Inhaltsverzeichnis. Die Erforschung der Zelle

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1 Inhaltsverzeichnis Die Erforschung der Zelle 1 Bau und Funktionen von Zellen 1.1 Ebenen der biologischen Organisation - Systemebenen Wissenschaftlicher Erkenntniszuwachs zum Zellaufbau durch technischen Fortschritt Prokaryoten und Eukaryoten Prokaryoten, Eukaryoten, Endosymbionten Struktur und Funktion von Zellorganellen bei Tier- und Pflanzenzellen Vom Einzeller zum Vielzeller Differenzierte Zellen Multi-, pluri- und totipotente Zellen Biologisch bedeutsame Makromoleküle: Lipide Geschichte der Zellmembranforschung Struktur und Funktion von Zellmembranen Die Bedeutung der Oberflächenstrukturen von Membranen Bedeutung der Oberflächenstrukturen der Zellmembran für die Immunabwehr Passive und aktive Transportvorgänge durch Membranen Die Bedeutung der Zellkompartimentierung für die Bildung unterschiedlicher Reaktionsräume 42 Wiederholen - Üben - Festigen 44 2 Die Funktion des Zellkerns 2.1 Die Bedeutung des Zellkerns Chromosomen und ihre Darstellung Die biologische Bedeutung der Mitose Identische Verdopplung der DNA: Replikation Biologisch bedeutsame Makromoleküle: Nucleinsäuren Die Bedeutung der Desoxyribonucleinsäure Zellkulturtechnik in der Biotechnologie und Biomedizin 58 Wiederholen - Üben - Festigen 60

2 Energiestoffwechsel 3 Enzyme beschleunigen biochemische Reaktionen 3.1 Enzyme im Alltag Exkurs: Chemische Bindungen und zwischenmolekulare Kräfte Biologisch bedeutsame Makromoleküle: Proteine Vielfalt der Proteine Enzyme als Biokatalysator Der Mechanismus der Enzymwirkung - das Schlüssel-Schloss-Prinzip Enzyme: Reaktionsgeschwindigkeit und Substratkonzentration Temperaturabhängigkeit der Enzymaktivität ph-wert und Enzymaktivität Hemmungen und Aktivierung der Enzymaktivität Einsatz von Enzymen in biologisch-technischen Zusammenhängen 84 Wiederholen - Üben - Festigen 86 4 Sport und Energiestoffwechsel 4.1 Anpassung an körperliche Anstrengung Auswirkungen von Training und Bewegungsmangel Trainingsformen und Trainingsziele Stoff- und Energieumwandlung Methoden zur Bestimmung des Energieumsatzes bei körperlicher Aktivität Bereitstellung von Energie aus Glucose Biologisch bedeutsame (Makro)Moleküle: Kohlenhydrate Energiestoffwechsel und Mitochondrien Grundprinzipien von Stoffwechselwegen Die Tracermethode und ihr Einsatz in der Forschung Die Glykolyse findet im Zellplasma statt Die zentrale Stellung des Zitronensäurezyklus für viele Stoffwechselwege und -produkte Die ATP-Synthese im Mitochondrium (I) Die ATP-Synthese im Mitochondrium (II) Gärungen: Glucoseabbau unter Sauerstoffmangel Regulation energieliefernder Stoffwechselwege Mikroorganismen bei der Lebensmittelherstellung Übersicht: Glucoseabbau und Energiebereitstellung Hormonelle Regulation des Kohlenhydratstoffwechsels Bau und Funktion der Skelettmuskulatur Muskelkontraktionen Doping 130 Wiederholen - Üben - Festigen 132 Arbeiten mit Basiskonzepten: System 134 Arbeiten mit Basiskonzepten: Struktur und Funktion 136 Arbeiten mit Basiskonzepten: Entwicklung 138

3 Genetik und genetisch bedingte Krankheiten 5 Grundprinzipien der Rekombination 5.1 Meiose - Bildung der Geschlechtszellen Inter- und intrachromosomale Variationsmöglichkeit Geschlechtliche Fortpflanzung bedingt genetische Vielfalt Trisomie 21 und andere Erkrankungen durch veränderte Chromosomenanzahl Humangenetische Beratung und Analyse von Familienstammbäumen 6.1 Vererbung erfolgt nach Regeln Die Chromosomentheorie der Vererbung Stammbaumuntersuchungen von genetisch bedingten Krankheiten I Stammbaumuntersuchungen von genetisch bedingten Krankheiten II Humangenetische Beratung an Beispielen Gendiagnostik Erbe und Umwelt - Zwillingsforschung Erforschung der Proteinbiosynthese 7.1 DNA: Träger der Erbinformation Historische Experimente zur Entschlüsselung des genetischen Codes Der genetische Code und Genmutationen Übersicht: Vom Gen zum Protein Von Proteinen zum Merkmal PKU- eine erbliche Stoffwechselkrankheit Biologische Arbeitstechnik: Gelelektrophorese Sichezellanämie: Molekulare Ursachen einer Erkrankung Molekularbiologische Arbeitstechnik: PCR Ultraviolette Strahlung, Mutationen, Hautkrebs und die Mondscheinkinder Gene können an- und abgeschaltet werden Regulation der Genaktivität bei Prokaryoten Regulation der Proteinbiosynthese bei Eukaryoten I Regulation der Proteinbiosynthese bei Eukaryotenll Epigenetik: Umwelt und Gene wirken zusammen Vererbung oder Einfluss der Umwelt - wie Forschung funktioniert RNA-Interferenz Differenzielle Genaktivität und die Vielfalt der Zellen Kontrolle des Zellzyklus Tumorwachstum durch Fehlregulation der Zellteilungskontrolle Biologische Arbeitstechnik: DNA-Chip- Technologie Omics" (Proteomics, Genomics, Transkriptom,...) Modellorganismen in der genetischen Forschung Der Begriff Gen" im Wandel der Zeit Angewandte Genetik -Gentechnologie - Bioethik 8.1 Ethisches Bewerten: Präimplantationsdiagnostik Molekulare Werkzeuge in der Gentechnik: Bakterien produzieren Humaninsulin Grüne Gentechnik am Beispiel Bt-Mais Grüne Gentechnik: Chancen und Risiken Beispiele transgener Organismen und ihrer Verwendung Synthetische Organismen Hochdurchsatz-Sequenzierungen - Chancen und Risiken Stammzellen und Klonen 226 Wiederholen im Inhaltsfeld Genetik 228 Ökologie 9 Fotosynthese 9.1 Die Bedeutung der Fotosynthese für Lebewesen Laubblatt - Chloroplasten - Chlorophyll Biologische Arbeitstechnik: Chromatographie und Autoradiographie Pigmente absorbieren Licht Lichtreaktionen: Bereitstellung von chemischer Energie Der Calvin-Zyklus: Umwandlung von Kohlenstoffdioxid in Glucose Die Fotosynthese ist von verschiedenen Faktoren abhängig 244 5

4 9.8 Mais - eine C4-Pflanze als Photosynthesespezialist CAM-Pflanzen - angepasst an extreme Trockenheit Übersicht: Fotosynthese Die Kohlenstoffbilanz einer Pflanze Produktivität verschiedener Ökosysteme Die Vielfalt pflanzlicher Naturstoffe beruht auf genetischer Vielfalt Umweltfaktoren und ökologische Potenz 10.1 Abiotische und biotische Faktoren wirken auf Lebewesen Experimente zur Überprüfung der ökologischen Potenz Abiotischer Faktor Temperatur Angepasstheit von Pflanzen an Wassermangel Wenn abiotische und biotische Umweltfaktoren Stress verursachen: Beispiel Pflanzen Wechselwirkungen zwischen Lebewesen: Konkurrenz, Parasitismus, Symbiose Schüleruntersuchungen zum Vorkommen von Lebewesen im Freiland Auswirkungen von interspezifischer Konkurrenz auf das Vorkommen von Lebewesen Ökologische Nische und Koexistenz Dynamik von Populationen 11.1 Populationswachstum: dichteabhängige und dichteunabhängige Faktoren Veränderungen von Populationen: Das Lotka- Volterra-Modell und seine Grenzen Lebenszyklusstrategien und Populationswachstum Stoffkreislauf und Energiefluss in Ökosystemen 12.1 Stoffkreislauf in Ökosystemen: Kohlenstoffkreislauf Energiefluss in Ökosystemen Der Stickstoffkreislauf Übersicht: Stoffkreisläufe und Energiefluss in einem Ökosystem Ökosystem Wald Biologische Aktivität im Waldboden Bioindikatoren für Bodeneigenschaften Auswirkungen zeitlich-rhythmischer Änderungen des Lebensraumes auf Lebewesen Ökosystem See Ökosystem Fließgewässer Bioindikatoren der Gewässergüte Ökosystem Hochmoor Mensch und Ökosysteme 13.1 Interessenskonflikte zwischen der Nutzung natürlicher Ressourcen durch Menschen und dem Naturschutz Der Treibhauseffekt Einflüsse des Menschen auf den globalen Kohlenstoffkreislauf 310

5 13.4 Kohlenstoffdioxid-Bilanzen und Nachhaltigkeit Funktionen des Bodens Invasion von Arten und Folgen für Ökosysteme Hormonartig wirkende Substanzen in der Umwelt Bedeutung der Biodiversität 320 Wiederholen im Inhaltsfeld Ökologie 322 Neurobiologie 14 Molekulare und zellbiologische Grundlagen der neuronalen Informationsverarbeitung 14.1 Nervenzellen und Nervensysteme Das Ruhepotenzial Biologisch-medizinische Arbeitstechnik: Patchclamb-Technik Das Aktionspotenzial an Nervenzellen Kontinuierliche und saltatorische Erregungsleitung Multiple Sklerose Informationsübertragung an Synapsen Neuronale Verrechnung Beeinflussung von Nervenzellen durch neuroaktive Stoffe Vom Reiz zum Aktionspotenzial Molekulare Vorgänge der Signaltransduktion an Sinneszellen Vom Reiz zur Reaktion Wahrnehmung: Sinnesorgane und Gehirn arbeiten zusammen Medizinische Arbeitstechniken: Bildgebende Verfahren zum Aufbau und zur Funktion des Gehirns Die menschliche Wortsprache Fototransduktion 15.1 Lichtsinnesorgan Auge Signaltransduktion an Lichtsinneszellen Leistungen der Netzhaut Vergleich: Fotosynthese - Sehvorgang Aspekte der Hirnforschung 16.1 Lernformen und Lernstrategien Gedächtnismodelle Neuronale Plastizität Synaptische Plastizität und Proteinbiosynthese Ethische Herausforderung: Neuro- Enhancement Die Alzheimer-Krankheit An den Grenzen des Lebens - Der Hirntod Zusammenwirken von neuronaler und hormoneller Informationsübertragung 17.1 Überblick: Das vegetative Nervensystem und das hormonelle System Zelluläre Wirkmechanismen von hydrophilen und lipophilen Hormonen Vergleich hormoneller und neuronaler Informationsübertragung Der Anpassungswert der Stressreaktion Hormonelle und neuronale Grundlagen der Stressreaktion 386 Wiederholen im Inhaltsfeld Neurologie 388 7

6 Evolution 18 Entwicklung der Evolutionstheorie 18.1 Ordnung in der Vielfalt: Binäre Nomenklatur und Systematisierung der Lebewesen Ähnlichkeiten zwischen fossilen und rezenten Lebewesen: Beispiel Archaeopteryx Ähnlichkeiten zwischen Lebewesen: Homologien und Analogien Verwandtschaftsbelege durch molekularbiologische Homologien Verwandtschaftsbelege aus der molekularbiologischen Entwicklungsbiologie Belege für die Endosymbiontentheorie Evolution der Stoffwechseltypen Verwandtschaft und Stammbaum der Wirbeltiere Die Evolutionstheorien von Lamarck und Darwin Grundlagen evolutiver Veränderung 19.1 Die Synthetische Evolutionstheorie Variabilität Selektionstypen und Selektionsformen Präadaptationen und die aktuelle Ausbildung von Antibiotikaresistenz bei Bakterien Isolationsmechanismen Populationsgenetik und das Hardy-Weinberg- Gesetz Evolutionäre Prozesse vor der Haustür Art und Artbildung 20.1 Allopatrische Artbildung Sympatrische Artbildung Adaptive Radiation und Angepasstheit Koevolution Symbiose, Parasitismus und Mutualismus Evolution und Verhalten 21.1 Proximate und ultimate Erklärungsformen in der Biologie Der adaptive Wert von Verhalten: Kosten- Nutzen-Analysen Multilevel-Selektion Fitnessmaximierung und die Weitergabe von Allelen Sozialverhalten der Primaten Sexuelle Selektion und Sexualdimorphismus Evolution des Menschen 22.1 Evolutionäre Geschichte des menschlichen Körpers Verwandtschaftsanalyse von Menschen und Menschenaffen (I): Anatomische und chromosomale Befunde Verwandtschaftsanalyse von Menschen und Menschenaffen (II): Molekularbiologische Befunde Der Stammbaum des Menschen Die Stellung der Neandertaler im Stammbaum des Menschen Evolution des menschlichen Gehirns Lebensgeschichte und Elterninvestment Evolutive Trends in der Menschwerdung Vergleich biologischer und kultureller Evolution Zur Problematik des Begriffs Menschenrasse" 464 Wiederholen im Inhaltsfeld Evolution 466 Worterklärungen 468 Stichwort 487 Operatoren 491 Sicherheit beim Experimentieren 492 Liste der in Versuchen verwendeten Stoffe 493 Bildquelle 494