Biochemie für Dummies

Birgitta Meister

Die Zutaten

Die Biochemie befaßt sich mit den chemischen Vorgängen in lebenden Organismen.

Nur relativ wenige Elemente bilden den Hauptanteil der im Körper vorkommenden organischen Verbindungen. Es sind Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff.

Die anderen Elemente sind mengenmäßig nicht so stark vertreten, spielen aber, z.T. als Spurenelemente, eine lebenswichtige Rolle. Die wichtigsten sind sicherlich das Eisen als Baustein des roten Blutfarbstoffes und das Calcium als Bestandteil der Knochensubstanz. Weitere wichtige Elemente für den Organismus sind: Natrium, Kalium, Magnesium, Phosphor, Schwefel, Mangan, Kobalt, Kupfer, Zink, Selen, Jod...

Einige Elemente sind auch für den Organismus giftig, z.B. Arsen, Quecksilber, Thallium, Blei...

Das Rezept

An dem Phänomen, das man gemeinhin "Leben" nennt, sind eine Vielzahl biochemischer Vorgänge beteiligt. Dazu gehören u.a. die Atmung, die Verdauung, der Stoffwechsel, die Vermehrung. Die Funktion der Muskeln und Nerven wäre ohne Biochemie nicht denkbar. Sogar Denken und Fühlen beinhalten biochemische Prozesse.

Bei der Atmung gelangt Sauerstoff aus der Luft über die hauchfeinen Wände der Lungenbläschen in’s Blut, wo er an den roten Blutfarbstoff Hämoglobin gebunden wird. In den verschiedenen Körpergeweben, wo Sauerstoff benötigt wird, wird er dann wieder freigesetzt und dem Stoffwechsel der Zellen zugeführt.

Bei der Verdauung werden die Nährstoffe, die dem Körper mit der Nahrung zugeführt werden, durch den Darm in das Blut aufgenommen und ebenfalls dem Zellstoffwechsel zugeführt. Diese lebenswichtigen Nährstoffe sind:

• Kohlehydrate
• Fette
• Eiweiße

Kohlehydrate

Zu den Kohlehydraten zählen Zucker und Stärke. Die Zucker bestehen aus einem oder zwei Molekülen und können vom Körper schnell aufgenommen und verwertet werden. Die bekanntesten sind: Glucose (Traubenzucker), Fructose (Fruchtzucker), Maltose (Malzzucker), Lactose (Milchzucker), Saccharose (Rohrzucker).

Ribose und Desoxyribose sind einfache Zucker, die am Aufbau der Nukleinsäuren (DNS und RNS) beteiligt sind. Näheres dazu weiter unten.

Glucose ist der Energielieferant im Körper schlechthin und muß in ausreichende Menge zur Verfügung stehen. Ihre Konzentration im Blut wird bei der Blutzuckerbestimmung gemessen. Das Blut eines gesunden Menschen enthält ca. 100 mg/100 ml Glucose.

Stärke und Zellulose bestehen aus langen Ketten von Zuckermolekülen. Stärke kann im Körper in Zucker gespalten werden. Zellulose hingegen ist unverdaulich, spielt aber eine wichtige Rolle als Ballaststoff. Tierische Stärke wird als Glykogen bezeichnet. Stärke ist die Speicherform der Kohlehydrate in der Leber und den Muskeln. Sie kann relativ schnell in verwertbare Energie umgewandelt werden.

Fette

Zu den Fetten werden landläufig verschiedene Arten chemischer Verbindungen gezählt.

Eine Gruppe bilden die sog. Neutralfette, sie bestehen aus Glyzerin, das mit sog. Fettsäuren verbunden ist. Fettsäuren sind lange Ketten von Kohlenstoffatomen, an die Wasserstoffatome sowie eine sog. Säuregruppe gebunden sind. Dabei ist immer ein Glyzerinmolekül mit 3 Fettsäureketten verbunden, Das ganze Konstrukt heißt Trigyzerid (lat. tri = drei) und ist im Organismus meistens an Eiweiß gebunden. Der Gehalt des Blutes an Triglyzeriden, auch Neutralfette genannt, kann im Labor bestimmt werden.

Fette können pflanzlicher oder tierischer Herkunft sein. Ob ein Fett flüssig oder fest ist, wird durch die Länge der Kette bestimmt (kurze Ketten - flüssig, lange Ketten - fest), sowie die sog. "Sättigung". Wenn alle Bindungsstellen der Kohlenstoffatome mit Wasserstoffatomen besetzt sind, nennt man die Fettsäure "gesättigt", ansonsten "ungesättigt". Ungesättigte Fettsäuren werden vom Körper leichter aufgenommen und verwertet als gesättigte.

Fette dienen als Aufbaustoffe und stellen einen langfristigen Energievorrat dar. Sie werden im Körper gespeichert, meistens an Stellen, wo man es nicht so gerne hat. Trotzdem braucht der Körper eine gewisse Menge an Fett, um seine Lebensfunktionen aufrecht zu erhalten.

Eine weitere wichtige Gruppe, die zu den fettähnlichen Verbindungen gezählt wird, sind die sog. Sterane. Ihr wichtigster Vertreter ist das Cholesterin, eine Substanz, die in einer gewissen Menge für den Körper lebenswichtig ist. Aus ihr stellt der Organismus Abkömmlinge der Sterane, die sog. Steroide her. Sie spielen im Organismus eine wichtige Rolle als Hormone. Die Sexualhormone und die Kortisone gehören zu dieser Gruppe.

Eiweiße

Die Eiweiße (Proteine) gehören zu den wichtigsten Bestandteilen lebender Organismen. Sie sind eine sehr vielseitige Gruppe von Verbindungen, die aus kleinen, einfachen chemischen Bausteinen, den sog. Aminosäuren, bestehen. Von ihnen gibt es ca. 25 verschiedene gibt. Sie heißen:

Jedes Eiweiß hat eine charakteristische Reihenfolge der Aminosäuren (Aminosäurensequenz). Sie bilden zunächst Ketten, die aber mehrmals untereinander vernetzt sein können, so daß eine sehr komplexe räumliche Struktur entsteht (Primär-, Sekundär-, Tertiär- u. Quartärstruktur). Nach ihrer Form werden globuläre (kugelörmige) und fibrilläre (fadenförmige) Proteine unterschieden.

Entsprechend vielfältig ist ihr Aufbau und die Funktionen, die sie im Organismus erfüllen. Eiweiße sind am Aufbau fast aller Körpergewebe und den meisten Stoffwechselvorgängen beteiligt Sie haben im Organismus eine Bedeutung als:

1. Enzyme
2. Hormone
3. Stütz- bzw. Gerüsteiweiße (z.B. Kollagen, Keratin)
4. Strukturproteine (z.B. Aktin, Myosin)
5. Plasmaproteine (z.·B. Albumin)
6. Transportproteine (z.·B. Hämoglobin)
7. Antikörper
8. Faktoren der Blutgerinnung
9. Alloantigene (z.B. Blutgruppenantigene)
10. Reservesubstanzen für die Energieversorgung

Das Endprodukt des Eiweißstoffwechsels ist der Harnstoff. Er wird in der Leber gebildet und über die Nieren ausgeschieden. Er ist aus den anorganischen Substanzen Kohlendioxyd CO₂ und Ammoniak NH₃ zusammengesetzt und damit eine der einfachsten organischen Verbindungen.

Enzyme

Die biochemischen Vorgänge des Stoffwechsels finden nicht spontan statt. Sie müssen entsprechend den Bedürfnissen des Körpers reguliert und in Gang gehalten werden. Dazu sind die Enzyme da. Es sind in lebenden Zellen gebildete Eiweißkörper, die als Biokatalysatoren fungieren, d.h. sie ermöglichen oder beschleunigen Stoffwechselprozesse, ohne sich dabei selbst zu verbrauchen.

Auch die Spaltung von Nährstoffen bei der Verdauung geschieht durch Enzyme, ein gleichbedeutender Ausdruck ist hier "Fermente".

Enzyme wirken auf genau definierte Substanzen (Substrat) in bestimmten Phasen des Stoffwechsels. Sie bestehen aus einer Trägersubstanz (Apoenzym) und einem aktiven Zentrum (Coenzym). Beide zusammen bilden das Holoenzym.

Die Aktivität eines Enzyms wird durch die Substratkonzentration reguliert. Man unterscheidet daher funktional zwei Stellen am Enzym:

• den katalytischen Ort - hier findet die Umsetzung des Substrats statt.
• den regulativen Ort - hier findet Regulierung der Aktivität statt.

Enzyme verrichten ihre Arbeit überall im Organismus. Einige Enzyme kommen vermehrt in bestimmten Organen vor. Die höchste Enzymaktivität findet man in der Leber. Durch Bestimmung der Aktivität dieser Enzyme im Blut lassen sich Rückschlüsse auf die Funktion dieser Organe ziehen.

Was der Körper sonst noch braucht

Stoffe, die für den Körper ebenfalls lebenswichtig sind, aber nur in geringer Menge zugeführt werden müssen, sind:

• Mineralien
• Spurenelemente
• Vitamine

Mineralien

Zu den Mineralien zählen Natrium, Kalium, Calcium, Chlorid, Magnesium, Phosphor und Schwefel.

Mineralien

Spurenelemente

Spurenelemente sind Elemente, die in sehr geringen Mengen im Organismus vorkommen. Einige sind lebenswichtig, ein Entzug ruft Mangelerscheinungen hervor. Sie werden mit Trinkwasser, Nahrung u. Atemluft aufgenommen. Die übermäßige Zufuhr an sich nützlicher Spurenelemente sowie die (z.B. durch Umweltverschmutzung) vermehrte Aufnahme einiger Elemente kann schädlich wirken.

Spurenelemente

Vitamine

Vitamine sind Substanzen, die ein Organismus nicht selbst herstellen kann, die jedoch lebensnotwendig sind. Sie werden nicht wie Fette und Eiweiße zur Energiegewinnung oder zum Aufbau von Organstrukturen herangezogen, sondern dienen als Wirkstoffe. Die meisten Vitamine wirken als Bestandteile von Coenzymen bei Stoffwechselfunktionen mit. Deshalb werden sie nur in ganz geringen Mengen benötigt. Produziert werden Vitamine von Pflanzen und Mikroorganismen. In den menschlichen Organismus gelangen sie mit der Nahrung und durch die Darmbakterien.

Die Vitamine sind chemisch unterschiedliche Substanzen. Sie werden nach ihren Löslichkeitseigenschaften in fett- und wasserlösliche Vitamine eingeteilt. Die fettlöslichen Vitamine können im Gegensatz zu den wasserlöslichen im Organismus gespeichert werden (meist in der Leber). Damit ist auch eine Überversorgung möglich.

Fettlösliche Vitamine

Wasserlösliche Vitamine

Der genetische Code

Eine Schlüsselfunktion für den gesamten Stoffwechsel und die Vermehrung spielen die sog. Nukleinsäuren. Sie sind in erster Linie im Zellkern (lat. Nucleus = Kern) zu finden und bilden das "chemische Gehirn" der Zelle. Sie heißen:

• DNS
• RNS

Die Nukleinsäuren sind sog. Makromoleküle (griech. makros = groß), die sehr groß werden können. Sie bestehen aus einzelnen Bausteinen, die sich in ihrer Struktur sehr ähnlich sind und lange Ketten bilden können. Diese Bausteine werden Nukleotide genannt. Ein Nukleotid wiederum besteht aus 3 einfachen Molekülen:

• einem Zuckermolekül, das mit
• Phosphorsäure verbunden (verestert) ist und eine
• Purin- oder Pyrimidinbase trägt.

Zwei verschiedene Zucker können an der Bildung der Nukleinsäuren beteiligt sein: Wenn Ribose eingebaut ist, heißt die Verbindung Ribonukleinsäure (RNS), wenn es Desoxyribose ist, heißt sie Desoxyribonukleinsäure (DNS). Diese Zucker verbinden sich mit Phosphorsäure. Durch die Verbindung mit weiteren Nukleotid-Molekülen können sich sehr lange Ketten bilden, deren "Rückgrat" ein Gerüst aus Zucker- und Phosphatmolekülen ist, die einander abwechseln.

Aus diesem Strang "ragen" die Basen gewissermaßen heraus. Sie leiten sich von den Verbindungen Purin und Pyrimidin ab. Dies sind Grundkörper wichtiger Stoffklassen, deren Abkömmlinge in der Natur weit verbreitet sind.

Die Purinbasen heißen Adenin und Guanin, die Pyrimidinbasen Cytosin, Tymin und Uracil. Thymin kommt nur in der DNS, Uracil nur in der RNS vor.

Die RNS kommt nur als Einzelstrang vor, sowohl im Zellkern als auch im Zellplasma. Sie spielt eine wichtige Rolle beim Aufbau der Proteine.

Die DNS hingegen ist nur im Zellkern zu finden. Sie bildet einen Doppelstrang, indem sich jeweils die Basen zweier Einzelstränge miteinander zu Paaren verbinden. Was dabei herauskommt, kann man sich etwa wie eine Strickleiter vorstellen, bei der die Basenpaare die Sprossen bilden. Zusätzlich ist das Molekül noch um seine Längsachse verdreht, so daß es eher einer Wendeltreppe ähnelt. Diese Strukur eines verdrehten Doppelstrangs bezeichnen die Chemiker als Doppel-Helix (gr. helix = Windung).

Die Struktur der DNS wurde 1953 zum erstenmal von dem Biochemiker James D. Watson, zusammen mit Francis H.C.Crick und Maurice H.F. Wikins, beschrieben. 1962 erhielten sie dafür den Nobelpreis für Medizin. Wer mehr darüber erfahren möchte, dem sei das Buch "Die Doppel-Helix" von James D. Watson, erschienen bei Rowohlt, empfohlen. Er erzählt hier spannend und allgemeinverständlich, wie die DNS-Struktur entdeckt wurde.

Die Paarbildung bei den Basen, wodurch die Doppel-Helix entsteht, ist nicht beliebig. Es verbindet sich immer eine Purinbase mit einer Pyrimidinbase, und zwar entweder Adenin und Thymin oder Guanin und Cytosin. Das bedeutet, daß ein Strang bestimmt, wie der andere Strang aussehen muß. Man sagt auch, daß ein Strang durch den anderen Strang codiert ist.

Dies spielt zunächst eine wichtige Rolle bei der Zellteilung. Hierbei muß von der DNS eine identische Kopie hergestellt werden, damit jede der beiden Tochterzellen wieder das gleiche Erbgut hat.

Bei dieser Reduplikation (Verdoppelung) der DNS wird das Molekül unter Einwirkung verschiedener Enzyme zunächst entspiralisiert, d.h. die Verdrehung wird aufgehoben, und dann zwischen den Basen aufgetrennt wir ein Reißverschluß. An die freiliegenden Basen lagern sich neue Nukleotide an und bilden so 2 neue Dopplestränge, die auf die Tochterzellen verteilt werden.

Ihre eigentliche Rolle als Träger der Erbsubstanz spielt die DNS allerdings während des normalen Zellstoffwechsels. Sie bestimmt die Zusammensetzung und Struktur der von der Zelle hergestellten Proteine, die ja im Körper vielfältige Aufgaben erfüllen. Verschiedene Abschnitte des DNS-Strangs sind für die Bildung jeweils unterschiedlicher Eiweiße zuständig. Einen solchen Abschnitt nennt man "Gen".

Damit ein Protein synthetisiert werden kann, muß die DNS - ähnlich wie bei der Reduplikation - aufgetrennt werden. An die freiliegenden Basen lagern sich jetzt RNS - Nukleotide an, die einen RNS - Einzelstrang bilden, der messenger-RNS genannt wird (engl. messenger = Bote). Dieser Vorgang heißt Transkription (lat. transcribere = Abschreiben). Nach dem Ablesen des Gens löst sich die m-RNS von der DNS und wandert ins Zellplasma. Dort lagern sich an die m-RNS kurze Stücke sog. transfer-RNS an (engl. transfer = Übertragung). Sie bestehen aus 3 Basen, an deren Ende eine Aminosäure hängt. Diesen Vorgang nennt man Translation (lat. translatio = Übertragung). Die Zuordnung zwischen den 3 Basen (Basentriplett) und der Aminosäure ist konstant, d.h. einer bestimmten Kombination der Basen an der t-RNS ist immer dieselbe Aminosäure zugeordnet. Theoretisch können also bei 4 Basen 4³ = 64 Aminosäuren kodiert werden, in Wirklichkeit kommen im Organismus aber nur etwa 25 verschiedene vor.

Die Aminosäuren bilden eine Kette, das fertige Protein, das sich schließlich von der t-RNS ablöst und dem Stoffwechsel zur Verfügung steht.

Das Abbauprodukt des Nukleinsäurestoffwechsels ist die Harnsäure; sie wird wie der Harnstoff über die Nieren ausgeschieden.