Medizinische Biologie
Werbung
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)
