Stoffwechsel / Zytologie, Ökologie, Genetik, Evolution, Neurobiologie

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& umgewandelt (Sekrete von Drüsenzellen) großes ER →→ viel Proteinbiosynthese Ribosomen sehr kleine, massive Körperchen aus Proteinen & RNA-Molekülen (ohne Hohlraum + ohne Membran) freie Ribosomen können wie Perlenschnur im Cytoplasma liegen (Polysomen) Funktion der Proteinbildungsmaschinen verketten Aminosäuren zu Polypeptiden & Proteinen Chloroplast in Pflanzenzellen enthalten (nicht in Tierzellen & Prokaryoten) enthaltenes Chlorophyll sorgt für grüne Farbe der Pflanzen besitzen Doppelmembran & eigene DANN wichtigster Bestandteil zum Ablauf der Fotosynthese Mitochondrien energieliefernde Zellorganellen in Eukaryoten nicht in Prokaryoten enthalten von Doppelmembran umschlossen im Inneren röhrenförmig ,,Kraftwerk der Zelle" → Bildung von ATP 3 Kanäle Zelltyp Carrier Vakuole Plastiden Lysosomen Zellwand Cytoskelett Zellkontakt Stützfunktion Zellentgiftung Nahrungsaufnahme Kohlenhydratspeicher Zellwachstum Zellteilung PFLANZENZELLE / TIERZELLE Pflanzenzelle Eucyte (Eukaryoten) enthalten enthalten sehr selten enthalten enthalten schwach ausgeprägt Plasmodesmen Primär: Zellwand Sekundär: Cytoskelett Peroxisomen, Glyoxysomen, Vakuole autotroph Stärke Zeitlebens v.a. junge Zellen Stofftransport durch Biomembranen - Passiver Transport bei Transportproteinen unterscheidet man zwischen Kanälen & Carriern Tierzelle Eucyte (Eukaryoten) nicht enthalten nicht enthalten findet über Tunnelproteine in Richtung des Konzentrationsgefälles statt Zelle muss keine Energie aufwenden → passiv enthalten nicht enthalten stark ausgeprägt Desmosomen Primär: Cytoskelett Peroxisomen, Lysosomen heterotroph Glykogen MEMBRANTRANSPORTPROZESSE v.a. im Jugendalter v.a. Zellen in Organen Kanäle werden von Tunnelprotein gebildet → durchspannen Membran ganz tragen zum Inneren des Kanals polare Aminosäuren in Zelle → kleine polare Teilchen wie lonen Zellmembran passiert Wasser über spezielle Wasserkanäle (Aquaporine) meisten Kanäle öffnen sich auf Signal Carrier sind auf spezielle Moleküle spezialisiert besitzen Bindungsstelle für diese wenn sich Carrier kurzzeitig mit Substrat verbindet, ändert er seine Konformation → betreffendes Molekül durch Membran geschleust & auf anderer Seite freigesetzt manche besitzen Bindungsstelle für 2 verschiedene Moleküle → ändern Konformation erst, wenn beide Bindungsstellen besetzt sind → Transport erfolgt in gleicher (Symport) oder entgegengesetzter (Antiport) Richtung (Cotransport) Stofftransport durch Biomembranen - Aktiver Transport viele lebensnotwendige Stoffe liegen außerhalb der Zelle nur in geringen Konzentrationen vor → müssen gegen Konzentrationsgefälle der Membran befördert werden Zelle muss Energie bereitstellen (ATP) erfolgt mit Hilfe von Carriern beim primär aktiven Transport erfordert An- & Abkoppeln des Substrats selbst Energie beim sekundär aktiven Transport wird dann der zu transportierende Stoff zusammen mit den zurückströmenden lonen von einem Carrier durch die Membran befördert Membranaußenseite Diffusion Osmose passiv ablaufender Prozess (keine Energie wird aufgewendet) findet solange statt bis Konzentrationsgefälle ausgeglichen wurde solange Konzentrationsgefälle noch vorhanden ist, bewegen sich mehr Teilchen in Richtung der geringeren Konzentration Diffusion wird bei Erhöhung der Temperatur beschleunigt lonenpumpen integrales Protein peripheres Membranprotein Cholesterin Glykoprotein Kanalprotein/ Tunnelprotein Membraninnenseite einseitig gerichteter Diffusionsvorgang durch semipermeable Membran Wasser kann semipermeable Membran immer durchdringen → Stoffe wie Zucker / Salz jedoch nicht Teilchen bestreben Konzentrationsausgleich zwischen Innen- & Außenraum der Membran Wasser fließt immer vom Ort des höheren Wasserpotenzials (weniger gelöste Teilchen) in Richtung des niedrigeren Wasserpotenzials (mehr gelöste Teilchen) osmotischer Druck besteht solange, bis es zum Ausgleich der Konzentrationen auf beiden Membranseiten kommt ab da fließt in beide Richtungen die gleiche Menge Wasser Plasmolyse regulieren Transport bestimmter lonen durch Biomembran (→ Lipiddoppelschicht der Biomembran für lonen undurchlässig) Deplasmolyse Volumen von Zellplasma nimmt in hypertonischer Umgebung ab, weil es Wasser an Umgebung verliert zunehmend entwässertes Zellplasma löst sich von Zellwand ab → zusammengedrückt von dem hohen osmotischen Druck der umgebenden Lösung auch Vakuole verliert Volumen (ausströmendes Wasser) tierische Zellen verlieren an Form & schrumpfen Rückgängigmachen von Plasmolyse Zelle in ihre osmotischen Wert entsprechende, isotonische, Umgebung bringen gelingt nur, wenn Zellen durch ihren Wasserverlust noch keine Schäden haben Fähigkeit zu Plasmolyse & Deplasmolyse ist Testkriterium für Lebensfähigkeit von Zellen kann in hypotonischer Umgebung oder in reinem Wasser durch Wasserstrom zum platzen kommen hypertonisch: Außenmedium hat eine höhere Konzentration als Innenmedium isotonisch: Außenmedium & Innenmedium haben gleiche Konzentration hypotonisch: Außenmedium hat eine geringere Konzentration als Innenmedium 5 Heterotrophe Assimilation Aufbauender Stoffwechsel, Umwandlung körperfremder Stoffe in körpereigene Aufbau körpereigener organischer Stoffe aus körperfremden, energiereichen, organischen Stoffen Parenchym Blattquerschnitt Fotosynthese Organismen nutzen Lichtenergie zum Aufbau Assimilation körpereigener, organischer, energiereicher Stoffe Cuticula r obere Epidermis STOFF- UND ENERGIEWECHSEL Palisaden- Ort der Fotosynthese: Blätter, Zellen, Chloroplasten Schwamm- untere Epidermis Cuticula Autotrophe Assimilation Aufbau körpereigener organischer, energiereicher Stoffe aus körperfremden, energiearmen, anorganischen Stoffen Schließzelle Stoma Chemosynthese Organismen nutzen chemische Energie zum Aufbau körpereigener, organischer, energiereicher Stoffe FOTOSYNTHESE Atmung Dient dem Abbau energiereicher Stoffe zur Energiegewinnung unter aeroben Bedingungen Dissimilation Chloroplast Vakuole Zellkern Zellwand Cytoplasma Aufbauender Stoffwechsel zur Energiegewinnung, energiereiche Stoffe werden in energieärmere Stoffe umgewandelt Gärung Dient dem Abbau organischen Materials zur Energiegewinnung unter anaeroben Bedingungen obere Cuticula: Transpirationsschutz obere Epidermis: Schutz vor äußeren Einflüssen Palisadengewebe: Fotosynthese Leitbündel: Stofftransport Schwammgewebe: Fotosynthese untere Epidermis: Stoffaustausch, Schutz Chloroplast: Fotosynthese Interzellularräume: Gasaustausch Spaltöffnung (Stoma): Kontrolle Wasserabgabe & Stoffe Schließzelle: überwacht Spaltöffnung 6 Chloroplast 6 5 4 B.. 8 1- äußere Membran: grenzt von umgebendem Cytoplasma ab | Stoffaustausch 2- Thylakoid: Aufnahme von Lichtenergie 3- Membranen mit Chlorophyll 4-DNA: Speicherung Erbinfo | steuert Chloroplast 5- innere Membran: bildet Thylakoide | enthalten Chlorophyll 6- Stroma: ermöglicht Stofftransport 7- Ribosomen: Übersetzen Erbinfo | produzieren Proteine 8 - Fetttröpfchen: Speicherung Thylakoide: - ,,Werkbank des Chloroplasten" -^ 2 -8 -3 - Thylakoidmembran besteht aus ca. 6mm dicken Lipid-Doppelschicht →Biomembran →Proteinmoleküle eingelagert → Enzymkomplex der Fotosynthese besonders hoch → enthält Blattpigmente → Chlorophyll →an Proteinkomplex gebunden → für Aufnahme von Lichtenergie wichtig Licht-Farbe-Absorption Licht ist Energie Licht ist der mit unseren Augen wahrnehmbare Teil des Spektrums elektromagnetischer Strahlung Ausbreitung mit Lichtgeschwindigkeit (300 000 km/s) setzen sich aus kleinsten Energiebeträgen (Quanten) zusammen als Teilchen → Photonen | als Strahlen → Wellen Licht, das sich aus allen Wellenlängen zusammensetzt → unbunt Licht eines einzelnen Wellenlängenbereichs → Farbreiz Licht einer einzigen Wellenlänge → monochromatisch Gegenstand erscheint uns farbig, wenn Licht nicht alle Wellenlängenbereiche in gleichen Anteilen umfasst → enthält dann Pigmente, die einzelne Wellenlängenbereiche verschlucken (absorbieren) Wellenlängenbereiche: 400-500nm: blau 500-550nm: grün 550-600nm: gelb über 600nm: rot 7 ABLAUF DER FOTOSYNTHESE Allgemeines: Bereitstellung von chemischer Energie und Reduktionsmitteln in Form von ATP & NADPH + H+ laufen in Thylakoiden der Chloroplasten ab Fotosystem I: P680 | Fotosystem II: P700 mehrere Redoxsysteme und ATP-Synthase ebenfalls beteiligt Lichtabhängige Reaktion: 2H₂O + 2NADP + 3ADP + 3P O₂ + (2NADPH + H+) + 3ATP FS II mit Licht bestrahlt → Chlorophyll im Reaktionszentrum angeregt → gibt Elektron an Akzeptor ab oxidiertem Chlorophyll wird durch wasserspaltenden Enzymkomplex wieder ein Elektron zugeführt → durch Licht veranlasste Wasserspaltung = Fotolyse (P680 Fotolyse: 2H₂O → 4H+ + O₂ + 4e) →gebildeter Sauerstoff wird frei vom FS II gelangen Elektronen über Elektronentransportkette aus mehreren Redoxsystemen zum FS I parallel pumpt das Redoxsystem Plastochinon Protein ins Innere der Thylakoide → zusammen mit Proteinen aus der Wasserspaltung bewirken sie Ladungs- & Konzentrationsgefälle, das von der ATP-Synthase zur ATP-Bildung genutzt wird → Fotophosphorylierung auch FS I gibt nach Anregung durch Licht ein Elektron an zweite Elektronentransportkette weiter → übernimmt von FS II zugeführtes Elektron → Elektron von FS I gelangt wieder in Grundzustand → am Ende der Elektronentransportkette werden Elektronen auf H-übertragendes Coenzym NADP+ übertragen wird dadurch zu NADPH + H* reduziert Lichtunabhängige Reaktion: →an Lichtreaktion eng gekoppelt (benötigen Endprodukte ATP & NADPH + H*) Einschleusung von CO₂ durch den Enzymkomplex (wird auf Zucker als CO₂-Akzeptor übertragen) Reaktionsprodukt mit 6 C-Atomen zerfällt in 2 Moleküle mit 3 C-Atomen → wird durch ATP der Lichtreaktion zu Bis-Phosphoglycerinsäure gemacht (Energiezufuhr) die Bis-Phosphoglycerinsäure wir durch NADPH + H+ aus der Lichtreaktion zu PGA reduziert (Reduktion) aus PGA entstehen verschiedene Kohlenhydrate (auch Glucose) als Endprodukt der Fotosynthese (Bildung von Glucose) → unter Einsatz von ATP wird Ribulose-Biphosphat regeneriert und Zyklus damit abgeschlossen Bilanz der Fotosynthese Nettogleichung: 6CO₂ + 6H₂0 ➜ C6H12O6 + 60₂ Bruttogleichung: 6CO₂ + 12H₂0 ➜ C6H12O6 + 602 + 6H₂0 Beeinflussung der Fotosynthese durch: Licht, Kohlenstoffdioxid, Temperatur Sonnenblatt mehrschichtiges Palisadengewebe - stark ausgeprägtes Schwammgewebe - kleinflächige Blattspreite - dicke Cuticula - mehrschichtige Epidermis - enge Interzellularräume - tote Haare auf Oberfläche Schattenblatt - einschichtiges Palisadengewebe - schwach ausgeprägtes Schwammgewebe großflächige Blattspreite dünne Cuticula einschichtige Epidermis - große Interzellularräume - lebende Haare auf Oberfläche Lichtkompensationspunkt: → Sauerstoffverbrauch = Sauerstoffproduktion → Schattenblatt erreicht Lichtkompensationspunkt früher am Sättigungspunkt sind alle Fotosysteme ausgelastet PHOTOSYNTHESE Sonnenlicht Aufnahme von Kohlenstoffdioxid Abgabe von Sauerstoff Chlorophyll in den Blättern Wasser und darin gelöste Nährstoffe Glucose wird gebildet 8 Stoffwechselweg im Überblick Stoffwechselabschnitt: Verdauung Glykolyse oxidative Decarboxyliening Citrat - Zyklus Atmungskette 10 NADH+ Kohlenhydrate C6H12O6 Co (NADH+ (2 NADH+ 6 H₂O Pyruvat C₁ Acetyl-COA √C₂ (6NADH+ 2 FADH CS Mit CamScanner gescannt +(200₂) 400₂) 2.. ATP 2. ATP ATP Zellbereich: Cytoplasma Cytoplacema Mahrix der Mitochondrien Matrix der Mitochondrieu inuere Mitochondrieu- membran Definition Organismen nutzen chemische Energie zum Aufbau körpereigener, organischer, energiereicher Stoffe Nitrifizierende Bakterien Oxidation von Stickstoffverbindungen → Energie für Aufbau organischer Verbindungen Nitrifikation CHEMOSYNTHESE Chemosynthese → Ammoniumionen (NH4*) zu Nitrationen (NO3) Ablauf der Chemosynthese / Nitrifikation Nitratbakterien (Nitrosomonas) oxidieren Ammoniumionen zu Nitritionen (NO₂) 1) NH4 + 2CO₂ → NO₂ + 2H₂O Nitratbakterien (Nitrobacter) oxidieren Nitritionen zu Nitrationen 2) 2NO₂+O2 → 2 NO3 Nitrifizierer nutzen Energie aus 1) und 2) zur Reduktion von Coenzymen (NAD* → NADH + H*) → Bildung von ATP Calvin-Zyklus → Kohlenhydratsynthese aus CO₂ VERGLEICH FOTOSYNTHESE / CHEMOSYNTHESE Ort Vorkommen Energiequelle Energieprodukt Endprodukt Stoff- & En.wechsel Fotosynthese Chloroplasten Pflanzen Lichtenergie ATP Glucose autotrophe Assimilation Chemosynthese Cytoplasma Bakterien chemische Energie 10 Reaktionsgleichung C6H12O6 + 6026CO₂ + 6H₂O Verbrennung von Glucose → Freisetzung von Energie → Wärme ATP unter Verbrauch von Sauerstoff (→ aerob) 3 Phasen: Glykolyse, Citrat-Zyklus, Atmungskette 1. Glykolyse Ort: im Cytoplasma |||| Phosphatgruppe von 1 ATP auf Glucose übertragen Aktivierung der Glucose → Produkt: Glucose-6-PH sphatkann Zellmembran NICHT passiere über mehrere Zwischenschritte Abbau zu Brenztraubensäure / Pyruvat Verbrauch von 1 ATP ● Herstellung von 2 ATP ZELLATMUNG 2. Citrat-Zyklus Herstellung von NADH + H* Reaktionsgleichung: C6H12O6 + 2NAD+ + 2ADP + 2P 2(NADH+H*) + 2ATP + 2C3H3O3 (Pyruvat) aktivierte Acetylgruppe tritt in Citratcyclus ein bei jedem Durchgang werden 2 C-Atome zu CO₂ oxidiert 3. Atmungskette Ort: Innere Mitochondrienmembran → diffundiert aus den Zellen hinaus gelangt mit Blut in Lunge → ausgeatmet Hauptgewinn ist NADH + H+ → liefert in nachfolgender Atmungskette Energie für Synthese von ATP NADH + H* und FADH₂ werden zu NAD* und FAD oxidiert Die Elektronen vom NADH + H* gelangen über den Komplex I zum Ubichinon Die Elektronen vom FADH₂ gelangen über den Komplex II zum Ubichinon Vom Ubichinon aus gelangen die Elektronen zum Komplex III, von dort zum Cytochrom c und von dort zum Komplex IV Die ist eine Elektronentransportkette, dabei wird Energie frei und diese Energie wird genutzt, um Protonen (H*) aus der Matrix in den Intermembranraum zu pumpen (Protonenpumpen sind die Komplexe I, III, IV) Durch Erhöhung der Protonenkonzentration (durch die Pumpen) im Intermembranraum entsteht ein Konzentrationsgefälle (elektrochemischer Gradient) Die Protonen haben das Bestreben aus dem Intermembranraum in die Matrix zu diffundieren und somit einen Konzentrationsausgleich zu erlangen, dies funktioniert aber nicht, da die innere Mitochondrienmembran undurchlässig für Protonen ist Die Protonen können nur über die lonenkanäle der ATP-Synthase zurückfließen Über die ATP-Synthase gelangen die Protonen aus dem Intermembranraum zurück in die Matrix, wodurch Energie entsteht und aus ADP+P nun ATP wird Die bei der Oxidation abgegebenen Elektronen werden schlussendlich vom Komplex IV auf den Sauerstoff übertragen Die Protonen, die über die ATP-Synthase zurück in die Mitochondrienmatrix diffundieren, werden ebenfalls auf den Sauerstoff übertragen, daher entsteht H₂O Bilanz der Zellatmung: C6H12O6 + 602 + 10(NADH + H*) + 2FADH₂ +32(ADP + P) → 6CO² + 12H₂O + 10NAD* + 2FAD+32 ATP 11 Glykolyse Glucose ATP Substratstufenphosphorylierung vir Pyruvat Cytoplasma ATP Substratstufenphosphorylierung Citratzyklus mScanner g rium Mitochondrium von NADH + H+ und FADH, über- tragene Elektronen von NADH + H+ übertragene Elektronen ATP oxidative Phosphorylierung Atmungskette CS Wasser Sauerstoff 12 MILCHSÄUREGÄRUNG → Umwandlung von Glucose in Milchsäure durch Milchsäure-Bakterien & menschliche Muskelzellen unter sauerstofffreien Bedingungen → Milchsäure auch 2-Hydroxipropansäure genannt → CH3-CHOH-COOH Definition Gärung Gärung dient dem Abbau organischen Materials zur Energiegewinnung unter anaeroben Bedingungen. Ablauf Milchsäuregärung → Glykolyse Glucose wird unter Mitwirkung von zahlreichen Enzymen zu 2 Molekülen Brenztraubensäure (Pyruvat) oxidiert → 2NAD+-Moleküle zu NADH + H+ reduziert exergonischer / energieliefernder Prozess → Teil der gewonnenen Energie wird zur Phosphorylierung von 2ADP zu ATP-Molekülen benutzt anschließend wird Pyruvat durch NADH + H+ direkt zu Milchsäure reduziert Ausgangsstoffe: Glucose Endprodukte: Reaktionsgleichung: C6H12O62C3H6O3 Milchsäure Glucose 88 2 Lactat (Milchsäure) Nutzungsmöglichkeiten in der Industrie ADP + P NAD+ NAD+ ADP + P ATP ATP Glycolyse NADH. H. NADH+H+ 2 Pyruvat Nahrungsmittelindustrie (Herstellung von Joghurt, Käse, Quark, Sahne, ...) Haltbarmachung von Lebensmitteln z. B. Sauerkraut Bedeutung für Muskulatur und Nahrungsmittelherstellung Bei starker Betätigung der Muskulatur stellen sich die Zellen von aerober Zellatmung auf und anaerobe Gärung um. Lactat sammelt sich im Muskel an. Muskelerschöpfung und Müdigkeit sind die Folge. Ursprünglich war Joghurt ein Zufallsprodukt, dann wurde er durch Anreicherung und Züchtung geeigneter Milchsäurebakterien hergestellt. Milchsäurebakterien sorgen für die Umwandlung des Milchzuckers in Milchsäure. Die Milchsäure führt zu einer Zerstörung der äußeren Schutzhülle der Eiweißmoleküle, welche dadurch dicklegen können (Eiweißgerinnung). In den Zwischenräumen wird das in der Milch enthaltene Wasser (Molke Genannt) eingeschlossen. 13 Ablauf alkoholische Gärung → mehrstufiger Prozess GLYKOLYSE: Oxidation der Glucose zu 2 Molekülen Brenztraubensäure (Pyruvat) unter Mitwirkung von zahlreichen Enzymen Oxidationsmittel: NAD* → exergonischer Prozess (= energieliefernd) Teil der gewonnenen Energie wird zur Phosphorylierung der von 2 ADP zu ATP-Molekülen genutzt Etahnolproduktion dient der Regeneration des NAD*, das von Enzymen der Glykolyse verbraucht wird NADH + H+ → NAD+ (dazu wird zunächst CO₂ aus dem Pyruvat abgespalten) → Entstehung von Acetaldehyd wird dann enzymatisch mit NADH + H* zu Ethanol reduziert → Bereitstellung von NAD* für Glykolyse ALKOHOLISCHE GÄRUNG Ausgangsstoffe: Glucose Endprodukt: Ethanol und Kohlenstoffdioxid Reaktionsgleichung: C6H12O62C₂H5OH + 2C02 Glucose "1 2 Ethanol (Alkohol) Nutzungsmöglichkeiten in der Industrie Beispiel: Bierherstellung ADP + P NAD+ NAD+ ADP + P Herstellung von Bier, Wein, Backwaren, ... ATP ATP Glycolyse NADH+H. NADH. H. 2 Pyruvat 2 Acetaldehyd CO2 CO2 Gerstenkörner werden einer Quellung & Keimung ausgesetzt vorhandene Enzyme (Amylasen) wandeln Stärke in zuckerhaltiges Malz, das die Bierhefen vergären kann Hefepilze und Hefeenzyme werden zusätzlich hinzugefügt ➜erst durch Vorhandensein von Hefezellen kann alkoholische Gärung ablaufen entstehendes CO₂ bewirkt Aufschäumen während der Gärung 14 Ausgangsstoffe Endprodukte Bedingung Stoffwechselart Energiegewinnung Ort Teilprozess Aufbau Fibrille Aktin- filamant Muskelfasern -Sarkomer VERGLEICH: ATMUNG / GÄRUNG Myosin- filament Aktin Atmung Glucose, Sauerstoff Kohlenstoffdioxid, Wasser Salam aerob Dissimilation 32 ATP Mitochondrien, Cytoplasma Epimysium Glykolyse Sehne Muskel MUSKELN Perimysium Endomysium Muskelfaserbündel Myosin Myosinköpfchen Gärung Kommt auf Art an Kommt auf Art an anaerob Dissimilation 2 ATP Cytoplasma Glykolyse Muskelkontraktion -> erschlaffter Zustand: - Aktin & Myosin sind nicht verbunden. - Myosinköpfchen mit ATP beladen -> ATP wird hydrolisiert (ATP -> ADP + P) I Bleibt am Myosinköpfche - Myosinköpfchen nimmt Energie auf -> Ca²+ -lonen bilden Querbrücken zwischen Aktin & Myosin -> ADP + P wird freigesetzt - Myosinköpfchen knickt ab - Aktin wird zur Salomermitte gezogen - Muskel kontrahiert / wird kürzer -> ATP bindet an Myosin - Querbrücke wird gelöst -> Muskrl bereit zum Auseinanderziehen 15 -> beschleunigen chemische Reaktionen -> Biokatalysator -> setzen Aktivierungsenergie von Stoffen hinab Aufbau lassen sich anhand des Aufbaus unterscheiden viele bestehen nur aus einer Proteinkette (Monomere) andere haben mehrere Proteinketten (Oligomere) -> Untereinheiten einige lagern sich mit weiteren Enzymen zu Multienzymkomplexen zusammen -> kooperieren zusammen oder regulieren sich gibt auch einzelne Proteinketten, welche mehrere Enzymaktivitäten enthalten (multifunktionale Enzyme) weitere Unterteilungen durch Berücksichtigung von COFAKTOREN: reine Protein-Enzyme bestehen ausschließlich aus Protein -> aktives Zentrum wird nur aus Aminosäureresten und Peptid-Rückgrat gebildet Holoenzyme bestehen aus einen teinanteil (Apoenzym) und aus einem Cofaktor (Nicht-Proteinanteil) -> beide für Funktion des Enzyms wichtig Wirkung ENZYME Aktives Zentrum Enzym Enzym selektiv -> Substratspezifisch -> Bindung nur eines bestimmten Substrats -> Reaktionsspezifisch -> führen nur eine bestimmte chemische Reaktion durch aktives -Zentrum allosterisches Zentrum Ablauf einer enzymatisch katalysierten Reaktion an Enzym wird ein Substrat S an das aktive Zentrum angelagert Substrat Enzym bindet Substrat Enzym entlässt Produkt an aktives Zentrum können Substrate andocken, wenn sie exakt in die an das aktive Zentrum passen → Enzym-Substrat-Komplex →im aktiven Zentrum spielt sich Reaktion ab Enzym bewirkt Veränderung der räumlich-chemischen Struktur des Substrats, das dadurch seine Eigenschaften verändert oder in einzelne Teile zerlegt wird verändertes Molekül oder neue Teile spalten sich wieder ab → Produkt zurück bleibt Enzym in ursprünglicher Form SCHLÜSSEL-SCHLOSS-PRINZIP 16 Wirkungsweise der Coenzyme Substrat und Coenzym mit Molekülgruppe lagern sich an Enzym an Coenzym reagiert mit Substrat →gibt Molekülgruppe an Substrat ab → Produkte Coenzym löst sich und bindet an anderem Enzym Coenzym regeneriert sich Substrat vom neuen Enzym gibt Molekülgruppe an Coenzym ab → Produkte ohne Molekülgruppe Einflüsse auf die Enzymwirkung 1. Enzyme sind substratspezifisch spezielle Aminosäuren binden mit ihren Seitenketten das Substrat und orientieren es so, dass einige Aminosäuren mit ihren Seitenketten katalytisch wirksam werden können nur wenn Stoff Molekülgruppe besitzt, die von Seitenketten der bindenden Aminosäure im aktiven Zentrum eines Enzyms angezogen werden, kann sich der Stoff an aktives Zentrum anlagern Schlüssel-Schloss-Prinzip manche Enzyme setzen auch Verbindungen mit gleichen funktionellen Gruppen um → Gruppenspezifisch 2. Enzyme sind wirkungsspezifisch katalytisch wirksame Aminosäuren bewirken Verschiebung von Elektronen und Ladungen im Substrat- Molekül → Bindungen zwischen Atomen lösen sich → zwischen anderen Atomen neue Bindungen → Produkt entsteht jedes Enzym hat andere Wirkung, weil in jedem Enzym andere katalytisch wirksame Aminosäuren im aktiven Zentrum vorliegen Enzyme werden nach Reaktionstyp, den sie beeinflussen, benannt 3. Enzyme sind milieuspezifisch Temperatur, pH-Wert & Salzkonzentration beeinflussen Aktivität von Enzym, weil es sich auf die Raumstruktur auswirkt Reaktionsgeschwindigkeit steigt bei steigender Temperatur → Temperaturerhöhung um 10°C → Reaktionsgeschwindigkeit verdoppelt bis verdreifacht sich (RGT-Regel) Kinetik von Enzymen Umsetzung eines Substrates durch ein Enzym Enzym & Substrat treffen durch Diffusion rein zufällig aufeinander Enzym-Substrat-Komplex gebildet Reaktion findet statt, Produkte werden freigesetzt, Enzym tritt unverändert aus Reaktion hervor Mathematisches Modell (Michaelis-Meuten-Kinetik) beschreibt näherungsweise die Abhängigkeit der Enzymaktivität von der Substratkonzentration → Niedrige Substratkonzentration: jedes Substrat trifft sofort auf ein noch freies Enzym Reaktionsgeschwindigkeit steigt linear → Zunehmende Substratkonzentration: Substratmoleküle treffen auf bereits besetzte Enzyme Reaktionsgeschwindigkeit steigt nicht mehr linear → Hohe Substratkonzentration: jedes Enzym hat maximale Umsatzrate erreicht Reaktionsgeschwindigkeit steigt nicht mehr 17 Kompetitive Hemmung von Enzymen Zugabe eines kompetitiven Hemmstoffs Hemmstoff und Substrat konkurrieren um die Bindungsstelle im Enzym Substrat wird verzögert umgesetzt Kinetik → Niedrige Substratkonzentration: deutliche Verminderung der messbaren Enzymaktivität → Zunehmende Substrataktivität: Wahrscheinlichkeit, dass Substrate von dem Enzym gebunden und umgesetzt werden, steigt → Hohe Substratkonzentration: Kinetik Konkurrenz durch den Inhibitor fällt rein statisch kaum noch ins Gewicht 2 kompeletive Hemmung allos lerische Нашишид -Substrat Hemmstoff Hemmstoff Allosterische Hemmung von Enzymen Zugabe eines allosterischen Hemmstoffs Hemmstoff verändert die Bindungsstelle im Enzym so, dass kein Substrat mehr binden kann Konzentration der aktiven Enzyme sinkt katalytische Eigenschaften der verbliebenen Enzyme bleiben unverändert Irreversible Hemmung von Enzymen Zugabe von Enzymgiften (Enzymhemmstoff- komplex) die Reaktionsgeschwindigkeit im Vergleich zur ungehemmten Reaktion bei den verschiedenen Substratkonzentrationen ist um einen konstanten Faktor gestaucht Hemmstoff 2 Substrale Guzym substrat komplex ・inablives Бизуш Schwermetallionen → Calcium- / Blei- / Arsen- / Quecksilberionen andere Stoffe → Amantin → Knollenblätterpil, Cyanide, E605 → Insektizid Produkt CS Mit Scanner gescannt Enzymhemmstoff- komplex 18 Enzymregulation Feedback-Hemmung ist Vorgang bei Kettenreaktionen mit verschiedenen Enzymen zu Beginn gibt es ein Substrat A, das sich an ein Enzym 1 bindet → dort wird Substrat A in Substrat B umgewandelt jetzt wird Substrat B im Enzym 2 zu Substrat C umgewandelt Substrat C bindet nun an Enzym 3 → heraus kommt Produkt → Enzym 1 hat allosterisches Zentrum für dieses Produkt → dort bindet Produkt und verändert das aktive Zentrum so, dass Substrat A nicht mehr am Enzym 1 binden kann ➡Vorgang ist somit gehemmt allosterisches zentrum Enzym 1 Enzym 2 Enzym 3 Ausgangssubstrat Vorteile: schueller, Präziser, Zwischenprodukt A CS Mit CamScanner gescannt Zwischen- produkt B ökonomisch wertvoller Endprodukt- benning Endprodukt 19 ÖKOLOGIE DEFINITIONEN Ökologie: die Lehre vom Haushalt der Natur und Wissenschaft, die sich mit den Wechselbeziehungen zwischen Lebewesen und Umweltbedingungen in Ökosystemen beschäftigt Biosphäre: Gesamtheit aller Ökosysteme (unsere Biosphäre z. B. ist die Erde) Ökosystem: ein biotisches System, das alle Organismen in einem bestimmten Gebiet, sowie alle abiotischen Faktoren, mit denen sie in Wechselbeziehung stehen, umfasst Biotop: (=Lebensraum) der räumlich abgrenzbare Lebensbereich einer Lebensgemeinschaft, gekennzeichnet durch charakteristische Umweltbedingungen (abiotische Faktoren) Biozönose: (=Lebensgemeinschaft) Gesamtheit aller in einem abgrenzbaren Raum bzw. Gebiet vorkommenden Organismen Population: Gesamtheit aller Angehörigen einer Art, die in einem bestimmten Gebiet vorkommen Umwelt: alle äußeren Einflüsse, die auf einen Organismus einwirken = alle biotischen & abiotischen Faktoren eines Lebewesens Biotische Umweltfaktoren: gehen von lebenden Organismen aus (Feinde, Artgenossen, Parasiten), belebte Einflüsse Abiotische Umweltfaktoren: gehen von der unbelebten Natur aus (Sonne, Wasser, Temperatur, Licht), unbelebte Einflüsse Anatomie: Wissenschaft von Form und Körperbau der Lebewesen Physiologie: Wissenschaft von den Grundlagen des allgemeinen Lebensgeschehens, den normalen Lebensvorgängen und Funktionen Morphologie: Wissenschaft von den Gestalten und Formen Abiotische Umweltfaktoren UMWELTFAKTOREN Als Umweltfaktor wird ein Element der Umwelt bezeichnet, das mit anderen Elementen (z. B. Lebewesen) in Wechselwirkung steht Licht: - für Tiere eigentlich unwichtig, aber aktiviert bei den meisten den Lebensrhythmus - Wechsel von Tag & Nacht - Fotosynthese bei Pflanzen Temperatur: - Lebensprozesse der Pflanzen (Fotosynthese, Atmung, Transpiration, Keimung, Wachstum) - Entwicklung bei Tieren Wasser: für alle Organismen lebensnotwendig - Luftfeuchtigkeit - Wassergehalt des Bodens 20 Mineralsalze: - haben Einfluss auf Wachstum von Tieren & Pflanzen - Aufbau organischer Substanzen Boden: Struktur, Körnung - Humusgehalt - geologisches Ausgangsmaterial CO₂-Konzentration: - Beeinflussung Fotosynthese Biotische Umweltfaktoren Parasiten: sind Lebewesen, die von anderen Lebewesen Nahrung beziehen wenn sie sie nicht sofort töten Schmarotzer Symbionten: - Lebewesen, die zu verschiedenen Arten gehören und voneinander gegenseitigen Nutzen beziehen - Beziehung kann so eng sein, dass ein Partner weitgehend abhängig von anderen ist (Symbiose) Stoffwechselleistungen werden gegenseitig ergänzt und einseitige Spezialisierung ausgeglichen - von ihnen geschädigtes Lebewesen → Wirt - meisten Parasiten sind auf spezielle Wirte spezialisiert - wenn sie sich außen am Wirt festhalten → Außenschmarotzer / Ektoparasiten - wenn sie in den Wirt eindringen → Innenschmarotzer / Endoparasiten Konkurrenten: - Lebewesen stehen im Wettbewerb um lebenswichtige Faktoren (2 Lebewesen benötigen beide X & Y zum überleben → Konkurrenten) - Faktor wird zur Ressource Fressfeinde: fast alle Lebewesen sind Fressfeinde für andere oder Beute für Fressfeinde - 2 Typen: 1. Räuber und Beutegreifer töten und fressen andere Lebewesen Intensität der Lebenvorgänge Toleranzkurve Minimum - z. B. Reh frisst Knospen, Blätter, triebe ist deren Fressfeind → kann aber auch zur Beute von Luchs oder Wolf werden Pessimum 2. Pflanzenfresser fressen meist nur Teile von Pflanzen, ohne diese ,,Beute" zu töten Optimum Präferendum Toleranzkurve Pessimum Ökologische Potenz Toleranzbereich *Maximum- Intensität des Umweltfaktors ökologische Potenz: Bereich eines UF, die die Art nutzt & sich fortpflanzt Min./Max.: untere bzw. obere Grenze, der Wirkungsbereich, in dem die Art noch existieren kann, aber sich nicht fortpflanzen kann Optimum: der Wirkungsbereich, in dem die Art am besten leben kann Toleranzbereich: Bereich zwischen Minimum und Maximum Toleranz: ist die Fähigkeit, Schwankungen der UF zu ertragen 21 ÖKOFAKTOR TEMPERATUR Einfluss auf Lebensvorgänge Temperatur entspricht Wärme- / Energiezustand eines Körpers & somit der ungerichteten Bewegung seiner Moleküle → Abhängigkeit davon ist die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen → Temperaturanstieg um ca. 10°C steigert Reaktionsgeschwindigkeit um 2-3-faches (RGT-Regel) Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel (RGT-Regel) gilt auch für alle biochemischen Reaktionen in Zellen der Lebewesen → dort nur in engem Temperaturbereich zwischen 0°C und 40°C Temperatur über 40°C-50°C schädigt Proteine (Enzyme) durch Denaturierung → molekulare Struktur ändert sich und sie verlieren biologische Funktion sinkt Temperatur in lebenden Geweben unter 0°C, wird Zellplasma ähnlich geschädigt nters ung der Wirkung innerhalb eines Temperaturbereiches verläuft untersuchte Lebenserscheinung optimal bei Abweichung des Bereiches verschlechtert sich Lebenserscheinung bis sie nicht mehr messbar ist in Diagramm ergibt sich Optimumskurve (charakterisiert durch Minimum, Optimum, Maximum) Temperaturabhängigkeit als Anpassung große Unterschiede in Lage der Kardinalpunkte Arten mit weiter Temperaturtoleranz → eurytherm Arten mit enger Temperaturtoleranz stenotherm Zusammenhang zwischen Temperaturverhältnissen in ihrem angestammten Lebensraum und ihrer ökologischen Potenz → ökologische Potenz ist Teil der arttypischen Anpassung an Umwelt → Grundlage ist Ausstattung mit passenden Enzymen → häufig Isoenzyme (Enzyme mit gleicher Funktion aber unterschiedlichen Aminosäuresequenzen) für spezifische Anpassung Allgemeines Reaktionsschema ökologische Potenz und Optimumskurve für andere Ökofaktoren typisch →wirken sich auch je nach Intensität fördernd / hemmend aus Arten mit weiter Toleranz → eurypotent Arten mit enger Toleranz stenopotent 22 GLEICH- & WECHSELWARME TIERE Homoiotherme Tiere = gleichwarme Tiere - Körpertemperatur ist unabhängig von der Umgebungstemperatur - endotherme Säugetiere & Vögel - nutzen ,,Abwärme" des Stoffwechsels zur Erhaltung der Körpertemperatur - erzeugen gezielt Stoffwechselwärme durch ,,Kältezittern" der Muskulatur - besitzen Thermoregulation → halten Körpertemp. konstant → zwischen 35°C-44°C +/-1°C - Merkmale Thermoregulation: - isolierende Körperbedeckung (Haare, Federn) - wärmehemmendes Fettgewebe in Unterhaut - leistungsfähiger Blutkreislauf zum Wärmetransport - Einrichtung zur Wärmeabgabe und Kühlung - präzises Regelungssystem - schwitzen, hecheln Vorteil: →immer aktiv Problem: → Wärme und Kühlung kostet Energie → 90% des Energieumsatzes für Körpertemperatur 5x mehr Nahrung 2. Allen'sche Regel = wechselwarme Tiere - Körpertemperatur ist abhängig von der Umgebungstemperatur - Thermoregulation durch Verhalten → Sonnenbäder, Flügelzittern Poikilotherme Tiere (Muskeltätigkeit → Wärme) - Umgebungstemperatur erreicht Minimum → Kältestarre - Umgebungstemperatur erreicht Maximum → Wärmestarre Anpassung an extreme Lebensräume → Hitze- / Frostschutzstoff KLIMAREGELN 1. Bergmann'sche Regel ➤ Verhältnis zwischen Volumen und Körperoberfläche ist für große Körper günstiger → Bedeutung: im Verhältnis kleine Körperoberfläche gibt weniger Wärme ab Körperanhänge sind bei Tieren in kälteren Regionen kleiner → Reduktion der Wärmeabgabe Körperanhänge sind bei Tieren in wärmeren Regionen größer → Maximierung der Wärmeabgabe 23 ÖKOFAKTOR LICHT entscheidender Ökofaktor, weil es zum Leben notwendige Energie liefert für viele Organismen lebenswichtiger Informationsträger → ermöglicht Orientierung in Raum und Zeit, steuert Wachstum und Entwicklung, beeinflusst Gestalt Fototropismus Pflanzensprossen krümmen sich zum Licht kommt zustande, weil lichtabgewandte Sprosse stärker wächst Licht bewirkt, dass der von der Sprossspitze nach unten gerichtete Strom des Pflanzenhormons Auxin zur beschatteten Seite gelenkt wird → durch höherer Auxin-Konzentration wachsen Zellen hier stärker in der Länge als auf der belichteten Seite Steuerung der Samenkeimung Lichtkeimer: Lichtreiz ist für den in der Erde ruhenden Samen Signal zur Keimung Dunkelkeimer: Lichtreiz wirkt für Samen keimungshemmend für Lichtsteuerung der Entwicklungsprozesse ist das Pigment Phytochrom verantwortlich → je nach Wellenlängenbereich des Lichts schaltet es Gene ab oder an Etiolement bei anhaltendem Lichtmangel bilden Pflanzen lange, bleiche Sprosse mit rückgebildeten Blättern aus →Etiolement Fotoperiodismus ist der tägliche Licht-Dunkel-Wechsel wichtigste zeitliche Orientierungsmarke, um Lebensvorgänge im Jahresrhythmus einzuordnen: ➤ Langtagpflanzen: blühen, wenn es täglich 10-14h hell ist ➤ Kurztagpflanzen: (stammen meist aus tropischen Regionen) bilden Blüten nur unterhalb einer artspezifischen kritischen Fotoperiode ➤ Tiere orientieren sich im Hinblick auf Fortpflanzungszeiten, jahreszeitliche Wanderung und Umstellung auf Winterschlaf an Tageslänge ➤ Lebensvorgänge, die dem Rhythmus einer inneren Uhr folgen (Schlaf- & Wachzeiten, Aktivitätsmuster von Hormonen / Enzymen / Zellteilung / Organfunktionen) → meist durch Fotoperiode als Taktgeber mit dem Tages- oder Jahreszeitenverlauf synchronisiert Sonnen- und Schattenblätter Sonnenblatt: kleinere Spreite, dick starkes Wasserleitungs- und Festigungsgewebe hohes, oft zweischichtiges, Palisadengewebe entwickeln sich aus den gut belichteten Knospen des äußeren Kronenbereiches Schattenblatt: groß, dünn entstehen im Innenraum und auf der geringer belichteten Nordseite der Baumkrone Allgemein: - Fotosyntheseleistung hängt bei beiden vom Lichtangebot ab - erreichen Lichtkompensationspunkt und Lichtsättigung bei unterschiedlicher Lichtintensität 24 wichtig als Löse- und Transportmittel und Reaktionspartner z. B. Muskulatur vom Menschen besteht zu 77% aus Wasser Wasser ist in Lebensräumen unterschiedlich gut verfügbar Anpassung von Pflanzen an die Wasserversorgung Hygrophyten Feuchtpflanze 35 dunne Cuticulo • herausgehobene Spaltottuung leichtere cs Mit CamScanner auspiration Spaltöffnungen ÖKOFAKTOR WASSER lebende Haare Cuticula Zellwand Zellinneres Feuchip flanzent - dünne Zellwand - dünne Cuticula - großes Zellinneres - herausgehobene Spaltöffnung Xerophyten unehrschis tote Trockenpflanze dicke cuticula dickes Schwamm- Mit Carquefner gescannt Wachspfropf Zell- wand wehrschichtiges Palisadengewebe eingesenkle Spalloffnung to eingeschränkte Transp. FOD DIDYSCI ara Cs Mit Camrockenpflanze - dicke Zellwand - dicke Cuticula - kleines Zellinneres - Wachskopf - eingesenkte Spaltöffnung Cuticula und cutinisierte Zellwand- bereiche Zell- inneres 25 intraspezifische (innerartliche) Konkurrenzabschwächung Ausbildung von Revieren Ausbildung vom Sexualdimorphismus Ausbildung von Jugend- und Altersform ist eine +/- Interaktion Parasit wird vom Wirt ernährt Wirt hat immer Nachteil Endoparasiten Brutpartner leben im Körperinneren des Wirtes z. B. Trypanosoma: - Einzeller Ektoparasiten Parasitoide KONKURRENZ Pflanzliche Parasiten leben auf der Körperoberfläche des Wirtes z. B. Bettwanze: - stechen, saugen Blut Nahrung Lebensraum Brutplätze PARASITISMUS - lösen,,Schlafkrankheit" aus interspezifische (zwischenartliche) Raubparasitismus → Wirt wird getötet z. B. Wespeneier & Raupe: - Wespen legen Eier in Raupe → Metamorphose - verursachen Sehstörung und Hautentzündungen Vollparasiten: - können keine Fotosynthese mehr durchführen 100% an Wirt gebunden - meist Pilze oder Bakterien - holt sich Nährstoffe und Wasser vom Wirt Halbparasiten: - führen Fotosynthese noch selber durch - relativ harmlos - haben Speicherungsfähigkeit - holen sich Nährstoffe vom Wirt → z. B. Mistel →wächst mit Wurzel in das Leitgefäßsystem 26 RÄUBER - BEUTE BEZIEHUNG Regulation von Populationen wechselseitige Beziehung Räuber dezimieren die Beute Beutedichte bestimmt Anzahl der Räuber mathematisches System (Lotka & Volterra) Populationsgröße Beutepopulation → Anzahl der Räuber ist geringer als die der Beute Räuberpopulation Zeit 1. Regel (Lotka-Volterra) Die Individuenzahl von Räuber und Beute schwanken periodisch. Dabei folgen Minima und Maxima der Räuber phasenverzögert denen der Beute. 2. Regel (Lotka-Volterra) G Langfristig bleiben die Mittelwerte beider Populationen trotz der Schwankungen konstant. → werden jedoch aufgrund von Störungen (z. B. Jagd durch Menschen, Krankheiten, Klima) in der Natur nie exakt abgebildet 27 ▸ Vergesellschaftung artverschiedener Lebewesen (Symbionten) mit wechselseitigem Nutzen ➤ +/+ Interaktion - Symbiose von Pilzen und Algen - eigene Verwandtschaftsgruppe - Flechtenkörper ist blatt- bis Flechten krustenförmig → Thallus im Inneren sind Algenzellen von Pilzhyphen umhüllt - Pilzhyphen liefern Algenzellen Wasser, Mineralstoffe und schützen vor Austrocknung und Tierfraß - Alge versorgt Pilz mit Kohlenhydraten → betreibt Fotosynthese → können so Felsen, Baumrinden, Holz und Boden besiedeln → auch Wüsten, arktische und alpine Lebensräume Ektosymbiose Endosymbiose SYMBIOSE Partner bleiben bei Symbiose körperlich getrennt Symbiose Putzerlippenfische ein Partner wird in den Körper des anderen aufgenommen Mykorrhiza - Symbiose von Pilzen und Pflanzen - Pilzhyphen umspinnen Pflanzenwurzeln mantelartig oder dringen sogar in Zellen ein liefern Wasser und Mineralstoffe - Hyphen übernehmen Aufgabe, der in der Symbiose nicht mehr ausgebildeten Wurzelhaare → erhalten dafür Fotosyntheseprodukte - einige Pilze können sich nur bei Symbiose fortpflanzen Symbionten: Meerestiere und Putzerlippenfische bzw. -garnelen Putzer entfernt Parasiten, Pilze, abgestorbenes Gewebe, Hautfetzen und reinigt Wunden größte Gefahr für diese Tiere ist, dass sie vom Wirt gefressen werden → Putzer signalisiert mit buntem Farbkleid und speziellen Bewegungen ihren ,,Beruf" → säuberungsbedürftige Fische signalisieren sich durch bestimmte Körperhaltung (stehen kopfüber, legen sich auf die Seite und verharren regungslos) Hülsenfrüchte und Knöllchenbakterien Gründüngung → Hülsenfrüchte versorgen Knöllchenbakterien mit Fotosynthese produkten 28 Zeigerorganismen sind für bestimmten Umweltfaktor stenök Eigenschaft ist durch geringe ökologische oder physiologische Potenz bezüglich des Faktors bedingt man kann durch sie auf Umweltverhältnisse schließen Bsp.: Wald-Sauerklee oder Schattenblümchen → Schattenzeiger Bioindikatoren sind für bestimmte Umweltbedingungen stenöke Lebewesen weitergefasst als Zeigerorganismen auch Symbiosen, Bakterien, ... Vorkommen zeigt Umweltbedingungen an Bsp.: Flechten → Luftverschmutzung Definition BIOINDIKATOREN Gesamtheit der Beziehungen zwischen einer Art und ihrer Umwelt (bezeichnet keinen Raum) (Beruf einer Art) Einnischung im Zusammenhang zur Evolution Generalisten z. B. Nahrungsnische, Brutzeit, Körperregionen - z. B. Hausmaus, Wanderratte - höherer Toleranzbereich ÖKOLOGISCHE NISCHE → breitere ökologische Nische - Ratte ist Allesfresser, lebt überall Spezialisten - z. B. Biber - geringerer Toleranzbereich → engere ökologische Nische Biber frisst nur Rinde von Weichhölzern, lebt an Flussufern und in Auwäldern 29 = Biotop + Biozönose 1. Ökosysteme sind offen → Lebewesen können zwischen Ökosystemen wechseln = Energiefluss und Stoffaustausch zwischen Ökosystemen 2. Ökosysteme sind dynamisch Ökosysteme sind durch Einflüsse von innen und außen veränderbar = Fähigkeit zur Selbstregulation 3. Ökosysteme sind komplex biotische und abiotische Umweltfaktoren stehen in permanenter Wechselwirkung miteinander Stoffkreisläufe Produzent Kohlenstoffkreislauf Produzent: Organismen, die aus anorganischen Stoffen, organische Stoffe machen (autotroph) Konsument: Organismen, die direkt oder indirekt die organischen Stoffe der Produzenten verbrauchen (heterotroph) (Pflanzenfresser) Zunahme im Winter ÖKOSYSTEME Destruent: Lebewesen, die organische Stoffe zu anorganischen Stoffen abbauen und so wieder dem Stoffkreislauf zuführen CO2 in der Atmosphäre Assimilation durch Pflanzen Respiration der Wurzeln DIE STOFFKREISLÄUFE Respiration Respiration Respiration der der Boden im Pflanzen Tiere Nahrung für Tiere Abfallstoffe Destruent tote Organismen Konsument Zersetzung im Zentrum stehen Assimilation und Dissimilation als gegenläufige, mit dem Stoffkreislauf gekoppelte Prozesse jährlich wird dadurch Fotosynthese in der Biosphäre ~ 1/7 des atmosphärischen Kohlenstoffdioxids gebunden und durch Dissimilation wieder freigesetzt nur wenn Biomasse unter Luftabschluss unvollständig mineralisiert wird (z. B. Entstehung von Torf, fossiler Brennstoffe, Kohle, Erdöl, Erdgas), wird Kohlenstoff dem Kreislauf entzogen 30 Stickstoffkreislauf S Stickstofffixierende Symbionten (Knöllchenbakterien, Frankia) Stickstofffixierende Bodenbakterien L! Reduktion Stockwerkaufbau 1. Baumschicht - - 2. Strauchschicht Atmosphärischer Stickstoff 3. Krautschicht Ammonium 4. Moosschicht Pflanzen Destruenten (Pilze, aerobe und anaerobe Bakterien) (NH,*) 5. Wurzelschicht Pflanzen: Buche, Eiche Tiere: Sperber, Eichhörnchen (N₂) Assimilation Nitrifizierung Pflanzen: Windröschen Tiere: Fuchs, Kreuzspinne Nitrat (NO) Nitrifizierende Bakterien Nitrit Pflanzen: Weißdorn-Ahorn, Heckenrose Tiere: Buchfink, Reh Pflanzen: Waldflechte, Birkenpilz Tiere: Blindschleiche, Waldameise Denitrifizierende Bakterien (NO₂) Nitrifizierende Bakterien Pflanzen: Wurzeln der grünen Pflanzen Tiere: Regenwurm, Tausendfüßler Atmosphäre Алис- nium- ion RÄUMLICHE UND ZEITLICHE GLIEDERUNG VON ÖS am Beispiel WALD Baumschicht NH₂ Strauchschicht Krautschicht Moosschicht Stickstofffixierung Wurzelschicht Knölich en bakterien Stickstoff N₂ swoich Identrittierende Bakterien Protein stoffwechsel Biosphäre nitrifizierung cs Mit CamScarpe gaz wasich min Sovendeff ter... Produzenku, Konsumenten, Desterenk Deutrifizierung nitrifizieruch Bokkenen NO₂ Nitrat - 31 Zerstörung von Bewuchs einer Fläche durch Feuer, Sturm oder anderen Ursachen ➤ Änderung der Bedingungen auf dieser Fläche Besiedlung durch Pionierarten Gräser folgen →verdrängen Pionierarten > Weide, Birke und Pappel folgen beschatten Boden → Gräser verschwinden im Baumschatten folgen Buchen und Eichen → verdrängen alle anderen Bäume neuer Wald entsteht Sukzessionsstadien I. Initialstadium II. Folgestadium III. Klimaxstadium SUKZESSION Formen der Sukzession Primärsukzession Initialstadium Folgestadien Ausgangspunkt sind unbelebte Lebensräume (z. B. Dünen) Sukzession am Beispiel Wald Sekundärsukzession geht auf Störung bestehender Ökosysteme zurück (z. B. Brand, Überschwemmung) Mensch verhindert natürliche Abfolge bestimmter Arten → z. B. Wiesen → Wiesen werden regelmäßig gemäht → Wuchs von Sträuchern und Bäumen verhindert } ₁ II III Klimaxstadium 32 Energie kann nicht erzeugt und vernichtet werden → kann nur umgewandelt werden Sonnenlicht (Lichtenergie) strahlt ins Ökosystem → größter Teil wird in Wärme umgewandelt → Rest für Fotosynthese Teil der Fotosynthese produkte für Pflanzenatmung / Wachstum Produkte der Fotosynthese von Konsumenten aufgenommen tote Pflanzenteile von Destruenten zersetzt usw. für jede Trophiestufe → 90% der Energie werden Wärme umgewandelt letzte Stufe sind Destruenten 5% der Sonnenenergie für die Fotosynthese genutzt Wärme Wärme Wärme ENERGIEFLUSS IM ÖKOSYSTEM Wärme Primärenergie → Sonne (Globalstrahlung) Produzenten Pflanzen, Fotosynthese 10% der Energie Konsumenten 1.Ordnung (Erstverbraucher) Pflanzenfresser 10% der Energie Konsumenten 2.Ordnung (Zweitverbraucher) Fleischfresser 10% der Energie Konsumenten 3.Ordung (Endverbraucher). Fleischfresser Energiefluss verläuft bis nicht Mehr genug brauchbare Energie Weitergegeben werden kann Energiefluss 10% der Energie Verläuft linear (kein Kreislauf) Freigesetzte Wärmeenergie kann nicht direkt in den Stoffwechselprozess eingesetzt werden weiteren Wärme Destruenten Zersetzer Biomasse bzw. Anzahl der Individuen Größe der Individuen 33 = Vererbungslehre = Wissenschaft von der Vererbung Adenin 5' Ende Phosphat- desoxyribose Rückgrat GENETIK Bau der DNA Thymin brücken O NH,2 HN က အင် O 3 Wasserstoff- brücken NH 20 2 Wasserstoff- N....HN O-H 2 N 3' Ende OH OH 2 N NHN AFFORD H2N pod NH 2 OH 3' Ende Guanin Cytosin 5' Ende 34 Räumliche Struktur (Watson & Crick) Cytosin Guanin. Adenin Uracil NH₂ Stickstoffbasen. der RNA Nukleotid Stickstoffbasen Chromosome Chromatin Phosphat-Rest Basenpaar Helix aus Zuckerphosphat RNA Ribonukleinsäure ▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬ 10000 DNA Desoxyribonukleinsäure Histones Ribose (5-fach Zucker Cytosin Guanin. Adenin Thymin Nucleosome H₂C DNA helix G Stickstoffbasen der DNA -NH₂ ATGACGGATCAGCCGCAAGCGGAATTGGCGACATAA Base A ▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬TT TACTGCCTAGTCGGCGTTCGCCTTAACCGCTGTATT ▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬ z. B. Adenin - DNA ist ein kettenförmiges, unverzweigtes Makromolekül - Rückgrat aus Zucker-Phosphat- Gruppen - einheitlicher Durchmesser - rechtsgängig gebunden - Stränge verlaufen in entgegengesetzte Richtung → antiparallel - organische Basenpaare zeigen zur Mitte (Sprossen) - komplementäre Basenpaarung: Adenin - Thymin Guanin - Cytosin - Chromatin: DNA aller Eukaryoten ist mit Vielzahl von Proteinen verbunden → DNA-Protein-Komplex = Chromatin - Ausgangspunkt ist DNA-Doppelstrang → bildet die Doppelhelix - Chromatin wickelt sich um Histon → Nucleosom 35 CHARGAFF-Regel 1. Die Gesamtmenge der Purinbasen (A + G) in einer Probe entspricht der Gesamtmenge an Pyrimidonbasen 2. Die Menge an Adenin stimmt mit der Menge des Thymins überein. Genauso Cytosin und Guanin. 3. Das Verhältnis von A + T zu C + G ist in den DNA-Proben aus verschiedenen Organismen unterschiedlich. Watson und Crick DNA liegt als Doppelstrang vor Einzelstränge bestehen aus Zucker-Phosphat-Bändern mit gebundenen Basen DNA-Stränge über Basen durch Wasserstoffbrücken verbunden schraubig um gedachte Achse gedreht → Doppelhelix Transportform: - für Mitose für Meiose Arbeitsform: - für Replikation - für Proteinbiosynthese (zum Wachstum) Prophase: Kernhülle löst sich auf - Spindelapparat wandert zu Zellpolen - Spindelfasern entstehen. - Chromatin kondensiert zu Chromosomen mit 2 identischen Schwesterchromatiden Metaphase: Chromosomen ordnen sich an Zellmitte (Äquatorialebene) an - Spindelfasern wachsen zur Mitte hin (2 Fasern pro Centromer) - Spindelfasern binden an Chromosomen Anaphase: Centromer wird getrennt → 2 Spindelfasern Interphase DNA wird verdoppelt, Zelle wächst. MITOSE Telophase Chromatiden sind and den Polen konzentriert und dekondensieren wieder. Telophase: Kernhülle bildet sich 2x aus - Chromosomen werden wieder zu Chromatin - Zelle beginnt sich einzuschnüren Kernkörperchen → diploider Chromosomensatz aus 1- Chromatid-Chromosomen → muss verdoppelt werden (Replikation) Chromatiden werden durch Verkürzen der Spindelfasern zu zu den Polen den Polen gezogen = getrennt Zellkern Anaphase Spindelapparat zieht Schwesterchromatiden Chromatin Mikrotubuli Centriolen. Kernmembran aggga Prophase Chromosomen kondensieren und werden dadurch sichtbar. VILLE Pol Chromosomen Schwesterchromatiden Spindel- 000000 solape Prometaphase Zusammenbruch der Kernmembran Metaphase Chromosomen werden in der Äquatorialebene angeordnet. 36 (Reifeteilung zur Bildung von Geschlechtszellen) Prophase: Homologenpaarung Metaphase I: -2-Chromatid-Chromosomen werden zur Zellmitte (Äquatorialebene) bewegt - homologe Chromosomen ordnen sich per Zufallsprinzip an Äquatorialebene an - Austausch von Erbmaterial (Crossing-Over) - Spindelapparat bildet sich aus & Zellkern löst sich auf - Anaphase I: Spindelfasern heften sich an Centromere der Chromosomen → Cchromosomenpaare werden getrennt (Trennung der Homologen) → 1 haploider Chromosomensatz aus 2-Chromatid-Chromosomen (Verteilung zufällig) Telophase I: - Zelle schnürt sich ein → 2 Zellkerne mit 1-fachen Chromosomensatz Metaphase II: - Chromosomen ordnen sich an Äquatorialebene an - Spindelapparat bildet sich erneut aus Anaphase II: -2 Spindelfasern pro Centromer lagern sich an Centromer an MEIOSE - 2-Chromatid-Chromosomen werden aufgeteilt → 1 Chromatid zu jedem Zellpol - Trennung der Schwesterchromatiden & Keimzellen enthalten je 1 Allel Telophase II: -Einschnürung → 4 haploide Zellen, genetisch verschieden → Samenzelle → 4 Zellen → Eizelle →→ 1 Zelle (3 sterben ab) → 4 neue Zellen mit haploidem Chromosomensatz URGESCHLECHTS PROPHASE ZELLE diploid XX diploid METAPHASE II ANAPHASE II Einzelchromosomen Trennung der ordnen sich in der Mitte Chromatiden METAPHASE I ANAPHASE I Chromosomenpaare Trennung der ordnen sich in der Mitte TELOPHASE I (dd)) (ddd) haploid 4 Zellen mit Chromatiden TELOPHASE I haploid Chromosomenpaare (Einzelchromose GESCHLECHTSZELLE XX X haploic 37 Ort Chromosomensatz Mutterzelle Chromosomensatz Tochterzelle Anordnung & Trennung von Chr. in der Zellmitte Endergebnis Bedeutung Trennung der Chromatiden VERGLEICH MITOSE / MEIOSE Mitose in allen Körperzellen diploid 1 diploider Chromosomensatz (identisch) in Anaphase diploider Chromosomensatz aus 1-Chromatid-Chromosom (2 neue Zellen → genetisch identisch) Vermehrung von Zellen | Wachstum | Regeneration | ungeschlechtliche Fortpflanzung == 2n/4c 2n/4c 3 Mitose Meiose Die Meiose besteht aus zwei Meiose I aufeinander folgenden Zellteilungen aus der vier 2n/4c Tochterzellen entstehen. In der Meiose I werden die homologen (väterlichen und mütterlichen) Chromosomen gepaart, getrennt und auf zwei Tochterzellen verteilt (1n/2e). Fertilisation 2n/2c Interphase DNA-Replikation (38 2n/4c In der Mitose werden die Chromatiden beider Chromosomen getrennt und auf die beiden Tochterzellen verteilt (2n/2c)..... 2n/4c Interphase DNA-Replikation Meiose in Geschlechtszellen diploid 1n/2c 1 haploider Chromosomensatz (genetisch verschieden) in Anaphase 1 & 2 4 neue Zellen mit haploidem Chromosomensatz (genetisch verschieden) Bildung von Keimzellen | erzeugt durch Neukombination des elterlichen Erbguts die genetische Variabilität der Nachkommen | Reduzierung des Chromosomensatzes | geschlechtliche Fortpflanzung Paarung homologer Chromosomen Trennung der homologen Chromosomen Meiose II UU 1n/2c 1n/1c 2n/4c 2n/4c 2n/4c 1n/2c 38 Allgemeines Ablauf beschreibt die Vervielfältigung der DNA exakte Verdopplung der DNA wird nur in einer bestimmten Phase des Zellzyklus angestoßen während der Synthesephase beginnt an einem DNA-Abschnitt → dem Replikationsursprung (origin) Topoisomerase entwindet die DNA-Doppelhelix → beim Aufdrehen der Doppelhelix entstehen Spannungen → Topoisomerasen verhindern das, in dem die DNA-Stränge durchschneiden und wieder verbinden origin wird vom Proteinkomplex erkannt, dieser beeinflusst die DNA-Konformation so, dass die Helicase wirken kann Helicasen spalten unter Verbrauch von ATP die Wasserstoffbrücken zwischen den Basen → Replikationsgabel entsteht Einzelstrangindende Proteine stabilisieren die Öffnung der DNA-Gabel die Primase bereitet die Ansatzstelle für die DNA-Polymerase vor setzt die ersten Nucleotide an den Einzelstrang an DIE SEMIKONSERVATIVE REPLIKATION das synthetisierte Stück heißt Primer (besteht aus RNA-Nucleotiden) →RNA Ribonucleinsäure → Unterschied zur DNA: Zucker ist Ribase | immer Einzelstrang | kein Thymin, sondern Uracil die DNA-Polymerase (III) knüpft an das 3'-Ende des Primers Nucleotide an, indem sie Zucker und Phosphat-Rest verbindet (Synthese erfolgt in 5' → 3' Richtung) die Basen finden ihre Partner durch komplementäre Basenpaarung 5' 3' Richtung nicht möglich Lösung: - Primasen synthetisieren immer wieder neue Primer als Ansatzpunkte für die Okazaiki- Fragmente 3' Folge- strang 5' - DNA-Polymerase III verlängert den Folgestrang stückweise zu Okazaki-Fragmenten und die DNA-Polymerase I ersetzt Primer durch Desoxyribonucleotide DNA-Polymerase (Pola) - die Ligase verknüpft über Phosphodiesterbindungen, die an der Folgestrang Matrize stückweise synthetisierten Okazaki-Fragmente, nach dem die Primer gegen DNA ausgetauscht wurden - Synthese so in 3' → 5' Richtung N DNA-Ligase 5' Okazaki-Fragment XX Leit- strang 3' Primase RNA-Primer DNA-Polymerase (Pol6) Helicase Einzelstrang- bindendes Protein ாேர் XXX 5' Topoisomerase 39 Beteiligte Enzyme Topoisomerase DNA-Helicase DNA-Polymerase Ligase Der genetische Code 30 Aminosäuren und 4 Basen Enzym 1. Transkription → 1:1 Codierung nicht möglich → 1 Triplett (= 3 Basen) codiert für eine Aminosäure Eigenschaften: - Code ist nicht überlappend: Tripletts werden hintereinander abgelesen Funktion → entwindet die DNA-Doppelhelix → starten die Trennung des Doppelstrangs in 2 Einzelstränge & spalten Wasserstoffbrücken → beginnt am 3'-Ende des Primers mit der Synthese komplementärer Basen → neuer DNA-Strang PROTEINBIOSYNTHESE DNA mRNA UGG C... → verknüpft den diskontinuierlich gebildeten Strang durch Esterbindungen A CCG TA... - Code ist kommafrei: zwischen den einzelnen Tripletts entstehen keine Leerstellen - Code ist redundant: für eine bestimmte Aminosäuregibt es mehrere verschiedene Tripletts, diese unterscheiden sich meist in der 3. Base (möglich, weil von 64 Kombi- nationen nur 23 benötigt werden) - Code ist eindeutig: ein bestimmtes Triplett legt immer den Einbau einer bestimmten Aminosäure fest findet im Zellkern statt beginnt am Promotor (= spezielle Nucleotidsequenz) → Enzym RNA-Polymerase bindet an Promotor Entwinden der DNA (bei ca. 20 Nucleotidpaaren werden Wasserstoffbrücken getrennt) → Transkriptionsblase → Guanin - Cytosin & Adenin - Uracil) Terminatorsequenz beendet die Transkription RNA-Polymerase löst sich, mRNA ist frei - Code ist universell: für ein bestimmtes Codon wird bei fast allen bisher untersuchten Organismen die gleiche Aminosäure übersetzt Ablesen des codogenen Strangs → Promotor legt codogenen Strang fest komplementäre Basenpaarung führt zur Bildung der mRNA RNA-Polymerase → mRNA verlässt den Zellkern → Introns werden bei der RNA-Prozessierung entfernt → mRNA besteht aus Introns & Exons 40 2. Translation findet an Ribosomen im Zellplasma statt mRNA bindet an kleine Untereinheit des Ribosoms erste tRNA (Anticodon UAC; Aminosäure = Methionin) bindet am Startcodon AUG der mRNA → Beginn der Translation große Untereinheit des Ribosoms bindet an kleine Untereinheit der mRNA → funktionsfähiges Ribosom an 2. Bindungsstelle des Ribosoms bindet die 2. tRNA (inklusive 1 Aminosäure) → Aminosäure 1 und Aminosäure 2 sind über Peptidbindung verbunden Ribosomen gleitet ein Codon weiter → 1. tRNA verlässt Ribosom → 2. Bindungsstelle wieder frei → 3. tRNA bindet an 2. Bindungsstelle des Ribosoms Transkription 2 RNA-Prozessierung 3 bhealad Wale forhang 4 Bewegu wigs nichtung ODNA ⒸRNA - Polymerase 3 RNA- Trouskript (Pră mRNA). 4 introu Anticodonarm - Anticodon ist immer komplementär zu Codon der mRNA - entgegengesetzte Seite zum Anticodon ist mit spezieller Aminosäure beladen → Zuordnung der richtigen Aminosäure durch Synthetase 5 Exon. 6 Keruporen ORNA CamScannergescannt 8 Aminosäure Lesrichtung D-Arm ✓ Polypeplia Akzeptorarm Aminosäure- Aktivierung Translation MAGGENA: 9 ERNA 10 Aniuoscyl 1- ERNA / Synthetase 11 Erkennungs regionen für die ERNA 12 ribosomale Untereinheiten 13 Codon 14 Aulicodon 15 Ribosom (16) Anticodon TVC-Arm variable Schleife 41 SUBSTRATINDUKTION DER GENAKTIVITÄT Regulatorgen bewirkt Herstellung eines aktiven Repressors solange keine Lactose am Nährmedium ist, bindet Repressor an den Operatoren → vermindert, dass Gene des Lactosestoffwechsels transkribiert werden Bei Zufuhr von Lactose lagern sich Lactosemoleküle an Repressormoleküle an und verändern dadurch deren Raumstruktur der nun aktive Repressor passt nicht mehr an Operator und die RNA-Polymerase wird nicht mehr blockiert → RNA-Polymerase kann Gene für Lactoseverwertung transkribieren Zelle beginnt mit Herstellung des Enzyms ß-Galactosidase → spaltet Disaccharid-Lactose in Bestandteile (Glucose & Galactose) →werden danach im Stoffwechsel wieder abgebaut zweites Strukturgen (lac Y)codiert für eine Permease → Permease sorgt für Transport von Lactose durch Bakterienzellwand bei dieser Art der Regulation bewirkt (induziert) das Substrat das ,,Anschalten" der Gene, die für die Enzyme zu seinem Abbau codieren DNA- Strang plung Substratinduktion 1 lac - Operou Ⓒ Requlatorgen 3 Proviotor 4 Operator 5 mRNA (Repressor - mRNA). 6 akhiver Repressor was. Con Plejerce Polymerase 9 B-Galactosidase 10 Permease Transacetylase ℗ lack (Gen für Bo-Galactosidase) 10 lacy (Gen für Permease) 1) lac A (Gen für Trausacetylase) 12 Lactose (Induktor) 13 juakliver Repressor (14) RNA-Polymerase (akliu). Ⓒart. Repr.; dass an Operatorgen gelaunden ist 1 mRNA (JURNA der Strukturgene). BA Cookbescannt für Lactoseabbau 2. Елгуше 42 1. Mendel'sche Regel G Uniformitätsregel Kreuzt man Individuen (Parentalgeneration P), die sich in bestimmten Merkmalen reinerbig unterscheiden, zeigen die Nachkommen der nächsten Generation (Filialgeneration F1) diese Merkmale in gleicher Ausprägung P-Generation (Elterngeneration) MENDEL'SCHE VERERBUNGSREGELN F₁-Generation (1. Tochter- generation) Genotyp RR Phänotyp Keimzellen Genotyp Phänotyp P-Generation (Elterngeneration) F₁-Generation (1. Tochter- generation) F2-Generation (2. Tochter- generation) Rw rot Genotyp Phänotyp Keimzellen Genotyp 2. Mendel'sche Regel Spaltungsregel Kreuzt man Individuen der F1-Generation untereinander, spalten sich die Merkmale der Nachkommensgeneration (2. Filialgeneration F2) in einem bestimmten Zahlenverhältnis auf Eizellen in Samenanlagen Genotyp: Keimzellen Keimzellen rot Gg Gig 8 (G ww (Rw) o weiß 9) × (6 (6 (Rw) Genotyp: AY GG | 2x 6g|1x gg homozygi hedesophalloway oft CS Mit Zahlenverhältnis gescannt X gelb grün (GG) (GG) x (98 g go Phänotyp: 99 G reinerbig diploide Chr.-sätze Ri gelb (Ga Samenzellen in Pollen Phänotyp: 3x gelb | 1x grün Zahlenverhältnis: 3: A 43 3. Mendel'sche Regel Unabhängigkeitsregel / Neukombinationsregel Kreuzt man reinerbige Individuen, die sich in 2 oder mehr Merkmalen unterscheiden, also di- oder polyhybrid sind, spalten sich die Merkmale der Nachkommen der 2. Filialgeneration F2 unabhängig voneinander auf dominant: P-Generation (Elterngeneration) F₁-Generation Beispiele: AA x BB ↓ 4x AB (1. Tochtergeneration) Genotyp Phänotyp Keimzellen F2-Generation (2. Tochtergeneration) Keimzellen Genotyp Genotyp: GgRr Keimzellen Q (GR) (GR) (Gr ) (gr (GR) (GR GGRR (82) agrre 8grr (Gr GGR GR (gr Gg Rr og Rr GGRR G gelb (dominant) R rund (dominant) GR GR Genotyp: 2x 2x 4x Ax GGRR | GgRR | GG Rs | Gq Rr | gg RR | Joe Mi Cande calmer ges 20166 gescannt Anzahl reinerbiger Neukombinationen: 2 A → Antigen A & Antikörper B B→ Antigen B & Antikörper A (Gg Rr) rezessiv: 0 ➜ keine Antigene, Antikörper A & B co-dominant: AB → Antigen A & B, keine Antikörper AA x BO ↓ Gg Rr X X AO X BO ↓ AB, A, B, 0 o VERERBUNG VON BLUTGRUPPEN ggrr g grün (rezessiv) r kantig (rezessiv) gr (gr (GaRr) Phänotyp: gelb rund десь x (GR) (gR) (Gr (ar) o (Gr GgRR GGR Gg Rr G g R r g g R r Garr Ggrr GaRr Ggrrggrr Phänotyp: Ix gelb & rund / 3x grü. & reund! 3.x gelb & konting| 1x gründe konting is al Zahlenverhältnis im Phänotyp: 9:3:3 AO x 00 ✓ 2x A, 2x 0 44 Vererbung rezessiv oder dominant Genort bestimmen (autosomal / genosomal) Beispiel Merkmal tritt bei Eltern nicht im Phänotyp auf, aber beim Kind → rezessiv Merkmal tritt in jeder Generation auf → dominant Eltern tragen Merkmal, Kinder nicht → dominant Symbole ^. Kommt es bei beiden Geschlechtern vor? Und ist die Verteilung gleich? → bei beiden Geschlechtern gleich verteilt autosomal → ein Geschlecht ist stärker betroffen →genosomal autosomal dominanter so Erbgang STAMMBAUMANALYSE ده Полпо mannliches Individuum O weibliches Individuum ✓ Geschlecht ohne Bedeut. Merkmalsträger Hypercholesterin Ussure 53 AAA 35 131 O Ene / Partnerschaft □O Verwandlenehe Geschwister E & 12. AATAS zweieiige Zwillinge AS einerige Zwillinge AAAAAAS C Phenylketo- nulie 15 "O O AATAS A₂ AATAS -AATAS AATAS To AS 3 AAAS AS autosomal- rezessiver Erbgang 45 Genetische Ursachen die Aminosäure Phenylalanin wird eigentlich durch Enzym Phenylalaninhydroxylase in die Aminosäure Tyrosin umgebaut bei PKU ist dieser Stoffwechselschritt blockiert aufgrund einer Punktmutation im 12. codierten Gen fehlt entweder das Enzym völlig oder seine Struktur ist defekt → Reaktion wird ungenügend katalysiert → erhöhter Phenylalaninspiegel, Mangel an Tyrosin Phenylalanin wird über Stoffwechselnebenwege zu Phenylbrenztraubensäure, Phenylessigsäure und Phenylmilchsäure umgebaut → diese Stoffwechselprodukte beeinträchtigen die Gehirnentwicklung → geistige Behinderungen Symptome PHENYLKETONURIE starker geistiger Entwicklungsrückstand Krampfanfälle (Epilepsie) motorische Behinderungen Verhaltensstörungen (hyperaktiv, aggressiv, ...) kleiner Kopf (Mikrozephalie) auffälliger Geruch ekzemartige Hautveränderungen Diagnostik Neugeborenenscreening → Blutuntersuchung am 3. Lebenstag (36 & 72 Stunden nach Geburt) des Phenylalaninspiegels → erhöht → weitere Untersuchungen Normalwert: ca. 0,6mg bis 2mg pro Deziliter auffällig: Werte über 2mg/dl (bei Säuglingen mehr als 20mg/dl) Fruchtwasseruntersuchung Therapie spezielle Ernährung → Nahrung sollte so wenig Phenylalanin wie möglich enthalten aber nicht gar nicht vorhanden sein → phenylalaninarme Diät sollte bei Säuglingen noch vor 10. Tag beginnen → verhindert in der Regel die Entwicklung einer geistigen Behinderung → sollte man ein Leben lang beibehalten → bei Lockerungen: Konzentrationsprobleme, innere Unruhe → Milchprodukte, Fleisch, Fisch, Eier und Backwaren nur in geringen Mengen → Süßstoff Aspartam meiden Einnahme des künstlich hergestellten Co-Faktors des Enzyms (Saprpterin) Kontrolle des Phenylalaninspiegels 46 = spontan auftretende, sprunghafte Veränderung des Erbguts Genmutation = Veränderung der Basensequenz einzelner Gene Verlust, Einfügen, Austausch einzelner Basenpaare G Punkt → z. B. AAC GTA GGC... AGC GTA GGC... Rasterschub- mutation z. B., AAX GTA GGC... AAG TAG GC... A z. B., AAC GTA GGC... " AAC GAT AGG C... Beispiel: Sichelzellanämie MUTATIONEN Chromosommutation = Veränderung der Struktur einzelner Chromosomen Deletion → Verlust Inversion → Umkehrung Translaktion → Verlagerung Duplikation → Verdopplung ➜von Chromosomenabschnitten Beispiel: Katzenschrei-Syndrom - Verlust eines Abschnitts von Chromosom 5, lebensbedrohlich Genommutation = Veränderung der Anzahl der Chromosomen im Chromosomensatz Verdopplung / Vervielfältigung von Chromosomen Verlust eines Chromosomen Verdopplung / Vervielfältigung aller Chromosomen Beispiel: Trisomie 21 Bedeutung - überzähliges Chromosom 21 Turner-Syndrom - fehlendes Y-Chromosom Vorkommen von Mutationen Klinefelter-Syndrom - überzähliges X-Chromosom in Körperzellen (Mitose)→ wirken sich auf folgende Zellgenerationen aus in Keimzellen (Meiose) →wirken sich bei Fortpflanzung auf Nachkommen aus Grundlage für Evolution (Variabilität erhöht) bei Menschen meist nachteilig (Krebs, Stoffwechselerkrankungen) gewollte Mutation bei Pflanzenzüchtung von großer Bedeutung (Ertragssteigerung, Resistenzen) 47 Mutagene → sind Faktoren, die Mutationen auslösen können Strahlung: Röntgen, radioaktive Strahlung Modifikationen - Gifte: Colchicin, Senfgas Säuren: salpetrige Säure sind nicht vererbbar sind phänotypische veränderte Merkmalsausprägungen, die innerhalb einer genetisch festgelegten Reaktionsnorm auftreten können werden durch Umwelteinflüsse hervorgerufen Umwelteinflüsse bewirken unterschiedliche Ausprägung von Merkmalen (z. B. Geschlecht Alligator) Reaktionsnorm zeigt sich in Variationsbreite eines Merkmals je nach Umwelteinfluss z. B. Bienen: Larvenfutter entscheidet über Arbeiterin, Königin und Drohne z. B. Blütenfarbe: chinesische Primel unter 20°C = rot blühend, darüber blau blühend Bedeutung: - ermöglichen Anpassung an die Umwelt (Licht- und Schattenblätter) . - bei Kulturpflanzen und Haustieren bessere Erträge durch Kenntnis der Reaktionsnorm X ALTFF) ALAMATTARIFF Freud- DNA GRUNDOPERATIONEN DER GENTECHNIK erdverden durch Restrikhonsenzyon SHARAANI C Ampiciliu- Resislurquл ase Plonmid mit Fr. - D Bakkrum mit Plasmid mit Freund-DNA Hedium mit Tehreeyelin DNA aus Spenderorganismus Meclium mit Ampicilin Einfügen der H Frem OMA in Playmid verbinden durch 8 DNA-Ligase 11 O Plasmid chne Freud-DNA Plasmiel dlose Fr.-DLT Bakkerium mit Selekler 21 Rokkia O 17 Selektion von Bakterien Transformation durch E. Coli (-+ 3 Ausgange) thue Freud-DNA O Schnitt- skelle Plasmid 12 Tetracyclin-Resistenzagen Baklenen Kolonien Aufschneiden durch Restriklion enzym Bakkerium (ohne Plasmid) übertragung der 20 Kolonien mit Soulstemper 48 ZÜCHTUNG = die gezielte Entwicklung und Erhaltung von Pflanzen und Tieren mit erwünschten Eigenschaften durch den Menschen Zuchtarten / -methoden Auslesezucht Auffinden und gezielte Auslese oder Selektion von Individuen mit genetisch bedingten, günstigen Eigenschaften geht in der Regel von vorhandenen Kulturformen, in Einzelfällen von Wildformen, aus Massenauslese: ganze Bestände mit gewünschten Eigenschaften ausgewählt und zur Fortpflanzung gebracht (→ heute nur noch zur Erhaltungszucht von Bedeutung) Individualauslese: beruht auf der Auswahl einzelner auffälliger Individuen mit besonderen Merkmalen (vor allem im Bereich der Gartenkultur) Kreuzungs- / Kombinationszucht Grundlage ist 3. mendel'sche Regel meist sind Inzuchtkreuzungen notwendig, damit eine gewünschte Merkmalskombination reinerbig auftritt → bei bestäubenden Pflanzen als Ramsch- / Populationskreuzung → bei Fremdbestäubern und Tieren in aufwendiger Pärchenkreuzung und anschließender Individualauslese Inzuchtlinie: eine durch Inzucht über mehrere Generationen reinerbig gewordene Sorte oder Rasse Heterosiseffekt & Hybridzucht Heterosiseffekt: bei der Zucht von Naturpflanzen sind heterozygote Individuen größer, vitaler und erbringen höhere Erträge als homozygote → bei der Kreuzung von Inzuchtlinien am größten und in der 1. Filialgeneration maximal wird Heterosiseffekt gezielt züchterisch eingesetzt → Hybridzucht Hybridzucht: dabei werden zunächst bei möglichst verschiedenen Sorten oder Rassen homozygote Linien erzeugt → durch Probekreuzungen zwischen diesen Inzuchtlinien wird überprüft, bei welchen Kombinationen ein Heterosiseffekt auftritt → diese Kombinationen dienen zur Erzeugung der Hybriden Hybridsaatgut & Hybridtiere: müssen stets neu durch Kreuzung der Inzuchtlinien erzeugt werden Mutationszucht Züchtungen beruhen auf Mutationen für Tierzucht wegen geringer Fortpflanzungsrate, langer Generationsdauer und häufigen Auftreten von tödlichen Mutationen kaum geeignet 49 Organe / Bestandteile des menschlichen Immunsystems Rachenmandeln & Gaumenmandeln Lymphknoten & Lymphbahnen Knochenmark Milz Thymusdrüse Darm & Blinddarm Blut Ablauf einer Infektionskrankheit Körpertemperatur in "C 41 40,5 40 39,5 39 38,5 38 37,5 37 36,5 36 0 IMMUNBIOLOGIE Infektion mit Grippeviren 1 Inkubationszeit 2 Frieren, Kopf- und Glieder- schmerzen Infektion: Eindringen der Erreger in den Organismus Krankheitsphase Krankheitsphase: typische Symptome treten auf Genesung: Symptome klingen ab 4 Husten, Schnupfen, Bronchitis 5 7 Genesung 8 Inkubationszeit: Zeitspanne zwischen Infektion und dem Auftreten erster Symptome 9 10 Zeit in Tagen 50 Leistungen des Immunsystems: → Erreger spezifisch erkennen und bekämpfen → Muss vielfältig sein →Dauerhaft aktiv → Muss ein zelluläres / molekulares Gedächtnis bilden Muss körpereigene und körperfremde Strukturen unterscheiden Barrieren: 1. Verteidigungslinie 2. Verteidigungslinie 3. Verteidigungslinie DAS IMMUNSYSTEM → Mechanische bzw. äußere Barriere: Haut, Schleimhäute, Flimmerhärchen, Niesen; Husten → Chemische Barrieren: Säureschutzmantel der Haut, Salzsäure → Biologische Barrieren: Darmflora ● → Spezifische Immunabwehr ➡Das körpereigene Abwehrsystem besteht aus Barrieren, Blut und Lymphe ● → Phagozytierende Zellen: Makrophagen, Granulozyten können sich amöboid fortbewegen und fressen Mikroorganismen durch Phagozytose Funktionen der beteiligten Organe Rachen-Gaumenmandeln: Immunbarriere zum Schutz der Atemorgane & Des Verdauungstraktes ● → Mastzellen: Setzen Histamin und Cytokine frei -> erhöhte Durchlässigkeit der umliegenden Gefäßwende/Kapillare für Gerinnungsfaktoren → Komplementprotein: 30 verschiedene antimikrobieller Proteine im Blutplasma, die an Membranen von Erregern bindet und phagozytierende Zellen anlocken ● Lymphknoten /-bahnen: Grundgerüst der Immunantwort: - Transportweg der Immunzellen - Abtransport von Erregern - Verbindungswege zwischen allen Organen ● Knochenmark: Bildungsort der Lymphozyten Milz: Organ der Blutreinigung | zum Abbau der Blutzellen | speichert Lymphozyten & Makrophagen | Übernahme der Funktion des Thymus nach Pubertät Thymusdrüse: Ort der Reifung und Spezifizierung / Schulung der T-Zellen und T-Helferzellen Darm: besitzt ca. 70% aller Abwehrzellen des Körpers | Zentrum des Immunsystems Blinddarm: beherbergt viele Zellen des Lymphsystems | enthält nützliche Bakterien Blut: alle auf das Abwehrsystem spezialisierten Zellen und Proteine sind enthalten 51 Allgemeines DIE SPEZIFISCHE IMMUNABWEHR wird auch erworbene Immunabwehr" genannt entwickelt sich erst nach der Geburt im Laufe des Lebens durch Reaktionen auf körperfremde Zellen Erworben Reaktionsfähigkeit auf eine große Vielzahl von Molekülen / Strukturen Unterscheidung zwischen körperfremd / körpereigen erst mehrere Tage nach Eintritt eines Fremdkörpers aktiviert zugehörig: besondere weiße Blutzellen B- & T-Lymphozyten (kommen in den Lymphen vor) ➡ gehen spezifisch gegen bestimmte Fremdkörper vor HUMORALE Immunantwort Produktion von Antikörpern in der Blut- bzw. Lymphflüssigkeit (gegen freie Antigene in den Körperflüssigkeiten realisiert vor allem über B- Lymphozyten ZELLULARE Immunantwort Bildung von Killerzellen (gegen Erreger, die bereits in körpereigene Zellen eingedrungen sind) realisiert vor allem über T- Lymphozyten Erkennen eines Fremdkörpers Fremdstoffe werden von den Abwehrzellen der spezifischen Immunantwort an bestimmten Proteinen (befinden sich an ihrer Oberfläche) erkannt Proteine Antigene Antigene Unspezifische Immunabwehr kann die Krankheitserreger nicht vollständig bekämpfen Erreger gelangen in das lymphatische System Lymphatisches System Netzwerk aus verschiedenen Systemen, die der Immunabwehr dienen (z.B. Mandeln, Milz, Knochenmark, Lymphgefäße, Lymphknoten) viele antigenpräsentierende Makrophagen → präsentieren nach Phagocytose/Abbau der Erreger Antigen-Bruchstücke der Erreger auf ihrer Oberfläche (Präsentation mit Hilfe von membrangebundenen MHC-Proteinen) → Immunzellen der spezifischen Immunabwehr können Antigen-Bruchstücke erkennen Körperfremde Zellen/Strukturen, die eine Reaktion des spezifischen Abwehrsystems hervorrufen MHC-1-Proteine: kommen auf fast allen Körperzellen vor MHC-2-Proteine: kommen auf Makrophagen und B-Lymphozyten vor Bestimmte Arten der B- und T-Lymphozyten (B-Lymphozyten, T-Helferzellen, cytotoxische T- Lymphozyten) können Antigenbrücken + Antigene auf Erregern erkennen) Oberfläche der Antigene → Rezeptormoleküle 52 Rezeptormoleküle sind auf einem Lymphozyten immer identisch → kann nur bestimmtes Antigen erkennen Rezeptoren der verschiedenen Lymphozyten unterscheiden sich → Erkennung von vielen Millionen fremden Antigenen Immunologisches Gedächtnis Immunsystem reagiert bei erneutem Kontakt mit einem Antigen stärker und schneller Epitope kleiner Bereich (Molekülabschnitt) eines Antigens lösen die Bildung von Antikörpern aus, die genau zum Epitop passen/spezifisch dafür sind Antikörper 2 identische schwere Polypeptidketten 2 identisch leichte Polypeptidketten → sind über Disulfidbrücken verbunden Ketten bestehen aus einem variablen & konstanten Bereich Variabler Bereich → Bindungsstelle für ein bestimmtes Epitop → Variabilität Variabilität → Antikörper können sich gegen eine große Vielzahl von Epitopen richten (Mensch ca. 10 Millionen) B-Lymphozyten Aktivierung zu einer schnellen Vermehrung durch Kontakt mit einem Antigen → Antikörperproduktion Großteil der B-Lymphozyten differenzieren zu Plasmazellen, die Antikörper freisetzen Wenige differenzieren zu Gedächtniszellen können bei erneutem Kontakt mit ihrem Antigen schnell passende Antikörper produzieren → ,,immunologisches Gedächtnis" Bei Differenzierung der Lymphozyten → Entstehung Zellen, die sich gegen körpereigene Strukturen richten Antikörper werden auf ihrer Oberfläche überprüft, damit sie körpereigene Strukturen nicht angreifen Lymphozyten, deren Antikörper sich gegen körpereigene Strukturen richten werden zerstört & reaktionsunfähig gemacht Variabilität der Antikörper Kombinationsmöglichkeiten der Exons Zufällige Kombination von leichten & schweren Ketten Zufällige Mutation bei Rekombination der Exons Humorale Immunabwehr bei der spezifischen Immunabwehr wichtige Rolle: B-Lymphozyten B-Lymphozyt trifft auf Erreger mit passendem Antigen → bindet Antigen an seinen Rezeptor & nimmt es auf präsentiert Bruchstücke davon mit seinen MHC-2-Proteinen präsentierte Bruchstücke werden von bestimmten T-Lymphozyten (T-Helferzellen) mit Hilfe von spezifischen Rezeptoren erkannt → Ausschüttung von Signalstoffen (Interleukin-2 und andere Leukine) Plasmazellen größer als B-Lymphozyten besitzen keine Rezeptoren produzieren Antikörper, die zu den auslösenden Antigenen passen (Schlüssel-Schloss-Prinzip) verbinden sich mit den Antikörpern zu Antigen-Antikörper-Komplexen (Immenkomplexe) → Antikörper werden unschädlich und unbeweglicher gemacht → können von Makrophagen leichter phagozytiert und abgebaut werden 53 B-Gedächtniszellen bleiben teilweise lebenslang im Körper Erneutes Treffen auf passende Antigene → sekundäre Immunantwort Rolle der T-Helferzellen bei der spezifischen Immunabwehr T-Helferzellen (TH-Zellen) spielen entscheidende Rolle TH-Zellen erkennen präsentierte Antigen-Bruchstücke an den MHC-2-Proteinen von Makrophagen und B- Lymphozytenbinden an diese TH-Zellen schütten Interleukin-2 aus → B-Lymphozyten + cytotoxische T-Lymphozyten werden zur Teilung aktiviert Klonale Selektion Vorgang findet in den Lymphorganen statt → sind vergrößert Bindung der TH-Zellen an das präsentierte Antigen-Bruchstück → Makrophagen geben Signalstoff Interleukin-1 ab Interleukin-1 → regt T-Helferzelle zur Teilung an T-Helferzellen → Bildung von Klonen (erkennen nur das spezifische Antigen, dessen Antigen-Bruchstücke präsentiert wurden) Klone differenzieren sich zu T-Suppressorzellen (T-Unterdrückerzellen) und T-Gedächtniszellen Wenn keine Antigene mehr vorhanden sind, verhindern die T-Suppressorzellen die Teilung von B- Lymphozyten / Bildung von zytotoxischen T-Lymphozyten (T-Killerzellen) → Immunabwehr stoppt T-Gedächtniszellen überleben teilweise das gesamte Leben erneutes Treffen auf das spezifische Antigen → Teilung der T-Gedächtniszellen / Differenzierung zu T- Helferzellen und zytotoxischen T-Lymphozyten (T-Killerzellen) → Start der sekundären Immunantwort Sekundäre Immunantwort Immunantwort, die eintritt, wenn ein Tier ein zweites Mal mit dem gleichen Erreger infiziert wird Gedächtniszellen vermehren sich zu Plasmazellen → Produktion von spezifischem Antikörper, Unschädlichmachung von Erregern, Ausbleiben von Krankheitssymptomen Plasmazelle → zum Teil lebenslange Immunität Zelluläre Immunantwort der spezifischen Immunantwort Cytotoxische T-Lymphozyten (T-Killerzellen) erkennen Antigen-Bruchstücke, die an MHC-1-Proteine gebunden sind Virusbefall einer Körperzelle → MHC-1- Proteine präsentieren Antigen-Bruchstücke der Viren, die die T- Killerzellen als fremd erkennen Bindung + Ausschüttung von Interleukin → Anregung zur Teilung der T-Killerzellen (Klonale Selektion) Zellklone reagieren alle auf dasselbe spezifische Antigen Neu entstandenen T-Killerzellen erkennen weitere infizierte Zellen an ihrem präsentierten spezifischen Antigen → binden an dieses + setzen versch. Substanzen frei, die die Zellen zerstören (Enzyme: Zellmembran abbauen | Perforine / Proteine: Porenbildung in Zellmembran) T-Killerzellen → erkennen Tumorzellen & zerstören sie durch versch. Substanzen 54 lymphatische Stammzelle Krankheitserreger Makrophage frisst Krankheitserreger präsentiert Antigene Unspezifische Abwehr O An der spezifischen Immunantwort beteiligte Zelltypen und deren Abstammung: T-Helferzelle T-Zelle B-Zelle B-Lymphozyt T-Killerzelle aktiviert CD8 O CD4 Oğ CD4 bildet T-Killer- zelle T-Helfer- zelle T-Entzün- dungszelle Plasma- zelle zerstört Antigen- Antikörper- Komplex Plasmazelle Zerstörung infizierter oder entarteter Zellen Spezifische Abwehr Regulation der Immun- antwort durch Sekretion. von Cytokinen Antigenpräsentation Synthese von Antikörpern infizierte Körperzelle baut ab Makrophage Gedächtniszelle speichert Merkmale des Erregers 55 humoral Kontakt mit B-Zellrezeptoren B-Lymphocyt Prozessierung Antigen präsen- tierender B-Lymphocyt Bildung und Klonierung Plasmazelle Antikörper Aktivierung durch Interferone variable Region Disulfidbrücken konstante- Region Immunantwort Primärantwort Antigen Antigen-Antikörper-Reaktion: Der gebildete Immunkomplex immobilisiert Antigene und bereitet sie für den Abbau vor. Makrophage B-Gedächtniszelle Phagocytose durch Antigen präsentierender kompetenter Makrophage z.B. IgG-Antikörper Gelenk-Region Prozessierung T-Helferzelle Erkennung und Aktivierung T-Helfergedächtniszelle Sekundärantwort Antigen schwere Kette leichte Kette Aktivierung durch Interleukine T-Gedächtniszelle zellulär infizierte Körperzelle Aktivierung durch präsen- tierte Epitope T-Killerzelle Bildung und Klonierung aktive Killerzelle Bindung und Lyse infizierter Körperzellen durch Perforation der Zellmembran 56 Bau und Funktionsweise der Antikörper Bindungsstelle für Antigen leichte Kette schwere Kette ANTIKÖRPER variable Region der schweren Kette variable Region der leichten Kette konstante Region der schweren Kette Antigen mit Bindungsstelle für Antikörper bestehen meist aus mehreren Proteinketten → bilden Y-förmiges Molekül ➡2 große were, H) & 2 kleine (leichte, L) Proteinketten sind über Disulfidbrücken (-S-S-) verbunden ➡ größter Teil des Moleküls bei allen Antikörpern einer Klasse identisch: konstante Region (c) ➡ für jeden Antikörper einer Art spezifisch (variable Region (v)): Aminosäuresequenz am Ende der beiden ,,Arme" variable Regionen (v) bilden 2 Antigenbindungsstellen, die mit bestimmten Antigenabschnitten, den Epitopen, wie Schlüssel & Schloss zusammenpassen zwischen ,,Armen" & ,,Fuß" befinden sich Gelenkstellen → Abstand der ,,Arme" kann sich bei der Bindung an 2 Antigene verändern ➡ ,,Fuß" kann sich nicht an Antigen anlagern aber kann Zelloberflächen binden und Komplementsystem aktivieren 57 Arten von Antikörpern IgG Disulfid-Brücke Verbindungskette IgD Verbindungskette IgE IgM IgA häufigster Antikörper in Blut & Lymphe Schutz vor zirkulierenden Bakterien, Viren & Toxinen Komplementaktivierung nach Infektion erster Antikörper im Blut hohe Effizienz durch viele Bindungsstellen Agglutination von Antigenen Komplementaktivierung Antigenrezeptor der B-Lymphozyten notwendig für Differenzierung dieser in Plasma- & Gedächtniszellen Sekretorisches Protein in allen Körpersekreten, wie Speichel, Schweiß & Tränen auf Schleimhäuten & im Darm verhindert Anheftung von Viren & Bakterien auf Epithelien bindet mit Fußregion an Mastzellen & basophile Granulozyten (→ Histaminausschüttung allergische Reaktion) Wurmparasitenabwehr 58 = Überreaktion des Immunsystems auf Allergene ➜ Allergene = Antigene aus der Umwelt (z. B. Pollen & Tierhaare) Ablauf 1. Kontakt (z. B. mit Schleimhaut) mit Allergen = Sensibilisierung 2. Abwehrreaktion Ausschüttung von IgE (Antikörpern) → Aktivierung der Mastzellen Allergene binden an Mastzellen erneuter Kontakt mit Allergen → deutlich erhöhte Ausschüttung von IgE → Problem: erhöhte Ausschüttung von Histamin Symptome ALLERGIE Erweiterung der Blutgefäße → Blutdruck fällt ab →anaphylaktischer Schock Schwellung und Rötung der Haut Niesen Asthma IMMUNISIERUNG Ziel: Immunität gegen Krankheiten erwerben, ohne die Krankheit durchlebt zu haben Aktive Immunität Arten: aktive & passive Immunisierung | Immunisierung durch mRNA Immunität, die nach dem Überstehen einer Infektionskrankheit auftritt → Körper bildet Antikörper und Gedächtniszellen beruht auf dem Besitz erregerspezifischer Antikörper und Gedächtniszellen kann natürlich und künstlich durch Impfung erworben werden → Impfstoff: abgeschwächte Bakterien bzw. Viren (gezüchtet im Labor) keine sofortige Immunität, da Antikörper vom Körper erst gebildet werden müssen Passive Immunität Antikörper und Gedächtniszellen werden von einem Organismus auf einen anderen übertragen kann natürlich und künstlich durch Impfung erzeugt werden → Impfstoff: Antikörper von Tieren / Menschen, die Krankheit bereits durchlebt haben sofortige, aber nur wenige Wochen anhaltende Immunität Immunität durch mRNA körpereigene Immunantwort soll angeregt werden gehört deswegen zur aktiven Immunität Impfstoff: Sequenz der mRNA, die onen für den Virus enthält (Programmierung am Computer) → mRNA enthält Infos für den ,,Bauplan" für die Virus-Antigene mit Hilfe körpereigener Ribosomen werden die Antigene vom Körper hergestellt → Zellen unseres Körpers präsentieren diese Antigene auf der Zelloberfläche präsentiertes Antigen löst nun spezifische Immunantwort aus 59 = Wissenschaft, die sich mit der Veränderung der Lebewesen über die Zeit beschäftigt - EVOLUTION → HISTORIE Carl von Linné (1707-1778) - Begründer der Systematik (Schöpfung durch Gott) - vertrat Lehre der Artkonstanz - Ordnungssystem: teilte Pflanzen nach Blütenorganen und Tiere nach anatomischen und physiologischen Merkmalen Georges de Cuvier (1767-1832) - Katastrophentheorie brachte geologische Erkenntnisse mit der von ihm angenommenen Konstanz der Arten in Einklang - Naturkatastrophen vernichten Leben in größeren Zeitabständen → betroffene Regionen durch Neuschöpfung durch Gott und Zuwanderung wieder besiedelt Jean Baptiste de Lamarck (1744-1829) - Evolutionstheorie von einem kontinuierlichen Artenwandel - Ursache des Artenwandels sah er durch Umweltveränderungen hervorgerufene veränderte innere Bedürfnisse und Gewohnheiten (z. B. Giraffe) - keine Belege für Vererbung erworbener Eigenschaften →scheidet aus Charles Darwin (1809-1882) - Theorie der Abstammung durch natürliche Auslese (1859) - stellt Abstammung der heutigen Lebewesen von früheren, einfachen Formen dar → begründet so die Vielfalt der Arten - Ursachen dieser Evolution durch natürliche Auslese / Selektion 60 Definition Selektion ist ein Evolutionsfaktor und bezeichnet die Auswahl bzw. Auslese bestimmter Individuen. Neben Mutation und Rekombination zählt die Selektion zu den wichtigsten bekannten SELEKTION Evolutionsfaktoren. Eine natürliche Selektion erfolgt stets am Phänotyp, also am äußeren Erscheinungsbild des Organismus. Nach den Erkenntnissen Darwins entscheidet die Umwelt über das Überleben eines Organismus mit seinen spezifischen Eigenschaften. Allgemeines natürliche Auslese wirkt der Variabilität der Mutationen und Rekombinationen entgegen Mutationsdruck und Selektionsdruck (der Population) verändern zusammen mit Rekombination die Allelhäufigkeit des Genpools → durch Mutation und Rekombination ungerichtet → durch Selektion gerichtet besser angepasste Lebewesen können mehr Nachkommen erzeugen → bringen mehr von ihren Allelen in Genpool ein Fitness unterschiedlicher Fortpflanzungserfolg genetische Bürde → Abweichung von der mittleren Fitness zu denjenigen mit dem besten Genpool Bsp.: Birkenspanner gibt helle und dunkle Form auf Flechten bedeckter Birkenrinde erkennt man die Dunklen sofort, jedoch sind die Hellen getarnt → Dunkle leichter von Vögeln erbeutet durch Industrie verschwanden Flechten auf Birken und Ruß auf der Rinde entstand Dunkle hatten Vorteil → breiteten sich stark aus = Industriemelanismus Darwins Schlussfolgerungen seiner Selektionstheorie durch Überpopulation entsteht Kampf ums Dasein, da der Stärkere überlebt im Wettbewerb um Nahrung und Lebensraum überleben nur die an die Umwelt besser angepassten Individuen → natürliche Auslese sorgt über längeren Zeitraum für Veränderung der Arten Voraussetzung: ungerichtete erbliche Variation der Individuen und natürliche Auslese Bsp.: Giraffe Balancierter Polymorphismus verschiedene Allelfrequenzen bleiben dauerhaft in einem bestimmten Gleichgewicht zueinander erhalten Beispiel: afrikanische Finkenart innerhalb einer Population haben Vögel unterschiedlich große Schnäbel Vögel mit mittlerem Schnabel fehlen Vögel mit kleinem Schnabel fressen Samen Vögel mit großem Schnabel knacken größerer Samen Vögel mit mittlerem Schnabel könnte keine der beiden Samen effizient öffnen Nahrung selektiert Vögel mit unterschiedlichem Schnabel → erhält oder balanciert verschiedenartige Merkmale 61 Wirken der Selektion Stabilisierende Selektion Gerichtete Selektion Aufspaltende Selektion Präadaptation Selektionsfaktoren Abiotische Selektionsfaktoren Biotische Selektionsfaktoren Sexuelle Selektion Künstliche Zuchtwahl Selektionsdruck von beiden Seiten ● am häufigsten vorkommende Varianten begünstigt ● extreme Formen benachteiligt ● Mittelwert stabil Variationsbreite nimmt ab Selektionsdruck von einer Seite am häufigsten vorkommende Variante benachteiligt extreme Formen begünstigt ● Mittelwert verschiebt sich ● Variationsbreite bleibt - ● Selektionsdruck wirkt auf häufigste Form am häufigsten vorkommende Variante benachteiligt beide extremen Varianten begünstigt ● Population spaltet sich in zwei Teile ● Variationsbreite jeweils schmaler ● ● der Lebensraum einer Population ändert sich rezessive Merkmale können von Vorteil sein •? Möglichkeit der Anpassung an neue Umweltbedingungen Anpassung vor Eintritt des Selektionsdrucks Geografische Isolation - Separation Einflüsse der unbelebten Natur haben Einfluss auf die Population ● Bsp. Kälte, Hitze, Trockenheit, Feuchtigkeit • Einflüsse durch andere Lebewesen zwischenartliche Selektion (Fressfeinde, Parasiten) innerartliche Selektion (Konkurrenz um Nahrung, Geschlechtspartner, Brutreviere) ● ● Auslese je nachdem, welches Merkmal vom Sexualpartner bevorzug wird Züchter nutzt nur Individuen für die Zucht mit den gewünschten Merkmalen ● Bsp. Taubenrassen Definition die Unterbindung der Paarung, wie sie für Angehörige verschiedener Arten typisch ist, aber auch zwischen den Individuen einer Art oder Population entstehen kann ISOLATION Population räumlich voneinander getrennt welche Barrieren wirksam sind, hängt von der Art und Weise der Verbreitung der Organismen ab, so stellen die Ozeane für z.B flugunfähige Landtiere eine Barriere dar Beipsiel: Darwinfinken: Verschleppung und Auswanderung ebenfalls Separationsereignisse Folgen der Isolation: Trennung von Individuen einer Population, entstandene Teilpopulationen entwickeln sich unabhängig voneinander weiter, Entstehung neuer Arten über lange Zeiträume 62 ➤ Klimatische Veränderungen: können dazu führen, dass ein zunächst zusammenhängendes Siedlungsgebiet einer Art in Teilgebiete getrennt wird → Beispiel: Europäische Krähen wurden durch das Vordringen der Gletscher in eine westliche und östliche Population getrennt. → Beispiel: hochalpine Pflanzenarten in den Alpen und in Skandinavien (gingen aus einer Stammpopulation während der Eiszeit hervor) Große Entfernungen: große Entfernungen zwischen 2 Randgebieten führen zur Bildung neuer Arten und der Genfluss wird wegen der erschwerten Paarung eingeschränkt ➤ Tektonische Veränderungen und Änderungen des Meeresspiegels → Gebirgsentstehung, Kontinentaldrift und Eiszeiten → Barriere groß genug →→ unterschiedliche Entwicklung der Populationen → können zu unüberwindbaren Barrieren führen Ökologische Isolation - Einnischung Zeitlich: Einnischung: Spezialisierung einer bestimmten Art auf eine ökologische Nische Ökologische Nische: Summe aller Wechselwirkungen zwischen einer Art und ihrer Umwelt Gruppen werden sich ,,fremd", sodass sie sich nicht mehr miteinander fortpflanzen, wodurch neue Arten entstanden sind (Artspaltungsprozess) mehrere Arten entstehen (Tochterarten bilden unterschiedliche ökologische Nischen, weil sich die Lebensansprüche ändern) findet nur dann statt, wenn die Fortpflanzungsfähigkeit zwischen ihnen durch zusätzliche Merkmalsänderungen eingeschränkt/ unterbunden wird Räumlich: Funktionell: - unterschiedliche Aktivitäten zu bestimmten Tages- bzw. Jahreszeiten - unterschiedliche Fortpflanzungszeiten und Brutpflege - unterschiedlicher Ort der Nahrungssuche - Parasiten spezialisieren sich auf bestimmte Körperteile des Wirts - unterschiedliche Nutzung des Nahrungsangebots - unterschiedliche Einnischung bezüglich der Temperatur Reproduktive Isolation Reproduktive Isolation verhindert, dass Populationen verschiedener Arten sich untereinander kreuzen, selbst wenn ihr Verbreitungsgebiet sich überschneidet kein Genfluss mehr durch eine oder mehrere Fortpflanzungsbarrieren Isolationsmechanismen: Zeitliche Isolation: - Arten können sich nicht mehr miteinander fortpflanzen, weil sie sich zu unterschiedlichen Tages- oder Jahreszeiten fortpflanzen ➡Mechanische Isolation: Aufgrund der unterschiedlichen Größe und Form der Fortpflanzungsorgane können bestimmte Arten sich nicht miteinander fortpflanzen Verhaltensisolation: - Begattung durch unterschiedliches, nicht aufeinander abgestimmtes Verhalten verhindert - unterschiedliches Balz- und Paarungsverhalten - Geschlechtspartner finden und akzeptieren sich häufig anhand angeborener, arttypischer Signale 63 ENTSTEHUNG NEUER ARTEN & ADAPTIVE RADIATION Allopatrische Artbildung werden genetischen Unterschiede so groß, dass sich die Individuen nicht mehr untereinander paaren können, besteht fortan kein Genfluss mehr → ursprüngliche Art allopatrisch in neue Arten aufgespalten Prozess: setzt eine geografische Isolation von mindestens zwei Teilpopulationen voraus Arten entwickeln sie sich in den getrennten Teilen des Verbreitungsgebietes zunehmend unabhängig voneinander weiter Sympatrische Artbildung Entstehung einer neuen Art durch Abtrennung oder Neubildung in einem Gebiet 1. zwei verschiedene Arten existieren nebeneinander 1. Ursprungspopulation und geografische Isolation 2. zufällige und verschiedene Mutationen treten in den Populationen auf 3. Mutationen verbreiten sich im Genpool der jeweiligen Teilpopulation 4. Genfluss zwischen beiden Teilpopulationen ist nicht mehr möglich 2. Fortpflanzen der Arten, wobei es zu Hybriden kommt 3. durch Formen der Polyploidisierung kann es doch passieren, dass Hybriden sich fortpflanzen können → die Gruppe der ursprünglichen Hybriden bildet eine neue Art Prozess: Adaptive Radiation Definition: Der Prozess, in dem sich im Laufe der Evolution eine ursprüngliche Gründerart auf mehrere Teilpopulationen auffächert, indem sich die Lebewesen an spezielle Umweltbedingungen anpassen. Ergebnisse 1. Besiedlung eines neuen Lebensraumes • wenig Fressfeinde, viel Nahrung, kaum Konkurrenz • Art kann sich dort schnell vermehren und verbreiten 2. innerartliche Konkurrenz und Einnischung • durch innerartliche Konkurrenz wird Art gezwungen sich an bestimmte Umweltbedingungen anzupassen • einzelne Individuen besetzten jetzt eine andere ökologische Nische 3. Separation und reproduktive Isolation • Individuen unterscheiden sich immer mehr voneinander, halten sich räumlich getrennt auf • Bildung von Teilpopulationen durch Mutation, Rekombination, Gendrift und Selektionsfaktoren • Arten können sich nicht mehr untereinander fortpflanzen neue Teilpopulationen stehen jetzt nicht mehr in Konkurrenz zueinander und besetzen unterschiedliche ökologische Nischen → Koexistenz möglich wenn eine Art adaptive Radiation öfter durchläuft, dann entwickeln sich mehrere verschiedene Arten aus der ursprüngliche Gründerart Wenn Individuen der neu entstandenen Art zurück in das Ursprungsgebiet gelangen: → Konkurrenz: Aussterben einer Art oder Ausweichen einer Art auf eine andere ökologische Nische → keine Konkurrenz: neu entstandene Art hat sich im neuen Gebiet derart entwickelt, dass sie unmittelbar eine freie ökologische Nische im Ursprungsgebiet besetzt 64 Homologie Homologe Organe sind Organe mit gleichem Grundbauplan und gleichem phylogenetischem Ursprung. Sie können in Anpassung an unterschiedliche Funktionen spezifische Veränderungen aufweisen. gleiche Grundaufbau lässt auf eine gemeinsame Abstammung schließen → wird auf das gleiche, für die verschiedenen Formen jedoch leicht abgewandelte genetische Entwicklungsprogramm zurückgeführt viele Organe im Laufe der Evolution → Funktionswechsel →, können sie sehr unterschiedlich gestaltet sein ERGEBNISSE DER EVOLUTION Zum Nachweis von Homologien → drei Homologiekriterien vorgeschlagen 1. Das Kriterium der Lage - Zwei Strukturen oder Organe = homolog → gleiche Stellen im Gefügesystem oder Bauplan verschiedener Organismen - Bsp: die Brustflossen eines Delfins, die Flügel eines Vogels und das Grabbein eines Maulwurfs sind homolog 2. Das Kriterium der spezifischen Qualität - Strukturen oder Organe, die während der Stammesgeschichte die Lage im Gefügesystem verschiedener Arten verändert haben, können trotzdem homolog sein → wenn sie in zahlreichen Einzelheiten ihres Baus übereinstimmen - eine unabhängige Entwicklung zweier ähnlicher Strukturen wird umso unwahrscheinlicher wird, je komplexer ihr Aufbau ist - Bsp: die Hautschuppen eines Hais mit den Zähnen der Säugetiere können homologisieren. 3. Das Kriterium der Verknüpfung durch Zwischenform (Stetigkeitskriterium) - Bei verschiedenen Arten können einander sehr unähnliche und verschiedene gelagerte Strukturen oder Organe trotzdem homolog sein → wenn sich bei anderen Arten eine Reihe von Zwischenformen finden lassen, die Übergänge zwischen den beiden Extremen erkennen lasse. - Bsp: der Blutkreislauf der Fische dem der Säugetiere sind homolog, da mit dem Kreislaufsystem der Amphibien und der Reptilien deutliche Übergänge vorhanden sind Rudimentäre Organe sind rückgebildete Organe haben im Verlauf der Evolution ihr ursprüngliche Funktion ganz oder teilweise verloren und sind nur noch als Organreste vorhanden Atavismen stehen oft am Ende einer Regressionsreihe → lassen sich durch ihre Reihung aus Strukturen voll funktionsfähiger Organe verwandter Arten ableiten Bsp: Bartenwale besitzen im Körperinneren funktionslose Reste des Beckengürtels und des Oberschenkelknochens. Sie zeigen, dass Bartenwale von vierfüßigen Vorfahren abstammen. Als diese vom Land zum Lebensraum Wasser übergingen, wurden die Hintergliedmaßen funktionslos sind nur gelegentlich bei einzelnen Individuen einer Art ausgebildete Strukturen, die an frühere stammesgeschichtliche Zustände erinnern gelten als Rückschläge in phylogenetisch frühere Stadien → weisen darauf hin, dass die verantwortlichen Gene noch vorhanden, aber normalerweise unterdrückt sind Beispiele: - Verlängertes Griffelbein mit Zehenknochen und Huf bei Pferden - Schwanzartig verlängertes Steißbein beim Menschen, zwei Leisten zusätzlicher Brustwarzen, starke Behaarung und Halsfistel (offene Kiemenspalte) beim Menschen 65 Homologien aus Entwicklung und Verhalten biogenetische Grundregel: nach Ernst Haeckel: Die Keimesentwicklung (Ontogenese) verläuft wie eine kurze, schnelle und unvollständige Wiederholung der Stammesgeschichte (Phylogenese). nicht alle Strukturen der stammesgeschichtlichen Vorfahren voll und funktionsfähig ausgebildet. Bsp: der menschliche Embryo besitzt keine funktionsfähigen Kiemenspalten, sondern nur Anlagen für funktionsunfähige Kiementaschen gemeinsame Abstammung und Verwandtschaft erklärt das Anlegen bestimmte Organe in der Individualentwicklung und das Fehlen dieser in erwachsenen Individuen Verhaltensweisen Angeborene Verhaltensweisen von Tieren derselben Art laufen in weitgehend gleicher, erblich festgelegter Weise ab. Dabei zeigen Verhaltensweisen verwandter Arten gemeinsame Elemente, die sich ähnlich wie Körpermerkmale homologisieren lassen. → Das Homologisieren von Verhaltensweisen wird dann erschwert, wenn vererbtes Verhalten stark vom erlernten Verhalten überlagert wird. Dies gilt besonders für den Menschen Analogie Analoge Organe sind Organe mit verschiedenem Grundbauplan, die in Anpassung an gleiche Funktionen Ähnlichkeiten aufweisen. Es handelt sich dabei um eine Funktionsähnlichkeit. Beispiel: Vorderbeine Maulwurf und Maulwurfsgrille unterschiedlichen Grundbauplan mit Innenskelett bzw. Außenskelett und unterschiedliche Vorfahren Analogien dürfen nicht zum Nachweis von Verwandtschaft benutzt werden, da die Ähnlichkeit analoger Organe nicht durch Abstammung von einem gemeinsamen Vorfahren zustande kam. Konvergenz Die stammesgeschichtliche Entwicklung ähnlicher Formen aus unterschiedlichen Ausgangsstrukturen in Anpassung an gleiche Funktionen wird als Konvergenz bezeichnet. Es können sich sowohl homologe, als auch analoge Organe konvergent entwickeln. Beispiel: Sowohl bei den Beuteltieren, als auch bei den Säugetieren, entwickelte sich ein Raubtier mit großen Übereinstimmungen. Beutelwolf bei den Beuteltieren und der Wolf bei den Säugetieren der Wolf. Konvergenzen eignen sich auch dann nicht dazu, Verwandtschaft nachzuweisen, wenn sie homologe Organe betreffen. Allgemein FOSSILIEN versteinerte Reste von vorzeitlichen Lebewesen (auch Lebensspuren wie Abdrücke, Verfärbungen, Fraßgänge) Zeugen vergangener Lebensräume dienen als Hinweise auf ehemalige geographische und ökologische Verhältnisse Fossilisation =Bildung von Fossilien wichtigste Voraussetzung: Fehlen von Sauerstoff, rasche Einbettung in Sedimente und deren Verfestigung Sedimente: abgelagerte Verwitterungsprodukte der Erdkruste, z.B.Kiese, Sande (teilw. verfestigt) Versinken in bestimmte Schichten und Verwesung in der Regel nur Übrigbleiben von Hartteilen wie Knochen, Schalen, Zähne durch Überlagerung von anderen Schichten Umwandlung in Festgestein auch fossile Reste versteinern durch Einlagerung von Mineralen durch Abtragung Wiederfreilegung 66 Unterteilung in... Körperfossilien: vollständig erhaltene Körper von Lebewesen, teilweise erhaltene Hartteile, Weichteile Steinkerne: Entstehung bei Hinterlassen eines Hohlraumes durch ein Lebewesen, später Vollständige Füllung mit Sediment → nach Auflösen Schale nur noch Innenabdruck Spurenfossilien: Hinweise auf Leben, die nicht Lebewesen selbst betreffen (Bspw. Fußabdrücke, Grabspuren, Eier, Nester) Inkohlung: Zersetzung organischer Stoffe zu Kohlenstoff unter Luftabschluss z.B. Einschlüsse in Bernstein Leitfossilien → Fossilien, die nur in einem bestimmten Abschnitt der Gesteinsschichten vorkommen, aber weit verbreitet sind. → Bsp.: Trilobiten Fundorte häufig in Flachmeeren, Sümpfen, Flugsand, Asphaltseen oder Dauerfrostböden in Bernstein (fossiles Harz früherer Nadelbäume) Bekannte Fundstätten: Steinheim an der Murr- Homo steinheimensis Häufigkeit sehr selten → vollständiges Bild des Evolutionsablaufes von Fossilien unwahrscheinlich Altersbestimmung relative Altersbestimmung: -desto tiefer Fossilien in bestimmter ungestörter Schichtenfolge desto älter sind sie (stratografisches Alter) -Vergleich mit heute ablaufenden Ablagerungsprozessen ermöglicht Schätzung des relativen Alters einer Schicht und seiner Fossilien absolute Altersbestimmung: -beruht auf zerfall radioaktiver Isotope im Fossil selbst oder im umliegenden Gestein (radiometrische Datierung) -Geschwindigkeit abhängig von äußeren Einflüssen -Kenntnis von Halbwertszeit und Mengenverhältnis ermöglicht Berechnung der Zeit der Einstellung des Mengenverhältnisses Kalium-Argon-Methode: -Anwendung bei vulkanischem Gestein -beruht auf dem Zerfall radioaktiven Kaliums zu Argon mit einer Halbwertszeit von 1,3 Milliarden Jahren -bei Vulkanausbruch: Entweichen Argon →durch Zerfall Kalium neues Argon →Bestimmung des Gehalts →Alter der Lava Ergebnisse der Paläontologie →Wissenschaft, die sich mit dem Leben vergangener Erdzeitalter befasst 1. Zuordnung fast aller Fossilien durch Homologie Kriterien zu heute vorkommenden Tier- & Pflanzenarten 2. Größere Abweichungen on heutigen Formen desto älter Fossilien sind & nicht alle von Anfang an vertreten 3. zunehmende Kompliziertheit und Rückbildung einiger Merkmale im Verlauf der Zeit 4. nacheinander Auftreten verschiedener systematischer Gruppen (neue Einteilungen) z.B. Lurche 5. Evolutionsvorgänge unumkehrbar (kein gleiches Auftreten Merkmale ausgestorbener Lebewesen) 6. Beschränkung der meisten Arten auf bestimmte geologische Epoche & anschließendes Aussterben 7. nur wenige Formen überdauerten längere Perioden unverändert Bedeutung für die Evolutionstheorie Dokumente der Lebensgeschichte sind in ihrer Vielfalt die wichtigsten Argumente für die Evolutionstheorie ehemalige Vielfalt nur aus heutigen Formen nicht zu begreifen 67 Tarnung (Krypsis) ist bei Tieren der Vorgang oder Zustand, der darauf abzielt, irreführende Signale an ein anderes Lebewesen zu senden simpelster und effektivster Mechanismus zur Reduktion des Prädationsrisikos Somatolyse Farbänderung Die Fähigkeit zur Änderung der Körperfarbe, um sich der Umgebung so nah wie möglich anzugleichen, ist oft eine Schutzvorrichtung und wurde von den unterschiedlichsten Tierarten unabhängig voneinander entwickelt z.B. Chamäleon, Schneehase, Kraken, Kalmaren Chemische Tarnung ● beschreibt das Verschmelzen eines Lebewesens mit seiner natürlichen Umgebung durch eine besonders gemusterte und manchmal auch farblich mit der Umgebung abgestimmte Tracht - das Tier wird gewissermaßen unsichtbar. dient meist dazu, natürlichen Feinden zu entgehen oder von potenzieller Beute so spät wie möglich entdeckt zu werden z.B. Löwe, Zebra Industriemelanismus Melanismus Ist die Dunkelfärbung von u. a. Haut, Haaren, Federn oder Schuppen durch Melanin z.B. Birkenspanner Akustische Tarnung Mimese → ● ● TARNEN & TÄUSCHEN leben in Seeanemonen, ohne von dieser genesselt zu werden gelingt ihnen, indem sie von der Seeanemone bestimmte chemische Substanzen als Schutzstoffe übernehmen z.B. Anemonenfische Z.B.: Für Schmetterlinge aus Familie der Bärenspinner wurde nachgewiesen, dass eine wohlschmeckende Art die Geräusche einer unschmackhaften Art nachahmt und daher beide Arten von Fledermäusen nicht gefressen werden Der Totenkopfschwärmer kann mit seinem Rüssel einen zirpenden Ton erzeugen, der den Lauten einer Bienenkönigin ähnelt Fähigkeit bestimmter Tiere, sich zu tarnen, indem sie sich in Färbung, Gestalt o. Ä. der belebten und unbelebten Umgebung anpassen Arten: Allomimese: Nachahmen eines Gegenstands Pythomimese: Tiere passen sich dem Aussehen von Pflanzen an Zoomimese: Anpassung des äußerlichen Erscheinungsbildes an ein anderes Tier 68 Mimikry Als Mimikry wird in der Biologie die Ähnlichkeit von Tieren einer bestimmten Art mit denen einer zweiten Art bezeichnet, so dass Tiere einer dritten Art die beiden anderen Arten nicht sicher voneinander unterscheiden können und miteinander verwechseln. Schutzmimikry → Imitation von Vorbildern, die z. B.potentielle Fressfeinde abschrecken Lockmimikry → Imitation von Vorbildern, die z. B. für potentielle Beute oder für Bestäuber attraktiv sind Signalfälschung Jedes Mimikry-System besteht aus Vorbild, Nachahmer (Mimet) und Signalempfänger, der in annähernd gleicher Weise auf Vorbild und Nachahmer reagiert Mimikry-System bewirkt durch spezifisch Gestalten, Farben oder Gerüche eine Täuschung des Signalempfängers, dem gleichsam ein „gefälschtes" Signal zukommt der Signalempfänger interpretiert dies entweder als Verlockung, als Gefahr oder als für ihn irrelevant Mimikry-Arten 1. Bates'sche Mimikry beschreibt die Tarnung als Schutzmimikry bei der sich Lebewesen anderen Lebewesen anpassen z.B. Wespenschwebfliege 2. Müller'sche Mimikry Lebewesen ahmen die Eigenschaften einer ungenießbaren Art nach, sodass sie keine Fressfeinde mehr anlocken z.B. Ameisenspringspinne 3. Merten'sche Mimikry Eine gefährliche oder ungefährliche Art passt sich einer mäßig gefährlichen Art an. z.B. Familie der Korallenotter 4. Peckham'sche Mimikry beschreibt eine Anpassung an die Umwelt zur Anlockung von Beute. z.B. der Seeteufel bildete eine Angelrute um Fische anzulocken 69 NEUROBIOLOGIE Sinnesorgane: sind die einzigen Informationskanäle zwischen der Umwelt und dem zentralen Nervensystem (ZNS) Sinn: alles was wir über unsere Umwelt wissen, gelangt über die Sinne in unser Bewusstsein (Sehen, Hören, Riechen, Schmecken, Sehen, Fühlen, Gleichgewichts- & Lagesinn) sensorische Nervenzellen Reiz: eine äußere Einwirkung, die z. B. durch Sinneszellen (Rezeptoren) aufgenommen werden → bewirkt an nachgeschalteten Nervenzellen elektrischen Impuls lon: Materieteilchen mit 1-3 positiven (Kation) oder negativen (Anion) Elementarladungen (in Atomgröße) lonenbildung: Entstehung von elektrisch geladenen atomaren Teilchen aus den chemischen Elementen Reaktion: ist die Beantwortung eines Reizes durch einen Organismus oder einer seiner Teile (der Organe) Reiz-Reaktionskette: Aufnahme von Reizen und Beantwortung des Organismus auf Reize DEFINITIONEN Rezeptor / Sinnesorgane REIZ ZNS motorische Nervenzellen Erfolgsorgan REAKTION 70 Nervenzelle: Synapsen Zellkern Axonhügel 기 Myelinscheide Nervenfasern andere Nervenzellen Schwann'sche Zelle Endknöpfchen Bestandteil Zellkörper Dendriten Axon 0000 Schwann'sche Zelle präsynaptische Endigung (Endknöpfchen) Perikaryon Nerv Mitochondrium. Axon NERVENZELLE raues ER Kollaterale Dendriten Ranvier'scher Schnürring Nerv: a Axcu Myelinscheide Blutgefäß d Nervenfaser- b с bindel • Bindegewiche e CS Mit CamScanner gescann Funktion Wachstum der Zelle geht vom Zellkörper aus steuert Stoffwechsel empfangen Signale von anderen Nervenzellen leitet Signale weiter isoliert das Axon (elektrische Isolation) Übertragung von Signalen an Empfängerzellen b 71 Membranpotenzial → Lebewesen bestehen zu 80% aus Wasser → Wasser + Salz => Salzlösung BIOELEKTRIZITÄT freibewegliche Ladungsträger elektrische Leitfähigkeit Kationen (Me¹) wandern nur zur negativ geladenen Elektrode Anionen (X) wandern nur zur positiv geladenen Elektrode Biomembranen fast völlig unpassierbar für lonen → elektrisch isolierend → Ladungstrennung → Potenzialdifferenz kann aufgebaut werden (= Spannung zwischen negativen und positiven Pol) = MEMBRANPOTENZIAL (→ entsteht, wenn lonen ungleich verteilt sind → Membran stellt elektrisch erende Schicht dar) Tunnelproteine sind selektivpermeabel → Membranen regeln über offene Kanäle den Stromfluss Konzentrationen der lonen innerhalb und außerhalb der Membran unterschiedlich (tierische Zellen) Zelle innen: arm an Natrium-Ionen (Na+) & Chlorid-lonen (CI) reich an Kalium-Ionen (K*) & weiteren Anionen Zelle außen: umgekehrt → Potenzialdifferenz (Membranpotenzial) bildet sich aus Ruhepotenzial Beteiligung Na* /K* Zellen im Inneren negativ geladen Kaliumkanäle lassen nur K* passieren K+-Konzentration innen hoch / außen niedrig → Ausstrom wird benötigt → Überschuss an negativer Ladung im lon (außen wenig K+) → zunehmend negative Ladung im Inneren behindert Ausstrom von K+ (Elektromotorische Kraft) = negative Ladung im zellinneren messbar → Gleichgewicht entsteht Aufrechterhaltung des Ruhepotenzials durch Na* / K*-Pumpe - Na* aus Zelle heraus - K* in Zelle hinein aktiver Stofftransport (unter Verbrauch von ATP) →Ruhepotenzial nötig für das Auslösen eines Aktionspotenzials Aktionspotenzial läuft nach alles-oder-nichts-Prinzip ab Natrium- / Kaliumkanäle sind spannungsabhängig Depolarisation (Membranpotenzial nimmt ab→ wird positiver) → wenige Natriumkanäle öffnen sich → Nat strömt ein → Membran depolarisiert Schwellenwert muss erreicht werden Spannung in mV → Aktionspotenzial ausgelöst +40- 0+ -50+ -70 -100+ Depolarisation 4 larisation Hyperpola- risation 6 Schwellenwert Ruhepotential 8 Zeit in ms 72 weitere Na*-Kanäle öffnen sich → Na*-Einstrom → stärkere Depolarisation je positiver das Membranpotenzial, desto mehr Nat-Kanäle öffnen sich = positive Rückkopplung wenn Natriumsgleichgewichtspotenzial erreicht (+50mV) schließen sich Nat-Kanäle → kein weiterer Na*-Einstrom ➜ Zellinneres jetzt positiv geladen Öffnung spannungsabhängiger Kaliumskanäle → K+-Ausstrom Zellinneres wird wieder negativer →Ruhepotenzial wieder eingestellt Refraktarzeit Depolarisierung bis zum Schwelled potenzial Depolarisierung, bis das Rembranpot positiv wird krypstign Repolarisierung durch Austrom von I Ab außen MOT innen außen innen (3) außen innen außen S CS Mit CamScannergest Nat-kanal geschlossen LA Na-Kanal offen A Na-Kanal inaktiviert НА Na-Kanal inaktiviert IA 73 ohne Myelinscheide (Wirbellose) ERREGUNGSLEITUNG IM AXON während des Aktionspotenzials in Zellinneres vorübergehend positiv geladen Bereiche vor und hinter dem Aktionspotenzial sind negativ geladen →seitlicher Stromfluss in beide Richtungen → Membranbereiche vor und hinter dem Aktionspotenzial werden depolarisiert → wenn Schwellenwert erreicht ist, dann ist Erregung angekommen ➜Strömchentheorie mit Myelinscheide (Wirbeltiere) Aktionspotenzial entsteht am Ranvier'schen Schnürring → Zellmembran am folgenden Schnürring wird depolarisiert → neues Aktionspotenzial ausgelöst rückfließender Strom ohne Wirkung, da dort Refraktärphase ➜saltatorische Erregungsleitung → besser, weil ... Leitung sehr schnell erfolgt Synapse Ablauf SIGNALÜBERTRAGUNG AN DEN CHEMISCHEN SYNAPSEN ... es energetisch günstiger ist, da Nat- K+-Pumpen nur im Bereich der Schnürringe arbeiten ist eine Verbindungsstelle zwischen einer Nervenzelle und einer folgenden Zelle (Nervenzelle an Nervenzelle = interneurale Synpase) (Nervenzelle an Muskelzelle = neuromuskuläre Synapse) (Nervenzelle an Drüse = neuroglanduläre Synapse) chemische Synapsen → Übertragung chemischer Substanzen elektrische Synapsen → Übertragung elektrischer Signale Aktionspotenzial trifft in präsynaptischer Endigung ein → Depolarisation der Zellmembran spannungsabhängige Ca²+-Kanäle öffnen sich → Ca²+-Einstrom → Ca²+-Konzentration in der präsynaptischen Endigung steigt Signal für die Verschmelzung des Vesikels mit der Zellmembran Abgabe des Neurotransmitters in den synaptischen Spalt Neurotransmitter diffundiert durch den Spalt Neurotransmitter bindet an transmittergesteuerten lonenkanälen → Öffnung der Kanäle →loneneinstrom durch loneneinstrom Änderung des Membranpotenzials Depolarisation → wenn Schwellenwert erreicht, dann Aktionspotenzial Neurotransmitter werden ... aktiv in präsynaptische Zelle zurücktransportiert enzymatisch abgebaut und in präsynaptische Zelle zurücktransportiert → Bildung neuer Neurotransmitter ... verstoffwechselt und in Energie umgewandelt (als Energielieferant) ➜zeitlich begrenzte Wirkung 74 spannungsabhängiger Ca2+ lonenkanal Acetylcholin-Synthese Muskelzelle postsynaptische Membran 4. Öffnung spannungsabhängiger Cat-Kandle: Co² strömt ein ("Konzentration in Abhängigkeit der AP-Frequenz SYNAPSEN 3. AP zum Axon 88 100 K+Na+ Rezeptorabhängige lonenkanäle 6. Keine Transmitter- Ausschüttung und keine Bindung an Na+ Kanäle WIRKUNG SYNAPSENGIFTE A Terminale synaptische Vesikel mit Neurotransmittern (Acetylcholin) präsynaptische Membran synaptischer Spalt 2. B-Komponente bindelan Vesikel. proleine 8. Kein Na-Einstrom 5. Kein Verschmelzen der Vesikel mit der Membran 7. Keine Öffnung der Na+-Kanäle 10. keine Muskelkontraktion 9. Keine Muskelpotentiale / AP Acetylcholinesterase Na 1. Botulinumtoxin dock! (mit der A-Komponente) an der Membran an 75 Bau des Auges Aufbau des Auges Bindehaut Vordere Augenkammer Licht Aufbau der Netzhaut Hornhaut Pupille (Öffnung) Regenbogenhaut (Iris) Tränenflüssigkeit brillen-sehhilfen.de Bindehaut Ganglienzellen (Axone = Sehnerv) CC-BY www.brillen-sehhilfen.de DAS AUGE Ziliarmuskel Linse Amakrinzellen Zonulafasern -Hintere Augenkammer Ziliarmuskel Glaskörper Zonulafasern Bipolarzellen Lederhaut O Horizontal- zellen Aderhaut Netzhaut (Retina) Gelber Fleck (Makula) Sehbahn (Sehnerv) Blinder Fleck Fotorezeptoren Ganglienzellen: leiten Nervenimpulse ans Gehirn (ca. 1 Mio. pro Auge) Amakrinzellen: verarbeiten Informationen der Horizontalzellen und Fotorezeptoren Bipolarzellen: verstärken und bündeln Infos der Horizontalzellen und Fotorezeptoren Horizontalzellen: verstärken und bündeln Infos der Fotorezeptoren Fotorezeptoren: wandeln Lichtprotonen in Nervenimpulse um 76 Rückenmark Nucleus NERVENZENTRALE GEHIRN Großhirn- rinde suprachiasmaticus Sehnerv-/ kreuzung Hypophyse (Hirnanhangsdruse) Hypothalamus Hinterer Pfeiler Sensorisches Horn Sensorische Wurzel SP Spinalnerv Zum Gehirn Balken Seitlicher Tractus spinothalamicus graue Substanz verlängertes Mark Rückenmark Zwischenhirn Epiphyse (Zirbeldrüse) -Bandscheibe Wirbelkörper Mittelhirn Vom Gehirn Brücke Kleinhirn -weiße Substanz motorische Nervenfasern Nachhirn sensorische Nervenfasern Kortikospinaltrakt Motorisches Horn Motorische Wurzel 77 SINNESZELLEN ALS REIZWANDLER Reizaufnahme und Reizwandlung sind Aufgaben der Sinneszellen oder Rezeptoren in den Sinnesorganen Rezeptortypen 5 Sinne: Sehen, Hören, Riechen, Schmecken, Tasten man ordnet Sinneszellen nach Reizart, für die sie besonders empfindlich sind: Chemorezeptoren: - sind Sinneszellen, die auf bestimmte chemische Substanzen ansprechen sind die Grundlage für den Geruchs- und Geschmackssinn → Fotorezeptoren: - sind lichtempfindliche Sinneszellen Thermorezeptoren: - sind Sinneszellen, die auf Temperaturunterschiede reagieren Mechanorezeptoren: - reagieren auf Verformung - ermöglichen unter Anderem das Hören, den Gleichgewichtssinn, den Tastsinn und die Wahrnehmung der Körperstellung Elektrorezeptoren: - reagieren sehr empfindlich auf Veränderungen im elektrischen Feld kommen bei Menschen nicht vor aber z. B. bei Haien & Elefantenfischen Gemeinsamkeiten der Rezeptoren: ➡alle Rezeptoren sind hochselektiv (Fotorezeptoren auf Licht, auf Schall aber gar nicht) Reizart (Modalität), für die Rezeptor besonders empfindlich ist, nennt man adäquaten Reiz ➡ Rezeptoren wandeln Reize in elektrische Erregung um auf adäquaten Reiz reagieren Rezeptoren mit Veränderung des Membranpotenzials → Ausgangssignal aller Rezeptoren gleich Informationsübertragung ans Gehirn Sinneszellen über Synapsen mit Nervenzellen verbunden → liefern Informationen über Erregung der Sinneszellen ans Gehirn solche zum zentralen Nervensystem führenden Nervenzellen nennt man sensorische oder afferente Neuronen → übermitteln alle ihre Informationen in Form von Impulsfolgen alle Aktionspotenziale gleich → Zuordnung zur dazugehörigen Reizmodalität dadurch, dass die Sinnesorgane mit jeweils unterschiedlichen Hirnregionen verknüpft sind → Empfindung und Wahrnehmung eines Umweltreizes erst im Gehirn möglich Außensegment Innensegment STÄBCHEN Discs Mitochondrien Golgi-Apparat / ER Zellkern synaptisches Endknöpfchen 78 Fotorezeption Elektrische Aktivität im Stäbchen: Lichtsinneszellen im Dunkeln (unerregter Zustand) leicht depolarisiert → wegen besonderen Natriumkanälen in Zellmembran des Außensegments, die im Dunkeln geöffnet sind → positive Ladungen strömen einerzeugt Dunkelstrom Na*-Einstrom wird durch Nat / K+-Pumpen und K+-Ausstrom im Innensegment ausgeglichen bei Belichtung schließen sich die Na*-Kanäle im Außensegment → Dunkelstrom vermindert sich, weil weniger positive Ladungen ins Stäbchen eindringen → Membranpotenzial wird niedriger (Hyperpolarisation) Erregungskaskade und Signalverstärkung: wenn Licht auf Fotorezeptor fällt, wird in Membranen des Außensegments eine molekulare Kettenreaktion angestoßen → Ausgangssignal (der Lichtreiz) lawinenartig verstärkt →lonenkanäle schließen sich → Lichtenergie in elektrische Erregung übersetzt (Signaltransduktion) erster Schritt der Erregungskaskade: ● Absorption von Licht durch Rhodopsin →ändert Form und ist aktiviert zweiter Schritt der Erregungskaskade: angeregte Rhodopsinmoleküle aktivieren jeweils hunderte Transducinmoleküle → Signal der Lichteinwirkung hundertfach verstärkt → Transducin aktiviert die Phosphodiesterase (PDE) → dieses Enzym spaltet (wenn aktiv) tausende der Moleküle, durch die Na*-Kanäle im Außensegment offengehalten werden durch lawinenartige Verstärkung der Erregung kann ein einziges aktiviertes Rhodpsinmolekül hunderttausende lonenkanäle schließen Regeneration: durch Lichteinwirkung aktiviertes Rhodopsin zerfällt in Opsin und Retinal Rhodopsin muss neu synthetisiert werden → Konsequenz für Sehvorgang: in Fotorezeptoren (mit starkem Lichteinfall) kann Rhodopsin nicht so schnell regeneriert werden, wie es zerfällt → wenn man auf sehr helles Objekt guckt und dann den Blick abwendet, sieht man ein negatives Nachbild (nicht genug Rhodopsin) → Lichtempfindlichkeit sinkt 79 ABLAUF DER MUSKELKONTRAKTION chemische ,,Motoren" der Muskulatur sind Myofibrillen → Arbeitseinheiten sind Sarkomere im ATP chemisch gebundene Energie wird unter Wärmeverlust in mechanische Arbeit der Muskelkontraktion umgewandelt Myosin- und Aktinfilamente eines Sarkomers gleiten bei Kontraktion teleskopartig ineinander (Länge und Dichte ändern sich nicht) → Filamentgleiten = Grundlage für Muskelverkürzung → ergibt sich aus Verkürzung tausender hintereinander geschalteter Sarkomere Aufbau der Filamente 1 dünnes Filament besteht aus 2 umeinandergewundenen, perlschnurartigen Ketten kugelförmiger Moleküle des Proteins Aktin Tropomyosinmoleküle legen sich fadenförmig um Aktinketten → alle 40nm ein Troponinmoleküle angeheftet 1 Myosinfilament wird von zahlreichen riesigen Myosinmolekülen gebildet → bestehen jeweils aus zweigeteiltem Kopf und einem langen Schwanzteil Wechselwirkung zwischen den Filamenten im erschlafften Zustand sind die mit ATP beladenen Molekülköpfe des Myosins nicht an Aktin gebunden → Sarkomere (und ganzer Muskel) können durch Gegenspielermuskeln gedehnt werden wenn ATP am Myosin durch enzymartige Wirkung hydrolisiert wird, werden Myosinköpfe in energiereichen Zustand überführt keine Wechselwirkung zwischen Filamenten, solange Tropomyosinfäden die Myosinbindungsstellen des Aktins blockieren → also auch keine Muskelkontraktion Nervenimpuls hebt Ruhezustand auf → aus ER der Muskelfasern werden Ca²+-lonen freigsetzt, die an Troponin binden → Troponin ändert Form und drängt Tropomyosinfäden aus ihrer Lage Tropomyosin blockiert jetzt Myosinbindungsstellen nicht mehr Bildung von Querbrücken zwischen Myosinköpfen und Aktinfilament Aktin-Myosin-Komplex setzt ADP und Phosphat frei → Gestalt an einem Scharnier des Myosinmoleküls ändert sich → mit Kraft des umklappenden Myosinkopfs wird Aktinfilament 10nm weit zur Sarkomermitte gezogen Muskelkontraktion beendet → vor weiterem Zyklus müssen Querbrücken gelöst werden → neues ATP bindet sich an Myosin -< Gestalt verändert 80 Zirbeldrüse Hypophyse Schilddrise Nebenschilddrüsen Thymusdrüse Nebenniere Nieren Bauchspeicheldrüse Ovar beim Mann: Hoden DAS HORMONSYSTEM CS Mit CamScanner gescannt Hormon ➤ Hormone sind biochemische Transmitter, welche in Drüsenzellen bestimmter Organsysteme produziert werden und bereits in geringer Konzentration wirksam sind. Sie binden nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an die Zellrezeptoren Hormonsystem Das Hormonsystem (endoktrines System) ist ein Netzwerk aus vielen Zellen und Drüsen, die Signalstoffe (Hormone) absondern. Wirkungsweise der Hormone über den Blutkreislauf gelangen Hormone an ihre Zielzellen → damit sie Zielzellen erkennen können, sind diese mit speziellen Rezeptoren ausgestattet → Hormon und Rezeptor der entsprechenden Zielzelle passen so zusammen dockt Hormon an Rezeptor an, löst es in der Zielzelle entsprechende Stoffwechselvorgänge aus, für die es auf den Weg gebracht wurde jede Zelle trägt mehrere verschiedene Rezeptoren für verschiedene Hormone → verschiedene Stoffwechselvorgänge können ausgelöst werden 81 Vergleich Hormon- und Nervensystem Transportsystem zur Weitergabe einer Info wie Information vorliegt Ausbreitung Wirkungsdauer CS Mit CamScann normaler Blutzucker- spiegel 0,6g-1,1g Glucose pro 1 Liter Blut Terhöhler Blutzuckerspieciel Nahrungs- Haufnahme Muskel- arbeit erniedrigks Blutzuckerspiegel Hormonsystem Blutkreislauf als chemischer Stoff langsam, nach Erreichen des DIE REGULATION DES BLUTZUCKERSPIEGELS Ausschüttung von Adremdin (Nebenniere) Wirkungsortes längere Zeit Ausschüttung von Insulin aus den Langerhans'schen inseln in der. Bauchspeicheldrüse Ausschüttung von alukagon aus den langrinaus schen luselu in der Bauchspeicheldrüse Nervensystem Nervenfasern Musulinausschüttung Hemmung der als Erregung schnell, nach Eintreffen eines Reizes kurz anhaltend Aufnahme von GLUCOSE in die Muskelzellen Aufnahme von Glucose in die leber (Glykogenbildung) Abgabe von Glucose aus der Leber (Glykogemathon) normaler Blutzucker- spiegel 82 Shessoren Hypophyse ACTH Nebennierenrinde Cortisol Blut bildende Verdauungs- Lorgane Organe role Blutzellen Hemmung werden Prei Sinnesorgane STRESS der Verdauung sympathisches Nervensystem Herz, Arlerieu Nebennierenmark Adrenalin, Noradrenalin Angst Deukblockade Erregung erhöhte Bereitstellung es Mit CamScanne Schnelle wird hoher Blutdruck, Zucker & Felt Schueller Herz- werden frei schlag Leber, Muskeln, Fettgewebe vou Sauerstoff & Naturstoffen für die "Skelettmuskulatur Realchion möglich 83 NERVEN-, MUSKEL & HORMONSYSTEM BILDEN EINHEIT ► sie bilden bei Stress eine Einheit: man ist stressauslösenden Reiz (Stressor) ausgesetzt → Körper unter Hochspannung → auch wenn Stressor schon weg ist → Zusammenspiel von Nerven- und Hormonsystem (Hormonsystem ist Träger) äußerer Reiz über z. B. Auge aufgenommen und über Nervenbahnen an Gehirn gesendet →Gehirn aktiviert Sympathicus Nebennierenrinde durch elektrische Impulse zur Produktion von Adrenalin und Cortisol angeregt gleichzeitig wird in Hypophyse ein Hormon produziert (ACTH) → gelangt über Blutbahn ebenfalls in Nebennierenrinde → gleichzeitig über Nervensystem und Hormonsystem Produktion der Hormone Adrenalin und Cortisol angeregt Beide Botenstoffe erreichen über Blutsystem ganzen Körper und lösen Reaktion aus (z. B. schnellere Atmung, Weiten der Arterien, höherer Blutdruck, schnellerer Herzschlag) mehr Blut kann aufgenommen werden → Zellen erhalten mehr Sauerstoff Muskeln und Hirn können mehr Arbeit leisten gleichzeitig werden in Leber Kohlenhydrate in Glucose umgewandelt und über Blut im Körper verteilt → durch erhöhten Blutzuckerspiegel können Muskeln und Hirn Höchstleistungen vollbringen Ausschüttung von Adrenalin und Cortisol wird eingestellt und Stoffwechsel normalisiert sich wieder 84