Temp. in K – 273,2

Stoffmenge Mol mol 1 mol = 6,022 · 1023 Teilchen (Avo-gadro-Konstante)

Lichtstärke Candela cd

XX

tiefen oder einarbeiten will, sollte zu den Übersichtsar-beiten greifen, in denen oft über 100 Originalarbeiten zu dem betreffenden Thema zitiert werden, so dass man einen Überblick über die verschiedenen Hypothesen oder Theo-rien sowie die historische Entwicklung der Bearbeitung des Themas gewinnt. Handbücher und Monographien geben die Möglichkeit, die Information in größeren Zusammen-hängen oder auch aktueller (z.B. Kongressberichte mit Dis-kussionsbeiträgen) zu erhalten.

Die biochemische Literatur ist heute auf mehrere hundert verschiedene Journale verstreut, da die Biochemie als interdisziplinäre Fachrichtung Eingang in die verschie-densten Disziplinen gefunden hat.

Übersichtsarbeiten findet man in den genannten Zeit-schriften 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.

NormwertbereicheDa in diesem Buch bei einigen biologisch-chemischen Grö-ßen, wie z. B. bei der Konzentration der Glucose, den Ami-nosäuren oder Lipiden im Blut, quantitative Angaben ge-macht werden, soll kurz einiges zum Begriff des Normbe-reiches gesagt werden.

Bestimmt man in einem größeren, klinisch nichtkran-ken Kollektiv z. B. die Blutzuckerkonzentration, so erhält man eine wichtige Größe, den Mittelwert, als das arith-metische Mittel der Werte aller untersuchten Personen: dabei wird die Summe aller Einzelwerte durch die Anzahl der durchgeführten Untersuchungen dividiert:

xix– = 8 n

wobei x– (gelesen »x quer«) den Mittelwert, xi die Einzelmes-sung 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 unbefrie digend, da 1. nur die beiden Extremwerte berücksichtigt werden und 2. die Variationsbreite durch die Anzahl der Messungen be-stimmt wird. Je mehr Messwerte vorliegen, desto höher wird die Differenz zwischen den beiden Extremwerten.

Aus diesen Gründen berechnet man die Standardab-weichung (s) oder Variabilität nach der Formel:

08

(xi – x–)2

s = �08 n – 1

Vorbemerkungen

ReaktionsschemataEs bedeuten:A B Hin- und Rückreaktion werden von verschiede-

nen 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 LiteraturverzeichnisDer Abschnitt Literatur am Ende jedes Kapitels listet wis-senschaftliche Publikationen auf, in denen wichtige Aspekte des jeweiligen Kapitels behandelt werden. Häufig wird zwi-schen Einzel- oder Originalarbeiten, Übersichtsarbeiten und Lehr- bzw. Handbüchern (auch Monographien) unter-schieden.

Einzelarbeiten weisen auf Erstbeschreibungen oder auf Informationen hin, die an dieser Stelle besonders gut nachgelesen werden können. Für den Anfänger sind Ori-ginalarbeiten schwer zu lesen. Wer sich in ein Gebiet ver-

. Tabelle 3. Häufig verwendete Zehnerpotenzen, Präfixe und Symbole

Faktor Präfixum Symbol

1015 Peta P

1012 Tera T

109 Giga G

106 Mega M

103 Kilo k

102 Hekto h

10 Deka da

10–1 Dezi d

10–2 Centi c

10–3 Milli m

10–6 Mikro μ

10–9 Nano n

10–12 Pico p

10–15 Femto f

XXI

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 GAUSS-Verteilung entspricht einer Glockenkurve, wobei die beiden Wendepunkte von entscheidender Bedeutung sind: der Ab-stand zwischen x– und dem Wendepunkt ist der Wert s, die Standardabweichung.

Um die Normalwerte von den pathologischen Resul-taten 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. Normwert-bereiches definiert man im Allgemeinen – beim Vorliegen einer Normalverteilung – die Spanne innerhalb der doppel-ten Standardabweichung (x– ± 2s) zu beiden Seiten des Mittelwertes. Dieser Bereich schließt die mittleren 95% der Verteilung ein (Vertrauensbereich oder Normbereich).

Vorbemerkungen