Leseprobe. Biologie, Physik, Chemie und Mathematik für angehende Mediziner. Thomas Knauss

Transkript

1 Leseprobe Biologie, Physik, Chemie und Mathematik für angehende Mediziner Thomas Knauss Skriptum zur Vorbereitung auf den Medizinaufnahmetest MED-AT -H/-Z an den österreichischen Universitäten in Wien, Graz, Innsbruck und Linz 3. Auflage

2 Einführung Dieses Skriptum erklärt alle wichtigen Teilgebiete, die zur Bewältigung des BMS-Teils des Auswahlverfahrens Med-AT für die österreichischen Universitäten Wien, Graz, Innsbruck und Linz nötig sind. Rechtlich übernehme ich keine Verantwortung dafür, ob die Inhalte auch tatsächlich mit denen des Tests übereinstimmen da sich diese Themen aber in den letzten Jahren herauskristallisiert haben und von den Universitäten vorgegeben sind, ist eine Änderung im heurigen Jahr sehr unwahrscheinlich, dennoch ist dieses Skriptum KEIN GARANT für das Bestehen des MedAT. Weiters liegen sämtliche Rechte an diesem Skriptum beim Autor, jegliche Vervielfältigung (egal ob analog oder digital), sowie kommerzieller Vertrieb unterliegen allein dem Autor und werden gegebenenfalls zur Anzeige gebracht. Geschrieben wurde das Skript im Frühjahr 2014 als Vorbereitung für den Med-AT. In den Folgejahren wurde es seither stets verbessert und wenn nötig erweitert. Dabei wurde auch sehr viel Wert auf Rückmeldungen von MedAT- Absolventen des jeweiligen Vorjahres gelegt. Nun soll es zukünftigen Medizinstudenten auf ihrem Weg helfen. Als Absolvent des Med-AT möchte ich Ihnen noch einige wichtige Dinge ans Herz legen: 1. Lernen Sie nicht alles nur auswendig, versuchen Sie auch, die Dinge zu verstehen. Hinterfragen Sie die Sachen, ziehen Sie verschiedene Quellen heran, wenn Sie etwas nicht verstehen. Gerade bei Physik kann das sehr hilfreich sein, da auch auf Verständnis geprüft wird. 2. Ich rate davon ab, die Teilgebiete zu genau zu lernen, die Fragen beim Test sind größtenteils oberflächlich gestellt, die Schwierigkeit liegt eher in der Art der Fragestellung und hauptsächlich in der Zeit. Es empfiehlt sich daher eher das Fragenformat ausreichend zu üben, als zu viel Zeit in das Erlernen überflüssiger Details zu stecken. 3. So kompliziert das Multiple-Choice-Format auch sein kann, es hat auch Vorteile, denn bei der Beantwortung der Fragen helfen Ihnen nicht nur die Antworten, die Sie wissen, sondern auch die Antworten, die Sie sicher ausschließen können. So kommt man auch leicht zu einer richtigen Antwort oder kann zumindest die richtigen Antwortmöglichkeiten eingrenzen und sein Chancen, sofern man schon raten muss, wenigstens noch verbessern. 4. Der letzte Rat, den ich noch geben möchte, ist leider in der Realität schwerer umzusetzen, als es sich hier schreibt, aber die meisten der Teilnehmer am Testtag versagen, weil sie zu aufgeregt sind und sich nicht richtig konzentrieren können. In diesem Fall hilft die ganze Vorbereitung nichts. Ich empfehle daher, sich in den letzten 1-2 Tagen vor dem Test nicht mehr mit dem Stoff zu beschäftigen, sondern andere, erholsamere Dinge zu machen. Das gibt einem auch die Möglichkeit, das Erlernte zu verarbeiten und man ist am großen Tag entspannter und gelassener. Ich wünsche Ihnen alles erdenklich Gute und hoffe, mein Skriptum hilft Ihnen genauso effektiv, wie es mir geholfen hat! Thomas Knauss

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9 1.Teil Biologie Von den Bausteinen des Lebens über die Zelle bis hin zum Menschen

10 1. Bausteine des Lebens Die Substanz der Zelle besteht im Grunde genommen aus fünf Bausteinen. Diese sind die vier Makromoleküle: und Wasser. Lipide (Fette) Kohlenhydrate (Zucker) Proteine (Eiweiß) Nukleinsäuren (DNA und RNA) 1.1 Lipide Bei Lipiden handelt es sich um eine Gruppe strukturell unterschiedlicher Stoffe, die alle sehr schlecht wasserlöslich, dafür aber in unpolaren Lösungsmitteln (Benzin, Benzol) gut löslich sind. Fette sind Ester des dreiwertigen Alkohols Glycerin mit verschiedenen Fettsäuren (Carbonsäuren mit langen Alkylresten). Fettsäuren, die eine oder mehrere molekulare Doppelbindung aufweisen, bezeichnet man als ungesättigte Fettsäuren. Es gibt einfach (eine Doppelbindung) oder mehrfach (mehrere Doppelbindung) ungesättigte Fettsäuren, wie Ölsäure (einfach) oder Linolsäure (mehrfach). Während gesättigte Fettsäuren sich durch eine regelmäßige Zickzack-Formation auszeichnen, haben ungesättigte Fettsäuren durch ihre Doppelbindung einen Knick. Besteht ein Fett hauptsächlich aus gesättigten Fettsäuren ist es fest (tierische Fette), bei ungesättigten Fettsäuren als Hauptbestandteil ist es flüssig (pflanzliche Fette). Bei den polaren Lipiden ist an einen Glycerinrest eine polare (hydrophile) Atomgruppe gebunden. Dabei kann es sich um einen Phosphatrest (Phospholipide wichtig zum Aufbau von Biomembranen) oder um einen Zucker (Glyckolipide) handeln. Sterole gehören auch zu den Lipiden und ihre Funktion ist ebenfalls die der Membranbausteine, sie spielen aber auch als Nebennierenrinden- oder Sexualhormone eine wichtige Rolle. Fette spielen in der Ernährung eine sehr wichtige Rolle, da sie als Energiespeicher fungieren.

11 1.2 Kohlenhydrate Kohlenhydrate dienen neben ihrer Funktion als wichtigster Energielieferant der Zelle auch als Reservestoffe (Stärke) und als Stützsubstanzen (Cellulose). Ihr Name leitet sich von ihrer Summenformel ab, da sie formal aus Wasser und Kohlenstoff bestehen. Die Baueinheiten (Monomere) aller Kohlenhydrate sind die Monosaccharide (Einfachzucker). Da es eine unüberschaubar große Anzahl an verschiedenen Kohlehydrattypen gibt und nur ein geringer Teil davon für die Ernährung von Bedeutung ist, wird hier nur auf die relevanten Elemente eingegangen: Monosaccharide sind Polyalkohole mit einer Aldehyd- oder Ketogruppe. Benannt werden sie nach der Anzahl der C- Atome in ihrem Kohlenstoffgerüst (3 Triosen, 4-Tetrosen, 5-Pentosen, 6-Hexosen, 7-Heptosen). Wichtigste Vertreter sind Traubenzucker (Glucose) und Fruchtzucker (Fructose). Glucose ist der klassische Blutzucker, während hingegen Galactose Bestandteil des Milchzuckers ist und Fructose Bestandteil des Rohrzuckers. Disaccharide entstehen durch Zusammenlagerung von zwei Monosaccharid-Molekülen unter Wasserabspaltung (Glycosidische Verbindung). Beispiele sind Maltose, welche durch den Zusammenschluss von 2 Glucose-Molekülen entsteht, sowie Lactose (Milchzucker) und Saccharose (Rüben-, Rohrzucker). Oligosaccharide sind analog aufgebaute Moleküle aus 3 bis 10 immer über glycosidische Bindungen verknüpfte Monosaccharid-Einheiten. Polysaccharide (Vielfachzucker) bestehen aus 11 bis vielen tausend Monosaccharid- Bausteinen (meist Glucose). Zu den Polysacchariden gehört die Stärke, der wichtigste pflanzliche Reservestoff. Sie besteht aus Amylose und Amylopektin. Glykogen ist eine verzweigte Kette aus bis zu Glucosemolekülen und bildet die Kohlenhydratreserve des Menschen. Das häufigste Polysaccharid und gleichzeitig die häufigste organische Bindung der Welt ist die Cellulose (1,4 β-glycosidische Bindung), sie ist Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwand und kann von Menschen nicht verdaut werden, da der menschliche Verdauungstrakt nur eine α-glycosidase besitzt. Die Cellulosefasern dienen daher als Ballaststoff für das menschliche Verdauungssystem. Chitin ist nach der Cellulose das zweithäufigste Polysaccharid und ist Hauptbestandteil des Skelettes von Insekten, Spinnentieren und Krebstieren (Gliederfüßler). Weiters bildet es die Wand der Pilzhyphen, sein Aufbau ähnelt dem der Cellulose.

12 Die chemischen Namen der einzelnen Zuckerarten setzen sich aus der Anzahl der C- Atome und der Endung -ose zusammen. Alle Zucker leiten sich in ihrem Aufbau von zwei Verbindungen ab: Dihydroxyaceton (Keton) dessen Ableitungen als Ketosen bezeichnet werden. Glycerinaldehyd (Aldehyd) dessen Ableitungen als Aldosen bezeichnet werden. Um weitere Zucker zu erhalten, müssen einfach H-C-OH Gruppen angehängt werden, auf diese Weise erhält man Tetrosen, Pentosen und Hexosen, die mit sechs Kohlenstoffatomen die wichtigsten Kohlenhydrate für den Menschen bilden. Die Hydrolyse von Zuckern Genauso wie Einfachzucker durch Kondensationsreaktionen zu längeren Ketten aufgebaut werden können, können sie auch wieder in kleinere Einheiten zerlegt werden. Diese Aufspaltung bezeichnet man als Hydrolyse, die durch verdünnte Säuren eingeleitet wird. Es entstehen in Folge Einfachzucker, die anstelle der O-Bindung Hydroxylgruppen haben. 1.3 Proteine Proteine sind aus Aminosäuren aufgebaute Makromoleküle, die sich in allen Zellen finden und ihnen nicht nur Struktur verleihen, sie sind gleichzeitig auch molekulare Maschinen, die Metaboliten transportieren, Ionen pumpen, chemische Reaktionen katalysieren und Signalstoffe erkennen. Bei Aminosäuren handelt es sich um sogenannte Zwitterionen, die an zwei Stellen Ladungen tragen können. Die Art der Ladung hängt vom umliegenden ph-wert ab. Proteine finden sich als Baumaterial in allen Organen wieder: Kollagen im Bindegewebe, im Knorpel und in Sehnen, Keratin findet man in Haaren, Nägeln, Horn und Vogelfedern. Neben ihrer wichtigen Aufgabe als Baustoff, sorgen sie sowohl in Form von Enzymen für den reibungslosen Ablauf biochemischer Reaktionen, als auch als Antikörper für ein funktionierendes Immunsystem.

13 Proteine bestehen aus langen Aminosäureketten, die über Peptidbindungen miteinander verbunden sind. Ähnlich wie bei den Kohlenhydraten, werden diese Peptide je nach Anzahl ihrer Aminosäurereste als Di-, Tri-, Tetra-,, Oligopeptide bezeichnet. Ketten mit 10 bis ca. 100 Aminosäureresten werden als Polypeptide bezeichnet, bei mehr als 100 Resten spricht man von Proteinen. Da die Peptidbindungen eine starre Geometrie besitzen, neigen Proteine zur Ausbildung bestimmter geometrischer Strukturen, bei denen die an die Atome gebundenen Seitenketten einen Einfluss haben. Als Primärstruktur [I] wird die lineare Aminosäurekette mit ihrer spezifischen Abfolge von Aminosäuren bezeichnet. Diese Abfolge ist in der DNA in Form der entsprechenden Abfolge der Nucleotide (Buchstaben) gespeichert, wobei jeweils drei Nucleotide zusammen ein Codon (Wort) bilden. Durch intramolekulare Wechselwirkungen (Wasserstoffbrückenbindung, Van der Waals-Kräfte, Ionenbindung) können sich in lokalen Abschnitten einer Aminosäurekette auch besondere Strukturen wie die α-helix oder das β-faltblatt ausbilden. Solche Strukturen nennt man Sekundärstrukturen [II]. II I III VI Als Tertiärstruktur [III] bezeichnet man die räumliche Faltung eines Proteins in seiner Gesamtheit. Beispielsweise können sich mehrere Faltblattabschnitte zu so einem Gebilde zusammenlegen, auch Disulfidbrücken bilden eine solche Möglichkeit. Räumliche Gebilde mit noch höherer Komplexität bezeichnet man als Quartärstruktur [IV]. Als Beispiel wäre hier Hämoglobin nennenswert. Seine Aufgaben als Enzym, Antikörper oder Rezeptor kann das Protein nur in dieser natürlichen Form erfüllen. Abbildung 1: Struktur der Proteine [Quelle: Änderungen des ph-werts oder der Elektrolytkonzentration, sowie Schwankungen der Temperatur können diese Strukturen zerstören und das Protein somit denaturieren.

14 1.4 Nukleinsäuren Nucleinsäuren sind die Träger der Erbinformation. Es handelt sich dabei um unverzweigte, kettenförmige Makromoleküle. Ihre Monomeren sind die Nucleotide, somit sind die Nucleinsäuren Polynucleotide. Nucleotide bestehen aus je einem Molekül, das sich aus einer Pentose, einem Phosphatrest und einer stickstoffhaltigen organischen Ringverbindung (Base) zusammensetzt. In Nukleinsäuren finden sich hauptsächlich die folgenden 5 Basen: Adenin und Guanin mit einem Doppelringsystem (Purin-Ring), sowie Cytosin, Thymin und Uracil mit einem einfachen Ringsystem (Pyrimidin-Ring). Die Information der DNA und RNA steckt in der Abfolge der Basen (Buchstaben) und wird von der Zelle dazu benützt, Proteine richtig aufzubauen. Abbildung 2: DNA versus RNA [Quelle: Die DNA enthält die vier Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin. Sie bildet die Erbsubstanz, ist immer doppelsträngig (Doppelhelix) und sehr stabil. Pro Zelle besteht die DNA aus einem zwei Meter langen Faden, der sich aus Desoxyribonukleotiden zusammensetzt. Das Rückgrat der DNA besteht aus Zucker (Desoxyribose) und Phosphat, welche durch zwei Esterbindungen (Phosphorsäurediesterstruktur) verbunden sind. Dabei werden jeweils die Gruppen am C3-Atom der einen Pentose an das C5-Atom der anderen Pentose gebunden. An das C1-Atom der Pentosen sind die Basen durch glycosidische Bindungen gebunden.

15 Die RNA hat eine ähnliche Struktur, enthält aber als Zucker die Ribose und anstelle von Thymin die Base Uracil. RNA ist prinzipiell einzelsträngig und sehr instabil, bildet aber innerhalb des Moleküls durch Basenpaarung doppelsträngige Bereiche aus. Sowohl RNA als auch DNA haben eine Richtung: Wenn sich am freien Anfang ein C5- Atom befindet, spricht man von 5 Ende, bei einem C3-Atom am freien Anfang ist die Rede von 3 Ende. Nucleotide haben neben ihrer Funktion als Bausteine der Nukleinsäuren noch andere Funktionen. Sie können nicht nur mit einem Phosphat, sondern auch mit zwei oder drei Phosphaten verbunden sein. Diese energiereichen Nucleotiddi- oder -triphosphate dienen als Energiespeicher. Ein Beispiel wäre Adenosintriphosphat. Richtungsangabe bei der DNA Wenn man sich nun entlang der DNA bewegt, kann man zwei Richtungen unterscheiden, welche eine große Rolle bei der Replikation spielen. Dabei bezieht man sich auf die Nomenklatur der Desoxyribose: Die Richtung 3 5 bedeutet, dass direkt nach dem Sauerstoff des Phosphats der Zuckerring beginnt Die Richtung 5 3 bedeutet, dass nach dem Sauerstoff des Phosphats noch eine -Gruppe eingeschoben ist und dann erst der Zuckerring beginnt Haben Sie Fragen? Besuchen sie uns auf Facebook: oder auf oder kontaktieren sie uns einfach via tmk.skripten@gmx.at