Vorwort
Die erste Auflage der vor 25 Jahren von Albert Lehninger geschriebenen Principles of Biochemistry war Ausgangspunkt und Vorlage für unsere 4 nachfolgenden Auflagen. Während dieses Viertel Jahrhunderts hat sich die Welt der Biochemie enorm gewandelt. Vor 25 Jahren war kein einziges Genom sequenziert, kein einziges Membranprotein war kristallographisch aufgelöst, und es gab keine einzige Knockout -Maus. Ribozyme waren gerade entdeckt, die PCR-Technik war eingeführt, und die Archaebakterien waren als Vertreter eines eigenen, von den Bakterien getrennten Reichs anerkannt. Heute werden wöchentlich neue Genomsequenzen bekannt gegeben, neue Proteinstrukturen sogar noch häufiger, und die Wissenschaftler haben Tausende verschiedener Knockout-Mäuse geschaffen, mit enormen Aussichten auf Fortschritte in der allgemeinen Biochemie, der Physiologie und der Medizin. Diese 5. Auflage enthält die Porträts von 31 Nobelpreisträgern, die diese Auszeichnung seit dem Erscheinen der 1. Auflage der Principles of Biochemistry für Chemie oder Physiologie und Medizin erhalten haben.
Eine der größten Herausforderungen jeder Auflage war es, die Flut an neuen Informationen wiederzugeben, ohne die Studierenden, die zum ersten Mal der Biochemie begegnen, zu erschlagen. Daher haben wird die Informationen sorgfältig gesichtet, mit dem Ziel, einen Schwerpunkt auf die Grundlagen zu legen und gleichzeitig den Reiz der aktuellen Forschung und ihrer Aussicht für die Zukunft zu vermitteln.
Wir befinden uns an der Schwelle einer neuen molekularen Physiologie, mit der Vorgänge, wie die Membranerregung, die Sekretion, Hormonwirkung, Sehvermögen, Geschmackssinn, Geruchssinn, Atmung, Muskelkontraktion und Zellbewegungen, molekular erklärbar und für die genetische Analyse und pharmakologische Nutzung zugänglich werden. Beispielsweise werden Kenntnisse über die molekularen Strukturen der hoch organisierten, an der oxidativen Phosphorylierung und der Photophosphorylierung beteiligten Membrankomplexe sicherlich tiefe Einblicke in diese Vorgänge bringen, die von so zentraler Bedeutung für das Leben sind. (Diese Entwicklungen lassen in uns den Wunsch aufkommen, wir wären nochmals jung und würden gerade unsere Laufbahn in der biochemischen Forschung und Lehre beginnen. Unser Buch ist nicht das einzige, was sich mit den Jahren leicht versilbert hat!)
In den vergangenen 2 Jahrzehnten haben waren wir stets bemüht, die Qualität aufrechtzuerhalten, die den Originaltext des Lehningers zu einem Klassiker machte - ein anschaulicher Schreibstil, sorgfältige Erklärungen der komplizierten Sachverhalte und Vermittlung der Art und Weise, wie die Biochemie heute verstanden und praktiziert wird. Wir haben 20 Jahre lang zusammen geschrieben und nahezu 25 Jahre zusammen gelehrt. Während dieser Jahre waren unsere Tausenden Studenten an der University of Wisconsin-Madison eine nicht versiegende Quelle für Konzepte für die anschaulichere Vermittlung der Biochemie; sie haben uns darin gelehrt und inspiriert. Wir hoffen, dass diese 25-Jahre-Jubiläumsausgabe heutige Studierende der Biochemie allerorts lehren und inspirieren wird und vielleicht manche von ihnen dazu bringt, die Biochemie so zu lieben wie wir.
Die wichtigsten jüngsten Fortschritte in der Biochemie
Jedes Kapitel wurde sorgsam überarbeitet und aktualisiert, um die wichtigsten Fortschritte der Biochemie zu berücksichtigen. Dazu gehören:
Konzept des Proteoms und der Proteomik, das zu Beginn des Buchs eingeführt wird (Kap. 1)
Neue Besprechung der Amyloidkrankheiten im Zusammenhang mit der Proteinfaltung (Kap. 4)
Neuer Abschnitt über Pharmazeutika, die aus dem Verständnis von Enzymmechanismen entwickelt wurden, mit Penicillin und Proteaseinhibitoren gegen HIV als Beispielen (Kap. 6)
Eine neue Besprechung von Zuckeranaloga als Arzneistoffe, die auf die virale Neuraminidase abzielen (Kap. 7)
Neue Information über das grün fluoreszierende Protein (Kap. 9)
Neuer Abschnitt zur Lipidomik (Kap. 10)
Neu beschrieben werden die flüchtigen Lipide, die von Pflanzen als Signalmoleküle eingesetzt werden, und die Pigmente in den Federn von Vögeln, welche von farbigen Lipiden in der Pflanzennahrung stammen (Kap. 10)
Erweiterter und aktualisierter Abschnitt über Lipidflöße und Caveolen zur Aufnahme neuen Materials, wobei sich die Membran zunächst wölbt, sowie über die Proteine, die diesen Prozess beeinflussen; es werden amphitrope Proteine und Ringlipide eingeführt (Kap. 11)
Neuer Abschnitt über die jüngst in Erscheinung getretene Rolle von Ribulose-5-phosphat als zentraler Regulator der Glycolyse und Gluconeogenese (Kap. 15)
Neuer Exkurs 16-1, "Enzyme mit ,Nebenjob': Proteine mit mehr als einer Funktion"
Neuer Abschnitt zur Rolle von Transkriptionsfaktoren (PPARs) bei der Regulation des Lipidkatabolismus (Kap. 17)
Überarbeiteter und aktualisierter Abschnitt über die Fettsäure-Synthase, einschließlich neuer Informationen über die Struktur von FAS I (Kap. 21)
Aktualisierte Berichterstattung über den Stickstoffkreislauf, einschließlich eines neuen Exkurses 22-1 "Die ungewöhnliche Lebensweise eigenartiger, aber sehr häufiger Organismen", der die Anammoxbakterien bespricht (Kap. 22)
Ein neuer Exkurs 24-2 "Epigenetik, Nucleosomenstruktur und Histonvarianten", der die Rolle der Histonmodifikation und Nucleosomendeponierung bei der Weitergabe der epigenetischen Information in der Vererbung beschreibt
Neue Informationen über die Initiation der Replikation und die Dynamik der Replikationsgabel, dabei werden AAA+-ATPasen und deren Aufgaben bei der Replikation und anderen Aspekten des DNAStoffwechsels eingeführt (Kap. 25)
Ein neuer Abschnitt über das erweiterte Verständnis der Aufgaben der RNA in Zellen (Kap. 26)
Neue Informationen über die Aufgaben der RNA bei der Proteinbiosynthese (Kap. 27)
Ein neuer Abschnitt über Riboswitche (Kap. 28)
Ein neuer Exkurs 28-1, "Von Flossen, Flügeln, Schnäbeln und den Siebensachen ", der die Beziehungen zwischen Evolution und Entwicklung beschreibt
Biochemische Methoden
Eine Beurteilung der Biochemie erfordert häufig ein Verständnis davon, wie biochemische Information gewonnen wird. Einige der in dieser Auflage beschriebenen neuen Methoden oder Aktualisierungen sind:
Zirkulardichroismus (Kap. 4)
Messung des Glycohämoglobins als Indikator der durchschnittlichen Blutglucosekonzentration über Tage hinweg bei Personen mit Diabetes (Kap. 7)
Der Einsatz von MALDI-MS bei der Bestimmung der Oligosaccharidstruktur (Kap. 7)
Forensische DNA-Analyse, eine wichtige Aktualisierung, die die moderne STR-Analyse behandelt (Kap. 9)
Mehr über Microarrays (Kap. 9)
Verwendung von Kennzeichnungen zur Proteinanalyse und -reinigung (Kap. 9)
PET in Kombination mit CT-Scans für die Lokalisierung von Krebs (Kap. 14)
Chromatinimmunpräzipitation und ChlP-Chip-Experimente (Kap. 24)
Entwicklung von Bakterienstämmen mit einem veränderten genetischen Code, um neue Aminosäuren ortsspezinsch in Proteine einfügen zu können (Kap. 27)
Medizinisch relevante Beispiele
Dieses Symbol wird im gesamten Buch verwendet, um Inhalte von besonderem medizinischem Interesse zu kennzeichnen. Als Lehrer ist es unser Ziel, dass Studierende Biochemie lernen und deren Bedeutung für ein gesünderes Leben auf einem gesünderen Planeten verstehen. Wir haben viele neue Beispiele aufgenommen, die die Biochemie mit der Medizin und Fragen der Gesundheit im Allgemeinen verbinden. Einige der medizinischen Anwendungen, die in dieser Auflage neu sind, betreffen:
Die Rolle mehrfach ungesättigter Fettsäuren und trans-Fettsäuren bei Herz-Kreislauf-Erkrankungen (Kap. 10)
G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR) und das Spektrum der Erkrankungen, bei denen gegen GPCR gerichtete Arzneistoffe bereits eingesetzt oder zur Zeit entwickelt werden (Kap. 12)
G-Proteine, die Regulation der GTPase-Aktivität und die medizinischen Konsequenzen einer fehlerhaften Funktion von G-Proteinen (Kap. 12), einschließlich des neuen Exkurses 12-2 "G-Proteine: Binäre Schalter von Gesundheit und Krankheit"
Exkurs 12-5 "Entwicklung von Proteinkinaseinhibitoren zur Krebsbehandlung"
Exkurs 14-1 "Die hohe Geschwindigkeit der Glycolyse in Tumoren bietet Angriffspunkte für die Chemotherapie und erleichtert die Diagnose"
Exkurs 15-3 "Genetische Mutationen, die zu seltenen Diabetes-Erkrankungen führen"
Mutationen bei Enzymen des Citratzyklus, die zu Krebs führen (Kap. 16)
Perniziöse Anämie und damit verknüpfte Probleme bei strengen Vegetariern (Kap. 18)
Aktualisierte Informationen über Cyclo oxygenas einhibitor en (Schmerzmittel Vioxx, Celebrex, B extra; Kap. 21)
HMG-CoA-Reduktase (Kap. 21) und Exkurs 21-3 "Die Lipidhypothese und die Entwicklung von Statinen"
Exkurs 24-1 "Behandlung von Krankheiten durch Hemmung der Topoisomerasen", beschreibt den Einsatz von Topoisomeraseinhibitoren zur Behandlung bakterieller Infektionen und Krebs, einschließlich Informationen über Ciprofloxacin (das bei Milzbrand wirksame Antibiotikum)
Spezialthema: Durch Fettsucht und Diabetes den Stoffwechsel verstehen
Fettsucht und ihre medizinischen Folgen - Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Diabetes - werden in der industrialisierten Welt rasch epidemisch, und wir berücksichtigen durch diese gesamte Auflage hindurch neue Daten über die biochemischen Zusammenhänge zwischen Fettsucht und Gesundheit.
Unser Schwerpunkt "Diabetes" ist ein Thema, das in die gesamten Kapitel zum Stoffwechsel und seiner Steuerung eingebunden ist, und dies wird, so hoffen wir, manche Studenten inspirieren, für die Therapie dieser Krankheit Wege zu finden. Einige der Abschnitte und Exkurse, die das Zusammenspiel von Stoffwechsel, Fettsucht und Diabetes beleuchten, sind:
Unbehandelter Diabetes erzeugt eine lebensbedrohliche Acidose (Kap. 2)
Exkurs 7-1 "Messung des Blutglucosespiegels zur Diagnose und Behandlung von Diabetes" führt die Hämoglobinglycosylierung und AGEs (engl. advanced glycation endproducts) ein und ihre Rolle bei der Pathologie des fortgeschrittenen Diabetes
Exkurs 11-2 "Gestörter Glucose- und Wassertransport bei 2 Formen von Diabetes"
Die Glucoseaufnahme ist bei Diabetes mellitus vom Typ I mangelhaft (Kap. 14)
Bei Diabetes und während des Hungerns werden zu viele Ketonkörper produziert (Kap. 17)
Manche Mutationen in Mitochondriengenomen sind Ursache einer Erkrankung (Kap. 19)
Diabetes kann von Schäden in den Mitochondrien der ß-Zellen der Bauchspeicheldrüse herrühren (Kap. 19)
Fettgewebe erzeugt durch Glyceroneogenese Glycerin-3 -phosphat (Kap. 21)
Diabetes mellitus entsteht durch Fehler bei der Insulinbildung oder -Wirkung (Kap. 23)
Abschnitt 23.4, "Fettleibigkeit und Regulation der Körpermasse", behandelt die Rolle von Adiponectin und Insulinsensitivität und Typ -2-Diabetes
Abschnitt 23.5, "Fettleibigkeit, metabolisches Syndrom und Typ-2-Diabetes", beinhaltet eine Besprechung, wie man Typ-2-Diabetes durch körperliche Betätigung, Diät und medikamentöse Behandlung behandeln kann
Fortschritte in der Lehre von Biochemie
Eine Neubearbeitung dieses Buchs umfasst niemals nur eine Aktualisierung. Mindestens genauso viel Zeit wird gebraucht, um nachzuprüfen, wie die Kernthemen der Biochemie dargestellt sind. Wir haben jedes Kapitel mit dem Ziel überarbeitet, Studierende darin zu unterstützen, die Grundlagen der Biochemie zu erlernen und zu beherrschen. Studierende, die zum ersten Mal mit der Biochemie in Berührung kommen, haben oftmals mit 2 wichtigen Aspekten Schwierigkeiten: sich quantitativen Aufgaben zu nähern und das in organischer Chemie Gelernte anzuwenden, um Biochemie zu verstehen. Dieselben Studierenden müssen außerdem eine komplexe Sprache lernen, mit Konventionen, die oft nicht erwähnt werden. Wir haben in diesem Buch einige wichtige Veränderungen vorgenommen, um die Studierenden in der Bewältigung dieser Anforderungen zu unterstützen: neue Hilfsmittel zum Lösen der Aufgaben, ein Schwerpunkt auf den Grundlagen der organischen Chemie und hervorgehobene wichtige Konventionen.
Neue Hilfsmittel zum Lösen der Aufgaben
Neue Arbeitsbeispiele innerhalb des Textes helfen Studierenden beim Lösen der Aufgaben; dabei werden sie durch einige der schwierigsten Gleichungen geführt.
Über 100 neue Aufgaben am Ende der Kapitel bieten Studierenden eine weitere Gelegenheit, das Gelernte einzuüben.
Neue Aufgaben zur Datenanalyse (jeweils eine am Ende eines Kapitels), die von Brian White von der University of Massachusetts-Boston beigesteuert wurden, regen Studierende dazu an, das Gelernte zu verarbeiten und ihre Kenntnisse auf die Interpretation von Daten aus der Literatur anzuwenden.
Schwerpunkt auf den Grundlagen der organischen Chemie
Der neue Abschnitt 13.2, "Die Logik der Chemie und allgemeine biochemische Reaktionen", behandelt die üblichen biochemischen Reaktionstypen, die allen Stoffwechselreaktionen zugrunde liegen.
Die Logik der Chemie wird in den Besprechungen der zentralen Stoffwechselwege gefestigt.
Abbildungen zu Reaktionsmechanismen zeigen die einzelnen Schritte von Reaktionen und helfen den Studierenden, die Prozesse zu verstehen.
Bei der Darstellung der Reaktionsmechanismen verwenden wir beständig eine Reihe von Konventionen, die ausführlich mit dem ersten vorkommenden Enzymmechanismus eingeführt und erklärt werden (Chymotrypsin, s. Abschn. 6.4.1). Einige der neuen Aufgaben konzentrieren sich auf chemische Mechanismen und bereiten mechanistische Themen nach.
Wichtige Konventionen
In dieser Auflage wurden viele Konventionen, die für das Verständnis jedes biochemischen Themas und der biochemischen Literatur wichtig sind, aus dem Text herausgenommen und hervorgehoben. Diese wichtigen Konventionen beinhalten klare Darstellungen vieler Annahmen und Vereinbarungen; von Studenten wird oft erwartet, dass sie sich diese aneignen, ohne dass man es ihnen sagt (z. B. Peptidsequenzen schreibt man vom Amino zum Carboxylende, von links nach rechts; Nucleotidsequenzen werden vom 5'zum 3'-Ende geschrieben, von links nach rechts).