Stryer Biochemie:
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| Format: | Buch |
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| Veröffentlicht: |
Berlin
Springer Spektrum
[2018]
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| Schriftenreihe: | Lehrbuch
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Inhaltsverzeichnis 1 2 Biochemie: Evolution einer Wissenschaft. 1 1.1 Der biologischen Vielfalt liegt eine biochemische Einheitlichkeit zugrunde 2 1.2 Die DNA verdeutlicht die Beziehung zwischen Form und Funktion. 4 1.3 Modellvorstellungen aus der Chemie erklären die Eigenschaften biologischer Moleküle.7 1.4 Die genomische Revolution verändert Biochemie und Medizin.20 Zusammensetzung und Struktur der Proteine. 31 2.1 Proteine sind aus einem Repertoire von 20 Aminosäuren aufgebaut. . . 34 2.2 Primärstruktur: Peptidbindungen verknüpfen die Aminosäuren zu Polypeptidketten.41 2.3 Sekundärstruktur: Polypeptidketten können sich zu regelmäßigen Strukturen wie a-Helix, ^-Faltblatt, Kehren und Schleifen falten. 48 2.4 Tertiärstruktur: Wasserlösliche Proteine falten sich zu kompakten Strukturen mit einem unpolaren Kern. 55 3 4 2.5 Quartärstruktur: Polypeptidketten können sich zu Komplexen aus vielen Untereinheiten zusammenlagern. 58 2.6 Die Aminosäuresequenz eines Proteins legt dessen dreidimensionale Struktur fest. 59 Erforschung der Proteine und Proteome.79 3.1 Die
Reinigung eines Proteins ist der erste Schritt zum Verständnis seiner Funktion. 81 3.2 Die Immunologie liefert wichtige Methoden zur Untersuchung von Proteinen. 95 3.3 Die Massenspektrometrie ist ein leistungsfähiges Verfahren zur Identifizierung von Proteinen. 102 3.4 Peptide lassen sich mit automatisierten Festphasenmethoden synthetisieren. 110 3.5 Die dreidimensionale Struktur eines Proteins lässt sich durch Röntgenstrukturanalysen und NMR-Spektroskopie ermitteln.113 DNA, RNA und der Fluss der genetischen Information. 127 4.1 Eine Nucleinsäure besteht aus vier verschiedenen Basen, die mit einem Zucker-Phosphat-Rückgrat verknüpft sind. 128 4.2 Zwei Nucleinsäurestränge mit komplementären Sequenzen können eine Doppelhelix bilden. 132 XXIII
XXIV Inhaltsverzeichnis 5 6 4.3 Die Doppelhelix ermöglicht die genaue Weitergabe von genetischer Information. 139 4.4 DNA wird durch Polymerasen repliziert, die ihre Instruktionen von Matrizen beziehen.142 4.5 Genexpression bedeutet Umsetzung der in der DNA enthaltenen Information in funktionelle Moleküle. 144 4.6 Die Aminosäuren werden ab einem bestimmten Startpunkt von Gruppen aus jeweils drei Basen codiert. 149 4.7 Die meisten eukaryotischen Gene sind Mosaike aus Introns und Exons . 153 Erforschung der Gene und Genome.163 5.1 Die Grundwerkzeuge der Genforschung. 165 5.2 Die Gentechnik hat die Biologie auf allen Ebenen revolutioniert. 173 5.3 Ganze Genome wurden sequenziert und analysiert. 185 5.4 Eukaryotische Gene lassen sich mit großer Genauigkeit gezielt verändern.190 Erforschung der Evolution und die Bioinformatik. 205 6.1 Homologe stammen von einem gemeinsamen Vorfahren ab.207 6.2 Die statistische Analyse von Sequenzalignments deckt Homologien auf 208 6.3 Die Untersuchung
der dreidimensionalen Struktur vermittelt ein besseres Verständnis von den evolutionären Verwandtschaftsbeziehungen. 216 6.4 Auf der Grundlage von Sequenzinformationen lassen sich Stammbäume konstruieren.221 6.5 7 Moderne Verfahren ermöglichen die experimentelle Untersuchung von Evolutionsprozessen. 222 Hämoglobin: Porträt eines Proteins in Aktion. 229 7.1 Myoglobin und Hämoglobin binden Sauerstoff an Eisenatome im Häm .230 7.2 Hämoglobin bindet Sauerstoff kooperativ. 234 7.3 Wasserstoffionen und Kohlendioxid fördern die Freisetzung von Sauerstoff: der Bohr-Effekt.240 7.4 8 Mutationen in den Genen für die Hämoglobinuntereinheiten können Krankheiten hervorrufen. 242 Enzyme: Grundlegende Konzepte und Kinetik. 255 8.1 Enzyme sind leistungsstarke und hochspezifische Katalysatoren. 256 8.2 Die freie Enthalpie ist eine wichtige thermodynamische Funktion zum Verständnis von Enzymen.259 8.3 Enzyme beschleunigen Reaktionen durch Erleichterung der Bildung von
Übergangszuständen. 263 8.4 Die Michaelis-Menten-Gleichung beschreibt die kinetischen Eigenschaften vieler Enzyme. 268 8.5 Enzyme können durch spezifische Moleküle gehemmt werden.279 8.6 Enzyme können Molekül für Molekül erforscht werden. 288
Inhaltsverzeichnis 9 10 Katalytische Strategien. 299 9.1 Proteasen ermöglichen eine schwer durchführbare Reaktion. 301 9.2 Carboanhydrasen machen eine schnelle Reaktion noch schneller. 314 9.3 Restriktionsenzyme katalysieren hochspezifische Spaltungsreaktionen an DNA. 319 9.4 Myosine nutzen Veränderungen der Enzymkonformation, um die Hydrolyse von ATP mit mechanischer Arbeit zu koppeln. 328 Regulatorische Strategien. 339 10.1 Die Aspartat-Transcarbamoylase wird durch das Endprodukt der Pyrimidinbiosynthese allosterisch gehemmt.341 10.2 Isozyme ermöglichen die Regulation in spezifischen Geweben und bestimmten Entwicklungsstadien. 348 10.3 Kovalente Modifikation ist ein Mittel zur Regulation der Enzymaktivität.349 10.4 Viele Enzyme werden durch eine spezifische proteolytische Spaltung aktiviert.354 11 Kohlenhydrate. 373 11.1 Monosaccharide sind die einfachsten Kohlenhydrate. 374 11.2
Monosaccharide sind zu komplexen Kohlenhydraten verknüpft.382 11.3 Kohlenhydrate können mit Proteinen zu Glykoproteinen verknüpft sein . 385 11.4 Lectine sind spezifische kohlenhydratbindende Proteine. 395 12 Lipide und Zellmembranen. 405 12.1 Fettsäuren sind die Hauptbestandteile der Lipide. 407 12.2 Es gibt drei Haupttypen von Membranlipiden. 409 12.3 Phospholipide und Glykolipide bilden in wässrigen Medien leicht bimolekulare Schichten. 413 12.4 Proteine bewerkstelligen die meisten Prozesse anMembranen. 416 12.5 Lipide und viele Membranproteine diffundieren in der Membranebene schnell. 422 12.6 Eukaryotische Zellen enthalten Kompartimente, die von inneren Membranen umgeben sind.427 13 Membrankanäle und-pumpen. 435 13.1 Der Transport von Molekülen durch eine Membran kann aktiv oder passiv sein. 437 13.2 Zwei Familien von Membranproteinen nutzen die ATP-Hydrolyse, um Ionen und Moleküle durch Membranen zu pumpen.438 13.3 Die Lactose-Permease ist ein Archetyp von
sekundären Transportern, die einen Konzentrationsgradienten nutzen, um die Bildung eines anderen Konzentrationsgradienten anzutreiben. 444 13.4 Spezifische Kanäle transportieren Ionen rasch durch Membranen . . . .447 13.5 Gap junctions ermöglichen den Fluss von Ionen und kleinen Molekülen zwischen kommunizierenden Zellen.461 XXV
XXVI Inhaltsverzeichnis 13.6 Spezifische Kanäle erhöhen die Permeabilität einiger Membranen für Wasser. 463 14 Signaltransduktionswege. 469 14.1 Heterotrimere G-Proteine übertragen Signale und kehren von selbst wieder in den Grundzustand zurück.472 14.2 Signalgebung durch Insulin: An vielen Signalübertragungsprozessen sind Phosphorylierungskaskaden beteiligt. 482 14.3 Signalgebung durch EGF: Signaltransduktionssysteme sind ständig reaktionsbereit. 486 14.4 Verschiedene Signaltransduktionswege enthalten immer wiederkehrende Elemente mit leichten Variationen.490 14.5 Defekte in Signaltransduktionswegen können zu Krebs und anderen Krankheiten führen.491 15 Der Stoffwechsel: Konzepte und Grundmuster. 499 15.1 Der Stoffwechsel besteht aus vielen gekoppelten Reaktionen. 500 15.2 ATP ist die universelle Währung der freien Enthalpie in biologischen Systemen. 503 15.3 Die Oxidation von Kohlenstoffverbindungen ist für die Zelle eine wichtige
Energiequelle.508 15.4 Stoffwechselwege enthalten viele wiederkehrende Muster. 512 16 Glykolyse und Gluconeogenese. 529 16.1 Die Glykolyse ist in vielen Organismen ein energieumwandelnder Stoffwechsel weg. 531 16.2 Die Glykolyse wird streng kontrolliert. 552 16.3 Glucose lässt sich aus Molekülen, die keine Kohlenhydrate sind, synthetisieren. 560 16.4 Gluconeogenese und Glykolyse werden reziprok reguliert.567 17 Der Citratzyklus.581 17.1 Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex verbindet die Glykolyse mit dem Citratzyklus. 584 17.2 Der Citratzyklus oxidiert Einheiten aus zwei Kohlenstoffatomen. 589 17.3 Der Eintritt in den Citratzyklus und sein Stoffumsatz werden kontrolliert.598 17.4 Der Citratzyklus liefert zahlreiche Biosynthesevorstufen. 602 17.5 Der Glyoxylatzyklus ermöglicht es Pflanzen und Bakterien, mit Acetat zu
wachsen. 605 18 Die oxidative Phosphorylierung.613 18.1 Die oxidative Phosphorylierung findet bei Eukaryoten in den Mitochondrien statt.615 18.2 Die oxidative Phosphorylierung hängt vom Elektronentransfer ab . . . .617 18.3 Die Atmungskette besteht aus vier Komplexen: drei Protonenpumpen und einer direkten Verbindung zum Citratzyklus 621
Inhaltsverzeichnis 18.4 Ein Protonengradient treibt die ATP-Synthese an. 636 18.5 Viele Shuttlesysteme ermöglichen den Transport durch mitochondriale Membranen.644 18.6 Die Regulation der oxidativen Phosphorylierung wird hauptsächlich durch den ATP-Bedarf bestimmt. 647 19 Die Lichtreaktionen der Photosynthese. 661 19.1 Die Photosynthese findet in den Chloropiasten statt. 663 19.2 Die Lichtabsorption durch Chlorophyll führt zu einem Elektronentransfer. 665 19.3 In der sauerstoffproduzierenden Photosynthese erzeugen zwei Photosysteme einen Protonengradientenund NADPH.669 19.4 Ein Protonengradient über die Thylakoidmembran treibt die ATP-Synthese an.676 19.5 Akzessorische Pigmente leiten Energie zu den Reaktionszentren. 680 19.6 Die Fähigkeit, Licht in chemische Energie umzuwandeln, ist alt.684 20 Der Calvin-Zyklus und der Pentosephosphatweg.689 20.1 Der Calvin-Zyklus synthetisiert Hexosen aus Kohlendioxid und Wasser. .690 20.2 Die Aktivität des Calvin-Zyklus hängt von den Umweltbedingungen ab 700 20.3 Der Pentosephosphatweg erzeugt NADPH und C5-Kohlenhydrate
. . . .703 20.4 Der Stoffwechsel von Glucose-6-phosphat im Pentosephosphatweg ist mit der Glykolyse koordiniert. 711 20.5 Die Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase spielt eine Schlüsselrolle beim Schutz vor reaktiven Sauerstoffverbindungen.714 21 Der Glykogenstoffwechsel. 723 21.1 Der Glykogenabbau erfordert das Zusammenspiel mehrerer Enzyme . .726 21.2 Die Phosphorylase wird durch allosterische Wechselwirkungen und reversible Phosphorylierung reguliert. 731 21.3 Adrenalin und Glucagon signalisieren den Bedarf, Glykogen abzubauen . 737 21.4 Glykogen wird auf verschiedenen Wegen synthetisiert und abgebaut. . 740 21.5 Glykogenabbau und -synthese werden reziprok reguliert. 743 22 Der Fettsäurestoffwechsel.755 22.1 Triacylglycerine stellen hochkonzentrierte Energiespeicher dar.757 22.2 Um Fettsäuren als Brennstoff nutzen zu können, sind drei Verarbeitungsschritte erforderlich. 760 22.3 Für den Abbau ungesättigter und ungeradzahliger Fettsäuren sind zusätzliche Schritte notwendig. .767 22.4 Fettsäuren werden von der Fettsäure-Synthase gebildet. 777 22.5 Zusätzliche Enzyme verlängern Fettsäuren und führen
Doppelbindungen ein. 786 22.6 Die Acetyl-CoA-Carboxylase spielt eine Schlüsselrolle bei der Kontrolle des Fettsäurestoffwechsels. 790 XXVII
XXVIII Inhaltsverzeichnis 23 Proteinumsatz und Aminosäurekatabolismus. 801 23.1 Proteine werden zu Aminosäuren abgebaut. 802 23.2 Der Proteinumsatz unterliegt einer strengen Regulation. 804 23.3 Der erste Schritt beim Aminosäureabbau ist die Abspaltung von Stickstoff.810 23.4 Ammoniumionen werden bei den meisten terrestrischen Wirbeltieren in Harnstoff umgewandelt. 816 23.5 Kohlenstoffatome aus dem Aminosäureabbau tauchen in wichtigen Stoffwechselzwischenprodukten auf. 823 23.6 Angeborene Stoffwechseldefekte können den Abbau von Aminosäuren stören.830 24 Biosynthese der Aminosäuren. 839 24.1 Stickstofffixierung: Mikroorganismen können atmosphärischen Stickstoff mithilfe von ATP und einem hoch wirksamen Reduktionsmittel in Ammoniak umwandeln. 841 24.2 Aminosäuren entstehen aus Zwischenprodukten des Citratzyklus und anderer wichtiger Stoffwechselwege. 846 24.3 Die Aminosäurebiosynthese wird durch Rückkopplungshemmung
reguliert.858 24.4 Aminosäuren sind die Vorstufen einer großen Zahl von Biomolekülen. .863 25 Biosynthese der Nucleotide.875 25.1 Der Pyrimidinring wird de novo synthetisiert oder mithilfe von Recyclingwegen zurückgewonnen. 877 25.2 Purinbasen können de novo synthetisiert oder mithilfe von Recyclingwegen zurückgewonnen werden. 882 25.3 Eine Radikalreaktion reduziert Ribonucleotide zu Desoxyribonucleotiden.887 25.4 Entscheidende Schritte der Nucleotidbiosynthese werden durch Rückkopplungshemmung reguliert.894 25.5 Störungen im Nucleotidstoffwechsel können zu pathologischen Prozessen führen. 897 26 Biosynthese der Membranlipide und Steroide. 905 26.1 Phosphatidat ist ein gemeinsames Zwischenprodukt bei der Synthese von Phospholipiden und Triacylglycerinen. 906 26.2 Cholesterin wird in drei Schritten aus Acetyl-Coenzym A synthetisiert. .916 26.3 Die komplexe Regulation der Cholesterinbiosynthese erfolgt auf mehreren
Ebenen. 920 26.4 Zu den wichtigen Derivaten des Cholesterins gehören die Gallensalze und die Steroidhormone. 931 27 Koordination des Stoffwechsels.947 27.1 Die kalorische Homöostase ist ein Weg zur Regulation des Körpergewichts.948 27.2 Bei der kalorischen Homöostase spielt das Gehirn eine Schlüsselrolle . .951
Inhaltsverzeichnis 27.3 Diabetes ist eine weit verbreitete Stoffwechselerkrankung, die häufig von Adipositas verursacht wird.955 27.4 Sport beeinflusst die in den Zellen ablaufenden biochemischen Vorgänge positiv.962 27.5 Nahrungsaufnahme und Hungern bewirken Änderungen des Stoffwechsels. 966 27.6 Ethanol verändert den Energiestoffwechsel der Leber. 970 28 Replikation, Rekombination und Reparatur von DNA. 979 28.1 Die DNA-Replikation erfolgt durch die Polymerisation von Desoxynucleosidtriphosphaten entlang einer Matrize. 981 28.2 Entwindung und Superspiralisierung der DNA werden von Topoisomerasen gesteuert. 987 28.3 Die DNA-Replikation erfolgt genau koordiniert.993 28.4 Viele Arten von DNA-Schäden können repariert werden. 1000 28.5 Die DNA-Rekombination spielt bei der Replikation, Reparatur und anderen Reaktionen der DNA eine wichtige Rolle.1009 29 Kontrolle der Genexpression bei Eukaryoten. 1017 29.1 Die RNA-Polymerasen katalysieren die Transkription. 1019 29.2 Bei Eukaryoten wird die Transkription stark
reguliert.1032 29.3 Die Transkriptionsprodukte aller drei eukaryotischen RNA-Polymerasen werden prozessiert.1038 29.4 Die Entdeckung katalytischer RNA lieferte wichtige Erkenntnisse über Reaktionsmechanismen und Evolution. 1051 30 Proteinsynthese. 1059 30.1 Zur Proteinsynthese müssen Nucleotidsequenzen in Aminosäuresequenzen translatiert werden. 1060 30.2 Aminoacyl-tRNA-Synthetasen lesen den genetischen Code.1066 30.3 Das Ribosom ist der Ort der Proteinsynthese. 1071 30.4 Die Proteinsynthese von Bakterien und Eukaryoten unterscheidet sich vor allem in der Initiation der Translation. 1080 30.5 Eine Reihe verschiedener Antibiotika und Toxine können die Proteinsynthese hemmen.1082 30.6 Ribosomen, die an das endoplasmatische Reticulum gebunden sind, produzieren sekretorische und Membranproteine.1086 31 Kontrolle der Genexpression bei Prokaryoten. 1097 31.1 Viele DNA-bindende Proteine erkennen spezifische DNA-Sequenzen . 1098 31.2 DNA-bindende Proteine der Prokaryoten heften sich spezifisch an Regulationsstellen in den
Operons.1100 31.3 Regulatorische Regelkreise können zu einem Umschalten zwischen verschiedenen Genexpressionsmustern führen.1106 31.4 Die Genexpression kann auch nach der Transkription noch kontrolliert werden. 1109 ХХІХ
XXX 1 Inhaltsverzeichnis 32 Kontrolle der Genexpression bei Eukaryoten. 1115 32.1 Eukaryotische DNA ist als Chromatin verpackt. 1117 32.2 Transkriptionsfaktoren binden an die DNA und regulieren die Einleitung der Transkription. 1119 32.3 Die Steuerung der Genexpression kann ein Chromatin-Remodeling erfordern.1123 32.4 Die Genexpression kann auch nach der Transkription noch kontrolliert werden. 1131 33 Sensorische Systeme. 1139 33.1 Der Geruchssinn nimmt ein breites Spektrum organischer Verbindungen wahr. 1141 33.2 Geschmackswahrnehmung ist eine Kombination mehrerer Sinne, die über unterschiedliche Mechanismen funktionieren.1146 33.3 Photorezeptormoleküle im Auge nehmen sichtbares Licht wahr . . . .1151 33.4 Das Hören beruht auf der schnellen Wahrnehmung mechanischer Reize. 1157 33.5 Zum Tastsinn gehört die Wahrnehmung von Druck, Temperatur und anderen Faktoren.1160 34
Dasimmunsystem. 1165 34.1 Antikörper besitzen abgegrenzte Antigenbindungs- und Effektoreinheiten.1170 34.2 Antikörper binden spezifische Moleküle über hypervariable Schleifen 1173 34.3 Die Umordnung von Genen erzeugt Vielfalt. 1177 34.4 Die Proteine des Haupthistokompatibilitätskomplexes präsentieren auf der Zelloberfläche Peptidantigene, die von T-Zell-Rezeptoren erkannt werden. 1182 34.5 Das Immunsystem trägt zur Vorbeugung und Entstehung von Krankheiten des Menschen bei.1192 35 Molekulare Motoren.1201 35.1 Die meisten Proteine, die als molekulare Motoren wirken, gehören zur Superfamilie der P-Schleife-NTPasen. 1202 35.2 Myosine gleiten an Actinfilamenten entlang.1207 35.3 Kinesin und Dynein gleiten an Mikrotubuli entlang. 1215 35.4 Ein Rotationsmotor treibt die Bewegung vonBakterien an. 1219 36 Entwicklung von Arzneistoffen.1227 36.1 Die Entwicklung von Arzneistoffen ist eine große Herausforderung . . 1229 36.2
Arzneistoffkandidaten können durch einen glücklichen Zufall oder ein Screening gefunden oder gezielt konzipiertwerden. 1237 36.3 Genomanalysen sind für die Entdeckung von Arzneistoffen vielversprechend. 1246 36.4 Die Entwicklung von Arzneistoffen erfolgt inmehreren Phasen. 1250
Inhaltsverzeichnis Lösungen zu den Aufgaben. 1257 Ausgewählte Literatur.1319 Stichwortverzeichnis. 1366 |
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