Evolution, Genetik und Erfahrung
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Peter Walla Evolution, Genetik und Erfahrung Jede Gamete enthält Chromosomen, die einzigartig zusammengesetzte Kombinationen von Chromosomen unserer Mütter und Väter sind! Crossing over erhöht die Verschiedenheit innerhalb einer Art! Durch Crossing over wird sichergestellt, dass Chromosomen nicht unverändert von einer Generation auf die nächste weitergegeben werden! Peter Walla Evolution, Genetik und Erfahrung Take Home Message: Crossing over mischt die genetischen Karten, bevor die Chromosomen zufällig an die nächste Generation verteilt werden! Eine andere Ursache für Genetische Variabilität sind Mutationen! Da diese aber meist fatale Folgen für den entsprechenden Organismus haben (Infertilität oder Absterben), etabliert sich nur wenig Genetische Variation über diesen Weg! Peter Walla Evolution, Genetik und Erfahrung Geschlechtschromosomen: Chromosomenpaar, welches die Ausprägung des Geschlechts eines Organismus bestimmt! Es gibt ein X-Chromosom und ein Y-Chromosom! (Beide tragen unterschiedliche Gene) Weibliche Säugetiere besitzen zwei X-Chromosomen, während männliche Säugetiere ein X-Chromosom und ein Y-Chromosom besitzen! Merkmale, die durch Gene auf Geschlechtschromosomen beeinflusst werden, nennt man „geschlechtsgekoppelte Merkmale“! Fast alle „geschlechtsgekoppelten Merkmale“ werden durch das XChromosom bestimmt, da das Y-Chromosom nur wenige Gene trägt! Was bedeutet das?? Peter Walla Evolution, Genetik und Erfahrung Das bedeutet, dass Merkmale, die durch Gene auf dem X-Chromosom bestimmt werden, bei einem Geschlecht häufiger auftreten als beim anderen! Die geschlechtsabhängige Häufigkeit variiert mit der Dominanz, bzw. der Rezessivität eines entsprechenden Merkmals! Ein dominantes X-chromosomales Merkmal tritt häufiger beim weiblichen Geschlecht auf, während ein rezessives X-chromosomales Merkmal häufiger beim männlichen Geschlecht zu finden ist! WARUM? Beispiel eines rezessiven geschlechtsgekoppelten Merkmals: Farbenblindheit! Das entsprechende Gen ist selten und Frauen erben fast nie zwei dieser Gene, während jeder Mann, der dieses Gen besitzt, unweigerlich farbenblind ist! Peter Walla Evolution, Genetik und Erfahrung Aufbau der Chromosomen und Replikation: Während der zeit der Teilungsruhe sind Chromosomen stark aufgelockert (Fadenknäuel!). Durch Spiralisation (schraubenförmiges Aufwickeln) verkürzen und verdichten sich die Chromosomen für eine bevorstehende Zellteilung! Der „Faden“ ist ein DNS-Doppelstrang! (Desoxyribonucleinsäure!) (wikipedia) Jeder Strang besteht aus einer Sequenz von Nukleotidbasen, die an eine Kette aus Phosphaten und Desoxyribose angeheftet sind. Peter Walla Evolution, Genetik und Erfahrung Aufbau der Chromosomen und Replikation: Es existieren 4 Nukleotidbasen: Adenin – Thymin – Guanin – Cytosin ! Der so genannte Genetische Kode ist nichts anderes als die Abfolge dieser Nukleotidbasen! Die „Doppelhelix-Struktur“ ergibt sich aus den Anziehungskräften zwischen Adenin und Thymin und zwischen Guanin und Cytosin! Die zwei Stränge sind exakt komplementär, da Adenin immer mit Thymin verbunden ist und Guanin immer mit Cytosin! Diese Begebenheit ist entscheidend für die so genannte REPLIKATION, die für die Verdoppelung des genetischen Materials für mitotische Zellteilungen sorgt! Peter Walla Evolution, Genetik und Erfahrung (wikipedia) Peter Walla Evolution, Genetik und Erfahrung Replikation: Die DNS-Stränge beginnen sich zu trennen! Die dann freigelegten Nukleotidbasen ziehen ihre jeweils komplementären Basen aus der Umgebung an (Kopiervorgang)! Das Ergebnis sind dann zwei idente Doppelstränge! Während der Replikation können Fehler passieren (fehlerhafte Kopie!)! Solche Fehler werden Mutationen genannt. Wie bereits erwähnt, führt diese Art der genetischen Variation meist zu nicht lebensfähigen Nachkommen, oder zumindest zu unvorteilhaften Ausprägungen! In seltenen Fällen erhöhen Mutationen die Fitness eines Organismus und tragen so zu einer evolutionären Weiterentwicklung bei! Peter Walla Evolution, Genetik und Erfahrung REPLIKATION! = Verdoppelung der Chromosomen, um im Zuge einer mitotischen Teilung beiden Tochterzellen einen vollständigen Chromosomensatz weitergeben zu können! Peter Walla Evolution, Genetik und Erfahrung Genetischer Kode und Genexpression: Was soll das Ganze? Wie kann ich denn dieses Zeug vernünftig in meine Vorstellung über das Leben einbauen? Organismen (samt ihren Geweben, Organen, etc.) sind zum Großteil aus Proteinen aufgebaut (Bausteine!). Proteine sind lange Ketten von Aminosäuren! Welche Aminosäuren für welche Proteine zusammengestückelt werden, ist nun genau das, was letztlich im „Genetischen Kode“ enthalten ist! Genexpression bedeutet also eigentlich, dass aus einem „Genotyp“ ein „Phänotyp“ wird (aus Proteinen aufgebaut!)! Peter Walla Evolution, Genetik und Erfahrung Verschiedene Arten von Genen: Strukturgene sind diejenigen Gene, die die notwendige Information für die Synthese eines Proteins enthalten! Operatorgene sind Gene, die die Funktionen der Strukturgene kontrollieren! Ein Operatorgen legt fest, ob und mit welcher Rate ein Strukturgen das Protein, für welches es kodiert, synthesieren soll oder nicht! (schaltet und kontrolliert also die Genexpression eines Strukturgens!) Die Funktion der Operatorgene ist ganz entscheidend dafür, wie sich jede Zelle im Körper eines Organismus entwickelt (Zelldifferenzierung!)! Eine Gruppe von so genannten Regulatorproteinen schaltet abgeschaltete Operatorgene an und eine andere Gruppe von Regulatorproteinen schaltet angeschaltete Operatorgene ab! Viele Regulatorproteine werden durch Signale beeinflusst, die eine Zelle aus der Umwelt erhält! ERFAHRUNG interagiert mit GENEN!!!! Peter Walla Evolution, Genetik und Erfahrung Genexpression: Ein kleiner DNS-Abschnitt trennt sich auf, sodass ein Strukturgen freiliegt! Dieser Abschnitt dient als Vorlage für die so genannte TRANSKRIPTION! Transkription bedeutet, dass ein Stück RNS (ähnlich wie DNS, nur statt Thymin kommt die Base Uracil vor und statt Desoxyribose besteht RNS aus Ribose!) gebaut wird, welches dann als Bote den genetischen Code an eine „Proteinproduktionsstelle“ ausserhalb des Zellkerns liefert. Deshalb nennt man ein solches RNS-Stück Boten-RNS (messenger-RNA) Die Boten-RNS verlässt den Zellkern und heftet sich an ein so genanntes Ribosom (es gibt viele Ribosomen in der Zellflüssigkeit). Das Ribosom bewegt sich dann entlang der Boten-RNS und übersetzt den genetischen Kode in die entsprechende Abfolge von Aminosäuren! Peter Walla Evolution, Genetik und Erfahrung Eine Gruppe von jeweils 3 aufeinander folgenden Nukleotidbasen auf der Boten-RNS wird als KODON bezeichnet! Ein Kodon steht dabei für jeweils eine von insgesamt 20 Aminosäuren, die für die Synthese eines entsprechenden Proteins von Ribosom angehängt werden. Die jeweiligen Aminosäuren werden von so genannten transfer-RNSMolekülen zum Ribosom transportiert! Das Ribosom liest ein Kodon nach dem anderen ab und fügt die entsprechenden Aminosäuren aneinander, bis ein Kodon auftaucht, welches die Information beinhaltet, dass mit der Synthese aufgehört werden soll! Ein komplettes Protein wurde synthetisiert und wird nun zur weiteren Verwendung (als Material!) ins Cytoplasma freigesetzt! Peter Walla Evolution, Genetik und Erfahrung Die zwei entscheidenden Schritte im Rahmen der Genexpression: Transkription Translation Peter Walla Peter Walla Evolution, Genetik und Erfahrung Interaktion zwischen genetischen Faktoren und Erfahrung Selektive Züchtung „labyrinthschlauer“ und „labyrinthdummer“ Ratten! Tyron (1934): trainierte Ratten durch ein komplexes Labyrinth zu laufen (mit Futter als Belohnung!). Paarte Weibchen und Männchen, die schnell lernten, durch das Labyrinth zu laufen und züchtete so selektiv „labyrinthschlaue Ratten“. Paarte ebenso Weibchen und Männchen, die häufig in falsche Labyrintharme liefen und züchtete so selektiv „labyrinthdumme“ Ratten. Der Nachwuchs dieser zwei Gruppen wurde erneut im Labyrinth getestet und wieder wurden die schlauesten und die dümmsten gepaart. Insgesamt wurde diese Strategie für 21 Generationen fortgeführt! Ab der 8ten Generation gab es kaum noch eine Überlappung der Leistungen! Peter Walla Evolution, Genetik und Erfahrung Peter Walla Evolution, Genetik und Erfahrung Tyron entwickelte zusätzlich eine Kontrollprozedur (eine überkreuzte kontrollierte Aufzucht)! Labyrinthschlaue Ratten wurden von labyrinthdummen Ratten aufgezogen und labyrinthdumme Ratten von labyrinthschlauen (Lerneffekt durch Eltern?). kein übertragener Lerneffekt! diese Strategie kann vermutlich jedes messbare Verhaltensmerkmal, welches zwischen Vertretern einer Art variiert, selektiv herauszüchten! Searle (1949) stellte fest, dass sich die zwei oben genannten Gruppen von Ratten auch in vielen anderen Tests voneinander unterscheiden. Searle meinte, dass die labyrinthschlauen Ratten nicht besser lernten, weil sie intelligenter sind, sondern, weil sie weniger emotional sind! Peter Walla Evolution, Genetik und Erfahrung Gene beeinflussen die Entwicklung von Verhalten! Natürlich beeinflusst Erfahrung genauso die Entwicklung von Verhalten! Cooper und Zubek (1958) zogen labyrinthschlaue Ratten und labyrinthdumme Ratten in verschiedenen Umgebungen auf. Es gab eine verarmte, stimulationsdeprivierte Umgebung und eine angereicherte stimulierende Umgebung! nur labyrinthdumme Ratten, die in einer verarmten Umgebung aufgewachsen sind, machten signifikant mehr Fehler als labyrinthschlaue Ratten. offenbar kann eine reizvolle Umgebung die negativen Effekte benachteiligter Gene ausgleichen! Ratten, die einer angereicherten Umgebung aufgezogen werden, entwickeln ein dickere Großhirnrinde als Ratten, die in einer verarmten Umgebung aufwachsen (Bennett et al., 1964). Peter Walla Evolution, Genetik und Erfahrung Peter Walla Evolution, Genetik und Erfahrung Phenylketonurie (PKU, genetisch bedingte metabolische Störung): führt zu einer geistigen Behinderung, zu Übelkeit, epileptischen Anfällen, Hyperaktivität, Hyperirritabilität und Hirnschädigungen! In Europa trägt einer von 100 Menschen das entsprechende Gen, welches rezessiv ist und somit nur bei homozygoten Trägern zur Ausprägung kommt! Es fehlt die Phenylalaninhydroxylase zur Umwandlung der Aminosäure Phenylalanin in Tyrosin. Als Folge sammelt sich Phenylalanin an und der Dompaminspiegel bleibt niedrig! interessant ist, dass die Interaktion zwischen dieser genetischen Störung und einer bestimmten Ernährungsweise zu verbesserten Verhaltenssymptomen führt: eine spezielle Diät senkt den Phenylalaninspiegel im Blut und verringert die Entwicklung einer geistigen Behinderung (Diät muss früh sensitive Phase! beginnen!) Peter Walla Evolution, Genetik und Erfahrung Minnesota-Studie (Bouchard und Pedersen, 1998): (bitte aus eigener Initiative nachschlagen!) Peter Walla Peter Walla Kapitel 3 Die Anatomie des Nervensystems Peter Walla Allgemeiner Aufbau des Nervensystems Das Wirbeltiernervensystem besteht aus 2 Teilen: Zentrales Nervensystem (ZNS) befindet sich im Schädel und der Wirbelsäule Peripheres Nervensystem (PNS) befindet sich außerhalb des Schädels und der Wirbelsäule Das ZNS besteht aus dem Gehirn (Encephalon) und dem Rückenmark (Medulla spinalis)! Das periphere Nervensystem besteht aus dem somatischen (SNS) und dem autonomen (ANS) Nervensystem! Peter Walla Allgemeiner Aufbau des Nervensystems Das SNS interagiert mit der Umwelt und besteht aus afferenten Nerven, die sensorische Signale zum ZNS leiten und aus efferenten Nerven, die motorische Signale von ZNS an die Muskeln leiten! Das ANS reguliert das innnere Milieu. Es besteht aus afferenten Nerven, die sensorische Signale von den Organen zum ZNS leiten und aus efferenten Nerven, die motorische Signale vom ZNS zu den Organen übertragen! Das ANS besitzt 2 efferente Nerventypen: sympathische Nerven parasympathische Nerven Beide Nerventypen werden auf ihrem Weg zum Zielorgan einmal umgeschaltet: Projektionen sympathischer Nerven werden in einiger Entfernung von ihrem Zielorgan umgeschaltet, während Projektionen parasympathischer Nerven in der nahen Umgebung ihrer Zielorgane umgeschaltet werden. Peter Walla Allgemeiner Aufbau des Nervensystems Die meisten peripheren Nerven entspringen dem Rückenmark! Ausnahmen: es gibt 12 paarige Hirnnerven, die direkt vom Gehirn ausgehen: (bitte aus eigener Initiative nachschlagen!) Peter Walla Allgemeiner Aufbau des Nervensystems Hirnhäute, Ventrikel und Cerebrospinalflüssigkeit (als Schutz des ZNS neben Schädel und Wirbel!) - 3 Hirnhäute (Meningen) Dura mater Arachnoidea mater Pia mater Zwischen Pia mater und Arachnoidea mater befindet sich der Subarachnoidalraum - Ventrikel (4 grosse Kammern des Gehirns): 2 Seitenventrikel, 3ter Ventrikel und 4ter Ventrikel - Cerebrospinalflüssigkeit (Liquor cerebrospinalis): Füllt den Subarachnoidalraum, den Zentralkanal und die Ventrikel Peter Walla Allgemeiner Aufbau des Nervensystems Peter Walla Allgemeiner Aufbau des Nervensystems Subarachnoidalraum, Zentralkanal und die Ventrikel sind miteinander verbunden und bilden ein zusammengehörendes Reservoir! Peter Walla Allgemeiner Aufbau des Nervensystems Die Cerebrospinalflüssigkeit wird kontinuierlich vom Plexus choroideus produziert! ein Kapillarnetz, welches von der Pia mater in die Ventrikel ragt! Überschüssige Cerebrospinalflüssigkeit wird aus dem Subarachnoidalraum in so genannte Sinusräume absorbiert! Peter Walla Allgemeiner Aufbau des Nervensystems Wie entsteht ein so genanter „Wasserkopf“ (Hydrocephalus)? aus wikipedia Peter Walla Allgemeiner Aufbau des Nervensystems Blut-Hirn-Schranke ein weiterer Schutzmechanismus! Schützt vor dem Übertritt toxischer Substanzen aus dem Blut in das Gehirn Cerebrale Blutgefäße haben eng nebeneinander liegende Zellen in den Gefäßwänden, sodass die meisten Proteine und andere grosse Moleküle nicht passieren können (Schranke!). Medikamente, die im Gehirn wirken sollen, müssen die Blut-HirnSchranke passieren können! Wichtige natürliche Proteine können aktiv durchgeschleust werden!
