Zellmembran und Zellkontakte

Zellmembran

• Die Zellmembran besteht aus einer Lipiddoppelschicht und umschließt die Zelle
• Die äußere Schicht der Zellmembran ist hydrophil und die innere Schicht hydrophob.
• Transmembranproteine, wie die Natrium-Kalium-Pumpe, erzeugen eine Ungleichverteilung von Ionen.
• Das Glykokalix ist eine Schicht aus Zuckermolekülen auf der Außenseite der Zellmembran von eukaryontischen Zellen.
• Das Glykokalix schützt die Zelle vor Austrocknung und spielt eine Rolle bei der Antigenfunktion, die es Immunzellen ermöglicht, Körperzellen zu erkennen.
• Das Glykokalix ist für die Blutgruppendifferenzierung an der Erythrozytenmembran verantwortlich.

Zellkontakte

• Zellkontakte ermöglichen mechanische und funktionelle Kopplung zwischen Zellen in Zellverbänden.
• Haftende Kontakte dienen als mechanische Verbindungen zwischen Zellen.
• Kommunizierende Kontakte ermöglichen den freien Durchfluss von elektrischen oder chemischen Signalen.
• Zu den kommunizierenden Kontakten zählen Gap Junctions, Zell-Zell-Kanäle zwischen zwei Zellen (z. B. Herzmuskeln), und Synapsen, die zwischen zwei Neuronen liegen.

Endosymbiontentheorie

• Die Endosymbiontentheorie besagt, dass im Laufe der Evolution Eukaryoten aus der Symbiose von Prokaryoten entstanden sind.
• Diese Theorie wird heute allgemein akzeptiert.

Zellorganellen

• Zellorganellen sind spezialisierte Strukturen innerhalb eukaryotischer Zellen, die jeweils spezifische Funktionen erfüllen.
• Der Zellkern ist von einer Doppelmembran umgeben und beherbergt das Genom, das die genetische Information der Zelle enthält.
• Der Zellkern ist für die DNA-Replikation, Transkription und die Herstellung von rRNA im Nucleolus verantwortlich.
• Das Endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein verzweigtes Membransystem, das an der Synthese von Proteinen, Membranbestandteilen und anderen Stoffen beteiligt ist.
• Pinozytose beschreibt die unspezifische oder rezeptorvermittelte Aufnahme gelöster Substanzen.

Zellzyklus

• Der Zellzyklus ist eine periodische Abfolge von Ereignissen, die von der Beendigung einer Zellteilung bis zur Beendigung der nächsten dauert.
• Er steuert und koordiniert die Zellreproduktion.
• Der Zellzyklus 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 Mitose und Zytokinese entstehen aus einer Mutterzelle zwei identische Tochterzellen.
• Die Interphase besteht aus den Phasen G1, G0, S und G2.
• Die G1-Phase folgt auf die Zellteilung und ist gekennzeichnet durch die Synthese von Proteinen und Zellorganellen.
• Die Chromosomen liegen in der G1-Phase als entspiralisierte DNA-Moleküle vor (Ein-Chromatid-Chromosomen).
• Die G0-Phase ist eine Ruhephase, in der sich Zellen nicht im Zellzyklus befinden.
• In der S-Phase erfolgt die Verdopplung (Replikation) der DNA und die Synthese von Histonen.
• Die G2-Phase dient der Korrektur von DNA-Schäden und der Synthese von Proteinen für die Kondensation der Chromosomen.
• Die Mitose ist die Kernteilung eukaryotischer Zellen.
• Nach der Mitose folgt die Zellteilung (Zytokinese).
• Durch die Mitose und Zytokinese entstehen aus einer Mutterzelle zwei genetisch identische Tochterzellen.
• Ein haploider Chromosomensatz wird als 1n bezeichnet (n = Anzahl der Chromosomen pro einfachem Chromosomensatz).
• Ein diploider Chromosomensatz wird als 2n bezeichnet.
• Die Prophase ist die erste Phase der Mitose, in der die Chromosomenkondensation (Spiralisierung der DNA im Zellkern) erfolgt.
• Der Nucleolus löst sich auf und der Spindelapparat wird aufgebaut.
• Die Prometaphase beginnt nach der Kondensation der Chromosomen.
• Die Kernhülle wird abgebaut und an den Zentromeren der Chromosomen bilden sich dreischichtige Kinetochoren aus.
• Kinetochoren dienen als Verankerungsstellen für die kinetochoren Mikrotubulifasern.
• Die kinetochoren Fasern sind Fasern des Spindelapparates, die an den Kinetochoren der Chromosomen ansetzen.
• In der Prometaphase wachsen die kinetochoren Fasern in das Nucleoplasma ein und treffen auf die Kinetochoren der Chromosomen.
• Nachdem die kinetochoren Fasern an den Kinetochoren ansetzen, bewegen sie die Chromosomen aktiv in die Teilungsebene der Zelle.

Hardy-Weinberg-Gesetz

• Das Hardy-Weinberg-Gesetz besagt, dass die Allelfrequenzen in einer Population von Generation zu Generation gleich bleiben, wenn keine evolutionsbeeinflussenden Faktoren wirken.

Genmutationen

• Genmutationen sind Veränderungen in der DNA-Sequenz.
• Es gibt verschiedene Arten von Genmutationen:
  • Punktmutation: Veränderung eines einzelnen Basenpaares der DNA
  • Deletion: Ein oder mehrere Basenpaare verschwinden
  • Insertion: Ein oder mehrere Basenpaare kommen hinzu
  • Substitution: Ein oder mehrere Basenpaare werden durch andere Basenpaare ersetzt
• Die Folgen von Genmutationen sind unterschiedlich:
  • Frame-Shift-Mutationen: Verschiebung des Leserasters durch Deletion und Insertion von Basenpaaren (Anzahl nicht durch 3 teilbar!) führt zu einer veränderten Aminosäuresequenz
  • In-Frame-Deletion oder -Insertion: Verlust bzw. Einfügen von drei, sechs, neun oder mehr Basenpaaren —> keine Verschiebung des Leserasters
  • Silent-Mutation: Verändertes Codon, das aber für die gleiche Aminosäure codiert
  • Missense-Mutation: Verändertes Codon mit Codierung für eine andere Aminosäure
  • Nonsens-Mutation: Entstehung eines Stoppcodons —> vorzeitiger Translationsabbruch
  • Spleißmutation: Veränderung in den für den Spleißvorgang notwendigen Nucleotidsequenzen führen zu fehlerhaften mRNAs und verkürzten Proteinen —> der Verlust eines ganzen Exons ist möglich.

Chromosomenmutationen

• Chromosomenmutationen sind Veränderungen in der Struktur eines Chromosoms.
• Chromosomenaberrationen sind Veränderungen der Anzahl oder Struktur von Chromosomen.
• Zu den Chromosomenmutationen gehören Inversion, Translokation, Deletion und Duplikation:
  • Inversion: Umkehrung eines Chromosomenabschnittes
  • Translokation: Verlagerung eines Chromosomenabschnittes auf ein anderes (nicht homologes) Chromosom
  • Deletion: Verlust eines oder mehrerer Basenpaare oder ganzer Chromosomenabschnitte
  • Duplikation: Verdopplung eines Chromosomenabschnittes

Moderne Probleme und Anwendung der Genetik

• Die Humangenetische Diagnostik dient dem Erkennen und Nachweis von Erbkrankheiten sowie der Entwicklung von Nachweisverfahren.

Hautfarbe

• Die Hautfarbe ist ein Beispiel für einen polygenen Merkmalsträger.
• Zuerst entwickelte sich helle Haut unter dunkler Behaarung, die später durch den Verlust an Körperbehaarung zur besseren Abkühlung durch Transpiration ersetzt wurde.
• Die dunkle Pigmentierung der Haut schützt vor Hautkrebs und Folsäuremangel.
• Die helle Haut in kühleren Regionen erleichtert die Vitamin D Synthese, wodurch ein Kompromiss (Trade-off) zwischen Schutz vor UV-Strahlung und Vitamin D-Synthese entstand.

Ökologie

• Ökologie ist die Wissenschaft von den Wechselwirkungen zwischen Lebewesen und ihrer Umwelt.
• Schlüsselbegriffe in der Ökologie:
  • Spezies: eine Fortpflanzungsgemeinschaft
  • Population: Individuen einer Art (Spezies), die gleichzeitig ein einheitliches Areal teilen
  • 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
• Die verschiedenen Ebenen der Ökologie:
  • Autökologie: Beschäftigt sich mit den Auswirkungen von Umweltfaktoren auf ein einziges Individuum.
  • Demökologie: Erforscht die Umwelteinflüsse auf ganze Populationen einer bestimmten Tier- und Pflanzenwelt.
  • Synökologie: Beschäftigt sich mit den Wechselbeziehungen verschiedener Populationen einer Art untereinander sowie mit ihrer unbelebten Umwelt.
  • Globale Ökologie: Fasst alles zusammen (Biosphäre, Ökosysteme, Biozönose, Populationen, Spezies,…)

Energiefluss

• Der Energiefluss beschreibt den Energietransfer und die Energieumwandlung von eingestrahlter Sonnenenergie im Ökosystem.
• Die Sonnenenergie wird von Primärproduzenten (Pflanzen) durch Photosynthese gebunden.
• Die Energie wird über die Nahrungskette weitergegeben (Konsumenten- und Destruentenkette).
• Nur ca. 1-5% der Sonnenenergie werden weltweit durch die Photosynthese gebunden.
• 50% der Energie geht unverdaut im Kot ab.
• Pro Trophiestufe geht ca. 90% der Energie verloren, nur 10% wird genutzt.

Parasiten des Menschen

• Parasiten des Menschen lassen sich in zwei Kategorien einteilen:
  • Tropenrückkehrer: Diese Parasiten kommen vor allem in den Tropen vor und werden oft durch Reisen in diese Regionen übertragen.
  • Ohne Tropenreise: Diese Parasiten können auch in gemäßigten Breiten vorkommen, aber die Infektionen sind in der Regel weniger schwerwiegend.

Protozoen

• Protozoen sind eukaryotische Einzeller.
• Etwa 100 verschiedene Spezies von Protozoen können beim Menschen Krankheiten verursachen.
• Zu den Protozoen zählen Amöben, Plasmodium, etc.
• Tropenrückkehrerinfizierte Protozoen:
  • Malaria
  • Haut- und Schleimhautleishmaniosen
  • Amöbenruhr
• Protozoen, die auch ohne Tropenreise vorkommen:
  • Toxoplasmose
  • Viszerale Leishmaniose
  • Trichomonose
  • Acanthamoeba-Keratitis

Helminthen

• Helminthen sind Würmer.
• Etwa 340 verschiedene Spezies von Helminthen können beim Menschen Krankheiten verursachen.
• Zu den Helminthen zählen Bandwürmer, Madenwürmer, etc.
• Tropenrückkehrerinfizierte Helminthen:
  • Bilharziose
  • Hakenwürmer
• Helminthen, die auch ohne Tropenreise vorkommen:
  • Enterobius vermicularis
  • Ascaris lumbricoides
  • Echinococcus spp.
  • Taenia spp.

Arthropoden

• Arthropoden sind Gliederfüßer.
• Hunderte Arten von Arthropoden können beim Menschen Krankheiten verursachen.
• Zu den Arthropoden zählen Läuse, Zecken, Mücken, etc.
• Arthropoden können direkt Krankheiten verursachen, z.B. Milben (Skabies) und Fliegen (Myiasis).
• Sie können aber auch als Überträger von Erregern dienen, wie Stechmücken (Malaria), Fliegen (Schlafkrankheit), Flöhe (Pest), Läuse (Fleckfieber) und Zecken.

Malaria

• Malaria ist eine durch den Parasiten Plasmodium verursachte Infektionskrankheit, die durch Stechmücken übertragen wird.
• Malaria ist vor allem in den Tropen weit verbreitet.
• Die Diagnose von Malaria erfolgt durch Untersuchung eines Blutausstrichs oder durch PCR-Analyse.

Cholesterin & Phospholipide

• Cholesterin & Phospholipide sind wichtige Bestandteile der Zellmembran
• Beteiligt an der Synthese von Steroidhormonen wie Sexualhormonen und Nebennierenrindenhormonen
• Können giftige Substanzen durch Ankopplung wasserlöslicher Gruppen unschädlich machen

Ribosomen

• Ort der Translation (Proteinbiosynthese)
• Befinden sich frei im Zytoplasma
• Synthetisieren Proteine, die im Zytoplasma verbleiben oder für Mitochondrien, den Zellkern oder Peroxisomen bestimmt sind
• Mehrere an mRNA-Moleküle gebundene Ribosomen bilden ein Polysom
• An ER gebundene Ribosomen produzieren Proteine direkt in das Lumen des ER, diese Proteine sind für die Zellmembran, den Export oder für die Lysosomen bestimmt

Golgi-Apparat

• Membranumhülltes, scheibenförmiges Vesikelsystem mit zwei Seiten
• Modifiziert und sortiert Proteine, die vom ER hergestellt wurden
• Schnürt kleine Vesikel ab, die Zellprodukte zur Sekretion oder für andere Organellen (z.B. Lysosomen) transportieren
• Die cis-Seite ist der dem ER zugewandten Seite des Diktyosoms
• Die trans-Seite ist die vom ER abgewandte Seite des Diktyosoms

Mitochondrien

• Ähneln im Aufbau und der DNA den Prokaryoten
• Vermutlich ursprünglich selbstständig lebende Bakterien (Endosymbiontentheorie)
• Umgeben von einer Doppelmembran (äußere und innere Membran)
• Zwischen den Membranen befindet sich der Intermembranraum, im Inneren die Matrix
• Die innere Membran bildet Einstülpungen in Form von Leisten (Christaetyp) oder Röhren (Tubulustyp)
• Hauptfunktion ist die ATP-Synthese (Kraftwerk der Zelle)
• Der Citratzyklus findet in der Matrix statt

Zystische Fibrose

• Auch Mukoviszidose genannt, nicht heilbare erbliche Stoffwechselerkrankung
• Verursacht die Produktion von zähem Sekret durch exokrine Drüsen
• Ursache: Deletion von drei Nukleotiden im Gen auf Chromosom 7, das für den Chlorid-Transporter kodiert
• Dadurch fehlt die Aminosäure Phenylalanin an Position 508

Beta-Thalassämie

• Autosomal-rezessive erbliche Synthese-Störung der Beta-Ketten des Proteinanteils (Globin) im Hämoglobin
• Ursache: Mutation im ß-Globin-Gen auf dem kurzen Arm von Chromosom 11
• Heterozygote Träger (ß-Thalassämie minor) - ein Allel betroffen, milde Verlaufsform
• Homozygote Träger (ß-Thalassämie major) - beide Allele betroffen, schwere Symptome wenige Monate nach der Geburt durch den Austausch von HbF zu HbA0
• Hämolytische Anämie (Blutarmut) durch erhöhten Zerfall von Erythrozyten

Chorea Huntington

• Neurologische Erkrankung
• Autosomal-dominant vererbt
• Ursache: Gendefekt im Huntington-Gen auf Chromosom 4
• Triplett-Repeats im Gen werden amplifiziert, was zu einer Instabilität des Genprodukts führt
• Symptome: unwillkürliche Hyperkinesen (motorische Unruhe) der distalen Extremitätenabschnitte

Evolution

• Charles Darwin: Überproduktion, Variation und Selektion als Wirkungsmechanismen der Evolution
• Algorithmus der Evolution
  • Überproduktion: Alle Lebewesen produzieren mehr Nachkommen als auf der Welt überleben können
  • Variation: Variationen in den Nachkommen (z.B. 2^46 = 70000000000000 bei Ejakulat)
  • Selektion: Überleben und Fortpflanzung der am besten angepassten Individuen
• Darwin glaubte an die Vererbung erworbener Eigenschaften (ist falsch)

Darwinismus

• Die Bezeichnung wurde von T. H. Huxley geprägt
• Besagt, dass der Bessere überlebt
• Die Darwin’sche Fitness bezieht sich auf die Anzahl der Nachkommen (nicht auf die körperliche Stärke)

Apomorphie

• Evolutionär neu entstandenes Merkmal
• Hilft bei der Begründung monophyletischer Gruppen
• Autapomorphie: Merkmal nur für ein Taxon neu
• Synapomorphie: Merkmal, das 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 von Schimpansen und Menschen
• Systematische Zuordnungen müssen aufgrund fehlender Analysedaten kritisch betrachtet werden
• Affenmensch "Lucy" lebte vor ca. 3 Millionen Jahren

Apomorphien des Menschen:

• Tief sitzender Larynx, freies Zungenbein: ermöglicht artikulierte Sprache
• Permanente aufrechte Körperhaltung: ermöglicht freie Hände, aber auch veränderte Beckenform (enger Geburtskanal) und S-förmige Wirbelsäule (Rückenschmerzen)
• Nacktheit: dünne, kürzere und hellere Haare, Verlust der Wärme- und Kälteisolation, weniger Ektoparasiten, sexuelle Selektion
• Opponierbarer Daumen
• Außergewöhnliches Hirn: ca. 3-mal so groß wie das von Affen, kostspieliges Organ (energieaufwendig)
• Bekleidung: kulturelle Evolution (Schmuck etc.)
• Nutzung von Feuer: Schutz, Wärme, Kochen, Licht
• Fähigkeit zu erröten: soziale Funktion, evolutionäre Nutzung nicht vollständig geklärt
• Lange Kindheit: entwickelt das große und komplexe Hirn
• Lange postreproduktive Lebensspanne: "Erfindung der Großmutter", mehr Nachwuchs, elterliche Hilfe, Weitergabe von Wissen, Kultursprung

Evolution in der Medizin

• Ziel: Krankheiten besser verstehen, verhindern und behandeln
• Warum sind wir Menschen so anfällig für Krankheiten?

Produzenten

• Chemoautotroph: Lebewesen, die ihren Energiebedarf aus der Oxidation anorganischer Verbindungen beziehen (Bakterien, Archaea)
• Photoautotroph: Organismen, die Photosynthese betreiben (Algen, Pflanzen, Cyanobakterien)

Konsumenten

• Heterotroph: Pflanzenfresser (herbivor) oder Fleischfresser (carnivor)

Destruenten

• Detritivor: Ernahrung aus zersetzenden organischen Stoffen, haben zusätzlich einen Darm (Maden, Regenwurm)
• Saprotroph: Zersetzer, z.B. Pilze, Bakterien

Abiotische und Biotische Faktoren

• Abiotische Faktoren: Umweltfaktoren, an denen Lebewesen nicht beteiligt sind (Temperatur, Licht, Wasser, Boden, Topografie, pH-Wert, N, P etc.)
• Biotische Faktoren: Umweltfaktoren, an denen Lebewesen beteiligt sind (Konkurrenz, Räuber-Beute-Beziehungen, Kommensalismus, Parasitismus)

Optimumskurve

• Zeigt die Wohlfühlzone (optimale Lebensbedingungen) eines Lebewesens

Ökologische Nische

• Gesamtheit der biotischen und abiotischen Umweltfaktoren, die das Überleben einer Art beeinflussen
• "Beruf" einer Art, der die Grenzen definiert, in der eine Art leben und sich reproduzieren kann
• Funktionelle Position eines Organismus in seiner Umwelt:
  • Habitat (Lebensraum)
  • Aktivitätsmuster
  • Ressourcen

Konkurrenz

• Gause-Prinzip: Zwei Arten können nicht gleichzeitig die gleiche ökologische Nische besetzen, ohne miteinander in Konkurrenz zu treten

Räuber-Beute-Beziehung

• Lokta-Volterra-Regeln: (belegt an einem arktischen Modell)
  • Die Größe der Populationen schwankt bei konstanten Bedingungen periodisch, das Maxima der Räuberpopulation folgt dem 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

• Beide Arten profitieren, die eine art mehr als die andere (z.B. Krabben an einem Seeanemonen)

Parasitismus

• Endoparasiten: leben im Inneren des Wirts (z.B. Bandwürmer, Spulwürmer)
• Allgemeinsymptome:
  • Fieber: Malaria, Schlafkrankheit, Viszerale Leishmaniose, Toxoplasmose, Fasziolose, Trichinellose
  • Müdigkeit, Mattigkeit, Gewichtsverlust: siehe oben, Echinokokkose, Toxokarose

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 & Auge

• ZNS: Malaria, Schlafkrankheit, Zystizerkose, Echinokokkose, Toxokarose, Amöben-Enzephalitis
• Auge: Toxokarose, Loaose, Toxoplasmose, Akanthamöben

Erregernachweis

• Direkter Erregernachweis:
  • Ganze Parasiten, Teile von Parasiten (Eier, Proteine, DNA)
  • Stuhl, Harn, Blut, Liquor cerebrospinalis, Sputum, Bronchoalveolarlavage (BAL), Vaginal-, Anal-, Nasenschleimhautabstrich, Sternalpunktat, Abstriche von Hautläsionen, andere Punktate, Gewebe
• Indirekter Erregernachweis:
  • Reaktion des Wirts (Antikörper)
  • Serum, Liquor cerebrospinalis, Kammerwasser
  • Nachweis spezifischer Antikörper mittels Präzipitations-, Lysis-, Agglutinations- und Konjugattests