Inhaltsverzeichnis
Vorwort XIX
Didaktische Elemente und Zusatzinformationen XXV
TEIL I Einleitung 1
Kapitel 1 Einführung in die Biochemie 3
1.1 Biochemie: Eine moderne Wissenschaft 4
1.2 Die chemischen Elemente des Lebens 7
1.3 Viele wichtige Makromoleküle sind Polymere 9
1.3.1 Proteine 10
1.3.2 Polysaccharide 11
1.3.3 Nucleinsäuren 13
1.3.4 Lipide und Membranen 15
1.4 Die Energetik des Lebens 16
1.4.1 Reaktionsgeschwindigkeiten und Gleichgewichte 17
1.4.2 Thermodynamik 19
1.4.3 Gleichgewichtskonstanten und Änderungen
der Gibbs’schen Freien Standardenthalpie 22
1.5 Biochemie und Evolution 23
1.6 Die Zelle als Basiseinheit des Lebens 24
1.7 Prokaryontische Zellen: Strukturelle Merkmale 25
1.8 Eukaryontische Zellen: Strukturelle Merkmale 26
1.8.1 Der Zellkern 27
1.8.2 Das endoplasmatische Reticulum und der Golgi-Apparat 28
1.8.3 Mitochondrien und Chloroplasten 29
1.8.4 Spezialisierte Vesikel 30
1.8.5 Das Cytoskelett 31
1.9 Ein Bild von der lebenden Zelle 32
1.10 Multidisziplinäre Biochemie 33
Kapitel 2 Wasser 37
2.1 Die Polarität des Wassermoleküls 38
2.2 Wasserstoffbrückenbindungen im Wasser 40
2.3 Wasser als hervorragendes Lösungsmittel 43
2.3.1 Löslichkeit von ionischen und polaren Substanzen in Wasser 43
2.3.2 Zelluläre Konzentrationen und Diffusion 45
2.3.3 Der osmotische Druck 45
2.4 Unpolare Substanzen sind in Wasser schwer löslich 46
2.5 Nichtkovalente Wechselwirkungen 47
2.5.1 Ladungs-Ladungs-Wechselwirkungen 48
2.5.2 Wasserstoffbrückenbindungen 48
2.5.3 Van-der-Waals-Kräfte 50
2.5.4 Hydrophobe Wechselwirkungen 51
2.6 Wasser als Nucleophil 52
2.7 Die Ionisierung (Autoprotolyse) von Wasser 53
2.8 Die pH-Skala 56
2.9 Säuredissoziationskonstanten schwacher Säuren 58
2.10 Pufferlösungen – Widerstand gegen pH-Änderungen 65
VII
Inhaltsverzeichnis
VIII
TEIL II Struktur und Funktion 73
Kapitel 3 Aminosäuren und die Primärstruktur von Proteinen 75
3.1 Allgemeine Struktur von Aminosäuren 77
3.2 Strukturen der zwanzig Standard-Aminosäuren in Proteinen 80
3.2.1 Aliphatische Seitenketten 83
3.2.2 Aromatische Seitenketten 84
3.2.3 Schwefelhaltige Seitenketten 84
3.2.4 Seitenketten mit alkoholischen Gruppen 85
3.2.5 Basische Seitenketten 85
3.2.6 Saure Seitenketten und ihre Amidderivate 86
3.2.7 Die Hydrophobie der Seitenketten von Aminosäuren 86
3.3 Andere Aminosäuren und Aminosäurederivate 87
3.4 Ionisierung von Aminosäuren 89
3.5 Peptidbindungen zwischen Aminosäurenin Proteinen 93
3.6 Techniken der Proteinreinigung 95
3.7 Analysetechniken 98
3.8 Aminosäurenzusammensetzung von Proteinen 102
3.9 Bestimmung der Aminosäuresequenz 103
3.10 Strategien zur Proteinsequenzierung 106
3.11 Bestimmung von evolutionären Beziehungen
durch den Vergleich der Sequenz von Proteinen 108
Kapitel 4 Proteine: Dreidimensionale Struktur und Funktion 115
4.1 Die vier Organisationsebenen von Proteinstrukturen 118
4.2 Methoden zur Bestimmung der Proteinstruktur 119
4.3 Die Konformation der Peptidgruppe 122
4.4 Die α-Helix 126
4.5 β-Stränge und β-Faltblätter 130
4.6 Loops und Turns 132
4.7 Die Tertiärstruktur von Proteinen 134
4.7.1 Supersekundärstrukturen 134
4.7.2 Domänen 136
4.7.3 Domänenstruktur und Funktion 140
4.8 Die Quartärstruktur von Proteinen 141
4.9 Denaturierung und Renaturierung von Proteinen 144
4.10 Proteinfaltung und Stabilität 148
4.10.1 Der hydrophobe Effekt 150
4.10.2 Wasserstoffbrückenbindungen 150
4.10.3 Van-der-Waals- und Ladungs-Ladungs-Wechselwirkungen 151
4.10.4 Unterstützung der Proteinfaltung durch molekulare Chaperone 151
4.11 Kollagen, ein fibrilläres Protein 155
4.12 Die Strukturen von Myoglobin und Hämoglobin 157
4.13 Bindung von Sauerstoff an Myoglobin und Hämoglobin 160
4.13.1 Reversible Bindung von Sauerstoff an Häm 160
4.13.2 Sauerstoffbindungskurven von Myoglobin und Hämoglobin 161
4.13.3 Allosterie des Hämoglobins 164
4.14 Bindung von spezifischen Antikörpern an Antigene 167
Inhaltsverzeichnis
IX
Kapitel 5 Enzyme 175
5.1 Die sechs Enzym-Klassen 178
5.2 Eigenschaften von Enzymen aus kinetischen Experimenten 181
5.2.1 Chemische Kinetik 181
5.2.2 Enzymkinetik 183
5.3 Die Michaelis-Menten-Gleichung 185
5.3.1 Ableitung der Michaelis-Menten-Gleichung 186
5.3.2 Die katalytische Konstante kkat 188
5.3.3 Die Bedeutung von KM 189
5.4 Kinetische Konstanten als Maß für Enzymaktivität und katalytische Effizienz 190
5.5 Messung von KM und Vmax 192
5.6 Kinetik von Multisubstrat-Reaktionen 193
5.7 Reversible Hemmung von Enzymen 196
5.7.1 Kompetitive Hemmung 196
5.7.2 Unkompetitive Hemmung 198
5.7.3 Nichtkompetitive Hemmung 199
5.7.4 Anwendungen der Enzymhemmung 200
5.8 Irreversible Hemmung von Enzymen 201
5.9 Allosterische Enzyme mit kooperativer Substratbindung 202
5.10 Die Regulation der enzymatischen Aktivität 203
5.10.1 Phosphofructokinase – ein allosterisches Enzym 204
5.10.2 Allgemeine Eigenschaften von allosterischen Enzymen 206
5.10.3 Zwei Theorien der allosterischen Regulation 208
5.10.4 Regulation durch kovalente Modifizierung 210
5.11 Multienzymkomplexe und multifunktionelle Enzyme 211
Kapitel 6 Enzymatische Mechanismen 217
6.1 Terminologie der mechanistischen Chemie 218
6.1.1 Nucleophile Substitutionen 219
6.1.2 Spaltungsreaktionen 220
6.1.3 Redoxreaktionen 221
6.2 Stabilisierung von Übergangszuständen durch Katalysatoren 222
6.3 Grundlegende chemische Prozesse bei der enzymatischen Katalyse 225
6.3.1 Polare Aminosäurereste in aktiven Zentren 225
6.3.2 Säure-Base-Katalyse 228
6.3.3 Kovalente Katalyse 229
6.3.4 Einfluss des pH-Wertes auf enzymatische Reaktionsgeschwindigkeiten 230
6.4 Diffusionskontrollierte Reaktionen 231
6.4.1 Triosephosphat-Isomerase 232
6.4.2 Superoxid-Dismutase 235
6.5 Die Rolle der Substratbindung bei der enzymatischen Katalyse 236
6.5.1 Der Annäherungseffekt 238
6.5.2 Schwache Substratbindung 240
6.5.3 Induced fit 241
6.5.4 Stabilisierung des Übergangszustandes 243
6.6 Lysozym 247
6.7 Eigenschaften von Serin-Proteasen 250
6.7.1 Zymogene als inaktive Enzymvorstufen 250
6.7.2 Substratspezifität von Serin-Proteasen 253
6.7.3 Grundlagen der katalytischen Aktivität der Serin-Proteasen 254
Inhaltsverzeichnis
X
Kapitel 7 Coenzyme und Vitamine 265
7.1 Anorganische Kationen als Cofaktoren vieler Enzyme 267
7.2 Klassifikation von Coenzymen 268
7.3 ATP und andere Nucleotid-Cosubstrate 271
7.4 NAD und NADP 273
7.5 FAD und FMN 277
7.6 Coenzym A 279
7.7 Thiaminpyrophosphat – TPP 280
7.8 Pyridoxalphosphat – PLP 282
7.9 Biotin 284
7.10 Tetrahydrofolat 287
7.11 Cobalamin 289
7.12 Liponamid 291
7.13 Fettlösliche Vitamine 292
7.13.1 Vitamin A 293
7.13.2 Vitamin D 293
7.13.3 Vitamin E 294
7.13.4 Vitamin K 294
7.14 Ubichinon 295
7.15 Proteine als Coenzyme 295
7.16 Cytochrome 297
Kapitel 8 Kohlenhydrate 303
8.1 Monosaccharide als chirale Verbindungen 304
8.2 Cyclisierung von Aldosen und Ketosen 309
8.3 Konformationen von Monosacchariden 312
8.4 Derivate von Monosacchariden 315
8.4.1 Zuckerphosphate 315
8.4.2 Desoxyzucker 315
8.4.3 Aminozucker 316
8.4.4 Zuckeralkohole 316
8.4.5 Zuckersäuren 316
8.4.6 Ascorbinsäure 316
8.5 Disaccharide und andere Glycoside 318
8.5.1 Strukturen von Disacchariden 318
8.5.2 Reduzierende und nichtreduzierende Zucker 320
8.5.3 Nucleoside und andere Glycoside 320
8.6 Polysaccharide 321
8.6.1 Stärke und Glycogen 322
8.6.2 Cellulose und Chitin 324
8.7 Glycokonjugate 326
8.7.1 Proteoglycane 326
8.7.2 Peptidoglycane 329
8.7.3 Glycoproteine 331
Kapitel 9 Lipide und Membranen 341
9.1 Strukturelle und funktionelle Vielfalt von Lipiden 342
9.2 Fettsäuren 343
9.3 Triacylglycerine 347
9.4 Glycerophospholipide 349
9.5 Sphingolipide 352
9.6 Steroide 354
Inhaltsverzeichnis
XI
9.7 Andere biologisch bedeutende Lipide 357
9.8 Aufbau biologischer Membranen aus Lipiddoppelschichten und Proteinen 358
9.8.1 Lipiddoppelschichten 359
9.8.2 Fluid-Mosaik-Modell der biologischen Membranen 362
9.9 Lipiddoppelschichten und Membranen als dynamische Strukturen 364
9.10 Die drei Membranprotein-Klassen 369
9.11 Membrantransport 372
9.11.1 Thermodynamik des Membrantransports 374
9.11.2 Poren und Kanäle 375
9.11.3 Passiver Transport 377
9.11.4 Aktiver Transport 378
9.11.5 Endocytose und Exocytose 380
9.12 Transduktion extrazellulärer Signale 381
9.12.1 G-Proteine als Signaltransduktoren 383
9.12.2 Der Adenylat-Cyclase-Signalweg 385
9.12.3 Der Phosphoinositid-Signalweg 386
9.12.4 Rezeptor-Tyrosin-Kinasen 389
TEIL III Stoffwechsel und Bioenergetik 397
Kapitel 10 Einführung in den Stoffwechsel 399
10.1 Der Stoffwechsel als Summe zellulärer Reaktionen 400
10.2 Stoffwechselwege 403
10.2.1 Stoffwechselwege – Sequenzen von Reaktionen 403
10.2.2 Der Stoffwechsel läuft über viele einzelne Schritte 404
10.2.3 Regulation von Stoffwechselwegen 405
10.2.4 Die Evolution von Stoffwechselwegen 408
10.3 Hauptstoffwechselwege in Zellen 410
10.4 Kompartimentierung und der Stoffwechsel verschiedener Organe 413
10.5 Tatsächliche Änderung der Gibbs’schen Freien Enthalpie –
Spontaneität von Stoffwechselreaktionen 414
10.6 Die Freie Enthalpie von ATP 418
10.7 Die Rolle von ATP im Stoffwechsel 422
10.7.1 Übertragung von Phosphorylgruppen 423
10.7.2 Synthese von ATP durch Phosphorylgruppenübertragung 425
10.7.3 Übertragung von Nucleotidylgruppen 427
10.8 Hohe Freie Hydrolyseenthalpien von Thioestern 428
10.9 Speicherung der Energie aus biologischen Oxidationen
in reduzierten Coenzymen 429
10.9.1 Die Gibbs’sche Freie Reaktionsenthalpie und das Reduktionspotenzial 430
10.9.2 Gewinnung von Freier Enthalpie aus der Oxidation von NADH 434
10.10 Experimentelle Methoden zur Untersuchung des Stoffwechsels 435
Kapitel 11 Glycolyse 441
11.1 Die enzymatischen Reaktionen der Glycolyse 443
11.2 Die zehn enzymatisch katalysierten Schritte der Glycolyse 447
11.2.1 Hexokinase 447
11.2.2 Glucose-6-phosphat-Isomerase 448
11.2.3 Phosphofructokinase-1 449
11.2.4 Aldolase 450
11.2.5 Triosephosphat-Isomerase 452
Inhaltsverzeichnis
XII
11.2.6 Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase 453
11.2.7 Phosphoglycerat-Kinase 455
11.2.8 Phosphoglycerat-Mutase 455
11.2.9 Enolase 457
11.2.10 Pyruvat-Kinase 458
11.3 Das Schicksal des Pyruvats 458
11.3.1 Umsetzung von Pyruvat zu Ethanol 459
11.3.2 Reduktion von Pyruvat zu Lactat 460
11.4 Änderung der Freien Enthalpie im Verlauf der Glycolyse 461
11.5 Regulation der Glycolyse 463
11.5.1 Die Regulation von Hexosetransportern 463
11.5.2 Regulation der Hexokinase 465
11.5.3 Regulation der Phosphofructokinase-1 467
11.5.4 Regulation der Pyruvat-Kinase 469
11.5.5 Der Pasteur-Effekt 470
11.6 Eintritt anderer Zucker in die Glycolyse 471
11.6.1 Umwandlung von Fructose in Glycerinaldehyd-3-phosphat 471
11.6.2 Umwandlung von Galactose in Glucose-1-phosphat 472
11.6.3 Umwandlung von Mannose in Fructose-6-phosphat 474
11.7 Der Entner-Doudoroff-Weg in Bakterien 474
Kapitel 12 Gluconeogenese, Pentosephosphatweg und
Glycogenstoffwechsel 479
12.1 Gluconeogenese 480
12.1.1 Pyruvat-Carboxylase 482
12.1.2 Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase 483
12.1.3 Fructose-1,6-bisphosphatase 484
12.1.4 Glucose-6-phosphatase 485
12.2 Vorstufen der Gluconeogenese 486
12.2.1 Lactat 486
12.2.2 Aminosäuren 487
12.2.3 Glycerin 487
12.2.4 Propionat und Lactat 488
12.2.5 Acetat 488
12.3 Die Regulation der Gluconeogenese 489
12.4 Der Pentosephosphatweg 490
12.4.1 Oxidative Phase 493
12.4.2 Nichtoxidative Phase 493
12.4.3 Reaktionen der Transketolase und der Transaldolase 495
12.5 Glycogenstoffwechsel 497
12.5.1 Glycogensynthese 497
12.5.2 Glycogenabbau 499
12.6 Regulation des Glycogenstoffwechsels 501
12.6.1 Regulation des Glycogenstoffwechsels durch Hormone 502
12.6.2 Reziproke Regulation von Glycogen-Phosphorylase
und Glycogen-Synthase 503
12.6.3 Intrazelluläre Regulation des Glycogenstoffwechsels
über interkonvertierbare Enzyme 504
12.7 Aufrechterhaltung eines konstanten Glucosespiegels in Säugetieren 508
Inhaltsverzeichnis
XIII
Kapitel 13 Der Citronensäurezyklus 515
13.1 Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA 518
13.2 Der Citronensäurezyklus und die Oxidation von Acetyl-CoA 524
13.3 Die Enzyme des Citronensäurezyklus 528
13.3.1 Citrat-Synthase 529
13.3.2 Aconitase 531
13.3.3 Isocitrat-Dehydrogenase 532
13.3.4 Der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex 536
13.3.5 Succinyl-CoA-Synthetase 537
13.3.6 Succinat-Dehydrogenase-Komplex 538
13.3.7 Fumarase 539
13.3.8 Malat-Dehydrogenase 540
13.4 Reduzierte Coenzyme als Energielieferanten für die ATP-Produktion 541
13.5 Regulation des Citronensäurezyklus 543
13.6 Azyklische Verläufe des Citronensäurezyklus 545
13.7 Der Glyoxylatzyklus 548
13.8 Evolution des Citronensäurezyklus 551
Kapitel 14 Elektronentransport und ATP-Synthese 557
14.1 Membrangebundener Elektronentransport und ATP-Synthese – ein Überblick 558
14.2 Mitochondrien 559
14.3 Die chemiosmotische Theorie und die protonenmotorische Kraft 562
14.3.1 Historischer Hintergrund der chemiosmotischen Theorie 562
14.3.2 Die protonenmotorische Kraft 564
14.4 Elektronentransport 565
14.4.1 Komplexe I bis IV 565
14.4.2 Cofaktoren beim Elektronentransport 568
14.5 Komplex I 569
14.6 Komplex II 571
14.7 Komplex III 572
14.8 Komplex IV 576
14.9 Komplex V: ATP-Synthase 579
14.10 Aktiver Transport von ATP, ADP und Pi durch die innere Mitochondrienmembran 584
14.11 Das P/O-Verhältnis 585
14.12 NADH-Shuttle-Systeme in Eukaryonten 586
14.13 Andere Elektronendonatoren und terminale Elektronenakzeptoren 590
14.14 Superoxid-Anionen 591
Kapitel 15 Photosynthese 597
15.1 Pigmente und Lichtsammelkomplexe 599
15.2 Bakterielle Photosysteme 604
15.2.1 Photosystem II 605
15.2.2 Photosystem I 608
15.2.3 Gekoppelte Photosysteme und Cytochrom bf 611
15.2.4 Reduktionspotenziale und Gibbs’sche Freie Enthalpien
bei der Photosynthese 615
15.2.5 Photosynthetische Komplexe in innenliegenden Membranen 618
15.3 Photosynthese in Pflanzen 620
15.3.1 Chloroplasten 620
15.3.2 Photosysteme in Pflanzen 622
15.3.3 Organisation der Photosysteme in Chloroplasten 623
Inhaltsverzeichnis
XIV
15.4 Fixierung von CO2: der Calvin-Zyklus 624
15.4.1 Der Calvin-Zyklus 625
15.4.2 Rubisco: Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase 625
15.4.3 Oxygenierung von Ribulose-1,5-bisphosphat 629
15.4.4 Calvin-Zyklus: Reduktions- und Regenerationsphase 630
15.5 Saccharose- und Stärkestoffwechsel in Pflanzen 632
15.6 Zusätzliche Wege zur CO2-Fixierung 635
15.6.1 Der C4-Zyklus 635
15.6.2 Crassulaceen-Säurestoffwechsel (CAM) 637
15.6.3 CO2-Fixierung in Bakterien 639
Kapitel 16 Lipidstoffwechsel 643
16.1 Biosynthese von Fettsäuren 644
16.1.1 Synthese von Malonyl-ACP und Acetyl-ACP 645
16.1.2 Die Startreaktion der Fettsäurebiosynthese 646
16.1.3 Die Reaktionen der Elongationsphase der Fettsäuresynthese 647
16.1.4 Aktivierung von Fettsäuren 649
16.1.5 Elongasen und Desaturasen 650
16.2 Synthese von Triacylglycerinen und Glycerophospholipiden 652
16.3 Synthese von Eicosanoiden 655
16.4 Synthese von Etherlipiden 658
16.5 Synthese von Sphingolipiden 659
16.6 Synthese von Cholesterin 662
16.6.1 Phase 1: Vom Acetyl-CoA zum Isopentenylpyrophosphat 662
16.6.2 Phase 2: Vom Isopentenylpyrophosphat zum Squalen 665
16.6.3 Phase 3: Vom Squalen zum Cholesterin 665
16.6.4 Andere Produkte des Isoprenoidstoffwechsels 665
16.7 Fettsäureoxidation 667
16.7.1 Die Reaktionen der β-Oxidation 668
16.7.2 Vergleich von Fettsäuresynthese und β-Oxidation 671
16.7.3 Transport von Fettsäureacyl-CoA in die Mitochondrien 672
16.7.4 ATP-Produktion durch die Fettsäureoxidation 673
16.7.5 β-Oxidation von ungesättigten Fettsäuren
und Fettsäuren mit ungerader Kohlenstoffzahl 674
16.8 Produktion von eukaryontischen Lipiden an einer Vielzahl von Orten 677
16.9 Hormonelle Regulation des Lipidstoffwechsels in Säugetieren 678
16.10 Absorption und Mobilisierung von Brennstofflipiden in Säugetieren 681
16.10.1 Absorption von Nahrungslipiden 681
16.10.2 Lipoproteine 683
16.10.3 Serumalbumin 687
16.11 Ketonkörper als Brennstoffmoleküle 687
16.11.1 Synthese der Ketonkörper in der Leber 688
16.11.2 Oxidation von Ketonkörpern in Mitochondrien 690
Kapitel 17 Aminosäurestoffwechsel 697
17.1 Stickstoffkreislauf und Stickstofffixierung 699
17.2 Assimilation von Ammoniak 702
17.2.1 Einbau von Ammoniak in Glutamat und Glutamin 702
17.2.2 Transaminierungen 703
17.3 Synthese von Aminosäuren 705
17.3.1 Aspartat und Asparagin 705
17.3.2 Lysin, Methionin und Threonin 706
17.3.3 Alanin, Valin, Leucin und Isoleucin 707
Inhaltsverzeichnis
XV
17.3.4 Glutamat, Glutamin, Arginin und Prolin 708
17.3.5 Serin, Glycin und Cystein 709
17.3.6 Phenylalanin, Tyrosin und Tryptophan 710
17.3.7 Histidin 715
17.4 Aminosäuren als Vorstufen im Stoffwechsel 715
17.4.1 Von Glutamat, Glutamin und Aspartat abgeleitete Produkte 716
17.4.2 Von Serin und Glycin abgeleitete Produkte 716
17.4.3 Synthese von Stickstoffmonoxid aus Arginin 717
17.5 Proteinumsatz 719
17.6 Aminosäurekatabolismus 720
17.6.1 Alanin, Asparagin, Aspartat, Glutamat und Glutamine 722
17.6.2 Arginin, Histidin und Prolin 722
17.6.3 Glycin und Serin 723
17.6.4 Threonin 724
17.6.5 Verzweigtkettige Aminosäuren 725
17.6.6 Methionin 726
17.6.7 Cystein 727
17.6.8 Phenylalanin, Tryptophan und Tyrosin 728
17.6.9 Lysin 731
17.7 Umwandlung von Ammoniak in Harnstoff im Harnstoffzyklus 731
17.7.1 Synthese von Carbamoylphosphat 732
17.7.2 Die Reaktionen des Harnstoffzyklus 733
17.7.3 Versorgung des Harnstoffzyklus mit Stickstoffsubstraten 735
17.8 Erzeugung von Hydrogencarbonat im renalen Glutaminstoffwechsel 737
Kapitel 18 Nucleotidstoffwechsel 743
18.1 Synthese von Purinnucleotiden 744
18.2 Synthese anderer Purinnucleotide aus IMP 748
18.3 Synthese von Pyrimidinnucleotiden 751
18.3.1 Der Pyrimidinnucleotid-Biosyntheseweg 751
18.3.2 Regulation der Pyrimidinsynthese 754
18.4 Synthese von CTP aus UMP 756
18.5 Reduktion von Ribonucleotiden zu Desoxyribonucleotiden 757
18.6 Methylierung von dUMP zu dTMP 758
18.7 Wiederverwertung von Purin- und Pyrimidinbasen 761
18.8 Purinkatabolismus 763
18.9 Der Purinnucleotidzyklus im Muskel 768
18.10 Pyrimidinkatabolismus 768
TEIL IV Biologischer Informationsfluss 775
Kapitel 19 Nucleinsäuren 777
19.1 Nucleotide als Bausteine von Nucleinsäuren 779
19.1.1 Ribose und Desoxyribose 779
19.1.2 Purin- und Pyrimidinbasen 780
19.1.3 Nucleoside 782
19.1.4 Nucleotide 784
19.2 Die doppelsträngige Struktur der DNA 786
19.2.1 3¿¬5¿-Phosphodiester-Brücken zwischen Nucleotiden 787
19.2.2 Eine Doppelhelix aus zwei antiparallelen Strängen 788
19.2.3 Stabilisierung der Doppelhelix durch schwache Wechselwirkungen 793
19.2.4 Konformationen doppelsträngiger DNA 795
Inhaltsverzeichnis
XVI
19.3 Superspiralisierte DNA 796
19.4 RNA-Klassen 798
19.5 Chromatin – Organisation von DNA in eukaryontischen Zellen 799
19.5.1 Nucleosomen 800
19.5.2 Höhere Organisationsebenen der Chromatinstruktur 803
19.5.3 DNA-Verpackung in Bakterien 804
19.6 Nucleasen und die Hydrolyse von Nucleinsäuren 805
19.6.1 Alkalische Hydrolyse von RNA 805
19.6.2 RNA-Hydrolyse durch Ribonucleasen 807
19.6.3 Restriktionsendonucleasen 809
19.6.4 Die Bindung von EcoRI an DNA 812
19.7 Nutzung von Restriktionsendonucleasen 813
Kapitel 20 DNA: Replikation, Reparatur und Rekombination 819
20.1 Bidirektionale chromosomale DNA-Replikation 821
20.2 DNA-Polymerase 823
20.2.1 Elongation durch Nucleotidylgruppenübertragungen 824
20.2.2 Die Bindung der DNA-Polymerase III an die Replikationsgabel 827
20.2.3 Korrektur von Replikationsfehlern 828
20.3 Simultane Synthese von zwei Strängen durch die DNA-Polymerase 829
20.3.1 Die diskontinuierliche Synthese des Folgestrangs 829
20.3.2 RNA-Primer bei der Synthese der Okazaki-Fragmente 830
20.3.3 Verknüpfung der Okazaki-Fragmente durch die DNA-Polymerase I
und die DNA-Ligase 831
20.4 Modell des Replisoms 835
20.5 Initiation und Termination der DNA-Replikation 836
20.6 Die DNA-Replikation in Eukaryonten 838
20.7 DNA-Reparatur 844
20.7.1 Reparatur nach einer Photodimerisierung:
ein Beispiel für eine direkte Reparatur 845
20.7.2 Nucleotid-Excisionsreparatur 846
20.8 Homologe Rekombination 848
20.8.1 Das Holliday-Modell der allgemeinen Rekombination 850
20.8.2 Rekombination in E.coli 851
20.8.3 Rekombination als Form der Reparatur 853
Kapitel 21 Transkription und RNA-Prozessierung 859
21.1 RNA-Typen 861
21.2 RNA-Polymerase 862
21.2.1 RNA-Polymerase – ein oligomeres Protein 863
21.2.2 Die Kettenverlängerung 864
21.3 Initiation der Transkription 866
21.3.1 Die 5¿¡3¿-Orientierung der Gene 867
21.3.2 Zusammenbau des Transkriptionskomplexes am Promotor 867
21.3.3 Erkennung des Promotors durch die σ-Untereinheiten 870
21.3.4 Konformationsänderung der DNA durch die RNA-Polymerase 870
21.4 Termination der Transkription 873
21.5 Transkription in Eukaryonten 875
21.5.1 Eukaryontische RNA-Polymerasen und Transkriptionsfaktoren 875
21.5.2 Eukaryontische Transkriptionsfaktoren 879
21.5.3 Die Rolle des Chromatins bei der eukaryontischen Transkription 880
21.6 Regulation der Transkription 880
Inhaltsverzeichnis
XVII
21.7 Das lac-Operon als Beispiel negativer und positiver Regulation 882
21.7.1 Blockade der Transkription durch den lac-Repressor 883
21.7.2 Die Struktur des lac-Repressors 886
21.7.3 Aktivierung der Transkription durch das Katabolitaktivatorprotein 887
21.8 Posttranskriptionale RNA-Prozessierung 889
21.8.1 Prozessierung von tRNA 890
21.8.2 Prozessierung von rRNA 890
21.9 Eukaryontische mRNA-Prozessierung 892
21.9.1 Modifizierte Enden von eukaryontischen mRNA-Molekülen 893
21.9.2 Spleißen eukaryontischer mRNA 895
Kapitel 22 Proteinbiosynthese – Translation 905
22.1 Der genetische Code 906
22.2 Transfer-RNA 909
22.2.1 Die dreidimensionale Struktur von tRNA-Molekülen 909
22.2.2 Basenpaarungen zwischen tRNA-Anticodons und mRNA-Codons 911
22.3 Aminoacyl-tRNA-Synthetasen 913
22.3.1 Die Reaktion der Aminoacyl-tRNA-Synthetasen 914
22.3.2 Spezifität von Aminoacyl-tRNA-Synthetasen 914
22.3.3 Korrekturleseaktivität von Aminoacyl-tRNA-Synthetasen 916
22.4 Ribosomen 917
22.4.1 Der Aufbau von Ribosomen aus ribosomaler RNA und Proteinen 918
22.4.2 Aminoacyl-tRNA-Bindungsstellen in Ribosomen 919
22.5 Initiation der Translation 921
22.5.1 Initiator-tRNA 921
22.5.2 Zusammenlagerung des Intiationskomplexes am Initiationscodon 922
22.5.3 Initiationsfaktoren 922
22.5.4 Initiation der Translation in Eukaryonten 923
22.6 Die Elongation 925
22.6.1 Bindung der Aminoacyl-tRNA in der A-Stelle 926
22.6.2 Transpeptidierung – Bildung der neuen Peptidbindung 928
22.6.3 Translokation 931
22.7 Termination der Translation 933
22.8 Die hohen Energiekosten der Proteinbiosynthese 933
22.9 Regulation der Proteinbiosynthese 935
22.9.1 Kopplung der Synthese ribosomaler Proteine
an den Zusammenbau von Ribosomen in E.coli 935
22.9.2 Kontrolle der Globinsynthese durch die Verfügbarkeit von Häm 936
22.9.3 Regulation des E.coli-trp-Operons durch Repression und Attenuation 938
22.10 Posttranslationale Prozessierung 941
22.10.1 Die Signalhypothese 942
22.10.2 Glycosylierung von Proteinen 946
Kapitel 23 Methoden der Gentechnik 951
23.1 Herstellung rekombinanter DNA 952
23.2 Klonierungsvektoren 955
23.2.1 Plasmidvektoren 956
23.2.2 Der Bakteriophage λ als Vektor 957
23.2.3 Shuttle-Vektoren 959
23.2.4 Künstliche Hefechromosomen als Vektoren 959
Inhaltsverzeichnis
XVIII
23.3 Identifizierung von transformierten Wirtszellen 960
23.3.1 Selektion mit Marker-Genen 961
23.3.2 Selektion in Eukaryonten 962
23.3.3 Sichtbare Farbmarker: Insertionsinaktivierung des β-Galactosidase-Gens 962
23.4 Genombibliotheken 963
23.5 cDNA-Bibliotheken 964
23.6 Screening einer Bibliothek 966
23.7 Chromosomenwanderung (Chromosome Walking) 969
23.8 Expression von Proteinen mithilfe der Technik der rekombinanten DNA 970
23.8.1 Prokaryontische Expressionsvektoren 970
23.8.2 Expression von Proteinen in Eukaryonten 972
23.9 Anwendungen der Technik der rekombinanten DNA 972
23.9.1 Pflanzen-Gentechnik 974
23.9.2 Prokaryonten-Gentechnik 975
23.10 Humanmedizinische Anwendungen 976
23.11 Die Polymerasekettenreaktion 978
23.12 Ortsspezifische Mutagenese klonierter DNA 981
Anhang 987
A Glossar biochemischer Fachbegriffe 988
B Index 1014
C Bildnachweis 1057