Ökologie, Genetik, Neurobiologie, Klassische Genetik Genetik

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DNA-Moleküle eines Bakteriums bezeichnet, die neben kleineren DNA-Molekülen (Plasmiden) in der ● Zelle vorkommen. Es ist kein Chromosom im eigentlichen Sinne, sondern besteht aus einem meist zirkulären DNA-Molekül. Reservestoff: Speicher für Lipide, Phosphate etc. Träger der Erbinformation Versuch von Griffith: Lange Zeit war man sich über die chemische Natur der Erbinformation im Unklaren. Die Proteine schienen zunächst die geeigneten Träger der Erbinformation zu sein. Erst die Experimente von Griffith (1928) und Avery brachten hier Klarheit. Beide Forscher arbeiteten mit zwei verschiedenen Bakterienstämmen: S-Pneumokokken besitzen eine umhüllende Kapsel, die den Bakterienkolonien eine glatte Oberfläche verleiht. Diese Bakterien verursachen eine bei Säugetieren tödlich verlaufende Lungenentzündung, da die Kapsel sie vor der Immunabwehr des Wirtes schützt. R-Pneumokkoken fehlt die Kapsel, sodass die Stämme eine raue Oberfläche besitzen. Diese Bakterien werden daher von der Immunabwehr des Wirtes vernichtet. Der R-Stamm ist folglich krankheitserregend. Griffith infizierte Mäuse mit S-Bakterien. Wie erwartet starben die Mäuse. Bei Infizierung mit R-Bakterien überlebten sie. Die entsprechenden Bakterienkolonien ließen sich auf Nährböden nachweisen. Durch Hitze abgetötete S-Bakterien zeigten keine Wirkung. Anschließend impfte Griffith Mäuse mit einem Gemisch aus hitzeabgetöteten S-Bakterien und lebenden R-Bakterien. Entgegen den Erwartungen starben die so infizierten Mäuse. Auf dem Nährboden ließen sich lebende S-Bakterien nachweisen. Die Information zur Kapselbildung musste also von den toten S-Bakterien auf den lebenden R-Stamm übertragen worden sein, sodass sich krankheitserregende S-Bakterien bildeten. Zur Erklärung nahm Griffith ein transformierendes Prinzip an, ohne diese näher charakterisieren zu können. ● Versuch 1: Mäuse wurden mit Bakterien vom S-Typ infiziert. Bei diesem Versuch starben alle Versuchstiere an Lungenentzündung. Die Schleimhülle schützte die Bakterien vor dem Immunsystem der Mäuse, die Zellen des Immunsystems und die Antikörper konnten nicht zum eigentlichen Bakterium vordringen und dieses vernichten. Versuch 2: Mäuse wurden mit Bakterien des R-Typs infiziert. Hier überlebten die meisten Versuchstiere. Die Bakterien hatten keine schützende Schleimhülle mehr, und das Immunsystem konnte die Erreger angreifen und unschädlich machen. Versuch 3: Die tödlichen S-Typ-Bakterien wurden stark erhitzt und dadurch abgetötet. Als Griffith Mäusen diese toten S-Bakterien injizierte, überlebten die meisten Mäuse. Mit diesen an sich schon interessanten Ergebnissen gab GRIFFITH sich aber nicht zufrieden. Es ist nicht überliefert, wie er auf die geniale Idee kam, aber er machte weitere Versuche. ● Versuch von Avery: Avery gelang die Identifizierung des transformierenden Prinzips: Aus abgetöteten S-Pneumokkoken wurden die verschiedenen Makromoleküle (Polysaccharide, Proteine und DNA) isoliert. Diese gab er einzeln zu lebenden R-Bakterien. Ausschließlich die isolierte DNA konnte die Bildung lebender S-Bakterien bewirken. Diese Übertragung von Erbinformation mittels isolierter DNA(Transformation) liefert damit den Beweis, dass nur die DANN Träger der Erbinformation. Definition Transformation: Übertragung genetischer Information und deren Ausprägung Aufbau der DNA Merkmale des DNA-Modells nach Watson und Crick: Zucker-Phosphate-Bänder außen, Basen innen (Strickleitermodelle) Komplementäre Basenpaarung durch Wasserstoffbrückenbindungen: Adenin paart mit Thymin (zwei H-Brücken), Cytosin paart mit Guanin (drei H-Brücken) ● Versuch 4: Die abgetöteten S-Typ-Bakterien wurden zusammen mit lebenden R-Typ-Bakterien in Mäuse injiziert. Hier starben die meisten Mäuse an Lungenentzündung. Im Blut diese Mäuse fand man dann lebende S-Typ-Bakterien. ● ● Zwei gegenläufige, antiparallele Polynucleotidstränge (ein Strang mit 5' -> 3 Richtung, der andere Strang mit 3 ->5'-Richtung) Strickleiterartige Verdrehung der beiden Polynucleotidstränge führt zur Doppelhelix Zehn Basenpaarte pro Windung der Doppelhelix Die Abfolge der Basen (Basensequenz) bestimmt die genetische Information Am Strang sind abwechselnd Zucker und Phosphorsäure Moleküle Definition: DNA= Desoxyribonukleinsäure, im Deutschen inzwischen meist als DNA bezeichnet, ist eine Nukleinsäure, die sich als Polynukleotid aus einer Kette von vielen Nukleotiden zusammensetzt. Nucleotid= Als Nukleotide, auch Nucleotide, werden die Bausteine von Nukleinsäuren sowohl in Strängen der Ribonukleinsäure wie auch der Desoxyribonukleinsäure bezeichnet. Ein Nukleotid setzt sich aus einem Basen-, einem Zucker- und einem Phosphatanteil zusammen. Komplementär= In der DNA paart Adenin (A) sich stets mit Thymin (T) und Guanin (G) mit Cytosin (C); die sich miteinander paarenden Basen nennt man komplementäre Basen. Das Verhältnis der sich miteinander paarenden Basen ist im DNA-Doppelstrang immer 1:1 Antiparallel= Die DNA besteht aus zwei Hälften bzw. Strängen. Diese verlaufen in entgegengesetzte Richtungen, was fachsprachlich als "antiparallel" oder "bidirektional" bezeichnet wird. Chargaff-Regel= Der Biochemiker Erwin Chargaff konnte zeigen, dass die Basenverhältnisse in der DNA konstant sind: Die Zahl der Adenin-Basen entspricht einerseits ziemlich genau der Zahl der Thymin-Basen und die Zahl der Guanin-Basen andererseits ziemlich genau der der Cytosin-Basen. Kurz gefasst gilt für die Zahl der Basen in der DNA also: A = T und C = G; daraus lässt sich ableiten, dass (C+T)= (A + G). Diese regelhafte Verteilung der Basen in der DNA wird auch als "Chargaff-Regel" bezeichnet. Adenin und Thymin einerseits und Cytosin und Guanin andererseits bezeichnet man als komplementäre Basen. A+T= Eckigen G+C= Runden DNA und Chromosomen Wie liegt die DNA im Zellkern einer eukaryotischen Zelle vor? Bei Eukaryoten liegt der größte Teil der DNA in den Chromosomen im Zellkern vor. Ein Chromosom besteht normalerweise aus zwei Chromatiden, in sich teilenden Zellen kommen phasenweise auch Ein-Chromatid-Chromosomen vor. Jeder Chromatide enthält eine DNA-Doppelhelix. Die DNA einer menschlichen Körperzelle verteilt sich auf 46 Chromosomen, insgesamt ist sie ungefähr zwei Meter lang. Sie ist in weitgehend regelmäßigen Abständen um Proteine, die Histone gewunden. So entstehen Histon-DNA- Partikel, die als Nucleosomen bezeichnet werden. Definition: Chromatin= Chromatin ist das Material, aus dem die Chromosomen bestehen. Es handelt sich um einen Komplex aus DNA und speziellen Proteinen, von denen wiederum etwa die Hälfte Histone sind. Der Name kommt von griech. chroma, weil sich Chromatin mit basischen Kernfarbstoffen anfärben lässt. Chromosom Chromosomen sind Bestandteile komplexer Zellen, auf denen die für die Vererbung von Eigenschaften notwendigen Erbinformationen gespeichert sind. Ein Chromosom enthält Desoxyribonukleinsäure, auf der die Gene codiert sind, sowie verschiedene Proteine, insbesondere Histone. Chromatid= Chromatid bezeichnet einen Teil der Chromosomen der Eukaryoten. Ein Chromatid besteht aus einem DNA-Doppelstrang und den zugehörigen Chromatin- Proteinen. Je nachdem in welcher Zellzyklus-Phase sich eine Zelle befindet, ob nach oder vor einer Kernteilung, besteht ein Chromosom aus einem oder zwei Chromatiden Genom= Das Genom, auch Erbgut eines Lebewesens oder eines Virus, ist die Gesamtheit der materiellen Träger der vererbbaren Informationen einer Zelle oder eines Viruspartikels: Chromosomen, Desoxyribonukleinsäure oder Ribonukleinsäure bei RNA- Viren, bei denen RNA anstelle von DNA als Informationsträger dient. Replikation Definition Replikation: Vorgang in der Interphase des Zellzyklus, die zur genetisch identischen Verdopplung der DNA führt Meselson-Stahl-Experiment: Meselson und Stahl führten ein Experiment durch, das die Frage nach der richtigen Modellvorstellung der DNA-Replikation beantwortete. Sie züchteten Bakterien in einem Nährmedium, das als einzige Stickstoffquelle das Isotop 15N enthält. Hierbei handelt es sich um Stickstoff-Atome, die eine größere Masse und Dichte bei sonst gleichen chemischen Eigenschaften aufweisen. DNA-Moleküle mit 15N-Stickstoff lassen sich daher von DNA-Molekülen mit leichterem Stickstoff durch Zentrifugation trennen. Die in 15N über mehrere Generationen gezüchteten Bakterien enthielten schweren Stickstoff in beiden DANN-Strängen. Bei der Zentrifugation sedimentierten diese weiter nach unten als 14N-DNA. Für die Dauer einer Zellteilung überführten Meselson und Stahl die Bakterien in ein Nährmedium mit leichtem Stickstoff. Die replizierte DNA war jetzt mittelschwer, ihre Dichte lag zwischen der der schweren und der leichten DNA. Dieses Ergebnis lässt sich nur mit einer semikonservativen Replikation erklären. Die untersuchte DNA besteht aus einem schweren und einem neusynthetisierten, leichten DNA-Strang. Nach einer erneuten Teilung in leichtem 14N zeigte sich das erwartete Ergebnis einer halbschweren und einer leichten DNA. Eine konservative Replikation hätte nach einer Teilung zwei getrennte Banden erzeugt, eine leichte und eine schwere. Drei verschiedene Mechanismen der Replikation: Das konservative Modell besagt, dass die Elterndoppelhelix (die ursprüngliche DNA der Zelle) als eine Art Vorlage für die Herstellung (Synthese) einer neuen Tochterdoppelhelix dient. Diese Tochterdoppelhelix besteht dann vollständig aus neuem Material. Das heißt sie enthält keinerlei Bestandteile der Elterndoppelhelix. Das semikonservative Modell erklärt, dass sich die Elterndoppelhelix zunächst entwindet und anschließend je ein Strang von ihr als Schablone (Matrize) für einen passenden (komplementären) Tochterstrang dient. Das bedeutet letztendlich, dass nach der DNA- Replikation zwei Doppelstränge vorliegen, die sich aus je einem elterlichen und einem töchterlichen, neu synthetisierten Strang zusammensetzen. Bei dem dispersiven Modell geht man davon aus, dass alle vier DNA-Stränge nach der Replikation aus einer Mischung von alter und neuer DNA bestehen. Die semikonservative Replikation ist am besten geeignet, da bei dem Meselson-Stahl- Experiment 50% der DNA-Moleküle zur Hälfte aus schwerem und zur Hälfte aus leichtem Stickstoff d.h. sie hatten einen schweren und leichten Strang und bildeten daher die mittlere Bande. Die anderen 50% bestanden komplett aus leichtem Stickstoff. Molekularer Mechanismus der Replikation ● Primase: Enzym, welches ein kurzes RNA-Start-Molekül (Primer) synthetisiert und an den DNA-Einzelstrang heftet ● ● ● (RNA-) Primer: kurzes RNA-Stück, welches als Startmolekül fungiert, besteht aus RNA-Nukleotiden. ● DNA-Polymerase (III): Enzym, welches die Nukleotide am neuen Tochterstrang verknüpft, hängt die Nukleotide immer am 3'Ende an (läuft von 5'nach 3'). -> synthetisiert komplementären DNA-Strang Okazaki-Fragment: kurzer Abschnitt des Folgestrangs, der während der DNA- Replikation entsteht. DNA-POLYMERASE (III) DNA-Ligase: Enzym, das die Okazaki-Fragmente miteinander verknüpft. Helicase: Enzym, das die DNA-Doppelhelix entspiralisiert und in zwei Einzelstränge trennt, in dem es die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen löst DNA-Polymerase (III) Leitstrang (=kontinuierlicher Strang): DNA-Strang, der kontinuierlich (im Ganzen) synthetisiert wird (komplementär) Nukleotide (Nukleosid-Triphosphate): Bausteine, aus denen die neuen DNA- Stränge synthetisiert werden. Ablauf der Replikation: Folgestrang (diskontinuierlicher Strang): DNA-Strang, der nur diskontinuierlich (in Stücken) synthetisiert werden kann Das Enzym Topoisomerase entwindet die DNA-Doppelhelix Teilstrange der DNA-Doppelhelix werden voneinander getrennt, diese wird von dem Enzym Helicase katalysiert. Es werden dabei die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen gelöst Die Primase knüpft RNA-Primer an die DNA-Einzelstränge, die als Startpunkt dienen. Die DNA-Polymerase (III) synthetisiert jeweils den komplementären DNA-Strang, indem sie jeweils die komplementären Nukleotide miteinander verkettet. Dies funktioniert nur in 5'->3'Richtung d.h. die DNA-Polymerase kann die Nukleotide nur ans 3'Ende hängen. • Leitstrang: DNA-Polymerase kann kontinuierlich arbeiten. Es werden nur ein Primer benötigt, dann erfolgt die Synthese des neuen Strangs ohne Unterbrechungen ● Einzelstrang: Die DNA-Polymerase kann nur diskontinuierlich arbeiten. Es werden mehrere Prime benötigt, weil die DNA-Polymerase von der Replikationsgabel wegläuft und so die Stränge nur kurz sind (Okazaki-Fragmente) DNA-Polymerase I ersetzt die RNA-Nukleotide der Primer durch DNA-Nukleotide Die Ligase verbindet die neu eingesetzten DNA-Nukleotide Beteiligte Enzyme: Helicase: Helikasen sind Enzyme, die in allen Lebewesen und den meisten Viren vorkommen und die die Struktur doppelsträngiger Nukleinsäuren verändern. In der Regel lösen sie die Basenpaarung von doppelten DNA- oder RNA-Strängen auf. Auch Sekundärstrukturen von Nukleinsäuren können Ziel von Helikasen sein. DNA-Polymerase: DNA-Polymerasen sind Enzyme, welche die Synthese von DNA aus Desoxyribonukleotiden katalysieren. DNA-Polymerasen spielen eine Schlüsselrolle bei der DNA-Replikation. Primase: Primase ist der Name für eine RNA-Polymerase, also ein Enzym. Primasen sind Bestandteile von Primosomen, die bei der Initiation der Verdopplung des Erbmaterials eine Rolle spielen. Dabei erzeugt die Primase ein kurzes RNA-Startmolekül, den Primer. Dieser Primer lagert sich an die komplementäre Sequenz auf der DNA an. Primer: Als Primer wird in der Molekularbiologie ein Oligonukleotid bezeichnet, das als Startpunkt für DNA-replizierende Enzyme wie die DNA-Polymerase dient. DNA- Polymerasen benötigen eine Hydroxygruppe als Startpunkt für ihre erste Verknüpfungsreaktion. Okazaki-Fragmente: Okazaki-Fragment heißt in der Molekularbiologie einer der während der DNA-Replikation entstehenden kurzen Abschnitte des Folgestrangs aus DNA. Bei Prokaryoten ist ein solches Fragment 1000 bis 2000 Nukleotide lang, bei Eukaryoten 100 bis 200. Ligase: Ligasen sind Enzyme der sechsten Enzymklasse laut der systematischen Nomenklatur der Enzymkommission der International Union of Biochemistry, die das Verknüpfen zweier Moleküle durch eine kovalente Bindung katalysieren. DNA-Nukleotide: Als Nucleotide werden die Bausteine der DNA und der RNA bezeichnet. ... DNA-Nucleotide: Ein Nucleotid (Nukleotid) esteht in der DNA aus einer der 4 organischen Basen Adenin, Cytosin, Guanin, Thymin, einem Zuckermolekül Desoxyribose und einem Phosphatrest Folgestrang: Als Folgestrang bezeichnet man bei der Replikation den DNA- Tochterstrang, der während der DNA-Neusynthese im Gegensatz zum Leitstrang von der DNA-Polymerase nur diskontinuierlich synthetisiert werden kann Leitstrang: Als Leitstrang bezeichnet man bei der Replikation den DNA-Tochterstrang, der während der DNA-Neusynthese von der DNA-Polymerase kontinuierlich in 3'-5'- Richtung der DNA-Matrize synthetisiert wird. Der Leitstrang selbst wird dabei komplementär in 5'-3'-Richtung aufgebaut. Mitose und Zellzyklus Ablauf der Mitose: Prophase: Spiralisierung und Verkürzung der Chromosomen (Kondensation), Chromosomen bestehen aus Zwei-Chormatiden-Chromosomen, die durch das Centromer miteinander verbunden sind. Der Spindelapparat bildet die Spindelfasern. Metaphase: Maximale Verkürzung der Chromosomen. Anordnung in der Zellmitte zwischen den Zellpolen zur Äquatorialebene. Spindelfasern verbinden das Centromer eines jeden Chromatids mit den Zellpolen Anaphase: Verkürzung der Spindelfasern. Trennung der Zwei-Chromatiden-Chromosem am Centromer und Wanderung der Ein-Chromatid-Chromosomen zu den Zellpolen Telophase: Entspiralisierung der Chromosomen, Bildung der Kernhüllen mit neuen Nukleotiden und Kernmembran setzt sich zusammen, Spindelapparat wird abgebaut Zellzyklus: Das Ziel einer jeden Zellteilung ist die Bildung genetisch identischer Tochterzellen. Dies wird durch Verdopplung vorhandener Erbinformation und anschließende, exakte Teilung erreicht. Den sich wiederholende Vorgang aus Verdopplung (Interphase) und Teilung von Erbinformation (Mitose), einschließlich der zufälligen Aufteilung der übrigen Zellbestandteile, nennt man Zellzyklus. Interphase: Man unterscheidet drei Abschnitte: G1-Phase: Wachstumsphase. Die Chromosomen liegen als entspiralisierte DNA-Moleküle vor (Ein-Chromatid-Chromosom). Vermehrung des Zellplasmas ink. Zellorganellen S-Phase: Verdopplung der DNA. Ein-Chromatid-Chromosomen wird zu Zwei-Chromatid- Chromosomen. Synthese von Histonproteinen G2-Phase: Weiteres Wachstum der Zelle. Vorbereitungen für die Mitose und Zellteilung kommen zum Abschluss. Zellen, die ihre Teilungsfähigkeit verloren haben oder sich längere Zeit nicht teilen, befinden sich in der GO-Phase. Definition Karyogramm: grafische Darstellung eines vollständigen Chromosomensatzes, bei der die Chromosomen nach Größe geordnet und fortlaufend nummeriert sind, 2 Chromatidchromosomen sind unterschiedlichen groß, jedes Chromosom hat zwei Chromatiden+Centromer, jedes Chromosomenpaar enthält unterschiedliche Erbinformation, von dem Chromosom eines Paares ist eins der Mutter, eins vom Vater, insg. 23 Chromosomenpaarte bzw. 46 einzelne Chromosomen, das 23.Chromosomenpaar sind die Geschlechtschromosomen (XX: Frauen; XY. Mann), nach Größe und Lage des Centromers sortiert Haploid: Chromosomensatz in den Körperzellen liegt doppelt vor (23 Chromosomenpaare, 22 Paare Autosomen, 1 Paar Gonosomen), insg. 46 Diploid: Chromosomensatz liegt einfach vor, von jedem Chromosomenpaar liegt nur ein Chromosomen vor (23 Chromosomen) Nur in Geschlechtszellen Gene und Proteine Funktion der Proteine: Sie haben vielfältige Funktionen: ● ● ● Katalyse chemischer Reaktionen (Enzyme z.B. alpha-Amylase) Bewegung Gerüstsubstanz (in Haut, Haaren, Horn und Federn) Transport (z.B. von Atemgasen im Blut durch Hämoglobin) ● ● Immunität (Antikörper) Nährstoff (z.B. Hühnereiweiß) Aufbau: Proteine sind sehr große kettenförmige Moleküle. Ihr Grundbaustein sind die Aminosäuren. Diese sind stets nach dem gleichen Grundschema aufgebaut: An ein zentrales Kohlenstoff-Atom ist ein Wasserstoff-Atom, eine Aminogruppe, eine Carboxy- Gruppe und ein organischer Rest gebunden. Nur in dem organischen Rest unterscheiden sich die verschiedenen Aminosäuren. Der Rest verleiht jeder Aminosäure charakteristische Eigenschaften: Man unterscheidet Aminosäuren mit polaren oder mit unpolarem Rest. Bei den Aminosäuren mit polarem Rest gibt es neutrale, saure und basische Aminosäuren. Die Verknüpfung zweier Aminosäuren führt zum Dipeptid. Dabei reagiert die Carboxy-Gruppe einer Aminosäure mit der Aminogruppe der anderen Aminosäure unter Wasseraustritt. Die so entstandene Peptidbindung ist das grundlegende Bauprinzip aller Proteine. Bei Verknüpfung von drei bis zehn Aminosäuren spricht man vom Oligopeptid, bei mehr als 10 Aminosäuren von einem Polypeptid. Ab etwa 100 Aminosäuren spricht man dann von Proteinen. Struktur Primärstruktur: Die Vielfalt der Proteine wird durch die verschiedenen Reste der einzelnen Aminosäuren und deren Abfolge bestimmt. Diese lineare Abfolge der einzelnen Aminosäuren bezeichnet man Primärstruktur Sekundärstruktur: symmetrische, dreidimensionale Anordnung der Polypeptidkette. Neben der schraubig gewundenen alpha-Helix (Stabilisierung durch Wasserstoffbrücken innerhalb einer Molekülkette gibt es die beta-Faltblatt-Struktur (Stabilisierung durch Wasserstoffbrücken zwischen mehreren Polypeptidketten). Tertiärstruktur: asymmetrische dreidimensionale Anordnung, die neben ungeordneten Abschnitten auch alpha-helicale und beta-Faltblatt-Strukturen enthalten kann. Die Stabilisierung erfolgt über Wasserstoffbrücken, VAN-DER-WAALS-Bindungen, lonenbindungen sowie Elektronenpaarbindungen zwischen den Resten der unterschiedlichen Aminosäuren. Reagieren zwei Aminosäuren mit SH-Gruppen in ihrem organischen Rest, so entsteht eine besonders stabile Elektronenpaarbindung, die Disulfidbrücke Quartärstruktur: geordnete, dreidimensionale Anordnung, die aus mehreren Polypeptidketten besteht. Die einzelnen Ketten bezeichnet man als Untereinheit. Definition: Protein= Ein Protein, umgangssprachlich Eiweiß, ist ein biologisches Makromolekül, das aus Aminosäuren durch Peptidbindungen aufgebaut ist. Proteine finden sich in jeder Zelle und machen zumeist mehr als die Hälfte des Trockengewichts aus Polypeptid= aus verschiedenen Aminosäuren aufgebautes Produkt beim Ab- und Aufbau der Eiweißkörper Enzym= in der lebenden Zelle gebildete organische Verbindung, die den Stoffwechsel des Organismus steuert Gen= Abschnitt der DNA, als lokalisierter Träger einer Erbanlage eines Erbfaktors, der die Ausbildung eines bestimmten Merkmals trägt Ein-Gen-ein-Merkmal-Hypothese= Ein bestimmter Abschnitt der DNA codiert ein bestimmtes Merkmal. Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese= Ein Gen trägt die Information für ein Enzym. Mit ihrem Experiment zeigten Beadle und Tatum, dass Gene den Phänotyp bestimmen, indem sie die Bildung von Enzymen codieren. Die so gebildeten Enzyme katalysieren dann Reaktionen, die zum entsprechenden Phänotyp führen. Beadle und Tatum erzeugten durch Bestrahlung verschiedene Mutationen beim Schimmelpilz Neurospora crassa. Einige dieser Mutationen führten dazu, dass der Pilz die Aminosäure Arginin nicht mehr bilden konnte. Diese Mangelmutanten waren bei ihrem Wachstum auf Arginin bzw. Vorstufen des Arginin-Stoffwechsels angewiesen. Die Forscher isolierten der verschiedenen Typen von Mangelmutanten, die sich in ihrem Gendefekt und ihren Ansprüchen an das Nährmedium unterschieden. So wuchs beispielsweise Typ II nur dann, wenn dem Nährboden Arginin oder Citrullin zugesetzt wurde. Die Zugabe von Ornithin führte zu keinem Wachstum. Beadle und Tatum folgerten, dass bei der Typ II-Mutante dasjenige Enzym fehlte oder defekt war, das die Umwandlung von Ornithin in Citrullin katalyisert. Nur so war es zu erklären, dass diese Mangelmutante bei Zugabe von Ornithin nicht wuchs, wohl aber nach Zugabe von Citrullin. Auch die übrigen Mangelmutanten ließen sich nur dadurch erklären, dass in der Stoffwechselkette zum Arginin jeweils ein bestimmtes Enzym ausgefallen war. Sie verallgemeinerten ihre Erkenntnisse: Jedes Gen codiert ein bestimmtes Enzym. Ein-Gen-ein-Protein-Hypothese- Jedes Gen codiert ein Protein (muss kein Enzym sein) Enzyme bestehen aus Proteinen. Nicht jedes Protein ist jedoch auch notwendigerweise ein Enzym. Daraus wurde die Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese zur Ein-Gen-ein-Protein- Hypothese. Ein-Gen-Polypeptid-Hypothese= Ein Gen codiert eine Polypeptidkette (Manche Proteine bestehen aus mehreren Polypeptidketten, werden also von mehreren Genen codiert). Viele Proteine bestehen aus mehreren Polypeptidketten, wie zum Beispiel das Hämoglobin. Es enthält vier Polypeptidketten, zwei alpha und zwei beta-Ketten. Die alpha und beta-Ketten unterschiedlichen Genen codiert. Ein Gen enthält also die Information für die Synthese eines Polypeptids. Polygenie= Polygenie ist ein Begriff aus der Genetik. Er wird für Fälle verwendet, in denen die im jeweiligen Interesse stehende Ausprägung eines Merkmals des Phänotyps, zum Beispiel eine Erbkrankheit, von mehr als einem einzelnen Gen abhängt. Polyphänie=Unter Polyphänie bzw. Pleiotropie versteht man den Umstand, dass ein Allel (bzw. ein Gen) nicht nur für ein Merkmal, sondern für mehrere verantwortlich ist. Proteinbiosynthese Transkription 1.) Start (Initiation): ● Promotor bestimmen den Startpunkt der Transkription Das Enzym RNA-Polymerase kann sich an den Promotor binden 2.) Verlängerung (Elongation) ● ● ● ● ● Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen am Promotor werden getrennt Bei Eukaryoten lagern sich Hilfsproteine (Transkriptionsfaktoren) am Promotor an ● Verlängerung des mRNA-Moleküls, es löst sich von der DANN Hinter der RNA-Polymerase verbinden sich beide DNA-Stränge wieder Trennen des DNA-Doppelstrang in zwei Einzelstränge durch RNA- Polymerase Der codogene Strang dient als Vorlage (Matrize) RNA-Nukleotide lagern sich komplementär an den codogenen Strang an und wenden von der RNA-Polymerase miteinander zur RNA verknüpft Der codogene Strang wird von 3'nach 5'abgelesen, die RNA- Nukleotide werden von 5' nach 3´verknüpft 3.) Ende (Termination) An Terminator (Stopp-Sequenz) endet die Transkription RNA-Polymerase löst sich von der DNA, das mRNA-Molekül wird komplett freigesetzt Produkte: mRNA, DANN (unverändert), RNA-Polymerase (unverändert) Translation Bei der Translation wird, die in der mRna enthaltene Information in die Aminosäuresequenz der Proteine übersetzt. Ribosomen: sind die Proteinproduktionsstätten der Zellen. Sie lesen die Information der mRNA und führen deren Instruktion aus. Die Ribosomen sind aus der ribosomalen RNA, der rRNA, zusammengesetzt und können jedes Protein konstruieren Der genetische Code: ist die Botschaft, welche von der mRNA transportiert wird. Aminosäure: sind Verbindungen aus Kohlenstoff und Stickstoff. Die 20 verschiedene Aminosäuren können millionenfach kombiniert werden, um so funktionelle Proteine herzustellen. Transfer-RNA tRNA : Jedes tRNA-Molekül hat eine typische alpha-Förmige Raumstruktur. Jede tRNA enthält ein spezifisches Basentriplett, das Anticodon. Mit diesem Codon bindet die tRNA an ein komplementäres Codon der mRNA. Die Bindung der spezifischen Aminosäure erfolgt am 3'Ende des tRNA - Moleküls. Das stets mit den Basen CCA endet. Die Auswahl der richtigen Aminosäure erfolgt durch das verknüpfende Enzym, die tRNA - Synthese. Für jede der 20 Aminosäuren gibt es ein solches Enzym, das die richtige tRNA aufgrund ihrer charakteristischen Raumstruktur erkennt. 1.) Initiation ● ● ● ● 2.) Elongation ● ● ● mRNA lagert sich mit dem Startcodon (AUG) an die kleine Untereinheit des Ribosoms an die erste tRNA lagert sich mit dem Anticodon (UAC) an das Startcodon, sie trägt die Aminosäure Methianin ● Die große Untereinheit des Ribosoms lagert sich an und bildet einen Komplex mit E-, P-, und A-Stelle Codonerkennung: Es gibt 3 Stellen im Ribosom (E,P,A), an denen tRNA- Moleküle binden können. An der A-Stelle wird ein neues Codon erkannt, so dass ein tRNA-Molekül dort komplementär binden kann (Anticodon) Peptidbindung: Die Aminosäuren werden durch eine Peptidbindung miteinander verknüpft (von P aus A) Verschiebung: Das Ribosom wandert drei Basen in 3'-Richtung. Die E, P,A- Stellen ändern sich. t-RNA mit der Aminosäurekette ist nun an der P-Stelle. Eine neue tRNA kann an der A-Stelle binden. An der E-Stelle verlässt ein entladenes t-RNA-Molekül das Ribosom P: dort entsteht die Polypeptidkette A: tRNA mit neuer Aminosäure E: entladen Kreislauf-> Polypeptid entsteht 3.) Termination: Wird eines der drei Stopp-Codons (UAG: UGA: UAA) erreicht, so führt dies zum Abbruch der Kettenverlängerung. Für diese Codons existieren keine entsprechende tRNA - Moleküle. Das Ribosom zerfällt in seine beiden Untereinheiten, das gebildete Polypeptid wird freigesetzt Proteinbiosynthese Überblick Die Umsetzung und Realisierung der genetischen Information findet in zwei klar voneinander getrennten Teilvorgängen statt. Die Transkription: Die in der Basensequenz der DANN enthaltene Information zur Bildung eines Proteins wird zunächst in die Basensequenz einer mRNA umgeschrieben. Bei der mRNA handelt es sich um einzelsträngige Kopien kurzer DNA-Abschnitte. Die Transkription findet bei Prokaryoten im Cytoplasma statt. Die Translation: Die in der mRNA vorliegende Information wird an den Ribosomen im Cytoplasma in die entsprechende Aminosäuresequenz umgesetzt. Die Vermittlung zwischen der Basensequenz der mRNA und der Polypeptidsequenz erfolgt durch tRNA-Molekül. Im Unterschied zu anderen Nucleinsäurearten sind tRNAs kleine Moleküle aus rund 80 Nucleotiden. Eingebaut in die Ribosomen tritt eine dritte RNA-Art auf, die ribosomale RNA. Sie dient dem Erkennen und dem Binden der mRNA am Ribosom. Vergleich DNA und RNA DNA RNA Bausteine: Basen Bausteine: Zucker Länge Aufbau Funktion Weiteres Funktion Verwendete Nukleotide Zeitpunkt im Zellzyklus Beteiligte Enzyme Vergleich Transkription und Replikation Replikation Verdopplung der DNA vor Matrizen (Vorlage) Bezeichnung von Startstelle und Endstelle Weiteres Räumliche und zeitliche Organisation Adenin, Thymin, Cytosin, Guanin Uracil ersetzt die Base Thymin (paart sich mit Adenin) Ribose Kleine Moleküle (verlässt Zellkern durch Kernporen) Einzelstrang Informationsträger Reifung der mRNA Desoxyribose Große Moleküle Aufbau der DNA Doppelstrang Enthält die Erbinformation: Informationsspeicher Dauerhaftes Molekül Struktur und Funktion der drei RNA-Typen Proteinbiosynthese bei Prokaryoten und Eukaryoten Transkription Erster Teilschritt der Proteinbiosynthese RNA-Nukleotide G1 und G2-Phase DNA-Polymerase, Helicase, RNA-Polymerase Primase, Ligase, Topoismerase Leitstrang und Folgestrang (beide DNA-Stränge) Primer der Zellteilung DNA-Nukleotide S-Phase Die gesamte DNA wird repliziert Prokaryoten Transkription und Translation finden zeitgleich im Cytoplasma statt (schneller) Keine Reifung Nur Exon Ribosomen-Aufbau RNA-Prozessierung bei Eukaryoten OS Ribosomen Nicht dauerhaft, wird wieder abgebaut Codogener Strang (nur einer) Promotor, Terminator Nur ein Teil der DNA wird transkribiert Eukaryoten 1.Transkription im Zellkern 2.Translation im Cytoplasma nacheinander (langsamer)R Von der prä-mRNa zur Mrna: 3'Ende: Poly A-Schwanz 5'Ende- CAP Spleißen: unnötige Informationen werden rausgeschnitten Exons (codierende Bereiche), Introns (nicht- codierende Bereiche) OS Ribosomen Mosaikartige Zusammensetzung der DNA: Die eukaryotische DNA besteht aus codierenden Abschnitten (Exons) und nicht codierende Abschnitte (Introns). Beide werden in die vorläufige prä-mRNA transkribiert. Reifung der mRNA (Prozessierung): Die prä-mRNA durchläuft im Zellkern einen mehrfachen Umbau bis zur reifen Mrna: Die Introns werden unter Bildung von „Lasso- Strukturen" herausgeschnitten (Spleißen). Die zunächst gestückelte genetische Information liegt nun zusammenhängend vor. Das 5'Ende erhält eine besondere Sequenz (cap-Sequenz), die eine Anlagerung an das Ribosom erleichtert. Das 3'Ende wird mit einer Sequenz aus bis zu 250 Adenin-Nucleotiden versehen. Dieser Poly A-Schwanz verhindert den schnellen Abbau der mRNA. Die anschließende Translation verläuft wie bei den Prokaryoten. Die Transkription findet im Zellkern statt, die Translation im Cytoplasma Ribosomenaufbau: Die eukaryotischen 80S-Ribosomen bestehen aus 60S- und 40S- Untereinheiten. Von der DNA zum Protein (Überblick) Genexpression: Umsetzung der genetischen Information: Erbinformation -> Proteine, findet in den G-Phasen des Zellzyklus statt Transkription: Umschreiben von DNA in RNA, erster Teil der Proteinbiosynthese, bei Eukaryoten im Zellkern Translation: Übersetzung von Basensequenz (RNA) in Aminosäuren (Polypeptid), findet an den Ribosomen statt, zweiter Teil der Proteinbiosynthese RNA-Prozessierung: Nur bei Eukaryoten, zwischen Transkription und Translation: Neu hergestellte RNA wird zugeschnitten und an beiden Enden verändert, bevor sie den Zellkern verlässt Genetischer Code Eigenschaften des genetischen Codes: Der genetische Code ist ein Triplett-Code, das heißt, jeweils drei Basen (Codon) enthalten die Information für eine spezifische Aminosäure Der genetische Code ist degeneriert. So codiert zwar jedes Codon nur eine Aminosäure, aber viele Aminosäuren werden durch mehrere verschiedene Codons bestimmt. Der genetische Code ist kommafrei, das heißt, die Codons schließen lückenlos aneinander an. Der genetische Code ist nicht überlappend. Eine Base ist immer nur Bestandteil eines Codons. Der genetische Code ist prinzipiell universell. Bis auf wenige Ausnahmen nutzen alle Lebewesen denselben genetischen Code. ÜBUNGEN DAZU MACHEN!!! Codesonne ● ● Degeneriert Met und Trip hat nur eine Basensequenz Universell Mehrere Triplette können codiert werden ● Kommafrei ● ● ● ● ● Mutationen Definition Mutation: Spontane oder durch Mutagene verursachte stabile Änderung des Erbgutes Ursachen für die Entstehung von Mutationen: ● Geht vom 5'-Ende zum 3'-Ende Nicht überlappend ● Startcodon AUG Stoppcodons UAA, UAG, UGA ● Äußere Einwirkungen während der Schwangerschaft Rauchen Chemische Substanzen Strahlungen: Röntgenstrahlung, UV-Strahlung Durch Gentechnik ● Alkohol Radioaktivität Vererbung z.B. Inzest Alter, ZEIT ● Mutationen sind Veränderungen, also Schäden der DANN Definitionen: Genommutation= Anzahl der Chromosomen ist verändert z.B. Trisomie 21: Das 21 Chromosomen ist dreimal vorhanden Turnersyndrom: Frauen, die nur ein X- Chromosom haben (XO statt XX). Ansonsten meist letal (tödlich) Chromosomenmutation= Änderung der Chromosomenstruktur (z.B. kürzer oder länger) Genmutation: Ein einzelnes Gen ist verändert, dies ist mikroskopisch nicht sichtbar (die Basenabfolge der DNA) z.B. Mukoviszidose Punktmutation Austausch eines Nukleotidpaars, nur an einem Punkt der DNA= Substitution Bsp. Stumme Mutation, Missense Mutation, Nonsene Mutation Rasterschubmutation= Ein oder mehrere Nukleotidpaare werden eingefügt oder entfernt und dadurch entsteht ein Leserasterverschiebung (außer es wird das Vielfache von 3.Nukleotidpaaren eingefügt oder entfernt). Stumme Mutation= Der Austausch eines Basenpaares (meist das dritte eines Basentripletts) führt zur Bildung eines anderen Codons, was aber aufgrund des degenerierten genetischen Codes in dieselbe Aminosäure übersetzt wird, Das gebildete Polypeptid ist fehlerfrei. Missense-Mutation= Der Austausch eines Basenpaares (meist das erste oder zweite eines Basentripletts) führt zum Einbau einer anderen Aminosäure. Das gebildete Polypeptid kann funktionslos werden (Aminosäure befindet sich z.B. im aktiven Zentrum des Enzyms), in seiner Funktion verändert sein oder normal funktionieren (Aminosäure befindet sich in unwichtigem Bereich des Proteins) Nonsense-Mutation= Der Austausch eines Basenpaares führt zur Entstehung eines Stopp-Codons, sodass die Translation zu früh endet und ein zu kurzes Polypeptid entsteht. Dieses ist meist funktionslos. Insertion= Das Einfügen eines oder mehrerer Basenpaare verschiebt das Leseraster für die folgende Basen, so dass ab dem Einschub die falschen Aminosäuren hergestellt werden. Das gebildete Polypeptid ist meist funktionslos. Ausnahme: Einschub von Basentripletts Deletion= Der Verlust eines oder mehrerer Basenpaare verschiebt das Leseraster für die folgenden Basen, so dass ab dem Verlust die falschen Aminosäuren hergestellt werden. Das gebildete Polypeptid ist meist funktionslos. Ausnahme: Verlust von Basentripletts Folgen einer Genmutation auf die Funktion eines Proteins Triplett GAA fehlt in der DNA-Sequenz → Aminosäure Phe fehlt im Polypeptid Verändertes Protein: → Veränderte Primärstruktur → Veränderte Sekundärstruktur → Veränderte Tertiärstruktur → Veränderte Quartiärstruktur Protein kann seine Aufgabe/Funktion nicht erfüllen: Auswirkungen von Genmutationen mit Auswirkungen auf den Ebenen Phänotyp und Organismus DNA-Reparatur ● Protein hat eine andere Form, dadurch hat es ein verändertes aktives Zentrum Chlorid-lonen passen nicht mehr ins aktive Zentrum Das Kanalprotein kann keine Chlorid-lonen mehr nach außen transportieren Es entsteht ein zäher Schleim, weil die Chlorid-lonen, die normalerweise Wasser anziehen würden, noch in der Zelle sind. ● Fotoreaktivierung: erfolgt durch Fotolyasen (Enzyme), werden durch sichtbares Licht aktiviert, machen DNA-Veränderungen rückgängig, Beispiel: Trennung Thymin-Dimere Postreplikations-Reparatur: Fehlpaarungen werden korrigiert, die während der DNA-Replikation entstanden sind, Enzyme erkennen Fehlpaare, reparieren Fehlpaarungen und unterscheiden zwischen elterlichem DNA-Strang und Tochterstrang Excisionsreparatur: Endonuclease erkennt Schadstelle z.B. Thymin-Dimere, schneidet betroffenen DNA-Strang vor und hinter dem Dimer ein, entfernt die schadhafte Stelle, die Lücke wird durch eine DNA-Polymerase aufgefüllt, die DNA-Ligase verknüpft das neue DNA-Stück mit dem alten DNA-Strang Regulation der Genaktivität bei Prokaryoten Strukturgene: Sie enthalten die genetische Information zur Bildung der Enzyme Regulatorgen: Dieses enthält die Information zur Bildung eines Repressor-Proteins Repressor: Protein, das die Enzymsynthese unterbinden kann. Operator: DNA-Abschnitt, an den das Repressor-Protein reversibel bindet. Promotor: DNA-Abschnitt, an den die RNA-Polymerase bindet. Operon: Oberbegriff für den DNA-Abschnitt aus Promotor, Operator und Strukturgenen. Substratinduktion Die Enzymbildung wird bei dieser Form von Genregulation erst bei Anwesenheit eines bestimmten Substrates C (=Induktor) ausgelöst. Nach der Modellvorstellung von Jacob und Monod kann das Repressor-Molekül aktiv oder passiv vorliegen. Bei Abwesenheit des Substrates ist es aktiv und bindet an den Operator. Eine Transkription und somit die Enzymbildung wird blockiert. Bei Anwesenheit des Substrates bindet das Substrat an das Repressor-Molekül, sodass dieses seine Gestalt verändert und nicht mehr am Operator binden kann. Die RNA-Polymerase lagert sich an den Promotor an und die Enzyme des Substratabbaus. Beispiel: lac-Operon. Normalerweise ist Glucose die zentrale Energiequelle für E.coli. Bei Abwesenheit von Glucose kann E.coli auch Lactose verwerten. Lactose induziert dann den eigenen Abbau, indem es sich an den Repressor bindet und die Bildung der Lactose abbauenden Enzyme ermöglicht. Das Regulatorgen bewirkt die Herstellung eines aktives Repressor, der an den Promotor bindet und so die Expression der Gene für den Lactosestoffwechsel verhindert. Bei Zufuhr von Lactose: Lactose bindet an das Repressorprotein, verändert dessen Raumstruktur. Folge: Die Repressormoleküle sind inaktiv und können nicht mehr an den Operator binden. Die RNA-Polymerase transkribiert nun die Gene für die Lactoseverwertung. Endproduktrepression Das Endprodukt eines Stoffwechselweges unterbindet hier die Enzymneusynthese. Zunächst liegt der Repressor inaktiv vor. Die Enzyme eines Stoffwechselweges, der zu dem Endprodukt führt, werden gebildet. Liegt dieses Endprodukt im Überschuss vor, so wird die weitere Bildung unterbunden, indem es an den Repressor bindet. Dadurch wird dieser aktiv und unterbindet die weitere Transkription. Beispiel: Trp-Operon. Ist die Aminosäure Tryptophan (Trp) in genügender hoher Konzentration vorhanden, so wirkt Trp als Inhibitor der weiteren Trp-Produktion, indem es sich an den Repressor bindet und ihn akiviert. Kein Tryptophan vorhanden= Repressor inaktiv, Synthese der Enzyme, die Tryptophan aufbauen. Tryptophan vorhanden= Repressor aktiv, keine Synthese der Enzyme (Endproduktrepression) Das Produkt Tryptophan unterdrückt seine eigene Produktion Negative Rückkopplung Definition Der Begriff negative Rückkopplung beschreibt einen Regelkreis, bei dem die Veränderung einer Variablen eine Wirkung verursacht, welche die ursprüngliche Veränderung hemmt oder ihr entgegenwirkt. Negative Rückkopplung führt im Allgemeinen zur Stabilisierung einer Größe in Regelkreisen. Vergleich Substratinduktion und Endproduktionrepression Substratinduktion Regulatorgen bildet die Herstellung der Repressorproteine ● Aktiver Repressor bindet sich an den Operator und verhindert die Expression der Strukturgene ● ● ● Repressor ist inaktiv, wenn Substrat (z.B. Lactase) in der Zelle ist und sich mit dem Repressor verbindet Substrat (Lactose) reguliert den Prozess: Es induziert seinen eigenen Abbau durch Enzyme Abbauender Prozess Endproduktionrepression ● Inaktiver Repressor kann sich nicht an den Operator binden, so dass die RNA-Polymerase die m-RNA synthetisieren kann Aktiver Repressor stoppt den Aufbau ● Regulatorgen bindet inaktiven Repressor ● Repressor ist aktiv, wenn Überangebot an Produkt (Tryptophan) und sich ein Produkt mit dem inaktiven Repressor verbindet Produkt reguliert den Prozess: Es fördert den Aufbau der Enzyme und hemmt somit seine eigene Produktion (Aufbauender Prozess) Positive Genregulation Hier wird die Transkription durch einen Aktivator ermöglicht. Ohne Aktivator werden Gene nicht oder nur in geringen Maßen abgelesen. Die Transkriptionsrate der lac-Strukturgene werden nach Aufhebung der Hemmung stimuliert. Die Transkription von prokaryotischen Genen oder Gengruppen wird durch die Anlagerung von Aktivatorproteinen, hier CAP, (wiederum Produkte von Regulatorgenen) an die Kontrollregion stimuliert. Ohne angelagerte Aktivatoren besitzt RNA-Polymerase nur geringe Affinität zu den Promotoren der entsprechenden Gene bzw. Operonen. Die Wirksamkeit des Aktivators hängt (analog zu den Repressoren) von der Gegenwart bestimmter, als Effektoren wirkender Kleinmoleküle ab, hier CAMP. ● Transkription der Strukturgene kann nur erfolgen, wenn der Aktivator im Bereich des Promotors bindet Dadurch wird die Transkriptionsrate erhöht Zum Vergleich die negative Genregulation: Hier bindet ein Repressor an den Operator und hemmt die Transkription. Auswirkungen von verschiedenen Mutationen im Bereich eines Operons Regulation der Genaktivität bei Eukaryoten Die Genregulation findet bei Eukaryoten auf mehreren Ebenen statt Die Genregulation ist komplexer, da die Zellen spezialisiert sind: Muskelzellen, Gewebezellen, Nervenzellen... Ziel der Genregulation: Nur ein Teil der Gene ist aktiv! Es werden nur benötigte Polypeptide synthetisiert → Stoff- und energiesparend! Chromatin (Interphase): Arbeitsform der DNA Transportform der DNA →Genetische Informationen sind durch den hoch kondensierten verfügbar und werden abgelesen Zustand können die genet. Infor- tionen nicht abgelesen werden Neue Färbetechniken mit Fluoreszenzfarbstoffen: ,,chromosome painting" → Widerlegung der ,,Spaghetti-Hypothese"! → Chromosomen nehmen auch im Arbeitszustand während der Interphase meist klar abgegrenzte Bereiche im Zellkern ein → Chromosomen Territorien Die Position der Chromosomen im Chromosomen (Mitose) Zellkern variiert, auch in Form von Chromatin! → Chromosomen-Territorien sind nicht zufällig verteilt! → Aufenthaltsort eines Chromosoms im Zellkern bestimmt mit, ob ein Gen aus- oder eingeschaltet ist →Gene, die am Rand des Zellkerns liegen, sind oft inaktiv → In der Mitte des Zellkerns sind Zentren der Gen-Expression (,,Transkriptionsfabriken") Bei Eukaryoten sind im Gegensatz zu Prokaryoten Transkription und Translation räumlich und zeitlich getrennt. Dadurch ist eine differenzierte Regulation der Genexpression auf verschiedenen Ebenen möglich. So kann eine Regulation bei der Translation erfolgen. An diesen Vorgängen sind Multiproteinkomplexe beteiligt, die bei Bedarf entstehen und nach der Regulation wieder in die einzelnen Proteine zerfallen. Transkriptionsfaktoren Die Regulation findet bei Eukaryoten überwiegend auf Transkriptionsebenen statt. Folgende Elemente spielen eine zentrale Rolle: Promotor-Region: Sie ist Erkennungsstelle für die RNA-Polymerase und bewirkt den Start der Transkription. In der Promotorregion gibt es häufig eine Basensequenz, die reich an Thymin und Adenin ist (TATA-Box). Mutationen im Bereich der TATA-Box setzen die Promotorfunktion und damit die Transkriptionsrate deutlich herab. TATA-BOX: DNA-Region des Promotors, die viel Thymin und Adenin enthält. Sie ist dafür zuständig, dass Proteine an den Promotor binden, indem sie die TATA-Box erkennen. Transkriptionsfaktoren: Dies sind Regulatorproteine, die an die Promotorregion binden und der Anlagerung sowie Aktivierung der RNA-Polymerase dienen. Allgemeine Transkriptionsfaktoren (TF): Erkennen die meisten Promotoren der proteincodierenden DNA-Abschnitte. Es sind an die TATA-Box bindende Proteine. Nur wenn alle benötigten TF angelagert sind, kann die Transkription beginnen Spezifische Transkriptionsfaktoren: Dabei bilden DNA-Sequenzen die Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren. Sie sind typisch für bestimmte Gene, sie können auch weiter von der codierten Sequenz entfernt sein und werden durch Schleifenbildung in deren Nähe gebracht Enhancer und Silencer: Diese zusätzlichen Kontrollsequenzen befinden sich einige tausend Basenpaare von Transkriptionsstart entfernt. Enhancer (Verstärker) binde nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip Aktivatorproteine. Durch Schleifenbildung der DANN wird der Kontakt zwischen ihnen und den Transkriptionsfaktoren am Promotor ermöglicht. Auf diese Weise wird dann die Transkription stimuliert. Silencer (Dämpfer) unterdrücken die Transkriptionsaktivität. Aus dem Zusammenspiel mehrerer Enhancer und Silencer ergibt sich die Transkriptionsrate des Gens. Enhancer: Diese DNA-Regionen wirken sich auf die Transkription verstärkend aus, wenn ein Aktivatorprotein daran bindet. Silencer: Diese DNA-Regionen wirken sich auf die Transkription dämpfend aus, wenn ein Repressorprotein daran bindet. → Je nachdem wie viele Enhancer/Silencer am Mediator binden, wird die Transkriptionsrate erhöht/erniedrigt. Wirkung von Hormonen auf ihre Zielzellen Es lassen sich zwei Typen unterscheiden: Nicht-lipidlösliche Hormone (Peptidhormone, Adrenalin, Noradrenalin) können die Zellmembran nicht passieren ● Sie koppeln nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an membrangebundene Hormonrezeptoren in der Außenmembran der Zielzelle an Die Rezeptoren fungieren als Antennen eines Signaltransduktionssystem. Durch die Hormonankopplung aktiviert, bewirkt dieses System in der Zelle die enzymatische Bildung eines second messengers (z.B. CAMP.) Dieser löst dann in der Zelle die eigentliche Wirkung aus. Je nach Zielzelle ist dies: Aktivierung von Enzymen, die Öffnung von lonenkanälen, nach Bindung an einen weiteren Rezeptor die Aktivierung von Genen Lipidlösliche Hormone (Steroidhormone) Sie dringen in die Zellmembran ein und können bereits hier Enzyme oder lonenkanäle aktivieren Im Zellinneren werden sie dann an spezifische Hormonrezeptoren gebunden ● ● Als Hormon-Rezeptor-Komplex bewirken sie im Zellkern die Aktivierung oder Blockierung bestimmter Gene und lösen so die Zellantwort aus. Definition Epigenetik Ein Teilgebiet der Genetik; setzt sich mit erblichen Veränderungen der Genregulation auseinander Veränderung der Genregulation, ohne die DNA-Sequenz zu verändern Umweltfaktoren wirken auf die DNA und verändern so die Aktivität von Genen Methylierung der DNA Das Enzym DNA-Methyltransferase katalysiert die Bindung von Methylgruppen an die Cytosin-Basen der DNÁ. Dadurch kann die RNA-Polymerase nicht an der DNA binden, so dass keine Transkription stattfinden kann. (Gegenteil: Demethylierung) Das Enzym DNA-Methyltransferase (DNMT) katalysiert die Methylierung der Base Cytosin. Ein Enzym kann durch einen Inhibitor gehemmt werden... Im Gelee Royal ist ein Stoff enthalten, welcher... das Enzym DNMT (DNA-Methyl- Transferase) hemmt, wodurch keine Methylierung der Cytosin- Basen stattfindet. Die Gene bleiben angeschaltet. Folge: Es kann eine Bienenkönigin wachsen. Eine Genregulation kann auch über Veränderungen an den Chromosomen erfolgen. Dabei wirken Umweltfaktoren auf das Chromatin und die DNA und verändern so die Funktion und die Aktivität von Genen. Die molekularen Mechanismen einer solchen Regulation, bei der die DNA-Sequenz unverändert bleibt, beschreibt die Epigenetik. Zu den epigenetischen Mechanismen, die zu einem Ab-oder Anschalten von Genen führen zählen: Methylierung von Basen. Spezifische Enzyme binden Methylgruppen an einzelne Cytosin-Basen. Dadurch wird die Raumstruktur der DNA verändert. In der Folge können Transkriptionsfaktoren nicht mehr binden, die RNA-Polymerase ist blockiert. Die entsprechenden Gene sind abgeschaltet. Methylierungsmuster von Genen werden bei der Replikation an die Tochterzellen weitergegeben. Sie können auch über die Keimzellen in die nächste Generation gelangen. Durch Entfernen der Methylgruppen können Gene auch wieder aktiviert werden. Acetylierung der Histone Das Enzym Acetyltransferase katalysiert die Bindung der Acetylgruppen an Histone. Dadurch ist die DNA nur locker um die Histone gebunden und die Transkription kann stattfinden. (Gegenteil: Deacetylierung) Spezifische Enzyme binden Acetylgruppen, Methylgruppen oder Phosphatgruppen an bestimmte Aminosäuren von Histonen. Dadurch wird der Zusammenhalt zwischen den Histonen und der DNA gelockert. Gene, die zuvor durch die dichte Packung des Chromatins blockiert waren, können nun exprimiert werden. Umgekehrt verdichtet sich die Chromatinstruktur, wenn beispielsweise Acetylgruppen enzymatisch entfernt werden. Die Gene sind dann nicht lesbar, weil die RNA- Polymerase durch die enge Wicklung nicht an die DNA gelangt. RNA-Interferenz Entdeckung der Forscher Craig Mello und Andrew Fire (Nobelpreis Medizin 2006): Die Forscher stellten künstliche RNA her (small interfering RNA, kurz: siRNA) Folge: Die Genexpression wurde gehemmt! Gene wurden ausgeschaltet"! Die Forscher entdeckten in der Zelle einen RNA-Typ, der der künstlich hergestellten siRNA sehr ähnlich war Diese siRNA war doppelsträngig und 20-29 Nukleotidpaare groß Sie injizierten diese RNA in eine Zelle → Auch doppelsträngig → Auch ca. 20-29 Nukleotidpaare groß (klein^^) Man nannte diese RNA mikro-RNA (kurz: miRNA) miRNA wird genauso wie die mRNA im Zellkern durch Transkription hergestellt! Inzwischen sind für den Menschen mehrere hundert miRNAs unterschiedlicher Sequenz bekannt! Interessant: die Sequenz eines miRNA-Strangs ist exakt komplementär zu einer Teilsequenz einer bestimmten mRNA des gleichen Genoms... miRNA und mRNA werden durch . Transkription im Zellkern gebildet und ins Cytoplasma transportiert (1) miRNA wird vom RISC-Protein- Komplex gebunden. Dabei werden die Einzelstränge präsentiert (2+3) Einer der beiden RNA-Stränge an der Oberfläche des Komplexes bindet komplementär an die mRNA (4) Durch diese Bindung wird eine Translation dieser mRNA sofort unterbunden Die mRNA wird vom RISC-Protein- Komplex abgebaut Auf der Ebene der Translation kann die Genexpression durch Wechselwirkungen zwischen verschiedenen RNA-Molekülen erfolgen. Dabei finden folgende Teilschritte statt: Die DNA im Zellkern codiert kurze RNA-Stücke (=miRNA), die sich anschließend zu Doppelsträngen falten . ● ● miRNA wird von sogenannten RISC-Proteinkomplexen gebunden und in Einzelstränge zerlegt Einzelsträngige miRNA binden an komplementäre mRNA.-Sequenzen und blockiert so die Translation. Anschließend wird die mRNA.durch den RISC-Komplex abgebaut. So wird die Translation gezielt gehemmt Gentechnik Definition: Unter Gentechnik versteht man molekularbiologische Methoden zur Isolierung, Charakterisierung und Übertragung von DNA von einem Organismus auf einen anderen Organismus. Durch den Einbau fremden Genmaterials kann das Erbgut von lebenden Organismen gezielt verändert werden. Die Gentechnik ermöglicht also eine Neukombination von Erbmaterial über die Artengrenzen hinweg. Gentechnische Verfahren werden heute in unterschiedlichen Bereichen angewendet: Die Grüne Gentechnik beschäftig sich mit gentechnisch veränderten Nutzpflanzen. Diese haben die Züchtung in den letzten Jahren geradezu revolutioniert. Denn anders als bei herkömmlichen Züchtungsmethoden lassen sich mithilfe der Gentechnik auch Merkmale nicht verwandter Arten miteinander kombinieren. Ziele: Erzeugung von Pflanzen mit verbesserten Eigenschaften: Resistenz gegenüber bestimmten Insekten/Schädlingen/Viren/Pilzbefall/Herbiziden → weniger Einsatz von Pflanzenschutzmitteln notwendig Resistenz gegenüber Trockenheit, Kälte, Salzgehalt des Bodens → Pflanzen können auch in Trockengebieten, kühlen Regionen oder auf salzhaltigen Böden angebaut werden Erhöhter Vitamin- und Nährstoffgehalt Schnelleres Wachstum der Pflanzen Verbesserte Lagerfähigkeit Methoden: Man kann eine Pflanze mit einem Gen aus einer beliebigen Quelle (Tier, Bakterien, Viren) transformieren. Nutzung des Ti-Plasmids aus dem Bodenbakterium Agrobacterium tumefaciens, um das gewünschte Gen in die Pflanze zu übertragen. Beispiele: Der Bt-Mais ist resistent gegen den Maiszünsler (Kleinschmetterling), da die Pflanze selbst das Gift gegen den Maiszünsler produziert ,,Goldener Reis" enthält große Mengen an ß-Carotin und beugt einem Vitamin-A-Mangel in der Bevölkerung vor. Unter Roter Gentechnik versteht man die Nutzung gentechnischer Verfahren im Bereich der Medizin und Pharmaindustrie. Viele neue Medikamente aber auch Insulin und Blutgerinnungsfaktor VII beruhen darauf. Ziel: Krankheiten erkennen (Diagnostik) Krankheiten behandeln (Herstellung von Medikamenten oder Impfstoffen) Krankheiten heilen (Gentherapie) Biologische und medizinische Grundlagenforschung Methode: Herstellung von Medikamenten: Das Fremdgen wird mittels eines Vektors in Mikroorganismen eingeführt Gendiagnostik: mutierte Gene, die Erbkrankheiten verursachen, werden im Erbgut des Menschen identifiziert (z.T. vor der Geburt) Gentherapie: DNA mit einem intakten Gen wird (mittels eines Virus) in die Zellen eines kranken Menschen eingeschleust. Sie soll das defekte Gen ersetzen und so zur Heilung der Erbkrankheit beitragen Beispiele: Insulin wird aus gentechnisch veränderten Mikroorganismen gewonnen und zur Behandlung von Diabetes eingesetzt Impfstoff gegen Hepatitis B Krankheiten des Immunsystems (Blutarmut) werden mittels Gentherapie behandelt Die Weiße Gentechnik findet in der Lebensmittel- und Waschmittelindustrie Anwendung. Man erfolgt dabei das Ziel, Substanzen kostengünstig und in hoher Reinheit herzustellen. Dies gelingt durch den Einsatz gentechnisch verändert Mikroorganismen. Ziele: Effiziente Herstellung von Enzymen, Hilfs- und Zusatzstoffen (z.B. Farbstoffe, Aromen, Vitamine, Konservierungsstoffe, Geschmacksverstärker...) und vielen weiteren industriell genutzten Substanzen Ersetzen fossiler Energieträger durch biotechnologisch hergestellte Energieträger (z. B. Biokraftstoffe) Methoden: Die DNA-Sequenz, die für das gewünschte Produkt codiert, wird mittels eines Vektors (z.B. Plasmid) auf Bakterien oder andere Mikroorganismen übertragen. Gentechnisch veränderte Mikroorganismen stellen Enzyme (bzw. andere gewünschte Stoffe) her. Effiziente Enzymgewinnung in Fermentern: Optimale Steuerung von Temperatur, Sauerstoff- und Nährstoffzufuhr für die Mikroorganismen Trennung der Mikroorganismen vom Produkt und Weiterverarbeitung des Produkts Beispiele: Waschmittel haben durch Enzyme eine erhöhte Waschleistung Textilindustrie: Verwendung von Cellulasen zur Behandlung von Jeans Lebensmittelproduktion: Chymosin (Labenzym), das bei der Käseherstellung benötigt wird Glutaminsäure (Ausgangsstoff des Geschmacksverstärkers Natriumglutamat) Herstellung von Biokraftstoffen (Biodiesel, Bioethanol) Die Graue Gentechnik beschäftigt sich mit Umwelttechnik. Schwerpunkte sind hierbei die biologische Reinigung von Abwässern sowie die Aufbereitung von Abfall. Gentechnik in der Tierzucht: Ziele: Erzeugung von Nutztieren mit optimierten Merkmalen bzw. neuen Eigenschaften: Steigerung des Wachstums höhere Fleischqualität Resistenzen gegen Stress und Krankheiten Höherer Proteingehalt der Milch Herstellung von Medikamenten durch Gene-Pharming Nutzung der Tiere als Forschungsobjekte (Knock-out Tiere) Methode: Mikroinjektion (Eizellen werden im Reagenzglas mit Spermien zusammengebracht. Vor der Kernverschmelzung werden Fremdgene in die Kerne eingebracht. Diese werden zufällig in die DNA eingebaut. Es entwickeln sich transgene Tiere. Gene-Pharming Gene, die für pharmazeutisch wirksame Proteine codieren, werden in das Genom von Nutztieren eingebaut.) Beispiele: Antithrombin, das aus Ziegen gewonnen wird (Gene-Pharming) Knockout-Mäuse: Ein oder mehrere Gene werden stillgelegt z. B. durch Einbau eines fehlerhaften obese-Gens können mögliche Ursachen von krankhafter Gewichtszunahme untersucht werden Transgene Lachse: Diese Lachse wachsen besonders schnell und können auch in kälteren Gewässern überleben Glofish enthalten die Gene für fluoreszierende Proteine und leuchten deshalb Ablauf der Polymerase-Kettenreaktion Es ist ein Verfahren zur gezielten Vervielfältigung von DNA-Abschnitten in einem Reagenzglas. Mit der PCR-Methode lassen sich geringste Mengen DNA vervielfältigen. Diese Methode hat die genetischen Grundlagenforschungen revolutioniert. Häufig stehen für DNA-Sequenzanalysen nur geringe Mengen genetischen Materials zur Verfügung. Mit der Polymerasekettenreaktion lassen sich auch kleinste DNA-Proben vervielfältigen. Hierzu benötigt man: die zu vervielfältigende DNA, die vier DNA-Nucleotide, zwei Primer mit definierte DNA-Sequenz, die Taq-Polymerase (hierbei handelt es sich um eine spezielle DNA-Polymerase, die auch Erhitzung über 95 Grad unbeschadet übersteht. Die PCR-Methode läuft nach dem Prinzip der DNA-Replikation ab. Sie besteht aus Zyklen sich wiederholender Schritte: Denaturierung: Erwärmung auf 95 Grad führt zur Trennung der DNA-Doppelhelix in zwei Einzelstränge Hybridisierung: An die beiden Einzelstränge lagern sich bei etwa 60 Grad zwei zuvor synthetisierte DNA-Primer an Polymerisation: Beim Temperaturoptimum der Taq-Polymerase (72 Grad) erfolgt nun die DNA- Synthese. Dabei wird von dem Primern ausgehend jeweils ein neuer Strang in Richtung von 5 nach 3'durch die Taq-Polymerase gebildet. Durch die neuerliche Erwärmung wird die Replikation abgebrochen. Die DNA-Stränge liegen wieder als Einzelstränge vor und der Zyklus wiederholt sich. Nach 20 Zyklen erhält man so über eine Million DNA-Kopien. Ablauf der Gelelektrophorese Trennung von Molekülen durch die Gelelektrophorese ● Sichtbarmachen von Molekülen Sie besteht aus eine Gelmatrix (sie kann durch Moleküle durchwandernd werden) Durchwanderung der Moleküle ● · ● ● ● ● ● ● Gelmatrix wird aufgeladen (Entstehung elektrisches Feld) Elektrisches Feld: negative Kathode und positive Anode Positiv und negativ ziehen sich an Negative Anionen wandern in Richtung positive Anode Positiv geladenen Kationen wandern in Richtung negativ Kathode Gelmatrix-Bandenmuster: alle Moleküle sind unterschiedlich groß oder klein und sind daher stärker oder schwächer als andere Moleküle Wenn sich ein elektrisches Feld zeugt, dann wandern die Moleküle durch die Gelmatrix, wie weit sie wandern, hängt von ihrer Größe und ihrer Stärke ab Längere Moleküle können sich schwerer bewegen als kürzere Moleküle Es entstehen Banden, die sich zusammenfinden Alle Moleküle mit gleicher Größe bzw: gleicher Ladung finden zusammen Die DNA wird in die Gelmatrix hinzugegeben DNA richtet sich aus Die DNA ist durch das enthaltene Phosphat negativ geladen, daher bewegt sie sich zur positiv geladenen Anode, da sich Gegensätze anziehen Anwendung: Vaterschaftstest, Kriminalfälle, Fingerabdruck, gefundene DNA wird extrahiert und Vergleich der Bandenabfolgen. Humangenomprojekt Definition Das Humangenomprojekt war ein internationales Forschungsprojekt. Es wurde im Herbst 1990 mit dem Ziel gegründet, das Genom des Menschen vollständig zu entschlüsseln, d. h. die Abfolge der Basenpaare der menschlichen DNA auf ihren einzelnen Chromosomen durch Sequenzieren zu identifizieren. Kettenabbruchmethode nach Sanger zur DNA-Sequenzierung Die Basensequenz einer DNA-Probe kann mithilfe der Kettenabbruchmethode nach Sanger ermittelt werden. Hierzu benötigt man: die zu bestimmende DNA als Einzelstrang, eine DNA-Polymerase, radioaktiv markierte Primer, die vier Desoxynucleotid-Triphosphate (dATP, dTTP, dGTP, dCTP,), vier verschiedene Abbruchnucleotide (hierbei handelt es sich um chemisch modifizierte Nucleotide (Didesoxyribonucleotide, kurz dd-Nucleotide), nach deren Einbau keine weiteren Nucleotide mehr binden können). Kopien der einzelsträngigen DNA werden zusammen mit dem Primern, der Polymerase und den Nucleotiden auf vier Ansätze verteilt. Jeder Ansatz enthält zusätzlich eine Sorte eines Abbruchnucleotides in geringer Konzentration. In nebenstehendem Beispiel enthält der erste Ansatz ddA. Die DNA-Synthese bricht folglich nach jedem Einbau dieses Nucleotids ab. Auf diese Weise erhält man im ersten Ansatz je nach Zahl und Position der Abbruchnucleotide verschiedene lange DNA-Fragmente. Diese werden durch Erhitzen in Einzelsträng und dann mittels Gelelektrophorese getrennt. Durch den radioaktiven Primen lassen sich die verschiedenen Fragmente im Autoradiogramm als schwarze Bande identifizieren. Jede Bande im ersten Ansatz entspricht dabei einer Adenin-Position. Ablauf der Fluoreszenzsequenzierung Vergleich Kettenabbruchmethode nach Sanger und Fluoreszenzsequenzierung Kettenabbruchmethode nach Sanger Neusynthese der DNA 3 Phasen: Denaturierung, Hybridisierung, Polymerisation Im Ansatz: 4 Nukleotide, taq- Polymerase, DNA- Einzelstrangabschnitt mit Primer und EIN Abbruchnukleotid (4 Ansätze) ● ● Abbruchnukleotide sind farblos Primer ist radioaktiv markiert 4 Fragmentfamilien entstehen (je nach Abbruchnukleotid) Trennung der Einzelstränge durch Gelelektrophorese Ermittlung der DNA-Sequenz durch ein Autoradiogramm Nicht mehr als 500-700 Nukleotide pro Ansatz sequenzierbar Fluoreszenzsequenzierung Neusynthese der DNA 3 Phasen: Denaturierung, Hybridisierung, Polymerisation Im Ansatz: 4 Nukleotide, taq- Polymerase, DNA- Einzelstrangabschnitt mit Primer und alle 4 Abbruchnukleotide Abbruchnukleotide sind farbig markiert (Fluoreszenzfarbstoff), deshalb ist nur ein Ansatz notwendig Primer ist nicht radioaktiv Trennung der Einzelstränge durch Gelelektrophorese Ermittlung der DNA-Sequenz durch den Fluorszenz-Detektor Nicht mehr als 500-700 Nukleotide pro Ansatz sequenzierbar ● Restriktionsenzyme Die zentralen Werkzeuge der Gentechnik sind Restriktionsenzyme. Sie spalten den DNA- Doppelstrang im Innere (Endonucleasen) und wirken wie biochemische Scheren. Sie sind hochspezifisch, das heißt, sie schneiden nur an bestimmten Stellen. Die Erkennungssequenz ist in sich spiegelbildlich. Dabei entspricht die Basenabfolge des einen DNA-Stranges der Sequenz des komplementären Stranges in umgekehrter Richtung (Palindrome). Sie schneiden je nach Typ den DNA-Strang glatt oder aber versetzt durch. Beim versetzten Schneiden ragt an den Schnittstellen jeweils ein kurzes Stück Einzelstrang-DNA heraus. Diese überstehenden Enden haben die Tendenz, sich wieder zusammenzulagern. Sie schneiden nur DNA, die nicht über Methylgruppen geschützt ist. Mittlerweile verfügt die Gentechnik über eine Vielzahl verschiedener Restriktionsenzyme mit genau definierten Erkennungssequenzen. Beispielsweise schneidet EcoR I, das aus Escherichia coli isoliert wurde, nur die Sequenzen: 5'GAATTC 3 und erzeugt dabei sticky ends. Das Enzym Hae III, welches aus Haemophilus aegypticus isoliert wurde, erzeugte einen glatten Schnitt. Die Enden nennt man blunt ends. Definition Blunt ends: Als glattes Ende bezeichnet man das Ende eines doppelsträngigen DNA-Moleküls, bei dem die beiden Einzelstränge auf gleicher Höhe (bei demselben Basenpaar) enden, sodass kein Einzelstrang übersteht. Sticky ends:Sticky End (engl. für „klebriges Ende") oder auch Klebeende heißt das Ende eines DNA-Abschnitts, wenn einer der beiden Einzelstränge wenige Basen über das Ende hinausragt. Ablauf zur Herstellung eines genetisches Fingerabdrucks 1.) Zellproben am Tatort nehmen (Hautschuppen, Haare, Fingerabdrücke, Kleidung, Zigaretten etc.) und Vergleichsproben 2.) Isolierung der DNA aus den Zell-Proben 3.) Zerschneiden der DNA in kürzere DNA-Fragmente (mit sg. Restriktionsenzymen) 4.) Je nach DNA-Menge vervielfältigt werden, zu erzeugen (Polymerasekettenreaktion, PCR) um müssen die einzelnen DNA-Fragmente genug vergleichbare DNA-Fragmente 5.) Die DNA-Fragmente werden auf ein Gel aufgebracht und in einzelne DNA-Banden aufgetrennt (Gelelektrophorese), damit man die DNA-Fragmente der einzelnen Proben miteinander vergleichen kann. Neukombination von Genen mit molekulargenetischen Techniken 1.) Isolation: Das Fremdgen (z.B. DNA eines menschlichen Gens) und ein bakterielles Plasmid werden isoliert, d.h. vom Rest der Zelle getrennt. 2.) Rekombination/Klonierung: Einbau des Fremdgens ins Plasmid (Schneiden mit einem Restriktionsenzym + neue Verbindung durch klebrige Enden und DNA-Ligase) 3.) Gentransfer (bei Bakterien: Transformation): Übertragung des rekombinierten Plasmids (DNA mit Fremdgen) in eine Empfängerzelle. Das Plasmid fungiert hier als Vektor (Träger) 4.) Selektion: Natürliche Auslese, z.B. durch Antibiotika: Nur das Bakterium mit dem rekombinanten Plasmid kann überleben 5.) Vermehrung: Vermehrung des überlebenden Bakteriums mit der rekombinanten DNA. Durch das Wachstum der veränderten Zelle zu einem Zellklon, wird auch das Fremdgen millionenfach kopiert. Definition Rekombination (Klonierung): Unter Klonierung versteht man das Einfügen von DNA in einen Vektor. Dieses Konstrukt wird dann in (meist) Bakterienzellen eingebracht (Transformation). Die Klonierung ist nicht zu verwechseln mit dem ,,Klonen", einem Herstellen einer identischen Kopie eines vorhandenen Lebewesens. Isolation: Evolutionsfaktor, der den Genfluss zwischen Individuen oder Populationen einer Art verhindert Gentransfer: Als Gentransfer bezeichnet man die Übertragung von einem oder mehreren Genen in eine Empfängerzelle. In der Molekularbiologie ist ein Vektor ein Transportvehikel, um eine DNA-Sequenz in eine Empfängerzelle einzubringen. Selektion: Selektion (Evolution) als natürliche Selektion (früher auch natürliche Auslese) in der Reduzierung des Fortpflanzungserfolgs bestimmter Individuen einer Population mit der Folge, dass andere Individuen, die im Rückblick als „überlebenstüchtiger" erkennbar sind, sich stärker vermehren. Vermehrung: Mit dem Begriff Vermehr bezeichnet man in der Biologie die numerische Zunahme von Individuen einer Art, die durch Reproduktion bzw. Fortpflanzung erfolgt. Bedeutung der Restriktionsenzyme ● Eigenschaften eines Vektors Schneiden die DNA → DNA-Fragment (Fremdgen) Schneiden auch das Plasmid ● Plasmid und Fremdgen können dann zusammengebaut werden Es muss das gleiche Restriktionsenzym für das Fremdgen und das Plasmid verwendet werden, damit das Fremdgen in das Plasmid passt, also die sticky ends sich verbinden können (Enden sind komplementär zueinander) Der Transfer von Fremd-DANN in einen Organismus kann über Vektoren erfolgen. Häufig nutz man hierbei Plasmide. Dazu werden Fremd-DNA und Plasmid mit dem gleichen Restriktionsenzym behandelt. Durch zufällige Paarungen zwischen den klebrigen Enden verschiedener DNA- Fragmente entsteht das rekombinante Plasmid. Anschließend schleust man das rekombinante Plasmid in die Bakterien. Ligasen ● Restriktionsenzyme können sticky ends erzeugen, die sich über schwache Wasserstoffbrücken verbinden. Das Enzym Ligase verknüpft die Enden durch eine stabile Elektronenpaarbindung. Selektion ● Man muss ein Fremdgen einfügen können (z.B. mit Restriktionsenzymen) Der Vektor muss sich in den Zellen verdoppeln können (Replikationsursprung) Er muss selektiert werden können Nicht jedes Plasmid enthält das gewünschte Fremd-Gen. Um dieses zu identifizieren nutzt man Plasmide, die Resistenzgene für die Antibiotika Ampicillin und Tetracylin enthalten. Das Wirtsbakterium besitzt diese Resistenzen nicht. Der Einbau des Fremd-Gens in das Plasmid führt zum Verlust der Ampicillinresistenz. Gibt man die Bakterien auf einen Nährboden mit Tetracyclin, so wachsen dort nur Bakterienkolonien mit Plasmid. Überträgt man das gleiche Koloniemusteer mit einem Samtstempel auf einen Nährboden mit Ampicillin, so können Bakterien mit zerstörtem Ampicillin-Gen hier nicht wachsen. Aus dem Vergleich der Koloniemuster lassen sich die gesuchten Kolonien mit dem rekombinanten Plasmid identifizieren und anschließen vermehren. Da so zahlreiche Kopien eines Fremd-Gens entstehen, spricht man von Gen-Klonierung. Herstellung einer cDNA Es lagert sich ein komplementärer oligo-dT-Primer-Molekül an den Poly-A-Schwanz der mRNA an. Mithilfe des Enzyms Reverse Transkriptase wird ein komplementärer DNA-Strang hergestellt (Es entsteht ein doppelsträngiges mRNA / DNA-Molekül Der mRNA - Strang wird durch das Enzym RNASE abgebaut und durch einen DNA-Strang ersetzt (Auch dieser Strang wird durch die Reverse Transkriptase hergestellt und man enthält eine doppelsträngige cDNA) Einbau der cDNA in Vektoren ● Transformation der Vektoren mit cDNA in Bakterien Definition Genom Editing Unter Geneditierung versteht man allgemein eine molekularbiologische Methode zur zielgerichteten Veränderung von DNA-Sequenzen in Lebewesen. Ein effizientes und schnelles Verfahren beruht auf dem CRISPR/Cas-System CRISPR/CAS-System Mithilfe dieser Methode kann DNA gezielt geschnitten und verändert werden. So lassen sich im Gegensatz zu früheren Methoden, die zumeist nach dem Schrotschussprinzip" funktionieren Gene punktgenau einfügen, entfernen oder auch ausschalten. Selbst einzelne RNA oder DNA- Nukleotide lassen sich ändern Die Methode basiert auf einem natürlichen Abwehrmechanismus von Bakterien gegen Viren. Bei einer Infektion wird die virale DNA durch bakterielle Cas-Proteine enzymatisch zerstört. Kurze Abschnitte der Virus- DNA werden anschließend in das Genom der Bakterien eingebaut. Sie bilden zusammen mit kurzen, sich wiederholende DNA-Sequenzen der Bakterien einen besonderen DNA-Abschnitt, den man CRISPR nennt. Wird dieser transkribiert, entsteht eine RNA, die noch weiter modifiziert wird und dann als single guide RNA bezeichnet wird. Sie dient bei einer erneuten Infektion als Sonde, die die virale DANN erkennt. Anschließend wird diese durch Cas-Proteine abgebaut. In der Ger Gentechnik nutzt man die CRISPR/CAS-Methode folgendermaßen: Man wählt eine synthetisch hergestellte sgRNA als Sonde und eine besonderes Cas9-Protein, das auch in eukaryotischen Zellen schneidet. Die Sonde bindet komplementär an die DNA-Sequenz, die verändert werden soll. Anschließend schneidet das Cas9-Protein den DNA-Doppelstrang an der gewünschten Stelle. Wird die geschnittene DNA nicht durch Reparaturenzyme wieder zusammengefügt, so ist das entsprechende Gen damit abgeschaltet. Alternativ kann nach dem Schnitt auch ein neuer DNA-Abschnitt eingefügt werden. A1 Nennen Sie die Komponenten des CRISPR/Cas-Systems. CRISPR, Cas A2 Erklären Sie die Aufgabe des CRISPR/Cas-System für die Bakterienzelle. Bei einer Infektion wird die virale DNA durch bakterielle Cas-Proteine zerstört und kurze Abschnitte werden in das Genom der Bakterien eingebaut. Sie bilden mit wiederholenden DNA-Sequenzen der Bakterien einen besonderen DNA-Abschnitt, den man CRISPR nennt. A3 Das CRISPR/Cas-System wird heutzutage zur Inaktivierung von Genen und zur punktgenauen Reparatur von Genen verwendet (s. Kasten). Erklären Sie die beiden Methoden Inaktivierung: Die Repeat-RNA binden sich an die Einzelstränge, wodurch ein CRISPR/Cas- Komplex entsteht, mit der Spacer-RNA zwischen den DNA-Scheren. So kann sie nur für den Komplex als Leit-RNA dienen. Sollte Bt-Mais in Deutschland angebaut werden Pro-Argumente Weniger Ernteausfälle, z. B. durch Maiszünsler Kann Welternährungsproblem lösen Effizienter, kostengünstiger Contra-Argumente ● Aktivisten zerstören den Mais, weil sie gegen den gentechnisch veränderten Mais sind (Rückschritt für Bauern) Gesundheitsschädlich? Auswirkungen sind unklar, z.B. in der Natur (Vermehrungen, Auswirkungen auf andere Lebewesen) Verbreitung durch Pollenflug Bakterien und Viren Bau und Vermehrung von Bakterien Viren Bau: . Genetisches Material: DNA oder RNA Proteinhülle: Capsid 10-300 nm groß Kugel- bis Stäbchenförmige Gestalt Vermehrung: . T-Phagen komplexer: Kopf, Schwanz und Endplatte In einer Wirtszelle Lytischer Zyklus: Dabei wird die Wirtszelle lysiert oder zerstört, die Phagen befallen weitere Wirtszellen Lysogener Zyklus: Die Wirtszelle vermehrt sich durch Zellteilung, dabei vermehrt sich auch das virale Erbgut Stoffwechsel: Stoffwechsel fehlt Fortpflanzung/Vermehrung Wachstum Reizbarkeit Lebewesen?? ● Nein Nein Nein ● Man kann es nicht rückgängig machen (auch negative Auswirkungen) Was und Gott gibt, sollte man nicht ändern (ethische Gründe) Bedrohungen der Artenvielfalt? (Insekten sterben) Bakterien Bau: Zellen! Kennzeichen eines Lebwesens Viren Körpergestalt Ja (kugel-/stäbchenförmig) Bewegung aus eigener Kraft Nein (außer Andocken an Zellen) Stoffwechsel Nein In Wirtszellen-> Nein Orte und Wirkungsmechanismen von Bakterien Wie entstehen Antibiotikaresistenzen von Bakterien? Vermehrung: 0,3-700 mikrometer groß Starke Zellwand Z.T. Kapsel/Schleimhülle Geißeln zur Bewegung Plasmide Ringförmige DNA Ribosome im Cytoplasma Stoffwechsel: Zellteilung Vorher: Replikation Heterotroph oder autotroph Haben einen Stoffwechsel! Bakterien Ja (Einzeller) Ja (Geißel) Ja (hetero- oder autotroph) Ja Zellteilung Ja Ja Ja Rekombination bei Bakterien Bei Eukaryoten erfolgt die Durchmischung des Erbmaterials während der Meiose und der Befruchtung. Lederberg und Tatum konnten 1946 in ihrem klassischen Experiment zeigen, dass auch bei Prokaryoten eine besondere Form der Rekombination existiert. Lederberg und Tatum arbeiteten mit zwei Stämmen von Mangelmutanten: Stamm A konnte die Aminosäuren Phenylalanin und Cystein nicht bilden, Stamm B die Aminosäuren Threonin und Leucin. Beide auxotrophen Stämmen wuchsen folglich nur auf einem Vollmedium, dem die fehlenden Aminosäuren zugesetzt waren. Die Forscher gaben nun beide Stämme zusammen und plattierten sie auf einem Minimalnährboden aus. Überraschenderweise wuchsen auf diesem Minimalboden einige Kolonien heran. Diese prototrophen Kolonien konnten nicht durch eine doppelte Rückmutation entstanden sein, da sie für ein solches Ereignis zu häufig auftraten. Es musste folglich ein direkter Austausch des Genmaterials zwischen beiden Stämmen stattgefunden haben. Diesen Vorgang bezeichnet man als Konjugation. Die Erklärung für die beobachtete Rekombination liefert das elektronmikroskopische Bild: Treten zwei Bakterien über einen Zellfortsatz, den Sex-Pilus in Kontakt, so bildet sich zwischen den Zellen eine Plasmabrücke, Über diese erfolgt der Austausch des Genmaterials. Bei der Konjugation unterscheidet man verschiedene Zelltypen: F+-Zellen stellen die Spenderzelle dar. Sie besitzen ein besonderes Plasmid, den Fertiliäts- oder F+-Faktor. Dieser enthält unter anderem die Information zur Ausbildung des Sex-Pilus. F--Zellen sind die Empfängerzellen Die Konjugation stellt einseitigen Gentransfer dar, bei dem F+-Zellen eine Kopie des F-Faktors auf die F-Zelle übertragen. Dadurch wird diese zur F+-Zelle. Ist das Plasmid mit dem F-Faktor in den bakteriellen Chromosomen eingebaut, so kommt es häufig zur Rekombination. Entsprechend werden diese Zellen als Hfr-Zellen bezeichnet. Bei der Konjugation wird dann eine Kopie des bakteriellen Chromosoms übertragen. Transduktion Genübertragung ist nicht nur zwischen Phagen, sondern auch zwischen Zellen mithilfe von Phagen möglich. Die Phagen dienen hierbei als ,,Gen-Taxi". So können nach erfolgter Infektion Chromsomenfragmente der Wirtszelle in die Phagen-DNA eingebaut werden. Infiziert nun dieser Phage eine neue Wirtszelle, so kann die DNA der alten Wirtszelle in die neue Zelle gelangen und durch Rekombinationsvorgänge in deren Chromosomen eingebaut werden. Da hierbei nach dem Zufallsprinzip jedes beliebige Gen übertragen werden kann, spricht man auch von allgemeiner Transduktion. Im Gegensatz werden bei der speziellen Transduktion nur bestimmte Wirtsgene übertragen. So bauen sich bestimmte lysogene Phagen immer an der gleichen Stelle ins Bakterienchromosomen ein. Beim Wechsel in den lytischen Zyklus werden dann gelegentlich Teile der benachbarten zellulären DNA mit übernommen und später bei erneuter Infektion in die neue Wirtszelle transduziert. Transformation Lytischer Zyklus Die Infektion einer E.coli-Zelle durch den Phagen T lässt sich in mehrere Phasen unterteilen: Adsorptionsphase: Das Virus dockt nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an Rezeptoren der bakteriellen Zellwand an Injektionsphase: Die virale Erbinformation gelangt in die Zelle. Die Phagenhülle bleibt ● ● ● ● zurück Latenzphase: Die virale Erbinformation übernimmt den Stoffwechsel der Wirtszelle. Es werden Phagenbausteine wie Hüllprotein, Phagen-DNA und Schwanzfäden aufgebaut Reifungsphase: Die getrennt vorliegenden Phagenbestandteile lagern sich in Selbstorganisation zu fertigen Phagen zusammen Freisetzungsphase: Durch Wirkung des phagencodierten Enzyms Lysozym wird die Zellwand abgebaut. Die Zelle platzt und gibt etwa 200 neue infektiöse Phagen frei. Da bei dieser Form der Virenvermehrung die Wirtszelle zerstört oder lysiert wird, spricht man vom lytischen Zyklus Lysogener Zyklus Es kann vorkommen, dass sich das Virus nach der Injektion in das Wirtschromosom integriert und als Prophage weiterexistiert. Bakterienzellen können sich dann teilen, die virale DNA wird mitrepliziert. Durch ein bestimmtes Signal, wie etwa einen Temperaturschock, kann die DNA des Prophagen aus dem Wirtschromosom ausgeschnitten werden. Der Prophage wechselt dann in den lytischen Zyklus über Krebs Definition Gutartige und bösartige Tumore, Krebs kann streuen (Metastasen), Gewebe breitet sich zu schnell aus, Zellteilungen finden statt, Brustkrebs kann eine Brustamputation notwendig machen, Chemotherapie, Krebs kann vererbt werden, versch. Chemotherapien, Zellzyklus (GO-Phase) und Zellteilung, Bestrahlung als Therapie, Operationen bei gutartigen Tumoren, Krebs kann wiederkommen, Krebs ist eine Mutation (?), mögliche Therapie mit Viren, frühzeitige Erkennung durch Untersuchungen, Krebs wird immer häufiger Entstehung von Krebs ● . Infektion der Schleimhautzellen mit HPV-Virus durch Geschlechtsverkehr, Übertragung der HPV-DNA in die Zellen HPV-DNA codiert für das Protein E6, das den Zelltod (Apoptose) verhindert Vermehrung des HPV-Virus (ringförmig) Integration der HPV-DNA in die menschliche DNA (nur dann kann sich Krebs entwickeln!) Eigenschaften von Krebszellen unkontrollierte Vermehrung, Zellteilung kann nicht gestoppt werden, bilden das Geschwulst/Tumor, können über Lymphe/Blut wandern, geben ihre ursprüngliche Funktion auf (Dedifferenzierung) Funktionen von Protoonkogenen, Onkogenen und Tumorsuppressorgenen Ansammlung von sich ständig teilenden Zellen: Tumor entsteht Protoonkogene: Kontrollieren das Wachstum, die Teilung und die Differenzierung von Zellen Defekte Protoonkogene Onkogene → erfüllen nicht mehr ihre Funktion (gerät außer Kontrolle) → Krebserkrankung Können durch Mutation, Viruseinfluss und Fehlsteuerung entstehen Tumorsuppressorgene: Kontrollieren den Zellzyklus, lösen die Apoptose aus (genetisch programmierter Zelltod, notwendig für vielzellige Organismen) Können dafür sorgen, dass sich die entarteten Zellen nicht ausbreiten p53 wird durch DNA-Schäden aktiviert und codiert für Protein p53 → schaltet versch. Gene an, aktiviert z.B. Reparaturenzyme, Gene die den Zellzyklus anhalten und die Apoptose einleiten Krebstherapie Operative Entfernung Vollständige Entfernung des betroffenen und umliegenden gesunden Gewebes ● ● So umfangreich wie nötig, so schonend wie möglich (Anwendung minimalinvasiver Verfahren) Anwendung bei z.B. Haut- oder Brustkrebs Schwierigkeiten bei weit ausgebreitetem Krebs Strahlentherapie Bösartige und gutartige Tumore Gutartige Tumore ● ● Dabei geschädigte, gesunde Zellen können sich reparieren, Krebszellen nicht (sterben ab) ● Lokale Maßnahme ● Zerstörung der Erbsubstanz der Zellen durch Langsames Wachstum Lokal begrenzt, bilden keine Metastasen Verdrängen das umliegende Gewebe nur Teilchenstrahlung (verhindert weitere Zellteilung) (Unterscheidung zwischen innerer und äußerer Bestrahlung) Anwendung z. B. bei Prostata- oder Kehlkopfkrebs Auch zur Linderung von Beschwerden Chemotherapie Bösartige Tumore Behandlung bösartiger Tumore mit chemischen Substanzen (Chemotherapeutika auch Zytostatika genannt) Eingreifen in den Vermehrungszyklus von Krebszellen, programmierter Zelltod Auch gesunde Zellen werden angegriffen ( Nebenwirkungen wie Übelkeit oder Haarausfall) Nicht auf Bereiche begrenzt (erreicht auch weit verstreute Tumorzellen -> Metastasen Findet meist in mehreren Zyklen statt Rasches Wachstum (Zellteilung) Es bilden sich Metastasen, indem Krebszellen durch Lymphe oder Blut in den Körper gelangen → Ausbreitung des Krebses Meiose Definition . . ● Wenn man ihn entfernt, gilt man als geheilt ● ● Wuchern in das umliegende Gewebe ein und zerstören es Nach der Entfernung des Tumors kann es zu einem Rückfall kommen Ablauf der Meiose Können Organschäden hervorrufen (durch eine Dedifferenzierung von Zellen): Nervenschäden, Verschließung von Organhohlräumen, Blockierung von Blut- und Lymphfluss Bestehen aus unsterblichen Zellen Homologes Chromosomenpaar: Zwei Chromosomen, die ähnlich gestaltet sind. Die genetischen Informationen sind doppelt vorhanden, aber unterschiedlich (ein Chromosom vom Vater, eins von der Mutter) Diploider Chromosomensatz (2n): Ein Chromosom ist zweimal vorhanden, die genetische Information liegt doppelt vor, Menschliche Körperzellen haben einen diploiden (doppelten) Chromosomensatz Haploider Chromosomensatz (1n): Chromosomensatz liegt einfach vor, d.h. es liegt jeweils nur ein Chromosom vor, Geschlechtszellen Urkeimzelle: Ursprüngliche Zelle, bevor die Meiose stattfindet (ursp. Ei- und Spermienzelle), diploider Chromosomensatz (die Ei- und Samenzelle sind dann haploid) Zygote: Verschmelzungsprodukt einer Ei- und Spermienzelle bei der Befruchtung, diploider Chromosomensatz Die Meiose verfolgt zwei zentrale Ziele Reduktionsteilung: Die Anzahl der Chromosomen ist artspezifisch. Um diese Chromosomenanzahl auch in nachfolgenden Generationen dauerhaft zu erhalten, muss ihre Zahl bei der Bildung der Keimzellen halbiert werden. Es findet eine Reduktion des diploiden Chromosomensatzes zum haploiden Satz statt (2n- >1n) Rekombination: Die Meiose führt zur Durchmischung des ursprünglich väterlichen und mütterlichen Erbmaterials. Die Rekombination stellt damit die Grundlage für die genetische Verschiedenheit der Individuen dar. Nach einer Interphase liegen die Chromosomen zunächst als Zwei-Chromatiden-Chromosomen vor. Die Meiose verläuft in zwei hintereinander folgende Teilungen. Reifeteilung: Homologe Chromosomen lagern sich parallel nebeneinander an (Paarung). Beim Menschen bilden sich so aus 46 Chromosomen 23 Chromosomenpaare. Nach weiterer Spiralisierung werden nun vier Chromatiden eines jeden homologen Chromosomenpaares sichtbar (Tetrade) Metaphase I: Anordnung der Chromosomenpaare in der äquatorialebene Anaphase I: Trennung der homologen Chromosomenpaare Telophase I: Teilung der Zellen. Beim Mann entstehen zwei gleich große Zellen. Bei der Frau entstehen durch ungleiche Verteilung des Plasmas eine große und kleine Zelle. Aus der größeren Zelle entsteht später die Eizelle. Die kleinere, plasmaärmere Zelle wird Polkörperchen oder auch Richtungskörper gennant Reifeteilung Il Diese Teilung gleicht in ihrem Verlauf einer Mitose. Dabei werden die Chromatiden eines Zwei- Chromatiden-Chromosoms geteilt. Da Ergebnis sind beim Mann vier gleichgroße haploide Spermien. Bei der Frau entsteht eine haploide Eizelle und drei kleine Polkörperchen. Letztere gehen zugrunde. Definition Homologes Chromosomenpaar: Ein Homologenpaar ist bei diploiden Organismen ein Paar gleichartiger Chromosomen. Die beiden Chromosomen enthalten überwiegend dieselben Gene. Bei geschlechtlicher Fortpflanzung stammt je eines der beiden Chromosomen vom Vater bzw. von der Mutter des Individuums. Diploider Chromosomensatz: Doppelter Chromosomensatz, beim Menschen 46 Chromosomen. Kommt in normalen Körperzellen vor. Haploider Chromosomensatz: Einfacher Chromosomensatz, beim Menschen mit 23 Chromosomen. Kommt in Keimzellen vor. Urkeimzelle: Urkeimzellen (englisch primordial germ cells), auch als Urgeschlechtszellen oder Gonozyten bezeichnet, sind die Voraussetzung für die geschlechtliche Fortpflanzung. Beim menschlichen Embryo entstehen sie in der 3. ... Aus einer Urkeimzelle entstehen Keimzellen. Samenzelle: Spermium Zygote: Eine Zygote ist eine eukaryotische diploide Zelle, die bei der geschlechtlichen Fortpflanzung durch Verschmelzung zweier haploider Geschlechtszellen entsteht - meistens aus einer Eizelle und einem Spermium. Störung des Meioseverlaufs → Genommutation: Veränderung der Anzahl einzelner Chromosomen oder ganzer Chromosomensätze →numerische Aberrationen: Veränderung der Chromosomen-Anzahl → Nondisjunction: Nicht-Trennung von homologen Chromosomen in der Meiose Bildung eines Chiasmas (Überkreuzung der Chromosomen)... ...und Crossing-over (Austausch von Chromosomenstücken) während Metaphase I (1. Reifeteilung) Vorteil von crossing over: Neue Rekombination von Genen -> Neuverteilung von Merkmalskombinationen Nachteil: Es können schädliche Chromosomenmutationen entstehen Als Inversion (von lateinisch inversio, die Umkehrung) wird in der Genetik eine bestimmte Veränderung eines Chromosoms bezeichnet: Ein chromosomaler Abschnitt ist dabei um 180° gedreht, also ,,invertiert". Als Inversion (von lateinisch inversio, die Umkehrung) wird in der Genetik eine bestimmte Veränderung eines Chromosoms bezeichnet: Ein chromosomaler Abschnitt ist dabei um 180° gedreht, also invertiert". Die Translokation ist eine Form der Chromosomenmutation, bei welcher Teilstücke von Chromosomen sowohl innerhalb des Chromosoms, als auch bei einem anderen Chromosom ausgetauscht werden können. Wie auch bei den anderen Arten der Chromosomenmutation wird durch die Translokation die Struktur des Chromosoms verändert. Duplikation (von lateinisch duplicatio,Verdoppelung') steht für: in der Genetik eine Verdoppelung eines bestimmten Abschnitts eines Chromosoms, siehe Genmutation Duplikation. Vergleich Mitose und Meiose Ziel Ort Diploidiegrad Zahl der Chromosomen Phasen Mitose Bildung genetisch identischer Tochterzelle Körperzellen 2n (diploid) 46 Prophase Metaphase Anaphase Telophase Meiose Reduktion des diploiden Chromosomensatzes Keimzellen Reifeteilung I: diploid (2n) Reifeteilung II: haploid (1n) Erst 46, dann 43 Interphase I/II Prophase I/II Metaphase I/II Anaphase I/II Bedeutung Geschlechtsgebundene G1- Phase S-Phase G2-Phse Vermehrung von Zellen. Die Tochterzellen sind dabei genetisch zur Mutterzelle. Rekombination des Erbmaterials. Keine Unterschiede Telophase I/II Vier haploide Tochterzellen. Diese sind genetisch mit der Mutterzelle nicht identisch Unterschiede Klassische Genetik Versuch von Gregor Mendel: Gregor Mendel führte im 19. Jahrhundert Kreuzungsversuche mit der Gartenerbse durch. Das Versuchsobjekt erwies sich dabei als besonders geeignet. Die Gartenerbse bietet: einen kurzen Generationszyklus; bereits kurzer Zeit liegen die Nachkommen (Samen) einer Kreuzung vor, eine hohe Nachkommenzahl. Damit liegt ausreichend großes Zahlenmaterial vor, um die Ergebnisse statistisch abzusichern, zahlreich, einfach zu unterscheidende Merkmale, die Möglichkeit der Selbstbestäubung, sodass Reinerbigkeit gewährleistet ist, die Möglichkeit der Fremdbestäubung, was zur Mischerbigkeit führt Mendel'sche Regel: 1.Mendel'sche Regel: Kreuzt man zwei Individuen einer Art, die sich in einem Merkmal reinerbig unterscheiden, so sind die Nachkommen in der Tochtergeneration (1.Filialgeneration, F1) untereinander gleich (Uniformitätsregel). Dabei ist es gleichgültig, welcher der beiden Rassen Vater oder Mutter angehören. Dieses Phänomen beschreibt die Reziprozitätsregel. 2.Mendel'sche Regel: Kreuzt man die F1-Individuen untereinander, so spaltet sich die F2- Generation im Zahlenverhältnis 3:1 (Spaltungsregel) 3.Mendel'sche Regel: Kreuzt man die Individuen einer Art, die sich in mehreren Merkmalen unterscheiden, werden die Anlagen getrennt und unabhängig voneinander vererbt (Unabhängigkeitsregel, Regel von der Neukombination) Erklärung der Regeln: Mendel gelang es, die Gesetzmäßigkeiten der Vererbung zu entschlüsseln, da er nicht nur das Auftreten bestimmter Merkmale erfasste, sondern auch deren zahlenmäßige Verteilung. Die Aufspaltung der F2-Generation im Zahlenverhältnis 3:1 lässt sich nur unter folgenden Annahmen erklären: Die Anlagen für die Merkmalsausbildung müssen in jedem Individuum doppelt vorliegen. Heute wissen wir, dass es sich bei den Anlagen um die DNA-Abschnitte (Gene) homologer Chromosomen handelt. Gene kommen in verschiedenen Zustandsformen, den Allelen vor. Liegen gleiche Alle eines Gens vor, so spricht man von Homzygotie. Verschiedene Allele eines Gens führen zur Heterozygotie. Ein Allel kann das andere Allel in seiner Wirkung auf das äußere Erscheinungsbild (Phänotyp) überdecken, es ist dann dominant. Das überdeckte Allel ist rezessiv. Die Gesamtheit der Erbfaktoren, hier also die Allelkombination, bezeichnet man als Genotyp. Dominante Allele werden mit Großbuchstaben versehen, rezessive Allele mit entsprechenden Kleinbuchstaben Dominante Allele werden im homozygoten und im heterozygoten Zustand phänotypisch sichtbar, rezessive Allele nur, wenn sie homozygot vorliegen Bei der Befruchtung werden die homologen Chromosomen und damit die verschiedenen Allele neu kombiniert. Diese zufällige Neuverteilung der Allele ist auch der Schlüssel zur Erklärung der 3.Mendel'schen Regel. Geht man davon aus, dass die Allele für das eine Merkmal auf einem Chromosomenpaar liegen, so ergeben sich vier verschiedene Keimzellen. Deren Kombination führt zu den verschiedenen Genotypen in der F2-Generation. Definition: Merkmal: Ein Merkmal wird durch ein oder mehrere Gene bestimmt und durch die auf das Individuum einwirkende Umwelt. Alle Merkmale eines Individuums ergeben zusammen den Phänotyp. Gen: Als Gen wird meist ein Abschnitt auf der DNA bezeichnet, der Grundinformationen für die Entwicklung im Eigenschaften eines Individuums und zur Herstellung einer biologisch aktiven RNA enthält Allel: Allele sind Zustandsformen von Genen, die durch Mutationen ineinander übergeführt werden können. Keimzelle. Keimzellen bzw. Gameten sind haploide Zellen, die in den Geschlechtsorganen erzeugt werden und der Fortpflanzung dienen. Homozygot: Wenn zweimal das gleiche Allel im Genotyp vorhanden ist, ist das Genotyp homozygot Heterozygot: Kommen unterschiedliche Allele im Genotyp vor, ist das Genotyp heterozygot Dominat: stärkeres Allel Rezessiv: niedrigeres Allel Phänotyp: Unter dem Begriff Phänotyp fasst man die sichtbaren Eigenschaften eines Organismus zusammen Genotyp: Mit dem Begriff Genotyp wird die genetische Zusammensetzung eines Organismus bzw. die Kombination von Erbanlagen bezeichnet, die hinter einem Merkmal stehen. 5 Typen von Erbgängen Autosomal dominant: Erkennungsmerkmale: - In jeder Generation kommt das Merkmal vor, keine Generation wird übersprungen! Unabhängig vom Geschlecht (beide Geschlechter ca. gleich häufig betroffen) Betroffene/kranke Eltern können „gesunde“ Kinder bekommen Merkmalsträger (Phänotypisch kranke" Personen) haben folgende(n) Genotyp(en): Aa oder AA Keine Merkmalsträger (Phänotypisch „gesunde" Personen) haben folgende(n) Genotyp(en): aa (alle!) Autosomal rezessiv: Erkennungsmerkmale: Das Merkmal kommt nicht in jeder Generation vor, es kann Generationen überspringen ,,Gesunde" Eltern können „kranke" Kinder bekommen. Phänotypisch kranke Personen (Merkmalsträger) haben folgende(n) Genotyp(en): aa Phänotypisch gesunde Personen (keine Merkmalsträger) haben folgende(n) Genotyp(en): Aa, AA y-gonosomal: Erkennungsmerkmale: Wenn ein männlicher Merkmalsträger einen Sohn bekommt, so ist dieser immer betroffen. Es sind nur Männer betroffen. Phänotypisch kranke" Personen haben folgenden Genotyp: XY Phänotypisch gesunde" Personen haben folgenden Genotyp: XY, XX X-Chromosomal dominant: Erkennungsmerkmale: Männer und Frauen sind betroffen, häufiger jedoch Frauen Ist der Vater betroffen, so müssen alle Töchter auch betroffen sein. Phänotypisch ,,kranke" Personen haben folgenden Genotyp: XY, XX, XX Phänotypisch gesunde" Personen haben folgenden Genotyp: XY, XX X-Chromosomal rezessiv: Erkennungsmerkmale: ● In jeder Generation kommt das Merkmal vor, es wird keine übersprungen. Betroffene Eltern können unbetroffene Kinder bekommen ● Phänotypisch ,,kranke" Personen haben folgenden Genotyp: XX, XY Phänotypisch gesunde" Personen haben folgenden Genotyp: XY, XX, XX Genetische Beratung . ● Das Merkmal tritt nicht in jeder Generation auf, Generationen werden übersprungen Unbetroffene Eltern können betroffene Kinder bekommen Genetische Beratungsstellen Beispiele für ein erhöhtes Risiko einer genetisch bedingten Erkrankung des Kindes In der Verwandtschaft treten Erbkrankheiten auf Das Paar hat bereits ein Kind mit einer Erbkrankheit Partner sind miteinander verwandt Schwangerschaft während/nach therapeutischer Bestrahlung, Einnahme mutagener Medikamente oder Suchtmittel Männer und Frauen sind betroffen, Männer jedoch häufiger Wenn die Mutter betroffen ist, muss der Sohn auch betroffen sein. . 2% aller Lebendgeborenen in den Industrienationen leiden an einer genetisch bedingten Fehlbildung/Behinderung Wunsch nach Aufklärung über genetische Risiken Virusinfektion der Mütter zu Beginn der Schwangerschaft (z.B. Röteln) Frau ist älter als 35 Jahre alt, Paar ist zusammen älter als 75 Jahre alt Ungeklärte Fehlgeburt Invasive und nicht-invasive Methode der pränatalen Diagnostik Nicht-Invasive: Ultraschalluntersuchung Teil der Vorsorgeuntersuchungen bei Schwangeren Routinemäßig in der frühen, mittleren und späten Schwangerschaftsphase Ultraschallwellen = nicht hörbare Schallwellen Die Wellen werden von den Geweben unterschiedlich reflektiert und machen so Strukturgrenzen sichtbar Möglichkeiten: Wachstum des Fetus, Lage des Fetus, Geschlecht, Fehlbildungen Kein bekanntes Risiko für Mutter und Kind Blutuntersuchung: Ab der 14. SSW Nachweis des fetalen Alpha-Fetoproteins im Blut der Mutter ist möglich Erhöhte Konzentration von Alpha-Fetoprotein → verstärktes Risiko für eine schwere ● Invasive: Fruchtwasserpunktion ● Wirbelsäulenerkrankung beim Fetus (Spina Bifida) Geringes Untersuchungsrisiko für Mutter und Kind Schwierige Interpretation der Testergebnisse ● Anwendung zwischen der 14. und 18. SSW (Fruchtwasser) Durch die Bauchdecke und Gebärmutter hindurch werden mit einer Kanüle aus der Fruchtblase etwa zwanzig Milliliter Fruchtwasser entnommen Ultraschallkontrolle und örtliche Betäubung Definition Stoffwechseldiagnostik (biochem. Untersuchung des Fruchtwassers), Chromosomenanalysen, DNA-Diagnose Fehlgeburtenrate <1% Chorionzottenpunktion: 8. - 12. SSW Durch die Scheide oder durch die Bauchdecke+Gebärmutter wird fetales Gewebe von der Plazenta abgesaugt Möglichkeiten: Stoffwechselerkrankungen des Fetus (z.B. Mukoviszidose), Trisomie 21, Chorea Huntington Ultraschallkontrolle, evtl. örtliche Betäubung Chorionzottenzellen vermehren sich schnell → viele Zellen sind im Mitosestadium → schnelle Chromosomenanalyse (Karyogramm) innerhalb weniger Stunden Etwas höhere Fehlgeburtenrate (ca. 1%) Nabelschnurpunktion: Ab 19. SSW (Nabelschnur ist nun dick genug) Entnahme von fetalem Blut für die Untersuchung Sehr spät, keine Möglichkeit eines Schwangerschaftsabbruchs (nur bis zur 14. SSW möglich) Fehlgeburtenrate <1% Präimplantationdiagnostik: Der Begriff Präimplantationsdiagnostik, auch PID abgekürzt, bezeichnet die Untersuchung eines durch künstliche Befruchtung entstandenen Embryos vor der Einpflanzung. Der in vitro, also im Reagenzglas, erzeugte Embryo wird hinsichtlich genetischer Defekte überprüft. Stammzellen:Stammzellen (engl. Stem cells) sind Zellen, die sich in unterschiedliche Zelltypen ausdifferenzieren können. Hinsichtlich ihrer Funktion sind Stammzellen also noch nicht endgültig festgelegt. Embryonal: heißen die Stammzellen während der Embryonalphase. Aus den ersten Zellen entwickeln sich alle anderen Zelltypen, sie sind daher totipotent. Etwa ab der Gastrulation, innerhalb derer die Keimblätter ausgebildet werden, sind die Stammzellen nur noch pluripotent. Multipotent: Diese Stammzellen können sich nur noch innerhalb ihrer 'Gruppe' ausdifferenzieren. Beispiel: eine neuronale Stammzelle kann sich nur zu Zelltypen des Gehirns ausbilden, nicht aber etwa zu einer Muskelzelle. Totipotent: Auch als omnipotente Stammzellen bezeichnet. Diese Zellen können einen kompletten Organismus ausbilden und sich damit noch in alle denkbaren Zelltypen ausdifferenzieren. Beispiel für eine totipotente Stammzelle ist die befruchtete Eizelle (besteht nur aus einer einzigen Zelle). Embryonale Stammzellen sind allerdings nur bis zum 8-Zell-Stadium totipotent. Pluripotent: Können sich wie totipotente in alle Zelltypen ausdifferenzieren, jedoch mit dem Unterschied, dass allein von ihnen ausgehend, kein eigener Organismus mehr entstehen kann. Meistens werden totipotente und pluripotente Stammzellen nicht näher voneinander unterschieden. Adulte: heißen die Stammzellen beim Menschen nach der Geburt. Diese sind größtenteils multi- und oligopotent, können sich also nur noch in einige wenige Zelltypen ausdifferenzieren. Die adulten Stammzellen sorgen stetig für die Erneuerung der Zellen im gesamten Körper. Ökologie Definition Population: Gesamtheit aller Lebewesen einer Art in einem Biotop Biozönose: Lebensgemeinschaft; tierische und pflanzliche Gruppen, die in einem Biotop zusammenleben, Gesamtheit aller biotischer Faktoren Biotop: räumlich abgegrenzter Lebensraum, in dem eine Biozönose lebt, sie lässt sich durch spezifische abiotische Faktoren beschreiben Ökosystem: Einheit von Biozönose und dem dazugehörigen Biotop, wechselseitige Beeinflussung von Biotop und Biozönose Biosphäre: Belebte Umwelt, alle Ökosysteme zusammen Ökologie: Teilgebiet der Biologie, dass sich mit den Beziehungen der Lebewesen zu ihrer (belebten und unbelebten) Umwelt befasst. Umweltfaktoren Abiotische Faktoren (die unbelebte Umwelt betreffend): physikalisch-chemische Umweltfaktoren der unbelebten Welt, die auf ein Lebewesen einwirken Bsp: Abgase, Jahreszeiten, Dürretemperatur, Luft, Witterungen, Klima, Sturm, Überwässerung, Licht-/Sonnenenergie, Flüssigkeit (Regen), Nährstoffe in der Erde (Mineralstoffgehalt, Salzgehalt, pH-Wert der Erde), Katastrophe Biotische Faktoren (die belebte Umwelt betreffend): alle Einflüsse auf ein Lebewesen, die von anderen Lebewesen ausgehen Bsp: Pilze, Vögel, Pilzbefall, Tiere, Insekten, Kommunikation mit anderen Bäumen, Menschen (Parasitismus, Symbiose, Konkurrenz, Räuber-Beute-Beziehung) Toleranzkurve: Optimum: Punkt, an dem das Lebewesen die höchste Vitalität aufweist und ideal leben kann Präferenzbereich/Präferendum: Umweltfaktor weicht gering vom Optimum ab, wird von den Organismen präferiert, langfristiges Überleben (und Fortpflanzen) ist möglich Toleranzbereich: Gesamtbereich, in dem die Organismen einer Art existieren können, wird begrenzt durch Minimum und Maximum, umfasst den Präferenzbereich und auch die Pessima Minimum: Unter diesem Wert stirbt das Lebewesen (hier: am Kältetod) Maximum: Über diesem Wert stirbt das Lebewesen (hier: am Hitzetod) Pessimum: Randbereich: Der Organismus kann überleben, pflanzt sich aber nicht fort, kurzzeitige Überlebenschance Die Toleranzkurve wird durch Minimum (Gefrierpunkt von Wasser) und Maximum (Proteine, Enzyme etc. denaturieren) begrenzt. Definition: Endotherm Können ihre Körpertemperatur unabhängig von der Außentemperatur regulieren. Möglichkeiten der Regulation: Regulation der Wärmeabgabe (Schwitzen, Federn, Fell,...) und Regulation der Wärmeproduktion (Stoffwechselintensität, Zittern,...) Bezeichnet innerlich gleichwarme Organismen (homoiotherm) Vögel + Säugetiere (Sind bei geringen Temperaturen in vollem Umfang aktiv) Endotherme Tiere: Körpertemperatur wird unabhängig von der Außentemperatur selbst (,, von innen") reguliert. Möglichkeiten der Regulation: Regulation der Wärmeproduktion (Stoffwechselintensität, Zittern,...) Regulation der Wärmeabgabe (Schwitzen, Federn, Fell,...) Homoiotherm-gleichwarm: Tiere mit konstanter Körpertemperatur Endotherme Tiere: Vögel: Pinguin, Kolibri Säugetiere: Ratte, Hund, Mensch, Elefant, Eisbär, Delfin, Wüstenmaus Ektotherm Ein ektothermes Tier hat die gleiche Körpertemperatur wie die Umgebung. → Körpertemperatur ist von der Umgebungstemperatur (,,von außen") abhängig und kann nur sehr eingeschränkt reguliert werden Wechselwarme Organismen (poikilotherm) Insekten + Reptilien + Fische + Amphibien (Bei Temperaturen im Bereich des Pessimums ist der Energieverbrauch geringer) Körpertemperatur ist von der Umgebungstemperatur („von außen") abhängig und kann nur sehr eingeschränkt reguliert werden. Poikilotherm=wechselwarm: Tiere ohne konstante Körpertemperatur Ektotherme Tiere: Wirbellose: Biene, Maikäfer, Regenwurm, Mehlwurm, Schmetterling Fische: Forelle, Thunfisch Reptilien: Eidechse, Schlange Amphibien: Frosch Euryöke (eurypotente) Arten: Großer Toleranzbereich Sind nicht so stark vom Umweltfaktor abhängig → mehrere Lebensräume sind möglich Anpassungsfähig Stenöke (stenopotente) Arten: ● Kleiner/enger Toleranzbereich Sind sehr abhängig vom Umweltfaktor → oft sehr spezieller Lebensraum Wenig anpassungsfähig Vorteile der unterschiedlichen Lebensweise Endotherme Lebensweise bewohnen von kälteren und wärmeren Regionen ist möglich (variabel, alle Regionen der Erde, auch arktische Regionen) Nachtaktivität ist möglich (auch bei kalten Nächten) Können sich der Jahreszeit anpassen und ganzjährig aktiv sein Voll funktionsfähig und aktiv in einem großen Temperaturbereich, bei niedrigen Temperaturen (brauchen Energie) Eigene Kontrolle der Körpertemperatur durch Federkleid etc. Körperwärme werden über die Stoffwechselintensität meist sehr exakt auf hohem Temperaturniveau geregelt (gleichwarme Organismen). Können ihre Körpertemperatur unabhängig von der Außentemperatur regulieren, durch ihre Stoffwechselintensität oder Regulation der Wärmeabgabe- und Produktion (Zittern, Schwitzen, Fell, Federn). Bezeichnet innerliche gleichwarme Organismen (homoiotherm) Ektotherme Lebensweise brauchen weniger Energie Kommen mit weniger Nahrung aus Mehr Zeit für Wachstum und Fortpflanzung RGT-REGEL Je wärmer, desto schneller die chemische Reaktion: Eine Temperaturerhöhung um 10°C steigert die Reaktionsgeschwindigkeit um das 2-3fache. Ektotherm: Geringe Wärmeproduktion durch eigenen Stoffwechsel. Körpertemperatur gleicht sich der Umgebungstemperatur an. Unterhalb sowie oberhalb bestimmter Temperaturgrenzwerte zeigen sie keine aktiven Lebensäußerungen (Kältestarre bzw. Wärmestarre). Sie haben keine bzw. kaum Kühlungsmechanismus (z. B. kein Schwitzen). Energie- und damit auch Nahrungsbedarf geringer als bei gleichwarmen Tieren ähnlicher Größe. Temperaturabhängigkeit als Angepasstheit Bei vielen Lebewesen (v.a. ektotherme Tiere) besteht ein Zusammenhang zwischen den Temperaturverhältnissen in ihrem Lebensraum und ihrem Toleranzbereich: Die Lebewesen sind ihrem Lebensraum angepasst (z. B. durch die Ausstattung mit passenden Enzymen), d.h. der Präferenzbereich einer Art deckt sich mit den Verhältnissen in der arttypischen Umwelt. z.B.: Das Heimchen ist perfekt an sein Leben in Afrika angepasst und hat deshalb ein Temperaturoptimum von 35°C. Welche Möglichkeiten der Anpassung an sehr kalte bzw. warme Standorte gibt es? Dickes Fell Schwitzen Gefieder Fettschicht Zittern Winterschlaf/Winterruhe Große Ohren Körpergröße Stoffwechselintensität Nachtaktivität oder Tagaktivität Vogelflug nach Süden bzw. Norden Hecheln Aufsuchen verschiedener Orte (Höhlen) Aufstellen von Haaren (Luftpolster) Thermoregulation - Das Temperaturregulationszentrum des Menschen befindet sich im Gehirn (Hypothalamus) Hier wird der Sollwert (meist 37°C) vorgegeben Wärme- und Kälterezeptoren in der Haut und im Nervensystem registrieren die Innen- und Außentemperatur des Körpers Der gemessene Istwert wird dem Hypothalamus übermittelt und dort mit dem Sollwert verglichen Der Hypothalamus aktiviert bestimmte Stellglieder, um die Körpertemperatur auf den gewünschten Sollwert zu regulieren Körper ist zu kalt (Ist-Wert kleiner als Soll-Wert) → Zittern, Stoffwechselrate erhöhen, Blutgefäße ziehen sich zusammen, Gänsehaut, ... Körper ist zu warm (Ist-Wert größer als Soll-Wert) → Schweißdrüsen werden aktiviert, Blutgefäße werden erweitert, Schatten wird aufgesucht (Verhaltensänderung), ... Bergmann'sche Regel Je kälter das Gebiet, in dem die Pinguine leben, desto größer und schwerer sind sie. Je kälter der Lebensraum eines endothermen Tieres ist, desto größer sind die Tiere der nah verwandten Arten. Endotherme Tierarten, die in warmen Gebieten leben, sind in der Regel kleiner als nah verwandte Arten in kälteren Gebieten. Allen'sche Regel Je wärmer der Lebensraum ist, in dem artverwandte Füchse leben, desto größer sind ihre Ohren. Je kälter der Lebensraum ist, desto kleiner sind die Körperanhänge nah verwandter Arten endothermer Tiere. Bei endothermen Tieren ist die relative Länge der Körperanhänge (Ohren, Schwanz, Beine...) in kalten Gebieten geringer als bei nah verwandten Arten in wärmeren Gebieten. Ektotherme Tiere (Reptilien, Amphibien, Fische, Wirbellose..) regulieren ihre Körpertemperatur nicht (kaum), sie werden den Außentemperaturen angepasst. → für diese Tiere gelten die Regeln also nicht! Physikalische Grundlage der Bergmann´sche Regel Mit der Größe eines Tieres wächst die Oberfläche im Quadrat, Volumen in der 3.Potenz. Bei kleinen Tieren ist die Oberfläche im Verhältnis zum Volumen größer als bei großen Tieren: Kleine Tiere geben daher relativ zu ihrem Körpervolumen viel Wärme an die Umgebung ab. Große Tiere geben dagegen relativ zu ihrem Körpervolumen wenig Wärme an die Umgebung ab. Bei niedrigen Außentemperaturen, also in kalten Regionen sind daher große Tiere im Vorteil und kommen dort häufiger vor. Kleinere Tiere müssen einen hohen Energieumsatz haben, um ihre Körpertemperatur halten zu können Physikalische Grundlage der Allen'sche Regel Bei verwandten Arten gleichwarmer Tiere sind Körperanhänge wie Ohren oder Schwänze in kalten Klimazonen kleiner als in wärmeren Gebieten. Physiologisch wird Allen'sche so erklärt, dass große Körperanhänge eine relativ große Oberfläche haben. Sie kühlen daher schneller aus. In warmen Regionen dienen beispielsweise Ohren der Abgabe überschüssiger Wärme und somit der Thermoregulation. Dort findet man Arten, deren Körperanhänge relativ groß sind. Energieumsatz Je schwerer nur ein Tier wiegt, umso höher ist der Energiebedarf. Dieser scheint logisch, denn schwere Tiere verbrauchen bei einer Bewegung mehr Energie, um die Masse zu bewegen. Vergleicht man aber den Energieverbrauch einer Maus mit dem eines Elefanten, verbraucht die kleine Maus relativ zum Körpergewicht viel mehr Energie als ein Elefant. Die Maus muss also eine höhere Herzschlagfrequenz, d.h. heißt Herzschläge pro Minute, durchführen, um die benötigte Energie in den Zellen zu befördern. Winterruhe Zu starke Absenkung der Körpertemperatur ist lebensgefährlich Aktivität wird in kalter Jahreszeit auf ein Minimum gedrosselt ● Winterschlaf ● ● Absenkung der Körpertemperatur ist nicht gefährlich Eher kleinere Tiere Stärkere Senkung der Körpertemperatur (um 5°C) → noch niedrigerer Energieverbrauch Wirklicher Schlaf, längere Zeit Aufwachen, wenn das Temperaturminimum erreicht wird RGT-Regel: Je kälter, desto langsamer laufen Stoffwechselreaktionen ab Atmungs- und Herzschlagfrequenz sehr stark verringert Fledermaus, Igel, Murmeltier, Siebenschläfer, Hamster Der Winterschlaf hilft den Tieren, die kalte Jahreszeit zu überstehen. Denn nicht nur, dass es dann eisigkalt ist. Es gibt auch wenig zu fressen. Daher ziehen den Tiers sich zurück. Es hilft ihnen zu überleben. Es gibt auch Tieren, die nicht ganz tiefschlafen (Winterruhe) Wie halten Murmeltiere eine niedrige Körpertemperatur aufrecht Energieverbrauch sinkt Geschützter Ort Überwinterung in Gruppen → wärmen Fett, das vorher angefressen wurde, wird abgebaut Neuer niedrigerer Sollwert ● ● Eher größere Tiere Tiere wachen auf und nehmen Nahrung zu sich Vergleich Winterschlaf und Kältestarre Leichte Senkung der Körpertemperatur Ruhezustand, besonders lange und tiefe Schlafphasen Dachs, Eichhörnchen, Waschbär, Braunbär ● ● ● geringer Energieverbrauch Anpassung der Kamele an den Wassermangel Aus dem Winterschlaf kann man Tiere wecken, aus der Kältestarre nicht Winterschlaf: Ernährung von Energiereserven Kältestarre: Keine Energiereserven notwendig (gleiche Temperatur wie Außentemperatur) Kältestarre ist unfreiwillig, erst beendet, wenn die Temperatur steigt Kältestarre: Wechselwarme (poikilotherme) Tiere, besser: Ektotherm Winterschlaf: Endotherme Säugetiere (veraltet: gleichwarm, homoiotherm) Geringere Arbeitsleistung bei Wassermangel Höcker als Fettreserven: Überleben von längerer Zeit, beim Abbau von Fett entsteht Energie und Wasser (109 g Wasser bei 100 g Fett) Kein Fett unter der Haut, sondern in Höckern, dies erleichtert die Abgabe von Wärme Große Fläche an Nasenschleimhaut: Wasserspeicher, Rückgewinnung von Wasser Verschließbare Nüstern In 10 Minuten können 125 I Wasser aufgenommen werden, Erythrozyten erhalten durch das Cytoskelett ihre Form Sehr trockener Kot Bei Wassermangel wird die Körpertemperatur nur noch gering reguliert → weniger Wasserverlust und Energieaufwand durch Schwitzen, Abkühlung erfolgt in der Nacht Urin ist stark konzentriert Lange Beine → nicht so nah am heißen Boden Ledrige Hufe Schmaler Körperbau → weniger Sonneneinstrahlung Zeigerarten Pflanzenarten, deren Vorkommen oder Fehlen in einem Biotop die Verhältnisse bestimmter abiotischen Faktoren anzeigen. Sie haben einen engen Toleranzbereich Bioindikator Ist ein Lebewesen, welches auf Umwelt Einflüsse mit Veränderungen seiner Lebensfunktionen reagiert oder Stoffe anlagert oder in den Organismus einbaut. Interspezifische Beziehung Beziehung zwischen Individuen der gleichen Art (innerartlich) Intraspezifische Beziehung Beziehung zwischen Individuen unterschiedlicher Arten (zwischenartlich) Physiologisch Potenz Unter der physiologischen Potenz einer Art versteht man die genetisch festgelegte Fähigkeit, ohne Konkurrenz durch andere Organismen, Schwankungen des untersuchten Umweltfaktors zu ertragen. Dies ist ein eher theoretischer, unter Laborbedingungen ermittelter Wert, da eine Reinkultur ohne jede Konkurrenz durch andere Arten in der Natur nur selten vorkommt: Ökologische Potenz Die ökologische Potenz beschreibt die Fähigkeit einer Art in einer Lebensgemeinschaft mit anderen Organismen, also unter den Bedingungen natürlicher Konkurrenz, die Schwankungen des untersuchten Umweltfaktors zu ertragen. Die ökologische Potenz beinhaltet das Reaktionsvermögen einer Art auf einer Kombination von abiotischen und biotischen Faktoren. Die ökologische Potenz ist in der Regel deutlich geringer als die physiologische Potenz. Konkurrenz: Wettbewerb um Ressourcen (Nahrung, Lebensraum, Geschlechtspartner...) Konkurrenzausschlussprinzip Zwei Arten, die die gleichen Lebensansprüche haben, können nicht langfristig koexistieren. Das bedeutet, zwei ähnliche Arten brauchen zum Überleben dieselben Ressourcen, z.B. Nahrung. Das Konkurrenzausschlussprinzip findet in dem Lebensraum einer Art statt. Kommt nun eine andere Art hinzu, welche denselben Lebensraum beanspruchen will, dann wird die Schwächere der beiden Arten daraus vertrieben und die andere Art hat die Nische für sich gewonnen. Dabei sind die beiden Arten Konkurrenten. Daraus folgt, dass die unterliegende Art entweder ausstirbt oder ausweichen muss. Die unterliegende Art muss den Lebensraum oder die Nahrung ändern, um so Konkurrenz zu vermeiden. Konkurrenzvermeidungsprinzip Die Ausbildung unterschiedlicher ökologischen Nischen bezeichnet man als Einnischung. Arten weichen in andere ökologische Nische aus, indem sie sich von einer anderen Nahrung ernähren, ihre Gewohnheiten verändern oder ihren Lebensraum ändern. Sie führt dazu, dass viele Arten im gleichen Lebensraum nebeneinander existieren Eingeschleppte Krebse in Berlin (Beispiel) Nahrung: Wasser- und Landpflanzen, Algen, Laich, Kaulquappen, Fische, Regenwürmer, Plattwürmer, Aas, Detritus, Schnecken, Mückenlarven Feinde: In der Heimat-Otter, Wasserschwein, räuberische Insektenlarven, Reiher in Deutschland= Raubfische, Fuchs, Waschbär, Aal Sie sind Allesfresser und haben deshalb mit ihrer hohen Vermehrungsrate einen negativen Einfluss auf die Gewässerökosysteme. Er frisst Fisch- und Amphibienlaich und dezimiert dadurch die einheimische Fauna. Darüber hinaus ist der Sumpfkrebs als Träger einer Pilzerkrankung (Krebspest) eine Gefahr. Gegen diese Erkrankung sind die Tiere selbst immun, für europäische Flusskrebsarten ist die „Krebspest" hingegen tödlich Zur Bekämpfung des Sumpfkrebses ließ die Umweltbehörde heimische Aale in den Seen aussetzen und erlaubte einem Fischereibetrieb für ein Jahr, die Krebse zu fangen. Fotosynthese Mithilfe einer Glocke wird der Sauerstoff aufgefangen, der bei der Fotosynthese eine Wasserpflanze frei wird. Es wird das Sauerstoffvolumen pro Zeit bestimmt. Dies ist der Fotosynthese proportional. Bedeutung der Fotosynthese ● ● ● ● ● Anfeuchten der Luft ● ● Pflanzen: Abbau der Glucose durch Zellatmung -> Energie wird frei und nutzbar Vorhandensein von Chlorophyll Zufuhr von Lichtenergie, vorranging in Form von Strahlungsenergie der Sonne Erzeugung von Sauerstoff Verarbeitung von Kohlenstoffdioxid ● Filtern der Luft (schädliche Stoffe bleiben am Blatt hängen) Erzeugung von organischen Nährstoffen Glucose als Grundbaustein vieler Zellbestandteile und des Wachstums Ermöglichung der Funktionalität der Zellorganelle durch Wasser Glucose als Grundbaustein der Nahrung Energieaufnahme durch Glucose in der Nahrung Sauerstoff und Wasser als Lebensgrundlage Energiegewinnung durch Erdöl und Erdgas Erweiterung der Fotosynthesegleichung Es wurde um 6 H2O erweitert, das liegt daran, dass bei der Primärreaktion 12 H2O gespalten werden, aber im Calvin Zyklus 6 H2O wieder frei werden. Das heißt, dass lediglich 6H2O verbraucht werden 12H2O + 6 CO2 -> 6 O2 + C6H12O6 + 6 H2O Funktion und Bau eines Fotosystems Aufbau Der Antennenkomplex (Lichtsammelkomplex) mit eng einander liegenden Molekülen a, b und Carotinoiden ist mit der Thylakoidmembran verknüpft Das Reaktionszentrum ist in der Mitte, enthält ein Chlorophyll a-Paar und den primären Elektronenakzeptor Funktion ● Lichtabsorption in Form einer Lichtsammelfalle ● Viele verschiedene Lichtwellenlängen können absorbiert werden (verschieden Pigmente mit verschiedenen Absorptionsspektrum Geben die absorbierte Lichtenergie von einem Molekül zum nächsten weiter Absorbiert die längste Wellenlänge Energie wird an das Chlorophyll a-Paar im Reaktionszentrum weitergegeben, dies wird stark angeregt und gibt ein Elektron an den primären Elektronenakzeptor ab Transportwege innerhalb der Zelle Transpiration: Wassergehalt im Blattgewebe hoch, umgebene Luft Wasserdampf nicht gesättigt: Wasser verdunstet und diffundiert daher als Wasserdampf aus den Blättern an die umgebende Luft Transpirationssog: Wasser strömt noch, in den Wasserleitungsbahnen entsteht ein Unterdruck - >Wasser fließt mit gelösten Mineralstoffen in die Blätter Celluläre Transpiration: Blatt verliert Wasserdampf über die gesamte Oberfläche. Ausmaß wird von dem Dicken der Cuticula bestimmt. Sicmatäre Transpiration: Von der Pflanze regulierbar -> Spaltöffnungen werden von Schließzellen mit Chloroplasten begrenzt. Ionenpumpen transportieren Kalium-Ionen aus den benachbarten Epidermiszellen in die Schließzellen. Wasser strömt osmotisch nach, sodass sich das Volumen der Schließzellen erhöht. Wände der Schließzellen sind verdickt, mittlerer und Bauchwand sind unverdickt. Strömt Wasser in eine Schließzellen, wird ihre unverdickte Rückwand gedehnt. Bauchwand wird nach hineingezogen, sodass sich die Spaltöffnungen vergrößert werden. Umgekehrt führt ein Wasserverlust zu einer Volumenabnahme. Die Erhöhung der Pflanze erfragt fototroph, daher benötigen sie die Fotosynthese, um sich zu erhöhen. Die Zelle benötigt Wasser, CO2, um Glucose und O2 zur Ernährung herzustellen. Jedoch kann dies auch zur Austrocknung der Zelle führen, wenn sich die Transpirationsrate zu stark erhöhen. Durch Licht und eine niedrige CO2-Konzentration in den Interzellulären werden die Kalium- lonenpumpen aktiviert, sodass sich die S'Omata öffnen und CO2 einströmen kann. Gleichzeitig erhöht sich dadurch die Transpirationsrate Eine Pflanze an trockenen Standorten muss ein Kompromiss eingehen zwischen Verhungern“ und „Verdursten" Trockener Standort -> geschlossene Spaltöffnungen Keine Wasserabgabe, aber auch kein CO2 für die Fotosynthese -> „Verhungern" Geöffnete Spaltöffnung -> Verdunsten des Wassers -> ,,Verdursten" Anpassung der Spaltöffnung Bei normalen Blättern: Auf der Blattunterseite (Lichtintensität ist dort geringer) Lichtkompensationspunkt ● ● ● ● Bei Seerosenblättern: Auf der Blattoberfläche (der Luft zugewandt) Lichtabsorption Lichtsammelkomplexe in den grünen Pflanzen Je langwelliger, desto energieärmer Die Lichtintensität, bei der - der Zellatmung- beschreibt- ausgleicht Den Sauerstoffverbrauch - die fotosynthetische Sauerstoffproduktion Der Lichtkompensationspunkt beschreibt die Lichtintensität, bei der die fotosynthetische Sauerstoffproduktion von den Sauerstoffverbrauch der Zellatmung ausgleicht. Liegt der Lichtkompensationspunkt bei einer höheren Lichtintensität, benötigt das Blatt deutlich mehr Licht für eine positive Sauerstoffbilanz Die Fotosynthese kann anhand der CO2-Aufnahme bzw. der Glucoseproduktion der Pflanzen gemessen werden. Sie ist z.B. von Lichtintensität, der Temperatur und CO2- Konzentration abhängig Fotosystem II: Das Chlorophyll a dieses Fotosystem hat sein Absorptionsmaximum bei 680 nm. Fotosystem I: Das Chlorophyll b dieses Fotosystem hat sein Absorptionsmaximum bei 700nm Die Fotosynthese - ein Prozess in zwei Schritten 1.Lichtabhängige Reaktion (Primärreaktion) Ort: Thylakoidmembran in den Chlorplasten Ziel: Bildung von NADPH+H+ und ATP, Bindung der Sonnenenergie in Form von chemischer Energie Sonstiges: Wasser wird in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten, unter Energiezufuhr wird ADP zu ATP 2.Lichtunabhängige Reaktion (Sekundärreaktion) mit Calvin-Zyklus Ort: Stroma der Chloroplasten Ziel: Synthese von Glucose, ATP und NADPH+H+ werden dazu genutzt, um Glucose aus CO2 (Kohlenstoffdioxid) aufzubauen Sonstiges: ADP und NADP+ werden wiederhergestellt. ● Das Z-Schema Der Elektronenfluss verläuft freiwillig nur „bergab“, d.h. vom negativen zum positiven Reaktionspotential Je negativer das Redoxpotential, desto höher die Bereitschaft, Elektronen abzugeben Durch Anregung mit Lichtenergie kann ein Chlorophyll-a-Molekülpaar (P680 und P700) auf ein energetisch höheres Niveau angehoben werden und hat dann ein negativeres Redoxpotential Fotophosphorylierung Entstehung des Protonengradienten ● ● Entstehung der Protonen durch Fotolyse im Thylakoidinnenraum Protonen werden vom Cytochrom b/f Komplexe in den Thylakoidinnenraum gepumpt (Elektronentransportkette) Protonen werden zur Herstellung von NADPH+H+ im Stroma verbraucht -> Ladungsgradient und Stoffgradient Funktion des Protonengradienten Protonen wandern mit dem Konzentrationsgefälle durch die ATP-Synthase, diese katalysiert die Reaktion von ADP zu energiereichem ATP Die Fotophosphorylierung beschreibt die Bildung von Adenosintriphosphat (ATP) durch die Anlagerung einer Phosphatgruppe an Adenosindiphosphat (ADP) unter dem Einfluss von Lichtenergie ATP als universeller Energieüberträger (Energiefreisetzende) chemische Reaktion, die freiwillig/spontan abläuft: exergonisch (Energieverbrauchende) chemische Reaktion, die nicht freiwillig/ nicht spontan abläuft: endergonisch Die Bruttogleichung der lichtabhängigen Reaktion 2H20 + 2NADP+ + 3 (ADP + P) -> O2 + 2 (NADPH+ H+) + 3 ATP Vergleich zyklischer und nicht – zyklischer Elektronenfluss Nicht-zyklischer Elektronentransport ● ● ATP-Bildung: Ja Sauerstoff-Bildung: JA NADPH-Bildung: Ja Wirkungsgrad der Fotosynthese Der Wirkungsgrad der Fotosynthese liegt bei 28%., D.h. 28% der absorbierten Lichtenergie wird in Form von chemischer Energie gespeichert. Achtung: Bezieht man das am Blatt reflektierte oder transmittelierte (durchgelassene) Licht mit ein, ist die Fotosynthese noch weniger effizient ● Definition ,,Chemosynthese" Chemosynthese bezeichnet den Baustoffwechsel bestimmter autotropher Mikroorganismen, die anstelle des Lichtes als Energiequelle ihre Energie aus der Oxidation anorganischer Verbindungen (z.B. H25 oder NH4+) beziehen. Baustoffwechsel? Assimilation ● Autotroph? Sich selbst ernährend, brauchen keine Stoffe von außen Oxidation? Abgabe von Elektronen Anorganische Verbindungen? Stoffe, die aus kleinen Molekülen bestehen ● Zyklischer Elektronentransport ● Assimilation und Dissimilation Assimilation: Aufbau körpereigener, energiereicher, organischer Moleküle autotrophe Assimilation...mithilfe von Solarenergie aus körperfremden, energiearmen, anorganischen Molekülen Fotosynthese heterotrophe Assimilation: ... aus organischen Molekülen, die mit der Nahrung aufgenommen wurden ● Dissimilation: Abbau körpereigener, energiereicher, organischer Stoffe in energiearme, anorganische Stoffe (CO2 und H2O) unter Energiefreisetzung -> zentraler Prozess: Zellatmung Innere und äußere Mitochondrienmembran Innere Membran ● besteht zu einem Viertel aus Proteinen ● Den Raum innerhalb der inneren Membran nennt man Matrix Liegt in Falten, dadurch kommt es zu einer starken Oberflächenvergrößerung Ist selektiv permeabel, d.h., sie lässt Stoffe nur über spezifische Transportproteine durch Zellatmung Glykolyse ● ● ● ● NADPH-Bildung: unterbleibt Nennt man auch zyklische Fotophosphorylierung ● ATP-Synthase findet statt-> wichtig für Zellatmung, da hier die ATP-Synthase stattfindet 7,5nm dick Umschließt die Matrix ATP-Bildung: Ja! Protonen werden noch über Plastochinon in den Thylakoidinnenraum gepumpt Sauerstoff-Bildung: Nein Äußere Membran ● ● ● Ist aufgrund von Kanälen permeabel für lonen und kleine Moleküle Ist für den Stoffaustausch und den Schutz zuständig Keine Faltungen 7,5nm dick Ort: Cytoplasma Edukte: Glucose, 2 NAD+, 2 ADP + P Produkte: 2 Pyruvat, 2 ATP, 2 NADH+ H+ Biologische Funktion: Aus einem Molekül energiereicher Glucose werden 2 Moleküle etwas energieärmeres Pyruvat, außerdem werden 2 ATP abgegeben (Energieträger), NAD+ wird zu NADH+ H+ umgewandelt (Wasserstoffüberträger, Reduktionsäquivalent) Oxidative Decarboxylierung Umschließt das Mitochondrium, hat eine glatte Oberfläche ● ● Citratzyklus ● Ort: Mitochondrienmatrix Edukte: 2 ADP + P, 2 FAD+, 6 H2O, 2 Acetyl-CoA, 6 NAD+ Produkte: 2 FADH2 + 4 CO2 + 2 ATP, 6 NADH + H+ ● ● Ort: Mitochondrienmatrix Edukte: 2 Pyruvat, 2 NAD+, 2 COA Produkte: 2 CO2, 2 Acetyl-CoA, 2 NADH+ H+ Biologische Funktion: Verbindung zwischen Glykolyse und Citratzyklus, Produktion von NADH+ H+ (Wasserstoffüberträger, Reduktionsäquivalent), Aktivierung von Pyruvat Biologische Funktion: Gewinnung von Elektronen für die Atmungskette durch Oxidation von Acetyl-CoA, diese sind in NADH + H+ und FADH2 enthalten (Reduktionsäquivalente), ADP wird in ATP umgewandelt Atmungskette ● ● Ort: innere Mitochondrien Edukte: 10 NADH + H+, 2 FADH2 + 6 02 + 34 ADP + P + P, 34 ADP + P Produkte: 10 NAD+, 12 H2O, 34 ATP, 2 FAD Biologische Funktion: Produktion von ATP! Wichtigster Schritt der Energiegewinnung, FADH2 und NADH + H+ aus Glykolyse, ox. Decarboxylierung, Citratzyklus werden verbraucht, FAD und NAD+ werden regeneriert. Gesamtgleichung der Zellatmung C6H12O6 + 6H2O + 6O2 + 38 ADP + 38 P -> 6 CO2 + 12 H2O + 38 ATP Vereinfacht: C6H12O6 + 602 -> 6 CO2 + 6H2O (Glucose + Sauerstoff -> Kohlenstoffdioxid + Wasser) Kompartimentierung Vorteile der Kompartimentierung: Die Bereitstellung der Basisenergie (durch anaerobe Glykolyse) wird unabhängig von den Stoffwechselvernetzungen des Citratzyklus sichergestellt. Nachteile: Es kommt unter Umständen zu Energieverlusten beim Transport und Stoffwechselzwischenproduktion wie NADH über Mitochondrienmembran Neurobiologie Nervensystem: Bildet mit Sinnesorganen und Muskeln ein schnelles informationsverarbeitendes System, umfasst alle Nerven- und Gliazellen des Körpers, Überbegriff für ZNS + PNS, hat die Aufgabe, Informationen über die Umwelt und den Organismus aufzunehmen, zu verarbeiten und Reaktion des Organismus zu veranlassen, um möglichst auf Veränderungen zu reagieren Zentrales Nervensystem: Gehirn + Rückenmark, Verarbeitung und Speicherung von Informationen, Planung und Steuerung von Bewegungen etc. Peripheres Nervensystem: alle Nerven-, Glia- und Sinneszellen, die nicht dem ZNS angehören, z.B. Nervenzellen, die die Skelettmuskeln steuern und Informationen von Sinneszellen ans ZNS schicken, Steuerung innerer Organe Gliazellen: Isolationsschicht, um die Nervenzellen, mechanische Stütze, bildet gleichbleibende Zellzwischenflüssigkeit; liegen zwischen den Nervenzellen und sind nicht erregbar, unterstützen die Nervenzellen Sinneszellen: Werden durch Reize (natürlich oder künstlich) erregt, z.B. in Augen und Ohren oder anderen Sinnesorganen, ausgelöste Erregung wird an andere Nervenzellen weitergegeben Nervenzellen: Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Informationen, besitzen Fortsätze, mit denen sie Infos aufnehmen und weiterleiten können, Signale bewirken eine Erregung der Nervenzellen, eine Seite dient der Aufnahme, die andere der Weiterleitung des Signals Signalweiterleitung vom Reiz zur Reaktion Ein Reiz wie z.B. Licht, Temperatur, Druck oder ein chemischer Stoff (bspw. Duft- oder Geschmacksstoff) wirkt auf das Lebewesen ein. Dieser kann von außen, aus der Umwelt des Lebewesens einwirken (Außen- Reiz), er kann aber auch durch eine Zustandsänderung im Inneren des Organismus entstehen (Innenreiz). Der Reiz wird nun von speziellen sensorischen Rezeptoren aufgenommen. Hierbei handelt es sich im einfachsten Fall um spezifische Moleküle oder Zellorganelle. Bei der Mehrzellern sind es in der Regel spezialisierte Sinneszellen, die einzeln vorliegen oder zu komplexen Sinnesorganen zusammengefasst werden. Reiz: Ein physikalisches oder chemisches Signal aus der Umwelt oder dem Organismus, z.B. Licht, Temperatur, chemischer Stoff (z.B. Geschmacks- und Geruchsstoffe, Wasseraushalt) Reaktion: Aktion des Körpers, die auf einen Reiz folgt, z.B. Beinmuskeln bewegen, Zucken, Pupillenbewegung, Hormonfreisetzung, Drüsen (Speicheldrüse) Sensorische (afferente) Nervenbahnen: Nervenbahnen umfassen jene Nervenzellen, die Signale von den Sinneszellen mit Rezeptoren zum ZNS weiterleiten Motorische (efferente) Nervenbahnen: Nervenbahnen umfassen jene Nervenzelle, die Signale vom ZNS zu den Effektoren (z.B. Muskeln) leiten. Interneurone: Zudem gibt es sog. Interneurone, welche zwischen den afferenten und efferenten Nervenzellen befinden und die Informationen im ZNS verarbeiten und interpretieren. Man spricht von Integration Abbildung: Abbildung von einem Neuron Funktionen der Bestandteile eines Neuron Zellkörper (Soma): enthält den Zellkern (DANN und Zellorganellen (Plasma, Mitochondrien, mit Ribosomen besetztes raues Endoplasmatisches Retikulum) -> Steuerzentrale, Stoffwechsel, Proteinbiosynthese Dendriten: dünne Verästelungen, die vom Zellkörper ausgehen, sammeln Signale und leiten sie zum Soma weiter Axonhügel: hier werden die ankommenden Signale miteinander verrechnet, bei Überschreiten des Schwellenwertes entsteht ein elektrisches Signal (Aktionspotenzial) Axon: Aktionspotenzial wird hier hin zur Axon- Endigung geleitet Axon-Endigung mit Endknöpfchen: Es dockt an die Dendriten anderer Neuronen oder an Muskelzellen oder an Drüsenzellen an Synapse: Begleitzellen von Nervenzellen, die die Nährstoffversorgung der Neurone sichern und die Myelinscheide bilden Myelinscheide: Hülle aus Myelin, welche die Axone markhaltiger Nervenzellen umgibt und isoliert. Bildung durch spezialisierte Gliazellen Schwann'sche Zellen: Stützgerüst, versorgen die Neuronen mit Nährstoffen und Flüssigkeit, Dienen des elektrischen Signals durch das Axon -> Information kann schneller weitergeleitet werden Experiment am Riesenaxon des Tintenfisches ● Riesenaxone sind die Axone, die bei Tintenfischen vorkommen ● ● ● ● ● ● ● Voraussetzungen für Bioelektrizität Wässrige Lösung, die lonen (Teilchen mit positiver / negativer Ladung) beinhaltet: Ladungsträger -> Ladungen sind in wässriger Lösung IMMER an lonen gebunden lonen können sich bewegen: Kationen (+) wandern zum Minuspol, Anionen (-) wandern zum Pluspol Innen: K+ und Anionen (-), Außen: Na+ und CI- Ladungstrennung durch Lipiddoppelschicht (Membran): elektrisch isolierende Schicht (eine Spannung entsteht zwischen + und - ● Sind 100 bis 1000-mal dicker als bei Säugetieren Erreichen einen Durchmesser von bis zu 1mm Diese enorme Dicke der Axone ist für Tintenfische nötig, um eine schnelle Erregungsleitung zu ermöglichen, da sie im Gegensatz zu Wirbeltieren über keine myelinisierte Axone verfügen Durch den größeren Axonquerschnitt wird der Längswiderstand des Axons geringer, sodass der elektronische Stromfluss von erregtem zu unerregtem Faserarel schneller erfolgen kann ● Das Riesenaxon befindet sind in der Salzlösung Zwei Messelektroden werden verwendet: Sie messen die Ladung eines Mediums (Ableitelektrode) im Vergleich zu einem anderen Medium (Bezugselektrode) Das Oszilloskop macht die elektrische Spannung, die zwischen den beiden Medien herrscht, auf dem Bildschirm sichtbar Gleichgewichtspotenzial ● Das Gleichgewichtspotenzial ist die Spannung, die man messen kann, wenn sich das Zellmodell (dessen Membran nur für eine lonenart durchlässig ist) im elektrochemischen Gleichgewicht befindet. Unter dem elektrochemischen Gleichgewicht versteht man den Zustand, in dem genauso viele lonen aufgrund des Konzentrationsgefälles aus der Zelle hinausdiffundieren, wie aufgrund der elektrischen Anziehung zwischen Kationen (pos. Geladen) und Anionen (neg. geladen) hineingezogen werden Zustandekommen und Aufrechterhaltung des Ruhepotenzials an Nervenzellen Auf dem Blatt Ruhepotential ● Ungleichverteilung der lonen (Potenzialdifferenz, Membranpotenzial) -> evtl. elektrisches Spannungsfeld -> lonen bewegen sich durch die Membran -> elektrische Stromfluss In der Membran gibt es selektive lonenkanäle, die den lonenfluss regulieren (lassen meist nur eine lonensorte durch) Diese lonenkanäle können offen oder geschlossen sein Das Membranpotenzial erregbarer Zellen (z.B. Nervenzellen) in Ruhe Es liegt zwischen -30 und -100 mV (Millivolt) (Durchschnittswert ca.70Mv) Das Ruhepotenzial lässt sich auf ungleiche Ladungen im Cytoplasma der Zelle (-) und Außenmedium (+) zurückführen Permeabilität (Durchlässig der Zellmembran): Die Zellmembran ist in Ruhe vor allem für Kalium-Ionen (K+) und abhängig vom Zelltyp für Chlorid-lonen (Cl-) durchlässig, weniger durchlässig für Natrium-Ionen (Na+) und praktisch undurchlässig für organische Anionen. Verantwortlich dafür sind lonenkanäle mit jeweils spezifischer Leitfähigkeit für die unterschiedlichen lonen Chemischer Gradient (Konzentrationsgradient): Teilchen bewegen sich zufällig und tendieren zu gleichmäßiger Verteilung (Brownsche Molekularbewegung) Elektrischer Gradient (Ladungsgradient): Spannungsunterschiede tendieren zu einem Ausgleich Elektrochemisches Gleichgewicht: Für jedes lon stellt sich dabei ein elektrochemisches Gleichgewicht ein, bei dessen Erreichen kein Nettofluss des lons durch die Membran mehr stattfindet. Dann sind die elektrische und die chemische Kraft, die das lon durch die Membran treiben, gleich groß und entgegengesetzt. Natrium-Kalium-Ionenpumpe: Die Tätigkeit der N-K-P, einer lonenpumpe, die unter ATP- Hydrolyse Natrium-Ionen aus der Zelle heraus und Kalium-Ionen in die Zelle hineinpumpt lonen: lonen sind elektrisch geladen Teilchen. Ionen mit positiver Ladung werden als Kationen, lonen mit negativer Ladung als Anionen bezeichnet. Typische Kationen sind Kalium-Ionen, Natrium-Ionen und Calcium-Ionen. Typische Anionen sind Chlorid-lonen und Protein-Anionen. Bau der Nervenzellmembran: Die Lipiddoppelschicht der Nervenzellmembran ist für geladene Teilchen undurchlässig. lonen können die Membran also nur mithilfe spezieller lonenkanäle passieren. Bei diesen handelt es sich um Membranproteine, die durch die gesamte Membran reichen. Sie sind ringförmig angeordnet. In der Mitte des Ringes aus Kanalprotein befindet sich eine Pore, durch die lonen die Membran durchqueren Namen und Funktion der Membranproteine ● ● Passiver Transport: ohne Energieverbrauch, mit dem Gradienten -> Bsp: lonenkanal Aktiver Transport: mit Energieverbrauch (ATP), gegen den Gradienten -> ATP- betriebene Pumpen Was befindet sich im „Gleichgewicht"? ● Kanäle (z.B. lonenkanäle) öffnen und schließen sich Carrier transportieren Ionen/ Moleküle durch die Membran, indem sie ihre Konfirmation ändern ● ● Ausstrom von Kalium-Ionen: Permeabilität der Kaliumkanäle und Konzentrationsgefälle (=Konzentrationsgradient, chemischer Gradient) 20% unseres tägliche ATP-Verbrauchs fällt für den Betrieb der Na+-K+-Pumpe Für das Ruhepotenzial ist vor allem die Verteilung der Kalium-Ionen verantwortlich Ablauf eines Aktionspotenzials Einstrom der Kalium-Ionen: Ladungsgradient (=elektrischer Gradient) gleiche Ladungen stoßen sich ab Außerdem: Natrium-Kalium-Pumpe 1.) Ruhepotenzial: Die spannungsabhängigen Na+ - Kanäle sind geschlossen, aber aktivierbar. Spannungsunabhängige K+-Kanäle sind dauerhaft für K+ durchlässig, spannungsabhängige K+-Kanäle sind geschlossen 2.) Beginnende Depolarisation (Aktionspotenzial): Aufgrund eines eintreffenden Reizes öffnen sich die Aktivierungstore einiger spannungsgesteuerter Na+-Kanäle. Dadurch strömt Na+ in das Cytoplasma ein und die Membran wird bis zum Schwellenwert von -50mV depolarisiert 3.) Vollständige Depolarisation: Durch die beginnende Depolarisation (-50Mv) öffnen sich die Aktivierungstore weiterer spannungsgesteuerter Na+-Kanäle. Dadurch kann weiteres Na+ gemäß dem elektrochemischen Gradienten schlagartig ins Cytoplasma einströmen und die Membran bis zu Spitze von +30mV vollständig depolarisieren 4.) Repolarisation und Hyperpolarisation: Die starke Depolarisation von +30mV hat zwei Folgen: Zum einen schließen sich die Inaktivierungstote der spannungsabhängigen Na+- Kanäle. Sie sind nun geschlossen und nicht aktivierbar. In diesem Zustand bezeichnet man die Kanäle als refraktär. Zum anderen öffnen sich spannungsabhängige K+-Kanäle, sodass K+ schnell gemäß dem elektrochemischen Gradienten ins Außenmedium diffundiert. Dadurch repolarisiert die Membran wieder, d.h., es kommt erneut zur Absenkung des Membranpotentials. Im Zuge dessen schließen sich die spannungsabhängige K+-Kanäle wieder allerdings zeitlich verzögert, sodass es zur Hyperpolarisation bis ca. -90mV kommt: Mehr K+ strömt aus dem Axon aus, als zu Absenkung bis zum Ruhepotential von -70 mV nötig wäre 5.) Erneut Ruhepotenzial: Die N-K-Pumpe hat das Ruhepotential wiederhergestellt. Alle spanungsabhängige +-Kanäle geschlossen. Ebenso haben sich die Aktivierungstore der spannungsabhängigen Na+-Kanäle geschlossen, während sich die Inaktivierungstore wieder geöffnet haben. Die Na+-Kanäle sind also wieder im ,,Ausgangszustand": geschlossen, aber aktivierbar Die drei Zustände der spannungsabhängigen Natrium-Kanäle Inaktivierungstor Geöffnet Natrium-Kanal Geschlossen, aber aktivierbar offen Geschlossen, nicht aktivierbar Aktivierungstor Geschlossen (aber kann geöffnet werden) geöffnet geöffnet geöffnet geschlossen Natrium-Ionen Können nicht diffundieren Können hindurch diffundieren Können nicht diffundieren Ausbildung des Aktionspotenzials Depolarisation: Durch Na+ -lonen, die ins Cytoplasma einströmen -> Grund: Konzentrationsgefälle, Ladungsgefälle (elektrochemischer Gradient) Repolarisation&Hyperpolarisation: Durch K+-lonen, die ins Außenmedium strömen Grund: Konzentrationsgefälle, Ladungsgefälle (elektrochemischer Gradient) Wiederherstellung des Ruhepotentials: Durch N-K-Pumpe, die unter ATP-Verbrauch 3 Na+- lonen vom Cytoplasma ins Außenmedium und 2 K+-lonen vom Außenmedium ins Cytoplasma transportiert Alles- oder Nichts-Prinzip Refraktärzeit: Einmal geöffnete Na+-Kanäle sind nach dem Schließen blockiert. Erst durch Erreichen des Ruhepotenzialwertes werden sie wieder in einen aktivierbaren Zustand versetzt, sodass eine weitere Depolarisation sie erneut öffnen kann. Dies bedingt, dass die Membran während eines laufenden Aktionspotenzials kein zweites neues Aktionspotenzial zu bilden vermag, also refraktär (unerregbar) ist. Man nennt diesen Abschnitt daher Refraktärzeit. Diese lässt sich in eine absolute Refraktärphase, in welcher in keinem Fall ein weiteres Aktionspotenzial ausgelöst werden kann, und eine relative Refraktärphase untergliedern. In der relativen Refraktärphase befinden sich bereits wieder einige Na+-Kanäle im aktivierbaren Zustand. Hier ist bei starker Reizung die Bildung schwächerer Aktionspotenziale möglich. Die Refraktärzeit begrenzt die maximale Zahl von Aktionspotenzialen pro Sekunde auf 500. ● ● Kontinuierliche Erregungsleitung Die Na+-lonen diffundierten seitlich im Cytoplasma des Axons entlang und führen zur Depolarisation nachfolgender, unmittelbar benachbarter Membranbereiche ● ● ● Keine Abschwächung des Signals, da das AP immer neu entsteht (Alles-oder Nichts- Prinzip) Aufgrund der Refraktärzeit (spannungsabhängige Na+-Kanäle sind direkt nach einem AP geschlossen und nicht aktivierbar) sind Membranbereiche, an denen gerade ein AP ausgelöst wurde, kurzzeitig nicht depolarisierbar Ein AP kann nur in einer Richtung am Axon entlanggeleitet werden (Refraktärphase verhindert, dass ein Signal wieder zurück zum Zell geleitet wird) Saltatorische Erregungsleitung ● Reizstärke ist kleiner als Reizschwelle -> Auslösung „lokaler Potenziale", dabei ist der Anstieg des Membranpotenzials größer, je stärker der Reiz ist Reizstärke ist größer als Reizschwelle-> Auslösung eines Aktionspotenzials nach dem „Alles- oder Nichts-Prinzips“: Unabhängig von der Reizstärke wird ein immer gleich starkes Aktionspotenzial ausgelöst ● ● Diese werden bis zum Schwellenwert depolarisiert, sodass dort wiederum ein Aktionspotenzial entsteht Das Signal wurde weitergeleitet Findet bei myelinisierten Axonen statt Eine seitliche Diffusion von NA+-lonen im Cytoplasma des Axons von einem zum nächsten Ranvier' schen Schnürring führt zur sprunghaften Weiterleitung eines Aktionspotentials Auch hier sorgt die Refraktärzeit der Na+-Kanäle dafür, dass die Erregung nur in eine Richtung weitergeleitet wird. Myelinisierung Die myelinisierten Axone der Wirbeltiere erreichen mit de saltatorischen Erregungsleitung bei einem Axondurchmesser von maximal 20 um eine Geschwindigkeit von bis zu 100 m/s. Bei dieser Form der Erregungsleitung springt das AP über die Myelinscheide zum nächsten Ranvier'schen Schnürring. Aufgrund der guten Isolationswirkung des Myelins pflanzen sich die lokalen Ströme im Axon also über und unter der Myelinscheide fort. Neben der höheren Geschwindigkeit arbeitet dieses System auch effizient, da nur im Bereich der Ranvier'schen Schnürringe Energie für lonenpumpen benötigt wird. Eine Erhöhung der Leitgeschwindigkeit ist möglich durch Vergrößerung des Axonsdurchmessers und durch die Myelinsierung der Axone Vorteile: Platzsparend, Energiesparend (Na-K-Pumpe), Außerdem: Gliazellen stabilisieren die Neuronen Vergleich von Rezeptor- und Aktionspotenzial Rezeptorpotenzial Aktionspotenzial Codierung der Reizdauer Dauer des Rezeptorpotenzial/ der Depolarisation Dauer des Aktionspotenzialfolge Codierung der Reizstärke Amplitude der Depolarisation Frequenz der Aktionspotenziale Je stärker der Reiz, desto häufiger werden Aktionspotenziale pro Sekunde erzeugt, d.h. desto höher ist die Aktionspotenzialfrequenz. Je länger der Reiz, desto länger ist auch die Aktionspotenzialfolge Erregungsübertragung Übertragung eines Signals von den Endknöpfchen eines Neurons auf eine nachgeschaltete Nervenzelle -> Weiterleitung der Erregung / des Signals Muskelzelle -> Anspannung des Muskels/ Kontraktion Drüsenzelle -> Flüssigkeit werden abgegeben ● ● Acetylcholin-Ablauf an einer chemischen Synapse ● ● ● ● ● ACh bindet an Acetylcholin-Rezeptor-Kanäle Na+-Kanäle öffnen sich und Na+ strömt aus synaptischen Spalt in das Cytoplasma der nachgestellten Zelle Na+-Einstrom verursacht Depolarisation der postsynaptischen Membran (EPSP) ACh löst sich vom Acetylcholin-Rezeptor-Kanal und dieser verschließt sich anschließend ACh diffundiert durch synaptischen Spalt und wird dort durch ACh-Esterase gespalten in Acetyl und Cholin Cholin und die Mitochondrien (Acetyl) werden ins Cytoplasma des Endknöpfchen aufgenommen und reagieren hier zu ACh ACh wird jetzt von der Membran umschlossen und liegt erneut im fertigen Vesikel Erregungsübertragung an Synapsen (Blatt) 1.) Synapse 2.) Neurotransmitter (Acetylcholin) ● ● Endknöpfchen enthält Vesikel mit Neurotransmitter (Acetylcholin Aktionspotenzial erreicht das Endknöpfchen, Zellmembran depolarisiert Spannungsabhängige Ca2+-Kanäle öffnen sich Ach gefüllte Vesikel wandern in Richtung synaptischen Spalt und verschmelzen mit präsynaptischer Membran ACh diffundiert durch den synaptischen Spalt Erreichen Na+-Kanäle (Acetylcholin-Rezeptor-Kanäle) ● 3.) Snare-Komplex 4.) Spannungsabhängige Ca2+-Kanäle 5.) Na+-lonenkanäle mit Acetylcholin-Rezeptoren= ligadenabhängiger Kanal 6.) Protein-Acetylcholinesterase 7.) Postsynaptische Membran 8.) Aktiver Transport über Carrier (Cholin) 9.) Präsynaptische Membran 10.) Cholin Vergleich erregende und hemmende Synapse Aufbau Neurotransmitter lonenstrom durch postsynaptische Membran Erregende Synapse An Dendriten, ausgedehnte aktive Zone, runde synaptische Vesikel, breiter synaptischer Spalt Acetylcholin Na+-lonen strömen durch die postsynaptische Membran in die postsynaptische Zelle rein Hemmende Synapse Enge aktive Zone, am Soma, abgeflachte Vesikel, enger synaptischer Spalt GABA (Gamma-Amino- Buttersäure) K+-lonen strömen durch die postsynaptische Membran, in den synaptischen Spalt raus oder Cl--lonen strömen durch die postsynaptische Membran, in die postsynaptische Zelle rein EPSP und IPSP EPSP: An erregenden (exzitatorischen) Synapsen führt die Ankopplung des Transmitters an den Rezeptoren zur Öffnung von Natriumkanälen. Durch den Einstrom von Natriumionen in die postsynaptische Zelle entsteht eine EPSP -> Depolarisation IPSP: Bei einer hemmenden (inhibitorischen) Synapse binden sich die Transmitter dagegen an Rezeptoren, die K+ - oder Cl- - lonenkanäle öffnen. Es kommt zu einer Hyperpolarisation der Membran, einem sog. IPSP Dauer und Intensität eines Reizes Am Axon: Frequenz der Aktionspotenziale: Frequenzmodulation, Refraktärzeit begrenzt die maximale Frequenz der Aktionspotenziale -> elektrisches Signal An der chemischen Synapse: Menge der ausgeschütteten Transmitter, Menge der lonen, die durch die postsynaptische Membran strömen -> chemisches Signal Im Soma& am Axonhügel: PSP Postsynaptisches Potenzial, dieses ist höher/ niedriger (Amplitude des PSP), je mehr/ weniger lonen durch die postsynaptische Membran strömen; es kann überschwellig oder unterschwellig sein -> elektronisches Signal Räumliche und zeitliche Summation Räumliche Summation s: Bei gleichzeitiger Ankunft mehrerer unterschwelliger Erregungen an der postsynaptischen Nervenzelle, verursachen diese die Aktivierung mehrerer räumlich getrennter Synapsen. Durch die Addition der EPSPS entsteht ein neues Aktionspotential. Bei mehreren erregenden Synapsen wird an den postsynaptischen Nervenzellen gleichzeitig eine EPSP ausgelöst. Dann strömen an den Erregungen positive Ladungen im selben Moment ins Zellinnere. Diese drei kleine Depolarisation überlagern sich und es gibt dann eine gesamte große Depolarisation, die dann ein Aktionspotenzial auslösen Zeitliche Summation: Wenn am Axon mehrere Aktionspotenziale hintereinander an die Synapse hingelangen, werden mehrere EPSPS in dieser Postsynapse nacheinander ausgelöst. Der Abstand zwischen den EPSPS ist sehr gering, da sie sich aufsummieren. Bevor das erste EPSP abschwächt, kommt das nächste und setzt eins drauf, so summiert das ganze auf. Die Depolarisation ist stark genug, um den Schwellwert zu überschreiten und ein Aktionspotential aufzulösen In jedem Neuron werden eingehende Signale berechnet Frequenzcode Ort: Axon, präsynaptische Membran, bis zum Endknöpfchen Vorteile: Signal bleibt immer gleich stark, schnell, verlustfrei Amplitudencode: Ort: Soma, Axonhügel, Dendrit Vorteile: langsamer, aber genauere Verrechnung möglich Wirkung der Gifte (AUF DEM BLATT) Neurotransmitter und Neuromodulatoren Neurotransmitter ● ● ● ● ● Z.B. Acetylcholin Auswirkung auf die Muskulatur- Gifte Schlaffe Lähmung: Alpha-Bungarotoxin, Curare, Atropin, Tetrodotoxin, Botulinum, Conotoxin Spastische Lähmung: Alpha-Latrotoxin, Muscarin, Nikotin ● Zusammenfassung Synapsengifte Synpasengifte können folgende Prozesse an einer Synapse stören Transmitterfreisetzung Transmittergesteuerte lonenkanäle in postsynaptische Membran Transmitterspaltung Transmitterrecycling ● ● Sinnesphysiologie ● ● ● ● ● ● Lösen PSPs aus Werden enzymatisch in Neuronen gebildet Wirkt nur in einer postsynaptischen Zelle Wirkung nur sehr kurz ● ● Neuromodulatoren ● ● Beeinflussen die Bildung der PSPS Werden im Soma translatiert, dann ins Endknöpfchen transportiert ● Können in verschiedenen Zellen wirken Wirkung dauert länger an Z.B. Endorphine ● Adäquate Reize: Adäquate Reize entsprechen nach ihrer Weise einer bestimmten Art von Sinneszellen, da diese für solche Reize optimiert sind. Dazu zählen eine Luftschwingung, eine Temperaturänderung, eine wechselnde Lichtintensität oder eine Erhöhung der Konzentration von Geruchs- und Geschmacksstoffen. Daher sind es in der Regel auch diejenigen Reize, die schon mit geringer Energie ein Ruhepotenzial in der Sinneszelle aufbauen können Tastsinn Druck, Berührungen Temperatursinn - Wärme, Kälte (Temperatur) Gleichgewichtssinn - Erdanziehungskraft Rezeptorzellen: Rezeptorzellen zeichnen sich durch einen verdickten Dendriten aus, der mechanisch mit Strukturen der Borste und der dehnbaren Haut verbunden ist. Die Aufgabe der Rezeptorzellen sind die Reizaufnahme und Reizumwandlung in den Sinnesorganen. Hörsinn - Schallwellen Sehsinn Licht (Wellen, Photonen) Geruchssinn - Geruchsstoffe (Moleküle) Geschmackssinn - Geschmacksstoffe (Moleküle, lonen) Transduktion: Rezeptoren nehmen Reize auf und wandeln diese Reize (mechanisch, chemisch, optisch oder thermisch) in ein Rezeptorpotenzial, also in eine Veränderung des Ruhepotenzials der Nervenzelle Gemeinsamkeiten aller Sinneszellen Chemo- und Fotorezeptoren haben beide Rezeptorproteine Alle Reize führen zu einer Veränderung des Membranpotenzials ● Alle besitzen lonenkanäle Alle Reize bewirken (auf verschiedenen Wegen) die Öffnung/ Schließung der Kanäle Alle Signale werden zum ZNS weitergeleitet (Synapse, Erregungsleitung) ● ● Alle Sinneszellen sind hoch selektiv, reagieren also nur auf einen bestimmten (adäquaten) Reize Sie besitzen alle einen Verstärkermechanismus (Signaltransduktion): schwache Reize -> starke Erregung Transduktion 1.) Zellmembran enthalten spezielle Rezeptorproteine 2.) Reaktion auf den eintreffenden Reiz und Veränderung der räumlichen Struktur 3.) Öffnung der Na+-Kanäle 4.) Na+ strömen in die Zelle 5.) Depolarisation der Zellmembran und Öffnung der spannungsgesteuerten Ca2+-Kanäle 6.) Entstehung der Exozytose der transmittergefüllten Vesikel in den synaptischen Spalt durch die Kalciumkonzentration 7.) Signal gelangt ins Gehirn 8.) Sensorische Information werden interpretiert und lösen geeignete Reaktion wie Bewegung oder Sprechen aus Funktion der Augenbestandteile Netzhaut/ Retina: Aufnahme der adäquaten Lichtreize und Umwandlung in elektrische Signale. Werden mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgt. Beinhaltet die Sehsinneszellen Aderhaut: versorgt die Netzhaut mit Nährstoffen und Sauerstoff Lederhaut: stabilisiert die Form des Augapfels, Schutz des Auges nach Außen Hornhaut: übernimmt die Lichtbrechung des Auges, die zur Fokussierung der Lichtstrahlen auf der Netzhaut führt Glaskörper: gibt dem Auge seine Form Gelber Fleck: Stelle des schärfsten Sehens, weil sich hier die meisten Lichtsinneszellen befinden, Für das Hell-Dunkel-Sehen zuständig Iris: regelt den Lichteinfall durch Vergrößerung / Verkleinerung der Iris, Farbstoffe sind eingelagert, die die Augenfarbe eines Menschen bestimmen Pupille: ermöglicht, dass Licht ins Innere des Auges gelangt und regelt den Lichteinfall Linse: ermöglicht durch Lichtbrechung scharfes Sehen Ringmuskel / Linsenbänder: ermöglicht die Bewegung und Krümmung der Linse Sehnerv: leitet die Information der Lichtreize von den Lichtsinneszellen der Netzhaut zum Gehirn weiter Blinder Fleck: Stelle, an welcher der Sehnerv aus der Netzhaut austritt; hier gibt es keine Lichtsinneszellen Funktion der Bestandteile der Netzhaut Amakrinzellen: beeinflussen den Signalfluss auf nächsthöherer Ebene im Bereich der Synapsen zwischen Bipolar- und Ganglienzellen Horizontalzellen: verschalten des Informationsflusses von den Fotorezeptoren (Stäbchen und Zapfen) zu den bipolaren Zellen der Retinal lateral Zapfen: sind für die Farbwahrnehmung zuständig. Man findet sie in der Sehgrube de Fovea centralis. Es gibt 3-Zapfentypen, die Licht unterschiedlicher Wellenlänge aufnehmen: Grün, Blau, Rot Stäbchen: sind für die Hell-Dunkel-Wahrnehmung wichtig und sind überall auf der Netzhaut zu finden Pigmentzellen: Eine Zellreihe aus Pigmentepithelzellen schließt die Retina zum Rest des Bulbus ab und sorgt für eine bessere Verarbeitung des Lichtes Lichtsinneszellen: wandeln Licht in elektrische Potentiale um Bipolarzellen: sammeln die Informationen der Fotorezeptoren und leitet sie an die Ganglienzellen weiter Ganglienzellen: bilden den Abschluss der Retina. Diese Zellen erzeugen Aktions ihre Axone bilden gemeinsam den Sehnerv zum Tectum opticum des Gehirns Sehnerv: Aderhaut: Bau und Funktion von Fotorezeptoren Innensegment: Hier findet der Stoffwechsel statt. Ist über die Synapse mit nachgeschalteten Zellen verbunden; enthält den Zellkern Außensegment: Bildet den lichtempfindlichen Teil, dort befindet sich der Sehfarbstoff (Opsin+Retinal)=Rhodopsin, hier ist die Reizaufnahme Außenmembran: Dort befinden sich lonenkanäle (Calcium- und Natrium-Ionen) -> lonenaustausch Cilium: Verknüpft Außen- und Innensegment, hier werden die Disks hergestellt Synaptische Endigungen: Signalbezogene Freisetzung von Neurotransmittern (Exocytose); über diese stehen Zapfen/ Stäb en mit nachgeschalteten Zellen Verbindung Disks: Dort ist der Sehfarbstoff Rhodopsin eingelagert, ist ein Stapel aus Membranscheiben Unterschiede der Signalentstehung und Weitergabe bei Sehsinneszellen im Vergleich zu anderen Nervenzellen ● Transmitterausschüttung permanent im Ruhezustand (Dunkelheit) Ruhepotenzial beträgt -40mV (statt -70mV), ist leicht depolarisiert Nach dem Reiz „Licht" -> Membranpotenzial ist leicht hyperpolarisiert bei -80mV Ligadengesteuerte (CGMP-gesteuerte) Natrium-Ionen-Kanäle schließen sich im licht, sind im Dunkeln geöffnet ● Sehsinneszellen schütten nach dem Reiz keine Transmitter aus Nur einziges Lichtquantum reicht, um eine physiologische Antwort auszulösen (Verstärkungsmechanismen) durch Reaktionskaskade (G-Protein, VDE) Kein Aktionspotenzial an der Sehsinneszelle . ● ● ● ntiale und Rezeptive Felder ● Besteht aus dem Zentrum und Umfeld ● Bildet die Fotorezeptoren Sie werden auf Bipolarzellen zusammengeschaltet ● ● ● Das Umfeld wird von angrenzenden Fotorezeptoren gebildet, welche keine direkte Synapse zu den Bipolarzellen haben Sind über Horizontalzellen mit Fotorezeptoren im Zentrum des rezeptiven Feldes verschalten und indirekt mit einer Bipolarzelle Fällt Licht auf Sinneszellen im Zentrum eines bestimmten rezeptive Feldes, werden diese hyperpolarisiert Additive Farbmischung Man spricht von additiver Farbmischung, wenn farbiges Licht unterschiedlicher Lichtquellen zusammentrifft bzw. sich vermischt. Der Farbeindruck, den wir von gemischtem Licht wahrnehmen, wird davon bestimmt, welche Ausgangsfarben sich vermischen und wie intensiv jede Ausgangsfarbe ist. Die Mischfarbe ist heller als die Ausgangsfarben, da sich die Lichtenergie addiert. Der Farbeindruck entsteht bei additiver Farbmischung dadurch, dass Licht unterschiedlicher Farben zusammengemischt wird. Die drei Komplementärfarben Rot, Grün und Blau erzeugen Weiß, wenn man sie zusammen mischt. Subtraktive Farbmischung Man spricht von subtraktiver Farbmischung, wenn aus dem Licht einer Lichtquelle ein bestimmter Teil des Lichtes entfernt wird. Dies kann zum Beispiel durch einen Farbfilter geschehen. Aber auch viele Körper absorbieren einen Teil des Lichtes, dass auf sie trifft. Der Farbeindruck, den wir von gemischtem Licht wahrnehmen, wird davon bestimmt, welche Farbe die Ausgangslichtquelle hat und welche Farbe vom Körper absorbiert werden. Die Mischfarbe ist dabei dunkler als die Ausgangsfarbe, da ein Teil der Lichtenergie subtrahiert wird. Die drei Grundfarben der subtraktiven Farbmischung sind Cyan, Magenta und Gelb. Subtraktive Farbmischung tritt immer auf, wenn nicht selbstleuchtende Körper einen Farbeindruck hervorrufen