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Biologie 9. Jgst. - Basiskonzept Information 1 Basiskonzept Information – Übersicht 2 Sinnesorgane 2.1 Reizbarkeit 2.2 Die Rolle des Rezeptors 2.3 Übersicht zu Reizen und Sinnesorganen 2.4 Vergleich mit Sinnesleistungen im Tierreich 2.5 Bau des Auges 2.6 Strahlengang (vgl. NuT Physik, 7. Jgst., Optik) 2.7 Fern-, Nah-Akkomodation (Entfernungsanpassung) 2.8 Fehlsichtigkeiten und Korrektur 2.9 Hell-Dunkel-Adaptation 2.10 Farbensehen 2.11 Bau des Ohrs 2.12 Gehörschäden 2.13 Funktionsweise von Haarsinneszellen 3 Nervensystem 3.1 Vergleich verschiedener Tierstämme 3.2 Anatomische und funktionelle Gliederung 3.3 Gliederung des Gehirns 3.4 Lernen und Gedächtnis (Mehrspeichermodell) 3.5 Reflexe 3.6 Das Vegetative Nervensystem 3.7 Bau und Funktion einer Nervenzelle 3.8 Chemische Erregungsübertragung an einer Synapse 3.9 Drogenwirkung 4 Hormonsystem 4.1 Vergleich mit dem Nervensystem 4.2 Übersicht 4.3 Regelung des Blutzuckerspiegels (vereinfacht: ohne Glukagon) 4.4 Die beiden verschiedenen Hormon-Wirkungsmechanismen auf zellulärer Ebene 5 Immunsystem 5.1 Bakterien 5.2 Viren 5.3 Gliederung des Immunsystems 5.4 Unspezifische Abwehr 5.5 Humorale Immunantwort 5.6 Zellvermittelte Immunantwort 5.7 Aktive Immunisierung 5.8 Passive Immunisierung 5.9 Allergien 6 Genetik 6.1 Grundbegriffe 6.2 Informationsfluss in der Zelle 6.3 Proteine bestimmen den Phänotyp 6.4 Gene bestimmen den Bau der Proteine 6.5 Vom Gen zum Protein 6.6 Informationsfluss in die nächste Generation 6.7 Organisation der genetischen Information in der Zelle in Form von Chromosomen 6.8 Genauer Ablauf von Mitose und Meiose 1 Basiskonzept Information – Übersicht Sinnesorgane Aufnahme Nervensystem Weiterleitung & Verarbeitung Information Weitergabe genetischer Information an Nachkommen (Vererbung) Genetik Weitergabe zwischen Zellen (Kommunikation und Erkennung) Immunsystem Hormonsystem 2 Sinnesorgane 2.1 Reizbarkeit „Fähigkeit, auf bestimmte Umweltbedingungen oder deren Änderung mit aktiven Reaktionen zu antworten“ a) allgemeines Schema für einen Einzeller: Zellmembran Reiz Reaktion (z.B. Bewegung oder Stoffausschüttung) Rezeptor (Sensor-Protein / Sinnes-Organell) JakJ Biologie 9 Sinnesorgane 1/19 b) allgemeines Schema für einen (tierischen) Vielzeller: Sinnesorgan Nervensystem Strukturen zur Reiz Sinnes(nerven)zellen als Rezeptor zur Reizbündelung und Reizumwandlung Reizweiterleitung in Erregung (+ evtl. Schutz) afferente Nervenbahnen zur Erregungsleitung ZNS efferente Nervenbahnen Muskelzelle als Effektor (Erfolgsorgan) Reaktion (z.B. Bewegung oder Stoffausschüttung) JakJ Drüsenzelle als Effektor Biologie 9 Sinnesorgane 2/19 2.2 Die Rolle des Rezeptors • Der Rezeptor ist eine Sinnes(nerven)zelle oder ein Membranabschnitt mit einem spezialisierten Protein(komplex). • Der physikalische oder chemische Reiz wird umgewandelt in elektrische (oder chemische) Erregung. • Ein adäquater Reiz ist für einen bestimmten Rezeptor-/Sinneszelltyp geeignet JakJ Biologie 9 Sinnesorgane 3/19 2.3 Übersicht zu Reizen und Sinnesorganen (äußerer) Reiz Sinn Sinnesorgan Rezeptor Licht Sehsinn Auge Sehsinneszellen (Zapfen ⇒ Farbensehen Stäbchen ⇒ Hell-Dunkel-Sehen) in der Netzhaut Schallwellen Gehörsinn (Innen-)Ohr Hörsinneszellen im Schneckengang Beschleunigung Gleichgewichtssinn (= Lage+Drehsinn) Bogengänge im Innenohr Drehsinneszellen in den Ampullen Mechanische Dehnung Stellungs-/Bewegungssinn Muskelspindeln Sensible Nervenfasern Druck, Berührung, Dehnung Tastsinn Haut Berührungs- und Dehnungssinneszellen Temperatur (änderungen) Temperatursinn Haut Kalt- (< 37 °C), Warm- (< 45 °C) und Schmerz- (> 45 °C) Rezeptoren Chemische Stoffe Geruchsinn Nasenschleimhaut Riechsinneszellen in der Riechgrube Chemische Stoffe Geschmacksinn Zunge Geschmacksinneszellen in Geschmacksknospen ⇒ bei „inneren Reizen“ Überschneidungen mit dem Hormonsystem JakJ Biologie 9 Sinnesorgane 4/19 Gliederung nach der Reizart: • physikalisch (optisch, akustisch, mechanisch, thermisch) • chemisch Gliederung nach der Entfernung (z.B. Mensch): • Fernsinne (Gehörsinn, Sehsinn, Geruchsinn) • Nahsinne (Geschmacksinn, Tastsinn) ⇒ bei Tieren wichtig für den Beutefang! JakJ Biologie 9 Sinnesorgane 5/19 2.4 Vergleich mit Sinnesleistungen im Tierreich (äußerer) Reiz Sinn Sinnesorgan Tiergruppe(n) Infraschall Gehörsinn (Innen)Ohr Elefanten, Wale Ultraschall Gehörsinn (Innen-)Ohr Fledermäuse Polarisiertes Licht, UV-Licht Sehsinn Auge Vögel Druckwellen im Wasser Strömungssinn Seitenlinienorgan Fische Magnetfeld der Erde Magnetsinn Magnetrezeptor im Auge und/oder Schnabel (Zug-)Vögel, Insekten Elektrische Felder Elektrischer Sinn „Lorenzinische Ampullen“ Haie, Rochen ⇒ Sinnesorgane wirken als Reizfilter (Tiere nehmen die Umweltreize anders wahr als der Mensch!) ⇒ Sinnesorgane sind je nach Lebensweise unterschiedlich ausgeprägt (z.B. vgl. Hund/Katze bzgl. Sehsinn und Geruchsinn) ⇒ Sinnesorgane können in der Stammesentwicklung mehrfach unabhängig voneinander entstehen (z.B. Riechsinneszellen in der Zunge der Schlange und in Fühlern von Schmetterlingsmännchen) vgl. „Analogie“ JakJ Biologie 9 Sinnesorgane 6/19 2.5 Bau des Auges JakJ Biologie 9 Sinnesorgane 7/19 Bestandteil Funktion allgemein [ vgl. 2.1 b) ] ① Hornhaut (Cornea) Lichtbrechung, Lichtleitung ② Linse Lichtbrechung (Fern-, Nah-Akkomodation) ③ Glaskörper Lichtleitung ④ Netzhaut (Retina) Reizumwandlung Sinnes(nerven)zellen als Rezeptor ⑤ Sehnerv Erregungsleitung afferente Nervenbahnen zur Erregungsleitung ⑥ Regenbogenhaut (Iris) Hell-Dunkel-Adaption (vgl. „Blende“) ⑦ Pupille –- ⑧ Aderhaut Versorgung der Netzhaut Schutz (z.B. vor zu großer Reizintensität) ⑨ Lederhaut (Sclera) Schutz ⑩ Augenmuskel Bewegung (u.a. Ausgleich des „blinden Flecks) ⑪ Augenlid Schutz vor Fremdkörpern ⑫ Augenbraue Schutz vor Schweiß Strukturen zur Reizbündelung und Reizweiterleitung [Versorgung und Ausrichtung] ⇒ Hornhaut und Linse dienen der Lichtbrechung für die Fern-Nah-Akkomodation. ⇒ In der Netzhaut findet die Umwandlung des (Licht)Reizes in Erregung statt. ⇒ Über den Sehnerv wird Erregung zum Gehirn weitergeleitet. JakJ Biologie 9 Sinnesorgane 8/19 2.6 Strahlengang (vgl. NuT Physik, 7. Jgst., Optik) Gegenstandsebene Bildebene Mittelebene der Linse Parallelstrahl Brennpunktstrahl Mittelpunktstrahl Brennpunkt Brennpunktstrahl Parallelstrahl optische Achse Bildpunkt Brennweite Gegenstandsweite Bildweite ⇒ Da die Entfernung zwischen Linse und Netzhaut, also die Bildweite (beim Menschen) konstant ist, die Gegenstandsweite aber variabel ist, muss die Brechkraft der Linse variabel sein. ⇒ Beim Fotoapparat oder bei Fischen ist die Linse starr und die Entfernung zwischen Linse und Film bzw. Netzhaut wird an die jeweilige Gegenstandsweite angepasst. JakJ Biologie 9 Sinnesorgane 9/19 Die Brechkraft ist indirekt proportional zur Brennweite: Brechkraft= 1 Brennweite „Je höher die Brechkraft, desto geringer die Brennweite und umgekehrt.“ Eine Dioptrie (dpt) bezeichnet die Brechkraft einer Linse mit einem Meter Brennweite. Bestandteil Dioptrien Hornhaut 43 dpt Kammerwasser -3,7 dpt Linse (fernakkomodiert) 19,5 dpt –- Linse (nahakkomodiert bei einem Kleinkind) –- 33,5 dpt 58,8 dpt 72,8 dpt Summe: maximale Gesamtbrechkraftänderung: ca. 14 (nimm ab bis auf 0,5 im hohen Alter) Je stärker die Linsenwölbung, desto höher die Brechkraft. ⇒ Bei Fernakkomodation ist die Brechkraft klein, ebenso die Linsenwölbung, bei Nahakkomodation ist die Brechkraft groß, ebenso die Linsenwölbung. ⇒ Bei Altersweitsichtigkeit nimmt die Elastizität der Linse und somit die Brechkraft ab. JakJ Biologie 9 Sinnesorgane 10/19 2.7 Fern-, Nah-Akkomodation (Entfernungsanpassung) Vorderansicht: Gegenstandsweite Gegenstandsweite Brennweite Brennweite Ringmuskel (entspannt) Linsenbänder (gespannt) Ringmuskel (kontrahiert) Linsenbänder (entspannt) ⇒ Bei niedriger Gegenstandsweite (Nahakkomodation) kugelt sich die Linse ab, daher nimmt die Brechkraft zu und die Brennweite ab. ⇒ Bei großer Gegenstandsweite (Fernakkomodation) dagegen flacht sich die Linse ab. JakJ Biologie 9 Sinnesorgane 11/19 2.8 Fehlsichtigkeiten und Korrektur a) Kurzsichtigkeit Gegenstandsweite Brennweite Gegenstandsweite Brennweite ⇒ Der Augapfel ist zu lang, das Bild weit entfernter Gegenstände ist vor der Netzhaut scharf. ⇒ Mit einer Zerstreuungslinse wird die Brechkraft verringert, die Brennweite erhöht. JakJ Biologie 9 Sinnesorgane 12/19 b) Weitsichtigkeit Gegenstandsweite Gegenstandsweite Brennweite Brennweite ⇒ Der Augapfel ist zu kurz, das Bild naher Gegenstände ist hinter der Netzhaut scharf. ⇒ Mit einer Sammellinse wird die Brechkraft erhöht, die Brennweite verringert. JakJ Biologie 9 Sinnesorgane 13/19 2.9 Hell-Dunkel-Adaptation a) Schnelle Regelung über die Irismuskeln Dauer: in Sekundenbruchteilen hell dunkel Ringmuskeln kontrahiert entspannt Speichenmuskeln (radiär) entspannt kontrahiert Pupille klein groß Lichteinfall verringert erhöht b) Langsame Regelung über die Menge an Sehpurpur (Rhodopsin) in der Netzhaut Dauer: mehrere Minuten bis zu einer halben Stunde hell dunkel Menge an Sehpurpur nimmt ab nimmt zu Lichtempfindlichkeit gering hoch JakJ Biologie 9 Sinnesorgane 14/19 2.10 Farbensehen a) Bau der Netzhaut Licht Nervenzellen ca. 1 Million Schaltzellen u.a. Gegenfarbzellen Lichtsinneszellen - Stäbchen (Hell-Dunkel-Sehen, 120 Millionen) - Zapfen (Farbensehen, 6 Millionen) Pigmentschicht ⇒ Das Licht durchdringt zuerst die Nervenzellen, man spricht von einem „inversen“ Auge. ⇒ Alle Nervenfasern laufen gebündelt am „blinden Fleck“ zum Sehnerv. ⇒ An den Rändern liegen vermehrt Stäbchen, daher werden dort Bewegungen besser wahrgenommen. ⇒ Im Zentrum liegen vermehrt Zapfen, daher ist dort das Farbensehen stärker ausgeprägt. ⇒ Im Zentrum werden pro ableitender Nervenzelle weniger Stäbchen (mittels Schaltzellen) zusammengefasst. Dies erhöht die Auflösung. JakJ Biologie 9 Sinnesorgane 15/19 b) Farbwarnehmung ⇒ In der Netzhaut liegen drei Zapfentypen für Rot, Grün und Blau („RGB“) ≙ veraltete Dreifarbentheorie mit additiver Farbmischung ⇒ Ebenfalls in der Netzhaut und auch in der Sehrinde des Gehirns liegen Gegenfarbzellen, so dass sich vier Grundfarben ergeben (Gegenfarbtheorie mit subtraktiver Farbmischung): Zapfentypen (in der Netzhaut) Blau + – Gegenfarbzellen (Auswahl) Grün – Blau Gelb Rot + + + – + Weiß Grau Grün Rot Typ: hier z.B. „+Blau/-Gelb“ hier z.B. „-Grün/+Rot“ ⇒ Es gibt keine Mischfarben aus Rot und Grün und keine aus Blau und Gelb ⇒ Gelb ist also ebenfalls eine Primärfarbe! JakJ Biologie 9 Sinnesorgane 16/19 2.11 Bau des Ohrs JakJ Biologie 9 Sinnesorgane 17/19 Bestandteil ① Außenohr ② Trommelfell ③ Gehörknöchelchen Funktion Leitung, Übertragung und Verstärkung des Schalls allgemein [ vgl. 2.1 b) ] Strukturen zur Reizbündelung und Reizweiterleitung ④ Mittelohr ⑤ Sinneszellen im Schneckengang Reizumwandlung des Innenohrs Sinnes(nerven)zellen als Rezeptor ⑥ Hörnerv afferente Nervenbahnen zur Erregungsleitung Erregungsleitung 2.12 Gehörschäden Die Haarsinneszellen im Innenohr werden bei zu hoher Schallintensität (Schalldruck und Lautstärke) unumkehrbar geschädigt! ⇒ Zunächst betrifft dies v.a. höhere Töne, so dass Sprache bei Hintergrundgeräuschen nicht mehr erkannt werden kann, was zu sozialer Isolation führt. JakJ Biologie 9 Sinnesorgane 18/19 2.13 Funktionsweise von Haarsinneszellen Ausgangszustand Reizumwandlung 1. ankommender Schall drückt das Härchen zur Seite 2. Rezeptor-Kanäle werden geöffnet 3. Ionen (geladene Teilchen) strömen in das Zellinnere ein JakJ Biologie 9 Sinnesorgane Erregungsübertragung 4. Neurotransmitter werden freigesetzt 5. Diese bewirken an einer nachgeschalteten Nervenzelle eine elektrische Erregung 6. Diese Erregung wird zum Gehirn geleitet 19/19 3 Nervensystem 3.1 Vergleich verschiedener Tierstämme Hohltiere Gliederfüßer Wirbeltiere Zentralisierung nein ja ja Lage des zentralen Marks - Bauchseite Rückenseite ⇒ zunehmende Zentralisierung entlang der Längsachse und am Vorderende ⇒ Entstehung des Zentralen Nervensystems (ZNS) mehrfach unabhängig voneinander im Verlauf der Evolution JakJ Biologie 9 Nervensystem 1/9 3.2 Anatomische und funktionelle Gliederung Nervensystem Peripheres Nervensystem (PNS) Zentrales Nervensystem (ZNS) Gehirn Rückenmark Somatisches NS afferent (zum Gehirn hin) efferent (vom Gehirn weg) Viszerales NS Vegetatives NS afferent Sympathikus „Leistungsnerv“ efferent Parasympathikus „Erholungsnerv“ z.B. bewusste Bewegungssteuerung: Sinnesorgan → afferentes somatisches PNS → ZNS → efferentes somatisches PNS → Effektor z.B. unbewusste Steuerung der Verdauungstätigkeit: „innerer Reiz“ → viszerales NS → ZNS → efferentes vegetatives PNS → Sympatikus/Parasympathikus JakJ Biologie 9 Nervensystem 2/9 3.3 Gliederung des Gehirns ...nach der Embryonalentwicklung Vorderhirn ...nach Anatomie und Funktion Funktion 1. Großhirn Motorische Rindenfelder ⇒ Bewegungssteuerung Sensorische Rindenfelder ⇒ Sinneswahrnehmungen Assoziative Rindenfelder ⇒ Verknüpfung mit Erfahrungen/Gedächtnis 2. Zwischenhirn Thalamus ⇒ Filter zum Großhirn Hypothalamus ⇒ Gefühle, Steuerung des vegetativen NS, Schnittstelle zum Hormonsystem an der Hypophyse (Hirnanhangsdrüse) Mittelhirn 3. Mittelhirn Reflexe, Schlafrhythmus, Eingang visueller und auditorischer Erregung Rautenhirn (Brücke) - 4. Kleinhirn Bewegungskoordination (Laufen, Radfahren) 5. Nachhirn Steuerung von Atmung und Blutkreislauf ⇒ Beim Menschen sind besonders die assoziativen Rindenfelder besonders stark ausgeprägt! Diese sind (verteilt) der Speicherort für das Langzeitgedächtnis JakJ Biologie 9 Nervensystem 3/9 3.4 Lernen und Gedächtnis (Mehrspeichermodell) Speicherumfang sensorischer Speicher Recht groß Speicherdauer Vergessen durch... Millisekunden bis Informationsverlust durch Sekunden Unterbrechung der elektrischen Erregung ca. 20 bis 45 Kurzzeitgedächtnis Sehr klein (ca. 7 Informationseinheiten) Sekunden Langzeitgedächtnis Sehr groß, Jahre umfasst das „Wissensgedächtnis“ mit Weltwissen und biographischen Erfahrungen und das „Verhaltensgedächtnis“ mit Fähigkeiten und Verhaltensweisen Überschreiben oder fehlende Abrufbarkeit durch chemische Veränderungen an Synapsen oder Abbau von Nervenbahnen ⇒ Damit ein Gedächtnisinhalt ins Kurzzeitgedächtnis übernommen wird, muss dieser als relevant bewertet werden (z.B. durch positive oder negative Emotionen, oder bekannte Muster). ⇒ Damit ein Gedächtnisinhalt ins Langzeitgedächtnis übernommen wird, muss dieser mehrfach wiederholt werden. Bei jedem späteren Aufruf wird er dann in veränderter Form wieder erneut geschrieben. ⇒ Durch Schlafmangel oder Schädigung bestimmter Gehirnbereiche (z.B. durch Alkoholmissbrauch) kann die Gedächtnisbildung gestört sein. JakJ Biologie 9 Nervensystem 4/9 3.5 Reflexe a) Reiz-Reaktions-Schema Reiz Reaktion Rezeptor Afferenz Umschalter im ZNS Efferenz Effektor b) Beispiele Reizwirkung am Rezeptor Kniesehnenreflex Mechanische Dehnung einer Muskelspindel im Oberschenkelmuskel Lidschlussreflex Umschalter im ZNS Eine einzige Synapse im Rückenmark Lufstrom reizt Tastsinneszellen in Mehrere der Hornhaut des Auges Synapsen im Nachhirn Reaktion am Effektor Kontraktion des Oberschenkelmuskels bewirkt eine Beinstreckung Kontraktion des Augenlidmuskels führt zum Lidschluss ⇒ Wenn nur eine einzige Synapse als Umschalter dient, spricht man von einem „monosynaptischen“ Reflex, ansonsten von einem „polysynaptischen“. ⇒ Wenn Rezeptor und Effektor im gleichen Organ (und Gewebe) liegen, spricht man von einem „Eigenreflex“, ansonsten von einem „Fremdreflex“. ⇒ Reflexe laufen sehr schnell und recht starr ab; sie besitzen meist Schutzfunktion. JakJ Biologie 9 Nervensystem 5/9 3.6 Das Vegetative Nervensystem a) Übersicht Sympathikus „Leistungsnerv“ Parasymaptikus „Erholungsnerv“ Pupille erweitert verengt Speichelfluss verringert vemehrt Atemwege erweitert verengt Herzfrequenz erhöht erniedrigt Blutdruck erhöht erniedrigt (Blutgefäße der Haut verengt) Verdauungstätigkeit gehemmt gefördert ⇒ Beide arbeiten als Gegenspieler („Antagonisten“). ⇒ typische Anzeichen von Angst: trockener Mund, schneller Herzschlag, Erblassen ⇒ „Kampf-oder-Flucht“-Antwort b) Wirkung von (Dauer-)Stress 1. Der erhöhte Blutdruck führt zu Schäden am Herz und an den Arterien 2. Über das Hormonsystem (Hypophyse, Nebenniere) wird die Arbeit des Immunsystems unterdrückt, so dass es zu chronischen Entzündungen, v.a. der Blutgefäße kommt 3. Im Extremfall drohen durch Schädigungen am Gehirn auch psychische Erkankungen wie Depression und Intelligenzminderung JakJ Biologie 9 Nervensystem 6/9 3.7 Bau und Funktion einer Nervenzelle Axon Dendrit Synapse Soma Schwannsche Zellen Ranviersche Schnürringe Station Aufgabe Dendrit Erregungsaufnahme Axon Erregungsleitung (elektrisch, schnell), an den Schnürringen Synapse Erregungsübertragung (chemisch, langsam), entweder (1) neuro-neuronal, (2) neuro-muskulär oder (3) neuro-sekretorisch JakJ Biologie 9 Nervensystem 7/9 3.8 Chemische Erregungsübertragung an einer Synapse 1. Vom Axon trifft eine elektrische Erregung am Axonendknoten ein. 2. Der Neurotransmitter wird in den synaptischen Spalt ausgeschüttet. 3. Der Neurotransmitter trifft auf einen Rezeptor und es wird eine elektrische Erregung an der postsynaptischen Membran ausgelöst. 4. Der Neutrotransmitter wird durch ein Enzym vom Rezeptor abgespalten und wieder in den Axonendknoten aufgenommen. JakJ Biologie 9 Nervensystem 8/9 3.9 Drogenwirkung a) Wirkungsweise Die meisten Drogen blockieren meist die Wiederaufnahme eines oder mehrerer Neurotransmitter (meist Noradrenalin, Dopamin oder Serotonin) in bestimmten Gehirnregionen (z.B. im Belohnungszentrum), so dass dessen Menge im synaptischen Spalt erhöht wird, und kurzfristig eine euphorisierende Wirkung eintritt (z.B. Kokain oder Ecstasy/MDMA). Seltener können Drogen auch als Neuromodulator wirken, d.h. die Wirkung eines aktivierenden Neutrotransmitters abschwächen, so dass eine dämpfende Wirkung eintritt (z.B. Heroin). Die chemische Struktur von Drogen ähnelt meist sehr stark der des entsprechenden Neurotransmitters. b) Grundproblem Die Empfindlichkeit der Rezeptoren nimmt ab, so dass eine immer höhere Drogenmenge benötigt wird, um die gleiche Wirkung zu erreichen. Die „normale“ Neurotransmittermenge führt bereits zu Entzugserscheinungen. Es werden verstärkt Synapsenverbindungen komplett mit ihren Axonen abgebaut, so dass es langfristig zu Gehirnschäden kommt. c) Nichtstoffliche Süchte Auch andere Belohnungsreize wie Glücksspiel oder Pornokonsum können das Belohnungszentrum überreizen und so nicht stoffgebundene Süchte auslösen. JakJ Biologie 9 Nervensystem 9/9 4 Hormonsystem 4.1 Vergleich mit dem Nervensystem hormao (grch.) = „antreiben, anregen“ chemische ErregungsÜbertragung auf einen Rezeptor elektrische ErregungsLeitung am Axon ⇒ schnell, gerichtet JakJ Transport der chemischen Erregung in der Blutbahn chemische ErregungsÜbertragung auf einen Rezeptor ⇒ langsam, ungerichtet Biologie 9 Hormonsystem 1/5 4.2 Übersicht Vegetatives Nervensystem Befehlsebene Gehirn (Hypothalamus) Neurotransmitter bzw. (Steuer)hormone Acetylcholin Verstärkerebene Sympathikus Neurotransmitter Acetylcholin bzw. (End)Hormone Hormonsystem Hypophyse Thryrotropin (TSH) Nebennierenmark Langerhanssche Inseln Schilddrüse Adrenalin Insulin oder Glukagon Thyroxin Ausführebene z.B. Herzmuskel Leberzellen fast alle Körperzellen Regelung... der Herzfrequenz des Blutzuckerspiegels der Körpertemperatur Aufgabenbereich Stressreaktion Homöostase ⇒ Bei der Stressreaktion arbeiten Nerven- und Hormonsystem eng zusammen. ⇒ Bei der Regelung des Blutzuckerspiegels wirken zwei antagonistische Hormone. ⇒ Bei der Regelung der Körpertemperatur bewirkt ein Steuerhormon die Ausschüttung eines Endhormons ⇒ Bei der Stressreaktion werden zusätzlich über ACTH (aus der Hypophyse) und später Kortisol (aus der Nebennierenrinde) Entzündungsreaktionen des Immunsystems beeinflusst JakJ Biologie 9 Hormonsystem 2/5 4.3 Regelung des Blutzuckerspiegels (vereinfacht: ohne Glukagon) a) Pfeilschema + Glucose („Traubenzucker“) Insulin – ⊕ Gleichsinnige Beziehung: • Je mehr Glucose im Blut, desto mehr Insulin wird ausgeschüttet. • Je weniger Glucose im Blut, desto weniger Insulin wird ausgeschüttet. b) Hormonwirkung ⊖ Ungleichsinnige Beziehung: • Je mehr Insulin im Blut, desto weniger Glucose bleibt im Blut, da mehr in den Leberzellen in Form von Glykogen gespeichert wird. • Je weniger Insulin im Blut, desto mehr Glucose bleibt im Blut, da mehr in den Leberzellen aus dem Abbau von Glykogen freigesetzt wird. ⇒ Die Regelung erfolgt über eine „negative Rückkopplung“. JakJ Biologie 9 Hormonsystem 3/5 c) Formen der „Zuckerkrankheit“ Typ I-Diabetes Symptom Typ II-Diabetes dauerhaft erhöhter Blutzuckerspiegel Ursache Insulinmangel (z.B. Absterben von Langerhansschen Zellen) Defekte Insulinrezeptoren an den Leberzellen Behandlung Insulinzufuhr nach Mahlzeiten Diät und Gewichtsreduktion JakJ Biologie 9 Hormonsystem 4/5 4.4 Die beiden verschiedenen Hormon-Wirkungsmechanismen auf zellulärer Ebene 1. Das Hormon, kann die Zellmembran nicht passieren, und bindet sich an einen Rezeptor 1. Das Hormon, passiert die Zellmembran und bindet sich im Zellkern an die Erbinformation (DNA) 2. Ein „second Messenger“, also ein „zweiter Botenstoff“ bewirkt dann die Stoffwechselveränderung 2. Es wird ein Protein gebildet, das weitere Veränderungen bewirkt. z.B. Insulin, Glucagon, Adrenalin, Thyroxin ⇒ ähnlich der zellvermittelten Immunantwort JakJ z.B. Sexualhormone wie Testosteron, Östrogene Biologie 9 Hormonsystem 5/5 5 Immunsystem 5.1 Bakterien Zellwand (aus Murein, Antibiotika hemmen die Synthese) Zellmembran Erbinformation (DNA-Ring = „Plasmid“, kein echter Zellkern!) Form: Stäbchen „Bazillen“ oder Kugeln „Kokken“ Vermehrung: ungeschlechtlich durch (Zwei)Teilung Schadwirkung: Abgabe von Giftstoffen („Toxinen“) Bakterielle Infektionskrankheit Infektionsweg Symptome Salmonellose Rohes Fleisch Erbrechen, Durchfall Syphilis Geschlechtsverkehr (Kondome!) Geschwüre mit hartem Rand, Lymphknotenschwellung, Gewebszerfall Wundstarrkrampf, Tetanus Erde, Rost bei offenen Wunden Benommenheit, Atemnot, Tod Tuberkulose Tröpfchen, infizierte Milch Fieber, Husten, Gewichtsabnahme, Aushusten von Blut Scharlach Hautschuppen Kleinfleckiger roter Ausschlag JakJ Biologie 9 Immunsystem 1/12 5.2 Viren a) Bau Viren, die Bakterien befallen: Viren, die tierische Zellen befallen: Andockstellen (Wirts-) Zellmembran Capsid (Proteinhülle) Erbinformation (DNA oder RNA-Strang) Injektionsapparat ⇒ keine Zellen, kein eigener Stoffwechsel, daher helfen hier keine Antibiotika ⇒ bestehen nur aus reiner Erbinformation mit einer Hülle, sie sind daher auf den Stoffwechsel einer Wirtszelle angewiesen JakJ Biologie 9 Immunsystem 2/12 b) Vermehrungszyklus Bakterien befallender Viren 1. Injektion der Virus-DNA 2. Einbau der Virus-DNA in die Bakterien-DNA 3. Herstellung von Virus-DNA und Capsiden 4. Zellauflösung (⇒ „lytisch“) und Freisetzung JakJ Biologie 9 Immunsystem 3/12 c) Vermehrungszyklus des Humanen Immunschwäche Virus (HIV) 1a. Andocken und Einschleusen der Virus-RNA und des Enzyms Reverse Transkriptase 1b. Erzeugen der Virus-DNA durch „reverse Transkription“ ⇒ „Retrovirus“ 2. Einbau der Virus-DNA in die menschliche-DNA im Zellkern 4. Abschnüren mit (Wirts-)Zellmembran ⇒ „Tarnung“ JakJ 3. Herstellung von Virus-RNA, Capsiden und Reverser Transkriptase Biologie 9 Immunsystem 4/12 d) Virale Infektionskrankheiten Virale Infektionskrankheit Infektionsweg Symptome Grippe Atemluft Fieber, Muskelschmerzen, Halsschmerzen, Husten, Schnupfen Kinderlähmung Polio(myelitis) Schmierinfektion Lähmungen Röteln Berührung Leichter Hautausschlag, gefährlich bei Schwangerschaft Windpocken Tröpfcheninfektion Rote Flecken, Wasserbläschen Masern Fieber, Husten, Hautausschlag Mumps Schwellung der Speicheldrüsen ⇒ sehr weit verbreitet und sehr häufig ⇒ auch die sogenannten „Kinderkrankheiten“ können sehr gefährlich sein, eine Impfung ist daher empfehlenswert! ⇒ Schutzmaßnahmen: Händewaschen, ggf. Mundschutz JakJ Biologie 9 Immunsystem 5/12 5.3 Gliederung des Immunsystems Unspezifische Abwehr Spezifische Abwehr Humorale Immunantwort Zellvermittelte Immunantwort - Haut und Schleimhäute B-Plasmazellen bilden Antikörper T-Killerzellen mit - Entzündungsreaktionen mit gegen extrazelluläre T-Zellrezeptoren bekämpfen Riesenfresszellen Krankheitserreger intrazelluläre Krankheitserreger („Makrophagen“) - wird aktiviert durch T-Helferzellen - Immungedächtnis durch B- und T-Gedächtniszellen schnell (Minuten bis Stunden) langsam (mehrere Tage bis Wochen) Aus Stammzellen im Knochenmark entstehen: • B-Zellen durch Reifung im Knochenmark (engl. „Bone marrow“) • T-Zellen durch Reifung im Thymus Therapie von Leukämie „Blutkrebs“: • Symptom: Überproduktion von weißen Blutkörperchen (u.a. B- und T-Zellen) 1. Zerstörung des Knochenmarks des Empfängers. In dieser Zeit ist er sehr anfällig für Infektionen! 2. Übertragung von Stammzellen eines Spender-Knochenmarks, die dann die Produktion B- und T-Zellen übernehmen. JakJ Biologie 9 Immunsystem 6/12 5.4 Unspezifische Abwehr a) Haut und Schleimhäute • Mechanische Barrieren (z.B. zähflüssiger Schleim) • Chemische Waffen (z.B. Säureschutzmantel, Magensäure, Lysozym in Speichel) b) Entzündungsreaktionen Lokal: 1. Bindegewebszellen setzen Histamine frei. 2. Blutgefäßerweiterung führt zur Rötung und Wärmeentwicklung. 3. Lymphe dringt in das Gewebe ein und führt zur Schwellung (⇒ Dehnungsschmerz). 4. Makrophagen werden angelockt. Systemisch: • Fieber, bei übersteigerter Reaktion: Septisch-toxischer Schock c) Antimikrobielle Proteine Von intrazellulären Krankheitserregern befallene Zellen geben Interferone ab. Diese schützen benachbarte Zellen vor einer Infektion. JakJ Biologie 9 Immunsystem 7/12 5.5 Humorale Immunantwort freie Antigene verschiedenartige Antigenbindungsstellen B-Gedächtniszellen B-Zellen B-Plasmazellen „Klon“ der selektierten B-Zelle ⇒ Das freie Antigen passt nach dem „Schlüssel-Schloss-Prinzip“ genau zur Antigen-Bindungsstelle bzw. zum Antikörper. ⇒ „humoral“, da die Antikörper über Lymphe oder Blut transportiert werden Antikörper Ziel: Produktion von Antikörpern durch B-Plasmazellen; die freien Antigene verklumpen. Immungedächtnis: Bei erneutem Kontakt mit dem gleichen Antigen teilen sich die B-Gedächtniszellen sehr schnell und bilden B-Plasmazellen, die dann sehr schnell Antikörper produzieren. JakJ Biologie 9 Immunsystem 8/12 5.6 Zellvermittelte Immunantwort Antigenpräsentierende infizierte Zelle AntigenBruchstücke T-Gedächtniszellen Perforin infizierte Zelle T-Killerzelle mit T-Zellrezeptor „Klon“ aktivierter T-Killerzellen aktivierte T-Killerzelle ⇒ infizierte Zellen „benachrichtigen“ die T-Killerzellen ⇒ „zellvermittelt“, da der membrangebundene T-Zellrezeptor die infizierten Zellen erkennt Ziel: Zerstörung infizierter Zellen durch aktive T-Killerzellen Immungedächtnis: Bei erneutem Kontakt mit dem gleichen Antigen(bruchstück) teilen sich die T-Gedächtniszellen sehr schnell und bilden T-Killerzellen. JakJ Biologie 9 Immunsystem 9/12 5.7 Aktive Immunisierung (vereinfacht am Beispiel der humoralen Immunantwort) B-Plasmazellen B-Gedächtniszellen jeder erneute Antigenkontakt ⇒ sehr schnelle Immunantwort aufgrund des Immungedächtnisses JakJ Biologie 9 Immunsystem 10/12 5.8 Passive Immunisierung Blutserum egal ob erster oder zweiter Antigenkontakt! ⇒ Das Immungedächtnis wird nicht aktiviert! JakJ Biologie 9 Immunsystem 11/12 5.9 Allergien a) Entstehung - Erstkontakt: Allergene: Eigentlich harmlose Antigene aus der Umwelt B-Plasmazellen IgE-Antikörper - Zweitkontakt: Mastzellen im Bindegewebe Histamin b) Komplikation: Anaphylaktischer Schock Gefäßerweiterung führt zu starkem Blutddruckabfall und Kreislaufkollaps (vgl. septisch-toxischer Schock) c) Behandlung Hyposensibilisierung (= Desensibilisierung): Zugabe geringer Allergen-Mengen führt zu einer Umwandlung von IgE-produzierenden B-Zellen in IgG-produzierende B-Zellen. Passende IgG-Antikörper fangen das Allergen rechtzeitig ab, bevor es mit den an die Mastzellen gebundenen IgE-Antikörpern in Kontakt kommt. Bei zu hoher Dosis wirkt aber die Verstärkung über T-Helferzellen zu stark. JakJ Biologie 9 Immunsystem 12/12 6 Genetik 6.1 Grundbegriffe Vererbung := Weitergabe von genetischer Information Gen := Genetische Information für die Ausbildung eines Merkmals Allel := Variante eines Gens, die für eine bestimmte Ausprägung sorgt Genotyp := Gesamtheit der genetischen Information eines Individuums Phänotyp := Gesamtheit aller (sichtbaren) Merkmale eines Individuums DNA := Desoxyribonukleinsäure, Informationsträger der genetischen Information Protein := Baustoff oder Enzym; bestimmt den Phänotyp 6.2 Informationsfluss in der Zelle Merkmal auf Phänotyp-Ebene Gen JakJ Protein Biologie 9 Genetik 1/8 6.3 Proteine bestimmen den Phänotyp • Proteine bestehen aus langen Ketten miteinander verknüpfter Aminosäuren. • Es werden etwa 20 verschiedene Aminosäuren eingebaut. • Diese Ketten besitzen einen bestimmten räumlichen Bau, der davon abhängt, welche Aminosäure sich an einer bestimmten Position befindet. • Dieser räumliche Bau ist entscheidend für die Funktionsfähigkeit des Proteins. Merkmal auf Phänotyp-Ebene Funktionsfähigkeit Räumlicher Bau Aminosäuresequenz Protein JakJ Biologie 9 Genetik 2/8 6.4 Gene bestimmen den Bau der Proteine • Die DNA besteht aus aus zwei langen, spiralig gewundenen Nukleinsäure-Ketten, miteinander verknüpfter Nukleotide. • Es werden vier verschiedene Nukleotide eingebaut, die sich in ihren Basen unterscheiden. • Immer drei aufeinanderfolgende Nukleotide/Basen eines Genabschnitts bestimmen, welche Aminosäure an einer bestimmten Position des Proteins eingebaut wird. Diese Übersetzung „Translation“ erfolgt mit Hilfe des genetischen Codes. • Vor der Übersetzung findet im Zellkern zunächst eine Umschreibung „Transkription“ in messenger RNA (mRNA) statt, die dann außerhalb des Zellkerns übersetzt wird. Gen Protein 1. Transkription DNA-Abschnitt 2. Translation mRNA Aminosäuresequenz Nukleotidsequenz JakJ Biologie 9 Genetik 3/8 6.5 Vom Gen zum Protein Merkmal auf Phänotyp-Ebene Funktionsfähigkeit Gen 1. Transkription DNA-Abschnitt Räumlicher Bau 2. Translation mRNA Protein Aminosäuresequenz Nukleotidsequenz ⇒ Das Ablesen der Gene („Baupläne“) kann z.B. durch Hormone beeinflusst werden. ⇒ Die Gene geben nur den möglichen Rahmen vor, der tatsächliche Phänotyp kann durch Umwelteinflüsse beeinflusst werden (z.B. Krafttraining)! JakJ Biologie 9 Genetik 4/8 6.6 Informationsfluss in die nächste Generation a) Identische Zellteilung (bei ungeschlechtlicher Fortpflanzung oder Wachstum) genetische Information Mitose identische genetische Information identische genetische Information ⇒ Bei der Mitose werden zwei identische Tochterzellen gebildet JakJ Biologie 9 Genetik 5/8 b) Keimzellenbildung und anschließende Befruchtung (bei geschlechtlicher Fortpflanzung) genetische Information genetische Information Urkeimzellen ♀ ♂ Meiose Meiose Keimzellen halbierte genetische Information halbierte genetische Information ♂ ♀ Befruchtung Befruchtete Eizelle neu kombinierte genetische Information ⇒ Bei der Meiose (= Keimzellenbildung) wird die genetische Information halbiert! JakJ Biologie 9 Genetik 6/8 6.7 Organisation der genetischen Information in der Zelle in Form von Chromosomen Zweck: Bau: Anzahl: - kompakte Transporteinheiten („Koffer“) für Mitose und Meiose - zwei Untereinheiten Chromatiden (⇒ dies ermöglicht eine Halbierung) und - ein Centromer als „Griff“ - kommen immer paarweise vor (Ausnahme: in Keimzellen einzeln) - beim Menschen insgesamt 23 Paare, davon 1 Paar für die Geschlechtsbestimmung (XX oder XY) und 22 Paare für alles andere Die geordnete Abbildung aller 46 Chromosomen bezeichnet man als „Karyogramm“. JakJ Biologie 9 Genetik 7/8 6.8 Genauer Ablauf von Mitose und Meiose Vgl. Übungsaufgaben zum Biologie-Lernprogramm „Zellzykler“ biologie-lernprogramme.de/daten/html/zellzykler.html JakJ Biologie 9 Genetik 8/8
