biologie - Burkhard Schlemmer
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BIOLOGIE Einige Teilbereiche der Biologie: • • • • • • Cytologie Anatomie Physiologie Biochemie Ethologie Ökologie Beschreibt die Funktionen der Zelle Wissenschaft vom inneren Aufbau der Lebewesen Beschreibt die Funktionsweise der Organsysteme beschäftigt sich mit den chem. Hintergründen der Physiologie Die Verhaltensforschung ... das Zusammenspiel zwischen belebter und unbelebter Natur ... usw. 1) Lebenskennzeichen Definitionen des Begriffes „Leben“: • Duden: . . . Leben ist das Dasein, die Existenz eines Lebewesens . . . • Wörterbuch der Philosophie . . . ca. 50 Seiten Text!!! . . . in der Philosophie Platons (ca. 400 v. Chr.)wird das Leben erstmals ein philosophischer Begriff: Das Leben macht die Selbstbewegung aus; das Prinzip des Lebens ist die Seele, sie ist Leben oder Selbstbewegung . . . • Handbuch theologischer Begriffe . . . (Psalm aus dem alten Testament) Alle lebenden Geschöpfe verdanken ihre Existenz dem Atem Gottes. Zieht er ihn zurück, verscheiden sie und kehren wieder zurück zum Staub. • Lexikon der Biochemie . . . Leben ist eine besondere Bewegungsform der Materie, die durch ein kompliziertes System von Wechselwirkungen hochorganisierter Verbindungen untereinander und mit einfachen Substanzen gekennzeichnet ist. • Zitat („Einfach zum Nachdenken“): Das Leben ist für uns ein Geheimnis. Für uns sind nur einige Erscheinungsformen des Lebens beobachtbar. Diese Erscheinungsformen nennen wir... ... „Die Kennzeichen des Lebens“. 1 Lebenskennzeichen: • Aktive Bewegung Wimperschlag, Geißelschlag, Turgorbewegungen, (Bew. durch den Zellinnendruck), Fließbewegung, Muskelbewegung . . . • Nahrungsaufnahme Diffusion ( Diffusion / Osmose), Endozytose (Phagocytose, Pinozytose), • Ausscheidung Abgabe von nicht mehr benötigten bzw. von giftigen Stoffen bzw. von Wasser z.B. durch kontraktile Vakuolen, Kiemen, Lungen, Haut, Niere, Darm, . . . • Stoffwechsel Definition! Unterschiede zwischen Energie-(Betriebs-) und Baustoffwechsel • Vermehrung Gegenüberstellung und prinzipieller Verlauf von geschlechtlicher und ungeschlechtlicher Vermehrung. • Vererbung Die Weitergabe von Merkmalen von den Eltern an direkte und indirekte Nachkommen. Gegenüberstellung von G. Mendel und der modernen Genforschung • Homöostase = Fließgleichgewicht Trotz des ständigen Durchflusses von Energie und Material bleibt die chemische Zusammensetzung aller Organismen gleich! 2 2) Die Zelle 2.1) Der chemische Zellbau Zellen bestehen zum Großteil aus Wasser, Eiweiß, Fetten und Kohlenhydraten. . . . . ......... 2.2) Allgemeiner Zellbau Zelle als Aggregat unterschiedlicher Reaktionsräume Organellen Aufbau biologischer Membranen Doppelte Lipidschicht mit eingelagerten Proteinen (Membranproteine, Porenproteine) Wiederholung: Tierische – Pflanzliche Zelle Zellorganellen (Zellkern, Mitochondrien, Endoplasmatisches Reticulum, Golgi Apparat (Dictyosomen), Ribosomen, Plastiden (bei Pflanzenzellen), Vakuolen (Zentralvakuole bei Pflanzenzellen), Zytoskelett, 2.3) Zellteilungen Die Mitose Eine Mutterzelle 2 identische Tochterzellen (hinsichtlich ihrer Erbinformation untereinander und mit der Mutterzelle identisch). Der Verlauf in erfolgt in 5 Phasen (Phasen sind aus dem durchgehenden Prozess herausgegriffene „Standbilder“, die mit wissenschaftlichen Namen versehen worden sind): 1. Interphase: (hier erfolgt die Verdoppelung der Erbinfo. → Replikation) Beim Menschen entsteht dabei zu jedem der 46 (23 x 2) einzelnen Stränge, welche die Erbinformation tragen eine Kopie. Diese Kopie bleibt jedoch mit dem Orginal an einem Punkt verbunden. Die so entstandenen X-förmigen Gebilde bezeichen wir künftig als Chromosomen. Die einzelnen Fäden aus denen sie bestehen sind die Chromatiden. Die Chromosomen sind zu diesem Zeitpunkt noch so dünn, dass sie im Lichtmikroskop auch bei stärkster Vergrößerung (ca. 2000fach) unsichtbar bleiben. 2. Prophase: Die Chromosomen kondensieren jetzt, d.h. sie spiralisieren sich und werden dadurch wesentlich dicker (natürlich auch kürzer!). Ab jetzt können die Chromosomen auch im Lichtmikroskop beobachtet werden. 3 Anschließend ändert sich die Struktur der Kernmembran so, dass sie sich auflöst. Jetzt sind die Chromosomen frei im Cytoplasma. 3. Metaphase: In der Zelle entsteht jetzt unter Mitwirkung von zwei Zellorganellen, den Centriolen, ein kompliziertes Gerüst aus Proteinfäden. Diese Fäden führen von der an einem Pol liegenden Centriole weg und führen zur gegenüber liegenden. Aufgrund der Form dieses Fadengebildes wird das Ganze als Spindelapparat und die einzelnen Fäden als Spindelfäden bezeichnet. Die jetzt beginnende Bewegung der Chromosomen wird durch diese Spindelfäden bewirkt. Die Chromosomen kommen so in der Mitte der Zelle zwischen den beiden Centriolen - in der Äquatorialebene - zu liegen. (Anordnung an Äquatorialebene, Aufbau des Spindelapparates), 4. Anaphase: Die Chromosomen werden jetzt unter der Zugwirkung der Spindelfäden in ihre beiden Chromatiden aufgetrennt. Je eine dieser Chromatiden kommt an den beiden Polen der Zelle - also in der Nähe der Centriolen - zu liegen. Nachdem die beiden Centriolen eine Kopie voneinander sind, befindet sich jetzt an jedem Zellpol eine vollständige Erbinformation. 5. Telophase: Rund um die beiden Chromatidengruppen wird je eine neue Kernmembran aufgebaut, die Zelle hat so kurzzeitig zwei identische Zellkerne. Durch Einstülpung der Zellmembran zwischen den beiden Zellkernen schnürt sich jetzt die Zelle langsam durch, so dass letztlich zwei neue Zellen entstanden sind. Bei Vielzellern bleiben diese Zellen aneinander haften, bei einzelligen Lebewesen trennen sie sich und bilden zwei neue, identische Lebewesen. Die neuen Zellen wachsen jetzt zur ursprünglichen Größe der Mutterzelle heran und dann beginnt im Allgemeinen der ganze Zyklus von vorne, also mit einer neuen Interphase. Die Meiose (= Reduktionsteilung = Voraussetzung für die geschlechtliche Fortpflanzung)) Eine diploide Mutterzelle (diploid = mit doppelter Erbinformation) 4 haploide Keimzellen (haploid = mit einfacher Erbinformation). Die Mutterzelle wird daher auch Keimzellenmutterzelle genannt. Die entstandenen Keimzellen sind hinsichtlich ihrer Erbinformation untereinander und im Vergleich mit der Mutterzelle auch qualitativ verschieden. Auch hierbei zeigen sich typische Bewegungsabläufe (Phasen) in der Zelle. Zudem jedoch wird der ganze Prozess in zwei große Teilschritte unterteilt, die 1. und die 2. Reifeteilung. Jede dieser beiden Reifeteilungen beinhaltet die oben (Mitose!) genannten 5 Phasen: Also ... 1. Erste Reifeteilung: a. Interphase1 wie bei Mitose! b. Prophase1 wie bei Mitose! c. Metaphase1 beginnt wie in der Mitose. Wenn die Chromosomen jedoch in der Äquatorialebenen liegen, legen sich die homologen Chromosomen - also z.B. die beiden Chromosomen Nr. 1 - deckungsgleich aneinander. Dieser Vorgang heißt Chromosomenpaarung (= Sy4 napsis). Während dieser Synapsis kann es zu einem für die Evolution der Lebewesen enorm wichtigen Ereignis kommen, zur intrachromosomalen Rekombination (= Crossing Over). Dabei werden zwischen den beiden homologen Chromosomen Stücke ausgetauscht. d. Anaphase1: Anders als bei einer Mitose werden jetzt nicht die Chromosomen in ihre Chromatiden „zerrissen“, sondern es werden die homologen Chromosomen wieder getrennt (ihre Information hat sich durch das C.O. inzwischen verändert) und zu den Zellpolen gezogen. e. Telophase1: Wie bei Mitose. Nachdem in der Anaphase 1 die homologen Chromosomen getrennt worden sind, besitzt jeder Zellpol jetzt nur mehr einen einzigen Partner der homologen Chromosomen. Daher ist die Zelle jetzt bereits als haploid zu bezeichnen (mit einfachem Chromomensatz!). Kernmembranbildung und Durchschnürung können auch unterbleiben, dann gibt es einen nahtlosen Übergang zur ... 2. Zweite Reifeteilung Eine Teilung jedes der beiden neu entstandenen Zellkerne nach dem Schema einer Mitose (ohne Interphase bzw. ohne die Kondensation in der Prophase!). Man spricht von Prophase2, Metaphase2 ... etc. Die Durchschnürung am Ende erfolgt vollständig, die Zellen trennen sich. Letztendlich entstehen so insgesamt 4 Tochterzellen, die jetzt, weil sie nur mehr die Hälfte der Erbinformation der Keimzellenmutterzelle besitzen, als haploid (= mit einfacher Erbinfo. ausgestattet) bezeichnet werden (= Keimzellen = Geschlechtszellen = Ei- oder Samenzellen). Diese Keimzellen sind mit völlig unterschiedlicher Erbinformation ausgestattet. Durch Verschmelzung von zwei solchen Keimzellen bei der Befruchtung entsteht eine neue diploide Zelle (befruchtete Eizelle). Diese kann sich dann durch Millionen von Zellteilungen nach dem Muster der Mitose (Embryonalentwicklung) zu einem Organismus entwickeln. 2.4) Die Zelldifferenzierung (Von der Zelle zum Organ) Definition! (Durch Differenzierung entsteht aus einer Zelle, die sich in verschiedenste Richtungen entwickeln könnte eine solche, die sich auf eine bestimmte Aufgabe spezialisiert hat) Beispielreihe: Von Chlamydomonas über Gonium und Pandorina zu Volvox. → Bilder aus Copyrightgründen nicht darstellbar! 5 Begriffe: • Zellverband: Unspezialisierte Zellen in einer gleichbleibenden Gemeinschaft • Echter Vielzeller: Differenzierte Zellen mit einer Arbeitsteilung treten auf. Dazu ist Kommunikation zwischen den Zellen notwendig über Plasmabrücken (bei Volvox) Überlegungen zur Zelldifferenzierung: Faktum: Alle Zellen eines Organismus leiten sich von einer einzigen Zelle ab, obwohl sie völlig verschieden differenziert sein können. Erklärungsversuche: 1. Die Mitose ist nicht erbgleich. Würde bedeuten, dass durch die Mitose Zellen mit verschiedener Information entstehen, die deshalb zu verschiedenen Leistungen befähigt sind. Das würde bedeuten, dass jeder Organismus ein Mosaik aus Zellen und Zellverbänden mit verschiedener Erbinformation wäre. Diese Überlegung kann heute experimentell widerlegt werden: • • Aus einzelnen, differenzierten Zellen von Pflanzen lassen sich schon lange die gesamten Pflanzen nachzüchten Also muß jede Pflanzenzelle den Funktions- und Bauplan für die gesamte Pflanze beinhalten. Dies gilt also auch für alle differenzierten Zellen Totipotenz (Omnipotenz) Klonierung von Säugetieren (heftig diskutiert!) 2. Die Verschiedenartigkeit von Zellen eines Organismus ist darauf zurückzuführen, dass in verschiedenen Zelltypen immer nur ganz bestimmte Abschnitte der DNS „aktiv“ sind! differenzielle Genaktivität (Sie wird heute als Erklärung für Differenzierungen allgemein anerkannt) Die Steuerelemente der differentiellen Genaktivität sind sehr vielfältig. Z.B.: Hormone Geschlechtsdifferenzierung Äußere Faktoren Geschlechtsdifferenzierung bei Reptilien, Temperatur, Licht, Tageslänge . . . etc. 6 3) Gene und Genaktivität 3.1) Die Wirkungsweise der Enzyme Bedeutung der Enzyme als Biokatalysatoren Energiediagramm !!! Enzyme sind Wirkungs- und Substrazspezifisch Erklärung! 3.2) Die Realisierung der genetischen Information Sie erfolgt durch Enzyme (Proteine = Polypeptide), welche dann ganz bestimmte merkmalsbildende Stoffwechselprozesse des Körpers auslösen. Daher muss in der DNA ein Programm für den Aufbau verschiedenster Enzyme verschlüsselt vorliegen! Wiederholung Aufbau von Proteinen aus 20 verschiedenen Aminosäuren! Im Endeffekt entspricht also die Nucleotidsequenz der DNA der Aminosäurensequenz von benötigten Proteinen. Dabei müssen allerdings 4 verschiedene Nucleotide 20 Aminosäuren codieren! → Beispiel einer Genwirkungskette: Phenylalaninstoffwechsel → Zustandekommen des Albinismus 3.3) Aufbau und Vorkommen der Nucleinsäuren Die DNS ( = DNA ) - Übersetzung (Desoxiribonucleinsäure ...) Kommt vor im Zellkern, in Chloroplasten und Mitochondrien vor Aufbau aus Zucker (Desoxiribose), Phosphatrest, organische N-hältigen Basen (A, C, G, T) Zucker + Base = Nucleosid Nucleosid + Phosphat = Nucleotid Desoxiribosestruktur: Ribosestruktur: 7 - Gesetz der spezifischen Basenpaarung - Doppelhelixmodell der DNA von Watson und Crick (1953) Auf eine volle Windung der Helix fallen 10 Nucleotide bei einer Länge von 3,4 nm Die Holme der Leiter bilden Zucker und Phosphatbausteine, die Sprossen entstehen durch die Basenpaare 2 H-Brückenbindungen zw. Adenin und Thymin – 3 H-Brücken zw. Cytosin und Guanin. Die RNS ( = RNA ) Ribose als Zucker - Uracil anstelle von Thymin - einsträngig - wesentlich kürzer 3.4) Der genetische Code Die genetische Information liegt in der Nucleotidsequenz (Basensequenz !) verschlüsselt vor! Der Genetische Code ist der Übersetzungsschlüssel der Genetik. Mit seiner Hilfe kann man die Basensequenz der DNA aller Lebewesen lesen und erhält letztendlich die Aminosäuresequenz des im entsprechenden Gen codierten Enzyms Die Merkmale des genetischen Code • Die Basenabfolge dreier Nucleotide (Basen!) der DNA codiert eine Aminosäure! CODOGEN! Begründung: 1 Base....., 2 Basen ......, 3 Basen .... 64 Kombinationsmöglichkeiten • Der genetische Code ist degeneriert: Man kann von der Basensequenz auf die Aminosäuresequenz schließen, aber nicht umgekehrt! Einige Tripletts codieren bestimmte Funktionen: UAA, UAG, UGA Stop Funktion AUG Start der Verknüpfung mit Meth. • Es gibt keine überlappende Codierung! Beispiel! • Die Codogens sind nicht gegeneinander abgegrenzt, sie grenzen direkt aneinander! • Der genetische Code ist universell gültig! Ein wichtiges Argument für die Evolutionstheorie!!! 8 3.5) Die Biosynthese der Proteine Transkription und Translation 4) Stoff- und Energieumsetzungen in der Zelle Bedeutung, Entstehung und unterschiedliches Vorkommen der Energiespeicher: • • • Glucose ATP (aus ADP) NADPH2 (aus NADP) Energiefluss von der Sonnenstrahlung über Aufbau von Kohlehydraten (Fotosynthese) zum Abbau derselben (Atmung, Gärungen) 9 10
