Medizinische Biologie

Medizinische Biologie
bios (gr.) Leben logos (gr.) Lehre
Eigenschaften lebender Organismen (n. W. Roux, 1915)
• Stoffwechsel (Aufnahme, Assimilation, Dissimilation und Ausscheidung)
• Wachstum
• Bewegung (Erregbarkeit und spontane
Bewegungsfähigkeit)
• Vermehrung
• Vererbung
• (Zelle als kleinste lebensfähige Einheit)
Entwicklung des Lebens
• chemische Evolution
• biologische Evolution
Chemische Evolution (A)
1. Abiotische Synthese und Akkumulation kleiner organischer Moleküle kann mit Miller‘scher
Apparatur simuliert werden. Voraussetzungen waren das Vorliegen von Wasser, einfachen
anorganischen Verbindungen, wie den Gasen H2, NH3, CO2, CH4, SH2 usw in einer
Atmosphäre ohne molekularen Sauerstoff unter Zufuhr von Energie.
Chemische Evolution (B)
2. Verknüpfung der Monomere zu Polymeren
Chemische Evolution (C)
3. Aggregation der Makromoleküle und anderer Verbindungen zu sphärischen Gebilden
(=Protobionten)
Chemische Evolution
Die Energie für die abiotische Bildung von einfachen organischen Verbindungen und in der
weiteren Folge von Makromolekülen kam primär von Erdwärme, UV-Strahlung der Sonne,
chemischen Reaktionen, Kernzerfallvorgängen und elektrischen Entladungen (Blitzen)
Makromoleküle entstehen durch kovalente Bindung von Monomeren (zB. bei
Polysacchariden, Peptiden und Nucleinsäuren unter Abspaltung von H2O = Kondensation)
(umgekehrter Vorgang = Hydrolyse).
Makromoleküle können durch nicht kovalente Bindungen Makromolekülaggregate bilden z.B.
Ribosomen Entropie.
Durch den Energieaufwand für Ordnung in der Zelle (bzw. im Organismus), unter anderem
durch Aufbau von Makromolekülen (oder des Bildens und Aufrechterhaltens größerer
Strukturen) nimmt insgesamt durch vermehrte Wärmeabgabe die Unordnung im Universum
zu.
Chemische Evolution (D)
4. Entwicklung eines Vererbungsmechanismus
Biologische Evolution
Evolutionsmechanismen:
1. Mutation
2. Selektion
Biologische Evolution
Charles Darwin: „On the origin of species by means of natural selection or the preservation of
favoured races in the struggle for life“1859
Die Entstehung der Arten durch natürliche Zuchtwahl
Biologische Evolution
• Arten wurden nicht in gegenwärtigen Form einzeln erschaffen, sondern entwickelten sich
aus „altertümlichen“ Arten (Vorstufen)
• Mechanismus der Evolution: = natürliche Zuchtwahl oder Selektion Evolutionszeiträume
Entstehung des Sonnensystems
4,7 Milliarden Jahre
Erste Prokaryonten
3,0 Milliarden Jahre
Erste Hominoide
20 Millionen Jahre
Homo sapiens sapiens
40.000 Jahre
Grundlagen der Biogenese
• Eine der wesentlichsten Voraussetzungen für die Entstehung des Lebens, liegt in den
vielseitigen Eigenschaften der RNA begründet
• Selbstreplikation, Basensequenzveränderung, abschnittsweise Basenpaarung im eigenen
Molekül mit Bildung dreidimensionaler Strukturen, zum Teil enzymatische Aktivitäten, sowie
bei bestimmter Sequenz spezifische Bindung an DNA oder Proteine
Biologische Evolution
• Es bildeten sich zuerst unter anaeroben (kein Sauerstoff in der Atmosphäre) Bedingungen
Protobionten und später einfache Prokaryonten (waren die ersten Organismen)
• auch noch unter anaeroben Bedingungen entstanden die ersten Eukaryonten
• in der weiteren Folge stieg der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre und mehrzellige
Eukaryonten konnten entstehen
Protozoon
• einzellige Eukaryonten die teilweise bereits sehr kompliziert aufgebaut sind (einige davon
können unter anaeroben oder aber auch aeroben Bedingungen leben)
• bestimmte Arten haben auch alsKrankheitserreger in der Medizin Bedeutung (wie natürlich
auch viele der einfacheren Prokaryonten oder weiterentwickelten vielzelliger Eukaryonten)
Einige einfache mehrzellige Organismen haben eine große Bedeutung für die Erforschung
der Entwicklung des sogenannten „Masterplans“ für die Ausbildung wesentlicher
Strukturmerkmale und der Segment- und Organbildung.
Viele dieser regulierenden Erbanlagen sind in der Evolution konserviert und auch beim
Menschen in analoger Weise wirksam
Segmentierungsgene
• sind für die Segmentierung, Differenzierung, Ausbildung von Achsen (mit z.B.
Längsgradienten) und damit für die Entstehung dreidimensionaler Strukturen (mit-)
verantwortlich
Evolution
Obwohl viele Evolutionsschritte bei der Entstehung des Menschen noch nicht im Detail
verstanden sind, so wird doch heute wegen der weitgehenden Ähnlichkeit von menschlichem
und Primaten Genom davon ausgegangen, daß vermutlich nur wenige Mutationen in
„kritischen“ Genen und deren geänderte Regulation für wesentliche Evolutionssprünge
ausreichen könnten
alle heute bekannten Organismen
• stammen vermutlich von derselben Urzelle ab
• durch unterschiedliche und über längere Zeiträume veränderte Umweltbedingungen,
Mutationen, Selektion und Anpassung kam die Komplexität der Biosphäre zustande.
Evolutionärer Ursprung von Zellorganellen
• Der Zellkern, das endoplasmatische Retikulum und in der Folge weitere Zellorganellen
dürften durch Umlagerung und Weiterentwicklung von prokaryontischen Strukturen
entstanden sein
• Mitochondrien und Plastiden sind vermutlich durch Aufnahme von Prokaryonten in frühe
Eukaryonten mit symbiontischer Weiterentwicklung entstanden
kurzer Nachtrag zu 1.Stunde in folgenden Folien
Ökologie - Wechselwirkung von Organismen und Umwelt
Ökosystem - Einheit aus Lebensraum, Lebewesen und deren Wechselwirkungen
Lebewesen in Ökosystem
Produzenten
bauen aus anorganischen Substanzen durch Photosynthese organische Stoffe auf
(produzieren Biomasse), wie zB. Pflanzen Lebewesen in Ökosystem
Konsumenten
Ernähren sich von Produzenten, oder deren Produkten
(K.1.Ordnung), wie Herbivore Ernähren sich von anderen Konsumenten
(K.2. (ev.3.) Ordnung), wie Carnivore, Symbionten, Parasiten (haben meist
bestimmten Wirtsorganismus),
Parasiten haben als Krankeitserreger oder als deren Überträger medizinische Bedeutung
Lebewesen in Ökosystem
Destruenten
bauen abgestorbenen Lebewesen oder deren Ausscheidungen in anorganischen
Substanzen ab, wie Saprophagen (Abfallfresser, wie Würmer) und Mineralisierer (Bakterien
und Pilze) eventuell ebenfalls als Krankheitserreger von medizinischer Bedeutung
Bakterien
• relativ einfache, immer nur einzellige Lebewesen
• anaerober oder aerober Stoffwechsel
• sehr rasche Vermehrung möglich (15-20 min)
• enthalten ein ringförmiges Chromosom
• Genomgröße meist einige Millionen Basenpaare - entspricht einigen tausend Genen
• medizinisch relevante Rolle zB. als Symbionten oder Parasiten, daher oft Krankheitserreger
Retrotransposons
Das menschliche Genom
Es besteht zu etwa 70% aus sogenannten „einzigartigen“ Sequenzen. Diese entsprechen vor
allem Exons, Introns und regulatorischen DNA-Elementen.
Die verbleibenden etwa 30% DNA Repeats bestehen einerseits vor allem aus Satelliten-DNA
(etwa 10% besonders im Centromerbereich) und anderseits vor allem den von
Retrotransposons
abstammenden DNA Elementen (etwa 20%)
Retrotransposons
LINE-1 (etwa 4% des humanen Genoms) und die Alu- Repeats (SINES) (etwa 5% des
humanen Genoms mit ungefähr 500.000 Kopien) werden zuerst von RNA-Polymerase
transkribiert und dann von Reverse Transkriptase (von LINES selbst codiert) in DNA
„umgeschrieben“, wobei letztere an anderer Stelle ins Genom integriert werden kann. Dies
kann chromosomale Rearrangements und damit die Evolution begünstigen aber auch
Mutationen bedingen.
Viren
• sind keine Lebewesen
• haben entweder DNA oder RNA als Erbsubstanz
• Genom kann ua. linear oder circulär sein
Phagen sind Viren die Bakterien befallen
Viren die eukaryontische Zellen befallen, können uU. humanpathogen sein
Retroviren sind RNA-Viren, die das Enzym reverse Transcriptase zur Vermehrung
verwenden
Retroviren
• einzelsträngige RNA Viren mit dem Enzym Reverse Transkriptase
• sind wichtige Krankheitserreger
• können in das humane Genom integrieren
• können Tumore hervorrufen (besonders wenn sie ein Onkogen (verändertes ProtoOnkogen) enthalten)