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Bei der Biotechnologie handelt es sich um anwendungsorientierte Teilgebiete der Mikrobiologie und der Biochemie, die biologische Prozesse im Rahmen technischer Verfahren und industrieller Produktion nutzen und dabei auch auf Erkenntnisse der technischen Chemie und Verfahrenstechnik zurückgreifen. Alle biotechnologischen Verfahren haben das Ziel, stoffwechselphysiologische Leistungen biologischer Systeme zu optimieren und unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu nutzen.
Die Biotechnologie findet vom Prinzip her jedoch nicht erst in unseren Tagen Anwendung. Lebewesen wurden bereits vor langer Zeit zur Herstellung oder Konservierung von Nahrungsmitteln eingesetzt. Schon 3 000 Jahre v. Chr. stellte man Brot und Bier unter Verwendung von Hefezellen her.

Etwa genauso lange ist die Joghurtbereitung bekannt, wenn auch zur damaligen Zeit die zur Joghurtherstellung unbedingt erforderlichen, als solche aber noch unbekannten Milchsäurebakterien nur intuitiv eingesetzt wurden. Große Erfolge erzielte die Biotechnologie bereits bei der Herstellung von Futterhefen, Antibiotika, Steroidhormonen, Aminosäuren, Enzymen und anderen Produkten sowie bei der Abwasserreinigung. Auch die Eiweißproduktion für Futter- bzw. Ernährungszwecke aus gut zugänglichen Rohstoffen ist ein Aufgabengebiet der heutigen Biotechnologie. Die Gentechnologie schließlich erlaubt der Biotechnologie völlig neue Einsatzmöglichkeiten.

Menschen nehmen sehr häufig Alkohol mit der Nahrung zu sich. Er ist natürlicherweise u. a. in vergorenen Früchten und Getreide (Brot) enthalten, heutzutage enthalten viele Süßspeisen, Getränke oder Fertiggerichte Alkohol. Alkohol (Ethanol) stellt für den Körper ein Gift dar (es zerstört u. a. Nervenzellen), das mit Priorität aus dem Körper entfernt wird. Sehr geringe Mengen werden mit der Atemluft abgegeben, über die Haut ausgeschwitzt oder mit dem Urin ausgeschieden. Die restlichen über 90 % des vom Körper aufgenommenen Alkohols werden in der Leber durch Oxidation abgebaut und dann ebenfalls über Lunge bzw. Niere ausgeschieden.
Der Alkoholabbau in der Leber erfolgt in drei Schritten:
Zunächst wird mithilfe des Enzyms Alkoholdehydrogenase (ADH) Ethanol zu Ethanal (Acetaldehyd) abgebaut. Dieses noch stärkere Zellgift, das beim Abbau von Alkohol im Alkoholstoffwechsel als erstes Zwischenprodukt entsteht, wird durch das Enzym Aldehyddehydrogenase weiter zu Acetat (Essigsäure) und dieses anschließend im Citratzyklus in Kohlenstoffdioxid und Wasser umgewandelt.
Manche Menschen haben genetisch bedingt eine hohe Aktivität des Enzyms Alkoholdehydrogenase (ADH), wodurch aus Ethanol sehr schnell eine hohe Menge des giftigen Ethanals entsteht. Andere haben ein genetisch bedingtes Defizit des Enzyms Aldehyddehydrogenase (ALDH), wodurch Ethanal nicht genügend entgiftet werden kann. In beiden Fällen des genetisch veränderten Alkoholstoffwechsels steigt die Alkoholempfindlichkeit, d. h., die Menschen sind bei Alkoholaufnahme stärker gefährdet.
80 % der asiatischen Einwohner haben genetisch bedingt die zweitgenannte Form der Alkoholempfindlichkeit. Die Folgen für den Organismus bei Alkoholaufnahme dieser Menschen sind oft gravierend.

* 08.10.1883 Freiburg im Breisgau
† 01.01.1970 in Berlin

Er studierte Chemie und promovierte in diesem Fach 1906 in Berlin und 1911 auch noch in Medizin in Heidelberg. 1918 wurde er außerplanmäßiger Professor am Kaiser-Wilhelm-Institut für Biologie in Berlin-Dahlem. Seit 1931 war er Direktor des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Zellphysiologie. Er beschäftigte sich mit Studien zur Stoffwechselphysiologie, insbesondere zur Atmung und Assimilation, wobei er eine besondere Messtechnik (Warburg-Manometrie) entwickelte. Für seine Entdeckung der Atmungsenzyme erhielt er 1931 den Nobelpreis für Medizin. Er konnte nachweisen, dass Krebszellen ohne Sauerstoff leben und sich entwickeln können und dass dies eine Möglichkeit darstellt, von Krebs befallene Gewebe von normalen Geweben zu unterscheiden.

Enzyme sind Biokatalysatoren, die chemische Reaktionen innerhalb eines Organismus beschleunigen. Die meisten Enzyme sind Proteine. Die Wirkung der Enzyme ist in der Regel sehr spezifisch. Zum einen bezieht sich diese Spezifik auf den Reaktionstyp, zum anderen auf die Substrate, deren Umsetzung sie katalysieren. Hochspezifische Enzyme setzen nur ein einziges Substrat um (Substratspezifität), andere besitzen eine enge Kopplung an den Reaktionstyp (Wirkungsspezifität), akzeptieren aber eine Vielzahl verschiedener Substrate. Enzyme „erkennen“ ihre Substrate in sehr charakteristischer Weise. Die Ursache dafür liegt im aktiven Zentrum, das den Substraten eines Enzyms angepasst ist.

Der Begriff „Enzyme“ setzt sich zusammen aus den griechischen Silben en-, was soviel bedeutet wie „in“ und zyme, was heißt Gärungsmittel oder Sauerteig. Ihrer Wirkung und Bedeutung nach werden Enzyme häufig auch als Biokatalysatoren bezeichnet. D.h. sie sind Stoffe biologischen Ursprungs, welche chemische Reaktionen durch Herabsetzung der Aktivierungsenergie beschleunigen, ohne selber verbraucht zu werden. Fast alle Enzyme sind Proteine, jedoch gibt es auch andere enzymatisch aktive Substanzen wie beispielsweise Ribonucleinsäuren (Ribozyme).

Ein wichtiger Zweig der Biotechnologie beschäftigt sich mit der Herstellung und dem Einsatz von Enzymen. Die Zahl der Einsatzmöglichkeiten ist kaum noch zu überblicken und ständig kommen neue hinzu. Ein Beispiel ist die Waschmittelindustrie. Man hat Proteasen, Lipasen und Amylasen gefunden und hergestellt, die unter dem Einfluss von Waschlauge wirksam bleiben.
Ein großes Anwendungsgebiet ist die medizinische Diagnostik, in der der Nachweis von Enzymen im Blut eine große Rolle spielt. Auch als Medikamente zur Heilung von Krankheiten haben sich Enzyme bewährt.

ALEXANDER FLEMING entdeckte 1922 das Lysozym im Nasensekret des Menschen. Als Enzym schützt es das Körperinnere vor Bakterien, indem es ihre Zellwände zerstört. Es bildet eine einfache Immunschranke gegenüber Bakterien, schützt aber leider nicht vor den meisten pathogenen Bakterien.

Katalase ist ein Enzym, welches in allen tierischen Zellen, besonders in den Peroxisomen der Leberzellen und in den Erythrozyten, aber auch in Pflanzenzellen und aeroben Mikroorganismen häufig vorkommt. Seine Funktion besteht hauptsächlich in der Zersetzung des bei oxidativen Abbaureaktionen entstehenden Wasserstoffperoxids. Die Katalase spaltet ${\text{H}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{2}}$ in Sauerstoff und Wasser. So werden die Zellen vor der toxischen Wirkung von Wasserstoffperoxid geschützt. Dies gelingt sehr effektiv, weil die Katalase eines der effizientesten Enzyme überhaupt ist: Ein einziges Molekül setzt pro Sekunde bis zu 40 Millionen ${\text{H}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{2}}$-Moleküle um.

Milch und Milchprodukte enthalten Lactose (Milchzucker). Dieses Disaccharid ist das wichtigste Kohlenhydrat in der Milch der Säugetiere. Kuhmilch enthält etwa 4,5% Lactose, Frauenmilch bis zu 7,5%. Durch die Verdauung werden die Zweifachfachzucker (Disaccharide) unter Einwirkung von Enzymen aufgespalten und können dann weiterverarbeitet werden. Fehlen bestimmte Enzyme, in diesem Fall Lactase (beta-Galactosidase), kann keine Aufspaltung und Resorption der Stoffe erfolgen, was zu Milchunverträglichkeit führt (Lactose-Intoleranz). Charakteristisch für diese Störung/Mangelerscheinung sind Krankheitssymptome wie wässriger Durchfall und Blähbauch nach dem Genuss von Milch und Milchprodukten. Im Unterschied zur nicht korrigierbaren angeborenen Unverträglichkeit, kann die erworbene Intoleranz (induziert durch seltenen Genuss von Milch) behandelt werden.

* 13.08.1872 in Karlsruhe
† 03.08.1942 in Muralto bei Locarno (Schweiz)

RICHARD WILLSTÄTTER war ein deutscher Chemiker, lehrte als Professor in München und war ab 1912 Direktor des Kaiser- Wilhelm-Instituts für Chemie in Berlin. 1939 emigrierte er in die Schweiz.
WILLSTÄTTER untersuchte die Struktur von Pflanzenfarbstoffen und Alkaloiden. Auch den Aufbau des Kokains erforschte er. 1915 erhielt er den Nobelpreis für Chemie.

Der Citratzyklus ist eine 1937 von HANS ADOLF KREBS (1900-1981), G. MARTIUS und F. KNOOP etwa gleichzeitig entdeckte zyklische biochemische Reaktionskette, welche in allen lebenden Zellen abläuft. Er verläuft unter Beteiligung von Zitronensäure (Citrat), die zum Zwecke der Gewinnung von Reduktionsäquivalenten in andere organische Säuren umgewandelt wird. Er oxidiert in acht Schritten Acetyl-Reste zu Wasser und Kohlenstoffdioxid. Die dabei gewonnenen Reaktionsprodukte werden an die Atmungskette weitergegeben. Durch anschließende oxidative Phosphorylierung gewinnt die Zelle aus diesem Vorgang 10 ATP pro Acetyl-Gruppe.
Außerdem erfüllt der Citratzyklus eine Schlüsselfunktion im intermediären Stoffwechsel der Zelle. Er verbindet den energieliefernden Endabbau des aus dem Protein-, Fett- und Kohlenhydratstoffwechsel stammenden Zwischenprodukts Acetyl-Coenzym A mit der Erzeugung zahlreicher Vorstufen für anabole Biosynthesewege.