Glossar: Endlich Biochemie verstehen

Die Gesamtheit der Substanz-aufbauenden, der biosynthetischen Reaktionen. Meistens sind damit reduktive Biosynthesen gemeint, bei denen der Körper ATP und NADPH einsetzt.

DNA ist sehr stabil. Darum kann man mit mäßigem Aufwand DNA aus fast jedem alten Zeug isolieren und sequenzieren. Was alt genau bedeutet, ist dabei wohl Ansichtssache. Das kann DNA aus im 20. Jahrhundert Verstorbenen sein oder auch Erbmaterial von einer längst aus­gestorbenen Art vor 500.000 Jahren. Ganz sicher nicht kann es 65 Mio. Jahre alte Dinosaurier-­DNA sein. So stabil ist DNA dann doch nicht.

Ein recht neues Wort, das einen Binder an ein bestimmtes Zielmolekül meint. Ein Aptamer kann aus einem beliebigen Biopolymer bestehen, meist ist dies aber RNA, seltener DNA, manchmal auch ein Peptid. Apta kommt vom lateini­schen Wort aptus für passen; wohl am ehesten ist dieser Wortstamm uns aus dem Wort Adapter vertraut. Die Silbe -mer am Ende kennen wir ja schon; wieder also ein Teil oder ein Anteil (s. Polymer).

Etwas, wo eine Ansammlung an komplexen biologischen Dingen drin ist. Das kann eine Substanz-Bibliothek sein, in der nach möglichen Arznei-­Vorläufern gesucht wird. Im Zusammenhang von s. Display-Techniken ist hier eine Ansammlung von DNA- oder RNA-Molekülen gemeint, die mögliche Binde-­Moleküle (s. Aptamere, s. Antikörper) codieren. Es ist hilfreich, die eigentliche Größe der Bibliothek abschätzen zu können.

Wer kann, der kann. Phosphat hat eigentlich drei Bindungsmöglichkeiten. Zwei davon werden meist an Zucker vergeben (in RNA und DNA). So entsteht eine Situation, in der eine negative Ladung quasi über der Doppel-Ester-Bindung schwebt. Sie erschwert die nucleophile ­Attacke von Substanzen wie Wasser, die diese Bindung sonst kaputt machen würde.

Wenn man Glucose in seiner Sechser-Ring-Form be­trachtet, sehen alle OH-Gruppen erst einmal gleich aus. Eine ist aber glei­cher, das ist die OH-Gruppe am C-Atom 1. Die ist ja gar keine OH-Gruppe – sie verwandelt sich in eine Aldehyd-Gruppe, wenn wir Glucose in der lang gestreckten Version betrachten. Wenn diese OH-Gruppe eine Bindung mit einem Alkohol eingeht, dann entsteht eine O-glycosidische Bindung; mit einem Amin (eventuell einer Kernbase) entsteht eine N-glycosidische Bindung.

In diesem Buch eher dazu benutzt, um zu verdeutlichen, was uns alles erspart bleibt. Ansonsten wird dieses Konzept wohl meistens beim ­Screening von riesigen Substanzbibliotheken angewendet. Damit kann man ­abschätzen, wie grob das Undersampling im Experiment ist. Meist ist es sehr grob – nur ein winziger Teil der riesigen Komplexität vieler Bibliotheken nimmt tatsächlich am Experiment teil. Verwandte Konzepte sind Sequenz-Raum oder Struktur-Raum von DNA oder Proteinen.

s.Cofaktor

Erstmal ganz trivial – etwas, das der Computer nach­ahmt – sind Computersimulationen aus der naturwissenschaftlichen Forschung kaum noch wegzudenken. Sie bringen auch heute noch die allerbesten Computer ins Schwitzen, wenn man eben mal Zigtausende oder gar Millionen von Atomen über viele Bruchteile einer Sekunde simulieren will.

Die allermeisten Materialien dehnen sich bei Wärme aus und ziehen sich bei Kälte zusammen. Ein paar Verbindungen verhalten sich aber ko­misch. Davon ist Wasser der wichtigste Vertreter. Wasser erreicht seine höchste Dichte bei 4 Grad C.

Schwierig. Heute wird sie auch (relative) Permittivität genannt. Sie bezeichnet die chemische Polarität eines Lösungsmittels. Bei Raum­temperatur hat Wasser einen Wert von 80,1 und Hexan hat einen von 1,9. Wegen des extrem hohen Werts kann Wasser sehr gut polare Substanzen lösen; die Skala ist aber nicht linear.

Das Zur-Schau-Stellen irgendeines Biomoleküls, meist Proteine oder RNA-Moleküle. Gleichzeitig wird dabei die codierende Sequenz pfiffig verpackt und hinten angehängt. Diese Verpackung kann also ein besonderer Phage sein (Phage-Display), ein E. coli-Bakterium, eine Hefe oder sonst etwas ­Robustes und gut Charakterisiertes. s. Bibliothek

Sie gibt an, wie stark oder schwach anziehend sich zwei Biomoleküle gegenseitig finden. Eigentlich ist sie eine absolut normale Gleich­gewichtskonstante für eine Bindung A+B ist AB, also eine biochemische Komplex­bildung. Da man sich aber das Leben nicht unnötig schwer machen will, schaut man immer auf die Rückreaktion AB ist A+B; die hat dann als Einheit nur Mol pro Liter, also nichts mehr mit hoch minus eins.

s. präbiotische Chemie

Erst einmal klingt das fies – ein Protein, das all die schöne Arbeit der OxPhos-Atmungskette kaputtmacht und den Protonengradienten zu­sammenschrumpfen lässt, wie einen (vorsichtig) angepiksten Luftballon. Dann aber wird klar, dass das Entkoppler-Protein und ein paar andere Mechanismen Wärme erzeugen, ohne dass dafür Muskeln schuften müssen.

Es ist so wichtig, sich gut ausdrücken zu können. Das ist bei einem Expressionssystem aber nicht gemeint. Eher geht es darum, Proteine her­zustellen (oder auch andere Biomoleküle). Das kann beliebig schwierig werden, da sich Proteine hochgradig individuell verhalten können. Ein einfaches Ex­pressionssystem ist unser Labor-Haustierchen Eschericha coli – Plasmid mit der codierenden Sequenz rein, E. coli wachsen lassen, ein bisschen kitzeln (induzieren), weiter wachsen lassen, ernten, Zellen kaputt machen, Protein reinigen, fertig. Irgendwie ähnlich geht Protein-Produktion auch in verschiedenen Hefen, in Insek­ten- oder Säugetier-Zellen, in transgenen Tieren oder Zell-freien Extrakten. Jedes dieser Systeme hat Vorteile, aber auch Tücken.

Ein offenes System, das einen ständigen Durchsatz an Nährstoffen und bzw. oder Energie hat. Trotzdem erreicht so ein System einen stabilen Zustand, einen steady state. Die meisten Lebewesen kann man als so ein Fließ­gleichgewicht beschreiben; manche Haushalte auch.

Ein etwas sperriges Konzept. Biochemisch ist wohl alles gemeint, das irgendwie in der Lage ist, aus ADP ein ATP-Molekül zu machen. Dem Autor dieses Buchs ist aber wichtig, dass es dabei NICHT um eine einzelne hoch geladene Bindung geht; immer ist das gesamte Molekül an der Reaktion beteiligt.

Ein Biochemie-Klassiker. Nur weil Wasser nicht geordnet sein will – entropisch gesehen – presst es Moleküle zusammen, die sich ihrerseits weigern, sich in Wasser zu lösen. Irgendwie eine indirekte Kraft, aber eine wichtige.

Indikatoren, Reporter, Sensoren, all das sind Verbindungen oder biotechnologische Konstrukte, die die An- oder Abwesenheit von irgendetwas ­anzeigen sollen. Farbindikatoren sind gut geeignet, um Änderungen im Säure-­Base-­Verhalten anzuzeigen. Mein Favorit in dieser speziellen Rubrik ist eindeutig Rotkohlsaft.

Zwei Isoformen eines Proteins oder eines anderen Biomoleküls sind zueinander ähnlich, aber nicht identisch. Mehr steckt in dem Wort nicht drin; es können zwei Punktmutationen eines Proteins gemeint sein, zwei Spleißvarianten oder gar zwei nur entfernt verwandte Gene. Eigentlich ein Wort, auf das man ver­zichten könnte.

Alle Reaktionen zusammengenommen, aus denen der Körper Energie beziehen kann. Wohl auch dazu gehört eine molekulare Müllabfuhr mit ordentlichem Recycling.

Eine Legierung (von Metallen) kommt vom lateinischen Wort ligare für binden. Genauso wie das Legieren einer feinen Bratensoße. Und da haben wir auch noch das putzige Wort Ligand. Ein Ligand ist so ziemlich alles, was an ein Protein (oder ein anderes Biopolymer) bindet, ein Binder halt, meist kleiner als das, woran der Ligand bindet. Das ist dann das s. Zielmolekül oder der s. Rezeptor.

s. Polymer

Die Sequenzierung von Nucleinsäuren (fast immer DNA) hat mittlerweile ein industrielles Zeitalter erreicht. Sequencing by Synthesis ist hier ein Prinzip, das massiv parallelisiert wurde. Etwas abgefahren ist die Nanopore-­Sequenzierung. Hier wird eine basenspezifische elektrische Spannung erzeugt, während ein DNA-Einzelstrang durch eine spezielle Protein-Pore gezogen wird. Durch allerlei methodische Fortschritte ist Sequenzieren unglaublich schnell ge­worden. Anfang 2022 lag der offizielle Weltrekord für die Komplettsequenzierung eines menschlichen Genoms bei 5 Stunden und 2 Minuten. s. ­Sequenzierung

Orbitale von Atomen oder Molekülen sind waberne Elektronenwolken oder auch Aufenthaltswahrscheinlichkeiten von Elektronen. So ein bisschen wie eine schwingende Saite irgendeines Streich-Instruments können Orbitale komische Formen annehmen – mal sind sie rund, mal ähneln sie einer Hantel aus dem Fitness-­Studio, mal haben sie noch kompliziertere Formen. Biochemisch sind s-, p- und d-Orbitale wichtig sowie verschiedene Mischungen aus s- und p-Orbitalen – die sp3- und sp2-Hybrid-Orbitale. s. Stereochemie

s. Protein Data Bank

Im Zusammenhang mit Wasser sind hier erst einmal das Schmelzen von Eis und das Frieren von Wasser sowie das Ver­dunsten von Wasser und Kondensieren von Wasserdampf gemeint. Biochemisch können das aber auch andere Phasenübergänge sein, so zum Beispiel in einer Mem­bran von einem kristallinen in einen flüssigen Zustand. Und dann gibt es noch das weite Feld der Flüssig-Flüssig-Phasentrennungen. Die werden mehr und mehr bei allen möglichen biochemischen Prozessen entdeckt. Denken wir mal an das ab­solut mit Biopolymeren vollgestopfte Innere einer Zelle – alles noch irgendwie in wässriger Lösung – dann kommt es zu einer Phasentrennung und auf einmal ver­hält sich ein Teil davon wie ein Fett-Tropfen.

Die PDB ist eine internationale Sammelstelle für 3D-­Strukturen von Biopolymeren, die schon seit 1971 existiert. Die meisten Struk­turen darin sind von Proteinen. Die PDB enthält aber auch strukturelle Informa­tionen von zahlreichen Liganden, Lipiden und Cofaktoren wie auch von DNA und RNA-Komplexen. PDB steht auch für das PDB-Format, in dem die strukturellen Informationen gespeichert sind. PDB-Dateien kann man mit verschiedenen PDB-­Viewern oder -Browsern visualisieren.

s. Indikator

Die drei Rs der s. präbiotischen Chemie. Die RNA-Welt-Hypothese versucht den Anfang des Lebens zu erklären, als es weder DNA als Informationsspeicher noch Proteine als Biokatalysatoren gab.

Die Übertragung einer Botschaft von draußen in die Zelle hinein ist eine Wissenschaft für sich. Danach geht die Signalübertragung mit ­Second Messengern aber erst los. Diese Signal-Moleküle werden innerhalb der Zelle auf einen Stimulus hin erzeugt. Viel diskutierte Second Messenger sind die zyklischen Nucleotide cAMP und cGMP oder Calcium-Ionen. Es gibt viele andere mehr. Fast immer stellt sich am Ende die Frage, wie Spezifität bei dem ganzen Prozess gewährleistet wird.

Ordnung aus dem Chaos. Kleinere Untereinheiten von größe­ren Komplexen fügen sich von allein zusammen; meist angetrieben von vielen klei­nen Interaktionen und/oder Packungseffekten. Ein sehr schickes Self-Assembly-­System sind virale Capsid-Proteine – selbst in dünnen, wässrigen Puffern können sie (manchmal) komplette virale Hüllen bilden. s. Ikosaeder, s. Kugelpackung

Erst einmal ist Sequenzierung das Bestimmen der Abfolge von irgendwelchen linear zusammengesetzten Biopolymeren. Es könnten also auch Zuckerketten oder Peptide sequenziert werden. Etwas spezieller ist damit (also in 99,999 Prozent der Fälle) die Sequenzierung von DNA gemeint. Das Standard-Verfahren hierzu ist die Di-desoxy-Sequenzierung nach Frederick Sanger. s. Next-Gen-Seq

Egal, ob das Molekül klein oder groß ist, meist sehen wir es auf einem flachen Bildschirm oder gedruckt auf Papier. Ich kann das Wissen über die wirkliche Geometrie einer chemischen Verbindung dazu benutzen, eben dieses Molekül dreidimensional zu sehen – als ob ich eine erlernte 3D-Brille aufsetze. Gleichzeitig kann ich aber auch Hilfsmittel benutzen, um zum selben Ziel zu kommen. Diese Hilfsmittel können Schiele-Bilder (Magic Eye) oder Molekül-Modellbaukästen sein. Toll sind auch Programme, die dreidimensionale Modelle von Protein-Strukturen darstellen. Ach, und dann gibt es noch 3D-Drucker und so schicke Software, die einen Mix aus Simulation und Wirklichkeit darstellen können; im Englischen heißt das Augmented Reality.

s. Zielmolekül

s. Polymer

s. Thermodynamik

s. präbiotische Chemie

Jedes Material ist etwas eigen, wenn es darum geht, ob es leicht erhitzt werden will oder nicht. Wasser ist dabei ein riesiger Wärmeschlucker. Metalle dagegen wirken meist nur kurz kalt oder heiß.

s. Die molekulare Zielscheibe für irgendeine Intervention; meist im Zusammenhang mit der Entwicklung von Medikamenten gebraucht. Das Ziel­molekül ist die Struktur im Körper, an die der Wirkstoff in einem Medikament andockt, um seinen pharmakologischen Effekt zu entfalten. Die Zielmoleküle des Wirkstoffs Sildenafil in den komisch geformten, blauen Tabletten sind die Enzyme Phospho-Di-Esterase 5 und 6.