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Biologie Lernstoff Version 1
Diese Datei läuft unter der Beerware Lizenz!
(http://de.wikipedia.org/wiki/Beerware)
RalF und Matze haben diese Datei geschrieben. Solange Sie diesen
Vermerk nicht entfernen, können Sie mit der Datei machen, was Sie
möchten. Sollten Sie dieses Dokument gut finden, verpflichten Sie
sich:
* Uns bei Gelegenheit ein Bier auszugeben oder ersatzweise
* Ein Bier auf unser Wohl zu trinken oder ersatzweise
* Uns einen originellen Bierdeckel zu schicken.
Wir bitten zu beachten, dass wir dieses Dokument geschrieben haben, um uns selber den
Stoff beizubringen. WIR können den Stoff nun. Das bedeutet aber, dass es fürs ABI nicht
genug ist, diesen Text auswendig zu können. Er soll lediglich eine Unterstützung und
Motivation zum Lernen geben und eventuell bei Fragen zur Seite stehen.
Fehler
Da wir uns primär aufs Vorabi vorbereitet haben, kann es sein, dass vor allem die
Stoffwechselvorgänge unvollständig sind oder auch anderswo Kleinigkeiten fehlen. Wenn Du
Rechtschreibfehler findest sei es Dir erlaubt, diese zu behalten, mit ihnen zu spielen, sich
über sie lustig zu machen oder sie eingerahmt an die Wand zu hängen.
Wenn du jedoch ernsthaft falsche Passagen oder Aussagen entdeckst oder der Meinung bist,
das essentielle Bestandteile fehlen (also nicht irgendein Kleinkram), wäre es nett, wenn du
auf dem Blog einen Kommentar hinterlassen würdest:
http://superalf.blogsport.de/2010/02/12/biologie-abi-2010/
Rechtliches
Aus rechtlichen Gründen weisen wir darauf hin, dass die Grafiken zum
Gleitfilamentenmodell dem gleichnamigen Wikipedia-Artikel entnommen wurden; allerdings
verändert.
Wir werden dieses Datei eventuell mal Updaten! Erneutes Vorbeischauen könnte also
nützlich sein ;-)
Wenn du die Datei im Internet weitergibst wäre es zudem nett, wenn du auf meinen Blog
verlinkst… das freut den Besucherzähler^^
0
Inhalt
1) Stoffwechsel des Menschen ........................................................................................... 2
1. Zellatmung und Gärung............................................................................................................. 2
Bau und Funktion von Mitochondrien: ....................................................................... 2
Prinzipielle Reaktion in Glykolyse, Tricarbonsäurezyklus und Endoxidation .............. 2
3. Sportbiologie ............................................................................................................................. 5
Physiologische Aspekte ............................................................................................... 5
2) Gesundheit des Menschen ............................................................................................. 9
1. Immunreaktion.......................................................................................................................... 9
Zelluläre und Humorale Immunantwort ..................................................................... 9
Bau und Funktion von Antikörpern ........................................................................... 11
Vielfalt von Antikörpern und Immunzellen – Klonale Selektion ............................... 12
2. Moderne Analysemethoden der Biologie ............................................................................... 12
3. Reizaufnahme, Erregungsbildung und –weiterleitung............................................................ 13
Bau von Sinnes- und Nervenzellen............................................................................ 13
Umwandlung von Reiz in Erregung (Rezeptorpotential) .......................................... 14
Erregungsleitung ....................................................................................................... 15
Synapsenvorgänge und Verrechnung ....................................................................... 17
3) Aquatische Ökosysteme ................................................................................................18
1. Reaktion von Lebewesen auf Umweltfaktoren ....................................................................... 18
Ökologische Toleranzen: ........................................................................................... 18
Variabilität ................................................................................................................. 20
2. Wechselwirkungen zwischen Lebewesen ............................................................................... 21
Nahrungsbeziehungen .............................................................................................. 21
Intra- und interspezifische Konkurrenz: .................................................................... 21
Populationsdynamik.................................................................................................. 22
3. Veränderung von Ökosystemen .............................................................................................. 23
Anthrophogene Einflüsse .......................................................................................... 23
4. Naturschutz und Landschaftspflege ........................................................................................ 26
Ökologische Bewertung von Landschaftsbestandteilen ........................................... 26
Arten- und Biotopschutz ........................................................................................... 27
1
1) Stoffwechsel des Menschen
1. Zellatmung und Gärung
Bau und Funktion von Mitochondrien:
 Elektronenmikroskopisches und schematisches Bild:
o Linder S.24
o Größe: 10µm
 Kompartimentierung:
o Aufteilung in Zwischenmembranraum (perimitochondrialer Raum) und
Innenraum
 Struktur- Funktionsbeziehung
o Innenmembran ist eingestülpt und erhöht damit die Reaktionsfläche
 Endosymbiontenhypothese
o In der Evolution haben Zellen andere Zellen gefressen
o Diese haben unter bestimmten Bedingungen in der Fresszelle überlebt
und betreiben seit dem Symbiose
o Fresszelle hat Mitochondrienzelle gefressen
o Mitochondrien besitzen eigene (Ring-)DNA
Prinzipielle Reaktion in Glykolyse, Tricarbonsäurezyklus und Endoxidation
 Glykolyse
o C6
o 2 x ATP  ADP
o Teilung in 2 C3 Körper
o 2 x (NAD+  NADH + H+)
 Phosphat aus Zellplasma wird aufgenommen
 Die H Atome stammen aus Wasser, dessen O aufgenommen
wird
o 2x (ADP  ATP)
o 2x (H2O wird abgespalten)
o 2x (ADP  ATP)
o => Pyruvat
o Glukose + 2 ADP + 2 NAD+
 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 (NADH + H+)

Zitratsäurezyklus
o Beginn: oxidative Decaboxylierung
 Von Pyruvat (C3 wird CO2 abgespalten)
 Verbindung aus CoA (Coenzym A) und SH+H+ wird angelagert
 Beide H werden an NAD weitergegeben (NAD+ NADH+H+)
2
o Citratcyklus
 C4 + C2  C6
 H2O Anlagerung
 CoA-SH+H+ wird abgespalten




H+ wird aufgenommen
NAD+  NADH + H+
CO2 wird abgespalten
=>C5 Körper



CoA-SH+H+ wird wieder aufgenommen
CO2 wird abgespalten
NAD+  NADH + H+



CoA-SH+H+ wird wieder abgespalten
H2O wird aufgenommen
GDP + P  GTP

FAD  FADH + H+

H2O wird aufgenommen

NAD  NADH + H+
o Pyruvat + 4NAD+ + FAD + (GDP+P) + 3H2O
 3CO2 + 4(NADH+H+) + (FADH + H+) + GTP

Elektronentransport der Atmungskette über Redoxsysteme
o Elektronentransportkette besteht aus 4 verschiedenen Komplexen und
der ATP-Synthase
o NADH+H+  NAD+ + 2H+ + 2eo Elektronen wandern durch Atmungskette
o Redoxpotential der Zwischenstufen werden immer höher
 Elektronen sind negativ und wandern deshalb immer weiter zu
Zwischenstufen mit höherem / positiven Potential
o 4 Komplexe
 An Komplex 1,3,4 wird pro e- ein H+ in perimitochondrialen Raum
geschleust
 => pro e- werden 3 H+ Ionen transportiert
o NADH+H+ übergibt Elektronen Komplex 1
o FADH2 übergibt Elektronen Komplex 2 => 1H+ weniger wird
transportiert
3

ATP Synthase
o ATP Synthase besitzt 3 Bindungsstellen
o Jede Bildung von 1ATP verbraucht 2H+ (?)
o Durch Protonenstrom drehen sich Bindungsstellen 3 x um 120° weiter
1. Bindungsstelle nimmt ADP und P auf
2. Bindungsstelle verformt sich und bringt ADP und P nahe
zusammen => Reaktion
3. ATP wird freigesetzt
Gleichung für 1 Glucose
Glykolyse
Citratcyklus
Elektronenkette


2 ATP + 2 (NADH+H+)
2 GTP + 8 (NADH+H+) + 2 FADH2
34 ATP
=> 38 ATP
45 kJ/mol ATP werden benötigt um es aufzubauen
32 kJ/mol ATP werden bei der Spaltung frei
C6H12O6 + 38(ADP+P) + 6O2 6CO2 + 38ATP + 6H2O
Milchsäuregärung
 2ATP entstehen bei der Glykolyse
 2(NADH+H+) entsteht
 Aus Pyruvat wird Laktat, dabei wird NADH+H+ zu NAD+ umgewandelt
 => NAD+, steht zur Verfügung, um Glykolyse weiter zu betreiben
 Ansonsten „Stau“, da NADH+H+ ohne Sauerstoff nicht in Atmungskette
verbraucht werden kann
Regulation der Pyruvat – Dehydrogenaseaktivität
 Pyruvat-Dehydrogenase
o Multienzymkomplex des Zitratcyklus
o Katalysiert oxidative Decarboxylierung
 Abspaltung von CO2
 Anlagerung von CoA-SH+H+
 NAD+  NADH + H+
 Regulation:
o Aktivator: ADP ; Pyruvat
o Inhibitor: NADH++H+ ; ATP ; Acetyl-CoA
NADH als allosterischer Hemmstoff
 Allosterischer Hemmstoff:
o Enzym hat allosterisches Zentrum
o Hemmstoff bindet sich an das Zentrum und bewirkt
Konformationsänderung
o NADH bewirkt eine Hemmung des Enzymkomplexes und damit
Erzeugung weiteres NADHs
4
3. Sportbiologie
Physiologische Aspekte
Sauerstoffaufnahme, -transport, -abgabe, Sauerstoffbindungskurve von Hämoglobin
und Myoglobin
 Partialdruck in der Luft ist höher als im Blut
 => Durch diesen Konzentrationsunterschied diffundiert O2 passiv ins Blut
(durch Wand der Alveolen)
 Durch Hämoglobin wird O2 gebunden
o Hämoglobin besteht aus 4 verbundenen Globin-Einheiten
o In jedem ist ein Häm eingebettet
o Jedes Häm enthält ein Eisen(II)ion
 6 Bindungsstellen:
 4 binden Eisen an Häm
 1 bindet Eisen-Häm-Komplex an Globin
 1 ist frei für O2 Bindung
o Bindung von 1 O2 Molekül erleichtert Bindung von weiteren
=> erleichterte Aufnahme von O2 in der Lunge und Abgabe im Gewebe
Abgabe:
o Aufgrund des geringeren Partialdrucks im Gewebe
 Hämolgobin gibt O2 schon im Ruhezustand ab
 Myglobin dient als O2 Speicher und gibt es erst ab, wenn
Partialdruck zu tief sinkt
Sättigung
Hämoglobin
Lunge
Myoglobin
Gewebe

Partialdruck
o Partialdruck: Gewebe: ca. 50 hPa
Lunge: ca. 150 hPa
o PH Wert:
 Muskelarbeit => CO2 entsteht => Kohlensäure => Bindung des
O2 an Hämoglobin sinkt
= Bohr Effekt (Einfluss des PH Wertes auf die Sauerstoffbindung
des Hämoglobin)
o Aufbau von Myoglobin:
 Ähnlich aufgebaut wie Hämoglobin
 Besteht aus 1 statt 4 Untereinheiten
=> O2 kann fester gebunden werden
5
Feinbau und Funktion des quergestreiften Muskels
 Aufbau:
o Muskel besteht aus mehreren Muskelfaserbündeln
o Diese bestehen aus mehreren Muskelfasern
o Ein Muskelfaser beinhaltet mehrere Myofibrillen
o Diese sind aufgeteilt in hintereinanderliegende Sarkomere
o Sarkomere bestehen aus dicht gepackten Aktin- und Myosin Fäden
 T Tubuli (Transversal-Tubuli) reichen von der Membran der Muskelfasern bis
zu inneren Myofibrillen
 Zwischen Myofibrillen befindet sich sarkoplasmatisches Retikulum (Speicher
für Ca2+)

Funktion
o Schnell aber energiezehrend
o FT (Fast twitch)
 Hohe ATPase Aktivität
=> Myosinköpfchen regenerieren sich sehr schnell
 Dadurch kann Muskel schnell kontrahieren, verbraucht aber viel
Energie
 Wenig Mitochondrien können Energie nicht dauerhaft
bereitstellen
o ST (Slow twitch)
 Niedrige ATPase Aktivität
=> Myosinköpfchen werden nicht so schnell zurückbewegt
 Muskel spart Energie, ist aber auch langsamer
 Viele Mitochondrien sorgen für langzeitig anhaltende
Energiezufuhr
Aktin
Z Scheibe
Myosin
Sarkomer
6


ADP+P


ADP+P



Myosinkopf in energiegeladener
Ausgangsstellung (mit ADP+P)
Bindungsstelle am Aktin durch
Tropomyosin-Faden blockiert
Ca2+ aus Sarkoplasmatischem
Retikulum setzt sich an Troponin
=> Konformationsänderung des
Tropomyosin
=> Bindungsstelle am Aktin wird frei

ADP und P lösen sich
=> Myosomkopf klappt um (=>
energiearme Stellung)
Zieht sich an Aktinfaden entlang


ATP wird an Kopf angelagert
=> er kann von Aktin abgelöst werden


ATPase spaltet ATP zu ADP+P
=> Kopf kehr in energiegeladene
Stellung zurück
Ca2+ wird aktiv heraustransportiert =>
Tropomyosin geht in Ausgangsstellung
zurück
ATP
ADP+P

Energietische Prozesse bei der Muskelkontraktion, Phasen der Enegiebereitstellung
 Vorhandenes ATP wird verwendet (sehr schnell erschöpft)
1. Kreatinphosphat + ADP  Kreatin + ATP
2. Anaerobe Energiebereitsstellung, da sie schneller ist
3. Aerobe Energiebereitstellung, die die meiste Energie liefert
Kreatinphosphat
aerob
anaerob
20s
ATP
40s
60s
80s
7
Temperaturregulation beim Menschen unter Anwendung des kybernetischen
Regelkreises
Nervöse/Hormonelle
Übertragung der Stellgröße
Regler + Sollwertgeber
Hypothalamus
Übertragung des
Ist-Wertes
Stellglied (zu kalt)
Wärmebildung im braunen
Fettgewebe (bei Babys)
Senkung der Hautdurchblutung
Stellglied (zu warm)
Schwitzen
Erhöhung der Hautdurchblutung
Fühler
Thermorezeptoren
Regelgröße
Körperkerntemperatur
Störgröße
Außentemperatur
Muskelaktivität
8
2) Gesundheit des Menschen
1. Immunreaktion
Zelluläre und Humorale Immunantwort
Humorale
Immunantwort
Zelluläre
Immunantwort
B Lymphozyt
T-Helferzelle
Makrophage
aktiviert
aktiviert
MHC
Ausschüttung
Helferzelle
Teilung
Aktivierung
Interferone Interleukine
Gedächtniszelle
Plasmazelle
Teilung
Gedächtniszelle
Aktivierung
Killerzelle
Antikörper
Perforation
(Auflösung) der
Zellmembran
Cytokine
T-Suppressor Zelle
(Unterdrückerzelle)
Beendet Abwehrvorgang:
 Hemmung der Teilung von BLymphozyten und der Bildung
von T-Killerzellen
 Anlockung von
Makrophagen
 Vermehrung von Proteinen
des Komplementsystems
9
Entstehung und Funktion von B- und T-Lymphozyten, Makrophagen
 Lymphozyten werden im Knochenmark aus pluripotenten Stammzellen
gebildet
 Ein Teil wird im Knochenmark zu B-Lymphozyten determiniert / differenziert
 Ein anderer Teil wandert in die Thymusdrüse und wird zu T-Lymphozyten
 B- und T-Lymphozyten werden erst in sekundär lymphatischen Organen (z.B.
Lymphknoten) auf ein Antigen spezifiziert

Monozyten gelangen aus Knochenmark ins Blut; dort differenzieren sie sich
unter Einfluss von Cytokinen zu Makrophagen
Verknüpfung Zellulärer und Humoraler Immunantwort
1. Makrophage phagozytiert Virus / Bakterium
o Antigene werden mit MHC Protein auf Oberfläche präsentiert
2. T-Helferzelle mit spezifischem Rezeptor bindet an MHC-Antigen Komplex
= Zelluläre Immunantwort
o => wird aktiviert
o Fängt an Interferone und Interleukine auszuschütten
o Teilt sich in:
 T-Helferzelle
 T-Gedächtniszelle
 T-Killerzelle
o Interleukine aktivieren T-Killerzellen
o T-Killerzellen fangen an, durch Perforation (Auflösung) der
Zellmembran infizierte Zellen zu vernichten
o Sie setzen selber Cytokine frei, welche Makrophagen anlocken
3. B-Lymphpozyt bindet an Antigen
= Humorale Immunantwort
o Wird mithilfe der von T-Lymphozyten freigesetzen Interferone aktiviert
o Sowohl Bindung an Antigen, als auch Interferone werden für
Aktivierung benötigt!
o Nach Aktivierung erfolgt Teilung und Differenzierung in B-Plasmazellen
und B-Gedächtniszellen
o B-Plasmazellen bilden spezifische Antikörper
Primär- und Sekundärantwort, Immungedächtnis
 Primärantwort:
o Bei neuen Krankheiten
o Immunreaktion läuft wie beschrieben ab
o Dauert lange
 Sekundärantwort
o Wenn Krankheit schon einmal überwunden wurde sind
Gedächtniszellen vorhanden
o Bei erneutem Auftreten werden sie aktiviert und vernichten Erreger
 B-Gedächtniszellen werden zu Plasmazellen
 T-Gedächtniszellen werden zu Killerzellen
10
Aktive- und passive Immunisierung
 Aktive Immunisierung
o Antigene werden gespritzt (z.B. abgetötete/geschwächte Erreger)
o Körper bekämpft Impfstoff, bildet Gedächtniszellen
o Bei Infektion kann der Körper schneller regieren und Krankheit
verhindern
 Passive Immunisierung
o Antikörper werden gespritzt
o Immunität ist sofort vorhanden, hält aber nur kurz (Lebensdauer der
Antikörper)
o Auch bei Infektion innerhalb der Zeit werden keine Gedächtniszellen
gebildet (Krankheit wird durch vorhandene Antikörper sofort
unterbunden)
Bau und Funktion von Antikörpern
Struktur-Funktionsprinzip am Beispiel der IgG Antikörper
 Antikörper aufgebaut aus 2 Schweren und 2 leichten Ketten
 Y-förmige Struktur
 Ende der Y-Arme ist variabel
o Dieser Teil ist spezifisch für Antikörper
 Konstanter Teil spezifiziert Antikörper-Typ
Antigen-Antikörper-Reaktion: Agglutination, Neutralisation, Präzipitation
 Neutralisation
o Ein Antikörper bindet an ein Antigen
o Dieses wird dadurch unschädlich gemacht
(z.B. kann ein Virus keine Zelle mehr befall)
 Agglutination
o Da Antikörper mehrere Bindungsstellen hat, kann es mehrere Antigene
binden
o Dadurch entstehen größere Haufen
o So können Fresszellen Antikörper leichter phygozytieren
 Präzipitation
o Antigen-Antikörper-Komplex wird so groß, dass er nicht mehr löslich ist
und aus dem Blut ausfällt
11
Vielfalt von Antikörpern und Immunzellen – Klonale Selektion
 Gene für Antikörper sind „Mosaik Gene“
 Gene werden bei der Bildung von Antikörper rekombiniert
 Es gibt 1 C-Gen für den konstanten Abschnitt
 Für variablen Teil gibt es mehrere hundert verschiedene V-Gene
 Einige J-Gene codieren Verbindung zwischen variablem und konstantem
Abschnitt
1. Rekombination:
o Ein V- und ein J-Gen werden kombiniert
o Dazwischenliegende Gene werden entfernt
o Diese Änderungen werden an der DNA der B-Zelle ausgeführt!
=> nicht mehr änderbar => spezifisch auf ein Antigen
2. Transkription
o DNA wird in mRNA umgeschrieben
3. Spleißen
o Nicht benötigte Gene werden entfernt
4. Translation
o mRNA wird durch Ribosom übersetzt
o => Aminosäurekette entsteht = Antikörper

Durch zufällige Kombination der Gene und spontane Mutationen können viele
Millionen verschiedene Kombinationen entstehen

B-Lymphozyten, die sich gegen körpereigene Antigene richten, werden
aussortiert (= klonale Selektion)
99% werden selektiert

2. Moderne Analysemethoden der Biologie
Prinzip der Herstellung monoklonaler Antikörper
1. Antigene werden einer Maus gespritzt
o => Immunreaktion
o Maus bildet erwünschte B-Zellen
2. Entnahme der B-Zellen
3. Kreuzung mit Tumorzellen
o Entstehende Zellen können Antikörper bilden und sich unbegrenzt
vermehren
4. Vermehrung und Selektion
o Es werden die Zellen aussortiert, die nicht die gewünschten Antikörper
bilden

=> Zellkultur produziert monoklonale Antikörper
 Um Antikörper für Menschen verträglich zu machen, muss menschliche DNA
eingebracht werden
12
ELISA Test
 Zu Antigenen (auf Plättchen) wird Serum mit Antikörpern gegeben
 Wenn Antigen und Antikörper zueinander passen, werden sie gebunden und
sich nach Entfernen des Plättchens nicht mehr in der Probe vorhanden
 Ein weiterer Antikörper (mit Enzym markiert) wird auf das Plättchen gegeben;
falls an diesem die ersten Antikörper gebunden sind, bleibt auch er an diesen
Antikörpern gebunden
 Nun wird Plättchen zu Lösung gegeben, in der ein Farbstoff katalysiert werden
kann (durch das zweite Antikörper)
 Wenn sich die Lösung verfärbt, muss der erste Antikörper zum Antigen
gepasst haben
3. Reizaufnahme, Erregungsbildung und –weiterleitung
Bau von Sinnes- und Nervenzellen
Dendriten: Nehmen Informationen auf, leiten sie an Soma
Soma (Zellkörper): Beeinhaltet Plasma, Zellkern, Mitochondrien
Axonhügel: Ursprung des Axons, Bildungsstelle des
Aktionspotentials
Axon
Axon (=Neurit)
 Leitet Informationen vom Soma weg
Markscheide (= Myelinscheide)
 Besteht aus Schwanschen Zellen
 Bei Wirbeltieren
 Beschleunigen Weitergabe des AP
Synaptische Endknöpfchen: Kontakt zu anderen Nerven /
Muskelzellen
13
Membranscheibchen
Bau der menschlichen Lichtsinneszelle
 Stäbchen: für Schwarz-Weiß Sehen
 Zapfen: für Farb Sehen
 Enthalten viele Membranscheibchen (= Disks)

Sekundäre Sinneszellen
o Haben kein eigenes Axon


Schütten bei Dunkelheit Transmitter aus
Regieren auf Lichteinfall mi Hyperpolarisation

Membranscheibchen enthalten Sehfarbstoff
(Bei Stäbchen: Rhodopsin)
Außenmembran des Stäbchens enthält Na+
Kanäle

Zellkern
Synapse
Umwandlung von Reiz in Erregung (Rezeptorpotential)
Adäquater Reiz
 Spezifischer Reiz für eine Sinneszelle
 Z.B. Licht bei Lichtsinneszellen oder Wärme bei Thermozellen
Schwellenwert
 Rezeptorpotential entsteht immer
o Kein Schwellenwert
o Ruhepotential: außen hohe Na+ Konzentration
o Bei Reizeinwirkung wird Rezeptor depolarisiert (Na+ gelangt nach
innen)
 Aktionspotential: unterliegt Schwellenwert
o Entsteht nur, wenn das Rezeptorpotential groß genug ist
Codierung:
 über die Amplitude
Molekulare Grundlagen der Entstehung des Rezeptorpotentials am Beispiel der
menschlichen Lichtsinneszelle

Erregungskaskade:
1. Photon trifft auf Rhodopsin in Membran der Membranscheibchen
2. Aktiviertes Rhodopsin aktiviert Transducin (ebenfalls in Wand der
Disks)
es bindet Hemmstoff, welcher vorher PDE blockiert hatte (kompetitive
Hemmung)
3. PDE stellt spaltet cGMP zu GMP
4. cGMP hatte Na+ Kanäle offen gehalten, diese schließen sich nun
Hyperpolarisation


Hyperpolarisation breitet sich passiv über Zellkörper bis zur Synapse aus
Die Ausschüttung von (hemmenden) Transmittern wird gestoppt
14
Erregungsleitung
 Ruhepotential
o Viel Na+ außen
o Viel Ka+ innen
o Natrium-Kalium-Ionenpumpe hält Gradient aufrecht
o Vorwiegend passive K+ Kanäle sind geöffnet
=> K+ wandert mit Gradienten nach außen
o Außen sind mehr positive Ladungen
=> Ruhepotential von -70mV
+
K
Na+
Außen
Na+

K+
Innen
Aktionspotential
o Depolarisation
 Spannungsgesteuerte Na+ Kanäle öffnen
sich
 Na+ wandert mit
Konzentrationsgradienten nach innen
 Werden sehr schnell wieder geschlossen
=> Spannung steigt ins positive
Na+
o Repolarisation / Hyperpolarisation
 Jetzt öffnen sich Ka+ Kanäle
 K+ wandert mit Konzentrationsgradienten
nach außen
=> Spannung sinkt wieder bis unter
Ruhepotential
Na
K
Na+
K+
o Refraktärphase
 Na+ und K+ werden durch Natrium-KaliumPumpe zurücktransportiert
 Spannungsgesteuerte Na+ und K+ Kanäle
können in der Zeit nicht mehr
angesprochen werden
+
K
Außen
Innen
K+
Na+
+
+
+
Außen
Innen
+
Na
K
Na+
K+
Außen
Innen
o Für Öffnung der Kanäle ist bestimmter Schwellwert erforderlich
o Wird der Wert nicht erreicht, wird kein AP ausgebildet
o Alles-oder-nichts-Gesetz
15
Kontinuierliche und saltatorische Erregungsleitung
 Weiterleitung geschieht durch Stromfluss
 Depolarisation erzeugt Potentialdifferenz zum nächsten Membrananschnitt
 => Spannungsgesteuerte Kanäle öffnen sich


Kontinuierlich:
o Marklos
o Weiterleitung nur an nächstliegenden Membranabschnitt
o Langsam
o Verbraucht viel Energie
Saltatorisch
o Markhaltige Axone
o Kanäle befinden sich nur in Ranvier’schen Schnürringen
=> Energiesparender
=> Schneller, da AP über größere Strecke gereicht wird
16
Synapsenvorgänge und Verrechnung
 Erregende Synapse
o Am Ende des Axons
o Übertragen Informationen an weiteres Neuron oder Muskel
o Gesamte Synapse besteht aus Endknopf, Spalt und postsynaptische
Membran
A
P
Na+
Ca2+
1
Synaptisches
Endknöpfchen
Präsynaptische Membran
Synaptischer Spalt
4
2
Na+
3
EPSP

Postsynaptische Membran
Dendrit / Soma des
Folge-Neurons bzw.
Muskelfaser
An Muskel grenzende Synapse = motorische Endplatte (neuromuskuläre
Synapse)
1. Ca2+ Kanäle öffnen
o Ca2+ strömt in Zelle
2. Synaptische Bläschen
o Ca2+ Bindet an Protein
o Bläschen verschmelzen durch Ca2+-Protein mit Membran
o Geben Transmitter in Spalt ab
o (bei Motorischer Endplatte Acetylcholin)
3. Transmitter öffnet ligandengesteuerte Na+ Kanäle
o in Postsynaptischer Membran
o durch Anlagerung an Rezeptoren
o Na+ strömt durch postsynaptische Membran in Dendrid => AP
4. Transmitter wird gespalten
o Kann so in Synapse zurückkehren
Hemmende Synapsen
 Transmitter öffnet in postsynaptischer Membran Cl- und K+ Kanäle
 K+ strömt in synaptischen Spalt und Cl- in die postsynaptische Zelle
=> Hyperpolarisation der postsynaptischen Zelle
17
Motorische Endplatte
 Transmitter = Acetylcholin
 Endplattenpotential wird durch T-Tubuli in Muskel fortgesetzt
 Ausschüttung von Ca2+ aus sarkoplasmatischem Retikulum wird
hervorgerufen
Summation
 Zeitliche Summation: Kurz hintereinander folgende APs summieren sich und
lössen am postsynaptischen Axonhügel ggf. ein AP aus
 Räumliche Summation: APs nebeinanderliegender synaptischer
Endknöpfchen summieren sich
3) Aquatische Ökosysteme
1. Reaktion von Lebewesen auf Umweltfaktoren
Ökologische Toleranzen:
Toleranzkurven, stenök, euryök, ökologische Potenz
 Toleranzkurve (=ökologische Potenz):
o Unter Laborbedingungen
o Keine Konkurrenz
o => gibt nur Toleranz gegenüber einem einzigen Faktor an (z.B.
Temperatur)
o Gibt an, in welchen Bereich eine Art überlebensfähig ist
o Minimum/Maximum: Art ist außerhalb der Grenze nicht überlebensfähig
Art überlebt, kann sich aber nicht fortpflanzen
o Pessimum:
Größtmögliche Wachstumsrate der Population
o Optimum:
o
o

Stenök:
Euryök:
Geringe Toleranz
Breite Toleranz
Präferenz:
o Bevorzugter Lebensbereich einer Art, wenn sie freie Wahl hat
o Liegt in der Regel im Optimum der Toleranzkurve
o Kann z.B. mit Temperaturorgel bestimmt werden
Angepasstheit von Lebewesen an Temperaturgrenzbereiche aquatischer
Ökosysteme
 Vor allem über Enzymaktivität
 RGT Regel (Reaktions-Geschwindigkeits-Temperatur-Regel)
o Je höher Temperatur desto schneller arbeiten Enzyme
o Sie denaturieren jedoch auch schneller
o => Schnittpunkt ergibt Optimum

Stabilität
Aktivität
Gesamtaktivität
Normalerweise Toleranzbereich maximal zwischen 0°C-40°C
o Unter 0°C gefriert Zellplasma
o Über 40°C denaturieren Eiweiße
18

Angepasstheiten:
o Isolierung bei gleichwarmen Tieren
 Blubberschicht
o Kaltes Wasser kann mehr O2 lösen
 => Kaltwasserfische brauchen nicht so große Kiemen
 Kaltwasserfische brauchen weniger Sauerstoff aufgrund
geringerem Stoffwechsel => Kiemen können noch kleiner sein
o Anpassung an extreme Temperaturen:
 Schwefelbakterien haben Enzyme die Temperaturen >90°C
aushalten

Beispiel: Strudelwürmer (Crenobia, Polycelis, Dugesia)
o Sauerstoffverbrauch und Kriechgeschwindigkeit steigt mit Temperatur
o Crenobia (lebt im kalten Wasser)
 Hat im Kalten die höchste Kriechgeschwindigkeit und höchsten
Sauerstoffverbrauch
 Im warmen Wasser steigt Sauerstoffverbrauch so hoch, dass er
ihn nicht mehr decken könnte
o Dugesia (lebt im warmen Wasser)
 Hat bei gleicher Temperatur geringere Kriechgeschwindigkeit
 => auch geringer Sauerstoffverbrauch
 Er kann auch bei höheren Temperaturen überleben
(hat auch größere Oberfläche für bessere Sauerstoffaufnahme)
Osmoregulation bei Meeres- und Süßwasserfischen
 Poikilo-osmotisch:
o Ionenkonzentration der Zellen gleicht dem Umegbundswasser
o => Geringer Toleranzbereich gegenüber der Konzentration
o Bessere Anpassungsfähigkeit erreicht durch:
 Genaue Anpassung an äußere Ionenkonzentration
 Regeln Wasser- und Ionengehalt ihrer Zellen, bis
Ionenkonzentration ihrer Zellen mit denen des umgebenden
Wassers übereinstimmt
o => sie sind mit ihrer Umgebung isotonisch
 Homio-osmotisch
o Salzwasserfische
 Haben geringere Ionenkonzentration als Umgebung
(Meerwasser ist hypertonisch)
 => verlieren die ganze Zeit Wasser
 Gleichen dies durch Trinken des Salzwassers wieder aus
 Transportieren aktiv unter ATP Verbrauch mit Clorid-Zellen
Ionen des getrunkenen Salzwassers nach außen
=> Anpassung an Körperkonzentration
19
o Süßwasserfische
 Haben höhere Ionenkonzentration als Umgebung
(Süßwasser ist hypotonisch)
 => Wasser strömt die ganze Zeit ein
 Müssen sparsam mit Salz-Ionen umgehen
 => produzieren gering konzentrierten Harn, um überschüssiges
Wasser auszuscheiden
 Chloridzellen transportieren Ionen in den Körper
o Wanderfische (z.B. Aal, Lachs) können Transportrichtung der
Chloridzellen umkehren
=> könne in Salz- und Süßwasser überleben
Variabilität
Genetische und modifikatorische Variabilität
 Genetische Variabilität
o Ausprägung von phänotypischen Merkmalen aufgrund der Gene
(Phänotyp = Erscheinungsbild)
o Vererbbar
o Anpassung im Laufe der Evolution
o Veränderbar durch Mutationen und Rekombination bei der
Fortpflanzung
 Modifikatorische Variabilität
o Ausprägung von phänotypischen Merkmalen aufgrund von
Umwelteinflüssen
o Nicht vererbbar
o Anpassung an konstante Umweltfaktoren, wie z.B. Temperatur
o Äußert sich z.B. in kurzen Beinen oder pummeliger Körperform

Verhaltensanpassungen können Genetisch oder Modifikatorisch bedingt sein
20
2. Wechselwirkungen zwischen Lebewesen
Nahrungsbeziehungen
Nahrungskette, Nahrungsnetz; Produzenten, Konsumenten verschiedener Ordnung
und Destruenten in ihrer funktionellen Bedeutung in einem aquatischen Ökosystem

Nahrungskette, Nahrungsnetz:
Konsumenten III
o Produzenten (=Pflanzen) nutzen Sonnenlicht um
(Raubfische)
10%
Nährsoffe aufzubauen
Konsumenten II
o Konsumenten I ernähren sich von Pflanzen
(Fische)
10%
o Sie selber dienen als Nahrung für höher
Konsumenten I
liegende Konsumenten
(Zooplankton)
o Energie geht in der Kette z.T. verloren: 10%
Produzenten
 Biomasse wird als unverdaulich
(Phytoplankton)
ausgeschieden
 Energie wird nicht zum Wachstum genutzt, sondern „veratmet“
 Wärmeentstehung bei Stoffwechselprozessen
 Nach jeder Stufe sind nur 10% vorhanden
 Gesamtbiomasse der Konsumenten beträgt je nur 10% der
Biomasse der unter ihr liegenden Ordnung
o Am Ende wird durch Destruenten Biomasse remineralisiert
o => es entsteht wieder CO2, welches von Produzenten zu Biomasse
umgewandelt wird
Intra- und interspezifische Konkurrenz:
Konkurrenzvermeidung, Konkurrenzausschlussprinzip und ökologische Nische
 Ökologische Nische:
o Gesamtheit der biotischen und abiotischen Faktoren, die für die
Existenz einer Art notwendig sind
 Biotische Faktoren: Umweltfaktoren, an denen Lebewesen
beteiligt sind (z.B. Konkurrenz, Nahrung)
 Abiotische Faktoren: Umweltfaktoren, an denen keine
Lebewesen beteiligt sind (z.B. Klima, pH Wert, Strömung)
Interspezifisch (zwischenartliche Konkurrenz):
 Konkurrenzvermeidung
o Besetzung unterschiedlicher ökologischer Nischen
o Durch andere Nahrung oder unterschiedliche Brutzeiten, können Tiere
in einem Ökosystem koexistieren ohne sich gegenseitig
einzuschränken
o Z.B. Konkurrenzvermeidung durch:
 Ort der Nahrungssuche
 Brutzeit
 Temperaturpräferenz
21

Konkurrenzausschlussprinzip
o Tritt ein, wenn 2 Arten in einem Ökosystem die gleiche ökologische
Nische besetzen
o Nach gewisser Zeit wird sich eine Art als konkurrenzstärker
herausstellen
o => die andere wird aus dem Ökosystem ausgeschlossen
Intraspezifisch (innerartliche Konkurrenz)
 Besteht zwischen Individuen einer Art aufgrund von dichteabhängigen
Faktoren
 Unter Ausschluss von interspezifischer Konkurrenz und anderen
Umwelteinflüssen oszilliert (schwankt) Population einer Art um ein
Maximalwert
Populationsdynamik
 Lotka-Volterra-Regeln (Räuber-Beute-Beziehung)
1. Populationsdichten von Beute und Fressfeind schwanken periodisch
und zeitlich gegeneinander verschoben, Beutepopulation erreicht vor
Räuberpopulation größte Amplitude
2. Dichte jeder Population schwankt um Mittelwert
3. Nach einer gleichstarken Verminderung beider Arten erholt sich die
Population der Beute schneller als die der Fressfeinde
o Regeln gelten nur, wenn keine weiteren Einflüsse wie Konkurrenz
vorhanden sind

Bei Existenz von 2 Arten in einem Ökosystem:
o Gleiche ökologische Nische:
 Eine Art geht zurgunde (Konkurrenzausschlussprinzip)
 Die andere Art fällt evtl. zeitweise ab, erholt sich jedoch wieder
o Überlappende ökologische Nische:
 Beide Arten können in Koexistenz leben
 Beide Arten werden nach starkem Anstieg wieder abfallen und
sich einem niedrigeren Mittelwert nähern
o Verschiedene ökologische Nische
 Die Arten können unbeeinflusst voneinander in Koexistenz leben
22
3. Veränderung von Ökosystemen
Anthrophogene Einflüsse
Sublitoral
Profundal (Tiefenboden)
Röhrichtzone
Schwimmblattzone
Hypolimnion (Tiefenschicht)
Unterwasserpflanzenzone
Laichkrautzone
Metalimnion (Sprungschicht)
Erlengürtel
Weidengebüschzone
Epilimnion (Oberflächenwasser)
Epilitoral
Litoral (Uferzone)
Benthal (Gewässerboden)



Epilimnion:
o ist reich an Phytoplankton
=> Epilimnion ist reich an O2
o Wird von Sonne erwärmt
o Lebensraum für Fische
Metalimnion
o Schnelle Abnahme der Temperatur
o Schnelle Abnahme der Sauerstoffkonzentration (durch Aeroben Abbau
von organischem Material)
o Schnelle Abnahme der Lichtintensität
Hypolimnion
o Sehr wenig Sauerstoff
o Dunkelheit
o Konstante niedrige Temperatur (4°C)
o Ort des Anaeroben Abbaus: Detritusregen wird von Destruenten
abgebaut
23
See im Wechsel der Jahreszeiten
 Frühling
o Temperatur im gesamten See annähernd konstant
o => Wind kann See gut durchmischen
o => O2 Gehalt bis in die Tiefenschicht konstant
 Sommer
o Erwärmung des Epilimnions
o Durch Dichteunterschied des Wassers sehr ausgeprägte Sprungschicht
o => Wind kann nur oberste Schicht durchmischen
o => Hypolimnion sehr sauerstoffarm, da nur organisches Material nach
unten sinkt
o = Sommerstagnation
 Herbst
o Wie im Frühling
 Winter
o Evtl. Eisbildung
o Kaltes Wasser befindet sich im Epilimnion
o Keine Durchmischung möglich
Natürliche und anthropogene Eutrophierung eines Sees
 Eutrophierung = Anreicherung mit Nährstoffen
 Vor allem Phosphat und Nitrat gefährlich
 Eutrophierung erzeugt Anstieg der Primärproduktion an Biomasse
 Starke Vermehrung von Algen und Phytoplankton
 Abgestorbenes organisches Material sinkt auf den Grund
 Dort wird es unter Sauerstoffverbrauch abgebaut
=> Fische und andere Tiere sterben aufgrund von Sauerstoffmangel
 O2 Gehalt unter 1mg/l => weitere Photsphatfreisetzung aus dem Boden
 Bildung einer Faulschlammschicht und giftiger Gase (z.B. Methan)
 Wenn Eutrophierung zu weit fortschreitet, kippt der See um
=> er ist biologisch tot
=> evtl. Verlandung


Natürliche Eutrophierung:
o Kommt fast gar nicht vor
o Dauert tausende von Jahren
Künstliche Eutrophierung:
o Durch Abwässer (vor allem Waschmittel) und eingeschwemmte
Düngemittel
o Dauert wenige Jahrzehnte
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Ammonifikation
Stickstoffkreislauf im Ökosystem See
Ammoniak
NH3
Nitrifikation
Nitrit
NO2Nitratamonifikation
Nitrat
NO3-
← Assimilation →
Entziehung des Stickstoffs
zur Proteinsynthese
Nahrungskette
Stickstoff
N2
Gelangt in Atmosphäre
Konsumenten 1. und 2. Ordnung
Phytoplankton
Ammonium
NH4+
Denitrifikation
Phytoplankton
anaerob
Cyanobakterien
aerob
Stickstofffixierung
Ammonifiaktion:
Tote Biomasse  Ammoniak (NH3) oder Ammonium (NH4+)
Geschieht durch Destruenten
Nitrifikation:
Ammoniak (NH3)  Nitrit (NO2-)  Nitrat (NO3-)
Geschieht durch aerobe Bakterien
Denitrifikation:
Nitrat (NO3-)  Nitrit (NO2-)  Stickstoff (N2)
Anaerob durch spezielle Bakterien
Stickstofffixierung: Aufnahme von Stickstoff (N2) von Cyanobakterien
=> Rückführung in organisches Material
Assimilation:
Aufnahme von Ammonium (NH4+) oder Nitrat (NO3-) durch Pflanzen
(Phytoplankton)
=> Aufbau organsicher Verbindungen
Wirkungsweise einer Kläranlage
Rechen
Sandfang
Vorklärbecken
Belebtschlammbecken
Denitrifikationsbecken
Nachklärbecken
Faulturm
25
1. Mechanische Reinigung
o Durch Rechen werden grobe Verunreinugen entfernt
o Im Sandfang ist Fließgeschwindigkeit so niedrig dass sich grobe
Partikel absetzen und Öle / Fette aufsteigen
o Im Vorklärbecken ist Fließgeschwindigkeit noch niedriger und alle
nicht gelösten Stoffe setzen sich ab
2. Biologische Reinigung
o Im Belebtschlammbecken (=Nitrifikationsbecken) wird unter
Sauerstoffzufuhr durch Bakterien Ammoniak zu Nitrat oxidiert
o Denitrifikationsbecken: unter Sauerstoffabschluss setzen Bakterien
Nitrat und Nitrit zu Stickstoff um, der ausgast
o Aus dem Nachklärbecken wird ein Teil des Schlammes wieder in das
Belebtschlammbecken zurückgeführt und der Überschuss in den
Faulturm geleitet
4. Naturschutz und Landschaftspflege
Ökologische Bewertung von Landschaftsbestandteilen:
Bewertung von Fließgewässern: Verfahren zur Ermittlung der Gewässergüte,
abiotische und biotische Parameter, Gewässerstruktur
Untersuchungsprogramm (abiotische Faktoren):
 Chemisch-physikalische Grundwerte:
o Wassertemperatur
o pH Wert
o Leitfähigkeit
o Sauerstoffgehalt
o Biochemischer und Chemischer Sauerstoffbedarf
o Gehalt an organischem Kohlenstff
o Gehalt an Chlorophyll „a“ als Zeiger für die Primärproduktion
o Säuren- und Basenkapazität
 Pflanzennährstoffe und Spurenelemente
o Gesamtphosphor und Orthophosphat
o Ammonium- und Nitratstickstoff
o Sulfat
o Chlorid
o Fluorid
o Natrium
o Kalium
o Calzium
o Magnesium
 Toxische Stoffe:
o Arsen
o Chrom
o Kupfer
o Eisen
o Nickel
o Blei
o Zink
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Untersuchungsprogramm (biotische Faktoren)
 Tier- und Pflanzenwelt:
o Zeigerorganismen
o Artenvielfalt

Merkmale eines Zeigerorganismus:
o Lange Lebensdauer
o Nur langsame Möglichkeit der Fortbewegung / Abwanderung
o Geringe Anpassungsfähigkeit
Gewässerstruktur:
Gleithang
Prallhang
Kolk

Am Prallhang wird Sand abgetragen, am Gleithang angelagert
Arten- und Biotopschutz
EU Wasserrahmenrichtlinie: Ziele, Maßnahmenkatalog zur Optimierung der
Gewässergüte
 Ziele:
o Optimierung der Gewässergüte von Oberflächengewässer und
Grundwasser
o Förderung der nachhaltigen Nutzung von Wasserressourcen
o Verminderung der Auswirkung von Überschwemmungen und Dürren
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
Maßnahmenkatalog:
o Identifizierung und Analyse der Gewässer (
 Genaue Erfassung aller Gewässer
 Bestimmung des Einzuggebiets
 Verzeichnis der besonders schützenswerten Stellen
o Bewirtschaftungs- und Schutzmaßnahmen
 9 Jahre Zeit um Maßnahmenkatalog zu erstellen (um Gewässer
zu schützen und nachhaltig zu nutzen)
 Nach 15 Jahren muss dieser durchgeführt sein
 Erstellung einer Liste besonders gefährlicher Schadstoffe inkl.
Ihnen zugeordnete Qualitätsnormen
o Verwaltungsmaßnahmen
 Veröffentlichung eines Berichts, welcher bisherige Erfolge
verzeichnet
Renaturierung von Gewässern am Beispiel eines Fließgewässers
 Aufhebung der Flussbegradigung
 Einschließen von Altarmen => Mäander
 Fischtreppen
 Einschränkung landwirtschaftlicher Nutzung
o Entfernung von Drainagen (Rohre, die Felder trocken legen und
Düngemittel in den Fluss spülen)
 Einrichtung von Überschwämmungsflächen
 Entfernung der Uferbefestigung
 Solgleiten
 Uferbepflanzung
 Minimierung der Schadstoffbelastung durch z.B. Industrieabwässer
 Entfernung von Staustufen (z.B. Wasserkraftwerke)
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