Biologie Abitur

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die Lebewesen einer Biozönose (Lebensgemeinschaft) konkurrieren um Nahrung, Raum und Ressourcen Räuber-Beute-Beziehung: Räuber ernähren sich von ihrer Beute Parasitismus: ein Parasit ernährt sich auf den Kosten seines Wirtes, welches als Folge den Wirt stark schädigt, ihn jedoch aber oftmals nicht tötet; hierbei hat also der Parasit einen einseitigen Vorteil auf Kosten des Wirtes (Wirte bekämpfen Parasiten durch die Bildung von Giftstoffen oder Putzsymbiosen) → Ektoparasiten: leben auf der Oberfläche des Wirtes (z. B. Flöhe, Läuse) → Endoparasiten: leben im Körperinneren (z.B. Bandwürmer, Leberegel) Symbiose: Zusammenleben artverschiedener Lebewesen zum wechselseitigen Nutzen (beide ziehen oftmals Vorteile daraus) →Allianz: beide haben durch die Symbiose einen Vorteil, sind aber darauf nicht angewiesen → Mutualismus: regelmäßige Symbiose, ohne für die Arten überlebensnotwendig zu sein → Eusymbiose: notwendige Symbiose zwischen zwei Arten, die ohne diese nicht überleben würden 5. Ökologische Nische Die Gesamtheit der ökologischen Potenzen (Fähigkeiten, die Ressourcen der Umwelt zu nutzen) einer Art. Die Fundamentalnische beschreibt die Lebensbedingungen einer Art ohne interspezifische Konkurrenz. Die Realnische beschreibt die Lebensbedingungen mit allen biotischen und abiotischen Faktoren. Bei der ökologische Planstelle, geht es um die möglichen Kombinationen verschiedener biotischer und abiotischer Umweltfaktoren, die unterschiedlichen Lebewesen zur Verfügung stehen. Arten, die dieselbe ökologische Nische beanspruchen, können nicht dauerhaft gemeinsam im selben Lebensraum existieren. Es kann zur einer Konkurrenzvermeidung kommen, z.b durch unterschiedliche Nahrungen oder die Nahrung an verschiedenen Orten suchen. Oder zum Konkurrenzausschlussprinzip, dann können zwei Arten nicht koexistieren, da sie identische ökologische Nischen haben. Die stärkere Art setzt sich durch und die schwächere Art stirbt oder wandert aus. 2 6. Lotka-Volterra-Regeln Die Lotka-Volterra-Regeln beschreiben die Beziehung zwischen Räuber und Beute. Es wird jedoch hierbei davon ausgegangen, dass sie die Räuberpopulation lediglich sich von der einen Beute ernährt, und dass die Beutepopulation lediglich den einen Räuber als Fressfeind hat. Dabei gibt es drei Regeln: 1.Periodische Populationsschwankungen: Die beiden Populationsgrößen schwanken periodisch. Die Maxima und Minima der Räuberpopulation folgen dabei denen der Beutepopulation. (Somit ist der Bestand der Räuberpopulation von dem Bestand der Beutepopulation abhängig). 2.Konstanz der Mittelwerte: Die Mittelwerte der beiden Populationsgrößen bleiben langfristig, bei unveränderten Bedingungen, gleich. Dabei ist die Beutepopulation größer als die Räuberpopulation, da sich ein Räuber von mehreren Beutetieren ernährt. 3.Schnelleres Wachstum der Beutepopulation: Nach einer starken Dezimierung beider Populationen erholt sich zuerst die Beutepopulation. Die Erholung der Räuberpopulation erfolgt zeitversetzt. D.h. dass die Beutepopulation davon profitiert, da sie sich deutlich schneller erholt. Fortpflanzungsstrategien R-Strategen (Beutetiere) Fortpflanzung: schnell und zahlreich K-Strategen (Räuber) Fortpflanzung: langsam und weniger zahlreich 7. Homoiotherme und Poikilotherme Tiere Hinsichtlich der Regulation der Körpertemperatur unterscheidet man zwischen homoiothermen (gleichwarm) und poikilothermen (wechselwarmen) Organismen. Homoiotherme Tiere gleichwarm konstante Körpertemperatur zwischen 36 - 40 Grad Celsius, die unabhängig von der Umgebungstemperatur ist Säugetiere, Vögel Vorteile: -können nachts jagen /sich fortbewegen -können auch in kälteren Regionen überleben (Klimaunabhängig) -konstante Körpertemperatur Poikilotherme Tiere wechselwarm Körpertemperatur abhängig von der Außentemperatur Wirbellose, Fische, Amphibien, Reptilien Vorteile: -deutlich geringeren Energieverbrauch und Nahrungsbedarf -müssen sich keine (Winter-) Vorräte anlegen (da sie in den Winterschlaf gehen) 3 Nachteile: -hoher Energieverbrauch und Nahrungsbedarf -brauchen Strategien, um die Körpertemperatur aufrecht zu erhalten (z.B. durch Winterschlaf/Winterruhe, Schwitzen) Homoiotherme Tiere können bei einer niedrigen Außentemperatur ihren Körper durch Muskelzittern wärmen bzw. bei einer hohen Außentemperatur ihren Körper durch das Schwitzen kühlen. Poikilotherme Tiere sind Konformer, da sie ihre eigene Körpertemperatur immer der Umgebungstemperatur anpassen. Somit ist ihre Aktivität auch sehr stark abhängig von der Umgebungstemperatur. 8. Klimaregeln / die tiergeografischen Regeln Die Klimaregeln gelten nur für homoiotherme Lebewesen. Nachteile: -können nur Gebiete mit günstigen Klimaverhältnissen besiedeln (Klimaabhängig) -inaktiv bei Kälte und somit leichte Beute -können Körpertemperatur nicht regulieren Allen-Regel: Vergleicht man homoiotherme Tiere nah verwandter Arten, so stellt man fest, dass Tiere in kälteren Regionen kleinere Körperanhänge (zb. Ohren) haben als in wärmeren Regionen, um den Wärmeverlust über diese zu verringern Bergmannsche Regel: Tierarten in kalten Gebieten sind größer, als verwandte Tierarten in warmen Gebieten. Große Körper haben eine kleinere Oberfläche und verlieren dadurch weniger Wärme als kleine Körper. Körperoberfläche (Wärmeabgabe) kleiner als der Körpervolum (Wärmeproduktion). RTG -Regel (Reaktions-Geschwindigkeits-Temperatur-Regel): Bei der geringen Temperatur verringert sich der Herzschlag der Reptilien und ihre Reaktionen sind relativ träge. Bei einer Erhöhung der Körpertemperatur um 10 Grad, kann sich ihre Reaktionszeit verdoppeln oder sogar verdreifachen. 9. Zonierung des Sees Uferzone (Litoral) Bodenzone (Benthal) Ökosystem See Zonierung Ⓒbiologie-schule.de Tiefenzone (Profundal) Freiwasserzone (Pelagial) Nährschicht (Epilimnion) Sprungschicht (Metalimnion) Zehrschicht (Hypolimnion) 4 Der See kann in folgende Zonen unterteilt werden: Pelagial beinhaltet die gesamte Freiwasserzone, welche auch nochmal in drei Schichten unterteilt werden kann → Epilimnion ist die oberste Schicht; da hier das Sonnenlicht das Wasser durchstrahlt gibt es hier viele Pflanzen die Fotosynthese betreiben und somit viel Sauerstoff herstellen; jedoch gibt es deshalb wenige Nährstoffe, da sie von den Pflanzen verbraucht werden → Metalimnion trennt die beiden Schichten voneinander; bis zu dieser Schicht dringt das Sonnenlicht durch (Grenze) → Hypolimnion ist die unterste Schicht und dort leben Tiere wie Krebse und Fische, welche den Sauerstoff verbrauchen; da das Sonnenlicht diesen Bereich nicht durchleuchtet, gibt es hier keine Pflanzen und somit nur wenig Sauerstoff, da hier keine Fotosynthese betrieben wird; jedoch ist diese Schicht nährstoffreich Benthal beinhaltet die Bodenzone, welche in zwei Schichten aufgeteilt werden kann → Litoral ist der Uferbereich des Sees, an dem noch viele Pflanzen wachsen, da hier das Sonnenlicht das Wasser durchleuchtet und somit die FS stattfinden kann → Profundal ist der tiefe Bereich des Sees, der nicht mehr vom Sonnenlicht durchstrahlt wird und somit wachsen dort kaum Pflanzen 10. Jahreszeitliche Veränderung im See Der See verändert sich je nach Jahreszeit. Dabei kommt es in den jeweiligen Jahreszeiten zu folgenden Veränderungen: Frühling: Wasser wird durch Winde durchmischt (Vollzirkulation), dadurch gute Verteilung von Sauerstoff und Mineralien Wassertemperatur bei konstant 4° Celsius Sommer: Bildung von drei Schichten im Sommer (Epilimnion, Metalimnion, Hypolimnion) Epilimnion: →20° Celsius (rel. warm) → hohe Produktion von Sauerstoff, jedoch wenig Mineralien, da diese von den Pflanzen für die FS verbraucht werden → Wasser wird durch Wind vermischt (Teilzirkulation) → da sich das Wasser im Epilimnion erwärmt dehnt es sich aus (das warme Wasser bleibt oben); dadurch sinkt das kalte Wasser nach unten (da kaltes Wasser schwerer ist) Metalimnion: → trennt beide Schichten voneinander → Temperatur sinkt von 20° Celsius auf 4° Celsius Hypolimnion: → konstant 4° Celsius (Wasser ist hierbei am schwersten) → Wasser wird nicht durchmischt; es befindet sich im Stillstand (Stagnation=Stillstand) → wenig Sauerstoff, dafür aber viele Nährstoffe, da es dort keine Pflanzen gibt die FS betreiben 5 Herbst: Wasser wird durch Winde durchmischt (Vollzirkulation), dadurch gute Verteilung von Sauerstoff und Mineralien Wassertemperatur konstant bei 10°Celsius Winter: Bildung von drei Schichten im Winter Epilimnion: → Wassertemperatur von ca. 0° Celsius oder etwas mehr → zumeist Bildung einer Eisschicht, welche die Durchmischung des Wassers verhindert (Stagnation=Stillstand) → Eisschicht verhindert die Sonneneinstrahlung, sodass Pflanzen keine FS betreiben können (wenig Sauerstoff) Metalimnion: → Wassertemperatur steigt von ca. 0° Celsius auf 4° Celsius an Hypolimnion: → konstante Wassertemperatur von 4° Celsius (wärmste Ort) → Fische können im Winter nur hier überleben (wärmeres Wasser sinkt wegen der höheren Dichte nach unten; See friert praktisch von oben nach unten zu, da unten das wärmste und flüssigere Wasser ist) → keine neue Produktion von Sauerstoff, da keine FS betrieben wird (wenig Sauerstoff) Nahrungskette, Nahrungsnetz und Trophieebenen 11. Nahrungskette, Nahrungsnetz und Trophieebenen Die Nahrungskette ist ein vereinfachtes Modell zur Darstellung der Nahrungsbeziehungen in einem Ökosystem. Hier als Beispiel ein mögliches Nahrungsnetz im See: Jullen Algen Zooplankton-Friedfisch Aus dieser Nahrungskette ergibt sich folgendes Schema: Algen (Phytoplankton) wird gefressen vom Zooplankton Zooplankton wird vom Friedfisch (Nekton) gefressen Friedfisch wird vom Raubfisch gefressen Raubfisch Das Nahrungsnetz ist ein komplexes Modell zur Darstellung der Nahrungsbeziehungen innerhalb eines Ökosystems. Es werden alle Räuber eines Lebewesens und alle Tiere und Pflanzen, die als Nahrung dienen, dargestellt. 6 Man kann Nahrungsketten und Nahrungsnetze auch in Trophieebenen unterordnen, da jedes Tier zu einer bestimmten Gruppe gehört. Dabei gibt es folgende Trophieebenen: Produzenten (z. B. Pflanzen, Algen, Bäume = diese ernähren sich von keinem, sondern stellen aus anorganischen Stoffen und Sonnenenergie organische Stoffe her durch die Fotosynthese) Konsumenten → Konsumenten 1. Ordnung / Primärkonsumenten: Organismen, die sich von den Produzenten ernähren (Herbivore oder Pflanzenfresser) → Konsumenten 2. Ordnung / Sekundärkonsumenten:Organismen, die sich von Primärkonsumenten ernähren (Carnivore oder Fleischfresser) → Konsumenten 3. Ordnung / Tetriärkonsumenten: Fleischfresser, die sich von anderen Fleichfressern ernähren Endkonsumenten (haben keine natürlichen Fressfeinde, wie z.B. Löwen) Destruenten: zersetzen tote Biomasse und bauen Abfallprodukte ab, dadurch entstehen Nährstoffe die wiederum von Produzenten verwendet werden 12. Eutrophierung Die Eutrophierung kann nur in eutrophen Seen staatfinden, da diese mineralreich sind. Mineralarme Seen nennt man oligotrophe Seen. Aspekte Nährstoffgehalt Sauerstoffgehalt Wasser Uferbereich Biomasseproduktion (Pflanzenbewuchs) Artenvielfalt Oligotrophe Seen wenig hoch und gut im See verteilt, aufgrund der Vollzirkulation klare Sicht aufs Wasser (bläulich) trübes Wasser (grünlich), da zu viele Phytoplankton vorhanden sind stark bewachsen sehr viel Produktion kaum bewachsen kaum Produktion Eutrophe Seen sehr hoch nur im Epilimnion hoch, da dort die Fotosynthese stattfindet hoch, jedoch geringe Anzahl an Individuen niedrig, jedoch hohe Anzahl an Individuen Man muss hierbei erwähnen, dass es in der unberührten Natur nur oligotrophe Seen gibt. Durch menschliche Einflüsse gelangen jedoch viele Mineralien in den See, wodurch die mineralreich werden. Z.B. kommen Nährstoffe durch Klärwerke, Dünger und menschliche Ausscheidungen (Urin) in den See. Man kann eutrophen See vor der Eutrophierung retten, indem man bspw. Sauerstoff in den See pumpt, die tote Biomasse oder den Faulschlamm entfernt. 7 Glossar Primärproduzenten: - Organismen, die Fotosynthese betreiben - stellen als Erzeuger aus anorganischen Stoffen (mithilfe von Sonnenlicht) energiereiche, organische Stoffe her Destruenten: - Bakterien und Pilze, die Leichen, abgestorbene Pflanzenteile, etc. zersetzen -> nährstoffreiche Grundlage für Pflanzenwachstum entsteht (Kreislauf schließt sich) Primärkonsumenten: > Pflanzenfresser, die pflanzliche Stoffe aufnehmen und diese in körpereigene biologische Stoffe umwandeln Sekundärkonsumenten: Fleischfresser, die tierisch organische Stoffe in körpereigene umwandeln Ablauf der Eutrophierung es befinden sich am Anfang zu viele Nährstoffe im Wasser → dadurch können sich Primärproduzenten (Organismen, die Fotosynthese betreiben) schnell vermehren und so entsteht nach kurzer Zeit eine Algenblüte Konsumenten können sich nun schneller vermehren, da sie mehr Nahrung und Sauerstoff haben (bessere Fortpflanzungsbedingungen) → starke Zunahme der Biomasse da die Algenblüte die Wasseroberfläche bedeckt, verhindert sie somit die Sonneneinstrahlung → dadurch sterben zunehmend Lebewesen im Wasser (im Allgemeinen nimmt die Anzahl an toter Biomasse zu, da mehr vorhanden ist und da Algen eine relativ kurze Lebensdauer haben) Destruenten (Bakterien und Pilze) benötigen eine Menge Sauerstoff um die tote Biomasse zu ersetzer → dadurch werden Mineralien gewonnen (Remineralisierung) da viel tote Biomasse vorhanden ist benötigen die Destruenten sehr viel Sauerstoff und somit kommt es früher oder später zur Sauerstoffknappheit aufgrund des Sauerstoffmangels nutzen die Destruenten nun anorganische Stoffe um die tote Biomasse zu zersetzen, jedoch gelingt dies nur unvollständig → Zersetzung ohne Sauerstoff durch die Nutzung von anorganischen Stoffen entstehen giftige Stoffe und Faulschlamm → am häufigsten entsteht Methan (CH4), Ammoniak (NH3) und Schwefelwasser (H2S) diese giftigen Gase steigen auf und sorgen dafür, dass die letzten lebenden Organismen ebenfalls sterben Herbstzirkulation mischen zusätzlich den giftigen Faulschlamm umher → Der See kippt um Invasive Arten (Neobiota) und deren Folgen 8 13. Invasive Arten (Neobiota) und deren Folgen Neobiota sind Tier- oder Pflanzenarten, die von Natur aus nicht in einem anderen Land vorkommen, sondern erst durch menschliche Einflüsse (z. B. durch den zwischenmenschlichen Handel) dorthin gekommen ist. Daher sind sie gebietsfremd und gehören nicht zu den einheimischen Arten. Folgen: mögliche Konkurrenzentstehung mit einheimischen Arten um Lebensraum und Ressourcen (interspezifische Konkurrenz) → kann zur Verdrängung anderer Arten führen (Konkurrenzausschlussprinzip) → invasive Arten können als Fressfeinde einheimische Arten gefährden Hybridisierung →Gene der invasiven Art können in den Genpool einheimischer Arten kommen Krankheits- und Organismenübertragung ➜z.B. durch Parasiten mögliche negative ökosystemare Auswirkungen → Veränderung der Biodiversität Die Neobiota können sich auch etablieren (vermehren sich) 14. Fotosynthese -Kohlenstoffdioxid und Wasser werden, mit Hilfe von Lichtenergie zu Zucker (Glucose) und Sauerstoff -> Energie für die Pflanze -Gleichung: 6 CO2 + 6 H2O -> C16 H12 O6 + 6 02 -Die Fotosynthese ist abhängig von der Lichtmenge, Kohlenstoffdioxid konzentration und Temperatur Licht- energie Thylakoid lichtab- hängige Reaktionen H₂O Lichtreaktionen e NADPH + H+ ATP ADP + P NADP+ ►§→ Calvinzyklus Zucker lichtun- abhängige Reaktionen Stroma Fotosynthese läuft im Chloroplasten in zwei Teilschritten ab: Licht- und Dunkelreaktion 9 Lichtreaktion (lichtabhängig) -finden in den Thylakoidmembranen der Chloroplasten statt -lichtabsorbierende Pigmente wie Chlorophylle und Carotionoide bilden zwei Fotosysteme, die in die Thylakoidmembran eingelagert sind -Vom Fotosystem II zum Fotosystem I findet ein Elektronentransport über Redoxsysteme ; Plastochinon, Cytochromkomplex und Plastocyanin statt -Plastocyanin überträgt die Elektronen auf das Fotosystem I, dass durch Lichtabsorption gleichzeitig Elektronen auf das an der Außenseite der Thylakoidmembran gelegene Redoxsystem Ferredoxin überträgt -Ferredoxin katalysiert mithilfe dieser Elektronen und Protonen aus dem Stroma die Reduktion von NADP+ zu NADPH + H* 1.C -Die transportierten Elektronen stammen aus Wasser, dass mithilfe eines dem Fotosystem Il angelagerten Enzymkomplexes und der vom Fotosystem II absorbierten Lichtenergie in Protonen (H+) und Sauerstoff (02) gespalten wird. -Durch die bei der Fotolyse in den Thylakoidinnenraum freigesetzten H+ und weiteren H+, die vom Plastochinon in den Thylakoidinnenraum transportiert werden, entsteht im Thylakoidinnenraum eine positive Konzentration an Protonen -Beim Ausgleich dieses Protonengradienten über das Enzym ATP-Synthetase wird H+ frei, die für die Synthese von ATP aus ADP+P genutzt wird Membran Thylakoid Membran 160₂-Fixierung CO₂ Rubisco Ribulosediphosphat Fotosystem II Licht 3. Regeneration ATP GG ADPEP Plasto- Cytochrom- chinon komplex Redox- System Phosphoglycerin C3 2. Reduktion -12(ATP+ NADPH+H") 12 (ADP+ NADP*) Plasto- cyanin C6 Glucose Redox- System Licht Foto- system I H Ferredoxin Redox- System ATP. Synthase NADP'- Reduktase -NADP* (H) (NADPH) ADP +P ATP 1.Fixierung von CO2: C1-Körper Kohlenstoffdioxid (CO2) bindet an dem Ribulose-1,5-biphosphat. Der erste C6-Körper zerfällt in zwei C3-Körper (3- Phosphoglycerinsäure) 2. Reduktion des C3-Körpers: die Produkte der Primärreaktion, ATP und NADPH+H*, werden zur Reduktion des C3-Körpers eingesetzt. Zwei entstehende C3-Körper werden in mehreren Reaktionsschritten zum C6-Körper Glucose umgesetzt Phosphoglycerinaldehyd 3.Regenerierung des Primärakzeptors: die restlichen 10 PGA werden mit ATP wieder zum C5-Körper RuBisCo für die CO2 10 Genetik 1.Die DNA Die DNA enthält alle wichtigen Erbinformationen und befindet sich bei Eukaryoten im Zellkern wird als Doppelstrang dargestellt ein Einzelstrang besteht aus vielen Nucleotiden → Phosphat → Desoxyribose (sechsfach Zucker) ➜einer Base (Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin) Komplementäre Basen →Adenin und Thymin (2 Wasserstoffbrücken) → Cytosin und Guanin (3 Wasserstoffbrücken) Puris Basen (bestehen aus einem fünfeckigen und einem sechseckigen Molekül →Adenin und Guanin Chromosom Aufbau eines Chromosoms Zentromer Chromosomenarm NNN - Chromatid DNA Pyrimidin Basen (bestehen aus einem sechseckigen Molekül) → Cytosin und Thymin Leserichtung von 3' nach 5' (ist somit antiparallel auf der gegenüberliegenden Seite) = Adenin = Thymin = Cytosin = Guanin Phosphat- desoxyribose Strang -ein Chromosom besteht aus zwei Chromatiden -in der Mitte befindet sich der Zentromer (dieser verbindet beide Chromatiden miteinander) -homologe Chromosomen enthalten die gleichen Erbinformationen und stellen somit ein Paar da 2.Die Meiose und Rekombination Menschen haben 46 Chromosomen, also insgesamt 23 Chromosomenpaare. Ein Chromosomensatz ist von der Mutter und eins vom Vater. Deshalb spricht man von einem diploiden Chromosomensatz, da sie zwei Chromosomensätze enthalten. Die Gameten, also die Spermien und Eizellen, bestehen nur aus 23 Chromosomen. Deshalb spricht man hierbei von einem haploiden Chromosomensatz. Bei der Meiose handelt es sich um eine Art der Zellteilung, die in zwei Schritten abläuft (Meiose 1 und Meiose 2). 11 Meiose 1: Prophase 1: homologe Chromosomen paaren sich Kernhülle wird aufgelöst Spindelapparat bildet sich Metaphase 1: Chromosomenpaare reihen sich in der Äquatorialebene ein Anaphase 1: homologe Chromosomen werden voneinander getrennt und wandern zu den Polen Telophase 1: Spindelapparat löst sich auf Kernhüllen werden gebildet Cytokinese findet statt (Aufteilung der Zellen) → zwei haploide Tochterzellen entstehen Meiose 2: Prophase 2: Kernhülle wird aufgelöst Spindelapparat bildet sich Metaphase 2: Chromosomen lagern sich in der Äquatorialebene an Anaphase 2: Chromosomen werden in Chromatiden getrennt und wandern zu den Zellpolen Telophase 2: Spindelapparat löst sich auf Kernhüllen werden gebildet Cytokinese findet statt → vier haploide Tochterzellen entstehen X T XX (XXX XX K (}}} Rekombination Darunter versteht man die Verteilung und Neuordnung von genetischen Material (DNA, RNA) in den Zellen und im engeren Sinne den Austausch von Allelen. Durch die Rekombination kommt es zu neuen Gen- und Merkmalskombinationen 4.Die Proteinbiosynthese Es handelt sich um einen Vorgang, bei dem eine Zelle die in ihr enthaltenen Informationen zugänglich macht (Genexpression). Am Ende der Proteinbiosynthese werden Proteine hergestellt. Die Proteinbiosynthese bei Eukaryoten und Prokaryoten läuft ähnlich ab, jedoch ist die der Eukaryoten komplizierter. → eukaryote Lebewesen sind Organismen, die einen Zellkern besitzen (wie z.B. Tiere, Pflanzen und Menschen) X 12 Die Proteinbiosynthese wird in zwei Schritte unterteilt: die Transkription = Umschreibung der DNA in mRNA die Translation = Übersetzung der mRNA in Proteine Die Transkription bei Prokaryoten 1. → prokaryote Lebewesen sind Organismen, die keinen Zellkern besitzen (z.B. Bakterien) 2. 3. findet im Cytoplasma statt RNA-Polymerase entspiralisiert die DNA in Einzelstränge (nur in einem Gen- Abschnitt) → Wasserstoffbrücken werden gelöst RNA-Polymerase beginnt am Promotor (Startstelle AUG) und endet mit einer Stoppsequenz (UAA, UAG, UGA) 1. Initiation (Beginn der Transkription) → sobald die RNA-Polymerase den Promotor erreicht, spaltet es die DNA in zwei Einzelstränge auf → arbeitet von 5' nach 3' Richtung vom codogenen Strang (codogene Strang verläuft von 3' nach 5' Richtung) 2. Elongation RNA-Polymerase synthetisiert von 5' nach 3' Richtung komplementäre RNA- Nucleotide → statt Desoxyribose ist in der RNA der Zucker Ribose →statt Thymin ist in der RNA die Base Uracil Ergebnis: Die fertige mRNA ist somit entstanden und löst sich von der DNA. Die DNA geht nach der Transkription wieder in ihre ursprüngliche Form. Die mRNA besteht aus einem Nucleotid- Einzelstrang. 3. Termination sobald die RNA-Polymerase auf eine Stoppsequenz trifft, beendet sie die Synthetisierung der komplementären RNA-Nucleotide Die Transkription bei Eukaryoten findet im Zellkern statt gleicher Vorgang wie bei den Prokaryoten Ausnahme: da die Translation nur im Cytoplasma ablaufen kann, muss die mRNA vom Zellkern bis in das Cytoplasma transportiert werden (RNA-Prozessierung) damit sie bei dem Transport nicht beschädigt wird, erhält sie an beiden Enden einen Schutz → 5'Cap: am 5' Ende bekommt die mRNA eine Kappe aus einem Guanin-Nucleotid → Poly-A-Schwanz: am 3' Ende bekommt die mRNA einen Schwanz aus mehreren Adenin-Nucleotiden Spleißen: Introns (unwichtige Abschnitte auf der mRNA) werden entfernt und die übrigbleibenden Exons (wichtige Abschnitte auf der mRNA) werden aneinandergefügt, da nur diese für die Translation wichtig sind Die Translation bei Prokaryoten findet in den Ribosomen im Cytoplasma statt benötigt werden die ribosomalen Untereinheiten m-RNA, t-RNA und Aminosäuren 13 eine tRNA transportiert Aminosäuren zu einem bestimmten Basentriplett → an der Unterseite befindet sich das Anticodon (Codon = Triplett der t-RNA) 1. Initiation (Start) Ribosom wandert von 5' nach 3' Richtung bis es auf die Startsequenz AUG trifft (Startcodon) (= bei der prokaryoten Translation können mehrere Ribosomen auf einmal arbeiten → Polysom) →➜t-RNA reiht sich mit ihrem Anticodon an die A-Stelle (A = Anfang) des Ribosoms (diese enthält komplementäre Basen) Ribosom wandert um ein Codon weiter, sodass die t-RNA sich nun auf der P-Stelle (P = Peptid) des Ribosoms befindet daraufhin wird die A-Stelle frei, sodass dort eine neue t-RNA ansetzen kann 5' Ribosom Bau eines Ribosoms Ribosom E P A 2. Elongation (Verlängerung) das Ribosom katalysiert eine Peptidbindung (Eiweiße/Proteine) → dadurch löst sich die Aminosäure der t-RNA auf der P-Stelle und bindet sich an die Aminosäure der t-RNA an der A-Stelle dieser Vorgang wiederholt sich und somit entsteht eine Aminosäurekette dann wandert das Ribosom wieder um ein Codon und die t-RNA auf der P-Stelle ist nun auf der E-Stelle (E = Exit) und löst sich somit von der m-RNA → Ribosom wandert erneut um ein Codon und der Vorgang wiederholt sich, da immer neue t-RNA sich an die A-Stelle binden Ablauf der Elongation E P mRNA A O Aminosäure 3' mRNA 14 4. 3. Termination (Abbruch) sobald die A-Stelle des Ribosoms eines der Stoppsequenzen erreich (UAA, UAG, UGA) so bindet sich statt einer t-RNA ein beladenes Protein an die A-Stelle → dies führt zur Freisetzung der Aminosäurenkette (dies nimmt ihre Raumstruktur ein → Protein) → Ribosomen-Komplex löst sich und die mRNA zerfällt Erstellung der Aminosäurenkette Aminosäurenkette CHE Translation bei Eukaryoten gleiche Vorgang wie bei Prokaryoten 5.Regulation der Genexpression 1. Genregulation bei Prokaryoten Wichtige Begriffe: Translationsrichtung Ribosom Unterschiede: → räumlich und zeitlich voneinander getrennt, da die Transkription im Zellkern abläuft und die Translation im Cytoplasma (deshalb dauert es bei denen länger) → RNA-Prozessierung und Transport der m-RNA in das Cytoplasma mRNA Regulatorgen: Gen, dass die Genexpression steuert (z.B. Aktivatoren) Repressor: ein an die DNA gebundenes Protein, dass die Bindung der RNA- Polymerase an den Promoter blockiert →verhindert dadurch die Transkription Effektor: Molekül/Substrat, dass die Bindungsfähigkeit eines Regulatorproteins an die DNA verändert (Proteinumwandlung) Promoter: Startsequenz für die Proteinbiosynthese Operator: Abschnitt in der Nähe des Promoters, an den ein Regulatorprotein (Aktivator oder Repressor) binden kann → erhöht bzw. verringert die Affinität (Neigung) des Promoters zur RNA-Polymerase Strukturgene: Gene, die keine besonderen Aufgaben bei der Genexpression haben →sie codieren für Strukturproteine und Enzyme Es gibt zwei verschiedene Genregulationsmechanismen bei Prokaryoten: Substrat-Induktion Endprodukt-Repression 15 Substrat Induktion Die Genexpression hängt hierbei von der Anwesenheit eines bestimmten Substrates ab. Das Repressor-Molekül befindet sich bei Abwesenheit dieses Substrats in einem aktiven Zustand und bindet sich and den Operator, wodurch die Transkription blockiert wird. Bei Anwesenheit des Substrats bindet sich dieses an das Repressor-Molekül, wodurch es seine Form ändert und in einen inaktiven Zustand wechselt. Erst dann kann die Transkription erfolgen. Beispiel bei Lactose: wenn keine Lactose (Substrat) vorhanden ist, bindet sich der aktive Repressor an den Operator → blockiert die Transkription wenn Lactose (Substrat) vorhanden ist, geht dieser eine Bindung mit dem Repressor ein, wodurch es seine Form verändert und in einen inaktiven Zustand wechselt → Transkription kann erfolgen Endprodukt-Repression Hierbei wird die Genexpression durch das Endprodukt eines Stoffwechselweges blockiert. D.h. dass am Anfang der Repressor in einem inaktiven Zustand ist und somit die Transkription erfolgen kann. Durch das hohe Vorkommen des Endprodukts kann sich dieses mit dem Repressor verbinden, wodurch es seine Form verändert und in einen aktiven Zustand wechselt. Dadurch bindet es an den Operator und verhindert die Transkription. Beispiel bei Tryptophan: ist kein Überschuss an Tryptophan vorhanden ist der Repressor in einem inaktiven Zustand → Transkription kann ablaufen ist ein Überschuss an Tryptophan vorhanden bindet sich dieser an den Repressor und dadurch verändert er seine Form und geht in einen aktiven Zustand, wobei er sich an den Operator bindet → Transkription wird verhindert 2. Genregulation bei Eukaryoten Da die Transkription und Translation bei Eukaryoten zeitlich und räumlich voneinander getrennt sind, gibt es mehrere verschiedene Regulationsmechanismen. Regulation auf der Transkriptionsebene: TATA-Box: Am Promotor gibt es häufig eine Basensequenz die reich an Thymin und Adenin ist (TATA-Box). Durch deren Mutation wird oftmals die Promotorfunktion blockiert, sodass keine Transkription erfolgen kann. Enhancer und Silencer: DNA-Abschnitte, die nach Bindung des Transkriptionsfaktors die Transkription verstärken/dämpfen Regulation durch alternatives Spleißen: dabei werden nicht nur Introns, sondern auch Exons aus der prä-mRNA ausgeschnitten (passiert erst nach der Transkription) 16 → die Anzahl der Proteine wird dadurch erhöht (da hierbei mehrere RNA-Moleküle aus einer mRNA entstehen) Regulation durch epigenetische Maßnahmen: Genregulation durch Veränderung der Chromosomen (z. B. durch Umwelteinflüsse) Methylierung von Basen: hierbei binden sich Methylgruppen an einzelne Cytosin- Basen, sodass deren Raumstruktur verändert wird → keine Transkription Modifikation von Histonen (Proteine): Acetyl-, Methyl- oder Phosphatgruppen werden an bestimmte Aminosäuren gebunden →verhindert die Transkription Regulation durch RNA-Interferenz: kurze RNA-Moleküle binden an mRNA und verhindern so die Translation 6.Der genetische Code Der genetische Code ist die in der Basensequenz der DNA verschlüsselte Information zur Bildung einer Aminosäurensequenz. 3' Eigenschaften: Triplet Code: jeweils drei Basen (Codon) ergeben eine spezifische Aminosäure genetische Code ist kommafrei jedes Codon codiert nur eine Aminosäure, jedoch können viele Aminosäuren aus verschiedenen Codons bestimmt werden den genetischen Code kann man mithilfe der Code-Sonne entschlüsseln Val Arg Ala Ser U G Lys Asp A Asn C Glu G A C 40 2040 20402 V ט|כ Thr AGUCAGUC A A Gly C Met Start 3' C U GU G AC Phe Leu GU ACUGACUGA lle UG G C 3' Ser PONO TOUCA Arg A A AGUGACE כןט U C Gln His Tyr SOAG G Trp U с TODO 1000700 Stopp Stopp Pro Cys Leu Stopp 3' 17 3 die Code-Sonne übersetzt die Sequenz der DNA in mRNA → Beachte: Thymin wird durch Uracil ersetzt → DNA wird von 3' nach 5′ Richtung gelesen; mRNA wird von 5' nach 3′ Richtung gelesen Startcodon ist AUG →Met (Aminosäure) Stoppcodons sind UAA, UAG, UGA → hierbei stoppt die Proteinbiosynthese CT 6 G A GG CT C C ACT GAUG Met DUA G A C ACU The C C G C به به Start G G G 664 MRNA CG T Arg T CT AAGA A G 1.Genmutation -einzelne Gene werden verändert Punktmutation (eine Einzelne Base wird ausgetauscht) -stille/stumme Mutation T Arg с T T Arg C T A TC A A G AUAG Arg Stepp 7.Mutationen Sorgen für eine Veränderung der genetischen Informationen einer Zelle. Dabei wird das Erbgut dauerhaft verändert. Bei uns Menschen liegt die DNA im Zellkern vor. Wird die DNA beschädigt, sodass Erbinformationen verloren gehen, kann dies schwerwiegende Folgen für den Organismus haben. Dabei können Mutationen weitervererbt werden. Ursachen Mutationen treten zumeist spontan auf, wie beispielsweise während der DNA-Replikation, da hierbei falsche Bausteine eingebaut werden können (= Spontane Mutation). Mutationen können jedoch auch von Außenfaktoren (Mutagene) wie Strahlung oder Viren verursacht werden (= induzierte Mutation). Mutationsarten Man unterscheidet zwischen drei verschiedenen Mutationsarten: -> Aminosäurensequenz bleibt unverändert -Missense-Mutation ->eine falsche Aminosäure wird in das Protein eingebaut, sodass die Funktionstüchtigkeit Eingeschränkt wird -Nonsenses-Mutation 3 ->Mutation führt zu einem Stopp-Codon, sodass das Protein seine Funktion verliert Rastermutation -Deletion -> Basen/Nucleotide werden entfernt -Insertion -> Basen/Nucleotide werden hinzugefügt Als Folge bilden sich neue Aminosäuren und somit neue Proteine 18 2.Chromosommutation Strukturelle Veränderung eines oder mehrerer Chromosomen. Dabei verliert das Chromosom oftmals einen Teilabschnitt der DNA oder es ändert sich die Lage bzw. die Richtung des DNA-Abschnitts. Die Chromosomenmutationen kann man in folgende Arten einteilen: Deletion (Verlust) Duplikation (Verdopplung) Inversion (Umkehr) Translokation (Verlagerung) → De Mutationsarten können zeitgleich auftreten und sich gegenseitig beeinflussen. Deletion (Verlust) Bei der Deletion verliert das Chromosom einen Teil seines genetischen Materials -Mittelstück: A B C D E F G C9 -Endstück: A B C D E F G FG A8CDEFG Duplikation (Verdopplung) Verdopplung eines Teils des Chromosoms A B C D E F G CD ABCDEFG (2 HIJRIM n A B E F G 48 ECD) Inversion (Umkehr) Umkehrung eines Chromosomenabschnitts COE 48CC9DEFG ABEDCFGD Translokation (Verlagerung) Teile des Chromosoms werden ausgetauscht 14 3 UmmD IJRCDEFG 19 3.Genommutation Veränderung der Chromosomenanzahl (Genom = Chromosomensatz). Dabei unterscheidet man zwischen zwei Arten der Genommutation: der Polyploidie und der Aneuploidie. Die Hauptursache für die Mutation ist eine fehlerhafte Trennung während der Meiose. Polyploidie Dabei kommt es zu einer Mutation der vollständigen Chromosomensätze. Jedes Chromosomenpaar wird somit mutiert. Bei einer triploiden (dreifachen) Chromosomensatz hätten wir Menschen 69 Chromosomen. Aneuploidie Die Aneuploidie betrifft nur einzelne Chromosomen. Dies führt dazu, dass entweder zu viele oder zu wenige Chromosomen vorhanden sind, da es normalerweise 46 sein müssten. Ursachen einer Aneuploidie fehlerhaften Trennung während der Meiose → z.B. kann es vorkommen, dass sich ein homologes Chromosomenpaar während der Meiose 1 nicht trennt, wodurch eine Eizelle entweder zwei Kopien eines Chromosoms enthält oder gar keine X )) 12 1( 18 7 = 13 14 11 19 8 9 "( 20 11 R X 10 11 15 ASI 21 11 5 Aneuploidie )) 18 16 17 "1 )( 22 XX X(( (1 18 11( se X 10 11 J)) (SS 16 17 M )(( 10 > )(( 19 20 21 22 XX Polyploidie 20 8.Molekularverfahren Mithilfe der Polymerasekettenreaktion (PCR) lassen sich kleine DNA-Proben vervielfältigen. Dafür benötigt man: eine DNA vier DNA-Nucleotide zwei Primer Taq-Polymerase: dies ist eine spezielle DNA-Polymerase, die auch Erhitzungen über 95°C unbeschadet übersteht Ablauf: 1. Denaturierung: Erwärmung der DNA auf 95°C führt zur Trennung der DNA- Doppelhelix in zwei Einzelstränge 2. Hybridisierung: An die beiden Einzelstränge lagern sich bei etwa 60°C DNA-Primer an 3. Elongation: Beim Temperaturoptimum der Taq-Polymerase (72° C) erfolgt nun die DNA-Synthese. Dabei werden ausgehend von den Primern jeweils ein neuer Strang in Richtung von 5' nach 3' durch die Taq-Polymerase gebildet 5' 3' 5' QANAQAAAFQOFUAH 3' verdoppelte DNA- Ausgangssequenz 5M QYAHMUCH CHUY TOR YAHAYMA¶Ã¶¶AF™- DNA-Ausgangssequenz Taq-Polymerase 5' GLAVNAYAKUMAKA Abb. 4.48: Schema zur PCR-Methode 3 5' 5' 3' 5' Primer 1 Denaturierung bei 95° C ՆՈՐՈՒՈՒՈՒՈՒՈՐ JUAN Hybridisierung bei 60°C 2 Polymerisation bei 72° C 3 UWW'S Primer 2 MMOOOMMOMOMMONO3- Ergebnis: Durch die neuerliche Erwärmung wird die Replikation abgebrochen, sodass die DNA wieder als zwei Einzelstränge vorliegen. Nach 20fachen Ablauf dieses Zyklus erhält man so über eine Million DNA-Kopien. Gel-Elektrophorese Die Gelelektrophorese ist ein Verfahren zur Trennung von Molekülen. Mit diesem Verfahren kann man bspw. einen Vaterschaftstest durchführen oder einen Täter bei Kriminalfällen ermitteln. Eine Gelelektrophorese besteht aus einer positiv geladenen Anode und einer negativ geladenen Kathode. Der Strom kommt dabei durch ein Gerät, welches ein elektrisches Feld erzeugt. In der Gelmatrix befinden sich Poren, durch die Moleküle hindurchgleiten können. 21 Ablauf Falls die Moleküle keine Farben haben, färbt man diese mit Farbstoff ein. Das Gemisch gibt man anschließend ins Gel und je nachdem wohin die Moleküle wandern, erhält man Auskunft über deren Polung. Moleküle die zum Anode wandern sind negativ geladen (Anionen) Moleküle die zur Kathode wandern sind positiv geladen (Kationen) Im Nachhinein bilden sich sog. Banden: hierbei sind die Moleküle nach Größe und Ladung geordnet. 9.Stammbaumanalyse Autosomale Erbgang: Bei einer autosomalen Vererbung kommen die Erbkrankheiten bei den Geschlechtern gleich häufig vor. Gonosomaler Erbgang: Die Erbkrankheit tritt besonders häufig bei einem Geschlecht auf. Zudem unterscheidet man zwischen einem dominanten und einem rezessiven Erbgang. Dominanter Erbgang: Die Krankheit tritt in jeder Generation im Stammbaum auf. Rezessiver Erbgang: Die Krankheit kommt nicht in jeder Generation vor, sondern ,,überspringt ,,einzelne Generationen. Autosomal dominanter Erbgang: Krankheit tritt in jeder Generation vor Jeder Kranke hat mindestens ein betroffenen Elternteil Sind beide Eltern Heterozygot (Aa), können sie ein gesundes Kind zeugen (aa) A= Allel für das Merkmal, a= intaktes Allel, Aa/AA= Krank, aa=Gesund Stammbaum (autosomal dominanter Erbgang) Generation I Generation II Generation III 9 aa aa 10 Aа Aa 1 4 Aa 11 aa a 12 aa aa AA Aa 13 aa 14 22 Autosomal rezessiver Erbgang: Krankheit tritt nicht in allen Generation auf (überspringt einige, sodass man bspw. gesunde Eltern hat) Beide Geschichte sind gleichhäufig betroffen Beide Elternteile müssen den Merkmal (a) haben A-intaktes Allel, a=Merkmal, AA/Aa= Gesund, aa= Krank Stammbaum (autosomal rezessiver Erbgang) Generation I Generation II Generation III Gonosomal dominanter Erbgang: Mehr Frauen erkrankt AA/Aa Generation I Generation II Generation III aa 1 9 aa AA/Aa Krankheit kommt in jeder Generation vor ein betroffener Vater (XY) hat immer kranke Töchter X= Merkmal, X/Y= intaktes Allel, XX/XY Krank,xx-gesund Kranke Mutter kann kranke söhne bekommen Gonosomal rezessiver Erbgang: Mehr Männer erkrankt Stammbaum (X-Chromosomal dominanter Erbgang) AA/Aa 5 6 7 11 12 13 XY Aa XY Aa/AA Aa/AA 14 XX AA 10 XX 15 betroffene Männer sind auch immer erkrankt (Merkmalsträger) Frauen können Konduktorin (Überträger) sein (Xx) und somit gesund Krankheit kann Generationen überspringen Mutter muss Konduktorin sein, um einen kranken Sohn zu bekommen Mutter muss Konduktroin und Vater krank um eine kranke Tochter zu bekommen X/Y: Intaktes Allel, x= Merkmal, XY/XX= gesund, xY/xx= krank, Xx= Konduktorin 23 Stammbaum (X-Chromosomal rezessiver Erbgang) Generation I Generation II Generation III 8 XY 4 9 XX XX 2 XY 10 XY 11 24 3. Evolution 1. Evolutionstheorien Darwin -Lebewesen zeugen mehr Nachkommen als für das Überleben der Art notwendig wäre (Überpopulation) -Die Umwelt verändert sich (Umweltveränderungen) -Bezüglich eines Merkmals gibt es in einer Gruppe von Lebewesen Unterschiede - Bestimmte Merkmale sind an die sich ändernden Umweltbedingungen besser angepasst (Selektion) -Nur die Individuen mit den vorteilhaften Merkmalen überleben und pflanzen sich fort (Weitergabe der vorteilhaften Gene) Lamarck -Umweltveränderungen führen zu Veränderung der Bedürfnisse -ständiger Gebrauch eines Körperteils stärkt diesen -nicht Gebrauch von Körperteilen führt zu einer Verkrümmung -Nachkommen erben die Merkmale Die synthetische Evolutionstheorie -Basierend auf Darwins Theorie, erweitert um weitere Erkenntnisse aus anderen biologischen Bereichen, insbesondere der Genetik -im Genpool (= Gesamtheit der Gene einer Population) kommt es zu Veränderungen durch Mutation und Rekombination -Evolution wird als Veränderung des Genpools einer Population verstanden -Jeder Faktor, der diesen Genpool ändert, führt zu einer Artenumwandlung; dazu gehören beispielweise: Gendrift, Isolation, Mutation, Migration und Rekombination 2. Evolutionsfaktoren und Selektionstypen Mutationen → Zufällige Veränderung im Genotyp → Erweitern durch neue Allele den Genpool Rekombination - → Neuverteilung des Erbguts während der Meiose → erhöht die genetische Variabilität (da dadurch verhindert wird, dass zwei identische Nachkommen gezeugt werden) Selektion → abiotische Faktoren wie Temperatur, Licht, 02 ➜biotische Faktoren wie Konkurrenz, Feinde/Räuber, Beute/Nahrung, Sexualpartner Gendrift (= Zufällige Veränderung der Allelhäufigkeit innerhalb einer Population) → Flaschenhalseffekt: äußere Einflüsse wie Naturkatastrophen dezimieren die Anzahl an Individuen innerhalb einer Population; führt zu einer veränderten Allelhäufigkeit innerhalb einer Population → Gründereffekt: Individuen einer Stammpopulation besiedeln einen neuen Lebensraum; diese Population wird Gründerpopulation genannt und in dieser kommt es ebenso zu einer neuen Allelhäufigkeit 25 Selektionstypen Stabilisierende Selektion -selektionsdruck von beiden Seiten -am häufigsten aufkommende Art wird begünstigt (Selektionsvorteil) -Mittelwert wird stabil Transformierende Selektion -Sektionsdruck von einer Seite -der Mittelwert verschiebt sich Disruptive Selektion -Selktionsdruck auf häufigste Form -Aufteilung der Population -zwei neue Mittelwerte Altele Selektionsdruck Selektionsdruck Selektions vorteil Selektionsdruck ↓ 3.Fitness Die reproduktive Fitness (Fähigkeit, zu überleben indem man sich gegen andere Tiere durchsetzt und die Fähigkeit, sich fortzupflanzen) von Tieren hängt oftmals von sexuellen Selektionsfaktoren ab. Sexualdimorphismus: Männchen und Weibchen haben eine unterschiedliche Gestalt (Männchen sind oftmals größer) ,,Bateman-Prinzip": Männchen erhöhen ihr Fitness durch die Fortpflanzung (Weibchen nicht) → deswegen versuchen sich Männchen so oft wie möglich fortzupflanzen → Fitness der Weibchen hängt vom Fortpflanzungserfolg ab (deswegen suche diese nach Männchen mit guten Genen) intrasexuelle Selektion: → Partnerwahl hängt vom Männchen ab → Kampf um Weibchen unter den Männchen, wobei der Stärkste alle Weibchen bekommt intersexuelle Selektion: → Partnerwahl hängt vom Weibchen ab → Weibchen suchen sich die Männchen mit den besten Genen → dabei werden vor allem gesunde und phänotypisch (äußeren Merkmale) auffällige Männchen bevorzugt; deren Kinder sind dann oftmals auch gesund → bekommt ein Weibchen ein weniger attraktives Männchen ab, ist sie immernoch auf der Suche nach einem attraktiven Männchen und geht i.d.R. dafür auch ,,fremd" indirekte Fitness: → z.B. Arbeiterinnen bei den Bienen pflanzen sich selber nicht fort, sondern helfen bei der Aufzucht ihrer jüngeren Geschwister → Verwandtenunterstützung: da die anderen Bienen Kopien ihrer Gene enthalten, gibt sie auf diese Weise ihre Gene auch an die nächste Generation weiter, ohne sich dafür aktiv fortpflanzen zu müssen 26 4.Adaptive Radiation Darunter versteht man eine Artaufspaltung als Folge unterschiedlicher Einnischungen. Dies kann man bspw. bei den Darwinfinken auf den Galapagos-Archipel beobachten, die allesamt unterschiedliche Schnabelgrößen haben, obwohl sie alle aus derselben Stammart hervorgingen. Ablauf der Radiation bei den Darwinfinken: 1. Gründung der Stammpopulation → einige Finken gelangen aufgrund von Stürmen vom Festland auf den Archipel (Gründerpopulation); hierbei vermehren sie sich stark 2. Geografische Isolation → einige Finken gelangten auf Nachbarinseln, wodurch der Genfluss (= miteinander verbundene Genpools zweier Populationen) unterbrochen wird 3. Einnischung → mit der Zeit entsteht eine intraspezifische Konkurrenz, da sich die Population schnell vermehrt → Konkurrenzvermeidung durch Einnischung auf Nachbarinseln, wobei dort andere ökologische Bedingungen geben sind, an diese sich die Art anpassen musste (Veränderung der Schnabelform aufgrund unterschiedlicher Nahrungsquellen) 4. Radiation → sobald die Individuen der Nachbarinseln zur Ausgangspopulation zurückkehrten, konnten diese koexistieren, da sie unterschiedliche Umweltansprüche im Laufe der Zeit entwickelt haben (ökologische Isolation) ➜somit sind aus einer Stammart neue Arten entstanden 5. Allopatrische und sympathische Artbildung Dabei kommt es zur Neubildung von Arten, aufgrund der räumlichen Trennung. Hierbei wird unterschieden zwischen: Allopatrische Artbildung: → räumliche Trennung einer Population in zwei Teile (geografische Isolation oder Separation) → unterschiedliche Entwicklung der beiden Tochterpopulation aufgrund von unterschiedlichen Umweltansprüchen → reproduktive Isolation: sind die Unterschiede zwischen den beiden Tochterpopulationen zu groß, sodass keine fruchtbaren Nachkommen mehr geboren werden können (Fortpflanzungsisolation), spricht man von der Entstehung von neuen Arten Sympatrische Artbildung → reproduktive Isolation (obwohl Individuen zweier Populationen nicht (mehr) voneinander getrennt sind, paaren diese sich nicht) einzelner Individuen von der Restpopulation aufgrund von Mutationen → Artneubildung innerhalb eines Verbreitungsgebiets ohne vorherige geografische Isolation Biologische Artbegriff: Gruppe von Individuen, die sich untereinander fortpflanzen können und von anderen Arten reproduktiv isoliert sind 27 Morphologischer Artbegriff: Gesamtheit der Individuen, die in wesentlichen Merkmalen untereinander und mit ihren Nachkommen übereinstimmen → bezieht sich auf das phänotypische Erscheinungsbild Isolationsmechanismen Es entstehen zwei neue Arten, wenn sich die beiden Teilpopulationen nicht mehr miteinander fortpflanzen können. Es gibt verschiedene Isolationsmechanismen die in präzygotische und postzygotische Barrieren unterteilt werden. Präzygotische Barrieren (= Verhinderung einer Befruchtung) → Habitatisolation / zeitliche Isolation: unterschiedliche Vermehrungszeiten sorgen dafür, dass sich zwei Population nicht treffen und somit sich nicht paaren können → Verhaltensisolation: unterschiedliche Balzrituale (Gesänge) → Mechanische Isolation: unterschiedliche Form und Größe der Geschlechtsorgane sorgt dafür, dass sich zwei Arten nicht fortpflanzen können → Gametische Isolation: artfremde Gameten (Geschlechtszellen) passen nicht zu den jeweiligen Erkennungsmerkmalen Postzygotische Barrieren (= Befruchtung findet statt, jedoch sind die Nachkommen nicht lebensfähig, steril oder benachteiligt) → Hybridsterblichkeit: Mischlinge / Hybride zweier Populationen sterben kurz nach der Geburt → Hybridsterilität: Mischlinge zweier Arten können sich nicht fortpflanzen → Hybridzusammenbruch: Mischlinge zweier Population bekommen nur weniger Nachkommen und sterben somit aus Ablauf der Allopatrische Artbildung 1. Ursprungspopulation und geografische Isolation kommt zur Separation, d.h. die Ursprungspopulation wird geografisch voneinander getrennt →Geografische Isolation durch Klimawandel, große Entfernungen und tektonischen Veränderungen (z. B. Verschiebung der Kontinentalplatten, Anstieg des Meeresspiegels) 2. Mutation und Selektion Mutation: aufgrund von unterschiedlichen Lebensräumen entwickeln sich die beiden Arten durch Mutation und Rekombination unterschiedlich weiter (da die biotischen und abiotischen Faktoren anders sind) Selektion: besser angepasste Individuen können in dem neuen Habitat sich besser durchsetzen und ihr vorteilhaften Gene an die folgenden Generationen weitergeben durch Selektion und Mutation verändert sich der Genpool der beiden Populationen und oftmals wird hierbei der Genfluss unterbunden 3. Reproduktive Isolation und Artbildung im Laufe der Zeit haben sich die beiden Teilpopulationen unterschiedlich weiterentwickelt wenn sich nun die beiden Teilpopulationen zusammentun und versuchen sich untereinander fortzupflanzen, kann es zu den folgenden zwei Möglichkeiten kommen 28 → falls die Fortpflanzung möglich ist, handelt es sich hierbei um eine Unterart, da der Genfluss immernoch erhalten ist (die Veränderungen im Laufe der Zeit sind zu gering) → falls keine Fortpflanzung möglich ist, handelt es sich hierbei um eine neue Art, da der Genfluss unterbrochen worden ist (zu viele Veränderungen) Ursprungs- population 11 sandal an an Allopatrische Artbildung Geographische Isolation '11 711 All 11 Mutation & Selektion 11 Sympatrische Artbildung Neubildung von Arten ohne vorherige geografische Isolation (also leben diese im gleichen Lebensraum) Reproduktive Isolation Polyploidisierung: → Mutationen bei Pflanzen sorgen dafür, dass diese ihre Gene nicht mehr mit verwandten Pflanzen tauschen können (Genfluss wird unterbrochen) Tiere können ihre Lebens- und Verhaltensweise ändern → Isolation von anderen Individuen einer Population → Entstehung einer neuen Art 6.Homologie und Analogie Man unterscheidet zwischen zwei Formen der Ähnlichkeit: Analogie (Funktionsähnlichkeit) und Homologie (Abstammungsähnlichkeit). Analogie Verwandtschaft) 1. Kriterium der Lage → Strukturen die gleiche Lage ähnlicher/gleicher Funktion aufgrund der Anpassung an bestimmte Umweltfaktoren (Konvergenz) → dabei sind die Arten nicht miteinander verwandt und haben somit keinen gemeinsamen Bauplan → Konvergente Entwicklung: funktionsgleich, aber nicht ursprungsgleich Homologie → gemeinsame Abstammung, da sie die gleichen Vorfahren haben → haben einen gemeinsamen Grundbauplan für ein bestimmtes Organ/Körperteil → Umweltfaktoren können jedoch zu einer unterschiedlichen Funktion und unterschiedlichem Aussehen führen (Divergenz) → Divergente Entwicklung: ursprungsgleich, aber nicht funktionsgleich Homologiekriterien (damit untersucht man den Verwandtschaftsgrad zwischen zwei Arten; umso mehr Kriterien übereinstimmen, desto höher ist der Grad der 29 2. Kriterium der Stetigkeit → Strukturen können über Zwischenformen voneinander abgeleitet werden 3. Kriterium der spezifischen Qualität → Strukturen sind aus vergleichbaren Teilstrukturen zusammengesetzt (z. B. die chemische Beschaffenheit) 7.Belege für die Evolution Belege aus der Homologie und der Analogie Rudimente → dabei handelt es sich um funktionslose, zurückgebildete Organe (beim Menschen bspw. Weisheitszähne) Atavismus → Auftreten eines Rudiments in einer weniger stark zurückgebildeten Form, sodass es phänotypisch sichtbar ist (z. B. eine dritte Brustwarze) Belege aus der Embryologie → Embryonalstadien heute lebender Tiere und Pflanzen zeigen oftmals Organisationsmerkmale von stammesgeschichtlich älteren Lebewesen Vergleichende Embryologie Belege aus der Molekularbiologie → Untersuchung der DNA zwischen unterschiedlichen Lebewesen gibt Auskunft über die Abstammung und den Grad der Verwandtschaft (z.B. DNA-Hybridisierung) Belege aus der Paläontologie → Fossilien: kommen relativ selten vor, da best. Voraussetzungen erfüllt sein müssen, damit es zur Fossilisation kommt, wie bspw. die Einbettung in ein Medium, dass die Zerstörung durch mechanische, biologische und chemische Vorgänge weitestgehend verhindert → relative Altersbestimmung: Leitfossilien gegeben Auskunft über die zeitliche Abstammung von den Fossilien (man kann diese in zeitliche Perioden einteilen) → absolute Altersbestimmung: durch Messung von radioaktiven Elementen kann das Alter von Fossilien noch genauer untersucht werden (man schaut sich die Halbwertszeiten von bestimmten Isotopen an) 8.Phylogenetischer Stammbaum und Stammbaumentwicklung Ein phylogenetischer Stammbaum ist ein Baum, der die evolutionären Beziehungen zwischen verschiedenen Arten, von denen man vermutet, dass sie gemeinsame Vorfahren besitzen, 30 Bakterien Spirochäten Proteobakterien Cyanobakterien Planctomyceten Bacteroides Cytophaga Thermotogae- Aquifex Gram- positive Archaeen Erstellung eines Stammbaums Chloroflexi Entamoebae Methanosarcina Methanobacterium Haloarchaea Methanococcus Thermococcus celer Thermoproteus Pyrodicticum man sucht nach einer heute lebenden Art man sucht nach homologen Merkmalen Prinzip der einfachsten Erklärung → morphologische Merkmale und DNA-Merkmale bspw. Eukaryota Schleim- pilze Merkmale von Primaten: -fünfstrahlige Füße & Greifhände mit abspreizbaren Daumen -nach vorn gerichtete Augen -> räumliches Sehen -sexuelle Fortpflanzung, K-Strategen, komplexe Sozialstruktur -großes Gehirn (Intelligenz), komplexes Nervensystem -Anordnung der oberen Schneidezähne Tiere Pilze darstellt. Jeder Knoten repräsentiert den nächsten gemeinsamen Verwandten dieser Nachfahren. Pflanzen Wimperntierchen Flagellaten Trichomonaden Microsporidien Diplomonaden 9.Evolution des Menschen -Mensch gehört zusammen mit Affen zur Ordnung der Primaten -Primaten lassen sich in Feuchtnasenprimaten (Halbaffen wie Lemuren) & Trockennasenaffen -Hominoiden: menschenartige Primaten (z. B. Gibbons) -Hominiden: Menschenaffen, Menschen & deren vorfahren Menschen werden dem modernen Homo sapiens zugeordnet. Zur Herkunft gibt es zwei Theorien: 31 Out-of-Africa-Hypothese Entwicklung des Homo Sapiens vor 200.000 Jahren in Afrika nur einmalige Bildung des modernen Menschen aus Homo ergaster Verdrängung aller regionalen Populationen von Homo erectus Neandertaler nicht als Vorfahre des modernen Menschen Mutliregionale Hypothese Der H. Sapiens entwickelte sich in mehreren Gebieten Afrikas, Europas und Asien unabhängig voneinander Migrationen und intensiver Genfluss führen zum einheitlichen Genpool Modell ist sehr umstritten 10.DNA-Hybridisierung Mithilfe der DNA-Hybridisierung können Verwandtschaftsbeziehungen zwischen zwei Arten untersucht werden. DNA-Hybridisierung: 1. Denaturierung → DNA-Stränge werden auf über 90° C erhitzt, sodass die Wasserstoffbrücken aufbrechen und sich die komplementären DNA-Einzelstränge trennen 2. Hybridisierung → DNA-Einzelstränge werden nun mit anderen DNA-Einzelsträngen vermischt, sodass Hybride zweier Arten entstehen 3. Renaturierung → Proben werden anschließend gekühlt, sodass die Wasserstoffbrücken sich erneut bilden → umso mehr komplementäre Basen und Wasserstoffbrücken sich bilden, desto höher ist der Grad der Verwandtschaft zwischen den beiden Arten 32 Neurobiologie 1.Das Neuron Das Neuron ist eine Nervenzelle die wichtig für die Aufnahme und Weiterleitung von Reizen ist. Man kann diese in zwei Abschnitte unterteilen: Zellkörper (oben) und Axon (unten). Folgende Begriffe sollte man hierfür wissen: Zellköper: enthält den Zellkern und das Cytoplasma Dendriten: verzweigte Fortsätze die verantwortlich für die Reizaufnahme und deren Weiterleitung sind (ein Neuron besitzt mehrere Dendriten) Synapsen: Bindungsstelle zweier Dendriten von zwei unterschiedlichen Neuronen (dabei wird die Erregung weitergeleitet) Axon: Weiterleitung von elektrischen Nervenimpulsen hinweg vom Zellkörper Axonhügel: Empfangsbereich des elektrischen Signals (des Reizes) Myelinschicht: Hüllzellen, die die Neurone stützen und ernähren; sorgen für eine elektrische Isolation synaptischen Endknöpfe: befinden sich am Ende eines Axons; hieran bilden sich Synapsen, die den Reiz in Form von elektrischer Erregung an andere Neurone oder Muskelfasern weiterleiten Ranvier-Schnürring:Unterbrechung der Myelinschicht entlang des Axons Synapse Dendriten •Zellkern Axon •Zellkörper | Soma) -Axonhügel •Zellmembran •Schwann-Zelle (Markscheide/Myelinschicht •Ranvier-Schnürring synaptische Endknöpfe 33 2.Ruhepotential Innerhalb und außerhalb unserer Zellen kommen verschiedenen lonen, wie Natrium-, Kalium- oder Chloridionen vor. Eine unterschiedliche Verteilung innerhalb und außerhalb der Zelle führt zur Entstehung eines Potentials (Spannung) an der Zellmembran. Die Spannung einer nicht erregten Nervenzelle nennt man Ruhepotential. Das Potential ist hierbei negativ geladen und beträgt beim Menschen ca. -70 mV. Somit beschreibt das Ruhepotential das Membranpotential einer nicht erregten Nervenzelle. lonenverteilung im Axon (während des Ruhepotentials) innerhalb der Zelle: (positiv geladene) Kalium-Ionen (K+) und (negativ geladene) organische Anionen (A-) außerhalb der Zelle: (positiv geladene) Natrium-Ionen (Na+) und (negativ geladene) Chloridionen (CI-) Zellinnere und Zelläußere wird von einer semipermeablen Membran voneinander getrennt + Na Extrazellulärraum Nat CI- Cytoplasma Ionenverteilung Ruhepotential Selektive Permeabilität Na K+ K+ CI (Na Na Na A- Natriumionen (Na K+ K+ Kaliumionen K+ Nat CI- Na A A Chloridionen Na Na CI- CI- semipermeable Membran UMMUT organische Anionen Membran ist nicht für alle lonen gleich zulässig Kalium-Ionen können ungehindert durch die Membran, aufgrund von offenen Kalium- lonen-Kanälen (die lonenkanäle sind hierbei spannungsabhängig) Chlorid- und Natriumionen, sowie organische Anionen können nicht durch die Membran diffundieren (da die spannungsabhängigen Kanäle geschlossen sind) ➜einzelne Natriumionen schaffen es dennoch vom Zelläußeren ins Zellinnere zu gelangen (sog. ,,Natrium-Leckstrom) Elektrochemischer Gradient elektrische Potential: da positiv geladene Kaliumionen aus dem Zellinneren ins Zelläußere diffundieren, kommt es zu keinem Konzentrationsausgleich → da das Zellinnere immer negativer wird (wegen dem Ausströmen der Kaliumionen) und das Zelläußere immer positiver wird (wegen dem Einströmen der Kaliumionen) 34 →normalerweise versucht die Zelle dafür zu sorgen, dass die Spannung innerhalb und außerhalb der Zelle gleich ist (Konzentrationsausgleich) chemische Potential: normalerweise versucht die Zelle an sich immer für einen Konzentrationsausgleich zu sorgen, sodass im Zellinneren und Zelläußeren immer gleich viele lonen vorhanden sind → jedoch ist es hierbei nicht möglich, da die semipermeable Membran dies verhindert Gleichgewichtspotential: irgendwann sind beide Potentiale gleich groß →➜d.h. dass die chemische Kraft, die die lonen nach außen drückt, genauso stark ist wie die elektrische Kraft, die die lonen in das Zellinnere zieht →somit wandern die Kaliumionen nicht mehr weiter und es entsteht ein Gleichgewicht (= Eintreffen des Ruhepotentials) Natrium-Kalium-Pumpe Natrium-Kalium-Pumpe wird benötigt, da die Natrium-Einströme auf Dauer zu einem Ladungsausgleich führen würde (somit würde kein Ruhepotential eintreffen) mithilfe von ATP transportiert die Natrium-Kalium-Pumpe drei Natriumionen aus dem Zellinneren nach außen, und drei Kaliumionen von dem Zelläußeren in das Innere → sorgt dafür, dass das Zellinnere immer negativer und das Zelläußere immer positiver wird + Extrazellulärraum Na A Nat offener K+-Kanal Na Ruhepotential Entstehung K+ K+ CI- A K+ CI- Cytoplasma K+ Nat Nat-K+- Pumpe K+ Na 1. Ruhepotential 2. Überschreitung der Schwellenspannung 3. Depolarisation 4. Repolarisation 5. Hyperpolarisation Nat CI Nat Nat CI- Na CI- Natrium Leckstrom A K+ 3.Aktionspotential Das Aktionspotential beschreibt die Änderung des Membranpotentials einer Zelle während der Erregungsweiterleitung. Dabei weicht das Membranpotential kurzzeitig vom Ruhepotential ab. Nach dem Ablauf des Aktionspotentials kann nicht direkt die nächste Erregung weitergeleitet werden, da erst die Natriumkanäle wieder aktiviert werden müssen (man spricht von der sog. ,,Refraktärzeit"). Man kann das Aktionspotential in fünf Schritte unterteilen: 35 Spannung [mV] 50- - Schwellen- spannung 0 - -50- -100 2. Schwellenwert Aktionspotential 3. Depolarisation Depolarisation unterschwellige Reize 1. Ruhepotential am Anfang liegt das Membranpotential der Zelle bei -70 mV Repolarisation Zeit 2 ms Ruhepotential Hyperpolarisation absolute Refraktärzeit relative Refraktärzeit immer wieder erreichen Reize den Axonhügel je nach Stärke des Reizes, kann dieser den Schwellenwert von ca. -50 mV überschreiten, sodass es zum Aktionspotential kommt hierbei gilt das ,,Alles oder Nicht Gesetz" → es kommt nur zum Aktionspotential, wenn die Reizschwelle überschritten wird (ansonsten nicht) Anstieg des Membranpotentials über einen Wert von -50 mV führt zur Öffnung spannungsabhängiger Natriumkanäle es kommt zu einem schlagartigen Einstrom von positiv geladenen Natriumionen in das Zellinnere des Axons ➜ da die Konzentration von Natriumionen im Zelläußeren höher ist als im Zellinneren Potential übersteigt die Schwelle von 0 mV → Membranpotential wird positiv und es öffnen sich nun weitere Natriumkanäle → ,,over-shoot": höchste Punkt der Depolarisation 4. Repolarisation bevor das Maximum des Membranpotentials erreicht ist, fangen die Natriumkanäle an zu schließen Zellinnere ist nun wieder negativer als das Zelläußere → Kaliumionen strömen aus dem Zellinneren aus → spannungsabhängige Kaliumkanäle öffnen sich (passiert erst nach dem sich die Natriumkanäle geschlossen haben, da ihre Öffnung langsam stattfindet) 5. Hyperpolarisation da das Schließen der Kaliumkanäle länger dauert, als das der Natriumkanäle, kommt es oftmals zur Unterschreitung des Ruhepotentials → bis die Kanäle wieder vollständig geschlossen sind, diffundieren weiterhin Kaliumionen aus der Zelle (deshalb sinkt die Spannung unterhalb des Ausgangwerts) 36 4.Patch-Clamp-Methode Bei der Patch-Clamp-Technik handelt es sich um eine elektrophysiologische Analysemethode, die zur Darstellung von lonenströmen durch die Zellmembran verwendet wird. Dabei wird untersucht, welche spezifischen lonenkanäle beim Austausch bestimmter lonen beteiligt sind. "Patch" bezeichnet einen kleinen Abschnitt der Zellmembran, der von der Messpipette berührt wird. "Clamp" steht für das während der Messung konstant gehaltene elektrische Potenzial. Allgemeine Ablauf: Verwendung von radioaktiv markierten Substanzen → diese werden in Nervenzellen injiziert und nach einiger Zeit wird der radioaktive Anteil außerhalb der Zelle gemessen → Versuch wiederholt man auch in die andere Richtung Ablauf der Patch-Clamp-Methode: Mikropipette aus Glas wird auf die Zellmembran befestigt Glaskapillar wird dabei mit einer Strom leitenden Lösung befüllt eine zweite Kapillar wird in die Zelle eingeführt man beobachtet kurzzeitige Ausschläge bei der Messung des Stromflusses: → Kanäle öffnen sich →lonen diffundieren hindurch → Kanäle schließen sich wieder lonenströme liegen im Messbereich von 10^-12 → Bestimmung der Anzahl der diffundieren lonen pro Zeiteinheit 5.Weiterleitung von Aktionspotentialen Das Aktionspotential wird bei einer Nervenzelle über das Axon weitergeleitet. Je nachdem, wie die Erregung weitergeleitet wird, unterscheidet man zwischen der kontinuierlichen und der saltatorischen Erregungsleitung. Saltatorische Erregungsleitung Nervenzellen bei Säugetieren (also auch Menschen) sind von isolierenden Schichten umgeben, die sog. Myelinscheide → jedoch bildet sie keine durchgehende Umhüllung, sondern wird immer wieder unterbrochen ➜ein nicht umhüllter Bereich wird Schnürring genannt Aktionspotential löst eine Depolarisation aus, wodurch sich spannungsabhängige Natriumionenkanäle öffnen → geschieht nur in den Schnürringen → positiv geladene Natriumionen strömen hierbei in das Zellinnere, wodurch erneut ein Aktionspotential ausgelöst wird → dieses wird dann weitergeleitet an den nächsten Schnürring → es handelt sich also hierbei um eine „springende" Weiterleitung des Aktionspotentials (da die myelinisierten Bereiche übersprungen werden) durch die Isolation wird das Aktionspotential sehr schnell weitergeleitet und dabei wird zugleich Energie eingespart (da die Natrium-Kalium-Pumpe nur bei den Schnürringen die Natriumionen aus der Zelle pumpen muss) 37 Axon Myelinscheide Axon Saltatorische Erregungsleitung Na+ Weiterleitung Membranumhüllung Leistungsgeschwindigkeit Axondurchmesser | Vorkommen refraktär Weiterleitungsrichtung Kontinuierliche Erregungsleitung dabei sind die Nervenzellen nicht isoliert, sodass die elektrischen Signale kontinuierlich (durchgehend) weitergeleitet werden →d.h. dass bei jeder Stelle des Axons eine Depolarisation stattfindet → deswegen ist diese Art der Weiterleitung relativ langsam Kontinuierliche Erregungsleitung Vergleich der beiden Erregungsleitungen refraktär Na+ erregt + Wirbeltiere erregt Weiterleitungsrichtung saltatorisch sprunghaft Myelinscheiden bis über 100 m/s eher niedrig Na+ noch unerregt Ranvier'scher Schnürring noch unerregt kontinuierlich durchgehend nicht isoliert max. 30 m/s eher hoch Wirbellose (z. B. Tintenfisch) 38 6.Synaptische Erregungsübertragung Für die Wahrnehmung unserer Umwelt benötigen wir die Nervenzellen. Sie nehmen Reize wahr und leiten sie als Erregungen in unserem Körper von einer Zelle zur nächsten weiter. Dazu sind die Nervenzellen (Neuronen) mit weiteren Nervenzellen oder anderen Zellen wie Muskel-, Sinnes- oder Drüsenzellen verknüpft. So eine Verknüpfung zur Reizweiterleitung nennst man Synapse. Aufbau einer Synapse: Man kann eine Synapse in drei verschiedene Bereiche einteilen: präsynaptische Membran → Axon-Ende (synaptischen Endknöpfe) der Sender-Nervenzelle → enthält Vesikel (membranumhüllte Bläschen) mit Neurotransmittern (chemische Stoffe wie Dopamin, die wichtig für die Informationsübertragung sind) synaptischen Spalt → Bereich zwischen den beiden kommunizierenden Zellen → Neurotransmitter werden darin freigesetzt postsynaptische Membran → Membran der Empfänger-Zelle (Dendriten) → Membran enthält Rezeptoren zur Bindung von Neurotransmittern Ablauf der Neuronalen Schaltung 1. Aktionspotential (Depolarisation der Präsynapse) 2. Öffnung von spannungsabhängigen Calciumionenkanälen (Ca2+) → Ca2+-Einstrom 3. Fusion der transmittergefüllten Vesikel mit der präsynaptischen Membran (aufgrund der hohen Calcium-Konzentration in der Präsynapse) 4. Exocytose der Neurotransmitter →Diffusion der Neurotransmitter in den synaptischen Spalt 5. Anlagerung von Neurotransmittern an den Rezeptoren der entsprechend transmittergesteuerten Kanäle (z.B. Na+-Kanäle) → führt zur Öffnung von transmittergesteuerten Kanälen 6. loneneinstrom in die Postsynapse (z. B. Natriumionen) 7. Änderung des Membranpotentials an der postsynaptischen Membran: → EPSP: (positive) Natrium-Ionen-Einstrom (erregend) → IPSP: (positive) Kalium-Ionen-Einstrom oder (negative) Chlorid-Ionen-Einstrom (hemmend) 8. Resynthese → bestimmte Enzyme (z. B. Acetylcholinesterase) spalten die Neurotransmitter (in zwei Teile), sodass diese wieder von der Präsynapse aufgenommen werden können EPSP und IPSP EPSP (= erregendes postsynaptisches Potential) → führt zu einer Depolarisation, wodurch ein Aktionspotential ablaufen kann IPSP (= inhibitorisches postsynaptisches Potential) → führt zu einer Hyperpolarisation, da die hemmenden Synapsen an der postsynaptischen Membran eine Depolarisation verhindern 39 End- knöpfchen Ca2+ -Pumpe Ch-Carrie präsynaptische Membran ACH- Rezeptor O postsynaptische Membran O ACh Muskelfaser Präsynapse w-Conotoxin Postsynapse Nikotin % Aktionspotential Go Herkunft Lo C O O Präsynapse Botulinumtoxin Bakterium in verdorbener Nahrung Tabakpflanzen 10 (92+ 80 Spannungsgesteuerter Ca²-kanal Calcium ·Vesikel mit Ach $$$ A Ch 30 Ach-Esterase Enzym synaptischer Spalt Transmitter Transmitter-/1 Spannungssteurter- Abo+ - Karal 7.Synapsengifte und deren Wirkung Synapsengifte unterbinden die synaptischen Übertragung zweier Neuronen. Dabei sind Synapsengifte zumeist chemische Substanzen, die einen bestimmten Bereich des Neurons angreifen und so die synaptische Übertragung verhindern. Wirkungsort Gift Wirkung Nat Aktionspotential Kegelschnecken Blockade der Ca2+- Kanäle -> verringert den Ca2+- Einstrom verhindern -> Verhinderung der Transmitterausschüttung verhindert Vesikelfusion (keine Exocytose) aktiviert nikotinische Acetylcholin-Rezeptoren, die den Abbau der Transmitter durch Acetylcholinesterase Auswirkung im Organismus Lähmung der Muskulatur: Unterbrechung der Schmerz- weiterleitung Lähmung der Muskulatur, Tod Dauererregung 40 Postsynapse Tetrodotoxin Kugelfischen blockiert Na+-Kanäle 8.Verrechnung von Potentialen Bei der Summation von Potentialen werden verschiedene Nervenimpulse zusammen verrechnet. Es wird zwischen der zeitlichen und der räumlichen Summation unterschieden. Zeitliche Summation: → wenn von einer einzelnen Synapse in kurzen Zeitabschnitten mehrere erregende (EPSP) bzw. hemmende (IPSP) Potentiale eintreffen, so werden diese summiert Räumliche Summation: → wenn von mehreren Synapsen zeitgleich erregende bzw. hemmende Potentiale eintreffen, so werden diese summiert findet am Axon statt aktive Weiterleitung von Informationen 9.Codierung von Informationen Ein Reiz wird in unterschiedlichen Codierungen übertragen. Man unterscheidet zwischen der digitalen und der analogen Codierung. Digitale Codierung: Analoge Codierung: keine Erregung (Muskelerschlaffung, Atemlähmung) → durch das wiederholte Auslösen von Aktionspotentialen je stärker der Reiz, desto mehr Impulse pro Zeiteinheit Länge des Reizes entspricht nicht der Dauer eines einzelnen Impulses (jeder Impuls ist gleich lang) findet in den Dendriten und am Zellkörper statt passive Weiterleitung von Informationen → da keine weiteren PSPS ausgelöst werden je länger ein Reiz dauert, umso länger die Potentialverschiebung je stärker ein Reiz, desto größer die Amplitude de Potentialverschiebung 41