Struktur & Funktion Immunsystem Information Basiskonzepte in der Biologie Stoffwechsel Zelle Fortpflanzung & Entwicklung 1
Organisationsebenen - Aufbau aus Zellen Die Zelle Prokaryoten: # Einzeller ohne Zellkern Eukaryoten: # Einzeller oder Mehrzeller mit Zellkern # Komplexer Aufbau durch Zellorganellen (Membran umschlossene Kompartimente) Die Pflanzenzelle Die Tierische Zelle Schleimhülle Zellwand Zellmembran Zellplasma Ribosomen Bakterien eigene DNA Plasmid: ein zusätzlicher Informationsträger Besonderheiten der Pflanzenzelle: Zellwand Chloroplasten Vakuole Gemeinsamkeiten: Zellkern mit DNA Mitochondrien Endoplasmatisches Reticulum Ribosomen Zellmembran Viele spezialisierte Zelltypen z.b.: Nervenzelle, Abwehrzellen 2
Information und Reizbarkeit Nervensystem Zentralnervensystem Vegetatives Nervensystem Gehirn Rückenmark Sympathikus Parasympathikus Die Nervenzelle: # Ist ein hoch spezialisierter Zelltyp und die kleinste Einheit des Nervensystems. # Besitzt alle charakteristischen Zellbestandteile einer typischen eukaryotischen Zelle. Die Erregungsleitung: # Aufbau & Funktion: Dendriten (Informationsaufnahme) Zellkörper mit Zellkern Axon mit Myelinscheide und Ranvier sche Schnürringe Endknöpfchen, Synapsen mit Neurotransmitter 1.) Im Zellkörper: Erzeugung eines elektrischen Impuls 2.) Axon: Weiterleitung des elektrischen Impuls. 3.) An den Synapsen: Neurotransmitter werden in Vesikel verpackt in den synaptischen Spalt freigesetzt Neurotransmitter binden an Zielzelle an spezifische Rezeptoren. 3
Information und Reizbarkeit Der Reflexbogen: # sensorische Nervenbahnen: Erregungen werden von den Sinnesorganen zu Zentren des ZNS geleitet. Dort erfolgt die Weiterverarbeitung zu Wahrnehmungen und Reflexen (Bewegungsbefehle). # motorische Nervenbahnen leiten die Bewegungsbefehle der Skelettmuskulatur. # Reflexe sind vom Willen unabhängige, rasche, immer gleichförmig ablaufende Reaktionen auf Reize. Es erfolgt eine Übertragung der Erregung von einer sensorischen auf eine motorische Nervenbahn. Sie üben eine Schutzfunktion aus. # Die Umschaltung von sensibler auf motorische Nervenbahn erfolgt über ein Reflexzentrum im Rückenmark. Reflexzentrum = ZNS: Umschaltung von sensorischen auf motorische Nervenbahnen Sinneszellen = Rezeptor: Reizaufnahme und Umwandlung in elektrischen Impuls Zielzellen = Effektor: Reizweiterleitung z.bsp.: Muskel, Drüse Reiz Reaktion 4
Information und Reizbarkeit Das Hormonsystem: # Zirbeldrüse # Hypophyse # Schilddrüse # Thymusdrüse # Pankreas (= Bauchspeicheldrüse) # Hormone sind Botenstoffe, die in kleinsten Mengen wirken. # Sie erfüllen ihre Funktion als chemische Stoffe in der lang anhaltenden Informationsübertragung. # Produktion in spezialisierten Hormondrüsen. # Transport in der Blutbahn. # Spezifische Rezeptoren an den Zielzellen: Bindung erfolgt nach dem so genannten Schlüssel-Schloss-Prinzip. # Allgemeine Steuerung im Hormonhaushalt: a) übergeordnete Steuerung durch Steuerungshormone im Gehirn. b) fein abgestimmtes Rückmeldesystem mit Regelkreisen. # Nebennieren # Hoden # Eierstöcke 5
Information und Reizbarkeit Die Regulation des Blutzuckerspiegels: # Einfache Rückkopplung durch einen biologischen Regelkreis. erhöht (z.b.: nach Essen) Insulinausschüttung durch β-zellen der Bauchspeicheldrüse sinkt Blutzucker sinkt (z.b.: nach Sport) Glukagonausschüttung durch α-zellen der Bauchspeicheldrüse erhöht 6
Fortpflanzung & Entwicklung Geschlechtliche Fortpflanzung Ungeschlechtliche Fortpflanzung # Zwei Lebewesen erzeugen Nachkommen, die untereinander etwas verschieden sind. # Ein Lebewesen erzeugt Nachkommen, die untereinander identisch sind. # Dazu sind spezielle Zellen notwendig - die Geschlechtszellen = die Keimzellen: # Eizelle: weibliche Keimzelle # Spermium/Pollen: männliche Keimzelle # Bildung genetisch unterschiedlicher Keimzellen beim Vorgang der Meiose. # Meiose: genetische Variation durch a) crossing over und b) zufällige Verteilung der Chromosomen auf die Tochterzellen # Keine speziellen Zellen notwendig. # Die Zellen teilen sich. # Bildung identischer Tochterzellen durch Mitose. # Mitose: identische Chromatiden werden auf die Tochterzellen verteilt. # Zusätzliche genetische Variation durch Vermischung von väterlichem & mütterlichem Erbgut bei Befruchtung 7
Die DNS Träger der Erbinformation: # spiralförmig gewundene lange Kette aus 2 miteinander verbundenen Einzelsträngen. # Baustein der DNS = ein Nukleotid: P Z Base Base P Z = Phosphat = Zucker = 4 verschiedene organische Basen # Die beiden Einzelstränge sind durch komplementäre Basenpaarung miteinander verbunden: A T G C # Die DNS enthält die Information (= die Bauanleitung) zur Herstellung der Proteine (= Merkmalsträger des Organismus). # Umsetzung der genetischen Information in Proteine erfolgt im Verlauf der Proteinbiosynthese. 8
Zellkernmembran Die Proteinbiosynthese: # erfolgt in 2 Schritten in 2 verschiedenen Orten der Zelle 1.) Transkription: * Herstellung einer Abschrift (Kopie) der genetischen Information für den Aufbau eines Proteins. * Findet im Zellkern statt. 2.) Translation: * Herstellung des Proteins nach Anleitung der Abschrift. * Proteinbausteine (= Aminosäuren) werden zu langen Ketten verknüpft. * Findet an den Ribosomen im Zytoplasma statt. # Schema des Informationsflusses: Transkription Translation DNS Abschrift Protein DNS Abschri> (= Boten- RNS) Ribosom Proteinsynthese Zellkern Aminosäuren (= Proteinbausteine) hergestelltes Protein 9
Die DNS Träger der Erbinformation: # Höhere Organisationsform der eukaryotischen DNS = ein Chromosom. # Jede menschliche Körperzelle besitzt 46 Chromosomen = doppelter Chromosomensatz. 44 Autosomen plus zwei X Chromosomen. 44 Autosomen plus ein X Chromosomen und ein Y Chromosom. Chromatid # Die menschlichen Geschlechtszellen besitzen nur 23 Chromosomen = einfacher Chromosomensatz. # Reduzierung der Chromosomenzahl von 46 auf 23 (reife Geschlechtszellen) beim Vorgang der Meiose (Keimzellbildung). 10
Die DNS Replikation (= Verdoppelung): # Die Grundlage für Wachstum, Zellerneuerung und ungeschlechtlichen Fortpflanzung ist die Kernteilung (Mitose) und Zellteilung. # Der DNS Doppelstrang wird in der Interphase vollständig und identisch verdoppelt. # Die DNS Replikation (Verdoppelung) läuft sehr präzise ab, jeder Fehler wird korrigiert. # Die Zellzyklusphasen: # Die 4 Mitosephasen: Mitose (Kernteilung) + Zellteilung Prophase Interphase Metaphase Mitose (Kernteilung) + Zellteilung Anaphase Interphase Telophase 11
Grundlagen der Gentechnik: # Die DNS kann im Labor mit Hilfe bestimmter Werkzeuge gezielt verändert werden. # Werkzeuge: a) Plasmide oder Viren als Gentaxis Einschleusen der Fremd-DNS b) Restriktionsenzyme Schneidewerkzeuge der DNS ( genetische Scheren ) c) DNS-Ligase Verknüpfungswerkzeug der DNS ( genetische Kleber ) # Nutzen/Chancen aber auch etliche Risiken/Gefahren müssen bedacht werden. *Medizin (Herstellung von Medikamenten, Insulin,...) * Ökologie (veränderte Bakterien bauen Schadstoffe ab,...) * (Über)-Züchtung (Überproduktion von Nahrungsmitteln,...) * ethische Aspekte 12
Grundlagen der Gentechnik Herstellung von Insulin: Isolierung der DNA Übertragung des neuen Plasmids in ein Bakterium (oder einen Virus) Schneiden des Plasmids Isolierung des Gens für Insulin Verknüpfen von geschnittenem Plasmid und der isolierten Insulin - DNS. Rasche und große Produktion von menschlichem Insulin mit Hilfe der Bakterien Ein verändertes Plasmid entsteht. 13