Die Biochemie (zu griechisch bíos ‚Leben‘, und zu „Chemie“) oder biologische Chemie, früher auch physiologische Chemie genannt, ist die Lehre von chemischen Vorgängen in Lebewesen, dem Stoffwechsel. Chemie, Biologie und Medizin sind in der Biochemie eng miteinander verzahnt.
mini|Struktur von Hämoglobin – einem weit verbreiteten Biomolekül
Die Biochemie beschäftigt sich unter anderem mit:
der Untersuchung und Veränderung von Biomolekülen: 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 (Signaltransduktion) 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 organischen Stoffgruppen der Nukleinsäuren, Proteine, Lipide, Kohlenhydrate, Spurenelemente und Vitamine, sowie deren Derivate, welche im Allgemeinen als Biomoleküle bezeichnet werden. Der überwiegende Teil der biochemisch wichtigen Vorgänge findet in Lebewesen statt. Im Gegensatz zur organischen Chemie in chemischen Laboren laufen biochemische Reaktionen überwiegend 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, Ultraschallaufschluss, SDS-Gelelektrophorese, Chromatographie, Elektrophorese, Spektroskopie, Molekülmarkierung, Isotopentechniken, Kristallisation, potentiometrische, elektrometrische, polarographische und manometrische Techniken, verschiedene Methoden zum Zellaufschluss, der Reinigung und Charakterisierung von Biomolekülen, der Informatik, der Genetik und Molekularbiologie, 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 mini|Schlosslabor Hohentübingen, um 1870, eines der frühesten biochemischen Labore, heute aktuelle Dauerausstellung „Schlosslabor Tübingen. Wiege der Biochemie“, Museum der Universität Tübingen MUT miniatur|rechts|Justus von Liebig in seinem Labor im Jahre 1840, einer Zeit, in der das Fach Biochemie noch Physiologische Chemie genannt wurde. Sechs Jahre später entdeckte von Liebig die Aminosäure Tyrosin. miniatur|rechts|Im 19. Jahrhundert begann man, sich für die chemische Zusammensetzung von Gallensteinen zu interessieren. Auch klinische Bezüge zum Auftreten der Steine, bevorzugt bei Frauen und bei Adipositas, werden hergestellt und systematisch untersucht. Die frühen Biochemiker empfehlen zur Prävention Pflanzenkost. miniatur|rechts|Die Heilung des Kropfes gelang ab 1820 auf dem Wege biochemischer Forschung. Am Anfang stand die Gabe von Jod. Erst 1926 erkannte man dann den Zusammenhang mit Hormonen. miniatur|rechts|Eduard Buchner erhielt für seine biochemischen Forschungen 1907 den Nobelpreis. miniatur|Mehr als zehn Versuchshunde benötigte Frederick Banting, bis Insulin 1921 als Heilmittel bei Diabetes nachgewiesen und entdeckt war.
Anfänge Seit Beginn des 19. Jahrhunderts wurden von organischen Chemikern die stoffliche Zusammensetzung von Tieren und Pflanzen und ab etwa 1840 auch komplexe Stoffwechselvorgänge systematisch untersucht. Es konnte von biologischem Material durch die Elementaranalyse der Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Stickstoff- und Schwefelgehalt bestimmt werden. Ab 1860 konnten chemische Strukturformeln von Stoffen aus der elementaren Zusammensetzung durch gedankliche Kombination ermittelt werden, nun 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. Eines der weltweit ersten biochemischen – damals physiologisch-chemischen – Labore wurde 1818 in der einstigen Küche des Schlosses Hohentübingen (Eberhard Karls Universität Tübingen) von Georg Carl Ludwig Sigwart und Julius Eugen Schlossberger eingerichtet. In ihm wurde von Felix Hoppe-Seyler 1861 das Hämoglobin und von seinem Schüler Friedrich Miescher 1869 die Nukleinsäure entdeckt.
Das Fach Physiologische Chemie spaltete sich 1922 von der Physiologie ab. Grundsteine für eine physiologische Chemie wurden jedoch schon früher, beispielsweise um 1840 durch Johann Joseph von Scherer, den Begründer der Klinischen Chemie, gelegt.Martin Sperling: Spezialisierung in der Medizin im Spiegel der Würzburger Geschichte. In: Würzburger medizinhistorische Mitteilungen. Band 3, 1985, S. 153–184, hier: S. 166.Dankwart Ackermann: Zur Entwicklung der Physiologie in Würzburg. In: Berichte der Physikalisch-medizinischen Gesellschaft zu Würzburg. Band 62, 1939, S. 32–38.
Proteine und Fette
Fette wurden von Eugène ChevreulChevreul: Recherches chimiques sur les corps gras d'origine animale, Paris 1823. und später von Heinrich Wilhelm HeintzJourn. pr. Chemie, 68, 1. untersucht. Gerardus Johannes Mulder konnte aus dem Fibrin des Blutes einen gelatinösen 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.
Aminosäure
Pierre Jean Robiquet und Louis-Nicolas Vauquelin fanden auch die erste Aminosäure, die sie im Jahre 1805 isolierten: Asparagin. Joseph Louis Proust entdeckte Leucin (1818), Justus von Liebig Tyrosin (1846). Zwischen 1865 und 1901 wurden weitere 12 Aminosäuren entdeckt, davon entdeckte Ernst Schulze drei neue Aminosäuren: Glutamin, Phenylalanin und Arginin.Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 17, 1610 (1884) Erste Peptidsynthesen wurden von Emil Fischer ab 1901 unternommen.Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 40, 1755, 1764 (1907)Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 35, 3226 (1902).
Justus Liebig erkannte, dass in der Hefe ein besonderer Stoff enthalten sein musste, der die Gärung auslöst. Er nannte diesen Stoff Bios. Zum ersten Mal verwendet wurde der Begriff Biochemie, als Vinzenz Kletzinsky (1826–1882) im Jahre 1858 sein Compendium der Biochemie in Wien drucken ließ. Felix Hoppe-Seyler (Milchsäure aus Glykogen, Oxidations- und Reduktionsfermenten, Hämoglobin), Georg Carl Ludwig Sigwart (Analysen von Gallen- und Harnsteinen), Anselme Payen (1833: Amylase), Julius Eugen Schlossberger (Kreatin, Hämocyanin) erweiterten die biochemischen Kenntnisse.
Enzyme
Entdeckt wurde Amylase (damals noch Diastase) 1833 vom französischen Chemiker Anselme Payen in einer Malzlösung. Damit war Diastase das erste Enzym, das man gefunden hat.
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, allen voran Louis Pasteur, Gärungsprozesse. Pasteur entdeckte bei der Untersuchung der wirtschaftlich bedeutsamen Zuckervergärung zu Alkohol durch Hefepilze, dass diese nicht wie bis dahin meist angenommen auf Fäulnisprozesse und abgestorbene Lebewesen zurückgehen, sondern ein Prozess in lebenden Organismen ist, die dafür Fermente (Enzyme) einsetzen. Der Körper, der diese Prozesse begünstigte, wurde Ferment genannt. Eduard Buchner entdeckte 1896 die zellfreie Gärung. James Batcheller Sumner isolierte 1926 das Enzym der Schwertbohne und behauptete, dass alle Enzyme Proteine sein müssten.Lehninger Grundkurs Biochemie, Walter de Gruyter (1983), S. 65.
John Howard Northrop isolierte wenige Jahre später Pepsin, Trypsin und Chymotrypsin in kristalliner Form und konnte Sumners Hypothese bestätigen.
Nukleinsäure
Der Physiologe Friedrich Miescher hatte 1869 die Nucleoproteide im Zellkern entdeckt. Albrecht Kossel entdeckte die Nukleinsäure Adenin (1885).Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 18, 79, (1885). Weitere Nukleinsäuren erhielt er aus tierischem Extrakt, und zwar Guanin, Xanthin (1893)Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 26, 2754 (1893)., Thymin (1894)Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 27, 2221, (1894)., Cytosin und Uracil (1903).Hoppe Seylers Zeitschrift für physiologische Chemie 38, 49 (1903). Emil Fischer gelangen die ersten Synthesen des Adenins, Theophyllins,Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 30, 553, 2226 (1897). Thymins und Uracils (1897–1903).Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 34, 3751 (1901). Phoebus Levene untersuchte die Verknüpfung von einer Nukleinsäure mit einer Pentose und einem Phosphat zum Mono-NukleotidBerichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 42, 335, 2469, 2474 (1909). (1908).
Kohlenhydrate
Kohlenhydrate sind ein wichtiger Bestandteil unserer Nahrung, sie wurden daher zeitig von Biochemikern untersucht. Sowohl Stärke als auch 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.Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 3, 66 (1870). Emil Fischer machte ab 1887 umfangreiche Forschungen zur Aufklärung der chemischen Strukturen von Zuckern mit Phenylhydrazin zu gut kristallisierbaren Osazonen.Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 20, 821 (1887). 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 Hydroxygruppe verknüpft (glycosidisch) ist.Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 26, 2400 (1893). Später (1922) folgerte Burckhardt Helferich, dass die Glucose in einem Sechsring (1,5-glykosidisch statt 1,4-glykosidisch) vorliegen musste.Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 56, 759 (1923). Weitere wichtige Arbeiten zur Zuckerchemie und deren strukturelle Darstellung leistete Norman Haworth; er synthetisierte auch erstmals das Vitamin C (bei Mangel tritt Skorbut auf), ein Säurederivat eines Zuckers.
Vitamine