Zellkommunikation und Immunbiologie PDF

 Kommunikation zwischen Zellen Signalübertragung: Hauptsächlich durch Hormone, Neurotransmitter, Pheromone, Ionen und kleine Moleküle wie Stickstoffmonoxid. Signalweiterleitung: Eine Zelle produziert Signalmoleküle, die eine benachbarte Zelle über spezifische Rezeptorprotein...

 Kommunikation zwischen Zellen Signalübertragung: Hauptsächlich durch Hormone, Neurotransmitter, Pheromone, Ionen und kleine Moleküle wie Stickstoffmonoxid. Signalweiterleitung: Eine Zelle produziert Signalmoleküle, die eine benachbarte Zelle über spezifische Rezeptorproteine erkennt und beantwortet. Direkter Zell-Zell-Kontakt: Besonders in kleinen Zellgruppen, z. B. durch spezielle Verbindungen in der Plasma-membran (Junctions). Chemische Signale: Oft Proteine oder Moleküle, die von einer Zelle in den extrazellulären Raum abgegeben werden, um andere Zellen zu erreichen. Bedeutung der Kommunikation: Essenziell für die Koordination und Zusammenarbeit von Zellgruppen zur Erfüllung komplexer Aufgaben. Forschungsfelder: Zellkommunikation wird in der Entwicklungsbiologie, Neurobiologie und Endokrinologie erforscht. Funktion: Sichert Überleben und Funktionalität des Organismus, indem sie die Kommunikation und Koordination verschiedener Körperfunktionen ermöglicht. Ablauf angemessenes Zellwachstum durch Zellkommunikation 1. Zellteilung als Reaktion auf externe Signale 2. Enzyme reparieren beschädigte DANN 3. Zellen stellen Verbindungen zu Nachbarn her 4. Plötzlich Änderung der Verbindung →Nachbarzellen senden Warnung → Zellen bleiben innerhalb der Gewebegrenzen 5. Wenn Zelle nicht mehr repariert werden kann, leitet sie eigenen Tod ein Was passiert, wenn die Zellkommunikation zusammenbricht? Kann zu unkontrolliertem Zellwachstum führen, was häufig mit der Entstehung von Krebs einhergeht. Entstehung von Krebs 1. Unkontrolliertes Zellwachstum: Krebszellen beginnen oft zu wachsen und sich zu teilen, auch ohne entsprechende Signale. 2. Signalstörungen notwendig: Krebs erfordert mehrere Störungen in der Signalübertragung, die normalerweise Zellwachstum und Zelltod regulieren. 3. Fehlende Selbstzerstörung: Normalerweise würde eine Zelle mit unkontrolliertem Wachstum ein Signal zur Selbstzerstörung (Apoptose) auslösen, aber Krebszellen ignorieren diese Signale. 4. Verlust der Reaktion auf Todessignale: Krebszellen können Signale zur Apoptose nicht mehr erkennen und überleben dadurch länger. 5. Schäden an der DNA: Es treten weitere Mutationen auf, da die DNA nicht repariert wird, was das Wachstum der Krebszellen fördert. 6. Verbindung zu Nachbarzellen: Krebszellen können die Kommunikation mit Nachbarzellen und das Wachstum in das umliegende Gewebe fördern. 7. Blutgefäßwachstum: Die veränderte Kommunikation führt dazu, dass Blutgefäße in den Tumor hineinwachsen, was das Tumorwachstum unterstützt. 8. Metastasierung: Krebszellen erlangen die Fähigkeit, sich im Körper zu verbreiten und in andere Gewebe einzudringen. Ablauf der Signalübertragung (Signal muss durch Membran)  Verlauf einer Infektionskrankheit Prophylaxe Therapie Infektion Inkubation Krankheit (Symptome) Erreger dringt in Erreger vermehrt sich Körper reagiert, Körper ein (Blut, Darm, Körperzellen) Immunsystem wird aktiviert Abwehr Aktive Immunität Immunisierung Genesung Verschleppung Tod Antigene des Erregers lösen Erreger vernichtet Einige Erreger Immunsystem unterliegt sofortige, starke Immunabwehr überleben aus Prophylaxe Keine bzw. geringe Symptome Schutzimpfung Vernichtung des Erregers  IMMUN- Florentine Walter BIOLOGIE 12 sind körperfremde Substanzen oder Moleküle, die das Immunsystem dazu anregen, eine spezifische Antigene Abwehrreaktion auszulösen. Sie befinden sich beispielsweise auf der Oberfläche von Krankheitserregern wie Bakterien, Viren oder Pilzen und werden von Immunzellen erkannt. Immunabwehr- Barrieren zum Schutz vor Antigenen 1. Mechanische und chemische Barriere 1. Angeborene Immunabwehr 1. Erworbene/spezifische Abwehr (1. Verteidigungslinie) (2. Verteidigungslinie) (3. Verteidigungslinie) Schnell reagierende Abwehr Langsamer, aber gezielt Mechanisch: Haut und durch Fresszellen wirksam durch T- und B- Schleimhäute blockieren (Makrophagen) und Lymphozyten physisch das Eindringen von natürliche Killerzellen. Bildung von Antikörpern Krankheitserregern Erkennt Erreger gegen spezifische Erreger. Chemisch: Sekrete wie unspezifisch und bekämpft Gedächtniszellen ermöglichen Tränenflüssigkeit, Speichel und sie z. B. durch Entzündungen eine schnellere Reaktion bei Magensäure neutralisieren oder oder Phagozytose erneuter Infektion zerstören Erreger (Aufnahme und Zerstörung). unspezifisch spezifisch Erregertypen: Viren z.B. HI-Virus --> Aids Bakterien z.B. Clostridium tetani. --> Tetanus Einzeller/Parasiten z.B.Plasmodium falciparum --> Malaria Würmer z.B. Fuchsbandwurm --> Echinokokkose Pilze z.B. Fadenpilz --> Fußpilz  KURVE-KRANKHEITSVERLAUF Infektionsphase Inkubationsphase Genesungsphase M L = Zeit zwischen Infektion Hauptphase 2 Aufteten der 1. Akule Phase Symptome ↓ Krankheit - Höhepunkt Körper hat die Fieber/schmerzen/ Infektion unter Entzündungen Kontrolle Organismus kämpft Symptome aktiv Krankheit ab gegen Klingen Viws dringt in Körper ein · loft ohne Sichtbare Symbene) Erreger beginnen sich zu · vermehren · Aklimatisierung Antigene D Unspeziefische Imunabwähr  Biologie-GK-12 Handout Johanna Richter Neurobiologie Neurobiologie: -Teildisziplin der Biologle, die sich mit dem Aufbau und der Funktionsweise des Nervensystems sämtlicher Lebewesen befasst. Wissenschaftliche Schwerpunkte: Aufbau und Funktion der Nervenzellen sowie Inter- aktion zwischen ihnen; synaptische Vorgänge Nervenzellen - die Informationsleiter unseres Körpers Nervenzellen (Neuronen) sind hoch spezialisierte Zellen, die der Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Nervenimpulsen dienen (sog. Erregungsteitung|) in einem weit verzweigten Netz bilden sie das Nervensystem eines Organismus Aufbau einer Nervenzelle: Präsynaptische ranvierscher Endigungen Dendriten Zellkörper (Soma) Schnürring Axonhügel Myelin- scheide Zellkern Axon (Neurit) eil Lunktion Informations-/ Impulsauínahme von reich und fein verästelte Ausläufer verknüpften Nervenzellen Dendrten des Somas Aufnahme 1000er Impulse gleichzeitig Verknüpfung zu anderen Zellen - Jeitel diese zum Soma weiter enthält alle notwendigen Zell- 2eilkerper organellen für normale Zellfunktion imimmt Stoffwechselvorgänge der Zelle Soa) zB. Zellkörper, Ribosomen, ER, Ubergangsstück Verbindung von codiert/ verstärkt die einlaufenden Impulse Aronhugel Soma zum Neurit Bildung eines Aktionspotenzials Informationsweiterleitung der A on NMeunų)- langer Fortsatz des Somas Nervenimpulse vom Soma zu den synaptischen Endigunger * von Schwannschen Zellen gebildet- der hohe Lipidgehalt der Myelinschicht wirkt Myellnscheide und ummantelt Axonabschnitte schützend und elektr. isolierend auf die Myelinisierung Axonabschnitte unterbricht Myelinscheiden in nicht elektr. isolierte Stellen beschleunigte Ra MKscle Schntrin regeimäßigen Abständen Informationsleitung durch saltatorische (aller 0,1- 1,5mm) Erregungsleitung (siehe markhaltige Neuronen) Praeynapdsche- Bläschenförmige Verdichtung an IIomlau en erden au Oe naor1g Endigü den Spitzen jeder Axonverästelungschaltete Zelle durch Synapsen übertragen  Nervenzelle Unipolare Neuronen: Struktur: Besitzen einen einzigen Fortsatz, der sowohl dendritische als auch axonale Funktionen übernimmt. Vorkommen: Häufig bei Wirbellosen; beim Menschen selten, hauptsächlich in frühen Entwicklungsstadien. Bipolare Neuronen: Struktur: Verfügen über zwei Fortsätze – einen Dendriten und ein Axon. Vorkommen: In spezialisierten Sinnesorganen wie der Netzhaut des Auges und dem Innenohr. Multipolare Neuronen: Struktur: Besitzen mehrere Dendriten und ein Axon. Vorkommen: Am häufigsten im menschlichen Nervensystem, insbesondere im Gehirn und Rückenmark. Unipolare Neuronen: Struktur: Besitzen einen einzigen Fortsatz, der sowohl dendritische als auch axonale Funktionen übernimmt. Vorkommen: Häufig bei Wirbellosen; beim Menschen selten, hauptsächlich in frühen Entwicklungsstadien. Bipolare Neuronen: Struktur: Verfügen über zwei Fortsätze – einen Dendriten und ein Axon. Vorkommen: In spezialisierten Sinnesorganen wie der Netzhaut des Auges und dem Innenohr. Multipolare Neuronen: Struktur: Besitzen mehrere Dendriten und ein Axon. Vorkommen: Am häufigsten im menschlichen Nervensystem, insbesondere im Gehirn und Rückenmark. 1. Definition des Ruhepotentials (RMP): Das Ruhepotential ist der Spannungsunterschied zwischen dem Zellinneren und der Umgebung im Ruhezustand. Es liegt bei Nervenzellen typischerweise bei etwa -70 mV (milli-V) (negativ geladenes Zellinnere im Vergleich zur Außenseite). 2. Ursachen für das Ruhepotential: a) Konzentrationsunterschiede der Ionen: Kalium-Ionen (K⁺): Hohe Konzentration im Zellinneren, geringe Konzentration außen. K⁺ diffundiert aufgrund des Konzentrationsgradienten aus der Zelle. Natrium-Ionen (Na⁺): Hohe Konzentration außen, geringe Konzentration innen. Diffusion wird verhindert, da die Membran für Na⁺ wenig durchlässig ist. Anionen (organische Moleküle, z. B. Proteine⁻): Bleiben im Zellinneren, da sie nicht durch die Membran diffundieren können. b) Selektive Membranpermeabilität: Die Zellmembran ist im Ruhezustand vor allem für K⁺-Ionen durchlässig. Sie ist deutlich weniger durchlässig für Na⁺-Ionen und Anionen. c) Elektrischer Gradient: Wenn K⁺ aus der Zelle diffundiert, wird das Zellinnere zunehmend negativ geladen. Diese negative Ladung zieht K⁺-Ionen zurück in die Zelle. Ein Gleichgewicht zwischen Konzentrations- und elektrischem Gradienten wird erreicht. d) Natrium-Kalium-Pumpe: Transportiert aktiv 3 Na⁺-Ionen aus der Zelle und 2 K⁺-Ionen in die Zelle. Die Pumpe verbraucht ATP und sorgt dafür, dass die Konzentrationsunterschiede aufrechterhalten bleiben. 3. Bedeutung des Ruhepotentials: Das Ruhepotential ist die Grundlage für die Erregbarkeit von Nervenzellen. Es ermöglicht die Entstehung von Aktionspotentialen (nervöse Signale) bei Reizen. Zusammengefasste Schlüsselpunkte für die Klausur: Wert: Etwa -70 mV. Wichtige Ionen: Kalium (K⁺), Natrium (Na⁺), Anionen (Proteine⁻). Mechanismen: Konzentrationsunterschiede der Ionen. Selektive Durchlässigkeit der Zellmembran (K⁺ diffundiert nach außen). Natrium-Kalium-Pumpe hält das Gleichgewicht aufrecht. Funktion: Grundlage für Erregungsweiterleitung und Reizverarbeitung. Ruhepotential: Elektrisches Potential einer unerregten Nervenzelle. Innen negativ, außen positiv. Typischer Wert: ca. -70 mV. Aufrechterhalten durch selektive Membranpermeabilität und Natrium-Kalium-Pumpe. Aktionspotential: Kurzzeitige Änderung des Membranpotentials. Innen wird vorübergehend positiv. Dient der Reizweiterleitung in Nervenzellen. Schwellenwert: Membranpotential, das überschritten werden muss, um ein Aktionspotential auszulösen. Typischer Wert: ca. -50 mV. Alles-oder-Nichts-Gesetz: Aktionspotential wird vollständig ausgelöst, wenn Schwellenwert erreicht wird. Unabhängig von Reizstärke, sofern Schwellenwert überschritten. Initiationsphase: Beginn der Depolarisation. Öffnung erster Natriumkanäle. Membranpotential nähert sich Schwellenwert. Depolarisation: Schneller Anstieg des Membranpotentials. Natriumionen strömen in die Zelle. Membranpotential wird positiv. Repolarisation: Rückkehr zum negativen Membranpotential. Kaliumionen strömen aus der Zelle. Wiederherstellung des Ruhepotentials Refraktärzeit: Zeitspanne nach einem Aktionspotential. Zelle ist nicht oder nur schwer erregbar. Verhindert sofortige erneute Aktionspotentiale Natrium-Kalium-Pumpe: Aktiver Transport von Ionen. 3 Natriumionen aus der Zelle heraus. 2 Kaliumionen in die Zelle hinein. Aufrechterhaltung des Ruhepotentials Membranpotenzial: Das Ruhepotenzial einer Zelle liegt bei etwa -80 mV. Es wird durch die Arbeit der Na+/K+-Pumpe aufrechterhalten. Depolarisation: Wird eine Nervenzelle durch einen Reiz oder durch eine andere Nervenzelle erregt, öffnen sich Na+-Ionenkanäle. Der darauffolgende Einstrom von Na+-Ionen bewirkt eine Verringerung des Membranpotenzials auf etwa +30 mV. Repolarisation: Die Na+-Kanäle schließen sich wieder. Zeitlich verzögert werden spannungsgesteuert K+-Kanäle geöffnet, die durch einen Rückstrom von K+-Ionen das Membranpotenzial wieder herstellen. https://www.bvmed.de/wbt/interaktion/kap4_it6/index.html < Link für Alles ! Hier sind die stichpunktartigen Informationen zur Hyperpolarisation: Definition: Erhöhung des Membranpotentials einer Zelle. Membranpotential wird negativer als das Ruhepotential. Gegenteil der Depolarisation. Funktion: Ursachen: Erhöht die Reizschwelle für Aktionspotentiale. Öffnung von Kaliumkanälen: Verhindert sofortige erneute Erregung der Zelle. Kaliumionen (K⁺) strömen aus der Zelle. Sichert unidirektionale Reizweiterleitung. Innenraum wird negativer. Bedeutung: Öffnung von Chloridkanälen: Teil der Refraktärzeit nach einem Aktionspotential. Chloridionen (Cl⁻) strömen in die Zelle. Schützt vor Übererregung der Nervenzelle. Verstärkt negative Ladung im Zellinneren. Wichtig für die Regulation der neuronalen Erregbarkeit. Definition: Eine chemische Synapse ist die Kontaktstelle zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen einer Nervenzelle und einer anderen Zelle (z. B. Muskelzelle), an der die Erregungsübertragung mittels Neurotransmittern erfolgt. Bestandteile: 1. Präsynaptische Endigung (Synaptisches Endknöpfchen): Endbereich des Axons der sendenden Nervenzelle. Enthält synaptische Vesikel mit Neurotransmittern. Mitochondrien zur Energieversorgung. Spannungsabhängige Calciumkanäle in der Membran. 2. Synaptischer Spalt: Schmaler Zwischenraum (ca. 20–30 nm) zwischen prä- und postsynaptischer Membran. Ort der Freisetzung und Diffusion der Neurotransmitter. 3. Postsynaptische Membran: Membran der empfangenden Zelle (z. B. Dendrit einer Nervenzelle oder Muskelzelle). Enthält spezifische Rezeptoren für Neurotransmitter. Ligandengesteuerte Ionenkanäle, die bei Bindung des Neurotransmitters öffnen. Funktionaler Ablauf der Erregungsübertragung: 1. Ankunft des Aktionspotentials: Depolarisation der präsynaptischen Membran. 2. Öffnung der Calciumkanäle: Einstrom von Ca²⁺-Ionen in die präsynaptische Endigung. 3. Vesikelfusion und Transmitterfreisetzung: Calciumabhängige Fusion der synaptischen Vesikel mit der Membran. Exozytose der Neurotransmitter in den synaptischen Spalt. 4. Diffusion und Bindung: Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt. Bindung an spezifische Rezeptoren der postsynaptischen Membran. 5. Postsynaptisches Potential: Öffnung von Ionenkanälen durch Rezeptorbindung. Entstehung eines erregenden (EPSP) oder hemmenden (IPSP) postsynaptischen Potentials. 6. Beendigung des Signals: Abbau oder Wiederaufnahme der Neurotransmitter. Schließen der Ionenkanäle, Rückkehr zum Ruhepotential. Wichtige Neurotransmitter: Acetylcholin: Häufig an neuromuskulären Synapsen. Glutamat: Wichtigster erregender Transmitter im ZNS. GABA (Gamma-Aminobuttersäure): Wichtigster hemmender Transmitter im ZNS. Dopamin, Serotonin: Modulatoren für verschiedene neuronale Funktionen. Besonderheiten: Richtung der Signalübertragung: Immer von der präsynaptischen zur postsynaptischen Zelle. Synaptische Plastizität: Veränderung der Effizienz der Synapse durch Lernprozesse. Summation: Integration mehrerer synaptischer Eingänge (räumlich und zeitlich) zur Auslösung eines Aktionspotentials. Definition: Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die an Synapsen die Erregungsübertragung zwischen Nervenzellen oder von Nervenzellen zu anderen Zellen ermöglichen. Wichtige Neurotransmitter und ihre Funktionen: 1. Dopamin: Beteiligt an Bewegungssteuerung, Motivation und Belohnungssystemen. Überaktivität kann mit Schizophrenie, Unteraktivität mit Parkinson in Verbindung stehen 2. Serotonin: Reguliert Stimmung, Schlaf und Appetit. Ungleichgewichte können zu Depressionen oder Angststörungen führen 3. Acetylcholin: Wichtig für Muskelkontraktion und Gedächtnisfunktionen. Ein Mangel wird mit Alzheimer in Verbindung gebracht 4. Glutamat: Hauptsächlicher erregender Neurotransmitter im zentralen Nervensystem. Spielt eine Schlüsselrolle bei Lern- und Gedächtnisprozessen 5. GABA (Gamma-Aminobuttersäure): Hauptsächlicher hemmender Neurotransmitter. Reduziert neuronale Erregbarkeit und verhindert Überstimulation. Wirkung von Drogen auf Neurotransmitter: Allgemein: Drogen mit Suchtpotenzial beeinflussen häufig die Aktivität von Neurotransmittern, insbesondere Dopamin, im Gehirn. Sie können die Freisetzung erhöhen, die Wiederaufnahme hemmen oder die Rezeptoren direkt stimulieren. Dies führt zu verstärkten oder verminderten neuronalen Signalen und kann langfristig die natürliche Neurotransmitterbalance stören. Beispiel Amphetamin: Fördert die Ausschüttung von Dopamin in den synaptischen Spalt. Erhöhte Dopaminspiegel verstärken die Aktivierung nachfolgender Rezeptoren. Kann zu erhöhter Wachheit und Euphorie führen, birgt jedoch ein hohes Suchtpotenzial. Opiate (kurz): Beispiele: Morphin, Heroin. Wirkung: Binden an Opioidrezeptoren → Schmerzreduktion, Euphorie. Langzeitgefahr: Abhängigkeit, Toleranzentwicklung, Atemstillstand. Zusammenfassung: Neurotransmitter sind essenziell für die Kommunikation im Nervensystem. Drogen können diese Kommunikation beeinflussen, oft mit negativen Langzeitfolgen. Opiate wirken schmerzlindernd, bergen jedoch ein hohes Risiko für Abhängigkeit und gesundheitliche Schäden. Definition: Synapsen sind spezialisierte Kontaktstellen, an denen Nervenzellen (Neuronen) Informationen auf andere Zellen übertragen. Klassifikation nach Lokalisation der Kontaktstelle: 1. Axo-somatische Synapsen: Verbindung zwischen dem Axon einer Nervenzelle und dem Zellkörper (Soma) einer anderen. Beeinflussen direkt das Membranpotential des Somas und somit die Erregbarkeit der postsynaptischen Zelle 2. Axo-dendritische Synapsen: Verbindung zwischen dem Axon einer Nervenzelle und den Dendriten einer anderen. Häufigster Synapsentyp; spielt eine zentrale Rolle bei der Integration synaptischer Signale 3. Axo-axonische Synapsen: Verbindung zwischen dem Axon einer Nervenzelle und dem Axon einer anderen. Modulieren die Freisetzung von Neurotransmittern durch präsynaptische Hemmung oder Fazilitation 4. Dendro-dendritische Synapsen: Verbindung zwischen den Dendriten zweier Nervenzellen. Selten; können bidirektionale Signalübertragung ermöglichen 5. Somato-somatische Synapsen: Verbindung zwischen den Zellkörpern zweier Nervenzellen. Kommen selten vor; ihre genaue Funktion ist noch nicht vollständig verstanden 6. Somato-dendritische Synapsen: Verbindung zwischen dem Zellkörper einer Nervenzelle und den Dendriten einer anderen. Können die Erregbarkeit der postsynaptischen Zelle beeinflussen 7. Somato-axonale Synapsen: Verbindung zwischen dem Zellkörper einer Nervenzelle und dem Axon einer anderen. Selten; ihre spezifische Rolle ist noch Gegenstand der Forschung. Klassifikation nach Art der Erregung: Erregende Synapsen (exzitatorische Synapsen): Führen in der postsynaptischen Zelle zu einer Depolarisation, die ein exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP) auslöst. Beispielhafter Neurotransmitter: Glutamat. Hemmende Synapsen (inhibitorische Synapsen): Führen in der postsynaptischen Zelle zu einer Hyperpolarisation, die ein inhibitorisches postsynaptisches Potential (IPSP) auslöst. Beispielhafter Neurotransmitter: GABA. Klassifikation nach Art des Neurotransmitters: Cholinerge Synapsen: Neurotransmitter: Acetylcholin. Beispiel: Neuromuskuläre Synapse (motorische Endplatte). Adrenerge Synapsen: Neurotransmitter: Adrenalin. Beteiligt an der Regulation des sympathischen Nervensystems. Dopaminerge Synapsen: Neurotransmitter: Dopamin. Wichtig für Belohnungssysteme und Bewegungssteuerung. Glutamaterge Synapsen: Neurotransmitter: Glutamat. Hauptsächlich erregende Synapsen im zentralen Nervensystem. Besonderheiten: Elektrische Synapsen (Gap Junctions): Direkte Verbindung zwischen zwei Zellen durch Ionenkanäle. Ermöglichen eine schnelle und bidirektionale Signalübertragung. Kommen seltener vor; wichtig für synchronisierte Aktivitäten, z. B. im Herzmuskel Chemische Synapsen: Übertragen Signale mittels Neurotransmittern über den synaptischen Spalt. Ermöglichen unidirektionale Signalübertragung mit synaptischer Verzögerung. Weit verbreitet im Nervensystem; Grundlage für komplexe neuronale Netzwerke. Synaptische Plastizität: Fähigkeit von Synapsen, ihre Übertragungsstärke zu verändern. Wichtig für Lern- und Gedächtnisprozesse. Funktionelle Plastizität: Veränderung der Übertragungsstärke ohne strukturelle Änderungen. Mechanismen: LTP (Langzeitpotenzierung): Verstärkung der Signalübertragung. LTD (Langzeitdepression): Abschwächung der Signalübertragung. Strukturelle Plastizität: Anatomische Veränderungen in Synapsen oder Nervenzellen. Mechanismen: Neubildung oder Abbau von Synapsen. Veränderung dendritischer Dornen. Wachstum neuer Axone oder Dendriten. Kurz: Funktionelle = Anpassung der Signalstärke; strukturelle = Anpassung der Verbindung. Synaptogenese Bildung Synapsen = von Synapsen Eliminierung-Zerstörung von Synaps Synapsengifte – Zusammenfassung für den Bio-Grundkurs (12. Klasse, Sachsen) Aufgaben von Synapsengiften: Schutz vor Fressfeinden Verteidigung gegen Rivalen Erlegen von Beute Übersicht wichtiger Synapsengifte: 1. Atropin (Tollkirsche) Wirkort: Postsynapse Effekt: Keine Erregung → Muskelerschlaffung, Herzstillstand 2. Nikotin (Zigaretten) Wirkort: Postsynapse Effekt: Dauererregung → Schwindel, Übelkeit 3. Tetrodotoxin (Kugelfische) Wirkort: Postsynapse Effekt: Keine Erregung → Muskelerschlaffung, Atemlähmung 4. Botulinumtoxin (Bakteriengift, sehr stark) Wirkort: Präsynapse, synaptischer Spalt Effekt: Verhindert Vesikelfunktion → gestörte Exocytose von Neurotransmittern 5. Alkylphosphate (Pflanzenschutzmittel) Wirkort: Postsynapse Effekt: Hemmt Acetylcholinesterase → Dauererregung 6. Curare (Pflanzengift, Pfeilgift) Wirkort: Postsynapse Effekt: Hemmt Acetylcholinrezeptoren → keine Erregung, Muskelerschlaffung Zusammenfassung der Wirkmechanismen: Muskelerschlaffung: Blockade der Rezeptoren oder Hemmung der Erregungsweiterleitung (z.B. Atropin, Tetrodotoxin, Curare) Dauererregung: Verhinderung des Abbaus von Neurotransmittern (z.B. Nikotin, Alkylphosphate) Exocytose-Störung: Blockade der Vesikelfreisetzung (z.B. Botulinumtoxin) Relevanz für den Menschen: Anwendung in Medizin (Muskelrelaxantien, Insektizide) Gefahr durch Vergiftungen (z.B. durch Lebensmittel, Pflanzen, Tiere) Darwinismus Definition Der Darwinismus ist die von Charles Darwin begründete Theorie der biologischen Evolution durch natürliche Selektion. Er besagt, dass sich Organismen an ihre Umwelt anpassen, indem Individuen mit vorteilhaften Merkmalen eine höhere Überlebens- und Fortpflanzungschance haben. Diese Merkmale werden an die Nachkommen weitergegeben, wodurch sich Arten im Laufe der Zeit verändern und anpassen. Kernpunkte: Überproduktion von Nachkommen (struggle for existence) Natürliche Selektion (survival of the fittest) Variation innerhalb einer Population Vererbung vorteilhafter Merkmale Der Darwinismus bildet die Grundlage der modernen Evolutionsbiologie und wird durch genetische Erkenntnisse ergänzt (Synthetische Evolutionstheorie). Beispiel: Finken Darwin untersuchte Finken auf den Galapagos-Inseln. Unterschiedliche Schnabelformen je nach Nahrungsquelle. Dicke Schnäbel: harte Samen; spitze Schnäbel: Insekten Vögel mit passender Schnabelform überleben besser und vermehren sich mehr Über Generationen entstehen verschiedene Arten Beispiel für natürliche Selektion und Anpassung an die Umwelt Lamarkkismus Definition Die Theorie nach Jean-Baptiste de Lamarck besagt, dass sich Organismen aktiv an ihre Umwelt anpassen, indem sie im Laufe ihres Lebens erworbene Eigenschaften an ihre Nachkommen weitervererben. Die Entwicklung von Organen oder Strukturen erfolgt durch Gebrauch oder Nichtgebrauch Kernaussagen: Jede Art besitzt eine Urform Diese Urform hat einen inneren Drang, sich perfekt an die Umwelt anzupassen Umweltveränderungen und die Bedürfnisse der Tiere beeinflussen sich gegenseitig. Gebrauch eines Organs führt zu dessen Ausbildung und Stärkung Nichtgebrauch eines Organs führt zu dessen Rückbildung Erworbene Eigenschaften werden an die Nachkommen vererbt Arten entwickeln sich von einfachen zu komplexen Organismen Jede Art folgt einer eigenen, linearen Evolutionslinie, es gibt keinen gemeinsamen Vorfahren.  Synthetische Evolutionstheorie Definition Die Synthetische Evolutionstheorie ist die moderne Erweiterung von Darwins Evolutionstheorie. Sie kombiniert Erkenntnisse aus Genetik, Populationsbiologie, Ökologie und Paläontologie, um die Evolution wissenschaftlich umfassend zu erklären. Kernaussagen: Evolution beruht auf genetischer Variabilität innerhalb einer Population Mutationen erzeugen neue genetische Variationen Rekombination (durch sexuelle Fortpflanzung) führt zur Neuanordnung von Genen Natürliche Selektion bestimmt, welche Individuen mit vorteilhaften Eigenschaften überleben und sich fortpflanzen Gendrift (zufällige Veränderungen im Genpool) beeinflusst die Evolution insbesondere in kleinen Populationen Genfluss durch Zu- oder Abwanderung von Individuen verändert den Genpool einer Population Evolution erfolgt auf der Ebene von Populationen, nicht von Individuen Isolation (z.B. geografisch oder reproduktiv) führt zur Bildung neuer Arten (Artbildung) Die Evolution verläuft nicht geradlinig, sondern verzweigt mit gemeinsamen Vorfahren. Diese Theorie gilt heute als die wissenschaftlich fundierte Erklärung für die Evolution biologischer Vielfalt. Anatomie/Morphologie Embriologie Paleonthologie Genetik Züchtungsforschung (Molekulargenetik und Populationgenetik) Parasitologie Physiologie Verhaltensbiologie Tier und Planzen Geographie Molekolarbiologie Beispiel: Entwicklung der Giraffe (Synthetische Evolutionstheorie) Mutation: Tiere mit längeren Hälsen haben variierende Gene. Natürliche Selektion: Giraffen mit längeren Hälsen erreichen mehr Nahrung in hohen Bäumen und überleben eher. Fortpflanzung: Diese Giraffen geben ihre Gene für längere Hälse weiter. Gendrift/Genfluss: Kleine Populationen oder Migration beeinflussen die Genhäufigkeit. Artbildung: Über viele Generationen entwickeln sich Giraffen mit deutlich längeren Hälsen als eigene Art. Genfluss- der Austausch Genetischen Materials zwischen verschiedenen Population Rekombination= Durchmischung von Genen bei der sexuellen Fortpflanzung ↳ das bildet die Varianz Fehler bei der Replikation der DNA = entstehen, wenn die DNA-Polymerase falsche Basen einfügt oder wenn Reparaturmechanismen versagen Ursachen: Spontane Mutationen (z. B. Tautomerie von Basen). Externe Faktoren wie UV-Strahlung, Chemikalien oder Strahlung. Folgen: Punktmutationen: Austausch einer Base. Insertionen/Deletion: Einfügen oder Entfernen von Basen, führt zu Rasterverschiebungen. Chromosomale Aberrationen: Größere strukturelle Veränderungen (z. B. Deletionen oder Translokationen). Reparaturmechanismen: Proofreading durch DNA-Polymerase, Mismatch-Reparatur, Basenexzisionsreparatur Mutation = Dauerhafte Veränderung der DNA-Sequenz. Bedeutung: Mutationen sind die Grundlage der genetischen Vielfalt und können neutral, schädlich oder vorteilhaft sein. Rekombination = Neukombination von genetischem Material, besonders während der Meiose. Bedeutung: Erhöht die genetische Vielfalt und ermöglicht Anpassung an wechselnde Umweltbedingungen Genfluss = Austausch von Genen zwischen Populationen durch Migration von Individuen oder Gameten. Effekte: Verhindert genetische Isolation, Kann genetische Vielfalt erhöhen oder reduzieren Selektion = Unterschiedlicher Fortpflanzungserfolg von Individuen aufgrund ihrer Anpassung an die Umwelt Arten: Natürliche Selektion: Umweltfaktoren begünstigen bestimmte Merkmale (z. B. Tarnung, Schnelligkeit). Sexuelle Selektion: Bevorzugung bestimmter Merkmale durch Geschlechtspartner. Künstliche Selektion: Von Menschen gesteuerte Auswahl (z. B. in der Tierzucht). Ergebnis: Begünstigte Merkmale setzen sich in der Population durch. Gendrift = Zufällige Veränderungen der Allelfrequenzen in kleinen Populationen. Ursachen: Flaschenhalseffekt: Drastische Reduzierung der Populationsgröße (z. B. durch Naturkatastrophen). Gründereffekt: Neue Population entsteht aus wenigen Individuen. Effekte: Kann genetische Vielfalt verringern, Führt oft zu zufälligen Veränderungen unabhängig von der Selektion. Definition Isolation: In der Biologie bezeichnet Isolation Mechanismen, die den Genfluss zwischen Populationen oder Arten verhindern und somit die Entstehung neuer Arten (Artbildung) fördern. Diese Isolationsmechanismen werden in präzygotische (vor der Befruchtung) und postzygotische (nach der Befruchtung) Mechanismen unterteilt. 1. Geografische Isolation (Allopatrische Isolation): Beschreibung: Physische Trennung von Populationen durch geografische Barrieren. Beispiele für Barrieren: Gebirgsbildungen Flussläufe oder Meere Wüsten oder Gletscher Folgen: Unterbrechung des Genflusses Unabhängige Entwicklung der getrennten Populationen Mögliche Entstehung neuer Arten durch Anpassung an unterschiedliche Umweltbedingungen. Beispiel: Darwinfinken auf den Galapagos-Inseln entwickelten sich auf verschiedenen Inseln zu unterschiedlichen Arten. 2. Ökologische Isolation (Sympatrische Isolation): Beschreibung: Trennung von Populationen innerhalb desselben geografischen Gebiets durch Nutzung unterschiedlicher ökologischer Nischen. Mechanismen: Unterschiedliche Habitatpräferenzen (z. B. Boden- vs. Baumlebensraum) Variierende Aktivitätszeiten (z. B. tag- vs. nachtaktiv) Unterschiedliche Nahrungsquellen oder -präferenzen. Folgen: Reduzierter Kontakt zwischen Populationen Verringerter Genfluss trotz geografischer Nähe Mögliche Entstehung neuer Arten durch Anpassung an spezifische Nischen. Beispiel: Zwei Populationen von Insekten leben im selben Wald, aber eine ernährt sich von Eichenblättern, die andere von Kiefernnadeln, wodurch sie sich selten begegnen. 3. Fortpflanzungsbiologische Isolation (Reproduktive Isolation) Beschreibung: Mechanismen, die verhindern, dass Individuen verschiedener Populationen oder Arten fruchtbare Nachkommen zeugen. Unterkategorien: Präzygotische Isolationsmechanismen: Habitatisolation: Unterschiedliche Lebensräume verhindern Begegnungen. Zeitliche Isolation: Unterschiedliche Fortpflanzungszeiten (z. B. saisonal oder tageszeitlich). Verhaltensisolation: Unterschiedliche Paarungsrituale oder -signale. Mechanische Isolation: Anatomische Unterschiede verhindern Paarung. Gametische Isolation: Unverträglichkeit der Gameten verhindert Befruchtung. Postzygotische Isolationsmechanismen: Hybridsterblichkeit: Hybride sterben frühzeitig oder sind nicht lebensfähig. Hybridsterilität: Hybride sind lebensfähig, aber unfruchtbar (z. B. Maultiere). Hybridzusammenbruch: Hybride der F2-Generation sind weniger fit oder unfruchtbar. Folgen: Verhinderung des Genflusses zwischen Populationen oder Arten. Aufrechterhaltung der genetischen Integrität von Arten. Förderung der Artbildung durch genetische Divergenz. Beispiel: Zwei Vogelarten haben unterschiedliche Gesangsmuster, die als Paarungssignale dienen, wodurch Kreuzungen vermieden werden. Gendrift ist die Zufällige Veränderung der Genfrequenz in einer Population z.B. durch Naturkatastrophen wie walsbrände, Überschwämmungen überleben nur Zufällige 3 Tiere, die sich untereinander Fortpflanzen können Die drei Grundvoraussetzungen für die natürliche Selektion nach Charles Darwin sind: 1. Ressourcenknappheit (struggle for existence) Ressourcen wie Nahrung, Wasser, Lebensraum oder Fortpflanzungspartner sind begrenzt. Individuen einer Population stehen in Konkurrenz um diese begrenzten Ressourcen. Nicht alle Individuen können überleben und sich fortpflanzen. 2. Nachkommenüberschuss (overproduction of offspring) Lebewesen produzieren mehr Nachkommen, als zur Arterhaltung notwendig wären. Beispiel: Eine Fischart legt tausende Eier, aber nur wenige Jungtiere überleben bis zur Fortpflanzung. Aufgrund der begrenzten Ressourcen überleben nur die am besten angepassten Individuen. 3. Variation der Nachkommen (variation in traits) Innerhalb einer Population gibt es genetische Unterschiede zwischen den Individuen. Diese Variationen betreffen Merkmale wie Größe, Farbe, Geschwindigkeit oder Widerstandsfähigkeit. Manche dieser Merkmale können Überlebens- oder Fortpflanzungsvorteile bieten. Folge: Natürliche Selektion Individuen mit vorteilhaften Merkmalen haben eine höhere Überlebens- und Fortpflanzungsrate. Ihre Merkmale werden an die nächste Generation weitergegeben. Langfristig führt dies zur Anpassung der Population an die Umweltbedingungen. Selektion als Evolutionsfaktor 1. Definition Selektion ist ein zentraler Evolutionsfaktor, der dafür sorgt, dass sich Individuen mit vorteilhaften Merkmalen besser fortpflanzen können als andere. Dadurch verändern sich die Allelhäufigkeiten in einer Population über Generationen hinweg. 2. Grundprinzip der Selektion Organismen innerhalb einer Population unterscheiden sich in ihren Merkmalen (Variation) Durch Umwelteinflüsse oder innerartliche Konkurrenz setzen sich vorteilhafte Merkmale durch Individuen mit höherer Anpassung haben bessere Überlebens- und Fortpflanzungschancen Die Häufigkeit der vorteilhaften Merkmale steigt in der Population. 3. Selektionsarten Natürliche Selektion: Umweltbedingungen bestimmen den Fortpflanzungserfolg Sexuelle Selektion: Merkmale, die den Fortpflanzungserfolg steigern, werden bevorzugt (z. B. auffälliges Gefieder bei Vögeln). Künstliche Selektion: Der Mensch greift gezielt in die Evolution ein (z. B. Züchtung von Nutztieren oder Pflanzen). 4. Selektionsforme Stabilisierende Selektion: Durchschnittliche Merkmale werden begünstigt. Extreme Varianten werden benachteiligt. Beispiel: Geburtsgewicht von Babys – zu leicht oder zu schwer erhöht Sterblichkeit Transformierende (gerichtete) Selektion: Eine Extremform wird bevorzugt Die Population verändert sich in eine bestimmte Richtung Beispiel: Birkenspanner (helle Form wurde durch Umweltverschmutzung seltener, dunkle häufiger) Disruptive Selektion Extreme Merkmale werden bevorzugt, Durchschnittsformen benachteiligt Kann zur Aufspaltung einer Population führen. Beispiel: Schnabelformen von Darwinfinken (große oder kleine Schnäbel sind vorteilhaft, mittlere nicht). 5. Bedeutung für die Evolution Selektion führt langfristig zur Anpassung an Umweltbedingungen Sie kann zur Entstehung neuer Arten beitragen (Artbildung oder Speziation) Selektion wirkt in Kombination mit Mutation, Rekombination und Gendrift auf die genetische Vielfalt. Fazit: Selektion ist einer der wichtigsten Mechanismen der Evolution, da sie das Überleben und die Fortpflanzung von Individuen mit vorteilhaften Merkmalen steuert. Die natürliche selektion ist ein Rückkopplungsprozess, der zu einer Anpassung führt Gene der Eltern I Rekombination & Mutation & ⑤ Genvariationen der Nachkommen ⑮ Merkmalsvariation der Nachkommen Umwelt Koevolution, Mimikry, Mimese und Symbiose 1. Koevolution Definition: Wechselseitige Anpassung zweier oder mehrerer Arten über lange Zeiträume hinweg Mechanismus: Eine Veränderung in einer Art führt zu einer evolutionären Anpassung in der anderen Art Beispiele: Räuber-Beute-Koevolution: Beute entwickelt Tarnung oder Gift → Räuber entwickelt bessere Sinnesorgane oder Resistenz. Bestäuber-Pflanzen-Koevolution: Langrüsselige Schmetterlinge passen sich an tiefkelchige Blüten an, die nur sie bestäuben können Wirt-Parasit-Koevolution: Parasiten werden effizienter, während Wirte Abwehrmechanismen entwickeln. 2. Mimikry (Scheinwarntracht) Definition: Eine harmlose Art ahmt das Aussehen oder Verhalten einer gefährlichen oder giftigen Art nach Ziel: Schutz vor Fressfeinden Arten: Bates’sche Mimikry: Ungiftige Art imitiert eine giftige (z. B. Schwebfliege sieht aus wie eine Wespe) Müller’sche Mimikry: Mehrere giftige oder ungenießbare Arten ähneln sich (z. B. verschiedene Wespenarten mit ähnlicher Färbung) Peckham’sche Mimikry (aggressive Mimikry): Räuber ahmt harmlose Beute nach, um sich ihr zu nähern (z. B. Anglerfische mit „Köder“) 3. Mimese (Tarntracht) Definition: Eine Art tarnt sich durch Nachahmung von Umweltstrukturen (z. B. Blätter, Äste, Steine) Ziel: Tarnung vor Feinden, indem sie sich optisch mit ihrer Umgebung vermischt Beispiele: Stabheuschrecken ähneln Zweigen Blattfische sehen aus wie verwelkte Blätter Sandfarben gefärbte Wüstentiere tarnen sich im Wüstensand 4. Symbiose (Wechselbeziehung mit beidseitigem Nutzen) Definition: Enges Zusammenleben zweier verschiedener Arten, bei dem beide einen Vorteil haben Arten: Obligate Symbiose: Beide Partner sind zwingend aufeinander angewiesen (z. B. Flechten aus Algen und Pilzen) Fakultative Symbiose: Partner können auch ohne den anderen überleben (z. B. Putzergarnelen und Fische). Beispiele: Blütenpflanzen und Bestäuber (z. B. Bienen, Schmetterlinge) → Bestäuber erhalten Nektar, Pflanzen werden bestäubt Pilze und Pflanzen (Mykorrhiza) → Pilz liefert Mineralstoffe, Pflanze gibt Zucker ab Clownfische und Seeanemonen → Clownfisch erhält Schutz, Seeanemone Nahrung. Zusammenfassung Koevolution: Gemeinsame evolutionäre Entwicklung zweier Arten durch gegenseitige Anpassung. Mimikry: Eine harmlose Art imitiert eine gefährliche Art zum Schutz. Mimese: Tarnung durch Nachahmung der Umwelt. Symbiose: Langfristige Wechselbeziehung mit beidseitigem Nutzen. Alle diese Mechanismen zeigen, wie eng Organismen in der Natur miteinander verbunden sind und sich gemeinsam weiterentwickeln.