Biochemie

Gegenstand und Bedeutung

Biochemie, auch biologische Chemie oder früher physiologische Chemie genannt, ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen, insbesondere vom Stoffwechsel. Sie verbindet Chemie, Biologie und Medizin. Im Mittelpunkt stehen Biomoleküle, also vor allem Nukleinsäuren, Proteine, Lipide, Kohlenhydrate, Spurenelemente, Vitamine und deren Derivate.

Die Biochemie untersucht drei große Bereiche:

• den Aufbau, die Bereitstellung, Veränderung und Wechselwirkung von Biomolekülen;
• den Stoffwechsel, also die Umsetzung von Stoffen, die benötigte Energie, die beteiligten Biokatalysatoren (Enzyme), die Reaktionsmechanismen und die Steuerung dieser Vorgänge;
• den Informationsaustausch innerhalb eines Organismus und zwischen Organismen. Dazu gehört die Signaltransduktion, also die Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung biologischer Informationen in und zwischen Zellen.

Die meisten biochemischen Reaktionen laufen in Lebewesen und überwiegend in wässrigem Milieu ab. Je nach Schwerpunkt unterscheidet man unter anderem medizinische, ökologische, pflanzliche und immunologische Biochemie sowie Neurochemie. Nach Stoffgruppen gibt es beispielsweise Protein-, Nukleinsäure-, Kohlenhydrat- und Lipidbiochemie. Enzymologie und Signaltransduktion sind Sonderbereiche; die Biophysikalische Chemie untersucht Biomoleküle mit Methoden der physikalischen Chemie.

Methoden der Untersuchung

Die klassische Biochemie nutzt Methoden der analytischen, organischen und physikalischen Chemie sowie der Physik. Zu den wichtigen Verfahren gehören (Ultra-)Zentrifugation, Ultraschallaufschluss, SDS-Gelelektrophorese, Chromatographie, Elektrophorese, Spektroskopie, Molekülmarkierung, Isotopentechniken und Kristallisation.

Hinzu kommen potentiometrische, elektrometrische, polarographische und manometrische Techniken sowie verschiedene Verfahren zum Zellaufschluss, zur Reinigung und zur Charakterisierung von Biomolekülen. Auch Informatik, Genetik, Molekularbiologie und Mikrobiologie werden eingesetzt. Die moderne Biochemie wertet Ergebnisse quantitativ mit mathematischen Methoden aus und bildet mithilfe der Mathematik formale Theorien.

Einzelne Proteine lassen sich durch Gel-Elektrophorese nachweisen. Mit dem Edman-Abbau kann die Aminosäuresequenz eines Proteins bestimmt werden.

Entwicklung und wichtige Meilensteine

Seit Beginn des 19. Jahrhunderts untersuchten organische Chemiker die stoffliche Zusammensetzung von Tieren und Pflanzen und ab etwa 1840 auch komplexe Stoffwechselvorgänge. Durch Elementaranalyse wurden zunächst der Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Stickstoff- und Schwefelgehalt bestimmt. Ab 1860 konnten aus der elementaren Zusammensetzung chemische Strukturformeln abgeleitet werden. Die Forschung war wegen der geringen Stoffmengen und unzureichender Nachweismethoden schwierig; erst verbesserte Geräte ab 1950 erleichterten die Strukturaufklärung.

1818 entstand im Schloss Hohentübingen eines der weltweit ersten biochemischen, damals physiologisch-chemischen, Laboratorien. Felix Hoppe-Seyler entdeckte dort 1861 Hämoglobin, Friedrich Miescher 1869 die Nukleinsäure. Das Fach Physiologische Chemie spaltete sich 1922 von der Physiologie ab. Der Begriff Biochemie wurde 1858 durch Vinzenz Kletzinsky verwendet.

Wichtige Meilensteine sind: 1805 die Isolierung der ersten Aminosäure Asparagin durch Pierre Jean Robiquet und Louis-Nicolas Vauquelin; 1828 die Synthese von Harnstoff aus anorganischem Ammoniumcyanat durch Friedrich Wöhler; 1833 die Entdeckung des ersten Enzyms Diastase durch Anselme Payen; 1869 die Entdeckung des Nucleins durch Friedrich Miescher; 1896 die Entdeckung der zellfreien Gärung durch Eduard Buchner; 1926 die Entdeckung der Cytochromoxidase durch Otto Warburg; 1929 die Aufklärung der Glykolyse durch Gustav Embden, Otto Meyerhof und Jakub Parnas; 1932 die Aufklärung des Citratzyklus durch Hans Adolf Krebs sowie 1953 die Aufklärung der DNA-Struktur durch James Watson, Francis Crick und Rosalind Franklin.

Bei einzelnen Angaben nennt der Artikel unterschiedliche Zuordnungen: Für 1904 wird in der Meilensteinliste die Synthese von Testosteron durch Friedrich Stolz genannt, im Abschnitt über Hormone dagegen die erstmalige künstliche Herstellung eines Hormons durch die Synthese von Adrenalin. Auch zur Gewinnung von Vitamin C werden sowohl eine Isolierung 1927 als auch eine spätere Synthese durch Norman Haworth beschrieben.

Biomoleküle und ihre Erforschung

Proteine, Fette, Aminosäuren, Nukleinsäuren, Kohlenhydrate, Vitamine und Hormone gehören zu den zentralen Untersuchungsgegenständen.

Fette wurden von Eugène Chevreul und Heinrich Wilhelm Heintz untersucht. Gerardus Johannes Mulder gab einem gelatinösen Niederschlag aus Blutfibrin den Namen Protein. Louis-Nicolas Vauquelin fand in Haaren Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel.

Die erste isolierte Aminosäure war 1805 Asparagin. Es folgten Leucin 1818 durch Joseph Louis Proust und Tyrosin 1846 durch Justus von Liebig. Zwischen 1865 und 1901 wurden weitere 12 Aminosäuren entdeckt; Ernst Schulze fand Glutamin, Phenylalanin und Arginin. Emil Fischer begann ab 1901 mit Peptidsynthesen.

Friedrich Miescher entdeckte 1869 Nucleoproteide im Zellkern. Albrecht Kossel identifizierte Adenin 1885 sowie Guanin und Xanthin 1893, Thymin 1894 und Cytosin und Uracil 1903. Emil Fischer synthetisierte Adenin, Theophyllin, Thymin und Uracil zwischen 1897 und 1903. Phoebus Levene beschrieb 1908 das Mononukleotid aus Nukleinsäure, Pentose und Phosphat.

Bei Kohlenhydraten werden Stärke und Zucker zu Glucose abgebaut; bei Überangebot wird Glucose in der Leber als Glykogen gespeichert. Ein konstanter Blutzuckergehalt ist für Gehirn und Muskeln lebensnotwendig. Adolf von Baeyer stellte 1870 eine erste Glucoseformel auf. Emil Fischer untersuchte ab 1887 Zuckerstrukturen; 1893 zeigte er mit Methylglykosid, dass die Aldehydgruppe der Glucose im Ring glycosidisch mit einer Hydroxygruppe verknüpft ist. Burckhardt Helferich folgerte 1922, dass Glucose in einem Sechsring vorliegt. Norman Haworth arbeitete ebenfalls zur Zuckerstruktur und synthetisierte erstmals Vitamin C.

Vitamine sind neben Eiweiß, Kohlenhydraten und Fetten für die Ernährung notwendig. Vitamin-B1-Mangel verursacht Beri-Beri, Vitamin-D-Mangel Rachitis und Vitamin-C-Mangel Skorbut. Gustav von Bunge zeigte 1882 mit Ratten und Mäusen, dass eine Nahrung ausschließlich aus Eiweiß, Kohlenhydraten und Fetten nicht ausreicht. Adolf Windaus erforschte Cholesterin, Steroide, Vitamin D und Vitamin B1. Frederick Gowland Hopkins und Casimir Funk trugen wesentlich zur Entdeckung von Vitamin B1 bei.

Enzyme sind Biokatalysatoren, die Stoffwechselreaktionen ermöglichen oder beschleunigen. Amylase, damals Diastase genannt, wurde 1833 von Anselme Payen entdeckt. Louis Pasteur erkannte, dass Gärung durch lebende Organismen und ihre Fermente verursacht wird. Eduard Buchner wies 1896 die zellfreie Gärung nach. James Batcheller Sumner isolierte 1926 ein Enzym der Schwertbohne und vermutete, dass alle Enzyme Proteine seien. John Howard Northrop bestätigte dies durch die kristalline Isolierung von Pepsin, Trypsin und Chymotrypsin.

Stoffwechsel, Hormone und genetische Information

Die Glykolyse umfasst in Lehrbüchern unter anderem die Gärung von Zucker zu Ethanol und Milchsäure sowie den Aufbau von Glucose zu Glykogen. Bei der Energiegewinnung werden Fette, Aminosäuren und Kohlenhydrate über Oxalacetat zu Citrat umgesetzt. Acetyl-S-CoA entsteht dabei unter Freisetzung von Kohlendioxid und Energie und enthält das wasserlösliche Vitamin Pantothensäure. Der 1937 von H. Krebs untersuchte Vorgang heißt Citratzyklus.

Oxidationen von Biomolekülen verlaufen über mehrere Enzyme, an denen Vitamin B2 beteiligt ist. Eine für den Energiehaushalt besonders wichtige Oxidation wird als oxidative Phosphorylierung oder Atmungskette bezeichnet. Bei der Photosynthese werden Kohlenstoffdioxid und Wasser mithilfe von Strahlungsenergie und Chlorophyll in Pflanzenzellen und phototrophen Mikroorganismen in Kohlenhydrate und Sauerstoff umgewandelt.

Überschüssige Nahrungsenergie wird bei Menschen und Tieren als Fett gespeichert. Bei Energiemangel werden Fettsäuren über Acetyl-CoA oxidiert. Bei schwerem Diabetes oder extremem Nahrungsmangel können auch Proteine zu Aminosäuren und diese zu Kohlendioxid abgebaut werden; die dabei ablaufenden Umwandlungen beschreibt der Harnstoffzyklus. Die Neubildung von Kohlenhydraten aus Milchsäure oder Aminosäuren heißt Gluconeogenese. Außerdem wurden die Biosynthesen von Aminosäuren, Nucleotiden und Porphyrinen sowie der Stickstoffzyklus in Pflanzen untersucht. Weitere Themen sind die Resorption und der Transport von Stoffwechselprodukten im Blutplasma.

Hormone sind nach Ernest Starling Stoffgruppen, die in menschlichen Organen produziert werden. Adrenalin wurde 1901 von T. B. Aldrich und Takamine Jōkichi aus tierischen Nieren extrahiert; Friedrich Stolz synthetisierte es 1904. Thyroxin wurde 1915 von Edward Calvin Kendall isoliert und seit 1926 von Charles Robert Harington synthetisch hergestellt. Ernst Laqueur isolierte 1935 Testosteron. Adolf Butenandt erforschte Estron, Androsteron und Progesteron und zeigte die enge Verwandtschaft der Geschlechtshormone mit Steroiden. Diese Forschung ermöglichte die Synthese von Cortison und anderen Steroiden und trug zur Entwicklung moderner Verhütungsmittel bei. Rinder-Insulin linderte 1920 durch Frederick Banting und Best den Mangel des Bauchspeicheldrüsenhormons; Frederick Sanger klärte 1953 die Aminosäuresequenz des Insulins.

Die genetische Information der DNA, genauer bestimmter DNA-Abschnitte namens Gene, wird über Replikation, Transkription und Proteinbiosynthese zur Herstellung von Enzymen genutzt. In der Biotechnologie können Bakterien mit ihrer zyklischen DNA, den Plasmiden, dazu gebracht werden, bestimmte Enzyme zu produzieren.

Forschung, Ausbildung und Berufe

Zu den führenden Einrichtungen im deutschen Sprachraum zählen unter anderem das Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried, das Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie in Dortmund, das Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin in Münster, das Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie in Halle (Saale), das Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie in Berlin und das European Molecular Biology Laboratory in Heidelberg. Universitäre Institute gibt es beispielsweise in Erlangen-Nürnberg, Marburg, Berlin, Freiburg, Göttingen, München, Tübingen, Wien, Graz, Innsbruck, Basel und Zürich. Die Listen im Artikel sind ausdrücklich unvollständig.

2008 gab es in Deutschland Diplom-, Bachelor- und Masterstudiengänge. Der Diplomstudiengang hat eine Regelstudienzeit von 9 bis 10 Semestern und eine Höchststudiendauer von 13 bis 14 Semestern. Der Bachelor of Science dauert regulär 6 bis 8 Semester, der anschließende Master of Science 3 bis 4 Semester. Diplomstudiengänge werden schrittweise durch konsekutive Bachelor- und Masterstudiengänge ersetzt.

Alternativ kann man Chemie oder Biologie studieren und Biochemie als Wahlpflicht- oder Hauptfach vertiefen. Typisch sind molekulare Grundlagen, ein hoher Praxisanteil und Module in organischer Chemie, physikalischer Chemie und Biochemie. Die Studiengänge überschneiden sich teilweise mit Chemie und Biologie, unterscheiden sich aber beispielsweise durch eine geringere Vertiefung in Botanik, Zoologie oder anorganischer Chemie.

Nach einem Medizinstudium kann man in Deutschland Facharzt für Biochemie werden. Dafür ist eine vierjährige Weiterbildung erforderlich; ein Jahr in Innerer Medizin oder Pädiatrie kann angerechnet werden. Am 31. Dezember 2010 waren 102 Fachärzte für Biochemie registriert, davon einer niedergelassen. 52 übten keine ärztliche Tätigkeit aus; die Zahl der ärztlich tätigen registrierten Fachärzte sank von 2000 bis 2010 um fast 50 %.

Der Artikel nennt außerdem Nobelpreise für biochemische Arbeiten, darunter 1902 für Hermann Emil Fischer, 1922 für Otto Fritz Meyerhof, 1931 für Otto Warburg, 1947 für Gerty und Carl Cori sowie Bernardo Alberto Houssay, 1953 für Hans Adolf Krebs und 1962 für James D. Watson.