Biochemie für Dummies E-Book

John T. Moore

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Fachliteratur
• Serie: Für Dummies
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 425

Veröffentlichungsjahr: 2025

Beschreibung

Die Chemie des Lebens verstehen

Stehen Sie auf Kriegsfuß mit der Biochemie? Diese ganzen Formeln und Reaktionen sind überhaupt nicht Ihr Ding? Die nächste Prüfung steht vor der Tür? Kein Problem! Dieses Buch erklärt Ihnen, was Sie über Biochemie wissen müssen. Es führt Sie so einfach wie möglich und so komplex wie nötig in die Welt der Kohlenhydrate, Lipide, Proteine, Nukleinsäuren, Vitamine, Hormone und Co. ein. Zu einzelnen Themen finden Sie auch Videos online, die Sie beim Lernen unterstützen. So leicht kann Biochemie sein und Sie müssen die nächste Prüfung gewiss nicht fürchten.

Sie erfahren

• Wie Aminosäuren interagieren und wie Peptidbindungen aufgebaut sind
• Alles zum Thema Enzymkinetik und der Michaelis-Menten-Gleichung
• Wie der Körper durch Glykolyse und Citratzyklus Energie gewinnt

Leseprobe

Biochemie für Dummies

Schummelseite

WICHTIGE FORMELN

pH-Wert und Co.:

Henderson-Hasselbalch-Gleichung:

Michaelis-Menten-Gleichung:

FUNKTIONELLE GRUPPEN

DIE SECHS ENZYMKLASSEN

Enzymklasse

Aufgabe

Oxidoreduktasen

Redoxreaktion

Transferasen

Übertragung von Atomgruppen

Hydrolasen

Hydrolyse

Lyasen

Addition an eine Doppelbindung oder die Bildung einer Doppelbindung

Isomerasen

Isomerisierung von Molekülen

Ligasen

Zwei Moleküle miteinander verbinden

DER UNIVERSELLE GENETISCHE CODE

1. Base

2. Base

3. Base

U

C

A

G

U

UUU Phe

UCU Ser

UAU Tyr

UGU Cys

U

UUC Phe

UCC Ser

UAC Tyr

UGC Cys

C

UUA Leu

UCA Ser

UAA Stop

UGA Stop

A

UUG Leu

UCG Ser

UAG Stop

UGG Trp

G

C

CUU Leu

CCU Pro

CAU His

CGU Arg

U

CUC Leu

CCC Pro

CAC His

CGC Arg

C

CUA Leu

CCA Pro

CAA Gln

CGA Arg

A

CUG Leu

CCG Pro

CAG Gln

CGG Arg

G

A

AUU Ile

ACU Thr

AAU Asn

AGU Ser

U

AUC Ile

ACC Thr

AAC Asn

AGC Ser

C

AUA Ile

ACA Thr

AAA Lys

AGA Arg

A

AUG Start/Met

ACG Thr

AAG Lys

AGG Arg

G

G

GUU Val

GCU Ala

GAU Asp

GGU Gly

U

GUC Val

GCC Ala

GAC Asp

GGC Gly

C

GUA Val

GCA Ala

GAA Glu

GGA Gly

A

GUG Val

GCG Ala

GAG Glu

GGG Gly

G

Biochemie für Dummies

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

4. Auflage 2026

© 2026 Wiley-VCH GmbH, Boschstraße 12, 69469 Weinheim, Germany

Original English language edition Biochemie für Dummies © 2020 by Wiley Publishing, Inc. All rights reserved including the right of reproduction in whole or in part in any form. This translation published by arrangement with John Wiley and Sons, Inc.

Copyright der englischsprachigen Originalausgabe Biochemie für Dummies © 2017 by Wiley Publishing, Inc. Alle Rechte vorbehalten inklusive des Rechtes auf Reproduktion im Ganzen oder in Teilen und in jeglicher Form. Diese Übersetzung wird mit Genehmigung von John Wiley and Sons, Inc. publiziert.

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Coverfoto: jittawit.21 - stock.adobe.comKorrektur: Petra Heubach-Erdmann

Print ISBN: 978-3-527-72377-5ePub ISBN: 978-3-527-85453-0

Über die Autoren

John Moore besuchte die University of North Carolina in Asheville, wo er seinen Bachelor-Abschluss in Chemie erhielt. An der Furman University in Greenville, South Carolina, erreichte er seinen Master-Abschluss in Chemie. 1971 wurde er Mitarbeiter an der Chemie-Fakultät der Stephen F. Austin State University in Nacogdoches im Staate Texas, wo er bis heute Chemie unterrichtet. 1985 begann er zeitweise wieder zu studieren und promovierte schließlich in Erziehungswissenschaft an der Texas A&M University. 2003 wurde sein erstes Buch, Chemie für Dummies, veröffentlicht, kurz darauf gefolgt von Chemistry made simple.

Richard Langley besuchte die Miami University in Oxford, Ohio, wo er seine Bachelor-Abschlüsse in Chemie und Mineralogie sowie etwas später auch seinen Master-Abschluss in Chemie erhielt. Die nächste Stufe auf der Karriereleiter führte ihn an die University of Nebraska, wo er in Chemie promovierte. Danach nahm er eine Postdoc-Stelle an der Arizona State University in Tempe, Arizona, an, gefolgt von einer Gast-Juniorprofessur an der University of Wisconsin in River Falls. 1982 erhielt er eine Stelle an der Stephen F. Austin State University in Texas. John Moore und er haben zusammen verschiedene Buchprojekte realisiert wie Chemistry for the utterly confused.

Über die Überarbeiterin

Dr. Susanne Katharina Hemschemeier forschte viele Jahre als Mikrobiologin und Proteinbiochemikerin an der Universität Bielefeld, in Gießen und an der UCLA in Los Angeles, bevor sie die praktische Arbeit im Labor an den Nagel hängte und sich in Mainz mit der Erstellung von E-Learning-Materialien für das Chemie- und Biochemiestudium befasste. Sie arbeitet derzeit als selbstständige Autorin und Übersetzerin für wissenschaftliche Texte und lebt mit ihrer Familie in Berlin und Stuttgart.

Inhaltsverzeichnis

Cover

Titelblatt

Impressum

Über die Autoren

Über die Überarbeiterin

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

Über dieses Buch

Konventionen in diesem Buch

Was Sie nicht lesen müssen

Törichte Annahmen über den Leser

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

Wie es weitergeht

Teil I: Vorhang auf: Grundlagen der Biochemie

Kapitel 1: Biochemie: Was Sie darüber wissen sollten – und wozu

Warum interessieren Sie sich für Biochemie?

Was genau ist eigentlich Biochemie?

Pro- und eukaryotische Zelltypen

Typische Bestandteile einer Tierzelle

Ein kurzer Blick in eine Pflanzenzelle

Kapitel 2: Eintauchen: Die Chemie des Wassers

Was Sie über H

2

O (Wasser) wissen sollten

Die Wasserstoffionenkonzentration: Säuren und Basen

Puffer und pH-Kontrolle

Kapitel 3: Spaß mit Kohlenstoff: Organische Chemie

Die Rolle des Kohlenstoffs im Laufe der Zeit

Komplizierte Zahlenspiele: Kohlenstoffbindungen

Magische Anziehungskräfte – Bindungsstärken

Hier ist was los! Die funktionellen Gruppen eines Moleküls

Gleiche Zusammensetzung, andere Struktur: Isomerie

Teil II: Das Fleisch der Biochemie: Proteine

Kapitel 4: Aminosäuren: Die Bausteine der Proteine

Allgemeine Eigenschaften der Aminosäuren

Die »magischen« 20 Aminosäuren

Die selteneren Ausnahmen

Nicht zu vergessen: Nicht proteinogene Aminosäuren

Aminosäuren verknüpfen: Eine Bauanleitung

Kapitel 5: Struktur und Funktion von Proteinen

Proteine – mehr als nur das Steak auf Ihrem Teller

Die Primärstruktur: Was alle Proteine verbindet

Sekundärstruktur: Fast jedes Protein hat sie

Tertiärstruktur: Eine Strukturebene vieler Proteine

Quartärstruktur: Proteine aus mehreren Untereinheiten

Proteine isolieren und analysieren

Kapitel 6: Enzymkinetik: Mit Hilfe schneller ans Ziel

Enzymklassifizierung: Wer macht den Job?

Enzyme als Katalysatoren: Wir machen Tempo

Einige Bemerkungen zur Kinetik

Enzymaktivitäten messen: Die Michaelis-Menten-Gleichung

Enzymhemmung: Der Bolzen im Getriebe

Enzymregulierung

Teil III: Kohlenhydrate, Lipide, Nukleinsäuren und mehr

Kapitel 7: Wecken Gelüste: Kohlenhydrate

Eigenschaften von Kohlenhydraten

Ein zuckersüßes Thema: Die Monosaccharide

Wenn sich Zucker die Hände reichen: Oligosaccharide

Kapitel 8: Lipide und Membranen

Ohne Fett geht nichts: Ein Überblick

Ein fettes Thema: Triglyzeride

Alles andere als einfach: Komplexe Lipide

Membranen: Bipolarität und Doppelschicht

Prostaglandine, Thromboxane und Leukotriene – die wilden Drei

Kapitel 9: Nukleinsäuren und der Code des Lebens

Nukleotide: Die Bausteine der DNA und RNA

Vom Nukleosid über das Nukleotid zur Nukleinsäure

Dogmatisches Wissen ist gefragt …

Kapitel 10: Vitamine und Nährstoffe

Mehr als nur ein Apfel am Tag: Das Einmaleins der Vitamine

Wer A sagt, muss auch B sagen: Die Vitamine der B-Gruppe

Vitamin A

Vitamin D

Vitamin E

Vitamin K

Vitamin C

Kapitel 11: Die stillen Akteure: Hormone

Strukturen einiger Schlüsselhormone

Wie bei Dornröschen: Die Prohormone

Kampf oder Flucht: Hormonfunktion

Teil IV: Bioenergetik und Reaktionswege

Kapitel 12: Leben und Energie

ATP: Energiespritze für alle Systeme

Mit ATP verwandte Moleküle

Stoffwechsel in Zahlen

Kapitel 13: ATP: Das Währungssystem des Körpers

Metabolismus Teil I: Glykolyse

Metabolismus Teil II: Der Citratzyklus (Krebs-Zyklus)

Metabolismus Teil III: Elektronentransport und oxidative Phosphorylierung

Investition in die Zukunft: Biosynthese

Kapitel 14: Ein »anrüchiges« Thema: Stickstoff in biologischen Systemen

Ringelrein mit Stickstoffen: Purine

Die Biosynthese von Pyrimidinen

Noch mal zum Anfang: Katabolismus

Abfallbeseitigung: Der Harnstoffzyklus

Aminosäuren, ein letzter Akt …

Stoffwechselkrankheiten und ihre Ursachen

Teil V: Genetik: Warum wir sind, was wir sind

Kapitel 15: DNA fotokopieren

Aus eins mach zwei: DNA-Replikation

Mendel wäre begeistert: Rekombinante DNA

Ein spannungsreiches Thema: DNA-Analyse

Erbkrankheiten und andere Anwendungsmöglichkeiten der DNA-Analytik

Kapitel 16: Schön abschreiben bitte! RNA-Transkription

Arten der RNA

Was RNA-Polymerasen brauchen

Transkription stromauf, stromab

Der genetische Code

Modelle der Genregulation

Kapitel 17: Korrekt übersetzen – Translation

Bitte keine Fehler!

Das Team

Und … Anpfiff: Proteinsynthese

Unterschiede bei eukaryotischen Zellen

Teil VI: Der Top-Ten-Teil

Kapitel 18: Zehn beeindruckende Einsatzgebiete der Biochemie

Ames-Test

Schwangerschaftstests

HIV-Tests

Brustkrebsuntersuchungen

Pränatale Gentests

PKU-Screening

Gentechnisch veränderte Nahrungsmittel (»Genfood«)

Gentechnik

Klonen

Gentherapie

Kapitel 19: Zehn Karrierewege in der Biochemie

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Pflanzenzüchter

Qualitätskontrollanalytiker

Klinischer Forschungsassistent

Technischer Redakteur

Biochemischer Entwicklungsingenieur

Marktforschungsanalytiker

Patentanwalt

Pharmareferent

Biostatistiker

Ein letzter Tipp …

Stichwortverzeichnis

End User License Agreement

Tabellenverzeichnis

Kapitel 2

Tabelle 2.1: Die pH-Skala mit den entsprechenden Wasserstoffionenkonzentrationen

Tabelle 2.2: K

S

-Werte biologisch relevanter Säuren

Kapitel 3

Tabelle 3.1: Mögliche Bindungen von Kohlenstoff mit einigen ausgewählten Nichtmetallen

Tabelle 3.2: Säure-Base-Eigenschaften biologisch relevanter funktioneller Gruppen

Kapitel 4

Tabelle 4.1: pK

s

-Werte für Aminosäuren

Kapitel 6

Tabelle 6.1: Die sechs grundsätzlichen Enzymklassen

Kapitel 8

Tabelle 8.1: Häufig vorkommende Fettsäuren

Kapitel 12

Tabelle 12.1: Beziehungen zwischen einigen Werten von ΔG°′ und K

Tabelle 12.2: Freigesetzte Energien (ΔG°′) einiger hochenergetischer Biomoleküle im Vergleich...

Tabelle 12.3: ATP-Ausbeute für jeden Schritt des Glukosestoffwechsels

Tabelle 12.4: ATP-Ausbeute für jeden Schritt des Stearinsäurestoffwechsels

Kapitel 13

Tabelle 13.1: Einige physiologisch relevante Redoxpotentiale (E′°)

Tabelle 13.2: Essenzielle und nichtessenzielle Aminosäuren für Erwachsene (* essenziell für H...

Kapitel 14

Tabelle 14.1: Zehn Enzyme, die an der Inosinsynthese beteiligt sind

Tabelle 14.2: Glukogene und ketogene Aminosäuren

Kapitel 15

Tabelle 15.1: Einige Erbkrankheiten des Menschen

Kapitel 16

Tabelle 16.1: Der universelle genetische Code

Kapitel 17

Tabelle 17.1: Basenpaarungsregeln der Wobble-Hypothese

Illustrationsverzeichnis

Kapitel 1

Abbildung 1.1: Vereinfachte Darstellung einer prokaryotischen Zelle

Abbildung 1.2: Vereinfachte Darstellung einer Tierzelle

Abbildung 1.3: Vereinfachte Darstellung einer Pflanzenzelle

Kapitel 2

Abbildung 2.1: Struktur eines Wassermoleküls

Abbildung 2.2: Struktur eines typischen amphipathischen Moleküls mi...

Abbildung 2.3: Struktur einer Mizelle aus amphipatischen Molekülen,...

Kapitel 3

Abbildung 3.1: Oben: unverzweigte Kohlenwasserstoffkette (Hexan), e...

Abbildung 3.2: Beispiele für Alkan, Alken, Alkin und einen aromatis...

Abbildung 3.3: Sauerstoff- und schwefelhaltige funktionelle Gruppen

Abbildung 3.4: Einige stickstoffhaltige funktionelle Gruppen

Abbildung 3.5: Phosphorhaltige funktionelle Gruppen

Abbildung 3.6: Acetale, Hemiacetale, Hemiketale und Ketale

Abbildung 3.7: Cis- und trans-Isomere

Abbildung 3.8: Die Struktur von D-Glukose, einem Zucker mit vier ch...

Abbildung 3.9: Fischer-Projektionen, die den Unterschied zwischen z...

Kapitel 4

Abbildung 4.1: Bildung eines Zwitterions

Abbildung 4.2: (a) Zwitterionenform, (b) protonierte Form, (c) depr...

Abbildung 4.3: Zwei verschiedene Möglichkeiten, die Fischer-Pr...

Abbildung 4.4: Unpolare Aminosäuren

Abbildung 4.5: Polare und ungeladene (neutrale) Aminosäuren

Abbildung 4.6: Saure Aminosäuren

Abbildung 4.7: Basische Aminosäuren

Abbildung 4.8: Zwei weniger häufige Aminosäuren

Abbildung 4.9: Wie sich zwei Cysteinmoleküle zu Cystin verbinden

Abbildung 4.10: Die Bildung einer Peptidbindung

Abbildung 4.11: Mesomeriestabilisierung einer Peptidbindung

Abbildung 4.12: Ein Tripeptid

Kapitel 5

Abbildung 5.1: Ständig wiederholte Einheit des Proteinrückgrats

Abbildung 5.2: Struktur von Rinderinsulin

Abbildung 5.3: Wasserstoffbrückenbindung zwischen zwei Peptidbindun...

Abbildung 5.4: Die α-Helix

Abbildung 5.5a: Paralleles β-Faltblatt, chemische Struktur und schematische Darstellun...

Abbildung 5.5b: Antiparalleles β-Faltblatt, chemische Struktur (oben) und schematische...

Abbildung 5.6: Einige Tertiärstrukturen von Proteinen

Kapitel 6

Abbildung 6.1: Allgemeine (stöchiometrisch nicht korrekte) Darstell...

Abbildung 6.2: Allgemeine Darstellung zweier Hydrolase-katalysierte...

Abbildung 6.3: Allgemeine Darstellung zweier Lyase-katalysierter Re...

Abbildung 6.4: Beispiele für Isomerasereaktionen durch eine Racemas...

Abbildung 6.5: Reaktionen der Ligasen Pyruvat-Carboxylase und Acety...

Abbildung 6.6: Das Schlüssel-Schloss-Prinzip der Enzymkatalyse

Abbildung 6.7: Das Induced-Fit-Modell der Enzymkatalyse

Abbildung 6.8: Der Einfluss eines Enzyms auf eine Reaktion

Abbildung 6.9: Graph der Reaktionsgeschwindigkeit V im Verhältnis z...

Abbildung 6.10: Lineweaver-Burk-Diagramm

Abbildung 6.11: Woolf-Diagramm

Abbildung 6.12: Eadie-Hofstee-Diagramm

Abbildung 6.13: Ein Lineweaver-Burk-Diagramm für eine nichtkompeti...

Abbildung 6.14: Ein Lineweaver-Burk-Diagramm für eine kompetitive ...

Kapitel 7

Abbildung 7.1: Das Verhältnis zwischen dreidimensionaler Struktur u...

Abbildung 7.2: Struktur von D-Glukose

Abbildung 7.3: Strukturvarianten der D-Aldohexosen

Abbildung 7.4: Strukturvarianten der D-Ketohexosen

Abbildung 7.5: Ein Pyranosering

Abbildung 7.6: Die Haworth-Projektionen für die Pyranose-Strukturen...

Abbildung 7.7: Ein Furanosering

Abbildung 7.8: Zwei Formen der D-Fruktose

Abbildung 7.9: Zwei Strukturen der D-Ribose

Abbildung 7.10: D-Ribitol

Abbildung 7.11: D-Ribonsäure, eine Aldonsäure

Abbildung 7.12: D-Riburonsäure, eine Uronsäure

Abbildung 7.13: D-Ribose-1-phosphat

Abbildung 7.14: Glyzerinaldehyd und Dihydroxyaceton

Abbildung 7.15: Die Pfeile weisen auf jene Alkoholgruppen hin, der...

Abbildung 7.16: Die Struktur von Maltose mit einer α-(1,4)-glykosi...

Abbildung 7.17: Zellobiose mit einer β-(1,4)-glykosidischen Bindun...

Abbildung 7.18: Struktur von Saccharose, die durch die Verbindung ...

Abbildung 7.19: Sich wiederholt aneinanderlagernde Disaccharideinh...

Kapitel 8

Abbildung 8.1: Die Beziehungen zwischen den einzelnen Lipidgruppen

Abbildung 8.2: Die Struktur eines Seifenmoleküls

Abbildung 8.3: Struktur von Glyzerin (auch Glyzerol genannt)

Abbildung 8.4: Struktur eines typischen Fettes: Die beiden oberen K...

Abbildung 8.5: Beispiele für die allgemeinen Strukturen von Phospha...

Abbildung 8.6: Alkoholkomponenten von Lipiden

Abbildung 8.7: Struktur von Sphingosin

Abbildung 8.8: Vereinfachte Darstellung einer Lipiddoppelschicht

Abbildung 8.9: Ein integrales Protein, das die Membran nicht ganz d...

Abbildung 8.10: Ein integrales Protein, das die Membran vollständi...

Abbildung 8.11: Das Grundgerüst eines Steroids

Abbildung 8.12: Strukturen der Arachidonsäure, eines typischen Pro...

Kapitel 9

Abbildung 9.1: Grundstrukturen von Purinen (oben) und Pyrimidinen (...

Abbildung 9.2: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C), Thymin (T) und ...

Abbildung 9.3: Strukturen der Zucker in Nukleinsäuren

Abbildung 9.4: Struktur von Phosphorsäure

Abbildung 9.5: Allgemeine Reaktion für die Bildung eines Nukleosids

Abbildung 9.6: Struktur des Nukleosids Adenosin

Abbildung 9.7: Allgemeine Reaktion für die Bildung eines Nukleotids

Abbildung 9.8: Struktur von Adenosinmonophosphat (AMP)

Abbildung 9.9: Vereinfachte Darstellung der Verbindung zweier Nukle...

Abbildung 9.10: Die Lage der 5′- und 3′-Kohlenstoffatome bei Adeno...

Abbildung 9.11: Wasserstoffbrückenbindungen (gestrichelte Linien) ...

Abbildung 9.12: Wasserstoffbrückenbindungen (gestrichelte Linien) ...

Abbildung 9.13: Wasserstoffbrückenbindungen (gestrichelte Linien) ...

Abbildung 9.14: Die Sekundärstruktur der DNA

Kapitel 10

Abbildung 10.1: Strukturen von Vitamin B

1

(Thiamin) und Thiaminpyr...

Abbildung 10.2: Struktur von Flavinadenindinukleotid (FAD) und der...

Abbildung 10.3: Strukturen von Nikotinsäure, Nikotinamid und Nikot...

Abbildung 10.4: Strukturen von Pyridoxin, Pyridoxal, Pyridoxamin u...

Abbildung 10.5: Struktur von Biotin

Abbildung 10.6: Strukturen von Folsäure und Tetrahydrofolat

Abbildung 10.7: Struktur der Pantothensäure

Abbildung 10.8: Struktur von Methylcobalamin

Abbildung 10.9: Strukturen von 11-trans-Retinol und β-Carotin. Bea...

Abbildung 10.10: Strukturen von Ergosterin, Vitamin D

2

, 7-Dehydrocholesterin und Vita...

Abbildung 10.11: Struktur von α-Tocopherol (Vitamin E)

Abbildung 10.12: Struktur von Vitamin K

1

Abbildung 10.13: Struktur von Vitamin C

Kapitel 11

Abbildung 11.1: Strukturen von Somatostatin und des Thyreotropin-R...

Abbildung 11.2: Strukturen von Progesteron (ein Östrogen) und Test...

Abbildung 11.3: Die Struktur von Thyroxin, Triiodthyronin, Adrenal...

Abbildung 11.4: Schema der Hormonsteuerung im Körper

Abbildung 11.5: Struktur von zyklischem AMP (cAMP)

Kapitel 12

Abbildung 12.1: Struktur von ATP

Abbildung 12.2: Struktur von ADP

Abbildung 12.3: Struktur von AMP

Abbildung 12.4: Magnesiumkomplexe von ATP und ADP

Abbildung 12.5: Strukturen einiger hochenergetischer Moleküle

Abbildung 12.6: Zwei Reaktionen, die von Nukleosid-Monophosphat- u...

Kapitel 13

Abbildung 13.1: Die Reaktionsschritte der Glykolyse

Abbildung 13.2: Moleküle der Glykolyse

Abbildung 13.3: Reaktionsschritte der Glukoneogenese

Abbildung 13.4: Reaktionsschritte der alkoholischen Gärung

Abbildung 13.5: Struktur von Acetyl-CoA

Abbildung 13.6: Citratzyklus (Krebs-Zyklus)

Abbildung 13.7: Strukturen der Zwischenprodukte des Citratzyklus

Abbildung 13.8: Vereinfachtes Schema der Bildung von Acetyl-CoA

Abbildung 13.9: Strukturen von TPP, Liponamid und Acetylliponamid

Abbildung 13.10: Struktur von cis-Aconitat

Abbildung 13.11: Eintrittsorte der Aminosäuren in Glykolyse und C...

Abbildung 13.12: Allgemeine Strukturen der oxidierten und reduzie...

Abbildung 13.13: Hämgrundgerüst eines Cytochroms mit möglichen Se...

Abbildung 13.14: Reaktionsschritte der Elektronentransportkette

Abbildung 13.15: Die Elektronentransportkette mit kaskadenartiger...

Abbildung 13.16: Allgemeine Reaktionsschritte im β-Oxidationszykl...

Abbildung 13.17: Bildung von Ketonkörpern

Abbildung 13.18: Synthese von Malonyl-CoA

Abbildung 13.19: Fettsäuresynthese

Abbildung 13.20: Bildung von Phosphatidat

Abbildung 13.21: Bildung von Sphingosin

Abbildung 13.22: Gleichgewicht zwischen α-Ketoglutarat und Glutam...

Abbildung 13.23: Synthese von Alanin

Abbildung 13.24: Synthese von Tyrosin

Abbildung 13.25: Synthese von Serin

Abbildung 13.26: Synthese von Prolin

Kapitel 14

Abbildung 14.1: Purinstickstoffbasen

Abbildung 14.2: Aktivierung von α-D-Ribose-5′-phosphat zu PRPP

Abbildung 14.3: Zehn Reaktionsschritte zur Umwandlung von 5′-Phosp...

Abbildung 14.4: Umwandlung von IMP zu AMP

Abbildung 14.5: Umwandlung von IMP zu GMP

Abbildung 14.6: Synthese von Carbamoylphosphat

Abbildung 14.7: Bildung von Orotat aus Carbamoylphosphat

Abbildung 14.8: Umwandlung von Orotat zu Uridylat (UMP)

Abbildung 14.9: Umwandlung von UTP zu CTP

Abbildung 14.10: Struktur von Harnsäure

Abbildung 14.11: Allgemeine Transaminierungsreaktion

Abbildung 14.12: Bildung von Carbamoylphosphat

Abbildung 14.13: Überblick über den Harnstoffzyklus

Abbildung 14.14: Verbindungen aus dem Harnstoffzyklus

Kapitel 15

Abbildung 15.1: Schematische Darstellung der Basenpaarung in einem...

Abbildung 15.2: Vereinfachte Darstellung des Replikationsprozesses

Abbildung 15.3: Detaillierteres Schema der DNA-Replikation

Abbildung 15.4: Vereinfachte Darstellung des Prepriming-Komplexes

Abbildung 15.5: Die Primase synthetisiert am Primosom den RNA-Prim...

Abbildung 15.6: Detaillierte Darstellung der Vorgänge an der Repli...

Abbildung 15.7: Struktur eines Thymin-Dimers

Abbildung 15.8: Die Purine

Abbildung 15.9: Die Pyrimidine

Abbildung 15.10: Öffnung eines Plasmids mit einem Restriktionsenz...

Abbildung 15.11: Gelelektrophorese unterschiedlich geladener Mole...

Abbildung 15.12: Strukturen von Ribose, Desoxyribose und Didesoxy...

Abbildung 15.13: Vergleich der einzelnen Ergebnisse für einen Vat...

Kapitel 16

Abbildung 16.1: Struktur von ATP

Abbildung 16.2: Prokaryotische und eukaryotische Promotoren

Abbildung 16.3: Anheftung des zweiten Nukleotids (hier im Beispiel...

Abbildung 16.4: Die Haarnadelschleife und der sich daran anschließ...

Abbildung 16.5: Allgemeine Struktur einer mRNA-Kappe

Abbildung 16.6: Die Anheftung einer Aminosäure an das Adenosin am ...

Abbildung 16.7: Strukturen von Methionin und Formyl-Methionin

Abbildung 16.8: Die Startsignale

Abbildung 16.9: Schema eines Operons

Abbildung 16.10: Das lac-Operon

Abbildung 16.11: Strukturen von Laktose und Allolaktose

Abbildung 16.12: Struktur von methyliertem Cytosin

Abbildung 16.13: Struktur von Estron, einem natürlichen Östrogen

Abbildung 16.14: Reaktion, die von Histonacetyl-Transferasen (HAT...

Kapitel 17

Abbildung 17.1: Vereinfachtes Schema der Struktur einer 16S-rRNA

Abbildung 17.2: Strukturen von Methionin- und Formylmethionin-bela...

Abbildung 17.3: Struktur von Inosin

Abbildung 17.4: Wichtige Strukturelemente einer tRNA

Abbildung 17.5: Beispiel einer Aminoacyl-tRNA

Abbildung 17.6: Struktur eines Aminoacyl-Adenylats

Abbildung 17.7: Strukturen von Serin, Valin und Threonin

Orientierungspunkte

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Impressum

Über die Autoren

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Einleitung

Willkommen bei Biochemie für Dummies!

Wir freuen uns sehr, dass Sie sich dazu entschlossen haben, in die faszinierende Welt der Biochemie einzutauchen. Die Biochemie ist zwar ein sehr komplexes Teilgebiet der Chemie, doch die Prinzipien sind eigentlich einfach und vor allem ungeheuer spannend. Schließlich geht es in diesem Buch um Sie und die Frage, warum Sie eigentlich leben und wie Sie funktionieren (oder auch nicht). Ja, schon ein ehrgeiziges Projekt – doch wir wollen uns hier auf die wichtigsten Dinge beschränken. Uns kommt es vor allem darauf an, dass Sie verstehen, was in Ihrem Körper passiert und was uns als Lebewesen ausmacht – chemisch betrachtet jedenfalls.

Mit etwas Einsatz von Ihrer Seite werden Sie mithilfe diese Buches den Biochemiekurs an der Universität leicht meistern oder sich als interessierter Leser freuen, wenn Sie auf eine Reaktionsgleichung blicken und sofort verstehen, was dort passiert – warum Energie nötig ist, Energie gebildet wird oder was am Ende bei der ganzen Sache herauskommt. Vielleicht erkennen Sie nach der Lektüre des Buches die Zusammenhänge von Stoffwechselwegen und wissen, warum auf- und abbauende Reaktionen gleichzeitig in einer Zelle ablaufen können, wieso bestimmte pH-Werte im Blut schlecht für Ihren Metabolismus sind oder warum die Biochemie für bestimmte Berufsfelder wie die Forensik oder die Pränataldiagnostik so unverzichtbar ist. Viele Fragen, viele Antworten … dieses Buch kann hoffentlich dazu beitragen, Ihr Wissen zu vermehren und Sie für diese unglaublich spannende Wissenschaft zu begeistern.

Die Biochemie hat viele Facetten, jedoch lassen sich nicht alle in einem Buch mit diesem beschränkten Umfang darstellen. Der eine Leser wird der Meinung sein, dass wichtige Prozesse fehlen, dem anderen werden die komplizierten Reaktionsgleichungen Kopfzerbrechen bereiten. Wir können an dieser Stelle viele Prozesse nur anreißen, aber auch langweilige Reaktionsabläufe (die Sie ja einfach überblättern können) gehören nun einmal dazu. Und wenn Sie dann doch später noch mehr wissen wollen, sind wir froh, dass wir mit diesem extrem kurz gefassten Buch vielleicht Ihr Interesse geweckt haben.

Sie werden nach der Lektüre mehr über Ihren Körper wissen, warum Sie bestimmte Nahrungsmittel benötigen, was passiert, wenn diese in der Nahrung fehlen, und warum es den Gesundheitszustand des Organismus beeinträchtigen kann, wenn Reaktionen nicht optimal ablaufen. Genetische Defekte, ein verschobenes Elektrolytgleichgewicht, ein zu geringer pH-Wert im Blut und andere Probleme können dem Körper zu schaffen machen. Und was dann? In diesem Fall kann die Biochemie ein Weg sein, dem Organismus zu helfen, seine Gesundheitsbalance wiederzufinden. Nein, keine Sorge, wir werden an dieser Stelle bestimmt nicht mit den Ärzten konkurrieren wollen, doch Sie werden vielleicht etwas besser verstehen, warum bestimmte Therapien bei Stoffwechselstörungen sinnvoll oder sogar lebensnotwendig sein können.

Über dieses Buch

Biochemie für Dummies bietet einen Überblick über den Stoff, der in einem typischen Biochemiegrundkurs an der Uni oder Fachhochschule gelehrt wird. Wir haben uns bemüht, den Stoff so aktuell wie möglich zu halten, aber seien Sie sich bewusst, dass sich der Wissensstand täglich ändert. Die Grundlagen bleiben jedoch gleich, daher haben wir uns im Großen und Ganzen darauf konzentriert. Wir haben auch Informationen über einige Themen der Biochemie eingefügt, die Sie vielleicht aus dem Alltagsleben kennen, wie Forensik, Klonen, Gentherapie, Gentests, gentechnisch veränderte Nahrung und so weiter.

Wenn Sie durch dieses Buch blättern, werden Sie sehr viele chemische Strukturen und Reaktionen sehen, ohne die es leider in der Biochemie nicht geht.

Falls Sie bereits ein Semester organische Chemie absolviert haben, wissen Sie, was Sie erwartet! Viele der chemischen Strukturen sind dann alte Bekannte! Doch selbst wenn Sie mit organischer Chemie nicht vertraut sein sollten, werden Sie viele Aspekte in diesem Buch interessant finden und für Ihr Leben behalten.

Konventionen in diesem Buch

Wir haben die Themen in diesem Buch logisch aufeinander aufgebaut, und zwar in ähnlicher Reihenfolge, wie sie auch in einem Biochemiekurs vermittelt werden. Wir haben uns sehr auf chemische Strukturen und Reaktionen konzentriert. Versuchen Sie, die in den Text eingefügten Abbildungen möglichst in der vorgegebenen Reihenfolge zu betrachten. Die Symbole weisen auf Dinge hin, die für Sie vielleicht in mehrfacher Hinsicht von besonderer Bedeutung sein könnten. Wenn Sie gerade einen Biochemiekurs absolvieren, können Sie dieses recht günstige Buch auch nutzen, um den Inhalt der oft deutlich teureren Fachliteratur besser zu verstehen.

Was Sie nicht lesen müssen

Lesen Sie nur das, was von echtem Nutzen für Sie ist. Konzentrieren Sie sich auf die Bereiche, bei denen Sie noch Hilfe brauchen. Wenn Sie eher an den Alltagsanwendungen der Biochemie interessiert sind, lesen Sie doch nur jene Abschnitte, die mit dem Wahre-Welt-Symbol markiert sind. Wenn Sie aber stattdessen Hilfe beim Verstehen der allgemeinen biochemischen Thematiken brauchen, überspringen Sie ruhig die praktischen Anwendungen. Mal ehrlich – Sie haben nicht wirklich viel für dieses Buch bezahlt, also fühlen Sie sich bitte nicht verpflichtet, jede einzelne Seite ausführlich durchzulesen. Wenn Sie dann fertig sind, können Sie das Buch in Ihr Bücherregal stellen, vielleicht gleich neben Chemie für Dummies, Das Große Gesundheitsbuch und Eine kurze Geschichte der Zeit als Unterhaltungsmedium.

Törichte Annahmen über den Leser

Wir vermuten – und wir alle wissen, wie falsch solche Vermutungen sein können –, dass Sie zu einer der folgenden Gruppen gehören:

Studenten, die einen Biochemiekurs absolvieren müssen

Leute, die einfach nur etwas über Biochemie lernen möchten

Menschen, die endlich wissen wollen, was im Stoffwechsel passiert

Wenn Sie sich nicht in einer der genannten Kategorien wiederfinden, hoffen wir trotzdem, dass Ihnen die Lektüre des Buches Freude bereiten wird.

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Wir geben Ihnen hier einen sehr kurzen Abriss über die Themen, die wir in den verschiedenen Teilen dieses Buches abhandeln. Nutzen Sie bitte die folgenden Kurzbeschreibungen und das Inhaltsverzeichnis, um Ihre persönliche Studierstrategie festzulegen.

Teil I: Vorhang auf: Grundlagen der Biochemie

Dieser Teil behandelt die grundlegenden Aspekte der Chemie und Biochemie. Im ersten Kapitel erfahren Sie, wie die Biochemie mit den anderen Fachgebieten der Chemie und Biologie in Beziehung steht. Gleichzeitig erhalten Sie eine Menge Informationen über die verschiedenen Zelltypen und ihre Bestandteile. In Kapitel 2 rekapitulieren wir einige Aspekte der Chemie des Wassers, wie pH-Wert und Puffer, die einen direkten Bezug zur Biochemie haben. Und schließlich finden Sie in einem weiteren Kapitel das Wichtigste über die organische Chemie zusammengefasst, angefangen von funktionellen Gruppen bis hin zu Isomeren.

Teil II: Das Fleisch der Biochemie: Proteine

In diesem Teil konzentrieren wir uns ganz auf die Proteine. Wir stellen Aminosäuren vor, die Bausteine der Proteine. Mit diesen Bausteinen im Handgepäck können Sie im nächsten Kapitel die Grundlagen von Aminosäuresequenzen verstehen lernen sowie die unterschiedlichen Ebenen der Proteinstruktur. Schließlich beenden wir diesen Teil mit einer Betrachtung der Enzymkinetik, wobei Katalysatoren (Stoffe, die Reaktionsabläufe beschleunigen) und Inhibitoren (Stoffe, die chemische Reaktionen hemmen) näher beleuchtet werden.

Teil III: Kohlenhydrate, Lipide, Nukleinsäuren und mehr

In diesem Teil zeigen wir Ihnen eine Reihe biochemischer Stoffe. Sie werden erkennen, dass Kohlenhydrate viel komplexer sind, als das Stück Kuchen, das Sie gerade verspeist haben, Ihnen vielleicht weismachen will. Wir beweisen Ihnen, dass Biochemie auch manchmal zuckersüß sein kann! Dann schwenken wir zu den Lipiden, wie zum Beispiel den Steroiden. Als Nächstes folgen die Nukleinsäuren und der genetische Code (da Vinci lässt grüßen) des Lebens, zusammen mit DNA und RNA. Danach sind die Vitamine an der Reihe und schließlich die Hormone.

Teil IV: Bioenergetik und Reaktionswege

Am Ende geht alles in Energie über, auf die eine oder andere Weise. In den Kapiteln dieses Teils werfen wir einen Blick auf die Zusammenhänge zwischen Energiebereithaltung und Energieverbrauch. Hier treffen Sie auch unseren treuen Freund ATP und nehmen den Kampf mit dem legendären Citratzyklus auf. Zum Schluss werfen wir Sie, nachdem Sie zu diesem Zeitpunkt wahrscheinlich sowieso schon ganz heiß drauf sind, in den wahrlich übel riechenden Sumpf der Stickstoffchemie.

Teil V: Genetik: Warum wir sind, was wir sind

In diesem Teil bringen wir Ihnen näher, wie sich DNA im Prozess der Replikation kopiert, und wir zeigen Ihnen einige der praktischen Anwendungen der DNA-Sequenzierung. Danach heißt es Bühne frei für RNA und Proteinsynthese. Außerdem werden wir Ihnen etwas über das Humangenomprojekt erzählen.

Teil VI: Der Top-Ten-Teil

Der Schlussteil dieses Buches dreht sich um zehn großartige Anwendungen der Biochemie im täglichen Leben und stellt zehn etwas weniger typische Berufe im Bereich der Biochemie vor.

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

Falls Sie schon einmal ein … für Dummies-Buch gelesen haben, werden Ihnen einige Symbole bekannt vorkommen, aber trotzdem hier noch einmal eine Zusammenfassung der Bedeutungen:

Dieses Symbol soll eine Art Wink mit dem Zaunpfahl für solche Themen sein, die Sie zum besseren Verständnis lieber nicht mehr vergessen sollten, je weiter Sie sich in die Welt der Biochemie hineinwagen wollen.

Wir nutzen dieses Symbol, um Ihnen einen Hinweis zu geben, wie man ein bestimmtes Thema am besten und schnellsten verinnerlichen kann. Wir zwei Autoren haben zusammengerechnet fast 70 Jahre Lehrerfahrung, daher kennen wir etliche Kniffe und Tricks und wollen Ihnen diese auch gerne verraten.

Dieses Symbol steht für Informationen, die einen direkten Bezug zwischen Biochemie und alltäglichen Dingen aufdecken.

Das Warnung-Symbol weist auf eine Prozedur oder eine mögliche Reaktion hin, die gefährlich sein kann. Wir nennen es auch unser »Was Sie lieber nicht selbst zu Hause ausprobieren sollten«-Symbol.

Hier werden Sie auf Erklärvideos hingewiesen, die Sie unter http://wiley-vch.de/ISBN9783527723775 finden.

Wie es weitergeht

Die Antwort auf diese Frage hängt davon ab, wie viel Wissen Sie sich aneignen möchten und wo Ihre persönlichen Ziele liegen. Wie in den … für Dummies-Büchern üblich, haben wir auch in diesem versucht, alle Kapitel unabhängig voneinander zu verfassen, damit Sie sich ein Kapitel herauspicken und es verstehen können, ohne die vorhergehenden gelesen haben zu müssen. Wenn Sie sich mit den Themen aus anorganischer und organischer Chemie bereits vertraut fühlen, können Sie Teil I auch einfach überspringen. Wenn Sie hingegen auf der Suche nach einem allgemeinen Überblick über die Biochemie sind, können Sie gern das ganze Buch durchstöbern. Und falls Sie auf ein Thema stoßen, das Sie besonders interessiert, lesen Sie einfach weiter.

Wir hoffen, egal wer Sie sind oder aus welchem Grund auch immer Sie dieses Buch zur Hand genommen haben, dass Sie Spaß beim Lesen haben und dass es Ihnen hilft, Biochemie besser zu verstehen.

Teil I

Vorhang auf: Grundlagen der Biochemie

IN DIESEM TEIL …

Wir werden uns einige grundlegende Aspekte der allgemeinen Chemie, der organischen Chemie und der Biochemie anschauen. Dann werden wir einen Schritt zurücktreten und die Biochemie im Kontext mit anderen chemischen und biologischen Disziplinen betrachten. Sie lernen verschiedene Zelltypen und deren Bestandteile kennen, wir wenden uns dann der Chemie des Wassers zu und werfen einen Blick auf pH-Wert und Puffereigenschaften. Am Ende werden Sie Ihr Wissen über die organische Chemie solide aufgefrischt haben und bereit sein für den Auftritt der Biochemie in Teil II.

Kapitel 1

Biochemie: Was Sie darüber wissen sollten – und wozu

IN DIESEM KAPITEL

Warum die Biochemie so wichtig istBestandteile einer tierischen Zelle und deren FunktionDie Unterschiede zwischen Tier- und Pflanzenzellen

Wenn Sie sich bereits für einen Biochemiekurs an der Universität eingeschrieben haben, können Sie dieses Kapitel vermutlich gleich überspringen und zu den Abschnitten weiterblättern, in denen es um diejenigen Themen geht, die Ihnen noch Probleme bereiten. Wenn Sie allerdings noch darüber nachdenken sollten, einen Kurs zu belegen, oder einfach mehr über die Biochemie wissen wollen, lesen Sie ruhig weiter. In diesem Kapitel erläutern wir unterschiedliche Zelltypen und den Zellaufbau – zwei extrem wichtige Themen für alle biochemischen Vorgänge, mit denen wir uns noch befassen werden.

Viele Menschen neigen gelegentlich dazu, sich zu sehr mit technischen Details zu beschäftigen und den Gesamtzusammenhang aus den Augen zu verlieren, doch in diesem Kapitel müssen wir uns mit eben diesen Details befassen, um eine Basis für alle weiteren Diskussionen zu schaffen.

Warum interessieren Sie sich für Biochemie?

Die Antwort auf diese Frage könnte lauten: »Wieso denn nicht?« oder »Na ja, weil es im Studium verlangt wird!«

Die erste Antwort ist eigentlich gar nicht so schlecht und zeigt zumindest ein gewisses Interesse an diesem spannenden Thema. Egal ob wir Vorgänge in der Natur oder uns selbst betrachten – alle Lebewesen wachsen, vermehren sich, altern, sterben, und jeder dieser Prozesse ist biochemischer Natur. Vielleicht sitzen Sie gelegentlich abends auf dem Sofa und denken über die Komplexität des Lebens nach. Allein die Tatsache, dass Sie auf dem Sofa sitzen und über Ihre Existenz nachdenken können, erfordert eine Unmenge chemischer Reaktionen, die permanent im Körper ablaufen und perfekt zusammenwirken müssen. Als ich mich zum ersten Mal mit den minimalen strukturellen Unterschieden zwischen Stärke und Zellulose befasst habe, war ich völlig verblüfft: Nur ein winziger Unterschied in der chemischen Bindung zwischen den ansonsten identischen Untereinheiten zweier Substanzen ist dafür verantwortlich, dass eine Kartoffel essbar und nicht hart und trocken wie Holz ist. Ich wollte mehr über die Chemie der lebenden Dinge wissen, und so entstand im Endeffekt auch dieses Buch. Wenn Sie sich für die Biochemie interessieren, müssen Sie zwar auch die Details lernen, doch manchmal sollten Sie trotzdem einfach den Blick über den Bücherrand schweifen lassen und sich an der Vielfalt und Schönheit des Lebens erfreuen. Die Biochemie ist ohne Zweifel eine sehr lebendige Wissenschaft.

Was genau ist eigentlich Biochemie?

Die Biochemie ist die Chemie der lebendigen Dinge. Biochemiker befassen sich mit den chemischen Reaktionen, die auf molekularer Ebene in allen Organismen ablaufen. Normalerweise wird die Biochemie als Teil der Chemie betrachtet, mitunter wird sie jedoch auch als Teilgebiet der Biologie eingestuft oder in anderen Hochschulen von der Biologie und Chemie völlig getrennt gelehrt.

Die Biochemie ist etwas Besonderes, da sie die verschiedenen Aspekte vieler anderer Teilgebiete der Chemie in sich vereint. Da alles Leben (zumindest auf der Erde) auf Kohlenstoff basiert, spielt die organische Chemie natürlich eine besondere Rolle in der Biochemie. Sehr oft wollen Biochemiker wissen, wie schnell chemische Reaktionen ablaufen – mit diesem Thema beschäftigt sich die physikalische Chemie. Häufig spielen Metalle eine wichtige Rolle in biochemischen Strukturen (so wie das Eisen im Hämoglobin) – ganz klar ein Fall für die anorganische Chemie, oder Biochemiker verwenden komplizierte Apparaturen und Verfahren, um die Zusammensetzung und Struktur von Stoffen zu entschlüsseln – eine Aufgabe, die in den Bereich der analytischen Chemie fällt. Die Biochemie ist eng mit der Molekularbiologie verwandt, die sich ebenfalls mit lebenden Systemen auf molekularer Ebene befasst, doch die Biochemie konzentriert sich dabei eher auf die einzelnen chemischen Reaktionen.

Biochemiker können den Elektronentransport innerhalb einer Zelle verfolgen oder sich mit den Verdauungsabläufen im Darm befassen. Egal, um welche Prozesse des Lebens es sich auch immer handelt – Biochemiker interessiert vor allem, wie Leben funktioniert.

Pro- und eukaryotische Zelltypen

Alle lebenden Organismen bestehen aus Zellen – sofern man jedenfalls Viren außer Acht lässt, die sich nicht eindeutig lebenden oder nicht lebenden Organismen zuordnen lassen und auch keine Zellen sind. Eine Zelle ist so etwas Ähnliches wie eine mittelalterliche Stadt. Die Arbeitsmaschinerie der Zelle steckt quasi »hinter Mauern« – auch als Zellmembran bezeichnet. Und ebenso wie die Stadtbürger mit der Außenwelt kommunizieren müssen, ist auch der Inhalt einer Zelle nicht vollständig von der Umwelt abgeschottet. Alle Bürger sind hungrig, daher müssen Nahrungsmittel in die Stadt hineintransportiert und die Abfallstoffe entsprechend beseitigt werden. Ebenso wie die Bürger einer Stadt arbeiten, um Produkte für die Gesellschaft der Außenwelt als Tauschobjekte herzustellen, produzieren auch die »Bewohner« einer Zelle Stoffe, die für das Leben außerhalb der Zelle bestimmt sind.

Es gibt zwei grundsätzliche Arten von Zellen: prokaryotische und eukaryotische Zellen. (Noch mal zur Erinnerung: Viren teilen zwar einige Eigenschaften mit Zellen, werden aber von vielen Wissenschaftlern nicht zu den Lebewesen gezählt.) Die Prokaryoten sind die einfachsten und evolutionsbiologisch ältesten Zellen, während die Eukaryoten eher so etwas wie das komplexer aufgebaute »Nachfolgemodell« darstellen. Alle Bakterien und die Archaeen (urtümliche Einzeller, die oft extreme Temperaturen oder Salzkonzentrationen vertragen können und die in Bezug auf ihre Eigenschaften irgendwo zwischen prokaryotischen und eukaryotischen Zellen liegen) sind Prokaryoten, da sie keinen echten Zellkern haben.

Wie sich pro- und eukaryotische Zellen unterscheiden, steckt bereits im Namen. Prokaryoten haben keinen Zellkern (»pro-«, also vor, oder »eu-«, mit echtem karyon oder Zellkern). Die Eukaryoten besitzen einen membranumhüllten Zellkern, während das genetische Material bei Prokaryoten einfach so in der Zelle herumliegt. Doch das ist nur einer von vielen Unterschieden …

Prokaryoten

Zu den Prokaryoten zählen die Bakterien, die Blaualgen, die gar keine Algen, sondern Photosynthese betreibende Bakterien sind, und die bereits oben erwähnten Archaeen oder Archebakterien. Obwohl den Prokaryoten ein echter Zellkern fehlt, gibt es einige typische Strukturen im Inneren dieser Zellen. Die Abgrenzung der Zelle nach außen besteht meistens aus drei Komponenten: einer relativ stabilen Zellwand, einer äußeren Membran (nur bei gramnegativen Prokaryoten) und einer innen liegenden Plasmamembran. Während die Zellwand vor allem für Festigkeit und Struktur der Zelle sorgt (so wie die Mauer einer Festung) und die äußere Membran viele Stoffe, aber eben nicht alles passieren lässt (und vielleicht am ehesten mit einem Wassergraben zu vergleichen ist), kontrolliert die innere Membran sehr genau (wie die Zugbrücken an den Stadttoren), welche Stoffe in die Zelle hinein- oder aus der Zelle heraustransportiert werden dürfen. Alles, was in die Zelle gelangt, landet in einer Art Suppe, dem Zytoplasma, das die ganze Zelle ausfüllt. Abbildung 1.1 zeigt die stark vereinfachte Darstellung einer prokaryotischen Zelle.

Eukaryoten

Eukaryoten sind Tiere, Pflanzen, Pilze und viele Einzeller (also auch Sie, lieber Leser!). Eukaryotische Zellen sind in der Evolution erst später entstanden und sehr viel komplizierter aufgebaut als die Prokaryoten. Sie besitzen neben einem echten Zellkern verschiedene, von Membranen umschlossene Kompartimente (die Organellen). Eukaryoten können ein- oder mehrzellig sein und enthalten deutlich mehr und sehr viel komplizierter verpacktes genetisches Material als Prokaryoten.

Abbildung 1.1: Vereinfachte Darstellung einer prokaryotischen Zelle

Typische Bestandteile einer Tierzelle

Alle tierischen Zellen (die, wie Sie jetzt wissen, immer Eukaryoten sind) besitzen eine Reihe klar definierter innerer Strukturen, die unterschiedliche Aufgaben erfüllen und in den meisten Fällen zu den Organellen zählen. Die wichtigsten Organellen sind im Folgenden aufgelistet. Abbildung 1.2 zeigt ein vereinfachtes Schema einer tierischen Zelle. Pflanzenzellen haben noch weitere Bestandteile wie beispielsweise Chloroplasten, die Orte der Photosynthese.

Abbildung 1.2: Vereinfachte Darstellung einer Tierzelle

Plasmamembran

Endoplasmatisches Retikulum

Lysosomen

Nukleus (Zellkern) und Nukleolus (Kernkörperchen)

Zentriolen

Golgi-Apparat

Mitochondrien

Ribosomen

Die wichtigsten Bestandteile einer tierischen Zelle sind:

Die Plasmamembran (auch Zytoplasmamembran genannt) trennt alle Komponenten innerhalb einer Zelle von der Außenwelt. Die Flüssigkeit in der Zelle wird als Plasma oder Zytoplasma bezeichnet. Für eine uneingeschränkte Zellfunktion ist es sehr wichtig, dass diese Flüssigkeit nicht verloren geht. Gleichzeitig müssen allerdings lebensnotwendige Stoffe in der Lage sein, die Plasmamembran zu passieren. Andere Substanzen, die während des Stoffwechsels anfallen und nicht mehr benötigt werden, müssen aus der Zelle in die Außenwelt abgegeben werden können (sonst wäre die Zelle irgendwann eine ziemliche Müllhalde).

Der Transport von Nähr- oder Abfallstoffen durch eine Membran kann entweder aktiv oder passiv erfolgen. Beim aktiven Transport, der immer gegen ein Konzentrationsgefälle stattfindet, ist eine Art Fahrschein erforderlich, damit ein Stoff in die Zelle hinein- (oder aus der Zelle heraus-) geschleust wird. Die Währung, mit der die Zelle diesen Fahrschein bezahlt, ist Energie. Der passive Transport erfordert hingegen keinen Energieaufwand der Zelle, da die Stoffe hier in Richtung eines Konzentrationsgefälles befördert werden, wie beispielsweise bei der Diffusion, der Osmose oder der Filtration.

Die Zentriolen

sind so etwas Ähnliches wie die »Zugführer« einer Zelle. Sie organisieren die Ausrichtung von bestimmten zellulären Strukturkomponenten wie den Mikrotubuli, die während der Zellteilung dafür sorgen, dass sich jeweils ein halber Satz der Chromosomen nach der Zellteilung in jeder der beiden Tochterzellen befindet.

Das endoplasmatische Retikulum

oder ER ist eine Art Röhrensystem. Sie können sich eine Zelle wie eine kleine Fabrik vorstellen, die von einem weit verzweigten System aus Gängen durchzogen ist. Das

raue

endoplasmatische Retikulum (RER, englisch rough = rauh) ist mit Ribosomen besetzt, den Orten der Proteinsynthese (mehr über Ribosomen und ihre Funktion erfahren Sie weiter hinten in diesem Kapitel), und dient quasi als Montagehalle dieser Minifirma. Das

glatte

endoplasmatische Retikulum (SER, englisch smooth = glatt) ist eher eine Art Lagerhalle für beispielsweise Calcium, hier werden jedoch auch Hormone produziert und Abfallstoffe für die Entsorgung durch die Müllabfuhr vorbereitet.

Der Golgi-Apparat

ist so etwas wie das Postsystem der Zelle. Er sieht ein bisschen wie ein winziger Irrgarten aus, in dessen Inneren von der Zelle produzierte Substanzen in kleine, membranumschlossene Säckchen, die Vesikel, verpackt werden. Diese Vesikel werden dann wie Pakete an andere Organellen geschickt oder zur Plasmamembran transportiert, wenn sie Exportartikel beinhalten, die außerhalb der Zelle benötigt werden. Die Zellmembran ist gespickt mit »Zollstationen« (kleine Kanäle), durch die die Vesikel ihren Inhalt kontrolliert in die Außenwelt abgeben und so für andere Zellen oder Organe verfügbar machen können.

Die Lysosomen

sind die Müllabfuhr der Zelle. Sie enthalten Verdauungsenzyme, die potenziell zellschädigende Substanzen in harmlosere Stoffe zerlegen (in

Kapitel 6

finden Sie weitere Infos über Enzyme). Die Produkte dieses Verdaus können dann gefahrlos wieder in die Zelle entlassen werden. Lysosomen verdauen auch »tote« Organellen. Dieser Gedanke mag Sie vielleicht etwas beunruhigen, doch auch die

Autodigestion

(so heißt dieser Vorgang) ist ein normaler Prozess im Leben jeder Zelle, der wohl eher in die Kategorie »Recycling« als unter »Kannibalismus« fallen dürfte.

Die Mitochondrien

(Einzahl: das Mitochondrium) sind die Energie produzierenden Kraftwerke der Zelle. Mitochondrien nutzen Nährstoffe, speziell das Kohlenhydrat

Glukose

, um Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP – siehe auch

Kapitel 13

) zu produzieren.

Nukleus und Nukleoli: Jede Zelle besitzt einen Zellkern (Nukleus), in dessen Inneren das oder die Kernkörperchen (Nukleolus beziehungsweise die Nukleoli) liegen. Zellkern und Kernkörperchen fungieren zusammen als Kontrollzentrum der Zelle und sind der Ursprung aller zukünftigen Zellgenerationen. Der Nukleus ist von einer doppelwandigen Zellmembran umhüllt. Im Allgemeinen enthält der Nukleus eine Substanz, die Chromatin genannt wird und die aus Erbgut mit einer Verpackung in Form von Proteinen besteht. Wenn die Zelle ein Stadium erreicht, an dem sie sich teilen möchte, verdichtet sich das Chromatin zu den Chromosomen, der Transportform des Erbgutes.

Neben der Aufgabe, genetisches Material für zukünftige Generationen zur Verfügung zu stellen, werden im Zellkern zwei weitere wichtige Substanzen produziert, um die genetische Information in eine für den Stoffwechsel lesbare Form zu übersetzen – so ähnlich wie ein 3-D-Drucker digitale Informationen nutzt, um daraus irgendeinen Gegenstand herzustellen. Die Messenger-Ribonukleinsäure (mRNA, englisch messenger = der Bote) und die Transfer-Ribonukleinsäure (tRNA) sorgen gemeinsam dafür, dass die im Erbgut hinterlegte Information in ein Protein übersetzt wird. Im Zellkern wird noch ein weiterer Ribonukleinsäuretyp produziert, die ribosomale Ribonukleinsäure (rRNA), die für den Aufbau der Ribosomen benötigt wird. (In Kapitel 9 finden Sie alles zu Nukleinsäuren.)

Ribosomen

sind kleine, kugelige Strukturen aus Proteinen und Ribonukleinsäuren (rRNA) – Miniproduktionsanlagen, an denen die einzelnen Aminosäuren zu Proteinen zusammengesetzt werden. Viele dieser am Ribosom synthetisierten Proteine sind Enzyme, die für fast alle Stoffwechselprozesse in einem Organismus benötigt werden, andere Proteine bauen beispielsweise als Strukturproteine Muskeln, Bindegewebe oder Haare auf oder dienen als Transportmoleküle für Sauerstoff, Eisen oder Fette im Blut. (

Teil II

dieses Buches ist den Aminosäuren, Proteinen und Enzymen gewidmet.)

Ein kurzer Blick in eine Pflanzenzelle

Pflanzenzellen sind ähnlich aufgebaut wie Tierzellen, zusätzlich besitzen sie jedoch eine feste Zellwand, eine deutlich größere Vakuole als Tierzellen sowie in den meisten Fällen Chloroplasten für die Energiegewinnung. Abbildung 1.3 veranschaulicht den Aufbau einer typischen Pflanzenzelle.

Abbildung 1.3: Vereinfachte Darstellung einer Pflanzenzelle

Die Zellwand besteht aus Zellulose, die genau wie Stärke ein Polymer aus Hunderten bis Tausenden von Glukoseeinheiten ist. Die Zellwand sorgt für Struktur und Stabilität.

Die große Vakuole einer Pflanzenzelle dient als eine Art Lager für die »sperrigen« Stärkemoleküle. Glukose, ein Zucker, der während der Photosynthese entsteht, wird in das lagerfähige Polymer Stärke umgewandelt, indem zahlreiche Moleküle Glukose aneinandergeheftet werden. Zu einem späteren Zeitpunkt kann die Stärke dann erneut als Energiequelle dienen und wieder in ihre Bestandteile zerlegt werden. (In Kapitel 7 dreht es sich hauptsächlich um Glukose und andere Kohlenhydrate.)

Chloroplasten sind hoch spezialisierte chemische Fabriken. Hier findet die Photosynthese statt, bei der der Blattfarbstoff Chlorophyll die Energie des Sonnenlichts einfängt und nutzt, um aus Kohlenstoffdioxid und Wasser Glukose herzustellen und Sauerstoff freizusetzen.

Die grüne Farbe vieler Pflanzen wird durch die magnesiumhaltige Verbindung Chlorophyll verursacht, die an der Photosynthese beteiligt ist.

Nun wissen Sie, wie typische pro- und eukaryotische Zellen aussehen – und damit können wir endlich zur Biochemie übergehen!

Kapitel 2

Eintauchen: Die Chemie des Wassers

IN DIESEM KAPITEL

Das Wasser und seine Aufgaben im StoffwechselDer Unterschied zwischen Säuren und BasenSäure-Base-GleichgewichteDer pH-Wert von Puffern

Wasser zählt nicht nur für Menschen zu den wichtigsten Stoffen auf der Erde. Wir trinken Wasser pur, als Limonade oder in Tee und Kaffee, regulieren unsere Körpertemperatur durch Schwitzen, wir gehen schwimmen, transportieren Abfälle mit Wasser in die Kanalisation oder gewinnen elektrische Energie aus Wasserkraftwerken. In welcher Form auch immer – ohne Wasser könnten wir nicht leben.

Biochemisch betrachtet ist Wasser definitiv einer der Hauptdarsteller auf der Bühne des Lebens. Kein Transportprozess im Körper würde ohne Wasser funktionieren, was übrigens auch für die meisten biochemischen Reaktionen gilt, die nur in wasserhaltiger Umgebung oder unter direkter Beteiligung von Wassermolekülen ablaufen können.

In diesem Kapitel sehen wir uns die Struktur und Eigenschaften des Wassermoleküls genauer an. Wir erklären, wie sich Wasser als Lösungsmittel verhält, und beschäftigen uns mit der Chemie von Säuren und Basen und dem Gleichgewicht, dem beide unterliegen. Zum Schluss erläutern wir die Begriffe pH-Wert und Puffer näher und gehen dabei auf die Henderson-Hasselbalch-Gleichung ein. Ein ehrgeiziges Programm – holen Sie sich eine Tasse Tee, setzen Sie sich gemütlich hin und tauchen Sie mit uns in die faszinierende Welt der Wasserchemie ein!

Was Sie über H2O (Wasser) wissen sollten

Das Leben auf der Erde ist untrennbar mit der Existenz von Wasser verbunden, das gilt auch für uns Menschen. Unser Körper besteht zu etwa 70 Prozent aus Wasser (was noch nicht einmal besonders aufregend ist – Quallen bringen es auf einen Wasseranteil von 98 bis 99 Prozent!). Der größte Teil dieses Wassers (55 Prozent) befindet sich intrazellulär, also innerhalb der Zellen. Die verbleibenden 45 Prozent des Körperwassers sind extrazellulär, also außerhalb der Zellen, und verteilen sich wie folgt:

Blutplasma (8 Prozent)

interstitielle Flüssigkeit und Lymphe (22 Prozent)

Bindegewebe, Knorpel und Knochen (15 Prozent)

Wasser wird auch als Lösungsmittel für eine Vielzahl biochemischer Reaktionen gebraucht, die im Körper ablaufen:

Wasser sorgt für den Stofftransport durch die Membranen und befördert Stoffe in die Zelle oder aus der Zelle heraus.

Wasser ist für die Erhaltung der Körpertemperatur verantwortlich.

Wasser ist ein Lösungsmittel im Verdauungs- und Exkretionssystem und transportiert gelöste Stoffe.