Aufbau Des Menschen Guto

Inhalt:

Erklärung von Begriffen die für die Biologie 5. Klasse wichtig sind. • Entwicklung des Lebens auf der Erde • Aufbau des Menschen • Fortpflanzung von Lebewesen

Ein Lebewesen muss folgende Kennzeichen gleichzeitig besitzen: • Bewegung aus eigener Kraft • Wachstum • Stoffwechsel • Reizbarkeit • Fortpflanzung • Aufbau aus Zellen Entwicklung des Lebens auf der Erde Das Alter der Erde ist etwa 3,7 Milliarden Jahre. Die ältesten Lebewesen sind wahrscheinlich Bakterien und einfache Einzeller. Aus ihnen entwickelten sich vielzellige Pflanzen, z.B. Algen und einfach gebaute Tiere. Fossilien der ersten Wirbeltiere der Meere finden sich vor etwa 500 Millionen Jahren. Ein weiterer wichtiger Schritt war die Besiedlung des Landes. Aus den Fischen entwickelten sich die Amphibien, dann die Reptilien, die ihre Blütezeit im Trias und im Jura hatten. Nun traten auch die Vögel und die Säugetiere auf, die im Tertiär eine die Vorherrschaft übernehmen. Im letzten Abschnitt, dem Quartär, betritt der Mensch die Bühne der Erdgeschichte. Zellen Lebewesen sind aus Zellen aufgebaut. Pflanzenzellen sind neben der Zellmembran zusätzlich von einer Zellwand umgeben, häufig ist ein Zellsaftraum vorhanden. In grünen Pflanzenteilen sind in den Zellen die Chloroplasten enthalten. Das Zellplasma der Tierzellen ist nur von der dünnen Zellmembran umhüllt. Skelett • Schädel • Wirbelsäule • Brustkorb (Brustbein und Rippen) • Schultergürtel (Schlüsselbein, Schulterblatt)

• Armskelett (Oberschenkel-, Schien-/Wadenbein, Fußwurzel-, Mittelfuß-, Zehenknochen • Beckengürtel (Oberarm-, Elle/Speiche, Handwurzel-, Mittelhand-, Fingerknochen) • Gelenke: bewegliche Verbindungsstellen zwischen Knochen • Bänder: Verbinden Knochen mit Knochen • Sehnen: Verbinden Muskeln mit Knochen Muskel Einfacher Aufbau: Muskelfasern, Blutgefäße, Nerven, aktive Kontraktion, Gegenspielprinzip: Beuger und Strecker - Muskeln können sich nur zusammenziehen. Zähne Unterscheidung zwischen Schneidezähne, Eckzähne und Backenzähne. Nahrungsbestandteile Nährstoffgruppen Eiweiß, Kohlenhydrate, Fette. Wirkstoffe

Nur in geringen Mengen nötige Mineralsalze und Vitamine.

Ballaststoffe

Nicht verdauliche Bestandteile zur Anregung der Darmtätigkeit.

Wasser Verdauung Zerlegung der Nahrung in kleinste Bestandteile, um die Aufnahme durch die Dünnwand ins Blut zu ermöglichen. Atmungsorgane Zu den Atmungsorgane gehören Luftröhre, Bronchien, Lungenbläschen. Aufnahme von Sauerstoff und Abgabe von Kohlenstoffdioxid an den Lungenbläschen und den Zellen (z.B. im Muskel). Prinzip der Oberflächenvergrößerung (z.B. bei den Lungenbläschen). Innere Atmung Abbau von Nährstoffen mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Hierbei wird in den Zellen Energie für die Lebensvorgänge freigesetzt und Wärme abgegeben. Äußere Atmung

Aufnahme von Sauerstoff aus der Luft in das Blut. Abgabe von Kohlenstoffdioxid aus dem Blut in Luft. Blutkreislauf Herzkammern, Herzscheidewand, Arterien (vom Herzen wegführend), Venen (zum Herzen hinführend), Haargefäße. (Doppelter Blutkreislauf). Blut rote Blutzellen

Sauerstofftransport

weiße Blutzellen

Infektionsabwehr

Blutplättchen

Blutgerinnung

Blutflüssigkeit

Transport von Kohlenstoffdioxid, verdauten Nährstoffen, Abfallstoffen und Wärme.

Reize Von Sinnesorganen aus der Umwelt aufgenommene Informationen. Nervensystem Gesamtheit aller Nervenzellen des Körpers, wobei Gehirn und Rückenmark das Schaltzentrum darstellen. man unterscheidet Sinnesnerven, die Signale zum Gehirn leiten, und Befehlsnerven, die Signale vom Gehirn zu Muskel und Drüsen des Körpers übermitteln. Energie Fähigkeit, Arbeit zu verrichten und Licht und/oder Wärme abzugeben. Sexualität Befruchtung

Verschmelzung des Kerns (des Spermiums/des Pollenkorns) mit dem Kern der Eizelle.

Eizelle

Plasmareiche, unbewegliche, weibliche Geschlechtszelle.

Spermium

Plasmaarme, bewegliche, männliche Geschlechtszelle.

Embryo

Der sich aus der befruchteten Eizelle entwickelnde Organismus (beim Menschen: Kind im Mutterleib).

Züchtung Gezielte Kreuzung und Vermehrung von Pflanzen und Tieren durch den Menschen, bei der verschiede Leistungsmerkmale (Fleischproduktion, Milchproduktion, Fruchtgröße) angestrebt werden.

Pflanzenkörper Blüte: Fortpflanzung Stamm/Stängel: Transport Wurzel: Aufnahme von Wasser und Mineralstoffen, Verankerung im Boden, z.T. Speicherung von Nährstoffen. Bestäubung Übertragung von Pollen einer Blüte auf die klebrigen Narben einer anderen Blüte der gleichen Art. Durch Insekten erfolgen: Insektenbestäubung oder durch Wind: Windbestäubung Samen Der Samen ist ein mit Vorratsstoffen umgebener Embryo im Ruhezustand. Er enthält Spross und Wurzel der neuen Pflanze. Aus jedem Samen kann durch Keimung eine junge Pflanze hervorgehen. Frucht Die Frucht entsteht nach der Befruchtung aus dem Fruchtknoten und enthält die Samen bis zur Reife. Photosynthese Unter Photosynthese versteht man die Herstellung von energiereichem Traubenzucker und Sauerstoff aus Wasser und Kohlenstoffdioxid mit Hilfe der Energie des Sonnenlichtes und Blattgrün (Chlorophyll). Verwandtschaft Ähnlichkeiten in Körperbau und Verhalten, die auf einen gemeinsamen Vorfahren zurückzuführen sind. Art Lebewesen, die in allen ihren wesentlichen Merkmalen untereinander und mit ihren Nachkommen übereinstimmen, und die miteinander fruchtbare Nachkommen haben können, gehören zu einer Art. Evolution Die Entwicklung der Lebewesen im Laufe der Erdgeschichte.

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Der Menschliche Körper

Der Menschliche Körper Muskeln Die Knochen werden von den Muskeln bewegt. Beuger und Strecker sind Gegenspieler. Ernährung Unsere Nahrung enthält Nährstoffe. Zu ihnen gehören Kohlenhydrate (Zucker und Stärke), Eiweiße und Fette. Hauptenergieträger sind Fette und Kohlenhydrate und Eiweiße werden hauptsächlich als Baustoffe verwendet. Zusätzlich benötigte der Körper Wasser und in kleineren Mengen Mineralstoffe und Vitamine. Zähne Das menschliche Gebiss besteht aus Schneidezähnen, Eckzähnen und Backenzähnen. Das Milchgebiss wird durch das bleibende Erwachsenengebiss ersetzt. Der Aufbau der Zähne ist bei Wirbeltieren gleich. Sie bestehen aus Zahnkrone, Zahnhals und Zahnwurzel. Der Zahn besteht im Kronenbereich aus Zahnbein, im Wurzelbereich aus Zahnzement. Das Zahnbein ist vom harten Zahnschmelz überzogen. Verdauung Die Verdauungsorgane sind: Mund, Speiseröhre, Magen, Dünndarm, Dickdarm, Enddarm und After. Bei der Verdauung wird die Nahrung durch Verdauungssäfte in kleinste Teilchen zerlegt. Diese gelangen durch die Wände der Darmzotten des Dünndarms ins Blut. Atmung Über die Nase oder den Mund sowie die Luftröhre und die Bronchien, die sich immer mehr verzeigen und in den Lungenbläschen enden, gelangt die Luft in die Lunge. Die Lungenbläschen sind von feinsten Blutgefäßen umsponnen. Dort gelangt der Sauerstoff in das Blut. Im Körper gebildetes Kohlenstoffdioxid wird in den vom Blut in die Lungenbläschen abgeschieden und ausgeatmet. Blutkreislauf Das aus Vorhöfen und Kammern bestehende Herz treibt den Blutkreislauf an. Von der rechten Herzkammer wird das kohlenstoffdioxidreiche Blut in die Lunge gepresst. Dort erfolgt der Gasaustausch. Das sauerstoffreiche Blut fließt in den linken Vorhof und in die linke Herzkammer und wird dann in den Körper gepumpt. Dort wird der Sauerstoff abgegeben. Das kohlenstoffdioxidreiche Blut fließt zum rechten Vorhof des Herzens zurück.

Blut Die Bestandteile des Blutes sind: Blutzellen: Rote und weiße Blutkörperchen und Blutplättchen. Das flüssige Blutplasma besteht aus Wasser, den verdauten Nährstoffen, Mineralstoffen und Vitaminen sowie Abfallstoffen. Nieren Die Nieren sind Ausscheidungsorgane für Abfallstoffe des Körpers. Pro Niere gibt es etwa 1 Million Nierenkörperchen. Durch Filtration gelangen etwa 170 l Flüssigkeit in die Nierenkanälchen. Wasser und Mineralsalze werden ins Blut zurücktransportiert, etwa 1,5 l Harn mit den darin enthaltenen Abfallstoffen werden über die Harnblase ausgeschieden. Stoffwechsel Der eingeatmete Sauerstoff und der über die Verdauung aufgenommenen Traubenzucker werden über das Blut beispielsweise zu den Muskeln transportiert. Sie werden dort zur Energiegewinnung benötigt und dabei in Kohlenstoffdioxid und Wasser umgewandelt. Das Kohlenstoffdioxid wird über die Lunge wieder ausgeatmet. (Betriebsstoffwechsel) Die anderen mit der Nahrung aufgenommenen Stoffe dienen hauptsächlich zum Aufbau und Erhalt des Körpers (Baustoffwechsel). Sinnesorgane Unsere Sinnesorgane dienen als Antennen zur Außenwelt: Auge, Ohr, Nase, Zunge und Haut. Unsere Sinnesorgane nehmen die Reize Licht, Schall, Geruchsstoffe , Geschmacksstoffe, Druck und Wärme wahr. Auge Die Augen liegen gut geschützt in der Augenhöhle. Lichtstrahlen fallen durch die Pupille und die Augenlinse auf die Lichtsinneszellen der Netzhaut. ber den Sehnerv werden elektrische Signale zum Gehirn geleitet. Dort entsteht daraus ein Bild. Haut Die Haut schützt den Körper. Gleichzeitig ist sie ein wichtiges Sinnesorgan. Mit den Sinneskörperchen der Haut können wir Berührungen, Kälte, Wärme und Schmerz wahrnehmen. Sie ist aus drei Schichten aufgebaut: Oberhaut, Lederhaut und Unterhaut. Geschlechtsorgane Bei den Geschlechtsorganen unterscheidet man die inneren und die äußeren Geschlechtsorgane und die Keimdrüsen. Die Keimdrüsen der Frau sowie aller weiblichen Tiere sind die Eierstöcke. Der Mann bzw. die männlichen Tiere besitzen dagegen Hoden. Keimzellen

In den Eierstöcken werden die Eizellen, in den Hoden die Spermienzellen gebildet. Sie stellen die weiblichen und die männlichen Geschlechtszellen dar.

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Blut und Blutkreislauf

Blut Blutplasma 60% Blutkörperchen 40%

Serum Fibrinogen rote, Erythrozyten weiße, Leukozyten Blutplättchen, Thrombozyten

Aufgaben des Blutes Versuch Wir geben etwa 2 cm hoch nicht-gerinnendes Blut in alle 3 Reagenzgläser. In die beiden äußeren Reagenzgläser geben wir die Winkelröhrchen, verbinden das linke mit der Sauerstoff-Flasche, das rechte mit der Kohlenstoffdioxid-Flasche und lassen die Gase ganz langsam durch das Blut perlen. Das Ergebnis ist schon nach wenigen Minuten sichtbar. Ergebnis Blut, das mit Sauerstoff angereichert ist, sieht hellrot aus, während mit Kohlenstoffdioxid angereichertes Blut dunkelrot aussieht. Deshalb sehen die Venen des Körperkreislaufs, in denen sauerstoffarmes aber kohlenstoffdioxidreiches Blut fließt, dunkel und eher blau als rot aus. Das Blut als wichtiges Transportsystem verbindet alle Teile des Körpers. Sauerstoff wird besonders von den Erythrocyten mit Hilfe des roten Blutfarbstoffs Hämoglobin, den sie in ihrem Inneren in großen Mengen enthalten, von der Lunge zu allen Zellen des Körpers transportiert. (Da Kohlenmonoxid eine stärkere Bindung mit dem Hämoglobin eingeht, verhindert es den Sauerstofftransport und ist daher giftig). Das Kohlenstoffdioxid, das bei der Zellatmung entsteht, löst sich dagegen gut im Plasma und wird auf diese Weise von den Zellen zur Lunge transportiert. Ebenfalls im Plasma werden die Bausteine der Närstoffe vom Darm zu allen Zellen gebracht. Diese Bausteine sind das Ergebnis der Verdauung in Magen und Darm. Auf die gleiche Weise kommen die Giftstoffe im Blut, die von außen aufgenommen wurden oder bei Stoffwechselvorgängen im Körper entstanden sind , zur Leber zum Abbau oder zur Niere zur Ausscheidung. Wer Sport treibt bekommt eine rote, stark

durchblutete Haut und auf diese Weise wird die bei der Körperertüchtigung entstehende Wärme nach außen transportiert und abgegeben. Im Winter wird durch Verengung der Blutgefäße in der Haut bewirkt, daß man nicht zuviel Wärme verliert (bleiches Gesicht), oder Erfrierungen verhindert (gesteigerte Durchblutung und gerötetes Gesicht). Ebenfalls im Plasma werden Hormone und Vitamine transportiert. Leukocyten, von denen es weit weniger als Erythrocyten gibt und die doppelt so groß sind, wirken auf vielfältige Art bei der Abwehr von Infektionen. So gibt es welche, die Antikörper produzieren und andere fressen eingedrungene Krankheitserreger auf. Um an alle Stellen des Körpers zu gelangen, können sie im Bereich der Kapillaren wie Amöben aktiv die Blutgefäße verlassen und so auch Krankheitserreger außerhalb der Blutgefäße im Gewebe bekämpfen. Im Gegensatz zu den Erythrocyten sind die Leukocyten vollständige Zellen mit Zellkern und können sich teilen. Schließlich wirken die Blutplättchen mit dem im Plasma vorhandenen Fibrinogen bei der Blutgerinnung zusammen.

Die Blutgefäße Das Herz des Menschen ist ein Hohlmuskel, mindestens so groß wie eine Faust. Es besteht aus zwei Vorkammern und zwei Hauptkammern, wobei jeweils eine Vorkammer und eine Hauptkammer eine Einheit bilden. Zu den Vorkammern führen die Venen, die Körpervenen und die Lungenvenen. Venen sind dünnwandige Blutgefäße. In ihnen gibt es so gut wie keinen Blutdruck. In den Venen wird das Blut vor allem passiv von einer Venentasche zur nächsten transportiert. Dabei drückt das Blut normalerweise nach unten, füllt diese Taschen und verschließt die Vene so, daß kein Blut mehr nach unten wegfließen kann. Durch die Pulswelle einer daneben liegenden Arterie oder durch die Kontraktion eines Muskels wird die Vene zusammengepresst. Dabei kann das Blut nicht nach unten, da die Venentaschen es verhindern. Lediglich nach oben kann es die Venentaschen auseinanderdrücken und das Blut ist ein Stück nach oben gelangt. Die Arterien, die vom Herz wegführen, sind zunächst sehr weit und dick, sie werden Schlagadern (Körperschlagader = Aorta) genannt. Den Rückfluß von den Arterien in die Hauptkammer verhindern die Taschenklappen. Mit zunehmender Entfernung vom Herz verzweigen sie sich immer mehr, werden dünner und heißen dann Arteriolen. Schließlich sind sie so dünn, daß gerade noch rote Blukörperchen durchpassen. Jetzt heißen sie Kapillare. Hier findet der Gas- und Stoffaustausch statt. Blutflüssigkeit oder weiße Blutkörperchen können das Blutgefäß verlassen und befinden sich somit im Gewebe. Hier hört dann praktisch die Druckwirkung des Herzens auf und wenn sich die Kapillaren wieder zu Venolen weiten, muß das Blut vor allem durch die Wirkung der Muskeln, der Pulswellen und den Venentaschen weiter transportiert werden. Die Venolen weiten sich immer mehr und werden dann wieder zu Venen.

Vorkammern

(Vorhofsystole)

-

Systole

Diastole

kontrahiert

erschlaffen

füllen sich

gefüllt

Segelklappen

voll geöffnet

geschlossen

geschlossen

leicht geöffnet

Hauptkammern

füllen sich

gefüllt

kontrahiert

erschlaffen

Taschenklappen

geschlossen

geschlossen

geöffnet

geschlossen

Welches Ventil schließt die Hauptkammer gegen die Vorkammer ab? Die Segelklappen trennen die Vorkammer von der Hauptkammer. Wie heißt die Phase, in der sich die Hauptkammer kontrahiert? Die Hauptkammern kontrahieren sich in der Systole. Beschreibe den Zustand der Systole. In der Systole füllen sich die Vorkammern, sind die Segelklappen geschlossen, die Haupkammer kontrahieren sich und die Taschenklappen sind geöffnet. Beschreibe eine Arterie. Eine Arterie ist ein dickwandiges und muskulöses Blutgefäß, das vom Herz wegführt.

Die Blutdruckmessung Um den Blutdruck zu messen, streift der Arzt dem Patienten eine Manschette über den Oberarm, die er mit einer kleinen Luftpumpe aufpumpt. Dann setzt er das Stethoskop auf eine Arterie in der Armbeuge und läßt langsam Luft aus der Manschette. Dabei blickt er auf ein Manometer, einen Druckmesser, und notiert anschließend die gemessenen Werte. Wenn sich die Hauptkammern zusammenziehen, wird das Blut über die Schlagadern in den Körper gepreßt. Die Druckwelle, die dabei durch die Adern läuft, kannst Du als Puls spüren. Wenn der Arzt nun die Manschette aufpumpt, drückt er die Arterie im Arm zu. Jetzt kann kein Blut mehr durch die Adern strömen. Nun läßt er langsam Luft aus der Manschette auströmen. Der Luftdruck in der Manschette sinkt und damit auch der Druck auf die Arterie. Irgendwann wird der Druck in der Manschette ein klein wenig geringer sein als in der Arterie. Die Pulswelle, die vom Herzen kommt, kann wieder durch die Adern. Da die Ader aber noch enger als normal ist, preßt sich das Blut durch das Gefäß und erzeugt an den Aderwänden ein zischendes Geräusch. Dies kann der Arzt mit dem Stethoskop hören. In diesem Augenblick mißt er den Druck, der

durch die Manschette an der Armarterie erzeugt wird. Man nennt ihn den systolischen Wert des Blutdruckes. Nun wird der Druck in der Manschette weiter vermindert. Da die Ader aber immer noch etwas zusammengepreßt ist, hört man bei jedem Herzschlag das Geräusch. Wenn die Manschette aber nur noch wenig Luft enthält (geringer Druck), hört das Geräusch wieder auf. Jetzt ist die Ader nämlich nicht mehr zusammengepreßt, und das Blut fließt ganz normal. Es tritt kein Geräusch mehr auf. Der untere Wert, der jetzt gemessen wird, heißt diastolischer Wert, da er dem diastolischen Druck entspricht, der bei entspannten Herzkammermuskeln in der Arterie herrscht. Der systolische Blutdruck eines gesunden Menschen beträgt ca. 120 mm Hg (ca. 160 mbar), der diastolische ca 80 mm Hg (ca. 110 mbar). Wann hört der Arzt bei der Blutdruckmessung ein zischendes Geräusch? Der Arzt hört ein zischendes Geräusch, wenn die Pulswelle wieder durch die Ader kann, die Arterie jedoch noch enger als normal ist. Welches ist bei der Blutdruckmessung der systolische Wert? Der Wert, bei dem zum ersten mal das zischende Geräusch zu hören ist, ist der systolische, der obere Wert. Welches ist bei der Blutdruckmessung der diastolische Wert? Der untere Wert, bei dem man gerade kein Geräusch mehr hört, ist der diastolische Wert.

Das AB0-System Wie wird die Blutgruppe festgelegt? Jede der vier Blutgruppen wird grundsätzlich von den antigenen Strukturen (2. Spalte) auf der Oberfläche der roten und weißen Blutkörperchen bestimmt. Diese Strukturen werden durch die geerbten Gene festgelegt (4. Spalte). Die möglichen Genotypen stehen in der 5. Spalte. (Die Symbolik IA und i wurde in Anlehnung an die im Bachillerato gebräuchliche Form gewählt. Dabei verhalten sich IA und IB dominant gegenüber i, untereinander jedoch intermediär. IA und IB sind also kodominant.) Blutgruppe/Phänotyp Antigen Antikörper

Gen

Genotyp

A

A

antiB

IA

IA IA und IA i

B

B

antiA

IB

IB IB und IB i

AB

A+B

keine

IA und IB

IA IB

0

keine

antiA + antiB

i

ii

Die Antikörper sind in der Regel so verteilt wie in Spalte 3 wiedergegeben. Es kommen jedoch auch Abweichungen vor. Das liegt daran, daß die AB0Blutgruppen-Antikörper wie alle anderen Antikörper gebildet werden: das Immunsystem bildet gegen alle Stoffe, mit denen es über das Blut in Kontakt kommt und die ihm unbekannt sind, Antikörper. Da die Blutgruppenantigene nicht nur auf den Blutkörperchen vorkommen, sondern in der Natur weit verbreitet sind (sie kommen z.B. auch auf unseren E.Coli- Darmbakterien vor), kommt unser Immunsystem automatisch auch mit den Antigenen in Kontakt, die wir selbst nicht auf der Oberfläche unserer Blutkörperchen besitzen. Gegen diese werden dann Antikörper gebildet, gegen die körpereigenen Antigene selbstverständlich nicht. Die Antikörper befinden sich im Serum ( = Blutfüssigkeit ohne Blutkörperchen).

Das Rheusus-System Ein weiteres Blutgruppenantigen wurde mit dem Rhesus-Faktor = Antigen D im Jahre 1940 entdeckt. Dieses Antigen haben 82% der Europäer mit den Rhesusaffen gemeinsam. Sie sind rhesuspositiv. Im Gegensatz zu den AB0-Antigenen kommt das Antigen-D sonst in der Natur nicht weiter vor. Wer dieses Antigen nicht besitzt, also rhesusnegativ ist, produziert somit nicht automatisch Antikörper gegen dieses Antigen wie beim AB0-System. Erst nach einem Blutkontakt mit dem Antigen-D kommt es bei einer rhesusnegativen Person zur Antikörperbildung. Einige Monate nach dem Kontakt sind Antikörper nachweisbar. (Das Gen für den Rhesusfaktor Rh ist dominant gegenüber rh.). Neben heutzutage nicht mehr durchgeführten Blutübertragungen mit verschiedenem Rhesusfaktor wird vor allem bei rhesusnegativen Frauen, die ein rhesuspostives Kind zur Welt bringen, die Antikörperbildung ausgelöst. Bei der Geburt eines Kindes kann nicht verhindert werden, daß der mütterliche Blutkreislauf mit Blut des Kindes in Kontakt kommt. Für das erstgeborene Kind hat dies keine Folgen, da das Immunsystem der Mutter erst danach Antikörper bildet. Sollte ein weiteres Kind jedoch wieder rhesuspositiv sein, würden die Anti-DAntikörper in den embryonalen Blutkreislauf überwechseln und die roten Blutkörperchen schädigen und zerstören. Lila dargestellte D-Antikörper dringen in den fetalen Blutkreislauf ein, binden sich an den Rhesusfaktor (weiße Halbkreise an roten

Blutkörperchen) und verklumpen die Blutkörperchen.

Solche Kinder kommen, wenn überhaupt lebend, mit einer Art Gelbsucht, der Erythroblastose zur Welt und können nur überleben, wenn umgehend ein totaler Blutaustausch des Kindes durchgeführt wird und dabei die Antigen-D-Antikörper aus dem Körper entfernt werden. Weitere Kinder könnten nicht überleben, da die Antikörperproduktion durch den erneuten Kontakt weiter angeregt würde. Um diese Komplikationen zu vermeiden, spritzt man inzwischen bei rhesusnegativen Müttern, die ein rhesuspositives Kind zur Welt gebracht haben, gleich nach der Geburt des Kindes ein Serum mit Antigen-D-Antikörpern. Diese besetzen die Antigene auf den eingedrungenen Blutkörperchen und verhindern so, daß das mütterliche Immunsystem Kontakt mit dem Antigen D bekommt und somit keine Antigen-D-Antikörper bildet.

Blutgerinnung und Wundverschluss Verletzt man sich, so beginnt die Wunde nach kurzer Zeit zu bluten. Nach wenigen Minuten hört die Blutung wieder auf, weil sich die Blutgefäße um die Wunde kontrahiert haben. In den nächsten 10 Minuten dickt das Blut ein und bildet einen Wundverschluß. Wie passiert das? Außerhalb des Körpers entstehen aus dem Fibrinogen lange Proteinfasern, die die Blutkörperchen einspinnen und verklumpen. Dabei entsteht der sogenannte Blutkuchen.. Dieser Vorgang beginnt gleich nach der Verletzung, indem sich die ausgetretenen Blutplättchen an den Wundrändern festkleben. Die nachfolgenden verkleben sich ebenfalls und so entsteht ein Wundpfropf, der durch die sich ausbildenden Fibrinfäden die notwendige Festigkeit erhält. Die Ausbildung dieser Fibrinfäden ist mehrfach abgesichert, damit sich das Fibrin nicht in den Blutgefäßen bildet und keine Gefäßverschlüsse (Thrombosen) bewirkt. Damit sich die Fibrinfäden bilden können, sind eine Reihe von Ionen und Faktoren, sogenannte Gerinnungsfaktoren notwendig. Gemeinsam wirken sie auf des Enzym Thrombokinase ein, das das Prothrombin, eine Vorstufe, in das Enzym Thrombin verwandelt. Das Thrombin kann nun endlich aus Fibrinogen die Fibrinfäden bilden. Personen, denen einer der Gerinnungsfaktoren fehlt, haben eine im Vergleich stark verzögerte Blutgerinnung, so daß die Blutung kaum zum Stillstand kommt. Diese Krankheit heißt Bluterkrankheit und wird vererbt. Man kann diesen Patienten als Medikament den fehlenden Blutgerinnungsfaktor spritzen,

so daß sie ein normales Leben führen können. Warum hört eine Blutung kurze Zeit nach einer leichten Verletzung wieder auf? Die Blutung kommt nach kurzer Zeit zu einem Stillstand, weil sich die Blutgefäße um die verletzte Stelle kontrahieren. Auf welchen Stoff wirken bei der Blutgerinnung die Ca-Ionen und die Gerinnungsfaktoren? Diese Stoffe wirken auf die Thrombokinase ein. Welches Enzym bewirkt die Umwandlung von Fibrinogen in Fibrin? Das Thrombin.

Cytologie 1. Zellen allgemein Die wesentlichen Merkmale der Zelltheorie (wurde um 1850 entwickelt): Alle Lebewesen sind aus Zellen aufgebaut. Zellen entstehen nur aus Zellen. Der Aufbau von tierischen Zellen (Größe: ca. 1/100 mm)

Der Aufbau von pflanzlichen Zellen Größe: ca. 1/100 bis 1/10 mm

Vergleich zwischen Tierzelle und Pflanzenzelle Tierzellen haben...

...keine Chloroplasten ...keine Zellwand d.h. keine feste Form ...keine Vakuole

2. Das Lichtmikroskop Definition: Auflösungsvermögen eines Mikroskops Mindestabstand zweier Punkte, um noch getrennt erkannt zu werden [in Meter]. Das Auflösungsvermögen erklärt...

3. Das Elektronenmikroskop Daten zur besseren Einschätzung Auflösungsvermögen des menschlichen Auges: Auflösungsgrenze des Lichtmikroskops: Auflösungsgrenze des Elektronenmikroskops

ca. 0,2 mm = 2 x 10-4 m ca. 200 nm = 2 x 10-7 m ca. 1 nm = 1 x 10-9 m

Vergleich: Elektronenmikroskop und Lichtmikroskop Nachteile:

Vorteile:

1) Nur tote Objekte können betrachtet werden 1) Viel besseres Auflösungsvermögen 2) Nur Schwarzweiß-Bilder 3) Großer Aufwand (Kunstharz-Einbettung, Ultradünnschnitte..) Unterschied zum Lichtmikroskop: "Lichtquelle" sind Elektronen. Die Linsen sind durch magnetische Felder ersetzt. Bildentstehung auf einen Leuchtschirm. Hochvakuum im Inneren des Elektronenmikroskopes. Elektronen würden von

Luftmolekülen gebremst. Aus diesem Grund können auch nur entwässerte Präparate, aber niemals lebende Objekte beobachtet werden. Grundelement eines Elektronenmikroskopes ist eine Röhre, vergleichbar mit einer Fernsehröhre. Eine Glühkathode liefert Elektronen: Hochspannung zwischen Kathode und Anode beschleunigt Elektronen. Die Elektronen fliegen durch ein Loch in der Anode und treffen auf das Objekt (sehr dünn, Ultradünnschnitte! ). Elektronen durchdringen das Objekt, werden abgelenkt oder reflektiert. Die Vergrößerung erfolgt dann durch ein magnetisches Objektiv und ein magnetisches Okular (Projektiv). Die Elektronen treffen schließlich auf einen Leuchtschirm. Helle Stellen zeigen an, dass an dieser Stelle des Objektes Elektronen durchgelassen wurden. Dunkle Stellen entsprechen den Teilen des Objektes, die für Elektronen wenig oder gar nicht durchlässig sind. Zur Verstärkung des Bildkontrastes werden die Präparate mit Schwermetallsalzen behandelt.

Bau und Anwendung eines Elektronenmikroskops

Typische ABI-Frage: Auf welche Weise können Zellstrukturen bei der Herstellung von Präparaten sichtbar gemacht werden a) beim Elektronenmikroskop b) beim Lichtmikroskop . (Jeweils mit Erklärung) Muster-Antwort: Da Zellstrukturen sowohl für Lichtstrahlen als auch für Elektronenstrahlen fast durchsichtig sind d.h. zu wenig Strahlung absorbieren, muss man in beiden Fällen den Kontrast durch "Anfärben" erhöhen: Kontrastierung für das ElMi: Schwermetallatome bzw. Schwermetall-Ionen (Uran,Osmium, Platin...)

Kontrastierung für das LiMi: Farbstoffe In beiden Fällen lagern sich die Kontrastmittel selektiv an bestimmte Oberflächen (Membranen, Fasern, Riesenmoleküle wie DNA oder Zellulose...) an und verändern die Durchlässigkeit des

Präparats für die Strahlung. Im LiMi macht sich dies durch farbige Kontrastierung bemerkbar, im ElMi durch Hell-Dunkel-Kontrastierung.

4. Die Tierzelle im Elektronenmikroskop Skizze: Skizzen solltest du zeichnen und beschriften können...

farbig = vom Zellplasma abgetrennte Reaktionsräume 1 = Zellmembran

4 = Mitochondrium

7 = endoplasmatisches Retikulum ER

10 = Kernhülle

2 = Zellplasma

5 = Dictyosom (Golgi-Apparat)

8 = rauhes ER

11 = DNA

3 = Ribosom

6 = Golgi-Vesikel

9 = Kernpore

12 = Kernkörperchen =Nukleolus

Informieren Sie sich über weitere Strukturen in der Zelle: Lysosom, Peroxisom, Zentriol, Mikrotubuli 13 = Bürstenförmige Ausstülpungen der Zellmembran werden als Mikrovilli bezeichnet und dienen der Oberflächenvergrößerung

5. Die Pflanzenzelle im Elektronenmikroskop Skizze:

1 = Zellmembran

6 = DNA

11 = Tüpfel

16 = Tonoplast

2 = Zellwand

7 = Kernpore

12 = Dictyosom/GolgiApp.

17 = Golgi-Vesikel

3 = Nachbarzelle

8 = Nukleolus

13 = Ribosom

4 = Zellplasma

9 = ER

14 = Mitochondrium

5 = Chloroplast

10 = rauhes ER

15 = Vakuole

Wichtige zellbiologische Fachbegriffe:

Am Beispiel des Mitochondriums kann man den biologischen Sinn der Kompartimentierung gut erklären: 1) Die 2 Kompartimente ermöglichen es, dass verschiedene chemische Reaktionen parallel ablaufen können, wie in verschiedenen "Reagenzgläsern". 2) Membrangebundene Vorgänge - hier: Zellatmung - werden durch Oberflächenvergrößerung der Membran d.h. durch Faltung optimiert, da dadurch die Zahl der aktiven Membranmoleküle vermehrt werden kann.

3) Eine Steigerung der Leistung einer best. Zellfunktion erreicht die Zelle also durch 2 Maßnahmen: Vermehrung der Zahl der jeweiligen Organellen und Vergrößerung der Oberfläche der Membran.

6. Das Mitochondrium Skizze:

Funktion der Mitochondrien: • Ort der Zellatmung • ATP- Gewinnung durch oxidativen Abbau der Glukose • "Kraftwerk" der Zelle Atmungsgleichung: (Bruttogleichung)

Wiederholung: Dissimilation: Die aus der Glykolyse stammende Brenztraubensäure (Pyruvat) wird in die Matrix aufgenommen, wo durch oxidative Decarboxylierung zunächst aktivierte Essigsäure (+CO2+NADH2) entsteht Diese wird im Zitronensäurezyklus schrittweise unter CO2-Abspaltung und Bildung von NADH2 (=Übertragung von Wasserstoff(elektronen) auf das Coenzym NAD) zerlegt. Der coenzymgebundene Wasserstoff wird nun an der Innenmembran des Mitochondriums auf Redoxenzyme übertragen. Dabei wird der Wasserstoff in H+-Ionen und Elektronen getrennt. Die e- werden auf einer Transportkette von Redoxenzymen weitergereicht (=Atmungskette) und werden an deren Ende auf den eingeatmeten Sauerstoff übertragen (H2O-Synthese).

Mit der hierbei freigewordenen Energie werden die H+-Ionen (=Protonen) aus der Matrix in den Zwischenmembranraum gepumpt und dort angereichert. Dieser H+-Ionen-Gradient wird nun wie eine "Turbine" zur ATP-Synthese benutzt: Die einströmenden H+-Ionen werden durch spezifische Ionenkanäle in der Innenmembran geleitet, in denen die ATP-Synthase die Energie der zurückfließenden H+-Ionen zur Synthese von ATP benutzt. Die Innenmembran der Mitochondrien koppelt also den Elektronentransport mit der ATP-Synthese.

Das Grundprinzip der aeroben Energiegewinnung besteht also darin, dass den aufgenommenen Nährstoffen (Kohlenhydrate, Fette und Proteine) Elektronen entzogen werden, um diese dann als Energiequelle zur ATP-Synthese zu verwenden. stark vereinfachtes Schema: Abbau der Nährstoffe im aeroben Energiestoffwechsel: Gewinnung von chemischer Energie (ATP) durch Abbau von Glukose mit Sauerstoff Die Zellatmung ist der Funktionskomplex aus Glykolyse, Citratzyklus und Atmungskette. Bruttogleichung: C6H12O6+6H2O+6O2 à12H2O+6CO2 (+38ATP)

Gärung: Gewinnung chemischer Energie (ATP) durch Abbau von Glukose ohne Sauerstoff (anaerobe Energiegewinnung) z.B. Milchsäure-Gärung:

C6H12O6 à 2 C3H6O3 (+2ATP) Besonderheiten: 1) Mitochondrien werden nur von der Mutter vererbt, da die väterlichen Mitochondrien im Spermium bei der Befruchtung nicht in die Eizelle gelangen! Deshalb ist mitochondriale DNA ideal für die Erforschung mütterlicher Verwandtschaftslinien. (siehe "EVA"-Hypothese in der Humanevolution)

2) In den Mitochondrien findet man DNA und Ribosomen. Man nimmt deshalb an, dass M. ursprünglich freilebende Einzeller waren. (Endosymbionten-Hypothese) Typische ABI-Fragen: 1) Warum ist die Innenmembran der Mitochondrien so stark gefaltet? 2) Welche Zelltypen besitzen besonders viele Mitochondrien? 3) Nennen Sie 3 biologische Prozesse, die besonders viel ATP verbrauchen. 4) Erythrocyten haben weder einen Zellkern noch Mitochondrien. Auf welche Art der ATPGewinnung sind sie deshalb angewiesen? Welches Lebenskennzeichen fehlt ihnen? Muster-Antworten zu 1) Die Faltung bewirkt eine größere Fläche --> Effizientere Zellatmung, da mehr Platz für Atmungsenzyme --> stärkere ATP-Produktion --> mehr Energie (Struktur-Funktionsprinzip) zu 2) Zellen, die viel Stoffwechselenergie benötigen,z.B. für Bewegung, Synthesevorgänge und aktiven Transport: Muskelzellen, Nervenzellen, Herzzellen, Sinneszellen.. zu 3) •

aktiver Transport (z.B. Ionenpumpen in Nervenzellen)

•

Bewegung (Zellbewegung durch Cilien, Geißeln; Muskelarbeit)

• Regeneration (z.B. Erneuerung des Sehfarbstoffs in den Stäbchen) • Synthese von Riesenmolekülen (DNA, Proteine, Stärke..) zu 4) Anaerobe Energiegewinnung -->ATP-Gewinnung durch Glykolyse Kein Zellkern --> keine Zellteilung -->Lebenskennzeichen Fortpflanzung fehlt.

7. Ribosomen, Zellkern, Endoplasmatisches Retikulum Der Zellkern

Ribosomen Ort: Frei im Zellplasma oder gebunden an das ER. Funktion: Eiweißsynthese für die Zelle (z.B. Enzyme) und zur Sekretion (z.B. Hormone, Antikörper..)

Bau: kugelförmiges Riesenmolekül, aus 2 Untereinheiten bestehend, ohne Membran Das Endoplasmatische Retikulum Bau: Röhren - und etagenförmiges Membransystem in der Zelle Man unterscheidet das glatte ER (ohne Ribosomen) vom rauen ER (mit Ribosomen). Funktion des rauen ER: Synthese und Transport von Proteinen a) für die eigene Zelle z.B. Enzyme, Membranproteine.. oder für den "Export" z.B. Antikörper = Immunglobuline (Plasmazellen), Hormone (Insulin in Beta-Zellen) oder Verdauungsenzyme (Bauchspeicheldrüsenzellen) (Funktion des glatten ER: Synthese und Transport von Phospholipiden und Steroidhormonen.)

Viele Proteine werden zum weiteren Umbau mit Membran-Vesikeln, die sich vom ER abschnüren zu anderen Organellen z.B. zum Golgi-Apparat gebracht. Skizze:

Merke: Drüsenzellen (Verdauung, Hormone) enthalten ein dichtes Netz von ER, ebenso Immunzellen, die Antikörper produzieren (sog. Plasmazellen). (1ml Lebergewebe enthält ca. 10m2 ER!)

8. Der Golgi-Apparat Dictyosomen = Golgiapparat = Summe aller Dictyosomen in einer Zelle Funktion: Herstellung und Speicherung von Sekreten z.B. Drüsensäfte, Schleim, Zellwandbaustoffe.... Am Rand der flachen Membran-Zisternen schnüren sich Golgi-Vesikel, gefüllt mit Stoffen (Membranproteine, Enzyme, Sekrete) ab. Diese speichern und transportieren ihren Inhalt entweder innerhalb der Zelle, oder sie wandern zur Zellmembran und verschmelzen mit ihr unter Ausschüttung des Inhalts nach draußen = Exocytose. Bau:

Sonderfall: Lysosomen: Vesikel mit Verdauungsenzymen Aufgabe: Verdauung von aufgenommenen Nahrungsteilchen bzw. Bakterien (z.B. durch Fresszellen)

Merke: Viele Dictyosomen sind wie ER ein Kennzeichen von Drüsenzellen. Zusätzlich viele Mitochondrien weisen auf aktiven Transport nach außen hin.Eine stark gefaltete Zellmembran mit großer Oberfläche weist ebenfalls auf Stoffaustausch mit der Umgebung hin. Beispiel: Belegzellen in der Magenwand, die Salzsäure für den Magen produzieren. Dünndarmzellen mit einem "Bürstensaum" = Mikrovilli.

9. Chloroplasten Chloroplasten Vorkommen: Nur in grünen Pflanzenzellen. (beachte: Pilze sind Pflanzen ohne Chloroplasten!) Die Chloroplasten zählt man allgemein zu den Plastiden. (Es gibt noch Chromoplasten (rot) und farblose Leukoplasten)

Bau: Skizze:

Schema:

Funktion - Ort der Photosynthese:

In Worten: Mit Hilfe von Lichtenergie können Chloroplasten aus Kohlendioxid und Wasser

Glukose (Traubenzucker) und Sauerstoff herstellen. Der Sauerstoff unserer Atmosphäre stammt aus der Photosynthese! Wichtig: 1) wie bei den Mitochondrien findet man in Chloroplasten DNA und Ribosomen. Auch hier nimmt man an, dass sie ursprünglich frei lebende Cyanobakterien waren, die von den Vorfahren der heutigen Pflanzenzellen in die Zellen aufgenommen wurden. 2) Auch hier kann man Kompartimentierung und Oberflächenvergrößerung beobachten.

10. Biomembran Vorüberlegungen:

Eine Membran muss:

1) innerhalb der Zelle Kompartimente mit wässrigem Inhalt voneinander trennen. 2) bestimmte Stoffe selektiv durchlassen, andere abhalten. (= semipermeabel) 3) bestimmte Stoffe aktiv "durchpumpen" d.h. einseitig anreichern. 4) beweglich, elastisch, "mitwachsend", "abschnürbar" sein. (siehe Zellteilung, Vesikelabschnürung, Phagocytose..) 5) als Zellgrenze mit Botenstoffen kommunizieren können. (z.B. auf Hormone, Transmitter reagieren können.) 6) als Zellgrenze fremde Zellen, Viren... ( = "nicht selbst") von eigenen Zellen (= "selbst") unterscheiden können.

Folgerungen: zu 1) Die Membranmoleküle müssen einen "wasserabweisenden"," fettähnlichen" d.h. lipophilen Molekülteil besitzen und einen "wasserfreundlichen" d.h. hydrophilen Molekülteil. zu 2 +3) In diese Membranmoleküle müssen "tunnelartige" Moleküle eingebettet sein. zu 4) Die Membranmoleküle bilden keine feste "Haut", sondern umgeben das wässrige Plasma wie ein "Fettfilm" oder "Seifenblasenhaut". zu 5) Auf der Außenseite der Membran müssen spezifische Moleküle sitzen, die wie "Antennen" oder "Schlösser" bestimmte "Schlüssel"moleküle binden. zu 6) Die Membranoberfläche muss spezifische Erkennungsmoleküle aufweisen. Experimentelle Befunde: • Die Analyse elektronenmikroskopischer Bilder von Biomembranen ergibt eine Doppellinie d.h. der Aufbau ist dreischichtig: Zwei "Außenlagen" und eine "Zwischenlage". • Fett lösende Detergentien ("Seifen") lösen Membranen auf. • durch Detergentien zerstörte Biomembranen, deren Moleküle an der Wasseroberfläche schwimmen, benötigen die doppelte Fläche. • Chemisch bestehen Membranen etwa zur Hälfte aus fettähnlichen "wasserfeindlichen" = lipophilen Substanzen (= Lipide) und "wasserfreundlichen" = hydrophilen Proteinen.

Das Besondere an den Membranlipid-Molekülen ist ihr Aufbau aus hydrophilem "Kopf" und lipophilem "Schwanz". Dadurch bilden sich in Wasser zweischichtige Molekülfilme=Doppellipid-Schicht oder kugelförmige Micellen, die wässrige Kompartimente voneinander trennen können.

Mosaik-Modell

Micelle, räumlich dargestellt

Ergebnis:

Das Doppellipid-Modell Skizze:

(Singer & Nicolson 1972)( =fluid-mosaic-Modell)

"fluid mosaic": Beweglicher, dynamischer "Lipidfilm", in den mosaikartig Eiweißmoleküle eingestreut sind.

Funktion der Membranbausteine: 1) Phospholipid-Moleküle: Sie bilden durch ihren hydrophilen "Kopf" und ihren lipophilen "Schwanz" die Doppel-Lipid-Schicht, die zwei wässrige Kompartimente voneinander trennt.

2) Membranproteine: a) Integrale Proteine: Sie "schwimmen" in der Membran und bilden einen hydrophilen Tunnel in der Wasser abweisenden Doppellipidschicht. Sie sind als selektive "Poren" und "Kanäle" für die Durchlässigkeit von z.B. Ionen verantwortlich. Auch für den aktiven Transport bestimmter Stoffe sind sie zuständig. b) periphere Proteine: Sie liegen z.B. außen in der Membran eingebettet und können als spezifische Rezeptoren wie "Schlösser" best. Botenmoleküle an sich binden, um im Zellinneren bestimmte Folgereaktionen auszulösen. 3) Ketten aus Kohlenhydratmolekülen: Sie sind für die Kommunikation zwischen den Zellen wichtig. An ihnen erkennt z.B. eine Abwehrzelle eine körperfremde Zelle.

Typische Abi-Fragen: 1)

2) Wenn man die Membranlipide aus Biomembranen einer bestimmten Anzahl von

Blutzellen extrahiert und in Wasser bringt, dann bilden sie einen monomolekularen "Film" auf der Wasseroberfläche. Begründen Sie, warum dieser die doppelte Oberfläche aller Zelloberflächen bedeckt. 3) Markiert man die Membranlipide bestimmter Zellen mit Antikörpermolekülen, die mit Farbstoff A gekoppelt sind und wiederholt man das Ganze mit anderen Zellen, die mit Farbstoff B gekoppelt sind, dann kann man unter UV-Licht beide Zellsorten an der Farbe unterscheiden. (siehe Abb.1) Bringt man nun durch elektrische Impulse eine Zelle "A" mit einer Zelle "B" zum Verschmelzen, dann lässt sich nach einiger Zeit folgendes Bild beobachten. (siehe Abb.2). Deuten Sie das Ergebnis mit dem Membranmodell. Muster-Antworten: zu 1a) Hier grenzen die Zellmembranen zweier Nachbarzellen aneinander. Da jede Membran aus einer Doppellipid-Schicht besteht, erscheinen bei höchster Auflösung vier Linien. zu 1b) Skizze des Grenzbreichs:

Man kann 7 Teilabschnitte unterscheiden: a: äußere Molekülschicht der linken Zellmembran mit peripheren Proteinen und hydrophilen Lipid-Anteilen b: lipophile Lipid-"Schwänze" der Doppellipidschicht c: entsprechend zu a d: wässrige Zwischenzell-Flüssigkeit e: entsprechend zu a, c f: entsprechend zu b g: entsprechend zu a, c, e

zu 1c) Raues ER, Mitochondrium (links oben), Kern? (links unten) zu 2) Der Doppellipid-Film besteht aus einer doppelten Molekülschicht. Trennt man diese, dann beanspruchen sie auf der Wasseroberfläche die doppelte Fläche.

zu 3) Die markierten Membranmoleküle beider Zellen mischen sich gleichmäßig. Dies ist ein Beweis für das "fluid-mosaic"-Modell, wonach die Membran ein Flüssigkeitsfilm aus verschiedenen Molekülsorten ist, in dem sich die Membranbausteine frei bewegen können.

11. Transportmöglichkeiten durch Membranen

Schema: Transportmöglichkeiten durch Membranen

Detail-Schema zur Ecocytose

12. Methoden der Zellforschung

Schema:

Weitere Methoden der Zellforschung: Elektrophorese: Problem: Wie trennt man Molekülgemische, die z.B. im Zellplasma vorliegen? Bio-Moleküle besitzen häufig elektrisch geladene Atomgruppen (z.B. Säuregruppen in Aminosäuren und DNA-Bausteinen). Deshalb kann man solche Gemische dadurch trennen, dass man sie in einem Gleich- spannungsfeld je nach ihrer Ladung zum Plusoder Minuspol wandern lässt. Je größer die Ladung und je kleiner das Molekül desto schneller wandern sie zum Pol. Autoradiographie: Problem: Woher weiß man, welchen Weg bestimmte Wirkstoffe in der Zelle nehmen, oder wo an der Membranoberfläche ein Botenstoff andockt? Die Moleküle, deren Weg man verfolgen will, werden radioaktiv markiert. Dies geschieht dadurch, dass künstlich hergestellte radioaktive Isotope in das Molekül eingebaut werden. (z.B. radioaktives O-Atom ( 15O) statt normales O-Atom ( 16O) wird in Wassermoleküle eingebaut. Folge: Diese Moleküle verraten sich durch ihre radioaktive Strahlung. Nachgewiesen wird diese Strahlung dadurch, dass sie einen photographischen Film belichten kann. Im Filmmaterial (lichtempfindliche Gelatinefolien) entstehen schwarze Flecken, die den Ort der gesuchten Substanz verraten.

13. Prokaryoten und Eukaryoten Alle Tierzellen und Pflanzenzellen sind grundsätzlich gleich aufgebaut: Sie besitzen einen Zellkern, d.h. die Erbsubstanz ist von einer Doppelmembran (=Hülle) umgeben. Außerdem besitzen sie weitere durch Membranen bzw. Doppelmembranen abgegrenzte Organelle. Man nennt diese Zellen Eucyten bzw. die Lebewesen

Eukaryo(n)ten. (eu=gut/ karyos=Kern) Es gibt jedoch auch einfacher aufgebaute Zellen, die keine membranumgebenen Organellen besitzen: Prokaryo(n)ten. Man nimmt an, dass sich die Eukaryonten aus prokaryotischen Vorfahren entwickelt haben. Zu den Prokaryonten gehören die Bakterien und die Cyanobakterien ("Blaualgen") Beachte: Algen sind moderne Pflanzenzellen, ebenso sind Hefezellen keine Bakterien, sondern Pilzzellen! Tierische Einzeller wie Amöben, Pantoffeltierchen, Malariaerreger und Geißeltierchen sind ebenfalls Eukaryonten!

Bakterienzelle im Elektronenmikroskop: Skizze: 1 = Zellmembran 2 = Zellplasma 3 = DNA (=Bakterienchromosom ringförmig) frei im Zellplasma 4 = Bakterien-Zellwand (Material: Murein) 5 = Plasmid (= zusätzlicher kleiner DNARing) 6 = Membraneinstülpung (mit Atmungsenzymen zur Zellatmung: Mesosom oder bei Cyanobakterien zur Photosynthese mit Bakt.chlorophyll-Molekülen:

Thylakoid)

7 = Bakterien-Ribosomen (kleiner als bei Eukaryonten) 8 = Bakterien-Geißel (nur manche Arten) Schleimkapsel (nur manche Arten)

Tabelle: Vergleich: Eukaryont - Prokaryont Eukaryont

Prokaryont

Zellkern

vorhanden:

Mitochondrium

fehlt:

DNA frei im Plasma

vorhanden

fehlt:

Mesosom

ER

vorhanden

fehlt

Plasmid

fehlt

vorhanden

Golgi-Apparat

vorhanden

fehlt

Ribosomen

vorhanden

Chloroplast

Bei Pflanzen: vorhanden

fehlt

Zellwand

Bei Pflanzen: Zellulose

vorhanden:

Einteilung Tierzellen

Pflanzenzellen

Kernhülle

(größer)

vorhanden

(kleiner)

Murein

Einteilung Bakterien Cyanobakterien

Grundsätzlich verschieden ist die Situation bei Viren: Viren sind gar keine echten Lebewesen, da ihnen ein wesentliches Kennzeichen fehlt: Zelle mit eigenem Stoffwechsel. Viren sind Zellparasiten, die sich nur mit Hilfe des Stoffwechsels einer Wirtszelle vermehren können. Viren befallen Tier- Pflanzen- und Bakterienzellen, indem sie ihr Erbgut einschleusen, das den Bauplan für neue Viren enthält. Außerhalb einer Zelle sind Viren nur "Chemikalienpakete" aus Erbgut und "Eiweißverpackung". Bau eines Virus (vereinfacht) Orginalphoto: Herpesviren

Skizze: Viren, die Bakterien befallen: Bakteriophagen

14. Zelldifferenzierung als Grundlage der Gewebe- und Organbildung Fast alle Zellen spezialisieren sich im Verlauf ihres Lebens. Die Zellen erreichen dies durch das gezielte Ein- und Ausschalten von Genen, die so genannte Kontrolle der Genexpression. Bei dieser Spezialisierung werden viele Gene, die von einer bestimmten Zelle für ihr Überleben nicht gebraucht werden, inaktiviert. Die Gene, die die Zelle aber öfters benötigt, die also oft aktiv sind, werden von Proteinen, man bezeichnet sie als Transkriptionsfaktoren, "kontrolliert". Wird nun ein Protein/Enzym gebraucht, machen sich diese Transkriptionsfaktoren an die Arbeit, das entsprechende Gen zu aktivieren, indem sie sich an bestimmten Stellen, sog. Kontrollregionen, an die DNA binden und so das Gen "anschalten". Zelldifferenzierung bedeutet, dass sich ursprünglich gleichartige Zellen zu Zellen mit unterschiedlicher Funktion und verschiedenem Bau entwickeln. Obwohl sich alle Körper-Zellen eines Organismus durch erbgleiche Zellteilung (Mitose) aus einer befruchteten Eizelle (Zygote) entwickelt haben, sind sie am Ende der

Differenzierung so spezialisiert, dass sie sowohl im Bau (Zellform, Organellenausstattung, Kompartimente), als auch in ihrer chemischen Ausstattung kaum noch Ähnlichkeit haben. mögliche Ursachen der Zelldifferenzierung: - Schon bei den ersten Zellteilungen werden Signalstoffe im Zellplasma unterschiedlich auf die Tochterzellen verteilt; dies bewirkt, dass in den Zelllinien unterschiedliche Gene in zeitlich sinnvoller Reihenfolge "an- und abgeschaltet" werden. àDifferenzielle Genaktivität - Durch Hormone u. ä. Signalstoffe wird eine Zelldifferenzierung gestartet àDifferenzielle Genaktivität oder Steuerung der Enzymaktivität z.B. SexualhormoneàPubertät.., InterleukineàDifferenzierung von B-Lymphozyten zu Plasmazellen; Puff-Muster an Riesenchromosomen während der Insektenmetamorphose.. - Kontakte mit Nachbarzellen üben eine gegenseitige Induktionswirkung aus z.B. Teilungshemmung bei Hautzellen, Einstülpung der Augenlinsen.. Eine spezialisierte Zelle verfügt also über die gesamte genetische Information, verwendet sie aber nur zum kleinen Teil. Einzeller, embryonale Zellen oder Stammzellen sind omnipotent (totipotent) d.h. sie können das gesamte genetische Programm realisieren. Je nach Umweltbedingung können sie sich zu Spezialzellen differenzieren (z.B. Blutzellen im Knochenmark oder Wurzelzellen bei Stecklingen) oder sogar ein komplettes Lebewesen regenerieren (Klonierung) Pflanzenzellen:

Tierzellen:

Zelle: Kleinste Lebenseinheit mit allen Kennzeichen des Lebendigen. Stoffwechsel (Ernährung, Atmung), Wachstum und Fortpflanzung, Reizbarkeit, Bewegung, (Tod, Alterung) Eine Spezialisierung und Arbeitsteilung durch Zelldifferenzierung erfolgt in zwei Richtungen: - Durch Differenzierung des Zellinneren: Kompartimentierung (Abgrenzung von Reaktionsräumen) und Bildung bestimmter Organellen (= Funktionseinheiten innerhalb der Zelle) z.B. Mitochondrien, Dictyosomen.. - Durch Zusammenschluss spezialisierter Zellen: Gewebe: Verband gleichartiger Zellen mit gleicher Funktion. Die Zellen zeichnen sich durch eine typische Form und typische Ausstattung mit Organellen aus. z.B. Drüsengewebe mit Dictyosomen, Vesikel, ER.., Muskelgewebe: Mitochondrien, Fibrillen.. Organ: Verband mehrerer verschiedener Gewebe zur Erfüllung einer bestimmten Funktion. z.B. Blatt aus Deckgewebe, Palisadengewebe, Stützgewebe.. oder: Haut aus Deckgewebe, Bindegewebe, Nervengewebe, Fettgewebe, Blut als flüssiges Gewebe... Organismus: arttypisches Lebewesen als Gesamtheit der Gewebe und Organsysteme. (Population: Verband von Lebewesen der gleichen Art im gleichen Raum zur gleichen Zeit) In der Evolution hat sich diese Spezialisierung vom Einzeller bis zum vielzelligen Organismus ebenfalls abgespielt und lässt sich an heute noch existierenden Lebensformen belegen. Pflanzen: - Einzellige grüne Algen --> totipotente, potentiell unsterbliche Zellen, deren "Mutter"zelle durch Zellteilung in zwei "Tochter"zellen weiterlebt. - Zellkolonie: Verband gleichartiger Einzeller, die auch getrennt überleben können. - Vielzeller: z.B. Volvox (Kugelalge) als Übergang von der Zellkolonie zum Vielzeller: ca. 10000 Zellen zu einer Hohlkugel vereint; mit Plasmabrücken zwischen den Zellen; gemeinsamer Geißelschlag, lichtempfindliche Spezialzellen "vorn" und Fortpflanzungszellen "hinten"; Tochterkugeln, die nach innen abgeschieden werden, können nur freigesetzt werden, wenn die Mutterkugel stirbt à Alterstod als Folge der Arbeitsteilung!

Tiere: - Einzellige Tiere: z-B. Pantoffeltierchen, Amöben àwie bei Pflanzen - nur ohne Chloroplasten. - Zellverband: Schwämme: Zellverbände ohne Gewebe und Organe; zweischichtige Körperwand aus wenig spezialisierten Zellen (Geißelzellen, Deckzellen) ; kann sich aus Teilen regenerieren. Keine Sinneszellen, Muskelzellen. - Vielzeller: Hohltiere: z.B. Polyp, Quallen, Korallentiere: Spezialisierte Zellen, aber noch keine echten Gewebe /Organe, da in der zweischichtigen Körperwand noch mehrere Zelltypen gemischt nebeneinander liegen. (Nesselzellen, Hautmuskelzellen, Sinneszellen..). Ansätze zu Gewebe: Nervennetze. Kann sich noch durch vegetative "Knospen" vermehren.

Biol. Funktion der Differenzierung: Arbeitsteilung und Spezialisierung der Zellen eines Organismus ermöglichen eine bessere Anpassung z.B. bessere Schutzreaktionen durch Abwehrzellen (Fresszellen, giftige Nesselzellen...) bessere Nahrungssuche durch Sinneszellen bessere Mobilität durch Muskelzellen usw. Nachteile: -höherer Energiebedarf, größere Störanfälligkeit durch Arbeitsteilung -Verlust der unbegrenzten Teilungsfähigkeit bzw. Regenerationsfähigkeit (-->Bedeutung embryonaler und adulter Stammzellen) - Verlust der potentiellen Unsterblichkeit der Einzeller ( à "Leiche")

Aufgaben: Insektenhormone steuern die Entwicklung von Insektenlarven d.h. die Differenzierung bestimmter Gewebe. So ist z.B. das Hormon Ecdyson für die Verpuppung verantwortlich. Wirkt gleichzeitig mit dem Ecdyson das Juvenilhormon, dann kommt es nur zu einer Häutung der Larve. (siehe Material 1) Den Beweis, dass Hormone die Anschaltung bestimmter Gene bewirken können, liefern

die Riesenchromosomen in den Speicheldrüsen von Fliegenlarven: Nach Hormonzugabe entspiralisieren sich bestimmte DNA-Abschnitte zu "Puffs" d.h. dort werden Gene zur Transkription d.h. zur Produktion von mRNA vorbereitet. (siehe Material 2 +3) In einem Experiment wurden Speicheldrüsenzellen mit Ecdyson behandelt und anschließend wurde aus deren Zellextrakt mRNA (isoliert. (Material 4) 1) Beschreiben Sie die Entwicklung eines Schmetterlings (Material 1) 2) Wiederholen Sie, wie Riesenchromosomen entstehen. 3) Fassen Sie kurz die Hormonwirkungen während der Entwicklung des Insekts zusammen (Material 1+2+3) 4) Deuten Sie mit Material 3 +4 die Ergebnisse des Experiments. 3) Welche Komponenten müssen in den Reagenzgläsern enthalten sein?

Entwicklung vom Ei zum Schmetterling

Riesenchromosomen mit Puffs

Die Umwandlung von Dopa in Dopamin bei Anwesenheit des Enzyms E2 Lösungsvorschlag zu den Aufgaben 1) Insekt mit vollständiger Entwicklung: befruchtete Eizelle (Zygote) - Larve (Raupe) - Häutungen/Wachstum - Puppe - erwachsenes (=adultes) Insekt (=Imago)

2) Chromosomenvervielfachung ohne Kernteilung (=Endomitose) 3) Hormone bewirken a) auf der Ebene des Gesamtorganismus: Die zeitliche Steuerung der Häutung bzw. Verpuppung > Juvenilhormon und Ecdyson zusammen bewirken, dass sich die Raupe häutet. Ecdyson allein bewirkt die Verpuppung der Raupe. b) auf der Ebene der Chromosomen: Bestimmte Abschnitte entspiralisieren sich zu Puffs, d.h. bestimmte Gene werden aktiviert. (Material 2+3) 4) Nachweis der Genaktivierung durch Hormone, indem die neugebildete mRNA nachgewiesen wird: Um das Zwischenprodukt Dopa in Dopamin umzuwandeln, ist das Enzym E2 notwendig. Die Biosynthese dieses Enzyms erfolgt durch Transkription des zugehörigen Gens, d.h. durch Synthese einer entsprechenden mRNA. Diese codiert die Aminosäuresequenz des Enzyms E2. Durch Translation erfolgt die Enzymsynthese (hier im Reagenzglas). In Experiment a wird kein E2 gebildet > die isolierte mRNA-Mischung enthält offensichtlich keine Anweisung zur Synthese von E2, da praktisch kein Dopamin entstanden ist. > Ohne Hormongabe keine mRNA zur Synthese von E2. In Experiment b wird E2 gebildet > die mRNA-Mischung muss die notwendige Bauanweisung für E2 enthalten haben, da Dopa in Dopamin umgewandelt wurde. Da nur in Experiment b den Larven vor der mRNA-Isolierung Hormon gegeben wurde, ist nur hier eine Genaktivierung, d.h. die Aktivierung der Transkription des Gens für E2 erfolgt. 5) Zur erfolgreichen Translation muss das Reagenzglas folgende Komponenten enthalten: - mRNA - Ribosomen - Aminosäuren - ATP - Enzyme