Was ist Biochemie – einfach erklärt?

Die Biochemie befasst sich mit chemischen Prozessen in biologischen Systemen. Diese sind der menschliche Körper, tierische und pflanzliche Organismen sowie Einzeller. Die chemischen Prozesse bewirken den Stoffwechsel in diesen Lebewesen. Experten für Biochemie müssen von Biologie und Chemie gleichermaßen viel verstehen und können auch medizinisch tätig sein.

Gegenstand der Biochemie im Detail

Ein wichtiger Gegenstand der biochemischen Forschung ist die Struktur von Biomolekülen. Dabei geht es um den Aufbau dieser Moleküle selbst und um ihre Integration und Wirkung in biologischen Systemen. Organismen haben einen molekularen Aufbau.

Die Biochemie möchte wissen, wie die molekularen Bausteine entstehen und welche Wechselwirkungen unter ihnen bestehen. Davon ausgehend ist das nächste große Thema der Stoffwechsel. Lebewesen setzen Stoffe unter bestimmten bioenergetischen Voraussetzungen um und erhalten dabei Hilfe von Biokatalysatoren. Diese Mechanismen erforscht die Biochemie, wobei die Steuerung des Stoffwechsels im Fokus steht.

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Dies führt zur Thematik des Informationsaustauschs im Organismus (sogenannte Signaltransduktion) sowie zwischen mehreren Organismen. Biomoleküle können Information aufnehmen, speichern, abrufen und weiterleiten. Dieser Informationsaustausch dient der Koordination einzelner Zellen im Organismus und der Kooperation zwischen mehreren Organismen.

Aus rein chemischer Sicht sind daran organische Stoffgruppen mitsamt ihren Derivaten beteiligt. Die wichtigsten sind:

• Proteine
• Kohlenhydrate
• Fette
• Vitamine
• Spurenelemente
• Lipide
• Nukleinsäuren

Zu diesen Stoffgruppen gehören die Biomoleküle. Die biochemischen Reaktionen im Organismus laufen fast immer in einem wässrigen Milieu ab. Die Originalbedingungen im Organismus sind im Labor nicht vollständig abzubilden, weshalb Biochemiker vielfach direkt bzw. im Organismus und dessen Gewebeproben oder Flüssigkeiten forschen.

Biochemie: Gliederung in verschiedene Fachgebiete

Die Biochemie gliedert sich in mehrere Fachgebiete, die teilweise stark spezialisiert sind:

• Die medizinische Biochemie befasst sich mit menschlichen und tierischen Erkrankungen.
• Die Immunbiochemie untersucht ausschließlich das Immunsystem von Menschen und Tieren.
• Die Neurochemie untersucht biochemische Vorgänge im Nervensystem.
• Die ökologische Biochemie untersucht die Wechselwirkungen in Ökosystemen.
• Die Pflanzenbiochemie untersucht nur die biochemischen Prozesse in Pflanzen.

Es gibt noch eine weitere Unterteilung, je nach der Stoffgruppe, mit der sich Biochemiker beschäftigen. Es lassen sich die Protein-, Nukleinsäure-, Kohlenhydrat, Lipid- und Naturstoffchemie unterscheiden. Sonderbereiche sind die Signaltransduktion und die Enzymologie.

Eine andere Herangehensweise vertritt die biophysikalische Chemie, welche Biomoleküle mit der physikalischen Chemie erforscht. Zwischen diesen Einteilungen gibt es Überschneidungen. Ein Thema der medizinischen Biochemie kann etwa die Wirkung von Proteinen und Kohlenhydraten im menschlichen Körper sein, weshalb die betreffenden Forscher Experten auf den Gebieten der medizinischen Biochemie sowie der Protein- und Kohlenhydratbiochemie sein müssen.

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Methoden der Biochemie

Die Biochemie wendet Methoden aus mehreren Gebieten an. Dazu gehören bei der klassischen Biochemie die analytische, organische und physikalische Chemie sowie die Physik. Aus der Biologie sind die Molekular- und Mikrobiologie sowie die Genetik beteiligt. Für die quantitative Auswertung von Forschungsergebnissen nutzen Biochemiker Methoden der Informatik und Mathematik, um aus ihren Daten formale Theorien zu entwickeln.

Wichtige Untersuchungstechniken sind unter anderem die Zentrifugation und der Ultraschallaufschluss, die SDS-Gelelektrophorese, die Chromatographie, die Elektrophorese, die Spektroskopie, die Molekülmarkierung, Isotopentechniken, die Kristallisation, Methoden zum Zellaufschluss sowie potentiometrische, elektrometrische, manometrische und polarographische Techniken, mit denen sich Biomoleküle reinigen und charakterisieren lassen.

Wichtige biochemische Forschungsgebiete

Ein traditionelles und sehr bekanntes Forschungsgebiet ist die Gärung von Zucker, aus dem Ethanol und Milchsäure werden. Auch die Umwandlung von Glukose zu Glykogen (Glykolyse) gehört fast schon zum biochemischen Allgemeinwissen. Für die Ernährung bzw. den Stoffwechsel ist die Energiegewinnung innerhalb einer Zelle sehr interessant. In den Zellen werden Fette, Aminosäuren und Kohlenhydrate abgebaut.

Sie wandeln sich zunächst in Oxalacetat und dann in Citrat um, wobei das Acetyl-S-CoA mit dem wasserlöslichen Vitamin Pantothensäure beteiligt ist und neben Energie auch Kohlendioxid entsteht. Diesen Prozess (sogenannter Citratzyklus) beschrieb zuerst der Biochemiker H. Krebs schon im Jahr 1937. Lebensmittelproduzenten und Anbieter von Diätpillen müssen über dieses Grundlagenwissen verfügen.

Noch ein wichtiger Prozess ist die sogenannte Atmungskette (in der Fachsprache oxidative Phosphorylierung), bei der die Biomoleküle in den Zellen oxidieren. Daran sind mehrere Enzyme mit dem Vitamin B2 beteiligt. Die Pflanzenbiochemie untersucht unter anderem die Fotosynthese, von der auch Schülerinnen und Schüler schon etwas hören. Bei diesem Prozess wandelt das Pigment Chlorophyll das in der Luft enthaltene CO2 in Sauerstoff und Kohlenhydrate um.

Chlorophyll ist wiederum hauptsächlich in Pflanzen (vor allem in ihren grünen Blättern) enthalten, darüber hinaus gibt es einige fototrope Mikroorganismen. Dieses Wissen ist wichtig für das Verständnis unserer Umweltbilanz: Wir brauchen dringend Pflanzen (unter anderem den Amazonas-Regenwald als „grüne Lunge des Planeten“), damit das durch die Industrie, die Heizung und den Verkehr emittierte CO2 unschädlich gemacht wird, das schließlich ein gefährlicher Klimakiller ist. Die Pflanzenbiochemie forscht daran, welche Pflanzen besonders wertvoll für die Fotosynthese sind.

Medizinische Biochemie

Krankheiten lassen sich vor allem biochemisch verstehen. Die medizinische Biochemie forscht daher zu den Prozessen in den Zellen und Organen auf molekularer Ebene. Ein Schwerpunkt ist unter anderem der Weg der Stoffwechselprodukte durch das Blutplasma und die dort stattfindenden chemischen Reaktionen, ein anderer die Weitergabe von DNA-Informationen im Zellkern. Dies dient dem Verständnis von Krankheiten und der Entwicklung von Therapien und Medikamenten.

Studium der Biochemie

Es gibt viele renommierte Universitäten und Hochschulen in Deutschland, die einen Studiengang Biochemie anbieten. Er schließt mit dem Bachelor oder Master ab. Die Regelstudienzeit für den Bachelor liegt bei 8 Semestern. Einige Studierende wenden sich zunächst separat der Chemie und/oder Biologie zu und spezialisieren sich dann auf Biochemie. Es gibt auch Fachärzte für Biochemie, die spezielle Krankheitsbilder auf biochemischer Ebene untersuchten und therapieren.