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2 Einführung in die Biochemie* - Spektrum der · PDF file 2 Einführung in die Biochemie* Die modernen Methoden der Gentechnik be-nutzen in der Natur entdeckte molekulare Werk-zeuge

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  • 2 Einführung in die Biochemie*

    Die modernen Methoden der Gentechnik be- nutzen in der Natur entdeckte molekulare Werk- zeuge (Restriktionsenzyme, Plasmide, Ligasen u. a. m.), mit denen wir heutzutage biochemische Mechanismen und Stoffwechselvorgänge im De- tail untersuchen und gezielt verändern können. Dies eröffnet eine Vielzahl neuer Anwendungs- möglichkeiten von Biokatalysatoren in techni- schen Prozessen. Die Grundprinzipien der Gen- technologie (engl. genetic engineering) werden abschließend behandelt.

    2.1 Bausteine der Zelle

    2.1.1 Größenverhältnisse

    Die Dimensionen, die beim Aufbau einer Zelle aus ihren Bausteinen relevant sind, zeigt Abbil- dung 2.1. Die wohl kleinste biologisch relevante Dimension ist die Länge von Atombindungen, z. B. die Länge einer einfachen C-C-Bindung von 1,54 Å (Å = Ångström, Längeneinheit 1 Å = 10–10 m = 0,1 nm). Moleküle, in denen mehre- re Atome verknüpft sind, z. B. monomere Zu- ckermoleküle oder Aminosäuren, sind mehrere Ångström groß. Proteine oder Polysaccharide, polymere Strukturen aus diesen Bausteinen, sind eine Größenordnung größer, wie z. B. Hämoglo- bin, ein Protein, welches beim Menschen den Sauerstofftransport im Blut bewirkt. Die im vo- rigen Kapitel vorgestellten Ribosomen (Protein-/ RNA-Aggregate) besitzen eine Größe von ca. 300 Å (30 nm) und die Zellorganellen, z. B. Mi- tochondrien oder Membrankompartimente sind ca. 0,3–5 μm groß. Letztere werden bereits im Lichtmikroskop gut erkannt. Die Größe von pro- karyotischen Bakterienzellen liegt im Bereich von Mikrometern (ca. 1–3 μm); rote Blutkörperchen

    Von außen betrachtet gleicht unsere Erde annä- hernd einer Kugel, die auf ihrer Oberfläche in einer sehr dünnen Schicht Leben hervorbringt. Ermög- licht wird das Leben erst durch eine permanente Energieversorgung, die ursächlich von den Kern- reaktionen der Sonne ausgeht. Der Erfolg einer be- stimmten Lebensform in diesem Lebensraum Erde ist maßgeblich von der Fähigkeit der Organismen abhängig, die zur Verfügung stehende Energie bestmöglich zu nutzen. Im ersten Kapitel ist die Formenvielfalt der Lebewesen, die immer aus Zel- len mit gleichen makromolekularen Bausteinen bestehen (DNA, RNA, Proteine, Membranen) und gleiche Informationsübertragungsmechanismen und Stoffwechselwege besitzen, angesprochen worden. Die Anzahl und Art der im Stoffwechsel umgesetzten Substanzen ist mannigfach und den- noch auf die gleichen Ausgangsverbindungen wie Glucose oder Aminosäuren zurückführbar.

    In diesem Kapitel werden die wesentlichen Bausteine und die Verknüpfungsregeln, z. B. zum Aufbau eines Proteinmoleküls aus den Amino- säuren, vorgestellt. Wie die dabei entstehenden Proteinstrukturen am Beispiel der biokatalytisch aktiven Enzyme zu selektiven Katalysatoreigen- schaften führen, wird ebenfalls beschrieben.

    Das Zusammenspiel verschiedener Enzyme in Stoffwechsel-Reaktionsketten, z. B. bei Reak- tionen, die für die chemische Energiegewinnung der Zelle verantwortlich sind, zeigt, in welch vielfältigem Ausmaß jede Zelle zu Stoffwech- selvorgängen fähig ist. Diese Vielfalt möglicher Enzymreaktionen wird in der Zelle auf mehreren Ebenen geregelt und gesteuert, um das optimale Überleben unter verschiedensten Umgebungs- bedingungen zu gewährleisten. Die wichtigsten dabei beobachteten Regelmechanismen werden im vorliegenden Kapitel angesprochen.

    * Autoren: Karl-Heinz Klempnauer, Lutz Fischer, Manfred Karl Otto

  • 2 24 2 Einführung in die Biochemie

    sind etwa 3–7 μm und eukaryotische pflanzli- che oder tierische Zellen ca. 5–100 μm groß. Aus diesen Dimensionsbetrachtungen lassen sich bereits Diffusionsstrecken der bei der Synthese von Zellstrukturen umgesetzten Substanzen und ungefähre Zeitkonstanten für diffusionskontrol- lierte Reaktionen abschätzen. Die quantitative Beschreibung erfolgt in späteren Kapiteln.

    2.1.2 Die Bedeutung des Wassers

    Eine Beschreibung der biochemischen Vorgänge in lebenden Zellen muss auch eine Betrachtung der besonderen Eigenschaften des Wassers ein- schließen. Organismen bestehen zum größten Teil aus Wasser (ca. 70 % im Falle des mensch- lichen Körpers und ebenso bei dem Bakterium E. coli); Wasser ist daher das häufigste Molekül in lebenden Systemen und spielt aus verschiedenen Gründen eine zentrale Rolle. Die dreidimensio- nale (räumliche) Struktur von Biomolekülen, und damit auch ihre Funktion, ergibt sich im Zusam- menspiel mit den physikalischen und chemischen Eigenschaften des sie umgebenden Wassers. Die herausragende Eigenschaft der Wassermoleküle ist ihr Dipolcharakter und damit einhergehend die Fähigkeit, Wasserstoffbrückenbindungen untereinander oder mit anderen Molekülen ein- zugehen (Abb. 2.2). Einzelne Wasserstoffbrü- ckenbindungen sind relativ schwach (ca. 23 kJ/ mol) und daher wenig stabil beispielsweise im

    Vergleich zu einer kovalenten O–H-Bindung im Wassermolekül (ca. 470 kJ/mol). Dennoch reicht die darauf basierende Oberflächenspannung des Wassers aus, um beispielsweise ein Insekt wie den Wasserläufer (Gerris lacustris) zu tragen. Man kann sich Wasser als ein schnell fluktuierendes, dreidimensionales Netzwerk untereinander über Wasserstoffbrückenbindungen interagierender Moleküle vorstellen. Die Löslichkeit von Sub- stanzen im Wasser hängt von ihrer Fähigkeit zur Interaktion mit den Wassermolekülen ab. Moleküle mit polaren Gruppen oder ionischem Charakter sind sehr gut in Wasser löslich (diese Moleküle werden als hydrophil bezeichnet), im Gegensatz dazu sind apolare Substanzen wasser- unlöslich und werden als hydrophob bezeichnet. Löslichkeitsunterschiede zwischen polaren und apolaren Bereichen spielen eine fundamentale

    Abb. 2.1 Charakteristische Größen von Zellbausteinen und Zellen (nach Berg et al. 2007)

    Abb. 2.2 (a) Struktur und Ladungsverteilung des Wassermoleküls. (b) Über Wasserstoffbrückenbin- dungen (punktierte Linien) interagierende Wasser- moleküle

  • 22.1 Bausteine der Zelle 25 Rolle bei der räumlichen Strukturierung und Stabilität von Biomolekülen wie z. B. Proteinen oder bei der Zusammenlagerung von Molekülen zu größeren Aggregaten (wie z. B. Lipidmemb- ranen). Die Bildung dieser für die Funktionen lebender Systeme essenziellen Strukturen ist nur im Zusammenspiel mit dem Wasser erklärbar.

    Von seinen Eigenschaften als Lösungsmittel abgesehen, spielen Wassermoleküle bzw. ihre Dissoziation in Wasserstoff-Ionen (H+, Proto- nen) und Hydroxid-Ionen (OH–) als Reaktions- teilnehmer bei vielen biochemischen Reaktionen eine wichtige Rolle.

    Das Ionenprodukt des Wassers ist die Grund- lage der pH-Skala, die einen Bereich von pH 0 bis pH 14 für eine wässrige Lösung umfasst. Dabei beschreibt der Begriff pH (lat. potentia hydroge- nii) definitionsgemäß den negativen dekadischen Logarithmus der Wasserstoff-Ionenkonzentrati- on (–log[H+]) einer wässrigen Lösung. Ein pH- Wert von 0 bzw. 14 besagt beispielsweise, dass die H+-Ionenkonzentration 100 = 1 mol l–1 bzw. 10–14 mol l–1 beträgt. Bei einem pH-Wert von 7,0 sind die H+-Ionen und die OH–-Ionen in jeweils gleicher Konzentration von 10–7 mol l–1 vorhan- den, die wässrige Lösung ist „neutral“. Eine Lö- sung mit pH < 7,0 ist sauer (H+-Ionenüberschuss), mit pH > 7,0 basisch (OH–-Ionenüberschuss).

    Schließlich stellt die oxidative Spaltung des Wassers zu O2 und die Bindung des Wasserstoffs an Kohlendioxid bei der oxygenen Photosynthese von Pflanzen und Grünalgen ein Grundprinzip der Umwandlung der Energie der Sonnenstrah- lung in chemisch nutzbare Energieformen wie Zucker (Kohlenhydrate) dar. Die Nutzung dieser chemisch gebundenen Energie in dem katabolen Stoffwechsel von aerob lebenden Zellen führt letztlich wieder zur Reduktion von Sauerstoff zu Wasser (Kapitel 2.2).

    2.1.3 Vom Grundbaustein zur Zellstruktur

    Die in den Zellen auftretenden molekularen Strukturen werden von verschiedenen Typen von Makromolekülen gebildet, die ihrerseits aus charakteristischen Bausteinen zusammengesetzt sind. Eine Auswahl der wichtigsten zellulären Makromoleküle und ihre molekularen Bausteine ist in Tabelle 2.1 aufgeführt.

    Die einzelnen Makromoleküle haben ganz un- terschiedliche Aufgaben in der Zelle; entsprechend ist ihr molekularer Aufbau sehr unterschiedlich. Nucleinsäuren fungieren als Speicher genetischer Informationen und wurden bereits in Kapitel 1 genauer beschrieben. Die aus einzelnen Zucker- molekülen aufgebauten Polysaccharide dienen als Energiespeicher, wie das in Abbildung 2.3 schema- tisch dargestellte Glykogen, oder als Strukturele- mente beispielsweise in pflanzlichen (Cellulose) oder bakteriellen (Murein = Peptidoglykan) Zell- wänden. Wichtige Funktionen als kompakte Ener- giespeicher haben ebenfalls die in Abbildung 2.3 gezeigten, durch Verknüpfung von Glycerin mit drei Fettsäuren gebildeten Fette. Die einzelnen Fettsäurereste können unterschiedliche Länge ha- ben und sich durch das Fehlen (gesättigte Fett- säuren) oder Vorhandensein (ungesättigte Fett- säuren) von Doppelbindungen unterscheiden. Im Gegensatz zu den Speicherfetten sind die nur zwei Fettsäureketten und eine hydrophile „Kopf- gruppe“ tragenden Phospholipide Hauptbestand- teile zellulärer Biomembranen. Aufgrund ihres amphipatischen Charakters bilden sie in wäss- riger Umgebung spontan sogenannte Lipiddop- pelschichten (Abb. 2.3), die die Grundstrukturen von Biomembranen darstellen. Die anschließend genauer besprochenen Proteine schließlich bil-

    Tabelle 2.1 Beispiele zellulärer Makromoleküle und deren Bausteine

    Molekulare Komponente Beispiel Bausteine

    Protein Enzyme Aminosäure

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