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Biologie B6 Luca Kobisch Zytologie Zelle Die Zelle ist die kleinste, selbstständig lebensfähige Baueinheit des Organismus Häufig lagern sich Zellen zu Geweben oder Organismen zsm. Stabilität hat die Zelle durch Cytoskelett, Zellwand mit Zellmembran, Turgor Zellen untergliedern sich...

Biologie B6 Luca Kobisch Zytologie Zelle Die Zelle ist die kleinste, selbstständig lebensfähige Baueinheit des Organismus Häufig lagern sich Zellen zu Geweben oder Organismen zsm. Stabilität hat die Zelle durch Cytoskelett, Zellwand mit Zellmembran, Turgor Zellen untergliedern sich in Zellmembran & Zytoplasma Es gibt zwei Arten von Zelltypen: Eukaryonten & Prokaryonten Eukaryonten Prokaryonten Zellkern Vorhanden Nicht vorhanden Speicherort der DNA Zellkern Frei im Zytoplasma Zellwand Nur bei Pflanzenzellen (nicht bei Vorhanden Tierzellen) Zytoplasma Setzt sich aus dem Zytosol (flüssige Bestandteil, enthält viele chemische Substanzen wie Wasser, Proteine, Lipide, Kohlenhydrate, Ribonucleinsäuren, Ionen und Enzyme) und dem Zytoskelett, als Stütz-/Bewegungsapparat (intermediären Filamenten z.B. Aktin, Tubulin) zsm. Zellorganellen wie Zellkern, Mitochondrien, endoplasmatische Retikulum, Golgi-Apparat, Lysosomen, Ribosomen, Peroxisomen sind im Zytoplasma vorhanden. Hier werden viele zelluläre Bausteine (wie Aminosäuren, Fettsäuren, Nucleotide) synthetisiert Die Glykolyse ist hier lokalisiert Ionen im Zytoplasma bilden Puffersysteme und sind für die Ladungsverteilung an der Membran verantwortlich. (Mg2+-Ionen & Ca2+-Ionen) Zytoskelettfasern: -Mikrotubuli (Transport von Membranvesikeln) - Intermediärfilamente - Aktinfilamente Funktionen des Zytoskelett: Erhaltung der Zellgestalt; Stützung bestimmter Zellfortsätze; Stabilisierung der Zellmembran; Zellbewegungen; Zellmembran Zellorganellen sind nach außen durch Membranen geschützt Aufbau aus Lipiden und Proteinen Besteht aus einer Lipiddoppelschicht (nur Zellkern & Mitochondrien haben eine Doppelmembran) Es können kleine Moleküle wie H2O,CO2,O2 und hydrophobe Moleküle hindurch diffundieren Lipiddoppelschicht: Hauptbestandteil sind die Phospholipide, diese sind Emulgatoren Diese haben einen hydrophobes Schwänzchen und ein Hydrophiles (auch polar) Köpfchen Dienen als Barriere für Wasser Falls Risse in der Membran entstehen, ordnen sich die Lipide wieder spontan an Fluidität der Membran muss genau reguliert sein (von der Temp. abhängig); Temp steigt —> Fluidität ist höher. Temp sinkt —> Fluidität sinkt Je mehr ungesättigte Fettsäuren in der Membran sind, desto Fluider ist sie, desto leichter können Lipide & Membranproteine mittels Diffusion bewegen. Regulationsmechanismus der Fluidität ist die CIS-Dpppelbindung (im Kohlenwasserstoffschwanz) Cholesterin beeinflusst die Membranfluidität in beide Richtungen. In Membranen mit überwiegend gesättigten Fettsäuren erhöht es die Fluidität. In Membranen, die viele ungesättigte Fettsäuren enthalten, füllt es die Lücken, die durch das Abknicken ungesättigter Fettsäureschwänze entstehen, und senkt damit ihre Fluidität.  Biologie B6 Luca Kobisch Kohlenhydrate: Proteine und Lipide der äußeren Membran sind häufig mit Kohlenhydraten verknüpft Diese ragen in den extrazellulären Raum und bilden in ihrer Gesamtheit die Glykokalix Proteine: Es gibt unterschiedliche Arten von Membranproteinen (integrale & periphere) Integrale Proteine: sind fest mit der Membran verbunden und interagieren im hydrophoben Bereich; Bsp: Transportproteine, Rezeptoren Periphere Proteine: sind in der äußeren oder inneren Lipidschicht eingelagert (hydrophil) die äußeren periphere Membranproteine haben Kontakt zum Extrazellulärraum, die inneren mit dem Zytoskelett über Transmembranproteine (versch. Ankermöglichkeiten) Funktionen der Zellmembran: Permeationsschranke: nur kleine apolare & sehr kleine polare Stoffe können durchdiffundieren Erkennungsfunktion: über Glykoproteine & Glykolipide der Zellmembran können sich Zellen gegenseitig identifizieren können & erkennen gegenüber dem Immunsystem. Rezeptorfunktion: viele Membranproteine erkennen als Rezeptoren chemische Signale anderer Zellen und leiten diese Information über verschiedene Mechanismen in die Zelle hinein. Reizleitung: Damit zelluläre Vorgänge korrekt ablaufen können, ist häufig eine Ionenungleichverteilung zwischen Zytoplasma und Extrazellularraum nötig. Diese Ungleichverteilung wird von transmembranösen Proteinen erzeugt (Natrium-Kalium-Pumpe) Glykokalxy: Schicht aus Zuckermolekühlen an der Außenfläche der Zellmembran bei eukaryontischen Zellen Schützt die Zelle vor Austrocknung & Antigenfunktion (Ermöglicht Immunzellen, eine Zelle als körpereigene zu erkennen & ist für die Blutgruppendifferenzierung an der Erythrozytenmembran zuständig) Zellkontakte In Zellverbänden können die einzelnen Zellen über Zellkontakte untereinander mechanisch und funktionell gekoppelt sein Haftende Kontakte (Adhäsionskontakte): Bei den haftenden Kontakten handelt es sich um mechanische Verbindungen von Zellen Kommunizierende Kontakte: Die kommunizierenden Kontakte ermöglichen den freien Durchfluss von elektrischen oder chemischen Signalen. Es werden zwei Formen unterschieden. 1. Gap Junction Zell-Zell-Kanäle zwischen zwei Zellen (z.B. Herzmuskeln) 2. Synapsen, sind zwischen zwei Neuronen Endosymbiontentherio Die Endosymbiontentheorie besagt, dass im Laufe der Evolution Eukaryoten aus der Symbiose von Prokaryoten entstanden sind und sich so höhere Lebewesen entwickeln konnten. Die Theorie ist heute allgemein akzeptiert.  Biologie B6 Luca Kobisch Zellorganellen Zellorganellen Aufbau Funktion Zellkern -von einer Doppelmembran umhüllt -Konservierung des Genoms -DNA-Replikation -Transkription -rRNA Herstellung (im Nucleolus) Endoplasmatisches Retikulum -verzweigtes Membransystem Synthese von Proteinen, (ER) Membranbestandteilen etc. Ribosomen Bestehen aus Proteinen und rRNA An ihnen findet die Translation statt Golgi-Apparat -Membranumhülltes, -Modifikation und Verpackung von scheibenförmiges Vesikelsystem Zellexport-Produkten -Aktivierung von Hormonen & anderen Proteinen Mitochondrien - Doppelmembran -Bereitstellung von Energie Merkmale:Ringförmige DNA, selbständige - Intermembranraum -Stoffwechselwege Vermehrung, Doppelmembran - Matrix Lysosomen -kleine. Membranumhüllte Vesikel Abbau von zellfremden & -gefüllt mit hydrolytischen Enzymen zelleigenen Molekülen (Verdauung) Peroxisomen Kleine, membranumhüllte Vesikel -Entgiftung - gefüllt mit verschiedenen -Oxidation von Aminosäuren Enzymen (z.B. Katalasen) Zellkern (Nucleus) Bestandteil aller eukaryotischen Zellen; enthält die DNA Von einer Doppelmembran umgeben Verdopplung der DNA durch Zellteilung Transkription (Erster Schritt der Proteinbiosynthese) Endoplasmatische Retikulum (ER) Ist ein Membransystem, welches die gesamte Zelle durchzieht Bildet Lamellen, Zisternen und Tubuli, die die Zelle kompartimentieren (verschiedene Reaktionsräume bilden) Die äußere Membran der Kernhülle geht in das ER über, sodass der Raum zwischen innerer und äußerer Membran des Zellkerns eine direkte Verbindung zum ER-Lumen hat. Raue endoplasmatische Retikulum (rER): rER ist mit Ribosomen besetzt und hat folgende Funktionen: Ort der Synthese von Membranproteinen, Exportproteinen, Proteinen des ER, des Golgi- Apparats und der Lysosomen Ort der posttranslationalen Modifikation von Proteinen Glatte endoplasmatische Retikulum (sER): sER ist frei von Ribosomen und hat folgende Funktionen: Synthese von Lipiden (z.B. Cholesterin & Phospholipide) Synthese von Steroidhormonen wie Sexualhormonen und Nebennierenrindenhormonen Umwandlung von giftigen Substanzen (durch Ankopplung wasserlöslicher Gruppen  Biologie B6 Luca Kobisch Ribosomen Hier findet die Translation statt Kommen frei im Zytoplasma vor Stellen dort Proteine, die im Zytoplasma verbleiben oder die für Mitochondrien, den Zellkern oder Peroxisomen bestimmt sind, her (Synthese von Proteinen im Zytoplasma) Mehrere an mRNA-Molkeküle gebundene Ribosomen bilden ein Polysom An rER gebundene Ribosomen synthetisieren Proteine direkt in das Lumen des rER (Diese Proteine sind für die Zellmembran, den Export oder für die Lysosomen bestimmt) Golgi-Apparat Membranumhülltes, scheibenförmiges Vesikelsystem mit zwei Seiten In ihm werden die Proteine, die vom endoplasmatischen Retikulum hergestellt wurden, modifiziert und sortiert. Er schnürt auch kleine Vesikel ab, die Zellprodukte sammeln, die zur Sekretion oder für andere Organellen (z.B. Lysosomen) bestimmt sind. Die dem ER zugewandte (konvexe) Seite eines Diktyosoms (Regenerations- oder Bildungsseite) ist die cis-Seite Die vom ER abgewandte (konkave) Seite (Sekretions- oder Reifungsseite) die trans-Seite. Mitochondrien Sie ähneln vom Aufbau & der DNA her den Prokaryonten —> waren ursprünglich selbstständig lebende Bakterien (Endosymbiontentheorie) Von einer Doppelmembran umgeben; einer äußeren und einer inneren Membran, zwischen diesen liegt der Intermembranraum; im Inneren die Matrix Die innere Membran bildet leisten- oder röhrenförmige Einstülpungen —> werden in Christaetyp (Leisten) und Tubulustyp (Röhren) unterscheiden Hauptaufgabe ist die ATP-Synthese („Kraftwerk der Zelle“) Stoffwechselvorgang in der Matrix ist der Citratzyklus Endosymbiontentheorie lässt sich auf die Mitochondrien anwenden! Lysosomen Von einer Lipiddoppelschicht umgebener Flüssigkeitsraum mit saurem Milieu und hydrolytischen Enzymen Das saure Milieu (pH-Wert von etwa 5) ist optimal für die hydrolytischen Enzyme wie Lipasen, Glucosidasen, saure Phosphatasen, Nucleasen, Endoproteasen Funktion: der Intrazellulärer lysosomaler Abbau von Makromolekülen Ablauf: Lysosom im Ruhezustand (= primäres Lysosom) entsteht durch Abschnürung vom Golgi-Apparat Verschmilzt mit Vesikeln , die abzubauende Strukturen enthalten (wird nun als sekundäres Lysosom bezeichnet) Die im sekundären Lysosom enthaltenen hydrolytischen Enzyme bauen die Makromoleküle ab Spaltprodukte werden ins Zytosol entleert und können für neue Synthesevorgänge wiederverwendet werden  Biologie B6 Luca Kobisch Peroxisomen Sind viel in der Leber vorhanden Kleine runde Vesikel, die von einer Membran umhüllt sind Sie entstehen durch Abschnürung aus spezialisiertem glattem endoplasmatischem Retikulum Funktionen:Peroxisomen nehmen Proteine über das Zytoplasma aktiv auf und bauen diese über charakteristische Enzyme, den Oxidasen und Katalasen, ab. Peroxisomen sind am Fettsäurestoffwechsel beteiligt und synthetisieren Plasmalogene (Etherlipide). Wenn Oxidasen Fettsäuren abbauen, entsteht dabei Wasserstoffperoxid, ein Zellgift, das von der Katalase beseitigt wird. Transport durch Membranen Kann durch aktiven (mit Energieverbrauch) oder passiven Transport passieren Passiver Transport: Benötigt keine Energie Erfolgt in den meisten Fällen durch Diffusion oder durch Kanäle oder Carrier Die Filtration gehört auch dazu Aktiver Transport: Benötigt Energie (in Form von ATP) Die Transportkapazität ist auf die Zahl der Transportproteine begrenzt Beim Primär-aktiven Transport wird direkt beim Transportvorgang ATP hydrolysiert und mit der frei werdenden Energie der Transport bewerkstelligt. z.B. Natrium-Kalium-Pumpe Beim sekundär-aktiven Transport wird die für den Transport nötige Energie durch einen vom eigentlichen Transportvorgang unabhängigen primären Transport bereitgestellt, indem z.B. durch die Na+/K+-ATPase ein Na+-Gradient aufgebaut wird. Beim sekundären Transportvorgang wird dann der Gradient wieder ausgeglichen und dabei das eigentliche Transportgut „mitgenommen“. Durch „Pumpen“-Proteine Kann auch durch einen Rezeptor gesteuert werden  Biologie B6 Luca Kobisch Ruhepotenzial Erklärt durch Na-K-Pumpe und zwei Kanälen: Na+ und K+ Pumpe erzeugt hohes Na+ Potenzial außerhalb der Zelle —> 3Na+ raus, 2 K+ rein Kanäle sind verschlossen —> Ionengefälle Innen entsteht eine negative Ladung Aktionspotenzial Na+ kanalgebundener Rezeptor wird durch Signalmoleküle in Konfiguration geändert —> Kanal öffnet sich Na+ strömt ein —> positive Ladung Benachbarte Na+ Kanäle reagieren und öffnen sich auch —> Kettenreaktion Repolarisierung Wiederherstellung des Ruhepotenzial durch Schließen der Na+ Kanäle und Öffnen der K+ Kanäle —> kurzes Überschießen negativer Ladung (Hyperpolarisierung) Dadurch ist die Nervenzelle kurze Zeit nicht einsatzbereit (Refraktärzeit) Summation Alles – oder – nichts – Gesetz: Neuron entweder feuern oder nicht feuern Schwellenpotenzial muss erreicht werden um volles Aktionspotenzial auszulösen Zeitliche Summation unterschwelliger Reize in kurzen zeitlichen Abständen Räumliche Summation durch verschiedene Synapsen Antagonistisches Spiel zwischen excitatorischen und inhibitorischen Synapsen Entscheidungsfindung = Wechselspiel zwischen EPSPs und IPSPs Synaptischer Spalt 1. Aktionspotenzial erreicht das Axon-Ende 2. Calcium Kanäle öffnen sich 3. Ca^2+ bewirken die Bildung von Vesikel, um die Neurotransmitter abzugeben 4. Neurotransmitter kreuzen die Synapsen 5. Neurotransmitter verbinden sich mit den Neurorezeptoren 6. „Trigger-Signal“ im postsynaptischen Neuron  Biologie B6 Luca Kobisch Einfache neuronale Netze: Diffusion Ist der Ausgleich eines Konzentrationsgefälles Teilchen diffundieren von der höheren zur niedrigeren Konzentration Kann auch durch Membranen diffundieren Bsp: Isotonische Getränke nach viel Sport, oder Kochsalzlösung (9 Gramm/Liter) Osmose Ist die Diffusion von Lösungsmitteln durch eine semipermeable (halbdurchlässige) Membran, die nur für das Lösungsmittel, nicht aber für die in ihm gelösten Stoffe durchlässig ist Erfolgt aufgrund des Konzentrationsunterschiedes—> will die Stoffkonzentration ausgleichen „ohne“ Energie, nur mit der Brown’schen Molekularbewegung Exozytose und Endozytose sind aktive Transportvorgänge, bei denen die zu transportierenden Stoffe in membranumschlossene Vesikel eingeschlossen und durch Membranfusion wieder freigegeben werden. Exozytose ist das Ausschleusen von Substanzen aus der Zelle in den Extrazellularraum Die zu transportierenden Stoffe werden typischerweise im Golgi-Apparat in membranumschlossene Vesikel eingeschlossen und durch Fusion von Vesikel- und Zellmembran aus der Zelle ausgeschleust Endozytose ist die Aufnahme von Substanzen aus dem Extrazellularraum in die Zelle Die zu transportierenden Stoffe aus dem Extrazellularraum werden an der Zellmembran in Vesikel eingeschlossen und ins Zellinnere transportiert. Kann auch über spezielle Rezeptoren endozytieren Formen der Endozytose: Phagozytose bezeichnet die Aufnahme größerer partikulärer Substanzen. Pinozytose bezeichnet die unspezifische oder rezeptorvermittelte Aufnahme gelöster Substanzen  Biologie B6 Luca Kobisch Zellzyklus Ist eine Periodische Abfolge von Ereignissen vom Ende einer Zellteilung bis zum Ende der nächsten Dieser steuert & koordiniert die Zellreproduktion und besteht aus zwei Phasen (Interphase & Mitose) In der Interphase bereitet sich die Zelle auf die Zellteilung vor In der M-Phase findet die Teilung statt Aus einer Mutterzelle entstehen zwei identische Tochterzellen Interphase: (Zelle bereitet sich auf die Teilung vor) - G1-Phase: Im Anschluss an die Zellteilung Synthese von Proteinen und Zellorganellen Die Chromosomen liegen als entspiralisierte DNA-Moleküle vor (Ein-Chromatid-Chromosom) - G0-Phase (Null): Wenn die Zellen nicht den Zellzyklus durchlaufen sondern ruhen, (Ruhephase) - S-Phase: Verdopplung (Replikation) der DNA, Synthese von Histonen - G2-Phase: Korrektur von DNA-Schäden, Synthese von Proteinen für Kondensation der Chromosomen Mitose: Ist die Kernteilung eukaryotischer Zellen Danach kommt die Zellteilung (Zytokinese) Durch Mitose und Zytokinese entstehen aus einer Mutterzelle zwei genetisch identische Tochterzellen haploider Chromosomensatz wird als 1n (n = Anzahl der Chromosomen pro einfachem Chromosomensatz) bezeichnet, ein diploider Chromosomensatz als 2n Prophase: Chromosomenkondensation (Spiralisierung der DNA im Zellkern) Auflösung des Nucleolus Aufbau des Spindelapparates Prometaphase: beginnt nach der Kondensation der Chromosomen Abbau der Kernhülle An den Zentromeren der Chromosomen bilden sich dreischichtige Kinetochoren aus. Diese sind die Verankerungsstellen für die kinetochoren Mikrotubulifasern. Die kinetochoren Fasern sind jene Fasern des Spindelapparates, die an den Kinetochoren der Chromosomen ansetzen. In der Prometaphase wachsen sie aus, dringen in das Nucleoplasma ein und treffen dort auf die Kinetochoren der Chromosomen. Nach Anheften der kinetochoren Fasern bewegen diese die Chromosomen aktiv in die Teilungsebene der Zelle. Metaphase: Chromosomen sind maximal kondensiert Chromosomen befinden sich in der Äquatorialebene Anaphase: Trennung der Schwesterchromatiden (durch das Enzym Separase) Zelle bekommt längliches Aussehen Die Ein-Chromatid-Chromosomen wandern zu den Zellpolen Telophase: Dekondensation der Chromosomen (Entspiralisierung) Bildung der Kernmembran Spindelapparat löst sich auf Beginn der rRNA-Synthese Zytokinese: Die Zelle wird in der Äquatorialebene durchgeschnürrt, nachdem beide Tochterzellen einen Zellkern haben Jede Zelle besitzt nun einen vollständigen diploiden Satz aus Ein-Chromatid-Chromosomen Die G1-Phase kann wieder starten  Biologie B6 Luca Kobisch Meiose: Auch Reifeteilung genannt Ziel: Die Reduktion des diploiden Chromosomensatzes (2n->1n) & die Rekombination des Erbgutmaterials Diese wird in zwei Teilungsvorgänge unterteilt Meiose 1: Der diploide Chromosomensatz (2n4C) wird auf zwei Zellen verteilt, sodass diese haploid werden (1n2C). Durch Crossing-over werden mütterliche und väterliche genetische Information ausgetauscht. Meiose 2: Sie verläuft analog einer mitotischen Teilung. Hier werden die Chromatiden der Chromosomen voneinander getrennt (1n2C → 2 · 1n1C) Meiose 1 Prophase 1: Leptotän: Kondensation und Sichtbarwerden der Chromosomen. Fixierung der Chromosomen an der Kernmembran Zygotän: Homologe Chromosomenpaarung durch Annäherung der Chromosomen. Bildung des synaptonemalen Komplexes Pachytän: Crossing-over (—> Das Erbgut der homologen Chromosomen wird rekombiniert) Diplotän: Der synaptonemale Komplex verschwindet und die homologen Chromosomen liegen wieder einzeln vor. Nur über die Kreuzungsstellen bleiben sie noch verbunden Diakinese: Kernmembran löst sich auf Beginn der Formation der Meiosespindel Metaphase 1: Anordnung der Chromosomenpaare in der Äquatorialebene Anaphase 1: Trennung der homologen Chromosomenpaare durch Auflösung der Chiasmata Telophase 1: Einschnürung der Zellmembran, Teilung in 2 haploide Tochterzellen Meiose 2 Entspricht exakt einer mitotischen Teilung  Biologie B6 Luca Kobisch 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 —> an Stoffwechsel - und Differenzierungsvorgänge gekoppelt Wachstum wird durch äußere (Ernährung, Temp.,…) & inneren (Zellteilungsaktivität,..) gesteuert Differenzierung ist ein Prozess des Abschaltens Embryonenzellen können noch alles, diese Spezialisieren sich dann Wird durch unterschiedliche Aktivitäten der Gene gesteuert 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 miteinander Gibt innere & äußere Informationen, welche 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 sind große hydrophile Moleküle (können Membran nicht durchdringen und benötigen Rezeptor an der Zellmembran), kleine hydrophobe Moleküle (können Membran durchdringen und haben Rezeptoren im Zellinneren) Arten der interzellulären Signalübertragung: Endokrine Signalleitung: Sie erfolgt über Hormone auf dem Blutweg. Hierbei können Signale weitläufig über den gesamten Körper verteilt und weit entfernt liegende Zielorgane erreicht werden. Parakrine Signalleitung: Durch Diffusion von Hormonen und hormonähnlichen Substanzen im Interzellularraum der Zelle werden nur unmittelbar benachbarte Zellen angesprochen Autokrine Signalleitung: Signalstoff wirkt auf die sezernierende Zelle selbst oder auf benachbarte Zellen des gleichen Typs Synaptische Signalleitung: In den Nervenzellen werden Signale elektrisch, durch Änderungen des Membranpotenzials, entlang eines Zellfortsatzes (Axon) zu den Zielzellen transportiert. Das Signal kann dann über Gap Junctions elektrisch weitergegeben oder in ein chemisches Signal umgewandelt werden. Kontaktabhängige Signalleitung: nur bei Zellen, die in unmittelbarem Kontakt miteinander stehen Rezeptor & Signal sind hier membrangebundene Moleküle Weiterleitung des Signals erfolgt elektrisch oder durch verschiedene Signalmoleküle. Diese sind z.B. Gase, Ionen, Aminosäurederivate (Adrenalin,…), Peptide, Proteine, Steroide,.. Beispiel Stich: Mastzellen und Makrophagen haben Rezeptoren, die PAMPs und DAMPs erkennen Mastzellen schütten z.B. Histamin aus Vasoaktive Amine bewirken eine Ausdehnung der Kapillaren Durch die Ausdehnung vergrößern sich auch die Poren der Kapillaren Austritt von Blutplasma und Gerinnungsfaktoren durch die Kapillaren-Poren Phagozyten werden vom Histamin „angelockt“ Makrophagen verlassen die Kapillaren und fressen eingedrungene körperfremde Organismen Schwellung- Rötung —> lokale Temperaturerhöhung Entzündung = lokale Infektionsabwehr  Biologie B6 Luca Kobisch Beispiel Sonnenbrand: Entzündliche Reaktion Gleiches Prinzip: Zellen schütten unter Stress HMGB1 aus Kapillaren erweitern sich Die zitierte Publikation beschreibt die Erhöhung der Metastasierungswahrscheinlichkeit von Hautkrebs durch die erweiterten Poren Zellatmung Ist die Umwandlung energiereicher Körpereigener Stoffe in energiearme Stoffe (Dissimilation) —> dabei wird Energie freigesetzt (als ATP oder Wärme) Sauerstoff wird für die Zellatmung benötigt Formel: C6H12O2 + 6O2—> 6CO2 + 6 H2O + Energie Gibt drei Teilschritte des Glucoseabbaus: Glykolyse, Citratzyklus, Atmungskette Glykolyse: im Cytoplasma Glucose-Molekül (C6-Körper) wird in zwei C3-Körper zerlegt Kleiner Teil der dabei gebildeten Energie wird als ATP gebunden Frei werden Elektronen gelangen mithilfe des Cofaktors NAD in die Mitochondrien Citratzyklus: im Mitochondrien Vollständige Abbau der C3-Körper in CO2 —> ATP wird gebildet Die Elektronen werden von Cofaktoren übertragen Atmungskette: im Mitochondrien Cofaktoren aus Glykolyse & Citratzyklus werden zur Energieerzeugung benutzt —>größte Teil der ATP-Bildung im Mitochondrien („Kraftwerk der Zelle“) Genetik Grundbegriffe der Genetik Phänotyp: beschreibt das Erscheinungsbild eines Individuums, das aus dem Zusammenwirken von Umwelt und Genotyp resultiert Genotyp: ist die Gesamtheit des Erbguts eines Individuums Allele: Die verschiedenen Varianten eines Gens Genlocus: Lage eines Genes auf einem Chromosom Homozygot: reinerbig, beide Allele an einem Locus identisch sind Heterozygot: mischerbig, wenn die beiden Allele an einem Locus unterschiedlich sind Hemizygot:Männer (XY-Gonosomen) sind hemizygot für die überwiegende Mehrzahl der auf dem X-Chromosom lokalisierten Gene gonosomal: Die Geschlechtschromosomen (X,Y) betreffend autosomal: Die Nicht-Geschlechtschromosomen (Chromosomenpaare 1-22) betreffend Dominant, ein Merkmal, das in Individuen exprimiert wird, die für ein bestimmtes Allel heterozygot sind Rezessiv, ein Merkmal, das in Individuen exprimiert wird, die für ein bestimmtes Allel homozygot sind Codominant = beide unterschiedlichen allelischen Merkmale werden im heterozygoten Zustand exprimiert „Loss of function“: defekte Allele Haploid: einfacher Chromosomensatz = Besonders Keimzellen, Eizellen und Spermien, sind haploid, so dass die nach der Verschmelzung von beiden entstehende Zygote einen väterlichen und einen mütterlichen einfachen Chromosomensatz aufweist —> wird diploid Diploid: doppelter Chromosomensatz; jeder Diploider Organismus erzeugt haploide Gameten  Biologie B6 Luca Kobisch Mendel’sche Regeln Uniformitätsregel: Nachkommen von homozygoten Eltern, die sich in dem beobachteten Merkmal unterscheiden, sind bezüglich dieses Merkmals gleich, nämlich heterozygot Spaltungsregel: Die Kinder von Eltern, die für ein bestimmtes Merkmal beide heterozygot sind, sind nicht alle gleich bezüglich dieses Merkmals. Man findet verschiedene Kombinationen der Allele: ¼ der Kinder ist homozygot-dominant, ¼ der Kinder homozygot- rezessiv und ½ der Kinder heterozygot. Der Genotyp teilt sich also auf im Verhältnis 1:2:1 Unabhängigkeitsregel: Die Vererbung von zwei oder mehr Merkmalen erfolgt unabhängig voneinander und nach den beiden ersten Mendel'schen Regeln. Zusammenhang mit der Meiose: Crossing-over —> das Merkmale unabhängig von einander vererbt werden. Nur weil jemand schwarze Haare hat muss er nicht gleich braune Augen haben (= blonde Augen und blaue Augen) – Merkmale werden unabhängig von einander vererbt, weil sie an unterschiedlich lokalisiert sind. Verschiedenste Erbgänge Autosomal-rezessiv Erst wenn beide Allele verändert sind, kommt es zur Erkrankung Heterozygote (und damit gesunde) Träger einer rezessiven Erkrankung nennt man Konduktoren Wenn beide Eltern heterozygot sind, beträgt die Erkrankungswahrscheinlichkeit der Kinder 25%. Zu 50% sind sie Konduktoren, zu 25% gesund. Zusätzliches Risiko bei Verwandten ~ 30 % bei erstgradig Verwandten (Inzest) ~ 3 % bei drittgradig Verwandten (Cousin/Cousine 1. Grades) ~ 1 % bei viertgradig Verwandten (Cousin/Cousine 2. Grades) Autosomal-dominant Bereits bei einem veränderten Allel kommt es zur Erkrankung Risiko ist bei 50%, wenn ein Elternteil betroffen ist Bei einem homozygoten Elternteil beträgt das Erkrankungsrisiko für ein Kind 100% Die Vererbung ist unabhängig vom Geschlecht X-Chromosomal-rezessiv Die Erkrankung befindet sich auf dem X-Chromosom Frauen erkranken nur dann, wenn beide X-Chromosomen das veränderte Allel tragen (also sehr selten) Für die Kinder einer Konduktorin besteht jeweils eine 50%ige Wahrscheinlichkeit, das veränderte X-Chromosom zu erben. Söhne, die das veränderte X-Chromosom ihrer Mutter erhalten, erkranken. Töchter, die das veränderte X-Chromosom ihrer Mutter erhalten, sind Konduktorinnen. Männer, deren einziges X-Chromosom das veränderte Allel trägt, erkranken immer! Es gibt also keine männlichen Konduktoren. Alle Töchter eines erkrankten Mannes erben das veränderte X-Chromosom → Sie sind damit Konduktorinnen Alle Söhne eines erkrankten Mannes erben das gesunde Y-Chromosom ihres Vaters und mit großer Wahrscheinlichkeit auch ein gesundes X-Chromosom ihrer Mutter; Erkrankungsrisiko entspricht der Normalbevölkerung.  Biologie B6 Luca Kobisch Polygene Vererbung: Ist für die Ausprägung eines Merkmals nicht nur ein Gen (Monogenie) sondern sind mehrere Gene verantwortlich, so spricht man von Polygenie. Die einzelnen Merkmale werden nach den Mendel-Regeln vererbt, der Phänotyp kommt jedoch durch eine Vermischung der Genwirkungen zustande. DNA Genom ist die Gesamtheit der Erbinformationen Auf der DNA (Desoxyribonucleinsäure) liegt das menschliche Erbgut Aufbau der DNA: ein Zucker, der Desoxyribose Einer von 4 verschiedenen Basen (Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) oder Cytosin (C) Einem Phosphatrest Adenin und Thymin (2 H-Brücken) sowie Cytosin und Guanin (3 H-Brücken) sind Basenpaare DNA wird eindimensional als DNA- Doppelstrang und dreidimensional als DNA-Doppelhelix dargestellt (gibt noch Tertiärstruktur & Quartärstruktur DNA & Proteine bilden ein Chromatin DNA-Stränge sind komplimentär und verlaufen antiparallel Erhitzen denaturiert die DNA Aufbau der RNA ein Zucker, der Ribose Basen Uracil (U), A, C, G Liegt meist einzelsträngig vor Gibt uncodierte Bereiche der DNA (Introns) und codierte Bereiche (Exons)  Biologie B6 Luca Kobisch DNA-Replikation DNA wird nur von 5’ in 3’ Richtung synthetisiert Initiationsphase: DNA-Doppelstrang wird von dem Enzym Helicase in zwei Einzelstränge zerlegt (Wasserstoffbrückenbindungen werden gespalten) Spezielle Proteine lagern sich unmittelbar an die Trennungsstelle an um erneutes Verbinden zu verhindern DNA-Stränge dienen als Matrize —> Schablone für den Kompementärstrang Elongationsphase: Enzym Primase stellt Primer her, welche als Startsequenz für die DNA- Polymerase dienen DNA-Polymerase verwendet im Zellplasma freischwimmende Nukleotide als Bausteine für den kontinuierlichen Basenstrang (Adenin mit Thymin; Cytosin mit Guanin) Der gegenläufige Tocherstrang ist durch die 5’ -> 3’ Richtung ein diskontinuierlicher Basenstrang —> hier läuft die DNA-Polymerase entgegen des Basenstrangs, diese synthetisiert häppchenweise Abschnitte (Okazaki-Fragmente genannt) —> dann löst sich die DNA-Polymerase wieder und setzt sich weiter vorne wieder an —> Zwischen den Okazaki-Fragmenten befinden sich Lücken, in denen die Primer setzen —>Terminationsphase: die DNA-Ligase entfernt die Primer und füllt die Lücken mit Nucleotiden auf Proteinbiosynthese Besteht aus drei Teilen bei Eukaryoten, der Transkription, der Prozessierung und der Translation Transkription: Überschreibung der Basensequenz der DNA in die mRNA Bindung der RNA-Polymerase an den Promotor auf der DNA-Sequenz Blasenartige Öffnung der DNA hinter der Promotor-Region. Doppelstränge der DNA liegen getrennt vor (RNA-Synthese) Die DNA-Matrize (codogener Strang) wird abgelesen, indem die RNA-Polymerase in 5’- > 3’ Richtung Nucleotide komplementär zur DNA-Sequenz anlagert (Stopp der Synthese) RNA löst sich von der DNA, während die RNA-Polymerase weiterwandert und immer mehr Nucleotide an das 3’-Ende der mRNA anlagert. Erreicht sie den Terminator, löst sich die RNA-Polymerase vom codogenen Strang Thymin wird zu Uracil Prozessierung: prä-RNA wird zur mRNA Introns werden durch Bildung von „Lasso-Strukturen“ herausgeschnitten (Splicing) 5’-Ende bekommt eine cap-Sequenz, welche die Anlagerung des Ribosoms erleichtert 3’-Ende wird mit dem Poly(A)-Schwanz versehen —> verhindert einen schnellen Abbau der mRNA  Biologie B6 Luca Kobisch Translation: Übersetzung der Basensequenz in die Aminosäuresequenz Initiation (Start): mRNA lagert sich an der Ribosomenerkennungssequenz an der kleinen Untereinheit von Ribosomen an Die Untereinheit wandert in Richtung des 3’Ende der mRNA, bis diese auf’s Start-Codon (AUG) trifft, dann lagert sich komplementär die Start-tRNA mit dem Anticodon (UAC) an. Dann kommt die Untereinheit des Ribosoms dazu Elongation (Verlängerung): das zusammengesetzte Ribosom verfügt über drei tRNA-Bindungsstellen: A-Stelle bindet die tRNA, welche die Aminosäure liefert P-Stelle bindet die tRNA mit der wachsenden Polypeptidkette Über die E-Stelle verlassen entladene tRNAs das Ribosom Die Start-tRNA besetzt die P-Stelle, die nächste beladene tRNA lagert sich an die A-Stelle, die Aminosäure der Start-tRNA geht zur Aminosäure der zweiten tRNA —> zum Dipeptid verknüpfen. Ribosom wandert ein Codon weiter, tRNA wandert mit Dipeptid zur P-Stelle, die entladene Start-tRNA wird in die E- Stelle verlagert und verlässt den Zellkern (weil es nur 1nm groß ist) —> alles wiederholt sich bis zum gewünschtem Polypeptid Termination (Abbruch): Wird ein Stopp-Codon erreicht (UAG,UGA,UAA) führt es zum Abbruch der Kettenverlängerung. Das Ribosom zerfällt in beide Untereinheiten und das Polypeptid wird freigesetzt Den Genetischen Code kann man mithilfe einer Code-Sonne entschlüsseln Hardy-Weinberg-Gesetz Das Hardy-Weinberg-Gesetz ist ein mathematisches Modell aus der Populationsgenetik. Es ermöglicht die Bestimmung der Häufigkeiten dominant-rezessiv vererbter Genotypen beim diploiden Chromosomensatz. Es besagt, dass die Allelfrequenzen (genauer gesagt die Häufigkeiten von homozygoten und heterozygoten Merkmalsträgern) von Generation zu Generation gleich bleiben Allelfrequenz: Anteil eines bestimmten Allels eines Gens innerhalb einer Population. Es handelt sich um relative Häufigkeiten, die einen Wert zwischen 0 und 1 annehmen können. Berechnung mit dem Hardy-Weinberg-Gesetz: p2 + 2pq + q2 = 1 Genmutationen Mögliche 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 Je nach Folge der Genmutation unterscheidet man: Frame-Shift-Mutationen: Verschiebung des Leserasters durch Deletion und Insertion von Basenpaaren (Anzahl nicht durch 3 teilbar!) führt zu einer veränderten Aminosäuresequenz  Biologie B6 Luca Kobisch 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 Veränderungen in der Struktur eines Chromosoms —> große Stücke werden neu angeordnet (ganze Gruppen von Genen sind betroffen) Chromosomenaberration sind Veränderung der Anzahl oder Struktur von Chromosomen. 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 Humangenetische Diagnostik: Erkennen und Nachweis von Erbkrankheiten Entwickeln von Nachweisverfahren. Erfassen von genetischen Risikofaktoren Genetische Beratung: Aufklärung bei familiärer genetischer Belastung Gründe von Mutationen ca. 90% der Mutationen sind vollkommen gleichgültig Spontane Mutationen —> Fehler bei der Replikation, Gene mutieren an versch. Stellen Umweltbedingte Mutationen —> z.B. Strahlung, Viren, Mikroorganismen, Alkohol, …. Mutationen in Geschlechtschromosomen (Gonosomen) Gesunder Mann XY // Gesunde Frau XX XYY: Jacob Syndrom —> Mann (minimale Fertilitätsschwäche (Fruchtbarkeit), größer) XXY: Klinefelter Syndrom —> Mann (unfruchtbar, geringe Körperbehaarung außer auffällige Schambehaarung, Mikropenis, eventuelle Brustbildung, Muskelschwäche, Hochwuchs, Stimmungsschwankungen) X: Turner Syndrom —> Frau (Flügelfell, unfruchtbar, kleinwüchsig, gelegentliche Fehlbildungen innerer Organe, ausbleiben der Menstruation) XXX: Triple-X-Syndrom —> Frau (eingeschränkte Fruchtbarkeit, großwüchsig) Mutationen in Autosomen Down-Syndrom (Trisomie21) —> dreifache Vorliegen des kleinsten Chromosoms Symptome: Kleinwuchs, kurzer Kopf mit flachem 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 (verzögerte psychische & physische Entwicklung) 1:2500 Pätau-Syndrom (Trisomie 13) —> Fehlbildungen des Kopfes, der Augen,…. 1:5000  Biologie B6 Luca Kobisch Krankheiten durch Mutationen Sichelzellanämie Ursache: Durch Punktmutation (Punktmutation der ß-Globinkette, wobei an Position 6 hydrophiles Glutamat gegen hydrophobes Valin substituiert wurde) Hämoglobin S, HbS —> rote Blutkörperchen sind erkrankt Autosomal-rezessiver Erbgang Erkranken nur homozygote Merkmalsträger, bei denen das mütterliche und väterliche Gen verändert ist. Heterzygote Merkmalsträger sind smyptomfrei, da beide Allele kodominant sind. Große Verbreitung in den Malariagebieten Afrikas und Asiens. Cystische Fibrose = Mukoviszidose, nicht heilbare Erbkrankheit —> Stoffwechselerkrankung —> verursacht die Produktion eines zähen Sekrets durch die exokrinen Drüsen Ursache: Trinukleotiddeletion innerhalb des Gens auf dem Chromosom 7, das für einen Chlorid-Transporter kodiert. —> Fehlen der Aminosäure Phenylalanin an Position 508. Beta-Thalassämie autosomal-rezessiv vererbbare Synthesestörung der Beta-Ketten des Proteinanteils (Globin) im Hämoglobin Ursache: Mutation im ß-Globin-Gen, das auf dem kurzen Arm von Chromosom 11 lokalisiert ist (= Genmutation) Heterozygote Träger (ß-Thalassämia minor) —> 1 Allel betroffen, milde Verlaufsform der Thalassämie. Homozygote Träger (ß-Thalassämia major) —> beide Allele betroffen, wenigen Monate nach der Geburt durch Austausch von HbF zu HbA0 zu einer manifesten Symptomatik —> hämolytische Anämie (Blutarmut) —> durch den erhöhten Zerfall von Erythrozyten Chorea Huntington Neurologische Erkrankung Autosomal-dominant vererbt Ursache: Gendefekt auf dem Huntington-Gen auf dem Chromosom 4. Es kommt zu einer Amplifikation sogenannter Triplett-Repeats, die zu einer Instabilität des kodierten Genprodukts führt. Symptome: plötzlich eintretende unwillkürliche Hyperkinesen (motorische Unruhe) der distalen Extremitätenabschnitte  Biologie B6 Luca Kobisch Evolution Charles Darwin Wirkungsmechanismen der Evolution: Überproduktion, Variation —> Selektion Algorithmus der Evolution Überproduktion = alle Lebewesen produzieren mehr Nachkommen als auf der Welt leben können —> nicht alle überleben —> Überleben & Fortpflanzen der gut Angepassten! Es gibt ohne „crossing over“ 246 = 70000000000000 Variationen bei Nachkommen (Ejakulat) Die Taubenzucht brachte Darwin auf Idee der Evolutionstheorie Wallace-Darwin: der besser geeignete überlebt Darwin’sche Fitness: Anzahl der Nachkommen (nicht der körperlich Stärkere) Glaubte an Mechanismen der Vererbung: Vererbung erworbener Eigenschaften (ist falsch) Darwinismus Nennung durch T. H. Huxley 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 zu erklären versucht. Synthetische Theorie “Evolution ist die Veränderung der Allelfrequenz in Populationen verschiedener Generationen” Evoulationsmechanismen: Mutationen (zufällig/blind) Sexuelle Rekombination —> Variation Selektion —> Anpassung Systemtheorie der Evolution Kybernetik: Lebewesen sind mehr als Opfer ihrer Gene. Sind Organismen 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  Biologie B6 Luca Kobisch Selektion gerichtet: bevorzugt Merkmale, die von der mittleren Merkmalsausprägung in der Population abweichen —> Verschiebung der Merkmal in die bevorzugte Richtung. stabilisierend: Merkmale haben eine stabilisierende Selektion hinter sich —> Umweltbedingungen bleiben konstant, (—> am Häufigsten ausgeprägte Merkmal) divergierend: Aufspaltung —> Entstehung von neuen Arten Sexuelle Selektion: optisch bester Geschlechtspartner wird Bevorzugt Natürliche Selektion: Auslese durch die Umwelt Belege für die Evolution 1. Erfolge der Züchter 2. Biochemie: DNA etc. 3. Genetik 4. Vergleichende Anatomie 5. Homologie (zB. Einzelnen Knochen haben eine unterschiedliche Ausprägung aufgrund verschiedener Anwendungsbereiche und Funktionen.) 6. Rudimente und Atavismen: „Überbleibsel“ der Evolution. Früher notwendig heute kein Verwendungszweck (zB. Weisheitszahn) 7. Embryonalentwicklung: „Häckelsche Regel“ = wir gehen in der Embryonalentwicklung die Evolution durch 8. Fossilien und Übergangsformen 9. Biogeografie: aufgrund von geografischen Unterschieden (—> Umweltunterschiede zB. Klima etc.) sind die Anpassungen unterschiedlich 10. Antibiotikaresistenz 11. „Unintelligent Design“: keiner ist perfekt, wir sind an die jetzige Natur angepasst und wenn sich diese verändern würde, wären wir aufgeschmissen (Evolutionserkenntnis) Artbegriffe und phylogenetische Systematik Es gibt mehr Tier- als Pflanzenarten Insekten ist die artenreichste Gruppe Art: „Was sich schart und paart, das nenn ich eine Art.“ - Goethe Eine Art besteht aus min. einer Population, deren Individuen wegen Vererbung Ähnlichkeiten in Bau- und Leistungsmerkmalen aufweisen. Diese Merkmale sind von Individuen anderer Arten unterscheidbar. 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 Eine Art beginnt nach einer Abspaltung und endet, wenn sie ausgestorben ist oder eine Artspaltung in zwei neue Arten entsteht.  Biologie B6 Luca Kobisch Taxon = systematische Einheit Binäre Nomenklatur: Gattungsname + Artname Monophyletische Gruppen Von einem gemeinsamen Vorfahren abstammendes Taxon, das alle Nachkommen dieser Vorfahren vollständig beinhaltet Schwesterngruppen: Zwei Taxa, mit einem gemeinsamen Vorfahren Nr. 1 ist der Vorfahre Alle zu sehende Taxa sind monophyletisch Nicht monophyletische Gruppen Paraphyletische Gruppe: eine prinzipiell monophyletische Gruppe, bei der ein eigentlich dazugehörendes Taxon „vergessen“ wird. z.B. „Menschenaffe“ (ohne Mensch) Polyphyletische Gruppe: eine falsch aufgestellte Gruppe, aus verschiedensten, nicht näher verwandten Taxa „zusammengestellt“. Beispiel: „Würmer“ Apomorphie evolutionär neu entstandenes Merkmal für die Begründung monophyletischer Gruppen brauchbar Autapomorphie: für ein Taxon neues Merkmal Synapomorphie: Apomorphie, die zwei Schwesterngruppen verbindet Plesiomorphie Evolutionäre altes Merkmal Nicht für die Begründung monophyletischer Gruppen brauchbar  Biologie B6 Luca Kobisch 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 Affenmensch „Lucy“ lebte vor ca. 3 mio. Jahren Apomorphien des Menschen = Alleinstellungsmerkmale 1. Tief sitzender Larynx, freies Zungenbein Ermöglicht artikulierte Sprache 2. Permanente aufrechte Körperhaltung Ermöglicht freie Hände „Trade offs“ - veränderte Beckenform —> enger Geburtskanal - S-förmige Krümmung —> Rückenschmerzen 3. Nacktheit dünne, kürzere und hellere Haare: Verlust der Wärme- und Kälteisolation Weniger Ektoparasiten Sexuelle Selektion 4. opponierbarer Daumen 5. außergewöhnliches Hirn Wesentliches Alleinstellungsmerkmal ca. 3x so groß wie bei Menschenaffen Kostspieliges Organ (Energieressourcen) 6. Bekleidung Kulturelle Evolution (Schmuck,…) 7. Nutzung von Feuer Schutz —> Leben am Boden Wärme —> Besiedelung Kochen —> Nahrung leichter verdaulich Licht —> nach Sonnenuntergang noch arbeiten, …. 8. Fähigkeit zu erröten Soziale Funktion Evolutionärer Nutzen nicht vollständig geklärt Signalwirkung (Emotionen) 9. lange Kindheit Länger als bei anderen Primaten Das große und komplexe Hirn braucht länger zum entwickeln & lernen 10. Lange postreproduktive Lebensspanne „Erfindung“ der Großmutter Eltern haben mehr Nachwuchs Großelterliche Hilfe steigert Überlebenschance der Enkelkinder Komplexe Beziehungsgeflechte Weitergabe von Know-How Kultursprung  Biologie B6 Luca Kobisch Evolution in der Medizin - Grassberger Evolutionäre Medizin —> Krankheiten besser verstehen, verhindern, behandeln Warum führte natürliche Selektion zu einem derart anfälligen Körper? 6 evolutionäre Gründe für Krankheiten - Selektion ist langsam 1. Mismatch: Mensch in neuer, veränderter Umgebung 2. Infektionen: „Wettlauf“ mit rasch evolvierenden pathogenen Organismus - Selektion hat Einschränkungen/Grenzen 3. „Every trait is a traide-off“ (jedes Merkmal ein Kompromiss) 4. Einschränkungen/Zwänge der nat. Selektion („Constraints“) - Missverständnisse 5. Organismen nicht für Gesundheit und Langlebigkeit selektiert, sondern auf Reproduktionserfolg 6. Abwehrmechanismen verursachen Leiden Zwei Fragen: 1. Proximate cause (unmittelbar; Pathogenese) Allgemeine und spezielle Pathologie Wie funktioniert der Krankheitsmechanismus? 2. Ultimate cause (evolutionär) 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 unvermeidlich über Generationen übernommen. Sie wirkt dann wenn alle Bedingungen erfüllt werden 1. Merkmal ist variabel ausgeprägt 2. Variation hinsichtlich Reproduktionserfolg 3. Korrelation (= wechselseitige Beziehung) zwischen Reproduktionserfolg und Merkmal 4. Merkmal ist erblich Natürliche Selektion ist nicht perfekt Natürliche Selektion ist zugleich Ursache und Folge medizinischer Maßnahmen Variation des Reproduktionserfolges Reproduktionserfolg = Überleben+Reproduktion Merkmal Alles kann ein Merkmal sein (zB. Augenfarbe, Körpergröße, Temperaturabhängigkeit enzymatischer Prozesse, Struktur von Ribosomen, Arzneimittelmetabolismus, Pathogentoleranz, Amfälligkeit für eine bestimmte Krankheit) Keine Merkmalsvariabilität —> kein Wettbewerb Meisten Merkmale weisen interindividuelle Variabilität auf z.B. Resistenz gegenüber Malaria Korrelation zwischen Reproduktionserfolg und Merkmal Ursache dieser Korrelation: biologische und kulturelle Faktoren —> medizinische Versorgung = kulturelles Element  Biologie B6 Luca Kobisch Antibiotikaresistenz: Bakterienpopulation groß Große Anzahl genetischer Variationen durch hohe Mutationsrate Resistenzgene vor langer Zeit evolviert Antibiotische Therapie —> Selektionsdruck Variable Merkmal ist „Resistenz“ Schneller Prozess Jedes Merkmal ist ein Kompromiss Exkurs: Kommunikation zwischen Bakterien Quorum Sensing: Bakterien hochkomplex; leben nicht für sich selbst sondern können untereinander 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 organisiert vorliegen. Und die gebildet wird von Erregern. Biofilme haben eine hohe therapeutische Relevanz, da sie Erregern helfen können, sich vor dem menschlichen Immunsystem zu schützen. Kommt kein Antibiotika durch, wird versucht zu zerstören 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, durchschnittliche 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 Stammbaumes —> wann traten die Unterschiede erstmals auf Sinnvoll wenn, man Erkenntnisse durch den Vergleich zwischen Arten erlangen möchte Wenn man weiß wo Merkmale im Stammbaum —> Rückschlüsse auf die mögliche Ursache  Biologie B6 Luca Kobisch Was ist ein Patient? Asymmetrische Zellteilung —> Grundlage für Evolution des Alterns und erhält der Keimzelllinie Stammzellen —> Voraussetzung für Krebsentstehung Retrovirus —> Grundstein des adaptiven Immunsystems (= Antikörper vermittelte Immunreaktion durch Lymphozyten Alle Menschen genetisch nahezu ident: 1. Zwei Menschen genetisch ident zu 99,9% 2. Genom zweier Menschen unterschiedet sich in bis zu 3,3 mio Positronen (= 0,1%) 1. Aussage —> Vererbung ist konservativ 2. Aussage —> viel Spielraum für Flexibilität Hautfarbe: Zuerst helle Haut unter dunkler Behaarung —> Verlust der Körperbehaarung um über Transpiration (= Schwitzen) den Körper abzukühlen —> dunkle Pigmentierung der Haut —> Schutz vor Hautkrebs und Folsäuremangel Dann helle Haut um Vitamin D Synthese in kühleren Regionen zu erleichtern —> Kompromiss (= Trade off) Patienten unterscheiden sich genetisch im Bezug auf den Arzneimittel-Metabolismus  Biologie B6 Luca Kobisch Ökologie Grundbegriffe: 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 Ebenen der Ökologie Autökologie: Teilgebiet der Ökologie, das sich mit den Auswirkungen der Umweltfaktoren auf ein einziges Individuum befasst. Demökologie: Teilgebiet der Ökologie, auf dem die Umwelteinflüsse auf ganze Populationen einer bestimmten Tier- und Pflanzenwelt erforscht werden. 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 Der Energiefluss bezeichnet den Energietransfer und die Energieumwandlung von eingestrahlter Sonnenenergie im Ökosystem über die Biomasse der Primärproduzenten und die anschließende Nahrungskette (Konsumenten- und Destruentenkette). Alles geht von der Sonne aus! ca. 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. Bsp: Kalbsschnitzel mit Gemüse essen —> Trophiestufe 2 (weil Gemüse) & 3 (weil Fleisch) Konsumenten 1. Ordnung: Pflanzenfresser Konsumenten 2. Ordnung: Pflanzenfresser-Fresser Konsumenten 3. Ordnung: PflanzenfresserFresser-Fresser  Biologie B6 Luca Kobisch Produzenten: chemoautotroph: Ein Lebewesen das seinen Energiebedarf aus der Oxidation anorganischer Verbindungen bezieht (Bakterien, Archaea) photoautoroph: Organismen, die Photosynthese betreiben. (Algen, Pflanzen, Cyanobakterien) Konsumenten: heterotroph: sind Pflanzenfresser (herbivor) oder Fleischfresser (carnivor) Destruenten: detritivor: haben zusätzlich einen Darm (Maden, Regenwurm) saprotroph: z.B. Pilze, Bakterien Abiotische und Biotische Faktoren Abiotische Faktoren: Sind alle Umweltfaktoren zusammengefasst, 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  Biologie B6 Luca Kobisch Ökologische Nische Die Ökologische Nische bezeichnet die Gesamtheit der biotischen und abiotischen Umweltfaktoren, die das Überleben einer Art beeinflussen. Multidimensionaler „Hyperraum“ einer Spezies. „Beruf“ einer Art wird durch die Grenzen definiert, 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: sind 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: (ist an einem arktischen Modell belegt —> weils artenarm ist!) 1.Die Größe der Populationen schwanken bei konstanten Bedingungen periodisch. Dabei folgt das Maxima der Räuberpopulation auf das Maxima der Beutepopulation. 2. Die Populationsgrößen beider Einzelpopulationen schwanken konstant um einen festen Mittelwert. 3. Werden beide Population 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 für beide Partner von Nutzen. Der kleinere Organismus, der an einer Symbiose beteiligt ist, wird Symbiont genannt, der größere Wirt. - Durch Endosymbiose sind Mitochondrien, Chloroplasten und möglicherweise der Zellkern entstanden. Biodiversität und Stabilität Die Funktionalität des Ökosystems ist eine Voraussetzung fürs Überleben des Menschen. Naturschutz ist wichtig für den Erhalt des Menschen! 20 Hektar Fläche wird täglich in Österreich verbaut. Jeder Mensch beansprucht irgendwo im Ausland 1400 m^2 Boden (für Nahrung)  Biologie B6 Luca Kobisch Energiedurchlauf und Stoffkreisläufe Ökosysteme sind offene Systeme und stehen mit ihrer Umwelt im Stoff- und Gasaustausch. man spricht von zyklischen Stoffkreisläufen Bsp: Kohlenstoff-/Phosphor-/ Stickstoffkreislauf Das System „Erde“ wird als geschlossenes System betrachtet und man kann den Gesamtkohlenstoffgehalt des Systems „Erde“ als konstant betrachten  Biologie B6 Luca Kobisch Populationen Initialphase: Population etabliert sich und beginnt zu wachsen. Exponentialphase: Vermehrungsrate ist höher als Sterberate, daher exponentielles Wachstum. (ausreichend Ressourcen, kaum Krankheiten oder Räuber) Übergangsphase: Vermehrungsrate ist noch höher als Sterberate, die Population wächst aber nur mehr linear. Ressourcen werden aufgrund der hohen Populationsdichte knapper, Krankheiten und/oder Prädatoren nehmen zu. Plateauphase: Vermehrungsrate =Sterberate, Population bleibt konstant. Voraussetzung: nachwachsende Ressourcen! Carrying capacity: die maximale Zahl 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 nicht mehr ausreichen. (Homöostase—>Gleichgewichtszustand des Körpers z.B. 37°C Körpertemp.) Fortpflanzungsstrategien r-Strategen haben eine hohe Reproduktionsrate (r) —> vorhandene Ressourcen gehen über die vorhandene Kapazität hinaus nutzen. K-Strategen bleiben mit der Anzahl ihrer Individuen an ihrer Kapazitätsgrenze (carrying capacity) —> geringere Zahl von Nachkommen mit höhen Überlebenschancen Eutrophierung Anreicherung von Nährstoffen in stehenden, oder langsam fließenden Gewässern, durch natürliche und künstliche Prozesse. —> nutzlose und schädliche Pflanzenwachstum! Parasitologie Grundbegriffe 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, welche durch Energieraub in oder an einem anderen Organismus, dem Wirt, existieren. Beispiele: Protozoen (Einzeller), Helminthen (Würmer), Arthropoden (Gliederfüßer: Insekten, Milben + Zecken) Infestation = Eindringen, Etablieren, Immunreaktion (noch keine Vermehrung) Infektion = Eindringen, Etablieren, Immunreaktion, Vermehrung Krankheit = Klinische Manifestation einer Infestation oder Infektion  Biologie B6 Luca Kobisch Wirte von Parasiten Endwirt: in ihm wird der Parasit geschlechtsreif und produziert Nachkommen. Zwischenwirt: in ihm setzt der Parasit Entwicklung fort, ohne die Geschlechtsreife zu erreichen. Fehlwirt: in ihm ist normale Entwicklung des Parasiten aus physiologischen Gründen nicht möglich. Paratenischer Wirt = Sammelwirt Transportwirt Vektor = Überträger Hauptwirt Nebenwirt Wie kann man Parasiten bekommen Rohes Fleisch, Fisch oder sonstiges Baden in Süßgewässer Zecken/Stechmücken —> über 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: Differentialblutbild (Esoinophilie, Anämie) Immunglobuline (IgM-/IgG-/IgE-Erhöhungen) Symptomatik: „Unspezifisch“ —> z.B. Fieber „Spezifisch“ —> z.B. Hautulkus, blutig-schleimiger Durchfall Anamnese —> Reiseanamnese, Fieber, Diarrhö (Durchfall), … Immunsuppression/Schwangerschaft Anamnestik Reisen? Wann, Wo, Reisestil Verhalten? Baden im Süßwasser, Konsum von nicht garem Fleisch, Fisch, Krabben, Schnecken,… Chemoprophylaxe oder Chemotherapie? Immunsuppression/Schwangerschaft? Parasiten des Menschen Lässt sich in Gemäßigte Breiten und Tropen/Subtropen unterscheiden Protozoen (eukaryotische Einzeller): ca. 100 Spezien Amöben, Plasmodium,… Tropenrückkehrer: Malaria, Haut- und Schkeimhautleishmaniosen, Amöbenruhr, Ohne Tropenreise: Toxoplasmose, Viszerale Leishmaniose, Trichomonose, Acanthamoeba- Keratitis  Biologie B6 Luca Kobisch Helminthen (Würmer): ca. 340 Spezien Bandwürmer, Madenwürmer ,… Tropenrückkehrer: Bilharziose, Hakenwürmer Ohne Tropenreise: Enterobius vermicularis, Ascaris lumbricoides, Echinococcus spp., Taenia spp. Arthropoden (Gliederfüßer): hunderte Arten Läuse, Zecken, Mücken Erreger: Milben (Skabies), Fliegen (Myiasis) Überträger: Stechmücken (Malaria,..), Fliegen (Schlafkrankheit,..), Flöhe (Pest), Läuse (Fleckfieber), Zecken Malaria Frage nach der geografischen Anamnese —> Kenia! Diagnostisches Procedere: – Kapillarblut: Blutausstrich (BLA), Dicker Tropfen (DT), Färbung – EDTA-Blut: PCR, BLA, DT und zusätzlich Kein Antikörpernachweis !!! 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  Biologie B6 Luca Kobisch Erregernachweis Direkter Erregernachweis: Ganze Parasiten, 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