Biochemie fur Mediziner: Ein Lern- und Arbeitsbuch mit klinischem Bezug

919 Pages·2003·60.8 MB·German

by  Dr. med. Dipl. Bioch. Markus Linnemann

Springer-Lehrbuch
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Markus Linnemann • Michael Kühl
Biochemie
für Mediziner
Ein Lern- und Arbeitsbuch
mit klinischem Bezug
6., überarbeitete Auflage
Mitbegründet von Sinan Güler
unter Mitarbeit von Thorsten Holletz
Mit 693 Abbildungen
i
Springer
Dr. med. DipI . Bioch. Markus Linnemann
Bioscientia Standort Frankfurt
Nibelungenallee 37-41
60318 Frankfurt-Nordend
e-mail: [email protected]
Professor Dr. Michael Kühl
Universität Ulm
Abteilung Biochemie
Albert-Einstein-Allee 11
89081 Ulm
e-mail: [email protected]
Unter dem gleichen Titel bis zur 5. Auflage ursprünglich erschienen im Vieweg Verlag.
ISBN 978-3-540-43673-7
Die Deutsche Bibliothek-Cip-Einheitsaufnahme
Linnemann, Markus:
Biochemie für Mediziner : ein Lern- und Arbeitsbuch mit klinischem Bezug I Markus Linnemann ;
Michael Kühl. Mitbegr. von Sinan Güler. Unter Mitarb. von Thorsten Holletz. -6. Aufl.
(Springer-Lehrbuch)
ISBN 978-3-540-43673-7 ISBN 978-3-662-06057-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-06057-5
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©Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2002 and 2003
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2003
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tigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Waren
zeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt
werden dürften.
Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN: 10878544 0213020IM -5 4 3 2 10
Vorwort zur 6. Auflage
Dieses Buch richtet sich in erster Linie an Studentinnen und Studenten medizinischer Fä
cher in der Vorklinik. Erfahrungsgemäß stellt die Biochemie eine der großen Hürden vor
dem Physikum dar, die viele durch das Auswendiglernen aneinandergereihter Fakten zu be
wältigen suchen. Häufig bleibt zwischen Praktika und Prüfungen wenig Zeit, sich mit den
umfassenden, "großen" Lehrbüchern auseinanderzusetzen. So bleibt in vielen Fällen nur
der Ausweg über die sogenannten Repetitorien, die in geraffter Form Faktenwissen
auflisten, ohne dem Leser ein Verständnis :fiir Zusammenhänge zu vermitteln. Diese Art
des Lemens ist lästig, die gespeicherten Fakten werden nach den Prüfungen schneller
vergessen, als sie erlernt wurden. Die Biochemie bleibt leider all zu oft als ein Fach in
Erinnerung, an das man nur mit Schaudem zurückdenkt, zumal die Relevanz :fiir den
Klinikalltag leider oft genug undeutlich bleibt.
Das vorliegende, nunmehr in der 6. Auflage erscheinende Buch, trägt einerseits dem Zeit
mangel von Studentinnen und Studenten Rechnung, andererseits wird - wo nötig - Erklä
rungen angemessen Platz eingeräumt. Vor allem aber wird der Bezug zwischen Biochemie
und klinischem Alltag hergestellt.
In der Regel bauen die Kapitel dieses Buches aufeinander auf. Bisweilen ließen sich Vor
griffe nicht vermeiden, so daß in diesen Passagen auf nachfolgende Abschnitte verwiesen
werden mußte. An vielen Stellen wird dem Leser das Faktenwissen zusätzlich zum Text
noch einmal in einer Tabelle präsentiert. Insbesondere trifft dies auf die einzelnen Vitamine
zu.
Was ist neu an der 6. Auflage? Viele Abbildungen wurden überarbeitet und zum Teil durch
bessere ersetzt. Im Kapitel Immunologie wurde der Abschnitt über die Aktivierung von
Lymphozyten verbessert. Hier findet sich jetzt auch eine einführender Abschnitt in die
Apoptose. Das Kapitel zur Blutgerinnung wurde abermals aktualisiert. Im ganzen Buch
wurden, wenn nötig, die klinischen Bezüge unserem fortschreitenden Wissen angepasst.
Wir möchten abschließend allen danken, die an der Fertigstellung dieser Auflage mitge
wirkt haben, ganz besonders PD Dr. Thomas Reinemann und dem Team vom Springer
Verlag, Frau Dr. Hertel, Frau Dr. Börsch-Supan sowie Frau Kollmar-Thoni.
Möge dieses Buch ein Hilfe :fiir alle diejenigen sein, die aus Interesse oder notgedrungen
mit einer der dynamischsten Wissenschaften unserer Zeit, der Biochemie, in Berührung
kommen.
Frankfurt und Ulm, im April 2002 Markus Linnemann
Michael Kühl
Inhaltsverzeichnis
1 Grundlagen der allgemeinen Chemie 1
1.1 Atombau und Periodensystem der Elemente 1
1.1.1 Der Aufbau der Atome 1
1.1.2 Das Periodensystem der Elemente 4
1.2 Die Grundtypen der chemischen Bindung 5
1.2.1 Die Ionenbindung 5
1.2.2 Die Atombindung 7
1.2.3 Wasserstoffbrückenbindung 13
1.2.4 V AN-DER-W AALS-Bindung 13
1.3 Funktionelle Gruppen 13
1.4 Stereochemie 17
1.5 Chemische Reaktionen 22
1.5.1 Stoffmenge und molare Masse 23
1.5.2 Konzentration 26
1.5.3 Stöchiometrische Berechnungen 27
1.5.4 Chemisches Gleichgewicht 28
1.5.5 Massenwirkungsgesetz 29
1.6 Thermodynamik chemischer Reaktionen 30
1.6.1 Der Begriff des Systems 31
1.6.2 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik 32
1.6.3 Die Reaktionsenthalpie 33
1.6.4 Der zweite Hauptsatz: Immer diese Unordnung 34
1.6.5 GmBS-HELMHOLTZ-Gleichung 35
1.7 Kinetik chemischer Reaktionen 36
1.7.1 Die Aktivierungsenergie 36
1.7.2 Reaktionsordnung und Molekularität 38
1.7.3 Reaktionen 1. Ordnung 38
1.7.4 Reaktionen 2. Ordnung 40
1.7.5 Reaktionen pseudo-erster Ordnung 42
1.7.6 Reaktionen 0. Ordnung 42
1.8 Säuren und Basen 44
1.8.1 Säuren und Basen nach BRÖNSTED 44
1.8.2 pH-und pK-Begriff, Ionenprodukt des Wassers 46
1.8.3 pH-Wert-Berechnungen starker und schwacher Säuren 50
1.8.4 Säure/Base-Titrationen 51
1.8.5 Puffer und Pufferkapazität 52
1.9 Redoxreaktionen 57
1.9.1 Oxidation und Reduktion -Definition der Begriffe 57
1.9.2 Die Oxidationszahlen 58
1.9.3 Elektrodenpotential und elektrochemische Spannungsreihe 59
1.9.4 Die NERNST-Gleichung 63
1.10 Literatur 64
vm Inhaltsverzeichnis
2 Aminosäuren, Peptide und Proteine 65
2.1 Die allgemeine Struktur der Aminosäuren 65
2.2 Chemische Einteilung der Aminosäuren 66
2.3 Seltene Aminosäuren 70
2.4 Der isoelektrische Punkt pl 71
2.5 Essentielle Aminosäuren 75
2.6 Aufbau der Peptidbindung 76
2.7 Wichtige Peptide 77
2.8 Peptidgifte 80
2.9 Proteine 81
2.9.1 Einteilung und Bedeutung der Proteine 81
2.9.2 Primär-, Sekundär-, Tertiär-und Quartärstruktur 82
2.9.3 Hämoglobin und Myoglobin: Ein Vergleich 88
2.9.4 Sauerstoffbindungsverhalten von Hämo- und Myoglobin 92
2.9.5 Hämoglobinallosterie und Einfluß äußerer Faktoren 99
2.10 Literatur 103
3 Experimentelle Methoden 104
3.1 Trenn-und Reinigungsverfahren für Proteine und Nukleinsäuren 104
3.2 Elektrophoretische Trennmethoden 105
3.3 Chromatographische Trennmethoden 110
3.3.1 Gelchromatographie 111
3.3.2 Ionenaustauschchromatographie 114
3.3.3 Affinitätschromatographie 116
3.3.4 Dünnschichtchromatographie 118
3.4 Proteinsequenzierung 120
3.5 Literatur 123
4 Enzyme und Coenzyme 124
4.1 Definitionen 124
4.2 Benennung und Einteilung der Enzyme 126
4.3 Der Begriff des Coenzyms 126
4.3.1 Definition 126
4.3.2 Der Vitaminbegriff 130
4.4 Aktivierungsenergie und Übergangszustand 130
4.5 Das aktive Zentrum 135
4.6 Die Triosephosphat-Isomerasereaktion 137
4.7 MICHAELIS-MENTEN-Kinetik 139
4.7.1 Die MICHAELIS-MENTEN-Gleichung 139
4.7.2 Die MICHAELIS-Konstante 143
4.7.3 Die MICHAELIS-MENTEN-Auftragung 144
4.7.4 Die LINEWEAVER-BURK-Gleichung und ihre Auftragung 144
4.7.5 Die EADIE-HOFSTEE-Gleichung und ihre Auftragung 145
4.8 Hemmung enzymatisch katalysierter Reaktionen 146
4.8.1 Die kompetitive Hemmung 146
4.8.2 Die nichtkompetitive Hemmung 149
4.8.3 Die unkompetitive Hemmung 152
Inbaltsverzeichnis IX
4.8.4 Die Substratüberschußhemmung 155
4.8.5 Die irreversible Hemmung 158
4.9 Die Regulation der Enzymaktivität 159
4.9.1 Regulation durch Rückkopplung 159
4.9.2 Die allosterische Regulation von Enzymen 159
4.9.3 Regulation durch Interkonversion 161
4.9.4 Die regulierte Aktivierung von Enzymen durch Proteolyse 162
4.10 Isoenzyme und Multi-Enzym-Komplexe 162
4.11 Enzymeinheiten 164
4.12 Enzymdiagnostik in der Klinik 165
4.12.1 Allgemeines 165
4.1.2 Creatinkinase und Herzinfarkt 166
4.1.3 Lactat -Dehydrogenase 167
4.1.4 Alkalische Phosphatase und y-Glutamyl-Transpeptidase 167
4.1.5 Transaminasen und akute Virushepatitis 168
4.1.6 Glutamat-Oehydrogenase 168
4.1.7 Pankreasenzyme und Akute Pankreatitis 169
4.13 Literatur 170
5 Kohlenhydrate I 171
5.1 Begriffe und Definitionen 171
5.2 Darstellungsformen 174
5.3 Disaccharide und Polysaccharide 178
5.4 Abgeleitete Verbindungen 182
5.5 Die Biotransformation 189
5.6 Glucosediagnostik in der Klinik: Der optische Test 194
5.7 Heteroglykane: Glykoproteine 199
5.8 Literatur 202
6 Lipide I 203
6.1 Definition und Einteilung der Lipide 203
6.2 Fettsäuren und Triglyceride 204
6.2.1 Struktur und physikalische Eigenschaften der Fettsäuren 204
6.2.2 Die Autoxidation ungesättigter Fettsäuren und Vitamin E 210
6.2.3 Bedeutung der Fettsäuren 214
6.2.4 Triglyceride (Triacylglycerole) 215
6.2.5 Wachse 220
6.3 Phosphatide 220
6.4 Sphingolipide 228
6.5 Glykolipide 230
6.6 Cholesterol 231
6.6.1 Bedeutung 231
6.6.2 Struktur, Isomerie und Nomenklatur des Cholesterols 233
6.6.3 Die Synthese des Cholesterols 236
6.6.4 Die Regulation der Cholesterolsynthese 238
6.7 Vitamin A 240
6.8 Die Plasmamembran 244
X Inhaltsverzeichnis
6.8.1 Allgemeine Eigenschaften der Plasmamembran 244
6.8.2 Die Lipide der Membranen 245
6.8.3 Die Membranproteine 247
6.8.4 Die Kohlenhydrate der Membran 248
6.9 Transportvorgänge durch Membranen 249
6. 9.1 Begriffsdefinitionen 249
6.9.2 Passiver Transport 249
6.9.3 Aktiver Transport 252
6.10 Literatur 253
7 Kohlenhydrate II 254
7.1 Verdauung und Resorption von Kohlenhydraten 254
7.2 Glykolyse 256
7.2.1 Definiton und Bedeutung der Glykolyse 256
7 .2.2 Übersicht und Einteilung der Glykolyse 257
7.2.3 Die Bilanz der Glykolyse 258
7.2.4 Die Schritte der Glykolyse 259
7.2.5 Die Regulation der Glykolyse 266
7.2.6 Die alkoholische Gärung 270
7 .2. 7 Stoffwechsel von Galactose, Fructose und Mannose 270
7.3 Gluconeogenese 273
7.3.1 Definition und Bedeutung der Gluconeogenese 273
7.3.2 Überblick über die Gluconeogenese 274
7.3.3 Wichtige Schritte der Gluconeogenese im einzelnen 275
7.3.4 Die Bilanz der Gluconeogenese 278
7.3.5 Die Regulation der Gluconeogenese 278
7.3.6 CORI-und Alaninzyklus 281
7.4 Die oxidative Decarboxylierung und ihre Coenzyme 282
7.4.1 Definition der oxidativen Decarboxylierung 282
7.4.2 Coenzyme der oxidativen Decarboxylierung und ihre zugehörigen Vitamine 283
7.4.3 Die Enzyme der oxidativen Decarboxylierung 289
7.4.4 Die Regulation der oxidativen Decarboxylierung 291
7.5 Der Pentosephosphatweg 292
7.5.1 Definition und Bedeutung des Pentosephosphatweges 292
7.5.2 Der Pentosephosphatweg im Überblick 292
7.6 Glykogenstoffwechsel 296
7.6.1 Bedeutung des Glykogens 296
7.6.2 Der Aufbau des Glykogens 296
7.6.3 Der Abbau des Glykogens 299
7.6.4 Die Regulation des Glykogenstoffwechsels 301
7.7 Die Synthese der Aminozucker 302
7.8 Klinischer Bezug 304
7.9 Literatur 307
8 Citratzyklus und Atmungskette 308
8.1 Der Citratzyklus 308
8.1.1 Bedeutung und Lokalisation des Citratzyklus 308
8.1.2 Die Reaktionen des Citratzyklus im Überblick 309
8.1.3 Die Schritte des Citratzyklus im einzelnen 311
8.1.4 Die Bilanz des Citratzyklus 317
8.1.5 Die Regulation des Citratzyklus 318
8.1.6 Stellung des Citratzyklus im Stoffwechsel 319
8.2 Die Atmungskette als Folge von Redoxreaktionen 320
8.1.1 ATP als universeller Energielieferant 320
8.2.2 Die kontrollierte Knallgasreaktion als Grundprinzip der Atmungskette 322
8.2.3 Der Begriff der Redoxreaktion 324
8.2.4 Die Atmungskette in der Übersicht 326
8.2.5 Die einzelnen Komponenten der Atmungskette 328
8.3 Chemiosmotische Kopplung: ATP-Synthese 334
8.4 Transporter der Mitochondrienmembran 339
8.5 Sauerstoffaktivierende Enzyme 341
8.5.1 Oxidasen 341
8.5.2 Dioxygenasen 341
8.5.3 Monooxygenasen 341
8.5.4 Katalase und Peroxidase 341
8.6 Literatur 342
9 Lipide II 343
9.1 Lipidverdauung 343
9.1.1 Die Emulgierung des Nahrungsfettes 343
9.1.2 Die Gallensäuren und die Cholelithiasis 343
9.1.3 Die Pankreaslipasen 347
9.2 Transport von Lipiden: Lipoproteine 350
9.3 Die Beta-Oxidation 355
9.3.1 Die Cobalamine (Vitamin-B -Gruppe): perniziöse Anämie 362
12
9.4 Synthese von Fettsäuren 366
9.5 Die Ketogenese 370
9.6 Arachidonsäurestoffwechsel und Prostaglandine 372
9.7 Hyperlipoproteinämien 375
9.8 Literatur 376
10 Aminosäurestoffwechsel 377
10.1 Verdauung von Proteinen 377
10.2 Übersicht über den Stickstoff-Stoffwechsel 379
10.3 Der Aminosäureabbau 380
10.3.1 Transaminierung 380
10.3.2 Oxidative und eliminierende Desaminierung 384
10.3.3 Decarboxylierung 385
10.4 Der Harnstoffzyklus 387
10.5 Abbau des Kohlenstoffgerüstes der Aminosäuren 390
10.5.1 Alanin, Serin, Threonin und Cystein: Abbau zu Pyruvat 391
10.5.2 Aspartat und Asparagin: Abbau zu Oxalacetat 392
10.5.3 Glutamin und Glutamat, Histidin, Prolin und Arginin 392
10.5.4 Abbau verzweigtkettiger Aminosäuren: Leucin, Isoleuein und Valin 393