Biochemie des Menschen: Das Lehrbuch für das Medizinstudium

763 Pages·2018·83.937 MB·German

by  Florian Horn

Auf einen Blick
I Grundlagen der Chemie 24
1 Allgemeine Chemie 26
2 Kohlenhydrate 43
3 Lipide 54
4 Aminosäuren und Proteine 64
5 Nukleotide und Nukleinsäuren 77
6 Orientierung in der Biochemie 86
II Energiestoff wechsel 90
7 Enzyme 92
8 Stoff wechsel der Kohlenhydrate 111
9 Stoff wechsel der Lipide 158
10 Stoff wechsel der Proteine und Aminosäuren 208
11 Herkunft des ATP 240
III Molekularbiologie 278
12 Die Grundstoff e 280
13 Zellzyklus und Apoptose 298
14 Zellalltag einer menschlichen Zelle 314
15 Regulation der Genexpression 334
16 DNA-Vervielfältigung 341
17 Angriff e auf unser Erbgut 350
18 Genetik der Bakterien und Viren 360
IV Hormone 376
19 Die Grundlagen 378
20 Molekulare Hormonwirkung 388
21 Energieversorgung 397
22 Gastrointestinale Hormone 427
23 Wasser, Elektrolyte und Mineralstoff e 431
24 Wachstum und Fortpfl anzung 447
25 Mediatoren 460
26 Neurotransmitter 473
V Von der Zelle zum Organismus 482
27 Zellbiologie 484
28 Extrazellulärsubstanz – was zwischen den Zellen ist 507
29 Die Stoff aufnahme 514
30 Das Blut 533
31 Die Nieren 597
32 Der Säure-Basen-Haushalt 611
33 Das Immunsystem 621
34 Die Leber 649
35 Die Muskulatur 675

Biochemie des Menschen
DasLehrbuchfür dasMedizinstudium
Florian Horn
unter Mitarbeit von
Isabelle Moc
Paul Ziegler
SilkeBerghold
MarcoArmbruster
Christian Grillhösl
Bettina Otte
FranziskaBlaeschke
Nadine Schneider
Daniel Koch
Simone Harrasser
MichaelPritsch
JanNassrallah
Laura Nassrallah
7.,korrigierteAuflage
1200 Abbildungen
Georg Thieme Verlag
Stuttgart •New York
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DOI:10.1055/b-006-160377
ISBN978-3-13-242743-3 123456
AucherhältlichalsE-Book:
eISBN(PDF)978-3-13-242744-0
eISBN(epub)978-3-13-242745-7
5
Einige Vorwörter
FortschrittistdasWerkderUnzufriedenheit.
wahrscheinlich(nicht)vonJean-PaulSartre
Liebe Leser! EvolutionäreÜberlegungenlassenmiteinwenigGlück
erahnen,wasdieKernfunktioneinesVorgangesgewesen
InderMedizinzeichnetsichseiteinigerZeiteinbemer- seinkönnte–wennmanmalwiederdenWaldvorlauter
kenswerterTrendab.WährenddieForschungihreArbeit Bäumennichtsieht–,verbundenmitderFrage,obsiedas
inzunehmendemMaßeaufmolekulareDetailfragenkon- (mitunterversteckt)nochimmerist.
zentriert, werden die ärztlichen Ausbildungsinhalte hin
zu „kommunikativen Fähigkeiten“ verlagert. Dabei steht ManchmalstelltsichdabeidieFrage,warumKrankheiten
außerFrage,dasseseineanspruchsvolleAufgabeist,eine beiallderevolutionärenAnpassungnachwievorexistie-
komplexeMedizinzuvermitteln. ren,undeinigeVorgängeerscheinenalsnichtzuEndege-
DieBasisärztlicherKompetenzbleibenjedochdieme- dacht.Oftmalsliegtdasallerdingsdaran,dasszuwenige
dizinischen Kenntnisse, die gewusst und verstanden biochemische Seiten betrachtet wurden und damit ver-
werdenmüssen,undzwaraufeinemNiveau,mitdemsie hindertwordenist,unvermeidbareKompromisslösungen
auch den „immer informierteren“ Patienten schlüssig derNaturaufzuzeigen.
vermittelt werden können. Darüber hinaus verliert der Zusammengefasst werden derlei Überlegungen unter
einzelneArztohnefundierteKenntnissedermolekularen dem Begriff einer „Evolutionären Medizin“, die sich ne-
GrundlagenseineFähigkeitzurBeurteilungdererforsch- bender(un)mittelbarenVerursachungvonErkrankungen
tenErgebnisseunddieMedizinihrenaturwissenschaftli- auch mit der evolutionären beschäftigt. Deren Inhalte
cheBasis. sind primär molekularbiologischer und biochemischer
Natur,wenngleichauchdieEvolutionsgeschichtensichin
Die Natur kommt uns dabei dankenswerterweise ent- einen Gewebekontext einfügen. Aus Einzellern sind in
gegen und greift auf relativ wenige molekulare Grund- Jahrmillionen Organismen mit einer Handvoll Zelltypen
mechanismenzurück,diedafürinderFlutvonFaktenna- entstanden, beim Menschen kann man immerhin rund
türlichumsobesserverstandenwerdensollten–auchfür 250unterscheiden.
dieVermittlunganmedizinischeLaien.
Bei jedem biochemischen Vorgang sollte zunächst die Evolutionäre Fragestellungen und ihre stets vorläufigen
FrageimVordergrundstehen,inwelchemOrgandesKör- AntwortenoffenbareneinmalmehrdieKomplexität,mit
pers diese Reaktionen überhaupt stattfinden, inwelcher der sich das Leben entwickelt hat. Allzu einfache Erklä-
Zelle und in welchem Kompartiment einer Zelle. Nur so rungsversuche sind daher grundsätzlich kritisch zu hin-
entsteht medizinisch relevantes Wissen, und man be- terfragen,undderWertsoliderKenntnisseüberwieder-
treibtmehralsnur„Reagenzglasbiochemie“,mitderman kehrendeMusterundsofundamentaleVorgängewiedie
im klinischen Alltag einfach herzlich wenig anfangen Glykolysekanngarnichthochgenugeinschätzt werden.
kann. EinekritischeGrundhaltungsolltedabeiimmerBestand-
DiesesEinsortiereninkonkreteStrukturenimmensch- teilallen(ärztlichen)DenkensundHandelnssein.
lichen Körper, und die Suche nach Grundmechanismen
führenzurzentralenFragenachdem„Warum“einesbio- MeinDankgehtandenGeorgThiemeVerlagfürdieum-
chemischen Vorganges. Warum dort (und nicht wo- sichtige Umsetzung dieser Neuauflage sowie an meine
anders), warum so (und nicht anders), warum in dieser Mitschreiber für eine kontinuierlich gute Zusammen-
Situation (und nicht wann anders). Durch diese Heran- arbeit.
gehensweise kann man sich der Faszination biochemi-
scherAbläufeim menschlichen Körper nur noch schwer MeinemDankandiezahlreichenLeser,diemitihrenAn-
entziehen. merkungenundAnregungenweiterhinmitzumGelingen
desBuchesbeitragen,möchteichdenWunschanalleLe-
Auf der Suche nach diesen Grundzusammenhängen im ser anschließen, sie mögen bei der Beschäftigung mit
BereichdermolekularenMedizin(Biochemie)kommt in dem menschlichen Körper vor allem eines mitbringen:
jüngsterZeitzunehmendeineweitereSichtweiseinden Neugierde.
Blick:DieFrage,warumeinVorgangüberhauptangefan-
gen hat zu existieren (und er das offenbar heute noch Sapereaude! Innsbruck,imSommer2018
tut). Schlicht und einfach: Esgeht um die Evolution der FlorianHorn
biochemischenVorgänge,umdieEvolutiondermensch-
lichenOrgansysteme.
6
Anschriften
MarcoArmbruster Dr.IsabelleMoc
KlinikumderUniversitätMünchen(LMU) kbo-Heckscher-Klinikum
InstitutfürKlinischeRadiologie Gabersee19
Marchioninistraße15 83512WasserburgamInn
81377München
JanNassrallah
SilkeBerghold
Widerlichstraße14 LauraNassrallah
91058Erlangen AnderMünze1
21335Lüneburg
Dr.FranziskaBlaeschke
Dr.vonHaunerschesKinderspital BettinaOtte
KlinikumderUniversitätMünchen(LMU) Charité–UniversitätsmedizinBerlin
Abt.fürPädiatrischeHämatologie,Onkologie, CampusVirchow-Klinikum
HämostaseologieundStammzelltransplantation Med.KlinikmitSchwerpunktNephrologieund
CampusInnenstadt InternistischeIntensivmedizin
Lindwurmstraße4 AugustenburgerPlatz1
80337München 13353Berlin
Dr.ChristianGrillhösl PDDr.MichaelPritsch
CnopfscheKinderklinik KlinikumderUniversitätMünchen(LMU)
St.-Johannis-Mühlgasse19 Abt.fürInfektions-undTropenmedizin
90419Nürnberg Leopoldstraße5
80802München
Dr.SimoneHarrasser
Großbeerenstraße9 Dr.NadineSchneider
80992München Kühsee14
93164Brunn
Dr.FlorianHorn
Friedrich-Katz-Straße22 PaulZiegler
31787Hameln UniversitätsklinikumFrankfurt
hornatbiochemie-des-menschenpunktde SenckenbergInstitutfürPathologie
Theodor-Stern-Kai7
DanielKoch 60590FrankfurtamMain
RandallCentreforCell&MolecularBiophysics
King'sCollegeLondon
NewHunt'sHouse
SE11ULLondon
Großbritannien
7
Inhaltsverzeichnis
IGrundlagenderChemie
1 AllgemeineChemie.................................................................... 26
FlorianHorn
1.1 KurzerÜberblick..................... 26 1.3.2 Wichtigeschwefelhaltigefunktionelle
Gruppen............................. 35
1.2 DiechemischeBindung............... 26 1.3.3 Wichtigestickstoffhaltigefunktionelle
Gruppen............................. 36
1.2.1 FreieElektronenundfreieElektronen-
paare................................ 26 1.4 ReaktioneneinermenschlichenZelle.. 37
1.2.2 DieOktettregel ....................... 27
1.2.3 DieElektronegativität.................. 29 1.4.1 DieGrundreaktionstypen .............. 37
1.2.4 StarkeBindungen–Hauptvalenzen...... 29 1.4.2 DieRollederSäure-Basen-Reaktionen ... 38
1.2.5 KoordinativeBindungen................ 31
1.2.6 SchwacheBindungen–Nebenvalenzen... 31 1.5 Isomerien–einmalganzinRuhe….... 38
1.3 FunktionelleGruppenundihre 1.5.1 Konstitutionsisomerie ................. 39
Reaktionen.......................... 33 1.5.2 Stereoisomerie........................ 39
1.3.1 Wichtigesauerstoffhaltigefunktionelle 1.6 Mesomerie.......................... 41
Gruppen............................. 33
2 Kohlenhydrate.......................................................................... 43
FlorianHorn
2.1 UniverselleMoleküle................. 43 2.4 Disaccharide......................... 50
2.2 WassindKohlenhydrate?............. 43 2.4.1 MaltoseundIsomaltose–Malzzucker.... 51
2.4.2 Laktose–Milchzucker ................. 51
2.3 Monosaccharide..................... 44 2.4.3 Saccharose–Haushaltszucker........... 51
2.3.1 Hexosen–die6er-Zucker .............. 44 2.5 Oligosaccharide...................... 51
2.3.2 Pentosen–die5er-Zucker.............. 47
2.3.3 ReaktionenderMonosaccharide......... 47 2.6 Polysaccharide....................... 51
2.3.4 Nachweismethoden ................... 49
2.6.1 Homoglykane......................... 52
2.6.2 Heteroglykane........................ 53
3 Lipide.................................................................................... 54
FlorianHorn
3.1 Molekülemitvielenverschiedenen 3.3 Fettsäuren........................... 55
Aufgaben............................ 54
3.3.1 GesättigteundungesättigteFettsäuren... 56
3.2 ChemieundSystematikderLipide .... 54 3.3.2 GeradzahligeundungeradzahligeFett-
säuren............................... 57
3.2.1 AmphiphileLipide..................... 54 3.3.3 EssenzielleFettsäuren ................. 57
3.2.2 SystematikderLipide.................. 55
3.4 Glycerin-Derivate .................... 57
3.4.1 Triacylglycerine(TAG)–dasklassische
Fett ................................. 58
8 Inhaltsverzeichnis
3.4.2 Glycerophosphatide–Membranfett...... 58 3.5.2 Glykolipide........................... 60
3.5 Sphingosin-Derivate ................. 59 3.6 Isopren-Derivate..................... 61
3.5.1 Sphingosinphosphatide................ 60 3.6.1 WasisteigentlichIsopren? ............. 61
4 AminosäurenundProteine............................................................ 64
IsabelleMocundFlorianHorn
4.1 MolekülemitSonderstellung......... 64 4.3 PeptideundProteine................. 71
4.2 Aminosäuren........................ 64 4.3.1 DiePeptidbindung .................... 71
4.3.2 Auf-undAbbauderProteine............ 72
4.2.1 Die21proteinogenenAminosäuren...... 64 4.3.3 BenennungderPeptide ................ 72
4.2.2 NichtproteinogeneAminosäuren........ 68 4.3.4 RäumlicheAnordnungvonProteinen .... 72
4.2.3 EigenschaftenderAminosäuren......... 68 4.3.5 DenaturierenundFällen ............... 74
4.2.4 ReaktionenderAminosäuren........... 70 4.3.6 AuftrennungvonProteinen–dieElektro-
phorese.............................. 75
4.3.7 FunktionenderProteineimKörper...... 76
4.3.8 Prionen.............................. 76
5 NukleotideundNukleinsäuren ....................................................... 77
FlorianHorn
5.1 TrägerderErbinformation............ 77 5.3 Nukleinsäuren....................... 80
5.2 ChemiederNukleotide............... 77 5.3.1 RiboseundPhosphat–fürdenZusam-
menhalt ............................. 80
5.2.1 DieBasen ............................ 77 5.3.2 DieBasen–TrägerderInformation ...... 81
5.2.2 Nukleoside(Base+Zucker) ............. 78 5.3.3 DieDNA-Doppelhelix.................. 83
5.2.3 Nukleotide(Nukleosid+Phosphat)....... 79
5.2.4 WeitereFunktionenderNukleotide...... 79
6 OrientierunginderBiochemie........................................................ 86
FlorianHorn
6.1 EineZutatenliste..................... 86 6.4 DiewichtigstenStoffwechselwegein
derBiochemie(7).................... 87
6.2 FunktionelleGruppen(12)............ 86
6.5 KomplexeresausderzentralenBio-
6.3 DieallerwichtigstenMolekülefürdie chemiewelt(6) ...................... 88
Biochemie(19) ...................... 86
6.6 BiochemieunddieEvolution.......... 88
6.3.1 Kohlenhydrate........................ 87
6.3.2 Lipide ............................... 87 6.6.1 EvolutioneinzelnerStoffwechselwege.... 88
6.3.3 AminosäurenundderenKetosäuren..... 87 6.6.2 EvolutionderOrgansysteme............ 89
6.6.3 EvolutionäreMedizin.................. 89
Inhaltsverzeichnis 9
IIEnergiestoffwechsel
7 Enzyme.................................................................................. 92
MarcoArmbruster
7.1 DieKatalysatorenunterdenProteinen 92 7.4 KinetikeinerchemischenReaktion.... 99
7.2 EnergetikeinerchemischenReaktion . 92 7.4.1 Reaktionsordnungen................... 100
7.4.2 Michaelis-Menten-Kinetik.............. 101
7.2.1 ThermodynamischeSystemeund
Zustände............................. 92 7.5 Enzymklassen ....................... 102
7.2.2 ThermodynamischePotenziale.......... 93
7.2.3 EntropieS............................ 93 7.5.1 DieGrundtypenvonReaktionen......... 102
7.2.4 EnthalpieH........................... 94 7.5.2 Oxidoreduktasen(KlasseI) ............. 102
7.2.5 FreieEnthalpieG...................... 94 7.5.3 Transferasen(KlasseII)................. 103
7.2.6 TheoriedesÜbergangszustandes........ 96 7.5.4 Hydrolasen(KlasseIII)................. 104
7.2.7 Reaktionsmodell...................... 96 7.5.5 Lyasen(KlasseIV)..................... 105
7.5.6 Isomerasen(KlasseV).................. 105
7.3 FunktionsweiseundAufbauvon 7.5.7 Ligasen(KlasseVI)..................... 105
Enzymen............................ 96
7.6 Enzymregulation..................... 106
7.3.1 Funktionsprinzip...................... 96
7.3.2 AktivesZentrum...................... 97 7.6.1 EnzymhemmungundEnzymaktivierung. 106
7.3.3 KovalenteKatalyse .................... 98 7.6.2 KovalenteModifikationundInterkonver-
7.3.4 AllgemeineSäure-Base-Katalyse......... 98 tierung .............................. 108
7.3.5 RäumlicheAnnäherung................ 98 7.6.3 Zymogene............................ 108
7.3.6 Cofaktoren........................... 98 7.6.4 Isoenzyme ........................... 109
7.3.7 MultifunktionaleEnzyme .............. 99 7.6.5 KatalytischePotenz.................... 109
8 StoffwechselderKohlenhydrate...................................................... 111
FlorianHorn
8.1 Überblick............................ 111 8.4 DerPentosephosphatweg............ 129
8.1.1 ReaktionswegederKohlenhydrate....... 111 8.4.1 Teil1–oxidativundirreversibel ........ 131
8.1.2 DieWegedesGlukose-6-Phosphats...... 112 8.4.2 Teil2–nichtoxidativundreversibel ..... 132
8.1.3 VersorgungunsererZellenmitGlukose... 113 8.4.3 AufgabendesNADPH/H+............... 132
8.4.4 AufgabenderRibose................... 132
8.2 DieGlykolyse........................ 114 8.4.5 RegulationdesPentosephosphatweges... 132
8.2.1 Vorbereitungsphase–vonGlukosezu 8.5 DieGlukoneogenese ................. 134
Glyceral-3-Phosphat................... 116
8.2.2 DiePhasederEnergieerzeugung–von 8.5.1 WelcheOrganebetreibenGlukoneo-
Glyceral-3-PhosphatzuPyruvat......... 118 genese?.............................. 135
8.2.3 WieNADH/H+zurAtmungskettegelangt . 120 8.5.2 Umgehungder3irreversiblenReaktionen
8.2.4 RegulationderGlykolyseoderdieFrage derGlykolyse......................... 136
nachderGeschwindigkeit.............. 120 8.5.3 SubstratedesZuckeraufbaus............ 138
8.5.4 DieGlukoneogeneseundihre3Kompar-
8.3 SchicksaldesPyruvats:PDHoderLDH. 123 timenteinderZelle.................... 139
8.5.5 Energiebilanz–oderwaskostetGlukose?. 141
8.3.1 AeroberAbbau–Pyruvat-Dehydrogenase 125 8.5.6 RegulationderGlukoneogenese......... 141
8.3.2 VitaminB (Thiamin) .................. 126
1
8.3.3 AnaeroberAbbau–Laktat-Dehydrogenase 127
8.3.4 EnergiegewinnmitundohneSauerstoff–
einAusblick.......................... 129