Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
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1. Auflage 2015
© 2015 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Original English language edition © 2011 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 © 2011 by Wiley Publishing, Inc.Alle Rechte vorbehalten inklusive des Rechtes auf Reproduktion im Ganzen oderin Teilen und in jeglicher Form.Diese Übersetzung wird mit Genehmigung von John Wiley and Sons, Inc. publiziert.
Wiley, the Wiley logo, Für Dummies, the Dummies Man logo, and related trademarks andtrade dress are trademarks or registered trademarks of John Wiley & Sons, Inc.and/or its affiliates, in the United States and other countries. Used by permission.
Wiley, die Bezeichnung »Für Dummies«, das Dummies‐Mann‐Logo unddarauf bezogene Gestaltungen sind Marken oder eingetragene Markenvon John Wiley & Sons, Inc., USA, Deutschland und in anderen Ländern.
Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren und Verlagfür die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägensowie eventuelle Druckfehler keine Haftung.
Coverfoto: © Nadezda Razvodovska – Fotolia.com
Korrektur: Oliver Fehn, Münchberg, Dr. Susanne Katharina Hemschemeier, Berlin und Dr. Tina Micksch, Dresden
Satz: Beltz Bad Langensalza GmbH, Bad Langensalza
Print ISBN: 978‐3‐527‐71152‐9
ePub ISBN: 978‐3‐527‐69199‐9
mobi ISBN: 978‐3‐527‐69200‐2
John Moore wuchs am Fuße der Berge des westlichen North Carolina auf. Er 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. Nach seinem Wehrdienst in der US Army entschied er sich, die Lehrerlaufbahn einzuschlagen. 1971 wurde er Mitarbeiter an der chemischen 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. Während der letzten fünf Jahre arbeitete er als Co‐Editor (zusammen mit einem seiner früheren Studenten) am »Chemie für Kinder«‐Teil des Journal of Chemical Education. 2003 wurde sein erstes Buch, Chemie für Dummies, veröffentlicht, kurz darauf gefolgt von Chemistry Made Simple. John Moores Hobbys sind Kochen und das Schnitzen kunstvoller Messerhandgriffe aus tropischem Holz.
Richard Langley wuchs im südwestlichen Teil von Ohio auf. Er besuchte die Miami Univer‐sity 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. Während der vergangenen sieben Jahre nahm er dort zusammen mit John Moore die Prüfung für den Leistungskurs Chemie ab. John Moore und er haben zusammen verschiedene Buchprojekte realisiert wie Chemistry for the Utterly Confused. Zu Richard Langleys Hobbys gehören Schmuckherstellung und Science Fiction.
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.
Dr. Tina Micksch, geb. Schäfer, forschte einige Jahre als Biochemikerin an der Technischen Universität Dresden. In dieser Zeit befasste sie sich mit der Modifizierung von Implantatmaterialien mittels biologisch aktiver Moleküle. Sie lebt mit ihrer Familie in Dresden.
Willkommen bei Biochemie kompakt 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 – chemisch betrachtet jedenfalls.
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 welche Komponenten auf keinen Fall in Ihrer Ernährung fehlen sollten. 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 zahlreichen Reaktionsgleichungen Kopfzerbrechen bereiten. Vieles können wir an dieser Stelle nur anreißen – wenn Sie dann später noch mehr erfahren wollen, sind wir froh, dass wir mit diesem extrem kurz gefassten Buch vielleicht Ihr Interesse geweckt haben.
Biochemie kompakt 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 Gentherapie, Gentests, gentechnisch veränderte Nahrung und so weiter.
Wir haben die Themen in diesem Buch in ähnlicher Reihenfolge angeordnet, wie sie auch in einem Biochemiekurs vermittelt werden. 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.
Lesen Sie nur das, was von echtem Nutzen für Sie ist. 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 Biochemie für Dummies, Das Große Gesundheitsbuch und Eine kurze Geschichte der Zeit als Unterhaltungsmedium.
Egal, aus welchem Grund Sie dieses Buch zur Hand genommen haben – wir hoffen, dass Sie Spaß beim Lesen haben und es Ihnen hilft, die Biochemie besser zu verstehen.
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.
Dieser Teil behandelt die grundlegenden Aspekte der Chemie und Biochemie. Sie lernen die verschiedenen Zelltypen und ihre Bestandteile kennen und beschäftigen sich mit der Chemie des Wassers, mit pH‐Werten und Puffern. Und schließlich finden Sie in einem weiteren Kapitel das Wichtigste über die organische Chemie zusammengefasst, angefangen von funktionellen Gruppen bis hin zu Isomeren.
In diesem Teil konzentrieren wir uns ganz auf die Proteine. Wir stellen Aminosäuren vor, die Bausteine der Proteine, und erklären die unterschiedlichen Ebenen der Proteinstruktur. Schließlich beenden wir diesen Teil mit einer Betrachtung der Enzymkinetik, wobei Katalysatoren und Inhibitoren näher beleuchtet werden.
In diesem Teil beweisen wir Ihnen, dass Biochemie auch manchmal zuckersüß sein kann und Kohlenhydrate oft sehr komplexe Moleküle sind. Von den Lipiden schwenken wir zu den Nukleinsäuren DNA und RNA und dem genetischen Code (da Vinci lässt grüßen), bevor wir uns zum Schluss die Vitamine und Hormone ansehen.
Am Ende geht alles in Energie über, auf die eine oder andere Weise. In diesem Teil 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 Zitronensäurezyklus auf.
In diesem Teil bringen wir Ihnen näher, wie sich DNA im Prozess der Replikation kopiert, und wir zeigen Ihnen einige praktische Anwendungen der DNA‐Sequenzierung. Danach heißt es Bühne frei für RNA‐ und Proteinsynthese!
Der Schlussteil dieses Buches dreht sich um zehn großartige Anwendungen der Biochemie im täglichen Leben.
Falls Sie schon einmal ein … für Dummies‐Buch gelesen haben, werden Ihnen einige Symbole bekannt vorkommen. Trotzdem hier noch einmal eine Zusammenfassung ihrer Bedeutungen:
Teil I
In diesem Teil …
Wir werden uns einige grundlegende Aspekte der Allgemeinen Chemie, der Organischen Chemie und der Biochemie anschauen. Dann wollen wir einen Schritt zurücktreten und die Biochemie im Kontext zu anderen chemischen und biologischen Disziplinen betrachten. Wir lernen verschiedene Zelltypen und deren Bestandteile kennen, 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
In diesem Kapitel
In diesem Kapitel erläutern wir unterschiedliche Zelltypen und den Zellaufbau – zwei extrem wichtige Themen für alle biochemischen Vorgänge, mit denen wir uns im Rest dieses Buches noch oft befassen werden. Aber was ist eigentlich Biochemie, und warum sollten Sie sich damit befassen?
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. 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 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 zweier Substanzen ist dafür verantwortlich, dass eine Kartoffel essbar und nicht hart und trocken wie Holz ist! So entstand letztendlich auch dieses Buch. Wenn Sie sich für die Biochemie interessieren, müssen Sie zwar auch viele Details lernen, doch manchmal sollten Sie trotzdem einfach die Blicke über den Bücherrand schweifen lassen und sich an der Vielfalt des Lebens erfreuen. Dabei soll Ihnen dieses Buch helfen.
Egal, um welche Prozesse des Lebens es sich auch immer handelt – Biochemiker interessiert vor allem, wie Leben funktioniert. Werfen wir daher als Erstes einen Blick auf den Grundbaustein aller Lebewesen – die Zelle.
Alle lebenden Organismen bestehen aus Zellen – jedenfalls, solange wir die Viren außer Acht lassen, 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 Plasmamembran bezeichnet. Alle Bürger sind hungrig, daher müssen Nahrungsmittel in die Stadt transportiert und die Abfälle wieder beseitigt werden. Ebenso wie die Bürger einer Stadt arbeiten, produzieren auch die »Bewohner« einer Zelle Stoffe, die für das Leben außerhalb der Zelle bestimmt sind.
Es gibt zwei grundlegende Arten von Zellen: prokaryotische und eukaryotische Zellen. 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 hinsichtlich ihrer Eigenschaften irgendwo zwischen prokaryotischen und eukaryotischen Zellen liegen) sind Prokaryoten, da sie keinen echten Zellkern haben.
Zu den Prokaryoten zählen die Bakterien, die Blaualgen (die gar keine Algen, sondern Photosynthese betreibende Bakterien sind) und die 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 einer äußeren Membran, der darunter liegenden relativ stabilen Zellwand und einer inneren Plasmamembran. Während die äußere Membran viele Stoffe, aber eben nicht alles passieren lässt und die Zellwand vor allem für die Festigkeit und Struktur der Zelle sorgt, kontrolliert die innere Membran sehr genau, welche Stoffe in die Zelle hinein oder aus der Zelle transportiert werden dürfen. Alles, was in die Zelle gelangt, landet in einer Art Suppe, dem Zytoplasma, das die ganze Zelle ausfüllt (Abbildung 1.1)
Eukaryoten sind Tiere, Pflanzen, Pilze und viele Einzeller (also auch Sie, lieber Leser!), die in der Evolution erst später entstanden und sehr viel komplizierter aufgebaut sind als die Prokaryoten. Sie besitzen neben einem echten Zellkern von Membranen umschlossene Kompartimente, die Organellen. Eukaryoten können ein‐ oder mehrzellig sein und enthalten deutlich mehr (hier verpacktes) genetisches Material als Prokaryoten.
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. Abbildung 1.2 zeigt ein vereinfachtes Schema einer tierischen Zelle.
Die wichtigsten Bestandteile einer tierischen Zelle sind:Nun wissen Sie, wie sich typische pro‐ und eukaryotische Zellen unterscheiden – und damit können wir endlich zur Biochemie übergehen!