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Biochemie

Lehre von chemischen Vorgängen in Lebewesen
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Die Biochemie, früher auch Physiologische Chemie, (griechisch βιοχημεία biochēmeia, „die Chemie des Lebens“) genannt, ist die Lehre von chemischen Vorgängen, dem Stoffwechsel in Lebewesen. Sie bearbeitet den Grenz- bzw. Überschneidungsbereich zwischen Chemie, Biologie und Medizin.

Friedrich Wöhler

Gegenstand

 
Struktur von Hämoglobin – einem weit verbreiteten Biomolekül

Die Biochemie beschäftigt sich mit:

  • der Untersuchung biomolekularer Strukturen: wie sind die Biomoleküle aufgebaut, wie ist der molekulare Aufbau des Organismus der Lebewesen, wie werden die molekularen Bausteine bereitgestellt und wie wechselwirken sie miteinander?
  • der Untersuchung des Stoffwechsels: welche Stoffe werden von Lebewesen wie umgesetzt, welche bioenergetischen Voraussetzungen sind nötig, welche Biokatalysatoren sind beteiligt, wie verlaufen die jeweiligen Mechanismen der Stoffumsätze und wie wird der Stoffwechsel gesteuert?
  • der Untersuchung des Informationsaustauschs innerhalb eines Organismus und zwischen Organismen: wie wird Information gespeichert, abgerufen und weitergeleitet, wie werden verschiedene Systeme innerhalb einer Zelle, zwischen verschiedenen Zellen und zwischen Organismen koordiniert?

Im Zuge dessen konzentrieren sich die Betrachtungen auf die Stoffgruppen der Nukleinsäuren, Proteine, Lipide und Kohlenhydrate sowie deren Derivate, welche im Allgemeinen als Biomoleküle bezeichnet werden. Der überwiegende Teil der biochemisch wichtigen Vorgänge spielen sich in Lebewesen und somit in wässrigem Milieu ab.

Methoden

In der Biochemie wird eine Vielzahl von Methoden aus verschiedenen Gebieten angewandt. Die klassische Biochemie bedient sich vor allem der analytischen Chemie, organischen Chemie, physikalischen Chemie und der Physik. Wichtige Techniken sind dabei (Ultra-)Zentrifugation, SDS-Gelelektrophorese, Chromatographie, Elektrophorese, Spektroskopie, Isotopentechniken, Kristallisation, potentiometrische, elektrometrische, polarographische und manometrische Techniken, Zellwandaufbruch durch Abkühlung, in den letzten Jahrzehnten kamen dazu auch molekularbiologische Methoden und Methoden aus der Informatik, der Mikrobiologie und anderen Fächern. Hinzu kommt in der modernen Biochemie stets die quantitative Auswertung der Ergebnisse mit mathematischen Methoden und die Bildung von formalen Theorien mit Hilfe der Mathematik.

Geschichte

 
Eduard Buchner

Seit Beginn des 19. Jahrhunderts wurden von organischen Chemikern die ersten Stoffe aus dem Tier- und Pflanzenreich systematisch untersucht. Es konnte von biologischem Material durch die Elementaranalyse der Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Stickstoff- und Schwefelgehalt bestimmt werden. Erst ab 1860 als die chemische Strukturen von Stoffen aus der elementaren Zusammensetzung durch gedankliche Kombination ermittelt werden konnten, begann eine gründliche Suche nach den biologischen Körpern in Organismen. Die Suche war aufgrund der sehr geringen Stoffmenge von Biomolekülen und der mangelhaften Nachweismethoden - selbst die Elementaranalyse benötigte größere Stoffmengen - sehr zeitraubend und nicht immer erfolgreich. Erst mit Verbesserung der analytischen Geräte ab 1950 wurde die Suche und Strukturaufklärung von Biomolekülen einfacher.

Fette wurden von E. Chevreul untersucht, Gerardus Johannes Mulder konnte aus dem Fibrin des Blutes einen gelantinösen Niederschlag herstellen und gab ihm den Namen Protein, Louis-Nicolas Vauquelin untersuchte die Zusammensetzung der Haare und fand dort die chemischen Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel. Vauquelin fand auch die erste Aminosäure (1805): Asparagin, Joseph Louis Proust entdeckte Leucin (1818), Justus von Liebig Tyrosin (1846). Zwischen 1865 und 1901 wurden weitere 12 Aminosäuren entdeckt, davon entdeckte E. Schulze drei neue Aminosäuren: Glutamin, Phenylalanin und Arginin.[1] Erste Peptidsynthesen wurden von Emil Fischer ab 1901 unternommen.[2], [3]

Anfang des 19. Jahrhunderts war auch bekannt, dass bei der Gärung von abgestorbenen Organismen der Sauerstoff aus der Luft nötig ist, ferner Temperatur und Wasser auf diesen Prozess einen Einfluss hatten. Bei toten Tieren und Menschen setzt die Fäulnisbildung zuerst an den Stellen ein, die mit der Luft in Berührung kommen. Auch bei pflanzlichen Stoffen, der Bildung von Alkohol aus einer Traubensaftlösung oder der Versäuerung von Milch erkannten Chemiker Gärungsprozesse. Der Körper, der diese Prozesse begünstigte, wurde Ferment genannt. 1897 konnte von Eduard Buchner ein Enzym aus Hefezellen gewonnen werden. James Batcheller Sumner isolierte 1926 das Enzym der Schwertbohne und behauptete, dass alle Enzyme Proteine sein müssten.[4] John Howard Northrop isolierte wenige Jahre später Pepsin, Trypsin und Chymotrypsin in kristalliner Form und konnte Sumners Hypothese bestätigen.

Der Physiologe Friedrich Miescher hatte 1870 die Nucleoproteide im Zellkern entdeckt. Albrecht Kossel entdeckte die Nukleinsäure Adenin (1885).[5] Weitere Nukleinsäuren erhielt er aus tierischem Extrakt, und zwar Guanin, Xanthin (1893)[6], Thymin (1894)[7], Cytosinund Uracil(1903)[8]. Emil Fischer gelangen die ersten Synthesen des Adenins, Theophyllins,[9] Thymins und Uracils (1897-1903)[10]. Phoebus Levene untersuchte die Verknüpfung von einer Nukleinsäure mit einer Pentose und einem Phosphat zum Mono-Nukleotid[11] (1908).

Kohlenhydrate sind ein wichtiger Bestandteil unserer Nahrung, sie wurden daher zeitig von Biochemikern untersucht. Stärke, Zucker werden zu Glucose abgebaut und bei einem Überangebot in der Leber als Glykogen gespeichert. Ein konstanter Blutzuckergehalt ist für das Gehirn und die Muskeln lebensnotwendig. Adolf von Baeyer gab 1870 bereits eine erste Formel zur Glucose an.[12] Emil Fischer machte ab 1887 umfangreiche Forschungen zur Aufklärung der chemischen Strukturen von Zuckern mit Phenylhydrazin zu gut kristallisierbaren Osazonen.[13] Im Jahr 1893 konnte er durch Umwandlung von Glucose mit Methanol zu Methylglykosid - das die Fehlingsche Lösung nicht reduzierte - beweisen, dass die Aldehydgruppe im Ring mit einer Hydroxylgruppe verknüpft (glykosidisch) ist.[14] Später (1922) folgerte Burckhardt Helferich, dass die Glucose in einem Sechsring vorliegen musste.[15] Weitere wichtige Arbeiten zur Zuckerchemie und strukturellen Darstellung leistete Norman Haworth.

Durch mangelhafte Ernährung starben zu Beginn des 20. Jahrhunderts noch viele Menschen auf Erde. Im Jahr 1882 untersuchte Gustav von Bunge Ratten und Mäuse, die er nur mit Eiweiß, Kohlehydraten und Fetten fütterte, deren Nahrung aber keine weiteren Beimischungen enthielten. Die Tiere starben. Menschen benötigen neben Eiweiß, Kohlenhydraten, Fetten noch Vitamine. Viele Vitamine wurden zu Beginn des 20.Jahrhunderts aufgefunden.

Stoffgruppen, die in menschlichen Organen produziert werden, nennt man nach Ernest Starling Hormone. Thomas Addison entdeckte 1849 eine Krankheit, die ihren Ursprung in den Nebennieren hat. T. B. Aldrich und J Takamine (1901) extrahierten einen Stoff, den sie Adrenalin nannten, aus tierischen Nieren. Aldrich ermittelte die Summenformel und Friedrich Stolz gelang die Synthese (1904). Die Kropfbildung ist eine weiter hormonelle Krankheit der Schilddrüse, die seit 1820 nach Jean-Francois Coindet durch Iodgaben gemildert werden konnte. Erst 1915 glückte Edward Calvin Kendall die Isolierung einer kristallinischen Substanz der Schilddrüse. Er hielt sie fälschlicherweise für ein Oxindolderivat und nannte sie daher Thyroxin. Synthetisch wurde Thyroxin seit 1926 von Charles Robert Harington darstellbar. Mangel des Bauchspeichelhormons, der Diabetes ausgelösen kann, konnten durch Gabe von Rinder-Insulin 1920 durch Frederick Banting und Best gelindert werden. Erst 1953 wurde die Aminosäuresequenz von Insulin durch Frederick Sanger aufgeklärt. Geschlechtshormone wurden von Adolf Butenandt zu Beginn der dreißiger Jahre des letzten Jahrhunderts untersucht.

Die Biochemie entwickelte sich seit Anfang des 19. Jahrhunderts aus der Biologie, Chemie und der medizinischen Physiologie und war von Anfang an eng mit der Genetik, Zellbiologie und Molekularbiologie verknüpft. Diese Wissenschaften arbeiten nach wie vor Hand in Hand und ihre Grenzen überlappen einander stark.

Zum ersten Mal verwendet wurde der Begriff Biochemie, als Vinzenz Kletzinsky (1826–1882) im Jahre 1858 sein "Compendium der Biochemie" in Wien drucken ließ. Nach Römpps Chemie Lexikon, 8. Auflage, prägte Hoppe-Seyler (1877) den Begriff Biochemie.

Als einer der ersten Deutschen beschäftigte sich Anfang des 19. Jahrhunderts Georg Carl Ludwig Sigwart in Tübingen mit der Biochemie. Er arbeitete unter anderem über Säureindikatoren bei Herbstzeitlosen, Analysen von Gallen- und Harnsteinen und die Proteine des Blutserums. In Frankreich entdeckte Anselme Payen 1833 mit der Amylase (damals als Diastase bezeichnet) das erste Enzym. Ab 1845 isolierte Julius Eugen Schlossberger in seinem Laboratorium in der Küche von Schloss Hohentübingen Kreatin aus Muskelfleisch des Alligators, analysierte rachitische Knochen, den Iodgehalt von Korallen und das Kupfer im Hämocyanin. Sein Nachfolger Felix Hoppe-Seyler befasste sich von 1861 bis 1872 am selben Ort u. a. mit Muskelkontraktion, Totenstarre, Milchsäure aus Glykogen, Oxidations- und Reduktionsfermenten und Hämoglobin. Unter seiner Leitung entdeckte Friedrich Miescher 1869 das Nuklein. Eduard Buchner, von 1896 bis 1898 außerordentlicher Professor der Chemie in Tübingen, entdeckte 1896 die zellfreie Gärung und wurde dafür 1907 mit dem Nobelpreis geehrt. Sir Frederick Gowland Hopkins, ein Pionier der Biochemie in Großbritannien, entdeckte 1912 die Vitamine und essentiellen Aminosäuren und wurde dafür 1929 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Im Jahre 1926 entdeckte Otto Warburg das Atmungsferment Cytochromoxidase, wofür er 1931 den Nobelpreis erhielt.

Wichtige Forschungsgebiete der modernen Biochemie

In Lehrbüchern der Biochemie werden die Prozesse der Gärung von Zucker zu Ethanol und Milchsäure sowie der Aufbau von Glucose zu Glykogen ausführlich beschrieben. Diese Umwandlungen werden unter dem Stichwort Glykolyse zusammengefasst.

Die Energiegewinnung in lebenden Zellen erfolgt über den Abbau von Fetten, Aminosäuren und Kohlehydraten über Oxalacetat zu Citrat durch Acetyl-S-CoA unter Freisetzung von Kohlendioxid und Energie. Acetyl-S-CoA enthält ein wasserlösliches Vitamin - die Pantothensäure. Dieser Prozess wurde von H. Krebs 1937 untersucht und wird Citratzyklus genannt.

Oxidationen von Biomolekülen in Zellen verlaufen über mehrere Enzyme an denen das Vitamin B2 beteiligt ist. Dieser Prozess wird in Lehrbüchern als oxidative Phosphorylierung oder Atmungskette beschrieben.

Ein weiterer sehr wichtiger biochemischer Prozess ist die Photosynthese. Kohlendioxid aus der Luft und Wasser wird durch Strahlungsenergie durch das Pigment Chlorophyll in Pflanzenzellen in Kohlenhydrate und Sauerstoff überführt.

Im menschlichen und tierischen Organismen wird überschüssige Energie aus der Nahrung in Form von Fetten gespeichert. Bei Energiemangel der Zellen werden diese Fette wieder abgebaut. Dieser Prozess erfolgt über die Oxidation von Fettsäuren mittels Acetyl-CoA.

Bei Krankheiten (schwere Diabetes) oder extremen Nahrungsmangel greifen Zellen auch auf Aminosäuren zur Energiegewinnung zurück. Dabei werden Proteine zu Aminosäuren und diese zu Kohlendioxid abgebaut. Der Harnstoffzyklus beschreibt die ablaufenden Umwandlungen.

In pflanzlichen und tierischen Zellen können Kohlenhydrate aus anderen Stoffen - beispielsweise der Milchsäure oder aus Aminosäuren - biochemisch aufgebaut werden. Die Untersuchungen zu den einzelnen biochemischen Schritten werden in Gluconeogenese untersucht. Ferner wurden die Biosynthesen von Aminosäuren, Nucleotiden, Porphyrinen, der Stickstoffzyklus in Pflanzen gründlich untersucht.

Ein weiterer Teilbereich der biochemischen Forschung ist die Resorption und der Transport von Stoffwechselprodukten durch das Blutplasma.

Die Weitergabe der gespeicherten Information im Zellkern auf der DNA (genauer: bestimmter Abschnitte der DNA, den Genen) zur Herstellung von Enzymen verläuft über die Replikation,Transkription und Proteinbiosynthese. Dies ist ein sehr wichtiges Gebiet der synthetischen Biochemie (Biotechnologie), da Bakterien auf ihrer zyklischen DNA (Plasmiden) dazu gebracht werden können, bestimmte Enzyme zu produzieren.

Meilensteine

 
Der Citratzyklus - ein biochemischer Stoffwechselweg

Forschungsinstitute im deutschen Sprachraum

(Die Liste ist unvollständig)

Die Biochemie ist zum festen Bestandteil der hochschulischen Ausbildung vor allem von Medizinern und Biologen, aber auch anderen Naturwissenschaftlern geworden, so finden sich Institute für Biochemie an vielen deutschen Hochschulen.

Gliederung

Je nach Betrachtungswinkel wird die Biochemie in Bezug auf menschliche Erkrankungen als medizinische Biochemie, in Bezug auf Ökosysteme ökologische Biochemie, in Bezug auf Pflanzen als Pflanzenbiochemie, in Bezug auf das Immunsystem als Immunbiochemie und in Bezug auf das Nervensystem als Neurochemie bezeichnet. Ebenso wird die Biochemie nach Stoffgruppen eingeteilt, z. B. Proteinchemie, Nukleinsäurebiochemie, Kohlenhydratbiochemie und Lipidbiochemie. Small molecules werden von der Naturstoffchemie behandelt. Die Enzymologie und die Signaltransduktion stellen Sonderbereiche der Biochemie dar. Die Biophysikalische Chemie untersucht Biomoleküle und Lebewesen mit Methoden der physikalischen Chemie

Biochemiker

Studium

2008 gab es in Deutschland Studiengänge der Biochemie mit den Abschlüssen Diplom, Bachelor und Master. Die Diplomstudiengänge werden schrittweise durch konsekutive Bachelor- und Masterstudiengänge ersetzt:

  • Der Diplomstudiengang Biochemie hat eine Regelstudienzeit von 9 bis 10 Semestern, eine Höchststudiendauer von 13 bis 14 Semestern und führt zum berufsqualifizierenden Abschluss Diplom-Biochemiker/in.
  • Der Bachelorstudiengang Biochemie hat eine Regelstudienzeit von 6 bis 8 Semestern und führt zum berufsqualifizierenden Abschluss Bachelor of Science – Biochemie.
  • Der Masterstudiengang Biochemie hat eine Regelstudienzeit von 3 bis 4 Semestern und führt zum berufsqualifizierenden Abschluss Master of Science – Biochemie.

Neben dem reinen Biochemie-Studium besteht die Möglichkeit, die Fachrichtungen Chemie oder Biologie zu studieren und während des Studiums den Fächerkanon Biochemie zu vertiefen. Eine Spezialisierung erfolgt üblicherweise durch Biochemie als Wahlpflichtfach bzw. Hauptfach sowie die Anfertigung einer Diplom-, Bachelor- oder Masterarbeit im Bereich der Biochemie. Diese Variante bietet den Vorteil, dass sich Studienanfänger nicht direkt für ein reines Biochemie-Studium entscheiden müssen. Vielmehr haben sie die Möglichkeit, im Grundstudium verschiedene Fächer kennenzulernen, um sich dann während des Hauptstudiums zu spezialisieren, z. B. in Biochemie. Die Möglichkeit dazu ist an vielen Universitäten gegeben und die Regelstudienzeiten entsprechen denen der reinen Biochemie-Studiengänge. Bei den Bachelor- und Masterstudiengängen hat sich inzwischen im Bereich der Biowissenschaften eine Vielfalt von Studiengängen mit unterschiedlichen Namen und Spezialisierungen etabliert. Ihnen ist gemeinsam, dass sie besonderen Wert auf die molekularen Grundlagen legen und einen hohen Praxisanteil in der Ausbildung haben (siehe Weblinks).

Der Facharzt für Biochemie

Es besteht auch die Möglichkeit, nach einem absolvierten Medizinstudium in Deutschland als Facharzt für Biochemie tätig zu werden. Hierfür bedarf es einer vierjährigen Weiterbildungszeit. Auf diese anrechenbar ist

Am 31. Dezember 2010 waren 102 Fachärzte für Biochemie registriert, von denen einer niedergelassen war. 52 übten keine ärztliche Tätigkeit aus. Die Zahl der ärztlich tätigen registrierten Fachärzte für Biochemie reduzierte sich innerhalb des Jahrzehntes 2000-2010 um fast 50 %.

Siehe auch

Portal: Biochemie – Übersicht zu Wikipedia-Inhalten zum Thema Biochemie

Literatur

Lehrbücher

  • Donald Voet et al.: Lehrbuch der Biochemie. Wiley-VCH, 2002, ISBN 3-527-30519-X
  • Jeremy M. Berg, Lubert Stryer et al.: Biochemie. 5. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, 2003, ISBN 3-8274-1303-6, Online Version, Volltextsuche (englisch)
  • Lehninger, Nelson, Cox: Lehninger Biochemie. 3. Auflage. Springer-Lehrbuch, Berlin 2001, ISBN 3-540-41813-X
  • David L. Nelson, Michael M. Cox: Lehninger Principles of Biochemistry. 4th Edition. Palgrave Macmillan, 2004, ISBN 0-7167-4339-6 (englisch)
  • Georg Löffler, Petro E. Petrides, Peter C. Heinrich: Biochemie und Pathobiochemie. 8. Auflage. Springer-Lehrbuch, 2007, ISBN 978-3-540-32680-9
  • Manfred Schartl, Manfred Gessler, Arnold von Eckardstein: Biochemie und Molekularbiologie des Menschen. 1. Auflage. Elsevier: München 2009. ISBN 978-3-437-43690-1
  • Philipp Christen, Rolf Jaussi: Biochemie. Eine Einführung mit 40 Lerneinheiten. Springer-Verlag, 2005, ISBN 3-540-21164-0
  • Florian Horn et al.: Biochemie des Menschen – Das Lehrbuch für das Medizinstudium. 3., vollst. überarb. u. erw. Aufl. Thieme, Stuttgart, 2005, ISBN 3-13-130883-4
  • Graeme K. Hunter: Vital Forces. The discovery of the molecular basis of life. Academic Press, London 2000, ISBN 0-12-361811-8 (englisch)
  • Joachim Rassow, Karin Hauser, Roland Netzker, Rainer Deutzmann: Biochemie. Georg Thieme Verlag, 2006, ISBN 3-13-125351-7

Biochemische Wörterbücher

  • Peter Reuter: Taschenwörterbuch der Biochemie. Deutsch - Englisch/Englisch - Deutsch, Birkhäuser Verlag, Basel/Boston/Berlin 2000, ISBN 3-7643-6197-2

Lehrmaterialien im Internet

Biochemische Fachzeitschriften

Commons: Biochemistry – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wikibooks: Biochemie und Pathobiochemie – Lern- und Lehrmaterialien
Wiktionary: Biochemie – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. ↑ Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 17, 1610 (1884)
  2. ↑ Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 40, 1755, 1764 (1907)
  3. ↑ Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 35, 3226 (1902)
  4. ↑ Lehninger Grundkurs Biochemie, Walter de Gruyter (1983), S.65
  5. ↑ Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 18, 79, (1885)
  6. ↑ Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 26, 2754 (1893)
  7. ↑ Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 27, 2221, (1894)
  8. ↑ Hoppe Seylers Zeitschrift für physiologische Chemie 38, 49 (1903)
  9. ↑ Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 30, 553, 2226 (1897)
  10. ↑ Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 34, 3751 (1901)
  11. ↑ Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 42, 335, 2469, 2474 (1909)
  12. ↑ Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 3, 66 (1870)
  13. ↑ Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 20, 821 (1887)
  14. ↑ Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 26, 2400 (1893)
  15. ↑ Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 56, 759 (1923)
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