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Questions and Answers
Was passiert, wenn ein Stopp-Codon erreicht wird während der Translation?
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Die Kettenverlängerung bricht ab und das Ribosom zerfällt in beide Untereinheiten.
Was beschreibt das Hardy-Weinberg-Gesetz?
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Es beschreibt, dass die Allelfrequenzen in einer Population von Generation zu Generation gleich bleiben.
Welche Arten von Genmutationen gibt es?
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Was beschreibt eine Missense-Mutation?
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Welche Chromosomenmutationen gibt es?
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Spontane Mutationen sind immer schädlich.
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Was sind die Symptome des Down-Syndroms?
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Was verursacht die Sichelzellanämie?
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Was bedeutet 'natürliche Selektion'?
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Was versteht man unter dem Begriff 'Apomorphie'?
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Die _________ ist ein Verfahren zur Bestimmung der Allelfrequenzen in einer Population.
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Welche Arten der DNA-Übertragung gibt es?
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Was beschreibt die phylogenetische Betrachtungsweise?
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Was sind die Hauptfaktoren in der Ökologie?
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Konsumenten 3. Ordnung sind Pflanzenfresser.
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Die __________ bezeichnet die Gesamtheit der biotischen und abiotischen Umweltfaktoren.
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Was sind Endoparasiten?
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Wie viele Spezien an Protozoen gibt es?
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Was ist die kleinste, selbstständig lebensfähige Baueinheit des Organismus?
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Was ist die Carrying Capacity?
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Welches Element ist in der Zellmembran nicht vorhanden?
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Eutrophierung führt zur Anreicherung schädlicher Nährstoffe in Gewässern.
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Die __________ bezeichnet Rohes Fleisch als Quelle für Parasiten.
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Nennen Sie die zwei Arten von Zelltypen.
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Was sind die Hauptsymptome einer Malaria-Infektion?
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Was sind die Hauptbestandteile der Zellmembran?
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Was beschreibt die Homöostase?
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Eukaryoten haben keinen Zellkern.
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Welche Funktion hat das Zytoskelett?
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Was wird im Ribosom synthetisiert?
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Welches Organell ist für die Bereitstellung von Energie verantwortlich?
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Welche der folgenden Aussagen zur Glykolyse ist richtig?
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Ordnen Sie die Zellorganellen ihren Funktionen zu:
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Das ______ bildet eine Schicht aus Zuckermolekülen an der Außenseite der Zellmembran.
Das ______ bildet eine Schicht aus Zuckermolekülen an der Außenseite der Zellmembran.
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Lysosomen sind verantwortlich für die Synthese von Proteinen.
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Was passiert während der Repolarisation eines Neurons?
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Was beschreibt die Endosymbiontentheorie?
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Was bezeichnet Pinozytose?
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Was ist der Zellzyklus?
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Welche Phasen umfasst die Interphase?
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Die M-Phase ist die Phase, in der die Zelle sich auf die Teilung vorbereitet.
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Was passiert während der S-Phase?
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Was sind die Schritte der Mitose?
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Was passiert während der Telophase?
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Was ist das Ziel der Meiose?
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Welche Phase der Meiose beinhaltet das Crossing-over?
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Wie wird Wachstum in biologischen Begriffen beschrieben?
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Was versteht man unter Differenzierung?
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Welche Arten der interzellulären Signalübertragung gibt es?
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Was ist das Hauptziel der Zellatmung?
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Die Formel der Zellatmung ist: C6H12O2 + 6O2 —> 6CO2 + 6 H2O + ________.
Die Formel der Zellatmung ist: C6H12O2 + 6O2 —> 6CO2 + 6 H2O + ________.
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Was beschreibt der Begriff Phänotyp?
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Was sind Allele?
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Was passiert in der Transkription?
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Was ist DNA-Replikation?
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Study Notes
### Zelle
- Die Zelle ist die kleinste, selbstständig lebensfähige Baueinheit des Organismus.
- Zellen lagern sich häufig zu Geweben oder Organismen zusammen.
- Die Zelle erhält ihre Stabilität durch das Cytoskelett, die Zellwand mit der Zellmembran und den Turgor.
- Zellen bestehen aus der Zellmembran und dem Zytoplasma.
- Es gibt zwei Arten von Zelltypen: Eukaryonten und Prokaryonten.
Eukaryonten vs. Prokaryonten
- Eukaryonten besitzen einen Zellkern, Prokaryonten nicht.
- Bei Eukaryonten befindet sich die DNA im Zellkern, bei Prokaryonten frei im Zytoplasma.
- Eukaryonten besitzen (bei Pflanzenzellen) eine Zellwand, diese ist bei Prokaryonten immer vorhanden.
Zytoplasma
- Das Zytoplasma besteht aus dem Zytosol und dem Zytoskelett.
- Das Zytosol ist der flüssige Bestandteil des Zytoplasmas und enthält Wasser, Proteine, Lipide, Kohlenhydrate, Ribonucleinsäuren, Ionen und Enzyme.
- Das Zytoskelett dient als Stütz- und Bewegungsapparat und besteht aus intermediären Filamenten wie Aktin und Tubulin.
- Zellorganellen wie Zellkern, Mitochondrien, endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Apparat, Lysosomen, Ribosomen und Peroxisomen sind im Zytoplasma vorhanden.
- Im Zytoplasma werden viele zelluläre Bausteine wie Aminosäuren, Fettsäuren und Nucleotide synthetisiert.
- Die Glykolyse findet im Zytoplasma statt.
- Ionen im Zytoplasma bilden Puffersysteme und sind für die Ladungsverteilung an der Membran verantwortlich.
Zytoskelettfasern
- Mikrotubuli spielen eine Rolle beim Transport von Membranvesikeln.
- Intermediärfilamente und Aktinfilamente sind weitere Bestandteile des Zytoskelettes.
Funktionen des Zytoskeletts
- Erhaltung der Zellgestalt
- Stützung bestimmter Zellfortsätze
- Stabilisierung der Zellmembran
- Zellbewegungen
Zellmembran
- Zellorganellen sind nach außen durch Membranen geschützt.
- Die Zellmembran besteht aus einer Lipiddoppelschicht und Proteinen.
- Nur der Zellkern und die Mitochondrien verfügen über eine Doppelmembran.
- Kleine Moleküle wie H2O, CO2 und O2 sowie hydrophobe Moleküle können durch die Membran diffundieren.
Lipiddoppelschicht
- Phospholipide sind der Hauptbestandteil der Lipiddoppelschicht und wirken als Emulgatoren.
- Phospholipide besitzen ein hydrophiles Köpfchen und ein hydrophobes Schwänzchen.
- Sie dienen als Barriere für Wasser.
- Bei Rissen in der Membran ordnen sich die Lipide spontan wieder an.
- Die Fluidität der Membran ist von der Temperatur abhängig.
- Je mehr ungesättigte Fettsäuren in der Membran sind, desto fluider ist sie.
- Cholesterin beeinflusst die Membranfluidität.
- Es erhöht die Fluidität in Membranen mit überwiegend gesättigten Fettsäuren und reduziert sie in Membranen mit vielen ungesättigten Fettsäuren.
Kohlenhydrate
- Proteine und Lipide der äußeren Membran sind häufig mit Kohlenhydraten verknüpft.
- Diese ragen in den extrazellulären Raum und bilden die Glykokalix.
Proteine
- Es gibt integrale und periphere Membranproteine.
- Integrale Proteine sind fest mit der Membran verbunden und interagieren im hydrophoben Bereich.
- Beispiele für integrale Proteine sind Transportproteine und Rezeptoren.
- Periphere Proteine sind in der äußeren oder inneren Lipidschicht eingelagert.
- Periphere Membranproteine haben Kontakt zum Extrazellulärraum oder zum Zytoskelett.
Funktionen der Zellmembran
- Die Zellmembran wirkt als Permeationsschranke.
- Sie ermöglicht die Erkennung von Zellen über Glykoproteine und Glykolipide.
- Membranproteine dienen als Rezeptoren für chemische Signale anderer Zellen.
- Transmembranproteine erzeugen eine Ionenungleichverteilung zwischen Zytoplasma und Extrazellularraum.
Glykokalix
- Die Glykokalix ist eine Schicht aus Zuckermolekülen an der Außenfläche der Zellmembran bei eukaryontischen Zellen.
- Sie schützt die Zelle vor Austrocknung und ermöglicht die Antigenfunktion.
Zellkontakte
- Zellen in Zellverbänden können über Zellkontakte mechanisch und funktionell verbunden sein.
- Haftende Kontakte sind mechanische Verbindungen zwischen Zellen.
- Kommunizierende Kontakte ermöglichen den freien Durchfluss von elektrischen oder chemischen Signalen.
- Gap Junctions sind Zell-Zell-Kanäle zwischen zwei Zellen (z.B. in Herzmuskeln).
- Synapsen bilden Verbindungen zwischen Neuronen.
Endosymbiontentheorie
- Die Endosymbiontentheorie besagt, dass Eukaryoten aus der Symbiose von Prokaryoten entstanden sind.
Zellorganellen
| Zellorganell | Aufbau | Funktion |
|---|---|---|
| Zellkern | Von einer Doppelmembran umhüllt | Konservierung des Genoms, DNA-Replikation, Transkription, rRNA Herstellung im Nucleolus |
| Endoplasmatisches Retikulum (ER) | Verzweigtes Membransystem | Synthese von Proteinen, Membranbestandteilen etc. |
| Ribosomen | Bestehen aus Proteinen und rRNA | An ihnen findet die Translation statt |
| Golgi-Apparat | Membranumhülltes, scheibenförmiges Vesikelsystem | Modifikation und Verpackung von Zellexport-Produkten, Aktivierung von Hormonen und anderen Proteinen |
| Mitochondrien | Doppelmembran, Ringförmige DNA, selbständige Vermehrung | Bereitstellung von Energie, Stoffwechselwege |
| Lysosomen | Kleine, membranumhüllte Vesikel, gefüllt mit hydrolytischen Enzymen | Abbau von zellfremden und zelleigenen Molekülen |
| Peroxisomen | Kleine, membranumhüllte Vesikel, gefüllt mit verschiedenen Enzymen | Entgiftung, Oxidation von Aminosäuren |
Zellkern
- Der Zellkern ist Bestandteil aller eukaryotischen Zellen und enthält die DNA.
- Er ist von einer Doppelmembran umgeben.
- Die Verdopplung der DNA findet durch Zellteilung statt.
- Im Zellkern läuft die Transkription ab.
Endoplasmatisches Retikulum
- Das ER ist ein Membransystem, welches die gesamte Zelle durchzieht.
- Es bildet Lamellen, Zisternen und Tubuli.
- Die äußere Membran der Kernhülle geht in das ER über.
- Das rER ist mit Ribosomen besetzt und ist der Ort der Synthese von Membranproteinen, Exportproteinen, Proteinen des ER, des Golgi-Apparats und der Lysosomen.
- Es ist auch der Ort der posttranslationalen Modifikation von Proteinen.
- Das sER ist frei von Ribosomen und ist der Ort der Synthese von Lipiden und Steroidhormonen.
Ribosomen
- Ribosomen sind der Ort der Translation.
- Sie kommen frei im Zytoplasma vor.
- Sie synthetisieren dort Proteine, die im Zytoplasma verbleiben oder für Mitochondrien, den Zellkern oder Peroxisomen bestimmt sind.
- Mehrere an mRNA-Moleküle gebundene Ribosomen bilden ein Polysom.
- An rER gebundene Ribosomen synthetisieren Proteine direkt in das Lumen des rER.
Golgi-Apparat
- Der Golgi-Apparat ist ein membranumhülltes, scheibenförmiges Vesikelsystem mit zwei Seiten.
- In ihm werden Proteine vom endoplasmatischen Retikulum modifiziert und sortiert.
- Der Golgi-Apparat schnürt kleine Vesikel ab, die Zellprodukte sammeln.
Mitochondrien
- Mitochondrien ähneln vom Aufbau und der DNA her den Prokaryonten.
- Sie waren ursprünglich selbstständige lebende Bakterien (Endosymbiontentheorie).
- Sie sind von einer Doppelmembran umgeben.
- Die Hauptaufgabe der Mitochondrien ist die ATP-Synthese.
- Der Citratzyklus läuft in der Matrix ab.
Lysosomen
- Lysosomen sind von einer Lipiddoppelschicht umhüllte Flüssigkeitsräume mit saurem Milieu und hydrolytischen Enzymen.
- Das saure Milieu ist optimal für die hydrolytischen Enzyme.
- Die Funktion der Lysosomen ist der intrazelluläre lysosomale Abbau von Makromolekülen.
Peroxisomen
- Peroxisomen kommen häufig in der Leber vor.
- Sie sind kleine runde Vesikel, die von einer Membran umhüllt sind.
- Peroxisomen bauen Proteine über charakteristische Enzyme ab.
- Sie sind am Fettsäurestoffwechsel beteiligt.
Transport durch Membranen
- Der Transport durch Membranen kann aktiv oder passiv erfolgen.
- Beim passiven Transport wird keine Energie benötigt und erfolgt durch Diffusion, Kanäle oder Carrier.
- Die Filtration gehört ebenfalls zum passiven Transport.
- Beim aktiven Transport wird Energie (ATP) benötigt.
- Die Transportkapazität ist begrenzt durch die Zahl der Transportproteine.
- Beim primäractiven Transport wird direkt beim Transportvorgang ATP hydrolysiert.
- Beim sekundäractvien Transport wird die Energie durch einen unabhängigen primären Transportvorgang bereitgestellt.
Ruhepotenzial
- Das Ruhepotenzial entsteht durch die Na-K-Pumpe und zwei Kanäle für Na+ und K+.
- Die Na-K-Pumpe erzeugt ein hohes Na+ Potenzial außerhalb der Zelle.
- Innen entsteht eine negative Ladung.
Aktionspotenzial
- Durch Signalmoleküle wird der Na+-Kanal-gebundene Rezeptor in seiner Konfiguration geändert, wodurch der Kanal sich öffnet.
- Na+ strömt ein und führt zu einer positiven Ladung.
- Benachbarte Na+-Kanäle reagieren und öffnen sich ebenfalls, wodurch eine Kettenreaktion entsteht.
Repolarisierung
- Die Repolarisierung erfolgt durch das Schließen der Na+-Kanäle und das Öffnen der K+-Kanäle.
- Eine kurze Hyperpolarisierung entsteht, wodurch die Nervenzelle für kurze Zeit nicht einsatzbereit ist.
Summation
- Alles-oder-Nichts-Gesetz: Neuronen feuern entweder voll oder gar nicht.
- Das Schwellenpotenzial muss erreicht werden, um ein volles Aktionspotenzial auszulösen.
- Die zeitliche Summation unterschwelliger Reize in kurzen zeitlichen Abständen ist möglich.
- Die räumliche Summation erfolgt durch verschiedene Synapsen.
- Exzitatorische und inhibitorische Synapsen wirken antagonistisch.
- Die Entscheidungsfindung ergibt sich aus dem Wechselspiel von EPSPs und IPSPs.
Synaptischer Spalt
- Das Aktionspotenzial erreicht das Axon-Ende.
- Calcium-Kanäle öffnen sich.
- Ca^2+ bewirkt die Bildung von Vesikeln, um die Neurotransmitter abzugeben.
- Neurotransmitter kreuzen den synaptischen Spalt.
- Neurotransmitter verbinden sich mit den Neurorezeptoren.
- Ein Trigger-Signal entsteht im postsynaptischen Neuron.
Einfache neuronale Netze
- Neuronale Netze sind Verknüpfungen von Neuronen.
- Sie ermöglichen die Verarbeitung von Informationen.
Diffusion
- Bei der Diffusion gleichen sich Konzentrationsgefälle aus.
- Teilchen diffundieren von der höheren zur niedrigeren Konzentration.
- Diffusion kann auch durch Membranen erfolgen.
Osmose
- Osmose ist die Diffusion von Lösungsmitteln durch eine semipermeable Membran.
- Sie erfolgt aufgrund des Konzentrationsunterschiedes.
Exozytose und Endozytose
- Exozytose und Endozytose sind aktive Transportvorgänge.
- Bei der Exozytose werden Substanzen aus der Zelle in den Extrazellularraum ausgeschleust.
- Bei der Endozytose werden Substanzen aus dem Extrazellularraum in die Zelle aufgenommen.
Formen der Endozytose
- Phagozytose bezeichnet die Aufnahme größerer partikulärer Substanzen.
- Pinozytose bezeichnet die Aufnahme gelöster Substanzen.
Zellzyklus
- Der Zellzyklus ist eine periodische Abfolge von Ereignissen vom Ende einer Zellteilung bis zum Ende der nächsten.
- Er steuert und koordiniert die Zellreproduktion.
- Er besteht aus zwei Phasen: Interphase und Mitose.
- In der Interphase bereitet sich die Zelle auf die Zellteilung vor.
- In der M-Phase findet die Teilung statt.
- Durch Zellteilung entstehen aus einer Mutterzelle zwei identische Tochterzellen.
Interphase
- G1-Phase: Zellwachstum und Synthese von Proteinen und Zellorganellen.
- G0-Phase (Null): Ruhephase der Zellen.
- S-Phase: Verdopplung der DNA und Synthese von Histonen.
- G2-Phase: Korrektur von DNA-Schäden und Synthese von Proteinen für die Kondensation der Chromosomen.
Mitose
- Mitose ist die Kernteilung eukaryotischer Zellen.
- Nach der Mitose folgt die Zellteilung (Zytokinese).
- Durch Mitose und Zytokinese entstehen aus einer Mutterzelle zwei genetisch identische Tochterzellen.
- Haploider Chromosomensatz: 1n
- Diploider Chromosomensatz: 2n
Phasen der Mitose
- Prophase: Chromosomenkondensation, Auflösung des Nucleolus, Aufbau des Spindelapparats.
- Prometaphase: Abbau der Kernhülle, Ausbildung von Kinetochoren an den Zentromeren.
- Metaphase: Chromosomen befinden sich in der Äquatorialebene.
- Anaphase: Trennung der Schwesterchromatiden, Chromosomen wandern zu den Zellpolen.
- Telophase: Dekondensation der Chromosomen, Bildung der Kernmembran, Spindelapparat löst sich auf, Beginn der rRNA-Synthese.
- Zytokinese: Zelle wird durchgeschnürrt, jede Tochterzelle besitzt einen vollständigen diploiden Chromosomensatz.
Meiose
- Meiose ist die Reifeteilung.
- Ziel der Meiose ist die Reduktion des diploiden Chromosomensatzes (2n->1n) und die Rekombination des Erbgutmaterials.
- Die Meiose wird in zwei Teilungsvorgänge unterteilt.
Meiose 1
- Der diploide Chromosomensatz (2n4C) wird auf zwei Zellen verteilt, sodass diese haploid werden (1n2C).
Meiose
- Meiose 1:
- Leptotän: Chromosomen kondensieren und werden sichtbar, Fixierung an der Kernmembran
- Zygotän: Homologe Chromosomen paaren sich durch Annährung und bilden den synaptonemalen Komplex
- Pachytän: Crossing-over findet statt, mütterliches und väterliches Erbgut wird rekombiniert
- Diplotän: Synaptonemaler Komplex verschwindet, Chromosomen liegen wieder einzeln vor, sind aber über die Kreuzungsstellen verbunden
- Diakinese: Kernmembran löst sich auf, Meiosespindel beginnt sich zu bilden
- Metaphase 1: Chromosomenpaare ordnen sich in der Äquatorialebene an
- Anaphase 1: Trennung der homologen Chromosomenpaare durch Auflösung der Chiasmata
- Telophase 1: Zellmembran schnürt sich ein, Teilung in 2 haploide Tochterzellen
- Meiose 2: Verläuft analog einer mitotischen Teilung, Chromatiden werden getrennt (1n2C → 2 · 1n1C)
Wachstum und Differenzierung
- Wachstum ist die Massen- und Volumenzunahme einer Zelle oder eines Organismus bis zu einer genetisch festgelegten Endgröße
- Ist eine Grundeigenschaft des Lebens und an Stoffwechsel- und Differenzierungsvorgänge gekoppelt
- Gesteuert durch äußere (Ernährung, Temperatur,...) und innere Faktoren (Zellteilungsaktivität,...)
- Differenzierung ist ein Prozess des Abschaltens von Genen
- Embryonenzellen sind pluripotent, sie können sich zu allen Zelltypen entwickeln, später spezialisieren sie sich
- Gesteuert durch unterschiedliche Aktivitäten der Gene und von der Umwelt beeinflusst
- Je mehr Zelltypen ein Lebewesen hat, desto weiter ist es entwickelt (mehr Spezialisierungen)
Zellkommunikation
- Zellen kommunizieren über verschiedene interzelluläre Übertragungswege
- Können innere & äußere Informationen übertragen, die eine Reaktion auslösen können
- Die Art der Stimuli der Übertragung kann stark variieren (extrazellulären Signale, intrazelluläre Botenstoffe)
- Zwischen Nervenzellen meistens chemisch
- Signale können chemisch, elektrisch, optisch oder akustisch auftreten
- Signalmoleküle können groß und hydrophil (benötigen Membranrezeptor) oder klein und hydrophob (besitzen Rezeptoren im Zellinneren) sein
Arten der interzellulären Signalübertragung:
- Endokrine Signalleitung: Hormone wirken über den Blutweg auf weit entfernte Zielorgane
- Parakrine Signalleitung: Hormone und hormonähnliche Substanzen diffundieren im Interzellularraum und beeinflussen nur benachbarte Zellen
- Autokrine Signalleitung: Signalstoff wirkt auf die sezernierende Zelle selbst oder auf benachbarte Zellen des gleichen Typs
- Synaptische Signalleitung: Signale werden in Nervenzellen elektrisch entlang des Axons übertragen und an der Synapse in ein chemisches Signal umgewandelt
- Kontaktabhängige Signalleitung: Nur bei Zellen im direkten Kontakt, Rezeptor und Signal sind membrangebundene Moleküle, Weiterleitung erfolgt elektrisch oder durch Signalmoleküle
Zellatmung
- Ist die Umwandlung energiereicher Körpersubstanzen in energiearme Substanzen (Dissimilation)
- Energie wird in Form von ATP oder Wärme freigesetzt
- Sauerstoff wird für die Zellatmung benötigt
- Formel: C6H12O2 + 6O2—> 6CO2 + 6H2O + Energie
- Drei Teilschritte des Glucoseabbaus: Glykolyse, Citratzyklus, Atmungskette
- Glykolyse: im Cytoplasma, Glucose wird in zwei C3-Körper zerlegt, ein Teil der Energie wird als ATP gespeichert, Elektronen gelangen mithilfe von NAD in die Mitochondrien
- Citratzyklus: im Mitochondrium, C3-Körper werden vollständig zu CO2 abgebaut, ATP wird gebildet, Elektronen werden von Cofaktoren übertragen
- Atmungskette: im Mitochondrium, Cofaktoren aus Glykolyse & Citratzyklus werden genutzt, um die größte Menge an ATP im Mitochondrium („Kraftwerk der Zelle") zu erzeugen
Genetik
Grundbegriffe
- Phänotyp: Erscheinungsbild eines Individuums, resultiert aus Genotyp und Umwelt
- Genotyp: Gesamtheit des Erbguts eines Individuums
- Allele: Verschiedene Varianten eines Gens
- Genlocus: Lage eines Gens auf einem Chromosom
- Homozygot: Reinerbig, beide Allele an einem Locus identisch
- Heterozygot: Mischerbig, beide Allele an einem Locus unterschiedlich
- Hemizygot: Männer (XY) sind hemizygot für die meisten Gene auf dem X-Chromosom
- gonosomal: Die Geschlechtschromosomen (X,Y) betroffen
- autosomal: Die Nicht-Geschlechtschromosomen (Chromosomenpaare 1-22) betroffen
- Dominant: Merkmal, das in Individuen exprimiert wird, die heterozygot für ein bestimmtes Allel sind
- Rezessiv: Merkmal, das in Individuen exprimiert wird, die homozygot für ein bestimmtes Allel sind
- Codominant: Beide unterschiedlichen allelischen Merkmale werden im heterozygoten Zustand exprimiert
- "Loss of function": Defekte Allele
- Haploid: Einfacher Chromosomensatz, z.B. Keimzellen (Eizellen und Spermien)
- Diploid: Doppelter Chromosomensatz
Mendel’sche Regeln
- Uniformitätsregel: Nachkommen von homozygoten Eltern mit unterschiedlichen Merkmalen sind bezüglich dieses Merkmals gleich und heterozygot
- Spaltungsregel: Kinder von heterozygoten Eltern sind nicht alle gleich, sondern zeigen verschiedene Kombinationen der Allele im Verhältnis 1:2:1
- Unabhängigkeitsregel: Vererbung von zwei oder mehr Merkmalen ist unabhängig voneinander, Zusammenhang mit Meiose und Crossing-over
Verschiedene Erbgänge
- Autosomal-rezessiv: Erkrankung tritt auf, wenn beide Allele verändert sind, heterozygote Träger sind gesund (Konduktoren), Erkrankungsrisiko bei Kindern von beiden heterozygoten Elternteilen beträgt 25%
- Autosomal-dominant: Erkrankung tritt bereits bei einem veränderten Allel auf, Risiko bei 50% bei einem betroffenen Elternteil
- X-chromosomal-rezessiv: Erkrankung liegt auf dem X-Chromosom, Frauen erkranken nur bei zwei veränderten X-Chromosomen, Söhne von Konduktorinnen erkranken, Töchter sind Konduktorinnen, Männer mit verändertem Allel erkranken immer
- Polygene Vererbung: Mehrere Gene sind für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich, einzelne Merkmale werden nach den Mendel-Regeln vererbt, aber der Phänotyp entsteht durch eine Vermischung der Genwirkungen
DNA
- Genom: Gesamtheit der Erbinformationen
- DNA (Desoxyribonucleinsäure): Trägt das menschliche Erbgut
- Aufbau der DNA: Ein Zucker (Desoxyribose), eine von vier Basen (Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) oder Cytosin (C)), ein Phosphatrest
- Basenpaare: Adenin und Thymin (2 H-Brücken), Cytosin und Guanin (3 H-Brücken)
- DNA-Doppelhelix: Zwei komplementäre, antiparallele DNA-Stränge sind umeinander gewunden
- Chromatin: DNA & Proteine bilden ein Chromatin
- Denaturierung: Erhitzen denaturiert die DNA
Aufbau der RNA
- Ein Zucker (Ribose), Basen Uracil (U), A, C, G
- Liegt meist einzelsträngig vor
- Uncodierte Bereiche der DNA (Introns) und codierte Bereiche (Exons)
DNA-Replikation
- Wird nur in 5’ -> 3’ Richtung synthetisiert
- Initiation: DNA-Doppelstrang wird durch das Enzym Helicase in zwei Einzelstränge getrennt, spezielle Proteine verhindern das erneute Verbinden
-
Elongation:
- DNA-Polymerase nutzt freischwimmende Nukleotide, um den komplementären Strang kontinuierlich zu synthetisieren (Adenin mit Thymin, Cytosin mit Guanin)
- Der gegenläufige Strang wird diskontinuierlich synthetisiert, die DNA-Polymerase erzeugt häppchenweise Abschnitte (Okazaki-Fragmente)
- Termination: DNA-Ligase entfernt die Primer und füllt die Lücken mit Nucleotiden auf
Proteinbiosynthese
- Besteht aus drei Teilen bei Eukaryoten: Transkription, Prozessierung und Translation
-
Transkription: Überschreibung der Basensequenz der DNA in die mRNA
- RNA-Polymerase bindet an den Promotor auf der DNA-Sequenz, DNA wird blasenartig geöffnet
- DNA-Matrize wird abgelesen, RNA-Polymerase lagert in 5’ -> 3’ Richtung komplementäre Nukleotide an die mRNA
- Termination: RNA löst sich von der DNA, Polymerase wandert weiter, erreicht den Terminator und löst sich vom codogenen Strang, Thymin wird zu Uracil
-
Prozessierung: Prä-RNA wird zur mRNA
- Introns werden durch „Lasso-Strukturen“ herausgeschnitten (Splicing)
- 5’-Ende bekommt eine cap-Sequenz, 3’-Ende einen Poly(A)-Schwanz
-
Translation: Übersetzung der Basensequenz in die Aminosäuresequenz
- Initiation: mRNA lagert sich an das Ribosom, wandert bis zum Start-Codon (AUG), Start-tRNA mit Anticodon (UAC) lagert sich an
- Elongation: Ribosom hat drei tRNA-Bindungsstellen: A-Stelle bindet die tRNA mit der Aminosäure, P-Stelle bindet die tRNA mit der wachsenden Polypeptidkette, Entladene tRNAs verlassen das Ribosom über die E-Stelle, Ribosom wandert ein Codon weiter, tRNA mit Dipeptid wandert zur P-Stelle
- Termination: Stopp-Codon (UAG, UGA, UAA) führt zum Abbruch, Ribosom zerfällt, Polypeptid wird freigesetzt
- Genetischer Code: Kann mit einer Code-Sonne entschlüsselt werden
Hardy-Weinberg-Gesetz
- Ein mathematisches Modell aus der Populationsgenetik, bestimmt Häufigkeiten von Genotypen
- Besagt, dass sich Allelfrequenzen von Generation zu Generation nicht verändern, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind
- Allelfrequenz: Anteil eines bestimmten Allels eines Gens innerhalb einer Population, Wert zwischen 0 und 1
- Berechnung: p2 + 2pq + q2 = 1
Genmutationen
- Veränderungen der DNA-Sequenz
Arten der Genmutationen:
- Punktmutation: Veränderung eines einzelnen Basenpaares
- Deletion: Verlust eines oder mehrerer Basenpaare
- Insertion: Hinzufügen eines oder mehrerer Basenpaare
- Substitution: Austausch eines oder mehrerer Basenpaare
Folgen der Genmutationen:
- Frame-Shift-Mutation: Verschiebung des Leserasters durch Deletion oder Insertion (Anzahl nicht durch 3 teilbar!), führt zu einer veränderten Aminosäuresequenz
- In-Frame-Deletion oder -Insertion: Verlust oder Einfügen von drei, sechs, neun oder mehr Basenpaaren, keine Verschiebung des Leserasters
- Silent-Mutation: Verändertes Codon, das aber für dieselbe Aminosäure codiert
- Missense-Mutation: Verändertes Codon mit Codierung für eine andere Aminosäure
- Nonsens-Mutation: Entstehung eines Stoppcodons, vorzeitiger Translationsabbruch
- Spleißmutation: Veränderung in den Spleißsequenzen, führt zu fehlerhaften mRNAs und verkürzten Proteinen
Chromosomenmutationen
- Veränderungen in der Struktur eines Chromosoms
-
Chromosomenaberration: Veränderung der Anzahl oder Struktur von Chromosomen
- Inversion: Umkehrung eines Chromosomenabschnitts
- Translokation: Verlagerung eines Chromosomenabschnittes auf ein anderes Chromosom
- Deletion: Verlust eines oder mehrerer Basenpaare oder ganzer Chromosomenabschnitte
- Duplikation: Verdopplung eines Chromosomenabschnitts
Moderne Probleme und Anwendung der Genetik
-
Humangenetische Diagnostik:
- Erkennen und Nachweis von Erbkrankheiten
- Entwickeln von Nachweisverfahren
- Erfassen von genetischen Risikofaktoren, genetische Beratung
Gründe von Mutationen
- Spontane Mutationen: Fehler bei der Replikation
- Umweltbedingte Mutationen: Strahlung, Viren, Mikroorganismen, Alkohol, etc.
Mutationen in Geschlechtschromosomen (Gonosomen)
- Gesunder Mann XY // Gesunde Frau XX
- XYY: Jacob-Syndrom (minimale Fertilitätsschwäche, größer)
- XXY: Klinefelter-Syndrom (unfruchtbar, geringe Körperbehaarung, Mikropenis, Brustbildung, Muskelschwäche, Hochwuchs, Stimmungsschwankungen)
- X: Turner-Syndrom (Flügelfell, unfruchtbar, kleinwüchsig, Fehlbildungen innerer Organe, ausbleibende Menstruation)
- XXX: Triple-X-Syndrom (eingeschränkte Fruchtbarkeit, großwüchsig)
Mutationen in Autosomen
- Down-Syndrom (Trisomie 21): Dreifaches Vorliegen des kleinsten Chromosoms (Symptome: Kleinwuchs, kurzer Kopf, flacher Hinterkopf, kurzer/dicker Hals, verminderte Intelligenz, hohe Infektanfälligkeit, Herzfehler,...) 1:1000
- Edwards-Syndrom (Trisomie 18): Fehlbildungssyndrom (Symptome: geringes Geburtsgewicht, Fehlbildung des Kopfes, kurzes Brustbein, Fehlbildungen an Extremitäten, verzögerte Retardierung) 1:2500
- Pätau-Syndrom (Trisomie 13): Fehlbildungen des Kopfes, der Augen, etc. 1:5000
Krankheiten durch Mutationen
-
Sichelzellanämie:
- Ursache: Punktmutation der ß-Globinkette (Glutamat gegen Valin substituiert), führt zu Hämoglobin S (HbS) und erkrankten roten Blutkörperchen
- Autosomal-rezessiver Erbgang, nur homozygote Merkmalsträger erkranken
- Heterzygote Merkmalsträger sind symptomfrei, da beide Allele codominant sind
- Verbreitet in Malariagebieten Afrikas und Asiens
Cystische Fibrose
- Verursacht die Bildung eines zähen Sekrets durch exokrine Drüsen
- Ursache: Eine Trinukleotiddeletion im Gen auf Chromosom 7, das für einen Chlorid-Transporter kodiert
- Dies führt zum Fehlen der Aminosäure Phenylalanin an Position 508.
Beta - Thalassämie
- Autosomal-rezessiv vererbte Synthesestörung der Beta-Ketten des Globin im Hämoglobin
- Ursache: Mutation im ß-Globin-Gen auf dem kurzen Arm von Chromosom 11
- Heterozygote Träger (ß-Thalassämia minor) haben ein betroffenes Allel und eine milde Form der Thalassämie.
- Homozygote Träger (ß-Thalassämia major) haben beide Allele betroffen, was zu einer manifesten Symptomatik wenige Monate nach der Geburt führt.
- Symptome beinhalten hämolytische Anämie (Blutarmut) durch den erhöhten Zerfall von Erythrozyten.
Chorea Huntington
- Neurologische Erkrankung
- Autosomal-dominant vererbt
- Ursache: Gendefekt im Huntington-Gen auf Chromosom 4
- Es kommt zu einer Amplifikation von Triplett-Repeats, was zu einer Instabilität des kodierten Genprodukts führt.
- Symptome: Plötzlich eintretende unwillkürliche Hyperkinesen (motorische Unruhe) der distalen Extremitätenabschnitte
Charles Darwin & Evolution
- Wirkungsmechanismen der Evolution: Überproduktion, Variation und Selektion
- Überproduktion: Alle Lebewesen produzieren mehr Nachkommen als überleben können.
- Variation: Durch "crossing over" gibt es 2^46 = 70000000000000 Variationen bei Nachkommen.
- Selektion: Die am besten angepassten Individuen überleben und vermehren sich.
- Die Taubenzucht brachte Darwin auf die Idee der Evolutionstheorie.
- Darwin glaubte an die Vererbung erworbener Eigenschaften, was sich später als falsch herausstellte.
Darwinismus
- Der Begriff wurde von T.H. Huxley geprägt.
- Verzicht auf Darwins Erklärung der Vererbung.
- Verwendung im Sozialdarwinismus.
- "Survival of the fittest".
Neodarwinismus
- Wallace und August Weismann
- Moderne Abstammungslehre, die das Auftreten neuer Arten durch Mutationen in Verbindung mit natürlicher Auslese erklärt.
- Synthetische Theorie: "Evolution ist die Veränderung der Allelfrequenz in Populationen verschiedener Generationen".
- Evolutionsmechanismen:
- Mutationen (zufällig/ blind)
- Sexuelle Rekombination (führt zu Variation)
- Selektion (führt zu Anpassung)
Systemtheorie der Evolution
- Kybernetik: Lebewesen sind mehr als Opfer ihrer Gene, sie stehen im Wechselspiel mit der Umwelt (Homöostase).
- "Präadaptationen": Gene passen sich an, bevor sie selektiert werden.
Erweiterte Synthese
- "Neue" Mechanismen
- Erkenntnisse der Epigenetik
- Bedeutung der Symbiogenese: Endosymbiose, Endogene Viren
- Hybridisierung: Adaptive Introgression
- Gentransfer
Selektion
- Gerichtet: Bevorzugt Merkmale, die von der mittleren Merkmalsausprägung abweichen (Verschiebung des Merkmals in die gewünschte Richtung).
- Stabilisierend: Merkmale haben eine stabilisierende Selektion hinter sich, wenn die Umweltbedingungen konstant bleiben (häufigstes Merkmal).
- Divergierend: Aufspaltung (Entstehung neuer Arten).
- Sexuelle Selektion: Der optisch beste Geschlechtspartner wird bevorzugt.
- Natürliche Selektion: Auslese durch die Umwelt.
Belege für die Evolution
- Erfolge der Züchter.
- Biochemie: DNA etc.
- Genetik.
- Vergleichende Anatomie.
- Homologie (z.B. Einzelne Knochen haben unterschiedliche Ausprägungen aufgrund verschiedener Anwendungsbereiche und Funktionen).
- Rudimente und Atavismen: "Überbleibsel" der Evolution (z.B. Weisheitszahn).
- Embryonalentwicklung: "Häckelsche Regel" – wir durchlaufen in der Embryonalentwicklung die Evolution.
- Fossilien und Übergangsformen.
- Biogeografie: Aufgrund geografischer Unterschiede (z.B. Klima) sind die Anpassungen unterschiedlich.
- Antibiotikaresistenz.
- "Unintelligent Design": Keiner ist perfekt, wir sind an die jetzige Natur angepasst (Evolutionserkenntnis).
Artbegriffe und Phylogenetische Systematik
- Es gibt mehr Tier- als Pflanzenarten.
- Insekten sind die artenreichste Gruppe.
- Art: "Was sich schart und paart, das nenn ich eine Art." - Goethe.
- Eine Art besteht aus mindestens einer Population, deren Individuen ähnliche Bau- und Leistungsmerkmale aufweisen.
- Diese Merkmale unterscheiden sich von Individuen anderer Arten.
Morphologisches (typologisches) Artkonzept
- Arten sind Gruppen von Organismen, die sich bezüglich ihrer Merkmale eindeutig voneinander unterscheiden lassen.
Biologisches Artkonzept
- Eine Art besteht aus mindestens einer Population, deren Genpool gegen andere Populationen durch reproduktive Isolation getrennt ist.
Chronologisches Artkonzept
- Sequenz zeitlich aufeinander folgender Populationen, deren Individuen innerhalb einer bestimmten morphologischen Variationsbreite liegen.
Phylogenetisches Artkonzept
- Eine Art ist eine monophyletische Abstammungsgemeinschaft in einer bestimmten Zeitspanne.
- Sie beginnt nach einer Abspaltung und endet mit dem Aussterben oder einer Artspaltung in zwei neue Arten.
Taxon = Systematische Einheit
- Binäre Nomenklatur: Gattungsname + Artname
- Monophyletische Gruppen: Von einem gemeinsamen Vorfahren abstammendes Taxon, das alle Nachkommen dieses Vorfahren vollständig beinhaltet.
- Schwesterngruppen: Zwei Taxa mit einem gemeinsamen Vorfahren.
- Nicht-monophyletische Gruppen:
- Paraphyletische Gruppe: Eine eigentlich monophyletische Gruppe, bei der ein eigentlich dazugehöriges Taxon "vergessen" wird (z.B. "Menschenaffe" ohne Mensch).
- Polyphyletische Gruppe: Eine falsch aufgestellte Gruppe, aus verschiedenen, nicht näher verwandten Taxa "zusammengestellt" (z.B. "Würmer").
Apomorphie
- Evolutionär neu entstandenes Merkmal, das für die Begründung monophyletischer Gruppen brauchbar ist.
- Autapomorphie: Neues Merkmal für ein Taxon.
- Synapomorphie: Apomorphie, die zwei Schwesterngruppen verbindet.
Plesiomorphie
- Evolutionär altes Merkmal, nicht für die Begründung monophyletischer Gruppen brauchbar.
Evolution und Mensch
- Die Stammgeschichte des Menschen beginnt mit der Aufspaltung der letzten gemeinsamen Vorfahrenpopulation der Schimpansen und des Menschen.
- Systematische Zuordnungen müssen aufgrund fehlender Analysedaten kritisch gesehen werden.
- "Lucy" lebte vor ca. 3 Millionen Jahren.
Apomorphien des Menschen = Alleinstellungsmerkmale
- Tief sitzender Larynx, freies Zungenbein – ermöglicht artikulierte Sprache.
- Permanente aufrechte Körperhaltung - ermöglicht freie Hände.
- "Trade-offs": Veränderte Beckenform (enger Geburtskanal), S-förmige Krümmung (Rückenschmerzen).
- Nacktheit - dünne, kürzere, hellere Haare:
- Verlust der Wärme- und Kälteisolation.
- Weniger Ektoparasiten.
- Sexuelle Selektion.
- Opponierbarer Daumen.
- Außergewöhnliches Hirn - ca. 3x so groß wie bei Menschenaffen, kostspieliges Organ (Energieressourcen).
- Bekleidung - kulturelle Evolution (Schmuck, ...).
- Nutzung von Feuer – Schutz, Wärme, Kochen, Licht...
- Fähigkeit zu erröten – soziale Funktion, evolutionärer Nutzen nicht vollständig geklärt, Signalwirkung (Emotionen).
- Lange Kindheit – länger als bei anderen Primaten, das große und komplexe Hirn braucht länger zum Entwickeln und Lernen.
- Lange postreproduktive Lebensspanne – "Erfindung" der Großmutter:
- Eltern haben mehr Nachwuchs.
- Großelterliche Hilfe steigert die Überlebenschance der Enkelkinder.
- Komplexe Beziehungsgeflechte.
- Weitergabe von Know-how.
- Kultursprung.
Evolution in der Medizin - Grassberger
- Evolutionäre Medizin: Krankheiten besser verstehen, verhindern, behandeln.
- Warum führte die natürliche Selektion zu einem so anfälligen Körper? 6 evolutionäre Gründe für Krankheiten:
- Selektion ist langsam:
- Mismatch: Mensch in neuer, veränderter Umgebung.
- Infektionen: "Wettlauf" mit rasch evolvierenden pathogenen Organismen.
- Selektion hat Einschränkungen: 3. "Every trait is a trade-off" (jedes Merkmal ein Kompromiss). 4. Einschränkungen/Zwänge der natürlichen Selektion ("Constraints").
- Missverständnisse: 5. Organismen sind nicht für Gesundheit und Langlebigkeit selektiert, sondern auf Reproduktionserfolg. 6. Abwehrmechanismen verursachen Leiden.
- Selektion ist langsam:
- Zwei Fragen:
- Proximate cause (unmittelbare Ursache; Pathogenese – allgemeine und spezielle Pathologie): Wie funktioniert der Krankheitsmechanismus?
- Ultimate cause (evolutionäre Ursache – evolutionäre Medizin): Warum erkranken Menschen an einer Krankheit? Warum ist der Mechanismus nicht besser?
Natürliche Selektion
- Wenn die vererbliche Variation eines Merkmals den Reproduktionserfolg beeinflusst, wird sich dieses Merkmal über Generationen übernommen.
- Sie wirkt, wenn alle Bedingungen erfüllt sind:
- Das Merkmal ist variabel ausgeprägt.
- Variation hinsichtlich Reproduktionserfolg.
- Korrelation (= wechselseitige Beziehung) zwischen Reproduktionserfolg und Merkmal.
- Das Merkmal ist erblich.
- Natürliche Selektion ist nicht perfekt.
- Natürliche Selektion ist zugleich Ursache und Folge medizinischer Maßnahmen.
Merkmale
- Alles kann ein Merkmal sein (z.B. Augenfarbe, Körpergröße, Temperaturabhängigkeit enzymatischer Prozesse, Struktur von Ribosomen, Arzneimittelmetabolismus, Pathogentoleranz, Anfälligkeit für eine bestimmte Krankheit).
- Keine Merkmalsvariabilität – kein Wettbewerb.
- Die meisten Merkmale weisen interindividuelle Variabilität auf (z.B. Resistenz gegenüber Malaria).
Antibiotikaresistenz
- Bakterienpopulation groß.
- Große Anzahl genetischer Variationen durch hohe Mutationsrate.
- Resistenzgene vor langer Zeit evolviert.
- Antibiotische Therapie – Selektionsdruck.
- Variables Merkmal ist "Resistenz".
- Schneller Prozess.
Exkurs: Kommunikation zwischen Bakterien
- Quorum Sensing: Bakterien sind hochkomplex, leben nicht für sich selbst, sondern können miteinander kommunizieren.
- Virulenzaktivierung: Bezeichnung für Gene von Mikroorganismen, die für die Expression von wirtsschädigenden virulenten Proteinen und/oder Faktoren verantwortlich sind.
- Toxinproduktion: Gift, das von Lebewesen synthetisiert (hergestellt) wird.
- Biofilm: Ein dünner Schleimfilm, in dem Populationen von Mikroorganismen organisch verliegen. Er wird von Erregern gebildet und hat eine hohe therapeutische Relevanz, da er Erregern helfen kann, sich vor dem menschlichen Immunsystem zu schützen.
- Arten der DNA-Übertragung:
- Konjugation: Übertragung von DNA über F-Pili. Bakterien können auch artenübergreifend sich miteinander verbinden.
- Transduktion: Übertragung von DNA über Bakteriophagen.
- Transformation: Aufnahme freier DNA.
Evolutionäres Denken
- Betrachtungsweise an Frage angepasst.
- Hauptaugenmerk auf Variation innerhalb einer Population, Frequenzen, Wahrscheinlichkeiten, Vergangenheit und Vergleich zwischen Arten ("tree thinking").
Typologische Betrachtungsweise
-
Sinnvoll, wenn die durchschnittlichen Eigenschaften einer Sache wichtiger sind als ihre mögliche Variationsbreite.
-
Wichtig zu wissen, wo die Grenzen der Betrachtungsweisen liegen.
-
Betrachtung auf Populationsebene
-
Zentrale Rolle bei der natürlichen Selektion.
-
Personalisierte Medizin.
-
Sinnvoll, wenn man wissen will, ob und wie schnell etwas selektiert wird.
-
Verteilungshäufigkeiten werden betrachtet.
-
Variationsmuster in Zeit und Raum; Wahrscheinlichkeiten statt absolute Tatsachen.
Phylogenetische Betrachtungsweise
- "Tree of Life", Kladogramm.
- Arten sind nicht unabhängige Replikate innerhalb einer größeren Klasse, sondern phylogenetisch miteinander verbunden.
- Erklärungsansätze im Kontext des Stammbaums – wann traten die Unterschiede erstmals auf?
- Sinnvoll, wenn man Erkenntnisse durch den Vergleich zwischen Arten erlangen möchte.
- Woher man weiß, wo Merkmale im Stammbaum vorkommen, kann man Rückschlüsse auf die mögliche Ursache ziehen.
Was ist ein Patient?
- Asymmetrische Zellteilung – Grundlage für Evolution des Alterns und erhält die Keimzelllinie.
- Stammzellen – Voraussetzung für Krebsentstehung.
- Retrovirus – Grundstein des adaptiven Immunsystems (Antikörper-vermittelte Immunreaktion durch Lymphozyten).
- Alle Menschen sind genetisch nahezu ident:
- Zwei Menschen sind genetisch zu 99,9% ident.
- Das Genom zweier Menschen unterscheidet sich in bis zu 3,3 Million Positionen (= 0,1%).
- Aussage 1 – Vererbung ist konservativ.
- Aussage 2 – viel Spielraum für Flexibilität.
- Hautfarbe:
- Ursprünglich helle Haut unter dunkler Behaarung (Verlust der Körperbehaarung um über die Transpiration (Schwitzen) den Körper abzukühlen).
- Dunkle Pigmentierung der Haut – Schutz vor Hautkrebs und Folsäuremangel.
- Helle Haut – um Vitamin D-Synthese in kühleren Regionen zu erleichtern (Kompromiss).
- Patienten unterscheiden sich genetisch im Bezug auf den Arzneimittel-Metabolismus.
Ökologie
-
Grundbegriffe:
- Spezies: Eine Fortpflanzungsgemeinschaft.
- Population: Individuen einer Art in einem einheitlichen Areal.
- Biozönose: Gemeinschaft von Populationen verschiedener Arten in einem Lebensraum.
- Habitat: Teillebensräume von Biotopen.
- Biotop: Lebensraum einer Biozönose.
- Ökosystem: Biozönose + Biotop.
- Biosphäre (Biogeospähre, Ökosphäre): Gesamtheit der Lebensräume und Lebewesen eines Planeten.
Ebenen der Ökologie
- Autökologie: Teilgebiet der Ökologie, das sich mit den Auswirkungen der Umweltfaktoren auf ein einziges Individuum befasst.
- Demökologie: Teilgebiet der Ökologie, das die Umwelteinflüsse auf ganze Populationen einer bestimmten Tier- und Pflanzenwelt erforscht.
- Synökologie: Teilgebiet der Ökologie, das sich mit den Wechselbeziehungen verschiedener Populationen einer Art untereinander sowie mit ihrer unbelebten Umwelt befasst.
- Globale Ökologie: fasst alles zusammen (Biosphäre, Ökosysteme, Biozönose, Populationen, Spezies, ...).
Energiefluss
- Bezeichnet den Energietransfer und die Energieumwandlung von eingestrahlter Sonnenenergie im Ökosystem über die Biomasse der Primärproduzenten und die anschließende Nahrungskette (Konsumenten- und Destruentenkette).
- 1-5% der Sonnenenergie werden weltweit durch die Photosynthese gebunden.
- 50% der Energie geht unverdaut im Kot ab.
- Verlust von ca. 90% der Energie pro Stufe – 10% wird benutzt.
Produzenten
- Chemoautotroph: Ein Lebewesen, das seinen Energiebedarf aus der Oxidation anorganischer Verbindungen bezieht (Bakterien, Archaea).
- Photoautotroph: Organismen, die Photosynthese betreiben (Algen, Pflanzen, Cyanobakterien).
Konsumenten
- Heterotroph: Pflanzenfresser (herbivor) oder Fleischfresser (carnivor).
Destruenten
- Detritivor: Haben zusätzlich einen Darm (Maden, Regenwurm).
- Saprotroph: z.B. Pilze, Bakterien.
Abiotische und Biotische Faktoren
-
Abiotische Faktoren: Alle Umweltfaktoren, an denen Lebewesen nicht erkennbar beteiligt sind.
- Temperatur.
- Licht.
- Wasser.
- Boden.
- Topografie.
- pH-Wert.
- N (Stickstoff), P (Phosphor), ...
Optimumskurve
- Zeigt, wie wohl sich ein Lebewesen fühlt.
Ökologische Nische
- Die Gesamtheit der biotischen und abiotischen Umweltfaktoren, die das Überleben einer Art beeinflussen.
- Multidimensionaler "Hyperraum" einer Spezies.
- "Beruf" einer Art, der durch die Grenzen definiert wird, in der eine Art leben und sich reproduzieren kann.
- Funktionelle Position eines Organismus in seiner Umwelt:
- Habitat (Lebensraum).
- Aktivitätsmuster (wann der Organismus aktiv ist – Tages-/Jahreszeiten).
- Ressourcen (die aus dem Habitat verwendet werden).
Biotische Faktoren
- Umweltfaktoren, an denen Lebewesen erkennbar beteiligt sind.
Konkurrenz
- Gause-Prinzip: Zwei Arten können nicht gleichzeitig eine ökologische Nische besetzen, ohne miteinander in Konkurrenz zu treten.
Räuber-Beute-Beziehung
- Lokta-Volterra-Regeln: (belegt an einem arktischen Modell, da es artenarm ist):
- Die Größe der Populationen schwanken bei konstanten Bedingungen periodisch. Dabei folgt das Maxima der Räuberpopulation auf das Maxima der Beutepopulation.
- Die Populationsgrößen beider Einzelpopulationen schwanken konstant um einen festen Mittelwert.
- Werden beide Populationen gleichermaßen dezimiert, so erholt sich die Beutepopulation schneller.
Kommensalismus (miteinander speisen)
- Parasitismus:
- Endoparasiten: Parasiten, die im Inneren (z.B. im Darm oder Gewebe) ihres Wirts leben.
- Exoparasiten: Leben im Mund.
- Hämoparasitismus: Blut trinken.
- Lactoparasitismus: Milch trinken.
Symbiose
- Zusammenleben von Organismen unterschiedlicher Arten. Meist ist es für beide Partner von Nutzen.
- Der kleinere Organismus, der an einer Symbiose beteiligt ist, wird Symbiont genannt, der größere Wirt.
Endosymbiose
- Mitochondrien, Chloroplasten und möglicherweise der Zellkern entstanden durch Endosymbiose.
Biodiversität und Stabilität von Ökosystemen
- Die Funktionalität des Ökosystems ist essenziell für das Überleben des Menschen.
- Naturschutz ist wichtig für den Erhalt des Menschen.
- Täglich werden 20 Hektar Fläche in Österreich verbaut.
- Jeder Mensch beansprucht im Ausland 1400 m^2 Boden für Nahrung.
Energiedurchlauf und Stoffkreisläufe
- Ökosysteme sind offene Systeme und stehen mit ihrer Umwelt im Stoff- und Gasaustausch.
- Es gibt zyklische Stoffkreisläufe, z.B. Kohlenstoff-, Phosphor- und Stickstoffkreislauf.
- Die Erde wird als geschlossenes System betrachtet, der Gesamtkohlenstoffgehalt des Systems "Erde" bleibt konstant.
Populationen
- Initialphase: Population etabliert sich und wächst.
- Exponentialphase: Vermehrungsrate ist höher als Sterberate, exponentielles Wachstum. Es gibt ausreichend Ressourcen, kaum Krankheiten oder Räuber.
- Übergangsphase: Vermehrungsrate ist immer noch höher als Sterberate, aber das Wachstum erfolgt nur linear. Ressourcen werden durch die hohe Dichte knapp, Krankheiten und Prädatoren nehmen zu.
- Plateauphase: Vermehrungsrate entspricht der Sterberate, Population bleibt konstant. Voraussetzung dafür sind nachwachsende Ressourcen.
- Carrying Capacity: Die maximale Anzahl von Organismen einer Art, die in einem Lebensraum für unbegrenzte Zeit existieren können, ohne diesen nachhaltig zu schädigen.
Verhaltensökologie
- Verhalten dient der Homöostase, wenn physiologische Reaktionen unzureichend sind.
- Homöostase bedeutet Gleichgewichtszustand des Körpers, z.B. 37°C Körpertemperatur.
Fortpflanzungsstrategien
- r-Strategen: Hohe Reproduktionsrate (r), vorhandene Ressourcen werden über die vorhandene Kapazität hinaus genutzt.
- K-Strategen: Anzahl der Individuen bleibt an der Kapazitätsgrenze (carrying capacity), geringere Anzahl an Nachkommen mit hohen Überlebenschancen.
Eutrophierung
- Anreicherung von Nährstoffen in stehenden oder langsam fließenden Gewässern, sowohl durch natürliche als auch künstliche Prozesse.
- Führt zu nutzlosem und schädlichem Pflanzenwachstum.
Parasitologie
- Definition im weiteren Sinne: Ein Parasit ist ein Organismus, der durch Energieraub in oder an einem anderen Organismus, dem Wirt, existiert. Beispiele: Viren, Bakterien, Pilze.
- Definition im engeren Sinne: Parasiten sind eukaryote, heterotrophe Organismen ohne Zellwand, die durch Energieraub in oder an einem anderen Organismus, dem Wirt, existieren. Beispiele: Protozoen (Einzeller), Helminthen (Würmer), Arthropoden (Gliederfüßer: Insekten, Milben + Zecken.)
Infestation, Infektion, Krankheit
- Infestation: Eindringen, Etablieren, Immunreaktion (noch keine Vermehrung).
- Infektion: Eindringen, Etablieren, Immunreaktion, Vermehrung.
- Krankheit: Klinische Manifestation einer Infestation oder Infektion.
Wirte von Parasiten
- Endwirt: Der Parasit wird geschlechtsreif und produziert Nachkommen.
- Zwischenwirt: Der Parasit entwickelt sich weiter, erreicht aber nicht die Geschlechtsreife.
- Fehlwirt: Die normale Entwicklung des Parasiten ist aus physiologischen Gründen nicht möglich.
- Paratenischer Wirt: Transportwirt.
- Vektor: Überträger.
- Hauptwirt: Der Wirt mit der größten Bedeutung für den Parasiten.
- Nebenwirt: Der Wirt mit geringerer Bedeutung für den Parasiten.
Wie man Parasiten bekommen kann
- Rohes Fleisch, Fisch oder sonstige Lebensmittel.
- Baden in Süßgewässern.
- Zecken/Stechmücken: Übertragung durch die Haut.
- Endoparasiten: Durch Körperöffnungen, Kontakt mit anderen Menschen.
- Ektoparasiten: Durch Kontakt mit anderen Menschen, Tieren oder Vegetation.
Verdacht auf Parasiten
- Funde: Würmer, Läuse.
- Bildgebung/Schnitte: Gewebszysten, Wurmanschnitte.
- Laborparameter: Blutbild (Eosinophilie, Anämie), Immunglobuline (IgM-/IgG-/IgE-Erhöhungen).
- Symptomatik: Unspezifische (z.B. Fieber), Spezifische (z.B. Hautulkus, blutig-schleimiger Durchfall).
- Anamnese: Reiseanamnese, Fieber, Diarrhö, Immunsuppression/Schwangerschaft.
Anamnestik
- Reisen: Datum, Ort, Reisestil.
- Verhalten: Baden im Süßwasser, Konsum von nicht garem Fleisch, Fisch, Krabben, Schnecken, etc.
- Medikamente: Chemoprophylaxe oder Chemotherapie?
- Immunsuppression/Schwangerschaft: Ist die Person immunsupprimiert oder schwanger?
Parasiten des Menschen
- Gemäßigte Breiten und Tropen/Subtropen unterschieden.
-
Protozoen (eukaryotische Einzeller): Ca. 100 Spezien, Amöben, Plasmodium, etc.
- Tropenrückkehrer: Malaria, Haut- und Schleimhautleishmaniosen, Amöbenruhr.
- Ohne Tropenreise: Toxoplasmose, Viszerale Leishmaniose, Trichomonose, Acanthamoeba-Keratitis.
-
Helminthen (Würmer): Ca. 340 Spezien, Bandwürmer, Madenwürmer, etc.
- Tropenrückkehrer: Bilharziose, Hakenwürmer.
- Ohne Tropenreise: Enterobius vermicularis, Ascaris lumbricoides, Echinococcus spp., Taenia spp.
-
Arthropoden (Gliederfüßer): Hunderte Arten, Läuse, Zecken, Mücken, etc.
- Erreger: Milben (Skabies), Fliegen (Myiasis).
- Überträger: Stechmücken (Malaria, ...), Fliegen (Schlafkrankheit, ...), Flöhe (Pest), Läuse (Fleckfieber), Zecken.
Malaria
- Geographische Anamnese: Wichtig für die Diagnose.
- Diagnostisches Procedere: Kapillarblut (Blutausstrich, Dicker Tropfen), EDTA-Blut (PCR, Blutausstrich, Dicker Tropfen), kein Antikörpernachweis.
- Allgemeine Symptome: Fieber, Müdigkeit, Mattigkeit, Gewichtsverlust.
GI-Symptome
- Blutig-schleimiger Durchfall: Amöbenruhr, Balantidienruhr, Darmbilharziose, Hakenwurmbefall.
- Durchfall ohne Blut: Giardiose, Kryptosporidiose, intestinaler Wurmbefall.
- Inappetenz (kein Hunger), Heißhunger, Übelkeit, Erbrechen, Obstipation
- Stuhlverstopfung: Protozoen- und/oder Wurmbefall.
Haut
- Exantheme/Pruritus: Zerkariendermatitis, Larva migrans cutanea.
- Furunkel/Ulcera: Kutane Leishmaniose, Myiasis, Skabies.
- Stiche: Flöhe, Läuse, Mücken, Wanzen.
ZNS und Auge
- ZNS: Malaria, Schlafkrankheit, Zystizerkose, Echinokokkose, Toxokarose, Amöben-Enzephalitis.
- Auge: Toxokarose, Loaose, Toxoplasmose, Akanthamöben.
Erregernachweis
-
Direkter Erregernachweis: Ganze oder Teile von Parasiten (Eier, Proteine, DNA).
- Untersuchungsmaterial: Abgegangene Parasiten, Stuhl, Harn, Blut, Liquor cerebrospinalis, Sputum, Bronchoalveolarlavage (BAL), Vaginal-, Anal-, Nasenschleimhautabstrich, Sternalpunktat, Abstriche von Hautläsionen, andere Punktate, Gewebe.
-
Indirekter Erregernachweis: Reaktion des Wirts (Antikörper).
- Untersuchungsmaterial: Serum, Liquor cerebrospinalis, Kammerwasser.
- Untersuchungsmethoden: Nachweis spezifischer Antikörper mittels Präzipitations-, Lysis-, Agglutinations- und Konjugattests.
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