Basiskonzepte
Struktur und Funktion
Kompartimentierung
Steuerung und Regelung
Stoff- und Energieumwandlung
Information und Kommunikation
Reproduktion
Variabilität und Angepasstheit
Geschichte und Verwandtschaft
Kompartimentierung
Steuerung und Regelung
Stoff- und Energieumwandlung
Information und Kommunikation
Reproduktion
Variabilität und Angepasstheit
Geschichte und Verwandtschaft
Tags: Basiskonzepte, Biologie
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Teile der Zellatmung und ihre Bilanzen
1. Glykolyse
2 ATP, 2 (NADH + H+), 2 H20, 2 Pyruvat
2. oxidative Decarboxylierung
2 (NADH + H+), 2 CO2, 2 Acetyl-CoA
3. Zitronensäure-/ Citrat-/ Tricarbonsäurezyklus (TCC)
2 ATP, 6 (NADH + H+), 2 FADH2, 4 CO2
4. Endoxidation/ Atmungskette
34 ATP, 10 NAD+, 2 FAD, 12 H20
2 ATP, 2 (NADH + H+), 2 H20, 2 Pyruvat
2. oxidative Decarboxylierung
2 (NADH + H+), 2 CO2, 2 Acetyl-CoA
3. Zitronensäure-/ Citrat-/ Tricarbonsäurezyklus (TCC)
2 ATP, 6 (NADH + H+), 2 FADH2, 4 CO2
4. Endoxidation/ Atmungskette
34 ATP, 10 NAD+, 2 FAD, 12 H20
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Muskelkontraktion (Gleitfilamenthypothese)
- An den Synapsen der motorischen Neuronen (motorische Endplatten) wird Acetylcholin ausgeschüttet -> Depolarisation Muskelfaser durch Na+ Einstrom
- Aktionspotenziale breiten sich entlang der Zellmembran und in die transversalen Tubuli aus -> Depolarisation
- Freisetzung von Ca2+ -Ionen aus dem Sarkoplasmatischen Retikulum
- Bindung an Troponin -> Verlagerung Tropomyosin -> Bindungsstellen für Myosin werden frei
- Aktin-Myosin-Zyklus: Myosinköpfchen spaltet ATP -> freiwerdende Energie aktiviert das Myosin zur Bindung ans Aktin
- Bindung ans Aktin
- Freisetzung von ADP + P -> Myosinköpfchen kippt um 45° -> verschiebt Aktinfilament in Richtung Sarkomermitte
- Myosinköpfchen bindet ATP und löst sich vom Aktin
- Stopp des Zyklus, wenn nach Ende der Erregung Calcium unter ATP-Spaltung zurück ins SR gepumpt wurde (Myosinköpfchen bleibt aktiviert)
- elektromechanische Kopplung
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Energieumsatz bei Muskeltätigkeit
1. Spaltung vorhandenes ATP (exergon)
2. Kreatinphosphatspaltung
3. Milchsäuregärung
4. Zellatmung
2. Kreatinphosphatspaltung
- KP + ADP <-> Kreatin + ATP, über Kreatinkinase
3. Milchsäuregärung
- anaerob, dafür schneller, unvollständiger Abbau von Glucose
- regeneriert NAD+ für Glykolyse
- pH-Wert im Muskel sinkt
- Abfall Lactat (wird z.T. noch während der Arbeit im Citrat-Zyklus verwertet)
- im Cytoplasma jeder Zelle
4. Zellatmung
- über enzymgesteuerte Stufen wird Glucose unter Verbrauch von O2 zu energiearmen H2O und CO2 abgebaut
- erhöhter O2-Bedarf in Mitochondrien: Antmung tiefer, Hervolumen höher
- zunächst Glykogen aus Muskel- und Leberzellen
- Fettsäuren, die abgebaut und in TCC eingeschleust werden
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Sauerstoffbedarf bei Arbeit
leichte Arbeit
Schwere Arbeit
Sauerstoffschuld/ Epoc
- Aufnahme erreicht relativ schnell das relativ niedrige Maximum
- bleibt auf diesem Niveau -> Bedarf wird kontinuierlich durch die Aufnahme gedeckt (Dauerbelastung)
Schwere Arbeit
- Sauerstoffaufnahme steigt viel höher an, Steigerung über längere Zeit, Rückgang nach Beendigung dauert länger
- kein gleichbleibender Maximalwert -> Bedarf wird von Auffnahme nicht gedeckt
Sauerstoffschuld/ Epoc
- Anfang: Leistung bereits erbracht, aber es dauert einige Zeit, bis die O2 Aufnahme hochgefahren ist -> "Schuld" nach Beendigung der Arbeit ausgeglichen durch höhere Aufnahme als Normalwert
- EPOC = excess postexercise consumption -> Auffüllen ATP und KTP und Lactatverwertung
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Trainingseffekte
Erholung
-> 24-48 h erhöhte Vorräte
Mitochondrien
rote Blutkörperchen
Lugenvolumen
Herzvolumen
Kapillaren
Muskelmasse
Superkompensation
-> 24-48 h erhöhte Vorräte
Mitochondrien
rote Blutkörperchen
Lugenvolumen
Herzvolumen
Kapillaren
Muskelmasse
Superkompensation
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Energiegewinnung aus Glucose
getrennte Teilreaktionen, durch Enzyme katalysiert, Kompartimente
Lebensfunktionen und Körpertemperatur
wichtigster Betriebsstoff
Oxidation: Teilreaktionen mit geringer EA -> können bei Körpertemperatur ablaufen
teilweise als Wärme abgegeben, Rest in Überträgermolekülen gespeichert -> kann für chemische Reaktionen genutzt werden
Lebensfunktionen und Körpertemperatur
wichtigster Betriebsstoff
Oxidation: Teilreaktionen mit geringer EA -> können bei Körpertemperatur ablaufen
teilweise als Wärme abgegeben, Rest in Überträgermolekülen gespeichert -> kann für chemische Reaktionen genutzt werden
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Coenzym
Überträger
ermöglichen Ablauf von Redoxreaktionen
Reduktionsäquvalente
FAD / NAD+ oxidierte Form
NADH + H+/ FADH2 reduzierte
ermöglichen Ablauf von Redoxreaktionen
Reduktionsäquvalente
FAD / NAD+ oxidierte Form
NADH + H+/ FADH2 reduzierte
Tags: Biologie
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Gesamtbilanz der Zellatmung
10 (NADH + H+) + 2 FADH2 + 38 (ADP+P) + 6 O2 + 24 e-
-> 10 NAD+ + 2 FAD + 38 ATP + 12 H20
-> 10 NAD+ + 2 FAD + 38 ATP + 12 H20
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Glykolyse
1. Schritt der Zellatmung
Energieaufwendungsphase: 2 ATP zu ADP+P -> 2 G3P
Energiefreisetzungsphase: Reduktion von 2 NAD+, Bildung von 4 ATP und Pyruvat
2 ATP, 2 (NADH + H+), 2 H2O, 2 Pyruvat
Cytoplasma
Energieaufwendungsphase: 2 ATP zu ADP+P -> 2 G3P
Energiefreisetzungsphase: Reduktion von 2 NAD+, Bildung von 4 ATP und Pyruvat
2 ATP, 2 (NADH + H+), 2 H2O, 2 Pyruvat
Cytoplasma
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oxidative Decarboxylierung
2. Schritt der Zellatmung
Kohlenstoffgerüst wird weiter abgebaut -> zu C2-Körper Acetat oxidiert unter Bildung von NADH + H+ und C02 Abspaltung
Reaktion mit Coenzym-A zu Acetyl-CoA
2 (NADH + H*) + 2 Acetyl-CoA, 2 Co2 (aus 2 Pyruvat)
Mitochondrienmatrix
Kohlenstoffgerüst wird weiter abgebaut -> zu C2-Körper Acetat oxidiert unter Bildung von NADH + H+ und C02 Abspaltung
Reaktion mit Coenzym-A zu Acetyl-CoA
2 (NADH + H*) + 2 Acetyl-CoA, 2 Co2 (aus 2 Pyruvat)
Mitochondrienmatrix
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Citratzyklus
3. Schritt der Zellatmung
Abspaltung von CO2 durch Reduktion von NAD+ (x2)
ATP Gewinnung
Umbau durch Reduktion von FAD und NAD+
Zitronensäure (C6) mit 3 Carboxylgruppen (Tricarbonsäure)
vollständiger Stoffabbau: C2 rein, 2 CO2 raus
2 ATP, 6 (NADH + H+), 2 FADH2, 4 CO2, 2 CoA (aus 2 ACoA)
Mitochondrienmatrix
Abspaltung von CO2 durch Reduktion von NAD+ (x2)
ATP Gewinnung
Umbau durch Reduktion von FAD und NAD+
Zitronensäure (C6) mit 3 Carboxylgruppen (Tricarbonsäure)
vollständiger Stoffabbau: C2 rein, 2 CO2 raus
2 ATP, 6 (NADH + H+), 2 FADH2, 4 CO2, 2 CoA (aus 2 ACoA)
Mitochondrienmatrix
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Atmungskette
4. Schritt der Zellatmung
34 ATP, 12 H20, 10 NAD+, 2 FAD
Intermembranraum/Matrix
- Rückgewinnung NAD+
- NADH gibt e- an hintereinander geschaltete Proteine(Cytochrome/ Komplexe/Redoxsysteme) der inneren Mitomembran über Redoxkette ab -> Atmungskette
- Komplex IV überträgt Elektron auf aufgenommenen O2 -> wird reduziert und regiert mit H+ zu Wasser (positivstes Redoxpotenzial)
- entspricht verlangsamter Knallgasreaktion (O2 Reduktion)
- freiwerdende Energie bei der Reduktion der Komplexe wird für H+Pumpen genutzt
- Konzentrationsgradient: viel H+ Intermembranraum (Säure), wenig Mitomatrix (auch durch H20 Bildung)
- Ladungsgradient -> protonenmotorische Kraft
34 ATP, 12 H20, 10 NAD+, 2 FAD
Intermembranraum/Matrix
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Chemiosmotische Hypothese
- Osmos= Schub
- Kopplung der Redoxreaktionen der Atmungskette an die ATP-Synthese
- Ladungs-/Konzentrationsgradient führt zu protonenmotorischer Kraft -> H+ können durch ATP-Synthase zurück in Matrix transportiert werden -> ATP Synthese
- Hypothese weil der Ablauf des Energieumsatzes ungeklärt ist
ATP-Synthase: Tunnelprotein, verwendet freiwerdende Energie beim Transport zur ATP-Synthese
hängt direkt vom H+ Gradienten ab!
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obligate Aerobier
Lebewesen, die Glucose unter O2-Verbrauch vollständig zu CO2 und H2O abbauen
Tags: 1. Semester, Biologie, Gärung
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obligate Anaerobier
Lebewesen, die ausschließlich anaeroben Glucoseabbau betreiben
O2 giftig
kein vollständiger Abbau
z.B. Milchsäurebakterien
O2 giftig
kein vollständiger Abbau
z.B. Milchsäurebakterien
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fakultative Anaerobier
anaerober & aerober Glucoseabbau je nach O2 Angebot
z.B. Hefezellen
z.B. Hefezellen
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alkoholische Gärung
Abbau Glucose zu Ethanol
Hefezellen
Nachweis Louis Pasteur
luftdichter Abschluss da fakultative Anaerobier
1. Glykolyse -> 2 Pyruvat (2 ATP, Verbrauch von 2 NAD+)
2. oxydative Decarboxylierung -> 2 Ethanal
3. Reduktion -> Ethanol (2 NAD+)
2 Ethanol, 2 CO2, 2 ATP
Cytoplasma
Hefezellen
Nachweis Louis Pasteur
luftdichter Abschluss da fakultative Anaerobier
1. Glykolyse -> 2 Pyruvat (2 ATP, Verbrauch von 2 NAD+)
2. oxydative Decarboxylierung -> 2 Ethanal
3. Reduktion -> Ethanol (2 NAD+)
2 Ethanol, 2 CO2, 2 ATP
Cytoplasma
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Milchsäuregärung
Glucose -> Lactat
Lebensmittel säuern -> Verderbniserreger gehemmt
luftidichter Abschluss: obligate Anaerobier
Milchsäurebakterien
1. Glykolyse -> 2 Pyruvat (C3) (2 ATP, Verbrauch von 2 NAD+)
2. Reduktion -> 2 Lactat (C3) (2 NADH+H+)
2 ATP, 2 Lactat
Cytoplasma
Lebensmittel säuern -> Verderbniserreger gehemmt
luftidichter Abschluss: obligate Anaerobier
Milchsäurebakterien
1. Glykolyse -> 2 Pyruvat (C3) (2 ATP, Verbrauch von 2 NAD+)
2. Reduktion -> 2 Lactat (C3) (2 NADH+H+)
2 ATP, 2 Lactat
Cytoplasma
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Homöostase
Selbstregulation
Aufrechterhaltung eines Gleichgewichtszustandes eines offenen dynamischen Systems durch einen internen regelnden Prozess
Windkesselprinzip
Aufrechterhaltung eines Gleichgewichtszustandes eines offenen dynamischen Systems durch einen internen regelnden Prozess
Windkesselprinzip
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Regulation
- positive/ negative Rückkopplung
- allosterische Regulation
- Aktivierung oder Hemmung von Enzymen durch Hormone
- Induktion oder Repression von Genen, die die Enzyme codieren
- kybernetischer Regelkreislauf
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Was sind Enzyme?
Proteine (= lange Aminosäurenketten)
spezifische Raumstruktur durch Bindungen:
Schlüssel-Schloss-Prinzip:
E + S -> ES -> EP-> E + P
spezifische Raumstruktur durch Bindungen:
- Ionenbindungen
- van-der-Waals-Kräfte
- Wasserstoffbrückenbindungen
- Disulfidbrücken
Schlüssel-Schloss-Prinzip:
- substratspezifisch
- wirkungsspezifisch
E + S -> ES -> EP-> E + P
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Sinn der Enzyme im Körper
Biokatalysatoren:
- setzen Aktivierungsenergie für chemische Reaktionen im Körper herab
- beschleunigen sie
- machen sie bei Körpertemperatur möglich
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reversible Enzymhemmung
- kompetetiv: Kompetitive Inhibitoren sind Substanzen, die mit dem Substrat um die Bindungsstelle im aktiven Zentrum des Enzyms konkurrieren (das Konzentrationsverhältnis von Substrat und Inhibitor bestimmt Geschwindigkeit des Enzyms)
- allosterisch: Inhibitor lagert an das allosterische Zentrum an und verändert die Form des aktiven Zentrums
Ein Enzym, welches die erste Reaktion einer Reaktionskette katalysiert, wird oft durch die am Ende gebildete Substanz gehemmt (dieser Fall wird dann Endprodukthemmung/Feedback-Hemmung/negative Rückkopplung genannt)
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Hormonelle Regulation des Kohlenhydratstoffwechsels
| Insulin fördert | Adrenalin/Glukagon fördert |
| Glucoseaufnahme in die Zelle | Glucoseneubildung in der Leber |
| Glykogenbildung Muskel & Leber | Glykogenabbau Leber & Muskel |
| Zellatmung | |
| Milchsäuregärung | |
| Fettaufbau | Fettabbau |
Tags: 1. Semester, Biologie
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irreversible Enzymhemmung
dauerhafte Inaktivierung durch Gifte oder bestimmte Schwermetallionen
-> Vergiftung der Enzyme
-> Vergiftung der Enzyme
Tags: 1. Semester, Biologie
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Hemmung der Phosphofructokinase
- wichtigste Schaltstelle der Glykolyse
- allosterisch: ATP und Citrat ab einer bestimmten Konzentration als Inhibitoren durch reversible Adhäsion
- ADP und AMP als Aktivatoren
- Bedeutung: Regulation ATP-Gleichgewicht, erspart unnötigen Energieaufwand, nur so lange Synthese bis Ansammlung
Tags: 1. Semester, Biologie
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Reiz-Reaktionsbogen
Reiz
Sinnesorgan
afferente Bahn (Erregung!) über Nervenzellen
Gehirn/Rückenmark
efferente Bahn
Muskel/Drüse/Erfolgsorgan
Reaktion
Sinnesorgan
afferente Bahn (Erregung!) über Nervenzellen
Gehirn/Rückenmark
efferente Bahn
Muskel/Drüse/Erfolgsorgan
Reaktion
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Reizdefinition
physikalische o. chemische Einwirkung aus der Umwelt oder aus dem Körperinneren, die bestimmte Zellen (Sinneszellen) erregt
Tags: 3. Semester, Biologie, Neurophysiologie
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Tags: 3. Semester, Biologie, Neurophysiologie
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Aufbau und Funktion des Neurons
Dendriten und Somamembran: Signalaufnahme
Axonhügel: Signalauslösung -> zusammengeführt und verrechnet, Auslösung elektrischer Signale
Axon mit Myelinhüllen/ Schwannschen Zellen und Ranvierschen Schürringen: Signalfortleitung (saltatorisch)
Synapse: Signalübertragung auf Zielzelle,
Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt freigesetzt: elektrisches Signal zu chemischem Signal umgewandelt -> Diffusion zu spezifischen Rezeptoren
-> Reaktion
Axonhügel: Signalauslösung -> zusammengeführt und verrechnet, Auslösung elektrischer Signale
Axon mit Myelinhüllen/ Schwannschen Zellen und Ranvierschen Schürringen: Signalfortleitung (saltatorisch)
Synapse: Signalübertragung auf Zielzelle,
Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt freigesetzt: elektrisches Signal zu chemischem Signal umgewandelt -> Diffusion zu spezifischen Rezeptoren
-> Reaktion
Tags: 3. Semester, Biologie, Neurophysiologie
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Ruhepotenzial
Potenzialdifferenz von ca. -70 mV durch unterschiedliche Verteilung und Konzentration von Ionen beiderseits der Axonmembran
Vorraussetzung: Beschaffenheit Membran
1. selektiv permeabel durch Kanäle
2. aktiver Transportmechanismus Natrium-Kalium-Ionenpumpe
Vorraussetzung: Beschaffenheit Membran
1. selektiv permeabel durch Kanäle
- K+Ionen 100 % innen viel außen wenig: streben nach Diffusionsgesetzen nach außen, werden von A- (organische Anionen) zurückgehalten (0%)
- nur wenige können die Membran passieren: Ein- und Austritt ungefähr gleich
- Membranpotenzial = Gleichgewichtspotenzial
- Cl-Ionen 45 % innen wenig außen viel: streben nach innen, werden von A- abgestoßen und von K+ und Na+ (4%) angezogen
- alle Ionensorten sind am Aufbau des RP beteiligt
- Gleichgewicht der treibenden Kräfte: Konzentrationsgefälle, Diffusionspotenzial, elektrostatisches Potenzial = RP
2. aktiver Transportmechanismus Natrium-Kalium-Ionenpumpe
- Na+ und K+ diffundieren ständig in geringem Maße -> stören das Gleichgewicht (würden Potenzialdifferenz ausgleichen)
- befördert 2 K+ nach innen und 3 Na+ nach außen
- durch Tunnelproteine und unter ATP Aufwand
Tags: 3. Semester, Biologie, Neurophysiologie
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Aktionspotenzial
1. Ruhepotenzial: -70 mV
2. Öffnung einiger Na+-Kanäle
3. Öffnung weiterer Na+-Kanäle
4. Öffnung K+-Kanäle & beginnende Schließung Na+
5. Schließung K+Kanäle
2. Öffnung einiger Na+-Kanäle
- Beginn Depolarisation
- Diffusion Na+ nach innen
- Spannung wird geringer
3. Öffnung weiterer Na+-Kanäle
- Schwellenwert -50 mV
- spannungsgesteuerte Ionenkanäle
- Diffusions- und elektrostatisches Potenzial: Na+ ins Innere
- fortschreitende Depolarisation
- Umkehr der Ladung 30 mV
4. Öffnung K+-Kanäle & beginnende Schließung Na+
- spannungsgesteuerte Kaliumkanäle
- K+ strömen nach außen
- Repolarisation bis Hyperpolarisation (-75 mV)
- langsamer als Na+
5. Schließung K+Kanäle
- Na+K+Ionenpumpen stellen ursprüngliches Verhältnis wieder her
- Ruhepotenzial
Tags: 3. Semester, Biologie, Neurophysiologie
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Refraktärzeit
Zeit, bis wieder AP ausgelöst werden können
-> bis Na+ Kanäle wieder erregbar sind
-> bis Na+ Kanäle wieder erregbar sind
Tags: 3. Semester, Biologie, Neurophysiologie
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kontinuierliche Erregungsleitung
- einströmende Na+ Ionen werden von Anionen der Umgebung angezogen
- Depolarisation räumlich daneben durch diese Natrium-Ausgleichströme
- neues Aktionspotenzial
- durch Refraktärzeit kein Rückwärtslaufen möglich
- durch "Alles-oder-nichts"-Gesetz Weiterleitung ohne Verlust -> AP immer gleiche Form (Frequenzcodierung!)
AP nur an Axon oder -hügel auslösbar!
Tags: 3. Semester, Biologie, Neurophysiologie
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saltatorische Erregungsleitung
- Axone können von Hüllzellen umgeben sein
- wie Isolatoren
- im Bereich der Ranvierschen Schnürringe haben Na+ Kontakt zur Außenmembran und Ionenkanäle und -pumpen wirken
- sehr schnelle Ausgleichströme im Innern von Schnürring zu Schnürring
AP nur an Axon oder -hügel auslösbar!
Tags: 3. Semester, Biologie, Neurophysiologie
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Verschlüsselung der Information durch Aktionspotenziale
Frenquenzcodierung
nicht Amplitude!
Alles-oder-nichts-Ereignis
nicht Amplitude!
Alles-oder-nichts-Ereignis
Tags: 3. Semester, Biologie, Neurophysiologie
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Multiple Sklerose
- Entzündung im ZNS: Bei einem Schub verlassen B- und T- Zellen die Blutgefäße und durchdringen die Blut-Hirn-Schranke
- setzen Entzündungsstoffe frei, die die Hüllzellen angreifen -> Weiterleitung AP gestört
- irreparable Schäden
- Symptome hängen von Gehirnteil und Grad der Zerstörung ab
- Autoimmunkrankheit
- unklar, warum nur im ZNS
- keine Antigene gefunden
- als Auslöser verschiedene Faktoren diskutiert
Tags: 3. Semester, Biologie, Neurophysiologie
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Informationsübertragung an Synapsen
- AP aus dem Axon erreicht das synaptische Endknöpfchen
- Spannungsänderung -> Öffnung spannungsgesteuerte Ca2+ Kanäle
- Wanderung von Vesikeln mit Transmittermolekülen zur präsynaptischen Membran
- Verschmelzung mit Membran -> Entleerung Transmittermoleküle in den synaptischen Spalt
- Diffusion -> Andocken an passende Rezeptoren an der postsynaptischen Membran
- Öffnung Na+ Kanäle -> Einströmen in postsynaptische Zellle
- Depolarisation an der postsynaptischen Membran = EPSP (erregendes/excitatorisches postsynaptisches Potenzial) -> Ausbreitung entlang der Membran
- Enzyme spalten Transmitter an den Rezeptoren -> Teilstücke lösen sich -> Schließung Kanäle
- Transport der Produkte in die präsynaptische Zelle -> Neusynthese
Tags: 3. Semester, Biologie, Neurophysiologie
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Eigenschaften Rezeptorpotenzial
Reiztransduktion bei Sinneszellen
- proportional zur Reizstärke
- Ausbreitung elektrotonisch mit Abschwächung
- führt zu Impulsfrequenzmodulation im Axon primärer Sinneszellen
- modulierter Transmitterfreisetzung aus der Rezeptorzelle bei sekundären Sinneszellen
- Impulsfrequenzmodulation im nachgeschalteten Neuron
Tags: 3. Semester, Biologie, Neurophysiologie
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Neuronale Verrechnung
- EPSP Depolarisation der postsynaptischen Zelle wirkt erregend -> wird Schwellenwert erreicht: AP im Axon
- IPSP (inhibitorisches) wirkt hemmend -> K+ Ausstrom oder Cl- Einstrom Kanäle statt Na+ -> Überschuss Anionen -> Hyperpolarisation
- je weiter ein PSP wandert, desto schwächer wird es
- je stärker und länger der Schwellenwert überschritten wird, desto größer die AP-Frequenz
- zeitliche Summation
- räumliche Summation
- Konvergenz/Divergenz
Tags: 3. Semester, Biologie, Neurophysiologie
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Beeinflussung von Nervenzellen durch neuroaktive Stoffe
| Schritt | Förderung | Hemmung |
| spannungsgest. Kanäle | kein AP (Dauereinstrom / Ausgleich) | kein AP (kein Wiederherstellen des Ladungsgefälles) |
| Ca2+ Einstrom | Signalverstärkung | kein/geringes Signal |
| Synthese Transmitter | Störung Stoffwechsel | keine Übertragung |
| Bildung Vesikel | mehr Vesikel mit weniger Inhalt Störung | kein Signal |
| Freisetzung Transmitter | höhere Signalstärke | keine Übertragung |
| Anlagerung an Rezeptoren | verstärkte Wirkung | kein PSP |
| Abbau Transmitter | nur kurze Wirkung geringe Signalstärke | Dauerreiz |
| Resynthese | wieder schnell nachfolgendes übertragbar | nicht mehr genügend Transmitter Störung bis kein Signal |
Tags: 3. Semester, Biologie, Neurophysiologie
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Riechen: Vom Reiz zum AP
- Geruchsstoffe als Reiz von Riechsinneszellen aufgenommen
- binden an Rezeptoren in den Cilien
- Membranpotenzial der Zelle ändert sich = Rezeptorpotenzial
- *Schwellenwert -> AP -> Über Axon weitergeleitet
- Signaltransduktion : Übertragung Geruchsinformation in Veränderung Membranpotenzial
- Axone führen in Bündeln zu Riechkolben
- Verarbeitung Aktivierungsmuster im Gehirn
- nicht reines Schlüssel-Schloss-Prinzip -> mehrere Rezeptortypen werden aktiviert
- phasisch**
Tags: 3. Semester, Biologie, Neurophysiologie
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molekulare Vorgänge der Signaltransduktion bei Sinneszellen
Beispiel: Riechsinneszellen
- Geruchsstoffmolekül bindet an Rezeptor in Cilienmembran
- G-Protein wird aktiviert
- Adenylatcyclase wird aktiviert: katalysiert Synthese von cyclischem AMP (cAMP) aus ATP
- wirkt als Second messenger : Freisetzung als Antwort auf ein Signal in der Zielzelle/ intrazelluläre Übertragung des äußeren Signals
- bindet an Ionenkanäle -> Ca2+ und Na+ können in die Zelle diffundieren
- Depolarisation der Membran
- Ca2+ lösen einen Cl-Ausstrom aus -> Verstärkung Rezeptorpotenzial
- Schwellenwert -> AP
- Weiterleitung Axon -> Riechkolben -> Gehirn
- Verabeitung Gehirn = eigentliche Geruchswahrnehmung
Tags: 3. Semester, Biologie, Neurophysiologie
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Mechanorezeptor
Druck (Reiz) wirkt direkt auf Ionenkanäle
Einstrom Kationen
Rezeptorpotenzial
Einstrom Kationen
Rezeptorpotenzial
Tags: 3. Semester, Biologie, Neurophysiologie
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Thermorezeptor
Wärme (Reiz) wirkt auf ein Protein
öffnet danebenliegenden Ionenkanal
Einstrom Kationen
Rezeptorpotenzial
öffnet danebenliegenden Ionenkanal
Einstrom Kationen
Rezeptorpotenzial
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Fotorezeptor
Licht wirkt auf ein Rezeptormolekül (Rhodopsin), das an ein G-Protein gekoppelt ist
Signalübertragung auf Phosphodiesterase
Schließung Ionenkanal, der durch cGMP kontrolliert wird
(hemmende Neurotransmitter)
Signalübertragung auf Phosphodiesterase
Schließung Ionenkanal, der durch cGMP kontrolliert wird
(hemmende Neurotransmitter)
Tags: 3. Semester, Biologie, Neurophysiologie
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Adaptation von Rezeptoren
Änderung Empfindlichkeit von Rezeptoren bei gleichbleibender Reizstärke
tonisch
phasisch
phasisch-tonisch
tonisch
phasisch
phasisch-tonisch
Tags: 3. Semester, Biologie, Neurophysiologie
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tonische Rezeptoren
konstante Impulsfrequenz (1 zu 1 übertragen)
z.B. Chemorezeptoren, Hören
z.B. Chemorezeptoren, Hören
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phasische Rezeptoren
Impulsfrequenzabfall auf 0
Schutz vor Übererregung, Energieersparnis, Fokus auf ReizÄNDERUNGEN
z.B. Geruch
Schutz vor Übererregung, Energieersparnis, Fokus auf ReizÄNDERUNGEN
z.B. Geruch
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phasisch-tonische Rezeptoren
hohe Frequenz am Anfang
dann niedrigere konstante
energiesparend
zB. Sehen
dann niedrigere konstante
energiesparend
zB. Sehen
Tags: 3. Semester, Biologie, Neurophysiologie
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proximate Ursachen für Verhalten
unmittelbare Gründe, Wirkursachen
alle inneren Bedingungen
äußere Auslöser
soziale Bedingungen
Ontogenese
Vorerfahrungen, Reifungsprozesse
alle inneren Bedingungen
äußere Auslöser
soziale Bedingungen
Ontogenese
Vorerfahrungen, Reifungsprozesse
Tags: 3. Semester, Biologie, Neurophysiologie
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ultimate Ursachen für Verhalten
evolutionsbiologische Zusammenhänge, grundlegende Ursachen
Anpassungswert, adaptiver Wert -> Nutzen für das Individuum Überleben, Fortpflanzungserfolg
Phylogenese -> Selektionsvorteil
Anpassungswert, adaptiver Wert -> Nutzen für das Individuum Überleben, Fortpflanzungserfolg
Phylogenese -> Selektionsvorteil
Tags: 3. Semester, Biologie, Neurophysiologie
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Bau Laubblatt und Funktion
Kutikula: Transpirationsschutz, Schutz Krankheitserreger
obere Epidermis: Zellschicht als Puffer, bildet Kutikula
Palisadenparenchym: Assimilationsgewebe -> Fotosynthese
Schwammparenchym: Gasaustausch
Leitbündel: Leitung Wasser, Mineralsalze, Fs Produkte
Spaltöffnung: Transpiration und Gasaustausch
Autoradiographie
- Schritte von Stoffwechselprozessen: zeitliche Reihenfolge der Produkte
- radioaktiv markierte Isotope (Neutronenzahl verändert)
- Melvin Calvin 1961 Nobelpreis
- Algen 14C in Form von NaH14CO3 (Natriumhydrogencarbonat)
- Abtötung nach bestimmten Zeitintervallen -> Extrakt -> Auftrennung durch Chromatographie -> fotografische Platte -> markierte Stoffe sichtbar
Lichtabsorption
- Umwandlung Lichtenergie in chemische Energei -> nutzbar
- Fotosynthese-Pigmente (Farbstoffmoleküle) in Thylakoidmembran
- Wellenlänge 400 nm (lila) energiereicher als 700 nm (rot)
- Absorptionsspektren: Fähigkeit Pigment, Photonen versch. Wellenlängen zu absorbieren
- Wirkungsspektrum: O2-Produktion durch FS
- Fotosysteme: FS-Pigmente als Fotosysteme in Thylakoidmembran organisiert, Chlorophyll-a als Reaktionszentrum + Antennenpigmente
- Antennenpigment durch Photon angeregt -> überträgt Energie bis zum Chlorophyll a -> überträgt ein e- auf einen primären Elektronenakzeptor -> Kette Redoxreaktionen
Primärreaktion (Lichtreaktion) Energetisches Modell
1. Lichtenergie -> Chlorophyll a (P680) angeregt in Fotosystem II -> 2 e- auf Transportkette übertragen
2. Elektronenlücke durch e- aus H2O ersetzt -> Fotolyse des Wassers H2O-> 2 e-, 2 H+ 1/2 O2
3. Elektronentransportkette: hintereinander geschaltete Redoxsysteme -> schrittweise Energieabgabe -> Wärme + ATP-Synthese
4. Chlorophyll a (P700) in Fotosystem I durch Lichtenergie angeregt -> 2 e- auf weitere Transportkette übertragen Elektronenlücke durch Transportkette gefüllt
5. 2 e- schließlich auf NADP+ + 2 H+ übertragen (Reduktion) -> Reduktionsäquvalent NADPH + H+
2. Elektronenlücke durch e- aus H2O ersetzt -> Fotolyse des Wassers H2O-> 2 e-, 2 H+ 1/2 O2
3. Elektronentransportkette: hintereinander geschaltete Redoxsysteme -> schrittweise Energieabgabe -> Wärme + ATP-Synthese
4. Chlorophyll a (P700) in Fotosystem I durch Lichtenergie angeregt -> 2 e- auf weitere Transportkette übertragen Elektronenlücke durch Transportkette gefüllt
5. 2 e- schließlich auf NADP+ + 2 H+ übertragen (Reduktion) -> Reduktionsäquvalent NADPH + H+
Primärreaktion (Lichtreaktion) Chemiosmotisches Modell
- Thylakoidmembran trennt Stroma von Innenraum
- Kompartimentierung Voraussetzung für Bildung und Aufrechterhaltung Konzentrationsgefälle H+Ionen -> Protonengradient
- Protonenpumpen Redoxsysteme I und II: Für jedes Elektron, das unter Freisetzung von Energie in der Transportkette weiterfließt, wird ein Proton in den Thylakoidinnenraum gepumpt + H+ aus Fotolyse Wasser
- pH-Werte: Innenraum 5, Stroma 8
- Protonengradient: Energiespeicher -> genutzt von ATP-Synthase
Calvin-Zyklus (Dunkelreaktion)
1. C-Fixierung
2. Reduktion und Bildung von Glycose
3. Regeneration CO2-Akzeptor
- Enzym Rubisco katalysiert die Bindung von CO2 an Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP) (C6)
- zerfällt sofort in 2 x C3 3-Phosphoglycerat (PGS)
2. Reduktion und Bildung von Glycose
- Reduktion mittels ATP: höheres Energieniveau 1,3-Bisphosphoglycerat (BPG)
- Reduktion durch NADPH + H+ Glycerinaldyhyd-3-phosphat (G3P) -> energiereichstes Produkt x6 -> Glucose, Energie aus Lichtreaktion
- aus Glucose: Stärke, Fruvtose, Fette, Eiweiße
3. Regeneration CO2-Akzeptor
- G3P -> Ribulose-5-phosphat (C5) ATP -> ADP RuBP (C5)
Gesamtbilanz Fotosynthese + Einzelbilanzen
| Primärreaktion | Sekundärreaktion |
| Spaltung H2O | Fixierung CO2, Verbrauch ATP & NADPH+H+ |
| primäre FS-Produkte: ATP & NADPH + H+ | sekundäre FS-Produkte: C6H12O6 |
| lichtabhängig | temperaturabhängig (Enzyme) |
| Thylakoide | Stroma |
| 12 NADP+ + 18 (ADP+P) + 12 H2O -> 6 O2 + 12 (NADPH+H+) + 18 ATP | 12 (NADPH+H+) + 18 ATP + 6 CO2 -> C6H12O6 + 12 NADP+ + 18 (ADP+P) + 6 H2O |
6 Co2 + 12 H2O -> C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
Fotosynthese-Faktoren
1. Licht: Licht-Kompensationspunkt CO2-Freisetzung durch Atmung & Aufnahme ausgeglichen
Sättigungskurve
2. Temperatur: Q10-Wert: Steigerung Reaktionsgeschwindigkeit bei +10°C -> FS 2-3
Optimumkurve
3. CO2: Natur 0,038 % (immer limitierender Faktor wenn Licht und Temperatur ideal sind) Gewächshauser künstlich höher
Gesetz des limitierenden Faktors: Intensität kann nur deurch den Faktor gesteigert werden, der im Minimum ist und limitierend wirkt (Justus von Liebig)
Sättigungskurve
2. Temperatur: Q10-Wert: Steigerung Reaktionsgeschwindigkeit bei +10°C -> FS 2-3
Optimumkurve
3. CO2: Natur 0,038 % (immer limitierender Faktor wenn Licht und Temperatur ideal sind) Gewächshauser künstlich höher
Gesetz des limitierenden Faktors: Intensität kann nur deurch den Faktor gesteigert werden, der im Minimum ist und limitierend wirkt (Justus von Liebig)
C4-Pflanzen
- Mais
- erstes Produkt der Co2-Fixierung Oxalacetat (C4)
- Angepasstheit an große Hitze (Spaltöffnungen kaum oder gar nicht geöffnet)
- kein Schwamm- oder Palisadengewebe dafür Mesophyllzellen und Bündelscheidenzellen
- räumliche Trennung der CO2-Fixierung / doppelt
- CO2 in Mesophyllzelle aufgenommen -> Bindung an PEP (Phosphoenolpyruvat) (C3) durch PEP-Carboxylase -> Oxalacetat -> Malat (Apfelsäure) -> in Bündelscheidenzelleabgegeben -> Pyruvat (C3) durch ATP zu PEP regeneriert
- CO2 in Clavin-Zyklus durch Rubisco fixiert -> Glucose direkt an Leitbündel
- *Kompartimentierung** -> Speicher
- stärkere Fixierung auch bei geringer Stomata-Öffnung
- höhere Affinität zu CO2 als Rubisco
- geringere Konzentration effektiver genutzt
CAM-Pflanzen
- Crassulacean Acid Metabolism
- Sukkulenten besonders angepasst an Trockenheit und Hitze
- Dilemma: notwendige Aufnahme von CO2 und Gefahr der Austrpcknung durch Wasserdampfverlust
- öffnen Spaltöffnungen nachts und schließen sie tagsüber
- nachts wird das Co2 im Cytoplasma in Form von Apfelsäure fixiert und in die Vakuolen zur Speicherung transportiert -> Absenkung pH-Wert
- tagsüber wird sie wieder in die Chloroplasten transportiert -> CO2 wieder abgespalten -> Calvin-Zyklus -> Glucose -> pH-Wert steigt
- zeitliche Trennung der CO2-Fixierung und der Sekundärreaktion
- geringere Produktivität aber nur 1/10 Wasserverlust (C3)
- ermöglicht, ökologische Nischen zu besetzen
- viele Mesophyllzellen, große Vakuolen
Transgene Organismen - Chancen und Risiken Bt-Mais
- klassische Züchtung: Kreuzung von Nutzpflanzen mit den gewünschten Eigenschaften -> langwieriger Prozess -> ertragreichere Pflanzen
- Grüne Gentechnik: Bereich der sich mit Tieren und Pflanzen befasst
- Analyse Erbinformationen an Keimlingen, Isolierung von Genen aus fremden Organismen und Übertragung
- Ertrag, Qualität, Widerstandsfähigkeit gegen Schädlinge und Umweltbedingungen
- Bt-Mais enthält Gen des Bodenbakteriums Bacillus thuringiensis -> produzieren Protein, das für Maiszünsler giftig ist
- Befürchtungen: Allergien verstärkt, Ausbildung von Resistenzen der Schädlinge durch permanenten Kontakt, Anreicherung im Boden, Resistenzen können auf Wildpflanzen übergehen (Auskreuzung), Schaden Nutzinsekten, Verdrängung traditioneller Pflanzenarten, Pollen können sich ausbreiten
Ölgewinnung aus Grünalgen (Alg-Oil)
- Botryococcus und Chlorella enthalten nutzbares Öl, das ihr Absinken in die Tiefe verhindert
- CO2 aus Kraftwerken kann wieder als Biomasse gebunden werden
- durch nachträgliche Veresterung Herstellung hochwertigen Kraftstoffs
- Prozess wird Umesterung genannt
- Ölmoleküle sind mit dem dreiwertigen Alkohol Glycerin veresterte Fettsäuren = Triglyceride
- Triglyceride + Methanol +Katalysator = Fettsäure-Methylester (FAME) + Glycerin
- Reinigung -> Bio-Diesel
- ökologischer Nutzen: CO2-Austpß gleich aber mehr Energiegewinn, kleine Agrarfläche, hohe Effizienz, auch weitere Aufbereitung möglich, verringert Anzahl von nötigen Kraftwerken
- allerdings nur Zwischenspeicherung ohne Fabriken müsste man CO2 aus Atmosphäre auffangen
Bergmannsche Regel
- in kalten Regionen sind Tiere einer Art oder nahe verwandter Arten häufig größer als in warmen Regionen
- relativ verringerte Körperoberfläche im Verhältnis zum Volumen
- Bildung von Wärme in stoffwechselaktiven Zellen -> näherungsweise vom Volumen abhängig
- Wärmeabgabe über Oberfläche
- Gleichwarme Tiere (homoiotherm)
Angepasstheiten von Pflanzen an Wassermangel und -überschuss
- wechselfeuchte Pflanzen hohe Trockenresistenz, niedriger Stoffwechsel
- eigenfeuchte Pflanzen Cuticula Verdunstungsschutz, kontrollierte Wasserabgabe Stomata, Wasseraufnahme über Wurzelhaare
- Sondertypen: Hydrophyten, Hygrophyten, Tropophyten, Xerophyten
Angepasstheiten an Sauerstoffmangel
- obligate Anaerobier
- fakultative Anaerobier
- Biotopbedingte Anaerobiose (Im Gegensatz zu funktionsbedingter Anaerobiose bei zb Muskeltätigkeit): Umschalten von Zellatmung auf Milchsäure- oder alkoholische Gärung bei Sauerstoffmangel (Sumpfpflanzen, Wattwurm, Reis)
Abiotischer und biotischer Stress bei Pflanzen
- Stressor wird über Rezeptor in der Membran erkannt
- extrazelluläres Signal wird in intrazelluläre Signalkette umgewandelt -> Signaltransduktion
- Gene angeschaltet und Enzyme neu produziert, vorhandene Enzyme in ihrer Aktivität beeinflusst oder Transport von Stoffen verändert
- - > veränderter Zellstoffwechsel
- Stressreaktion
Parasitismus
ein Parasit lebt in oder auf einem artfremden Wirtsorganismus, bezieht von ihm Nahrung und schädigt ihn
der Wirt ermöglicht dem Parasiten zu überleben und sich weiter fortzupflanzen
Beispiel Plasmodium Errerger Malaria vermehren sich in roten Blutzellen und beeiträchtigen deren Funktion
Übergangsformen zwischen Symbiose und Parasitismus möglich
der Wirt ermöglicht dem Parasiten zu überleben und sich weiter fortzupflanzen
Beispiel Plasmodium Errerger Malaria vermehren sich in roten Blutzellen und beeiträchtigen deren Funktion
Übergangsformen zwischen Symbiose und Parasitismus möglich
Populationsdichte
Anzahl der Individuen in einer Population
beeinflusst von dichteabhängigen Faktoren
und dichteunabhängigen Faktoren
beeinflusst von dichteabhängigen Faktoren
- Nahrungsmenge, Lebensraumgröße -> Geburtenrate
- Populationsdichte der Fressfeinde -> Sterberate
- Populationsdichten von Parasiten oder Krankheitserregern -> Sterberate
und dichteunabhängigen Faktoren
- günstige/ungünstige Temperaturen
- günstige/ungünstige Wasserversorgung
Ökologische Nische
Ausschnitt der Umweltfaktoren, die beansprucht werden
Überlappungsraum aller ökologischen Potenzen
Prinzip der Konkurrenzvermeidung
Konkurrenzausschlussprinzip: mehrere Arten mit gleicher ökologischer Nische können nicht auf Dauer nebeneinander existieren
Einnischung Prozess, der dazu führt, dass Ressourcen unter Konkurrenzvermeidung erfolgreich genutzt werden können -> Evolution
Überlappungsraum aller ökologischen Potenzen
Prinzip der Konkurrenzvermeidung
Konkurrenzausschlussprinzip: mehrere Arten mit gleicher ökologischer Nische können nicht auf Dauer nebeneinander existieren
Einnischung Prozess, der dazu führt, dass Ressourcen unter Konkurrenzvermeidung erfolgreich genutzt werden können -> Evolution
Stoffkreislauf und Trophieebenen
Trophieebene Nahrungsebenen
Produzenten autotrophe fotosynthetisch aktive Organismen
Konsumenten heterotrophe Organismen, die direkt oder indirekt die von den Produzenten gebildeten energiereichen Stoffe aufnehmen
Destruenten bauen abgestorbene Biomasse zu anorganischen Stoffen (Wasser, CO2, Mineralsalze) ab
Primärkonsumenten Phytophagen
Sekundärkonsumenten Zoophagen
Nahrungsnetz
Energiefluss in Ökosystemen
Energiefluss Weitergabe chemischer Energie im Ökosystem zur nächsten Trophiebene
Energieentwertung Wärme kann nicht mehr weiter umgewandelt werden, biologisch nutzbare Energie und Biomasse nehmen zur nächsten Trophieebene um 90 % ab
Biomasseproduktion Stoffsynthese aus Lichtenergie durch Produzenten
Stofffluss Biomasse wird weitergegeben
Unterschied zu Stoffkreislauf: Weitergabe immer verwendbarer Elemente, ohne dass sie verloren gehen (z.B, C-Kreislauf)
Darstellung: Energie- und Biomassepyramiden
Energieentwertung Wärme kann nicht mehr weiter umgewandelt werden, biologisch nutzbare Energie und Biomasse nehmen zur nächsten Trophieebene um 90 % ab
Biomasseproduktion Stoffsynthese aus Lichtenergie durch Produzenten
Stofffluss Biomasse wird weitergegeben
Unterschied zu Stoffkreislauf: Weitergabe immer verwendbarer Elemente, ohne dass sie verloren gehen (z.B, C-Kreislauf)
Darstellung: Energie- und Biomassepyramiden
Ökosystem See Aufbau
- Nährschicht/Epilimnion (obere Wasserschicht): Die starke Lichtintensität führt dazu, dass die Bildung von Biomasse und die Freisetzung von Sauerstoff größer ist als der Verbrauch von Biomasse und Sauerstoff durch die Zellatmung. Es ist viel Sauerstoff vorhanden, da Fotosynthese > Zellatmung
- Kompensationsschicht/Metalimnion (mittlere Wasserschicht): Die Lichtintensität nimmt ab. Dadurch halten sich Fotosynthese und Zellatmung im Gleichgewicht. Es ist wenig Sauerstoff vorhanden, da Fotosynthese = Zellatmung
- Zehrschicht/Hypolimnion (untere Wasserschicht): Aufgrund der geringen Lichtintensität ist kaum noch oder fast gar keine Fotosynthese mehr möglich. Hier leben nur noch Organismen, die bei sehr geringen Sauerstoffkonzentrationen existieren können. Es ist sehr wenig Sauerstoff vorhanden, da Fotosynthese < Zellatmung
Der See im Wechsel der Jahreszeiten
Frühling: Vollzirkulation
Sommer: Stagnation
Herbst: Vollzirkulation
Winter: Stagnation
- Wind
- Konvektion
- konstante Temperatur 4°C (größte Dichte)
- gleichmäßige Verteilung CO2, Mineralstoffe
Sommer: Stagnation
- Sonneneinstrahlung -> Erwärmung -> geringere Dichte
- Temperatursprung zwischen Oberflächen- und Tiefenwasser
- Sperrschicht = Sprungschicht
- Zirkulation Oberflächenwasser durch Wind (20°C), Wasserpflanzen und Algen durch Mineralstoffe aus Frühling
- Tiefenwasser Stagnation -> Absinken O2Gehalt Zehrschicht (Destruenten bauen abgestorbene Organismen unter O2Verbrauch zu Mineralsalzen und CO2 ab)
Herbst: Vollzirkulation
- Abkühlung
- 4°C -> wie Frühling
Winter: Stagnation
- Eis an der Oberfläche
- keine Zirkulation
- Tiefenwasser 4°C
- O2 Gehalt höher als im Sommer: keine DIffusion, Fische verbrauchen weniger, kaltes Wasser bindet mehr
Oligotrpher und eutropher See im Vergleich
| Oligotroph | Eutroph |
| Tiefes Becken, schmales Litoralgebiet mit wenigen Pflanzen | flaches Becken, breite Uferregion, dicht bewachsene Verlandungszone |
| arm an Nährsalzen -> wenig Phytoplankton, geringe Primärproduktion -> Sichttiefe groß -> Nährschicht reicht tief, oft noch in der Nährschicht Mineralisierung | reich an Nährsalzen -> hohe Primärproduktion -> Phytoplankton -> Wasserblüten möglich |
| geringe Biomasse zehrt wenig O2 -> Zehrschicht genügend O2, Boden mineralische Schlammschicht, kaum organische Stoffe | große Biomasse -> O2 Gehalt Zehrschicht während Sommerstagnation reicht nicht aus für aerobe Destruenten um das abgestorbene organische Material zu mineralisieren -> Überschuss bildet schwarze Schlammschicht -> anaerobe Zersetzung kann Methan und Schwefelwasserstoff freisetzen |
Ethisches Bewerten
1. Definieren Dilemma/Konflikt
2. mögliche Handlungsoptionen
3. Pro und Kontra Argumente
4. Reflexion von Werten: deontologisch kategorische Prinzipien, konsequenzialistisch Konsequenzen und Folgen
5. persönliches begründetes Urteil und Diskussion anderer Urteile
6. Konsequenzen eigenes und andere Urteile
2. mögliche Handlungsoptionen
3. Pro und Kontra Argumente
4. Reflexion von Werten: deontologisch kategorische Prinzipien, konsequenzialistisch Konsequenzen und Folgen
5. persönliches begründetes Urteil und Diskussion anderer Urteile
6. Konsequenzen eigenes und andere Urteile
Homologie
Ähhnlichkeit aufgrund der Abstammung von gemeinsamen Vorfahren
Übereinstimmungen können aufgrund von Anpassungen an die jeweilige Funktion gerin sein! Divergenz
- Kriterium der Lage (Gefügesystem)
- Kriterium der Kontinuität (Zwischenformen)
- Kriterium der spezifischen Qualität (Teilstrukturen/Baumerkmale)
Übereinstimmungen können aufgrund von Anpassungen an die jeweilige Funktion gerin sein! Divergenz
Belege für die Evolutionstheorie aus der Molekularbiologie
Stoffwechsel:
genetischer Code:
Immunsystem der Säugetiere:
Austausch von AS-Sequenzen:
Übereinstimmung -> Verwandtschaft -> Stammbäume
- Kohlenhydratabbau universell Glykolyse -> Citratzyklus -> Atmungskette
- O2 durch fotosynthetische Lebewesen in Atmosphäre -> aerober Abbau
genetischer Code:
- AS-Sequenzierung universell
- Codierung willkürlich -> gemeinsamer Ursprung
Immunsystem der Säugetiere:
- artspezifische Serumproteine
- artfremde werden als Antigene erkannt -> Antigen-Antikörper-Reaktion -> Präziptitation
Austausch von AS-Sequenzen:
Übereinstimmung -> Verwandtschaft -> Stammbäume
Präzipitintest
- Kaninchen menschliches Blutserum -> bildet spezifische Antikörper
- Anti-Human-Serum wird dem Kaninchen entnommen
- mit menschlichen Blutserum vermischt -> alle Serumproteine werden durch die Antikörper gebunden & ausgefällt
- je höher die Ausfällung (Präzipitation), desto verwandter mit dem Menschen
Endosymbiontenhypothese
- urtümlicher Prokaryot: ähnelt Archaebakterien & Bakterien, DNA im Zellplasma, keine Zellorganellen -> größer durch wachsendes Nahrungsangebot-> Einfalten der Zellmembran -> Kompartimentierung der Zelle -> Ausbildung Zellkern -> Eukaryot
- O2 durch fotosynthetische Cyanobakterien in Atmosphäre angereichert -> von atmenden, aeroben Prokaryoten genutzt -> Mitochondrien
- Symbiose: Schutz vor anderen räuberischen Zellen + Versorgung mit Nährstoffen, Entsorgung giftiger O2, ATP Zellatmung
- später zusätzlich Aufnahme Cyanobakterien -> Chloroplasten -> Lichtenergie nutzen -> Pflanzenzellen
- Endosymbiose: Weiterleben der kleineren Zelle im Innern der größeren zum beiderseitigen Vorteil
- Endosymbiontentheorie: aus aufgenommenen Einzellern haben sich heutige Mitochondrien bzw. Chloroplasten entwickelt
- Belege: Doppelmembran (innen ähnlich Prokaryot, außen ähnlich Eukaryot), Vermehrung Mito & Chl durch Teilung (wie Vorfahren selbstständig), leichtere Risbosomen (wie Prokaryoten), ringförmige DNA, kleineres Genom als Bakterien (Genverlust im Laufe der Entwicklung)
Evolution der Stoffwechseltypen
vor 3,9 Mill Jahren:
3,6 Mill
3,4
2,7-2,8 Mill
1,8-2 Mill
1,4 Mill
0,4-0,4 Mill
- erste Organismen heterotroph & anaerobe Gärung
- Atmosphäre reduzierend. H2 & CO2
3,6 Mill
- massenhafte Vermehrung Bakterien
- Nahrungskrise
3,4
- erste Fotosynthese betreibende Prokaryoten -> unabhängig vom Nahrungsangebot autotroph
- Anreicherung O2 -> Aussterben vieler Arten -> Sauerstoffkrise
2,7-2,8 Mill
- oxidative Abbauprozesse entstehen -> energetischer Vorteil
1,8-2 Mill
- erste Eukaryoten -> Endosymbiose Mitochondrien -> O2 Nutzung
- Endosymbiose Chloroplasten (Cyanobakterien) -> Pflanzliche Eukaryoten
- langsame Bildung der O2 Atmosphäre
1,4 Mill
- höhere O2 Konzentration ermöglicht Bildung von Vielzellern
0,4-0,4 Mill
- Bildung von Ozon (O3) aus O2
- Absorption UV-B-Strahlung, Leben auf dem Land wird möglich
Evolutionstheorie Lamarck
Theorie von der Veränderlichkeit der Arten
teleologisch
Modifikationen nicht vererbbar (nur Modifikationsbreite) -> Phänotyp
- innerer Drang zur Vervollkommnung und Höherentwicklung
- aktive Anpassung
- Gebrauch oder Nichtgebrauch von Organen -> gestärkt/verkümmert
- erworbene Eigenschaft erblich
- nächste Generation besser angepasst
teleologisch
Modifikationen nicht vererbbar (nur Modifikationsbreite) -> Phänotyp
Evolutionstheorie Darwin
Theorie der natürlichen Auslese
Grundlage der synthetischen Evolutionstheorie
- Population mehr Lebewsen als zu Erhalt notwendig, trotzdem gewisse Konstanz -> nur ein Teil überlebt
- Konkurrenz, begrenzte Ressourcen (struggle for life)
- Individuen einer Population unterscheiden sich von Geburt an
- natürliche Selektion: unterschiedlicher Fortpflanzungserfolg der Individuen durch größere Chance zu überleben durch erbliche Merkmale (survival of the fittest)
- Im Laufe der Generationen: Angepasstheit einer Population an die gegebenen Umweltbedingungen
- erbliche Variabilität
Grundlage der synthetischen Evolutionstheorie
Präadaption am Beispiel der Antibiotikaresistenz
Beleg Fluktuationstest
- Bakterienkultur aufgeteilt auf Kulturgläser, nach 3 Tagen auf antiniotikumhaltige Gelatineplatten
- Schwankungen der Kolonien = Fluktuation
- Ist die nachträgliche Anpassung an einen Umweltfaktor möglich? (Lamarck)
- bei induzierter Mutation hätte imer eine ähnliche Anzahl resistenter Bakterien übrig bleiben müssen -> Vererbung erworbener Eigenschaften
- Aber: starke Fluktuation -> spontane Mutation auch in Abwesenheit von Selektionsmechanismen
- Präadaption: Auch neutrale/zunächst nachteilige Gene können sich bei einer Umweltveränderung/ einem neuen Lebensraum positiv/vorteilhaft auswirken -> Möglichkeit von Anpassung liegt bereits vor (völlige genetische Gleichheit der Individuen nachteilig!)
Synthetische Evolutionstheorie
Alle evolutiven Veränderungen beruhen auf Veränderungen von Genfrequenzen im Genpool einer Population
- Mutation, Rekombination und Selektion
- auf Ebene der Population: Gruppe von artgleichen Individuen, die zeitgleich in einem Gebiet leben und sich untereinander fortpflanzen können
- Evolutionsfaktoren: Prozesse, die die Genfrequenz im Genpool verändern oder die zur Neukombination von Genen führen (Rekombination, Mutation, natürliche Selektion, Genfluss, Gendrift)
Gendrift
Veränderung des Genpools z.B. aufgrund von Umweltkatastrophen
Gründereffekt: duch die Neubesiedlung eines Lebensraums mit wenigen Grünerindividuen wird der Genpool der Teilpopulation stark verändert, Allele können häufiger, seltener oder gar nicht mehr auftreten
Flaschenhalseffekt: Durch einen Zufallsprozess wird die genetische Variabilität einer Population stark verringert. Dies kann dazu führen, dass bestimmte Allele eliminiert werden
Gründereffekt: duch die Neubesiedlung eines Lebensraums mit wenigen Grünerindividuen wird der Genpool der Teilpopulation stark verändert, Allele können häufiger, seltener oder gar nicht mehr auftreten
Flaschenhalseffekt: Durch einen Zufallsprozess wird die genetische Variabilität einer Population stark verringert. Dies kann dazu führen, dass bestimmte Allele eliminiert werden
gerichtete Selektion
(auch transformierende)
- Neuer Selektionsfaktor verändert die Umweltbedingungen
- Begünstigung eines Merkmals am Rand des Merkmalsspektrums
- Anpassung an neue Umweltfaktoren
- Züchtung sorgt für gerichtete Selektion
- Artenwandel, wenn Umweltfaktoren länger bestehen bleiben
Isolationsmechanismen
Isolation Barrieren, die eine erfolgreiche Fortpflanzung zwischen Individuen verschiedener Populationen einschränken oder verhindern
Präzygotische Isolation: (vor der Befruchtung)
Postzygotische Isolation: (nach der Befruchtung)
Präzygotische Isolation: (vor der Befruchtung)
- Ökologische Isolation: leben im selben Gebiet, besetzen aber verschiedene ökologische Nischen
- Zeitliche Isolation: leben im selben Gebiet, sind aber zu unterschiedlichen Zeiten paarungsbereit
- Verhaltensbedingte Isolation: genetisch bedingte Unterschiede im Paarungsverhalten (Gefiederfärbung, Paarungsrufe)
- Mechanische Isolation: Unterschiedlicher Bau der Fortpflanzungsorgane verhindert Begattung
Postzygotische Isolation: (nach der Befruchtung)
- Entwicklungsstörung, erhöhte Sterblichkeit
- Unfruchtbarkeit
- Behinderung, veränderte Chromosomenzahl
Allopatrische Artbildung
Durch räumliche Trennung entstehen aus einer Ausgangspopulation zwei Teilpopulationen (Kontinentaldrift, Klimawandel, Gebirgsbildung)
- Mutationen und ein unterschiedlicher Selektionsdruck sorgen für eine nicht konvergente Entwicklung der beiden Teilpopulationen, sodass sie irgendwann voneinander reproduktiv isoliert sind
- Bleibt die Barriere längere Zeit bestehen und es herrscht längere Zeit kein Genfluss zwischen beiden Teilpopulationen, so entstehen zwei Arten
Adaptive Radiation
In kurzen Zeiträumen verlaufende Auffächerung einer Art in zahlreiche Arten
Beispiel: Darwinfinken
Beispiel: Darwinfinken
- Weniger Gründerindividuen bildeten eine Gründerpopulation auf einer der Galapagos-Inseln
- vielfältiges Nahrungsangebot und keine Konkurrenz!
- Durch Zufall gelangten Individuen dieser Stammart auf eine weitere Insel und waren vorübergehend geographisch isoliert
- Mit dieser Zeit entwickelten sich die beiden Populationen derart auseinander, dass sie voneinander reproduktiv isoliert waren: Mutation, Rekombination, Selektionsdruck
- Erneut durch Zufall gelangte die zweite Art zurück auf die Ursprungsinsel und konkurrierte dort entweder mit der Ursprungsart um eine ökologische Nische oder besetzte eine andere ökologische Nische
- Dieser Vorgang der Auffächerung der Arten hat sich mehrmals wiederholt
Kosten-Nutzen-Analyse
- Untersuchung, wie sich ein Verhalten oder ein Merkmal auf die reproduktive Fitness (Fortpflanzungserfolg) auswirkt
- Nutzen bemisst sich am Beitrag zum Fortpflanzungserfolg
- Kosten beziehen sich auf den Energieaufwand, das Merkmal auszubilden
- Es setzen sich Merkmale durch, bei denen der Nutzen größer als die Kosten sind → Verhältnis zwischen Nutzen und Kosten entscheidet über den adaptiven Wert
Fortpflanzungsstrategien
| Kennzeichen | r-Strategie (Reproduktionsrate) | K-Strategie ( Kapazität) |
| Individualentwicklung | schnell | langsam |
| Reproduktionsrate | hoch | niedrig |
| Elterninvestment | gering | hoch |
| Körpergröße | gering | hoch |
| Lebensdauer | gering | hoch |
| Geburtenabstände | gering | hoch |
| Sterblichkeit | hoch | gering |
| Wurfgröße | hoch | gering |
| Populationsschwankung | hoch | gering |
| Eintritt in die Geschlechtsreife | früh | spät |
| Beispiele | Ratten, Feldmaus | Mensch, Elefant |
PCR Polymerase Chain Reaction
DNA vervielfältigen, damit genügend zur weiteren Untersuchung vorliegt
Lösung enthält: DNA, Nukleotide, Primer-Moleküle, Enzym DNA-Polymerase (hitzestabil)
1. Denaturierung: Trennung der DNA-Doppelhelix zu zwei Einzelsträngen durch Erhitzen (Wasserstoffbrückenbindungen lösen sich)
2. Hybridisierung: Anfügen von Primern an die Einzelstränge, welche die zu vervielfältigenden DNA-Abschnitte eingrenzen
3. Polymerisierung: Erhitzen, damit die DNA-Polymerase ihr Optimum erreicht (72°C)
→ DNA wird verdoppelt
Lösung enthält: DNA, Nukleotide, Primer-Moleküle, Enzym DNA-Polymerase (hitzestabil)
1. Denaturierung: Trennung der DNA-Doppelhelix zu zwei Einzelsträngen durch Erhitzen (Wasserstoffbrückenbindungen lösen sich)
2. Hybridisierung: Anfügen von Primern an die Einzelstränge, welche die zu vervielfältigenden DNA-Abschnitte eingrenzen
3. Polymerisierung: Erhitzen, damit die DNA-Polymerase ihr Optimum erreicht (72°C)
→ DNA wird verdoppelt
Gelelektrophorese
Analyse DNA-Gemisch
1. Zerschneiden der DNA nah verwandter Individuen
2. DNA-Abschnitte werden auf ein Gel aufgetragen und eine Spannung angelegt
3. Die verschieden langen DNA-Abschnitte wandern unterschiedlich schnell zur positiven Anode, wodurch Banden mit gleichlangen DNA-Abschnitten entstehen (kleine, negativ geladene Anionen wandern schneller zur Anode als große Anionen)
→ Durch den Vergleich der Banden können Verwandtschaften nachgewiesen werden
radioaktiv markiert -> Autoradiographie
UV-fluoreszierende Farbstoffe
1. Zerschneiden der DNA nah verwandter Individuen
2. DNA-Abschnitte werden auf ein Gel aufgetragen und eine Spannung angelegt
3. Die verschieden langen DNA-Abschnitte wandern unterschiedlich schnell zur positiven Anode, wodurch Banden mit gleichlangen DNA-Abschnitten entstehen (kleine, negativ geladene Anionen wandern schneller zur Anode als große Anionen)
→ Durch den Vergleich der Banden können Verwandtschaften nachgewiesen werden
radioaktiv markiert -> Autoradiographie
UV-fluoreszierende Farbstoffe
DNA-Hybridisierung
1. Extrahieren und Zerschneiden der DNA
2. Reinigung der DNA
3. Doppelhelix wird aufgespalten, wodurch zwei Einzelsträngt entstehen; ein Einzelstrang wird radioaktiv markiert)
4. Der markierte Einzelstrang wird mit einem Einzelstrang einer anderen Art zusammengefügt. Diese schließen sich je nach Komplementarität zur Doppelhelix zusammen
5. Der entstandene DNA-Strang wird denaturiert
→ Je näher verwandt, desto mehr Wasserstoffbrücken sind entstanden; Den Verwandtschaftsgrad kann man durch den Vergleich der benötigten Energie zur Spaltung der Wasserstoffbrücken erkennen (Je mehr Energieaufwand, desto näher die Verwandtschaft)
2. Reinigung der DNA
3. Doppelhelix wird aufgespalten, wodurch zwei Einzelsträngt entstehen; ein Einzelstrang wird radioaktiv markiert)
4. Der markierte Einzelstrang wird mit einem Einzelstrang einer anderen Art zusammengefügt. Diese schließen sich je nach Komplementarität zur Doppelhelix zusammen
5. Der entstandene DNA-Strang wird denaturiert
→ Je näher verwandt, desto mehr Wasserstoffbrücken sind entstanden; Den Verwandtschaftsgrad kann man durch den Vergleich der benötigten Energie zur Spaltung der Wasserstoffbrücken erkennen (Je mehr Energieaufwand, desto näher die Verwandtschaft)
Aminosäurensequenzvergleich
1. Vergleich der Reihenfolge der Aminosäuresequenz im Cytochrom C
2. Je näher verwandt, desto ähnlicher der Bau der Proteine
→ Je größer die Abweichung, desto entfernter verwandt sind die Lebewesen; eine abweichende Aminosäure bedeutet ein verändertes genetisches Material
2. Je näher verwandt, desto ähnlicher der Bau der Proteine
→ Je größer die Abweichung, desto entfernter verwandt sind die Lebewesen; eine abweichende Aminosäure bedeutet ein verändertes genetisches Material
Evolution des Menschen
- vor 6-7 Millionen Jahren: letzte gemeinsame Vorfahren Schimpansen und heutiger Mensch
- vor 5 Millionen Jahren: Klimawandel mit Abkühlung, Verringerung Fläche tropischer Regenwald -> Baumsavanne, Vor- & Frühmenschen konnten die meiste Zeit aufrecht gehen
- vor 3,5 Millionen Jahren: Australopithecus aufrechter Gang, Gehrinvolumen wie heutige Schimpansen
- vor 3 Millionen Jahren: zwei Grundformen Australopithecus, hartschalige Samen und Nüsse, große Backenzähne Kaumuskeln
- vor 2,5 Millionen Jahren: Gattungsbezeichnung Homo, einfache Steinwerkzeuge -> unabhängiger von Umweltbedingungen, bessere Nutzung von Nahrungsquellen, Hände durch aufrechten Gang frei -> Wachstum Hirnvolumen, Koordination
- vor 1,8 Millionen Jahren: Homo errectus Europa und Asien, Vorfahren der Neandertaler(vermutlich Wortsprache), Feuernutzung, Entwicklung Kiefer geht zurück
- vor 180 000 Jahren: Homo sapiens Europa, Sammler/Jäger -> soziale Strukturen, Ackerbau, Wortsprache
Vergleich biologische und kulturelle Evolution
| Aspekt | biologisch | kulturell |
| Informationsspeicher | DNA | Gehirn, Speichermedien wie Bücher und Datenträger |
| Informationsübertragung | Vererbung | Bildung von Traditionen, Nachahmung, Sprach und Schrift |
| Informationsveränderung | Mutation, Rekombination | neue Ideen, Erfindungen, Entdeckungen |
| Ausbreitung | von Eltern auf eigene Nachkommen, langsam | beliebig, nich auf Nachkommen beschränkt, schnell |
| Auswirkung | Anpassung der Lebewesen an ihre Umwelt, Artbildung, stammesgeschichtrliche Entwicklung | Anpassung der Umwelt an die Bedürfnisse des Menschen, kulturgeschichtliche Entwicklung |
| genetische Schäden | werden ausselektiert, die Population so stabilisiert | können medizinisch, sozial behoben/ausgeglichen werden, bleiben in der Population vorhanden |
| Lernen | nur erfolgreiche Gene werden weitergegeben, Lernen am Erfolg, Selektion zum allmählich Brauchbaren | Weitergabe von Erfahrung durch Sprache auch Lernen aus Misserfolg |
Informationsfluss bei der Proteinbiosynthese
Komplementäre Basenpaare durch Wasserstoffbrückenbindungen verbunden, Adenin - Thymin (RNA Uracil) , Guanin - Cytosin
Transkription
Translation
Transkription
- RNA-Polymerase bindet an einen Promotor der DNA
- wandert in 3'-5' Richtung -> DNA entspiralisiert (codogener Strang)
- Anlagerung von komplementären Nucleotiden bis zum Stop-Codogen
- verbinden sich in 5'-3' Richtung zu einem Einzelstrang -> prä-mRNA (Codon)
- enthält codierende Exons und nicht-codierende Introns -> herausgeschnitten spleißen
- reife mRNA verlässt den Zellkern und bindet an ein Ribosom
Translation
- tRNAs zwei spezifische Bindungsstellen: Aminosäure, Anticodon für Bindung an mRNA
- beladene tRNA wandert zu Ribosom und verbindet sich mit Anticodon mit dem passenden Triplett der mRNA
- Aminosäuren der aufeinanderfolgenden tRNA-Moleküle mithilfe von Enzymen
- Ribosom wandert an mRNA vom 5' zum 3' Ende weiter
- Es entsteht ein Protein in Primärstruktur
Regulation der Genaktivität bei Prokaryoten
Operon-Modell Lactose-Operon bei E.coli Bakterien
Substratinduktion Lactose = Substrat von Enzymen, deren Synthese es herbeiführt
Endproduktrepression Endprodukt aktiviert Repressor
}
- Regulatorgen außerhalb des Lactose-Operons gelegen Genprodukt Repressor
- Repressor Protein mit spezifischer Bindungsstelle für Operator und Induktor (hier Lactose) -> bindet nach Schlüssel Schloss Prinzip an den Operator und hindert dadurch die RNA-Polymerase an der Transkription
- Operon Funktionseinheit aus Promotor, Operator und Strukturgenen
- Promotor Ansatzstelle der RNA-Polymerase (Bildung mRNA)
- Operator Schalter, der den Zugang der RNA-Polymerase zulässt oder nicht
- Strukturgene codieren Enzyme, die am Abbau von Lactose beteiligt sind
Substratinduktion Lactose = Substrat von Enzymen, deren Synthese es herbeiführt
Endproduktrepression Endprodukt aktiviert Repressor
}
Regulation der Genaktivität bei Eukaryoten
- Transkriptionsfaktoren Proteine, die nach dem Schlüssel Schloss Prinzip in Wechselwirkung mit spezifischen DNA-Abschnitten treten -> aktivieren oder hemmen RNA-Polymerase, durch Signalmoleküle wie Hormone aktiviert
- DNA-Steuerelemente regulatorische Abschnitte auf der DNA, an die Transkriptionsfaktoren binden, z.B. Promotor-DNA Einleitung Transkription
- Summe der gleichzeitigen Einflüsse vieler Transkriptionsfaktoren entscheidet, wo, wann und wie häufig ein Gen abgelesen wird
- mRNA-Prozessierung Bildung von reifer mRNA
- Eukaryoten haben Mosaikgene: codierende Exons und nicht-codierende Introns
- Spleißen Introns aus prä-mRNA herausgeschnitten -> verbliebene Exons zu mRNA verknüpft
- ein Gen kann verschiedene Proteine codieren!
Sturktur und Funktion von Zellmembranen
Basis Phospholipide hydrophiler (polar, lipophob) und hydrophober (unpolar, lipophil) Teil
Flüssig-Mosaik-Modell Membranproteine mosaikartig in der Phospholipid-Doppelschicht verteilt -> dynamisch nicht starr!
Funktionen
Flüssig-Mosaik-Modell Membranproteine mosaikartig in der Phospholipid-Doppelschicht verteilt -> dynamisch nicht starr!
Funktionen
- Kompartimentierung
- selektiver Stofftransport
- Signaltransduktion
- Regulation enzymatischer Reaktionen
- Verankerung von Membranproteinen mit dem Cytoskelett
- Zellerkennung
Flashcard set info:
Author: sternchenEtoile
Main topic: Biologie
Topic: Abiturwissen
Published: 27.03.2013
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