header.png
Schulstoff.org
Navigation ein-/ausblenden
Navigation ein-/ausblenden
Schulstoff.org

Biologie: 9. Klasse

Inhaltsverzeichnis [Anzeigen] [Verbergen]

Reiz und Reaktion

Aufnahme, Verarbeitung und Weitergabe von Informationen sind wesentliche Kennzeichen biologischer Systeme. Dies kann auf zellurärer Ebene auf verschiedene Art und Weisen erfolgen.

Schema von Reiz und Reaktion

Das Verhältnis von Reiz und Reaktion kann vereinfacht wie folgt dargestellt werden:

Schema von Reiz und Reaktion
Abb. 1: Schema von Reiz und Reaktion

Informationsweiterleitung

Sinneszellen können nur bestimmte Reize aufnehmen und dadurch elektrische Impulse erzeugen; dies nennt man „adäquate Reize“. Dies ist z.B. der Fall, wenn Licht auf die Sinneszellen im Auge trifft.

Diese können aber auch einen elektrischen Impuls erzeugen, wenn starker Druck auf das Auge ausgeübt wird. Dies liegt daran, dass durch die hohe Reizenergie sehr hoch ist. Man nennt dies „inadäquate Reize“.

Bau einer Nervenzelle

Diese Impulse werden bei Tieren durch die Neuronen (Nervenzellen) übertragen.

Bau eines Neurons
Abb. 2: Schema eines Neurons[1]

Das Soma bildet mit den Dendriten bildet den Zellkörper. Eine Synapse wird ausgebildet, wenn zwei Neuronen durch ein Axon miteinander verbunden werden. An dieser Stelle werden Informationen von einer Nervenzelle zur nächsten weitergereicht.

Die Schwann'schen Zellen haben nicht nur die Aufgabe das Neuron (die Nervenzelle) zu isolieren, sondern haben auch die Aufgabe, es zu stützen und zu ernähren. Man unterscheidet dabei verschiedene Nervenzelltypen:

Ruhepotenzial

Jede lebende Zelle besitzt an ihrer Membran eine bestimmte Spannung. Ihre Innenseite ist negativ und ihre Außenseite positiv geladen. Die Ursache für dieses Ruhepotenzial ist eine unterschiedliche Innenverteilung.

Übertragung von Informationen an einer Synapse

Ein elektrischer Impuls kommt im Endknoten an. Transmitter lösen sich von einem Bläschen und wandern durch die synaptische Spalte. Die Transmitter verbinden sich mit auf dem anderen Neuronen befindlichen Rezeptoren und leiten somit den elektrischen Impuls weiter. Nach diesem Vorgang werden die Transmitter durch Enzyme geteilt und recycelt.

Reflexe

Reflexe sind „Alles-oder-Nichts“-Reaktionen. Wird eine bestimmte Reizschwelle überschritten, um startet der Vorgang. Dieser läuft immer in einer gleichen starren Art und Weise ab. Reflexe gehören zu den angeborenen Verhaltensweisen.

Das kann man gut am Kniesehnenreflex beobachten: Trifft ein Objekt auf die entspannte Kniesehne, dehnt sich der Oberschenkel. Durch das Rückenmark (durch die sensorische Faser) werden elektrische Impulse weitergeleitet. Anschließend werden die Informationen durch die motorische Faser an den Oberschenkelmuskel geleitet, wodurch sich dieser kontrahiert und sich der Fuß nach vorne bewegt.

Das menschliche Gehirn

Aufbau des menschlichen Gehirns
Abb. 3: Der Aufbau des menschlichen Gehirns (lateral)[2]

Das Gehirn ist der Teil des zentralen Nervensystem, der im Kopf bzw. in der Schädelhöhle liegt und die zentrale Steuerstelle des Körpers darstellt. Es verarbeitet die Sinneswahrnehmungen und steuert komplexe Verhaltensweisen.

Im Gehirn befinden sich circa 86 Milliarden Neuronen, die über ungefähr 100 Billionen Synapsen miteinander verbunden sind. Durch die Interaktion untereinander können Gedanken gebildet, Bewegungsmuster ausgeführt und die körperlichen Funktionen aufrecht erhalten werden.

Abschnitte des Gehirns und ihre Aufgaben

Das Gehirn ist in verschiedene Abschnitte unterteilt. Dabei übernimmt ein Teil jeweils eine gewisse Aufgabe, wobei häufig im Gehirn nebeneinander liegt, was nebeneinander im Körper liegt. Man kann folgende (grobe) Einteilung vornehmen:

Abschnitt des Gehirns Aufgabe des Abschnitts
Großhirn Bewusstsein, Denken, Fühlen, Handeln, Wahrnehmung
Zwischenhirn Emotionen, Regelung des Wasserhaushalts und der Körpertemperatur
Mittelhirn Impulsvermittlung zum Großhirn
Kleinhirn Bewegungsabläufe und Koordination
Verlängertes Mark Reflexe, lebenswichtige Körperfunktionen

Auf der Großhirnrinde lassen sich verschiedene sensorische und motorische Rindenfelder abgrenzen. In den sensorischen Hirnfeldern werden nach Eingang elektrischer Impulse die entsprechenden Empfindungen, Wahrnehmungen aufgelöst (Sehfeld: Sehen; Hörfeld: Hören; sensorisches Rindenfeld: Körpergefühle).

Zum Großhirn gehören (verglichen mit der obigen Darstellung) der Frontallappen (zuständig für Bewegungen), der Parietallappen (Verarbeitung sensorischer Wahrnehmungen), der Okzipitallappen (Sehzentrum) und der Temporallappen (Sprachzentrum, Gedächtnis).

Die verschiedenen Phasen des Gedächtnis

Lernvorgänge laufen im Gehirn ununterbrochen ab. Reize aus der Umwelt werden ständig aufgenommen. Die eintreffende Informationsmenge ist dabei abhängig von der Art des Reizes: So können olfaktorische Reize (Gerüche) etwa 20 Bit pro Sekunde, visuelle circa 10 Millionen Bit pro Sekunde (1 GB) enthalten.

Die Datenfülle wird in den vorgeschalteten Gedächtnissystemen verringert, bevor sie im Langzeitgedächtnis ankommt und abgespeichert wird.

Das sensorische Gedächtnis

Das sensorische Gedächtnis oder Ultrakurzzeitgedächtnis speichert aufgenommene Informationen innerhalb der Sinnesorgane. Die Reize werden in Erregungen umgewandelt und eine halbe bis mehrere Sekunden zur Verarbeitung bereitgestellt.

Das Arbeitsgedächtnis

Im Kurzzeitgedächtnis werden Informationen circa zehn Sekunden bis wenige Minuten gespeichert. Die Aufnahmefähigkeit ist jedoch auf wenige Einheiten beschränkt. Sind zu einer Situation bereits Daten im Langzeitgedächtnis vorhanden, werden sie miteinander assoziiert, (nach Gefühlslage) bewertet und abgespeichert; werden sie nicht verknüpft, gehen die Informationen verloren.

Die linke Hirnhälfte ist für das neutrale Wissen zuständig, die rechte für Erlebnisse und emotionsbetonte Informationen. Damit diese in das Langzeitgedächtnis kommen können, müssen sie assoziiert werden und zudem wiederholt werden, bis eine kritische Schwelle überschritten ist.

Das Langzeitgedächtnis

Die ankommende Information wird abgespeichert. Wenn man sich jedoch nicht daran erinnern kann, so ist sie durch andere Informationen überlagert oder der Abrufvorgang gehemmt.

Eine wichtige Rolle beim Speichern spielt das Limbische System mit dem Mandelkern, der Amygdala. Hier werden Daten auf ihre biologische und soziale Bedeutsamkeit geprüft und mit Emotionen verbunden, die auch für den Lernprozess und die Einschätzung der aufgenommenen Reize bedeutend sind.

Gedächtnissysteme

Derzeit teilt man das Langzeitgedächtnis in den unterbewussten Informationsspeicher (mit dem prozeduralen Gedächtnis und Priming) und in den bewussten Informationsspeicher (mit dem Wissensgedächtnis, episodischen und perzeptuellen Gedächtnis). Das Wissen wird verstreut im Gehirn gespeichert. Bevorzugt werden individuell besonders beeindruckende Eckwerte des Wissens gespeichert und nach Qualität an an verschiedenen Stellen abgelegt.

Beim Erinnern setzt das Gehirn das Gelernte aus den abgelegten Eckwerten wieder zusammen. Dies geschieht auf Grundlage persönlicher Lernerfahrungen, es wird also interpretiert. Somit sind Erinnerungen nicht identisch mit ursprünglichen Lerngegenständen.

Schutz

Das Gehirn ist von einer weichen Hirnhaut umgeben. Dann folgt die sog. Spinngewebshaut, die schwammartig und mit Hirnflüssigkeit gefüllt ist. Danach folgt die harte Hirnhaut und den Abschluss nach außen bilden die Schädelknochen und die Kopfhaut. Die Schädelknochen schützen vor Stoßeinwirkung. Außerdem schwimmt das Gehirn „stoßgedämpft“ in der Hirnflüssigkeit.

Stoffwechsel des Gehirns

Blutgefäße geben an die Hirnflüssigkeit Nährstoffe ab und nehmen Abfallstoffe auf. Es gibt aber keinen direkten Kontakt zwischen den Blutgefäßen und den Nervenzellen. Man spricht von der „Blut-Hirn-Schranke“. Sie dient dazu, dem Nervengewebe besondere Milieubedingungen für das Nervengewebe aufrechtzuerhalten und das Gehirn vor im Blut zirkulierenden Krankheitserregern, Toxinen und Botenstoffen zu schützen.

Das Vegetative Nervensystem

Sympathikus und Parasympathikus

Viele Körperfunktionen werden automatisch gesteuert, z.B. wird beim morgendlichen Aufstehen der Herzschlag schneller, der Blutdruck steigt und die Atmung beschleunigt sich. Das Vegetative Nervensystem (VNS) arbeitet autonom und besteht aus zwei Bereichen, dem Sympathikus und dem Parasympathikus. Beide arbeiten antagonistisch, also entgegengesetzt.

Sympathikus

Der Sympathikus besteht aus zwei Nervensträngen, die parallel zur Wirbelsäule liegen. Sie bilden eine Verbindung zum Rückenmark und zu allen Organen. Die Transmitter sind Adrenalin und Noradrenalin. Bei einer Gefahr werden alle Organe angeregt, die für eine körperliche Aktivität verantwortlich sind; zusätzlich werden die Organe gehemmt, die der Erholung dienen, wie das Verdauungssystem.

Parasympathikus

Der Parasympathikus versorgt ebenfalls alle Organe. Der Transmitter ist das Acetylcholin. Es aktiviert die Organe, die der Regenartion dienen und hemmt diejenigen, die die körperliche Leistungsfähigkeit steigern.

Stress: Aufbau und Wirkungsweise des VNS

Unter dem Begriff „Stress“ werden Einflüsse auf den Organismus wie Hitze, Schmerzen und bedrohliche Situationen, die Angst auslösen, zusammengefasst. Eine solche Situation nennt man Stressor. Deren Einwirkung beantwortet der Körper mit einer Erhöhung der Leistungsbereitschaft, der Stressreaktion. An dieser Reaktion sind sowohl das VNS als auch das Hormonsystem beteiligt.

Es sind zwei Stressarten zu unterscheiden:

Wird der Körper mit einem Stressor konfrontiert, starten mehrere Stressreaktionen:

Erkrankungen des Nervensystems: Die Kinderlähmung

Die Kinderlähmung wird durch den Poliovirus ausgelöst. Er befällt Menschen sowie Menschenaffen und ist umweltstabil. Der Virus wird in der Regel oral, d.h. über den Mund, aufgenommen. Die Übertragung erfolgt durch kleine Schwebeteilchen in der Luft, die Aerosole, an denen der Virus haftet. Er kann auch dadurch übertragen werden, dass man verunreinigtes Wasser oder verunreinigte Lebensmittel zu sich nimmt.

Die Kinderlähmung ist weltweit mit Ausnahme der Polargebiete verbreitet. Der Krankheitsverlauf ist wie folgt: Vermehrung der Viren im Darm; Ausbreitung über Blutkreislauf im Körper; unspezifische Symptome, z.B. Kopf-, Hals-, Gliederschmerzen, Fieber, Durchfall.

Häufig endet damit die Krankheit. Es werden aber Zellen des ZNS befallen. Dringen Viren in die Zellen ein, dann treten als Symptome Fieber, Nackensteifheit sowie Rücken- und Muskelschmerzen auf. Dies ist nur bei wenigen Prozent der Erkrankten der Fall. Nur bei etwa einem Prozent der Infizierten tritt das Vollbild der Kinderlähmung auf: Entzündung und Zerstörung der Nervenzellen. Man kann die Krankheit nicht therapieren, man kann sich aber dagegen impfen lassen.

Das Auge

Aufbau des menschlichen Auges
Abb. 4: Aufbau des menschlichen Auges[3]

Die Augen sind beim Menschen das wichtigste Sinnesorgan: Der Mensch ist ein „Augentier“. Sie sind empfindliche Sinnesorgane und liegen deshalb zum Schutz in den knöchernen Augenhöhlen des Schädels eingebettet in einem Fettpolster.

Der Bau des Auges

Das Auge besteht aus mehreren Häuten:

Die Akkommodation: Nah- und Ferneinstellung

Durch die elastische und verformbare Linse können nahe und ferne Gegenstände scharf wahrgenommen werden. Die Anpassung an die veränderten Tiefen nennt man Akkomodation.

Bei einem fernen Gegenstand wird eine geringe Brechkraft benötigt, d.h. die Linse wird abgeflacht. Dies wird erreicht, wenn sich der Ziliarmuskel entspannt und die Linsenbänder dadurch gespannt sind. Da keine Muskelarbeit benötigt wird, kann man in die Ferne ohne Ermüdung schauen.

Für nahe Gegenstände braucht man eine hohe Brechkraft, was bedeutet, dass die Linse stark gewölbt sein muss. Dies wird erreicht, wenn der Ziliarmuskel kontrahiert und die Linsenbänder entspannt sind. Anders als beim Sehen in die Ferne ist ein langes Fokussieren auf nahe Gegenstände ermüdend.

Anpassung an die Belichtungsverhältnisse: Hell- und Dunkelanpassung

Adaptation

Feine Muskeln in der Iris verstellen den Pupillendurchmesser. Damit wird es möglich, dass schwache Lichtreize, z.B. Sterne, genau betrachtet werden können wie das helle Sonnenlicht. Diese Anpassung an die veränderten Lichtbedingungen nennt man Adaption.

Regelkreis

Bei der automatischen Anpassung an die Lichtverhältnisse wird immer folgender Regelkreis durchgemacht:

Bau und Funktion der Netzhaut

Die Netzhaut ist der lichtempfindliche Teil des Auges. Sie besteht aus drei Zellschichten. Bevor das Licht auf die Lichtsinneszellen trifft, muss es durch eine Nervenzellschicht und durch Schaltzellen kommen. Unmittelbar an den lichtundurchlässigen Pigmentzellen liegen die Lichtsinneszellen, von denen es zwei Typen gibt:

Der gelbe Fleck befindet sich im Zentrum des Lichteinfalls. Hier sind nur Zapfen. In den Randbereichen der Netzhaut befinden sich überwiegend und in den äußersten Randbereichen der Netzhaut nur Stäbchen.

Funktion des Sehfarbstoffs

Zum Sehen werden verschiedene Moleküle verwendet. Eins davon ist das Sehpurpur. Beim Eintreffen von Licht geschieht Folgendes:

Das Licht trifft auf das Sehpurpur, das durch die Energie zerfällt. Die so entstandenen Spaltprodukte verändern zum Einen die Membran, wodurch elektrische Impulse abgegeben werden und bilden zum Anderen wieder das Sehpurpur.

Die Informationsleitung sieht allgemein so aus:

Im Bereich des gelben Flecks kommt auf jede Lichtsinneszelle eine Schaltzelle und eine Nervenzelle. Dadurch ist die Sehschärfe hoch, da jede Lichtsinneszelle einem Bildpunkt entspricht. Der Blinde Fleck ist die Stelle, an der sich keine Sinneszellen befinden, da der Sehnerv hier das Auge verlässt.

Farbensehen

Untersuchungen haben gezeigt, dass es nicht für jeden Farbton eine Zapfensorte gibt. Er lässt sich durch additive Farbmischung aus den Grundfarben Rot, Grün, Blau erzeugen. Werden alle drei Grundfarben gleichzeitig gesehen, entsteht der Eindruck weißen Lichts.

Mit den drei verschiedenen, auf der Netzhaut liegenden Zapfensorten kann je eine der Grundfarben wahrgenommen werden. Sie unterscheiden sich im chemischen Aufbau des Sehfarbstoffs.

Sehstörungen und ihre Abhilfe

Bei verschiedenen Sehstörungen helfen verschiedene Abhilfen:

Hormone

Hormone sind chemische Signalstoffe. Sie werden in besonderen Zellen, meist in Drüsenzellen, gebildet und bei Tieren und beim Menschen über das Blut zum Wirkungsort transportiert.

Hormone bei Tieren am Beispiel der Entwicklung bei Fröschen

Kaulquappen entwickeln sich zu Fröschen. Der Gestaltwandel findet von einem Wasserlebewesen mit Kiemen und einem langen, stromlinienförmigen Körper zu einem Landtier mit Lungen und Beinen statt. Dies nennt man Metamorphose.

Füttert man die Kaulquappen mit Schilddrüsengewebe, wird die Metamorphose beschleunigt. Entfernt man die Schilddrüse, so wachsen sie zu Riesenkaulquappen heran, ohne eine Metamorphose durchzuführen. Dies liegt daran, dass durch das Schilddrüsengewebe, das Hormon Thyroxin isoliert wird. Sind 0,01 mg des Hormons pro Liter Wasser vorhanden, wird die Metamorphose ausgelöst.

Wirkung der Hormone auf bestimmte Organe

Hormone wirken nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip: Besitzen Zellen bestimmte Rezeptoren an der Zellmembran, zu denen ein Hormon wie ein Schlüssel zu einem Schloss passt, dann kann sich dieses Hormon an die Rezeptoren binden. Im Innern der Zelle werden Enzyme aktiv, die bestimmte Stoffwechselreaktionen in Gang setzen.

Hierarchie der hormonellen Systeme

Eine Hierarchie ist ein System von Elementen, die einander über- bzw. untergeordnet sind. Dies ist im Hormonsystem des Menschen wichtig, da es eine Vielzahl von Drüsen gibt. An der Unterseite des Zwischenhirns liegt der Hypothalamus und in diesem die Hypophyse (Hinanhangsdrüse). Sie ist das übergeordnete Organ des Hormonsystems.

Der Hypothalamus ist die Verbindungsstelle zwischen Nerven- und Hormonsystem. Spezialisierte Nervenzellen in diesem setzen Stoffe frei (Neurohormone), die in die Hypophyse gelangen und sie beeinflussen. Hier sitzt die Hypophyse, die Hirnanhangsdrüse.

Beispiel Thyroxin

Das Hormon Thyroxin wird in der Schilddrüse gebildet und an das Blut abgegeben, wenn das von der Hypophyse gebildete Hormon TSH (Thyroxin stimulierendes Hormon) über die Blutgefäße zur Schilddrüse gelangt ist.

Die Messung des Thyroxingehalts des Blutes wird von thyroxinempfindlichen Zellen durchgeführt. Wird eine zu hohe bzw. zu niedrige Konzentration festgestellt, wird die TSH-Abgabe entsprechend erhöht oder verringert. Thyroxin wird ständig in der Leber abgebaut.

Thyroxin enthält chemisch gebundenes Iod. Daher ist es wichtig, mit der Nahrung genügend davon aufzunehmen. Einige Nahrungsmittel enthalten viel Iod, z.B. Fisch oder iodiertes Salz. Der Mangel an Iod kann zu einer Schilddrüsenwucherung, einem Kropf, führen, da die Schilddrüse durch das Wachstum versucht, den Iodmangel auszugleichen.

Störungen bei der Blutzuckerregulation

Ein Beispiel für eine Störung des Hormonsystems ist die Zuckerkrankheit „Diabetes mellitus“. Der Blutzuckerspiegel (BZS) eines gesunden Menschen beträgt circa 0,6-1,1 g/l. Die Regelung erfolgt durch die Bauchspeicheldrüse und deren Hormone Insulin und Glukagon, die antagonistisch wirken. Übersteigt der BZS einen Wert von 1,7 g/l, dann ist Glukose im Urin nachweisbar.

Die Zuckerkrankheit Diabetes mellitus unterscheidet man in Diabetes mellitus Typ-I und Diabetes mellitus Typ-II.

Typ-I tritt schon im Kindes- und Jugendalter auf. Die Ursache hierfür ist, dass die Bauchspeicheldrüse kein Insulin bildet. Die Krankheit ist vermutlich vererbt. An Typ-II erkranken die Menschen meist erst im Alter zwischen 50-60 Jahren. Man nennt diese Art auch Alterszucker.

An Diabetes erkrankte Patienten sind häufig übergewichtig. Das bedeutet, dass bei einer Behandlung Gewichtsabnahme und ein Ernährungsplan erforderlich sind.

Darstellung der Hormontätigkeit durch Regelkreise

Wie Hormone wirken, kann man übersichtlich mit einem Regelkreis darstellen. Im folgenden soll das an Beispielen verdeutlicht werden.

Regelkreis der Atemregulierung

Bei körperlicher Anstrengung ändert sich der Kohlenstoffdioxidgehalt im Blut. Dadurch wird die Atemtätigkeit erhöht, bis der CO2-Gehalt wieder den Normalwert erreicht hat. Dabei übernehmen unterschiedliche Faktoren verschiedene Teile des Regelkreises:

Diese unübersichtliche Auflistung lässt sich durch ein Pfeildiagramm vereinfachen:

Pfeildiagramm der Atemregulierung
Abb. 5: Pfeildiagramm der Atemregulierung

Je mehr Muskeltätigkeit ausgeübt wird, desto höher wird der Kohlenstoffdioxid-Gehalt im Blut. Dadurch beschleunigst sich der Herzrhythmus und die Atmung. Dies wiederum reduziert die Konzentration des Kohlenstoffs im Blut.

Regelkreis am Beispiel der Temperaturregulierung

Ebenso übersichtlich lässt sich die Temperaturregulierung darstellen:

Regelkreis der Temperaturregulierung
Abb. 6: Regelkreis der Temperaturregulierung

Regulation des Glukosespiegels im Blut

Die Regulation des Glukosespiegels im Blut läuft auf eine ähnliche Weise ab:

Regulation des Glukosespiegels im Blut
Abb. 7: Regulation des Glukosespiegels im Blut

Proteine

Proteine werden mit der Nahrung aufgenommen. Bei der Verdauung werden sie in ihre Bausteine zerlegt, in die sog. Aminosäuren, von denen es 20 verschiedene gibt. Acht davon müssen mit der Nahrung aufgenommen werden, weil sie der Körper nicht selbst herstellen kann. Man nennt diese essentielle Aminosäuren.

Aufbau der Proteine

Primärstruktur

Aminosäuren werden mit dem Blut zu den Zellen transportiert und dort zum Aufbau der körpereigenen Proteine benötigt. Der Bauplan, also z.B. die Reihenfolge der Aminosäuren, ist in der DNA gespeichert. Die Aminosäuren werden dem Bauplan entsprechend in einer bestimmten Reihenfolge verbunden. Diese ist die Sequenz, die Primärstruktur:

Primärstruktur/Sequenz eines Proteins
Abb. 8: Ausschnitt der Primärstruktur/Sequenz eines Proteins

Sekundärstruktur

Proteine besitzen eine komplexe dreidimensionale Struktur. Aufgrund von Wasserstoffbrückenbindungen erhält man zwei verschiedene Strukturen, die die Sekundärstruktur bilden. Unterschieden wird zwischen der α-Helix und der Faltblattstruktur:

Die Proteine sind für Lebewesen sehr wichtig. Sie sind für viele Stoffwechselreaktionen im Körper notwendig und ermöglichen u.a. Muskelkontraktionen.

DNA – Stoff aus dem Gene bestehen

Bekannt aus mikroskopischen Untersuchungen waren in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts die Chromosomen des Zellkerns. Chemische Untersuchungen haben ergeben, dass vor allem zwei Stoffgruppen im Zellkern vorkommen: die Proteine und Kernsäuren (Nucleinsäuren).

Man nahm lange an, dass die Proteine für die Speicherung der genetischen Informationen zuständig waren. Ob dies zutraf, war aber unklar. 1944 wurde schließlich nachgewiesen, dass die DNA (Desoxyribonucleinsäure) das informationstragende Molekül ist. Crick und Watson klärten 1953 den räumlichen Bau der DNA durch Röntgenstrukturanalysen auf. Demnach war sie ein

Aufbau eines Nucleotids

Ein Nucleotid besteht aus dem Zuckermolekül Desoxyribose, einem Molekül Phosphorsäure und einer Base. Es gibt vier verschiedene Basen (Adenin, Thymin, Cytosin, Guanin); eine davon ist in einem Nucleotid mit der Desoxyribose und der Phosphorsäure verbunden.

Die Desoxyribose und Phosphorsäure bilden im Wechsel „Seile“ (Holme) der strickförmigen DNA, die Basen sind die „Sprossen“ dieser Leiter. In einer solchen Sprosse sind immer zwei bestimmte Basen über Wasserstoffbrücken verbunden: Adenin mit Thymin und Cytosin mit Guanin.

Sprache der Gene

In der Abfolge der Basen in der DNA, genauer die Basenfolge in einem Einzelstrang, ist die Abfolge der Aminosäuren in einem Protein verschlüsselt (codiert). Wegen den 20 Aminosäuren gibt es auch vier Basen, da diese dadurch codiert werden können (43 > 64, während bei einer bzw. zwei Basen nur 4 bzw. 16 Aminosäuren verschlüsselt werden können).

Vom Gen zum Merkmal

Bei der Herstellung der Aminosäuren läuft immer folgender Vorgang ab:

Schema der Herstellung eines Proteins
Abb. 10: Schema der Herstellung eines Proteins

Die Zellvermehrung

Aufbau eines Zweichromatidchromoms
Abb. 11: Aufbau eines Zweichromatidchromosoms[4]

Die meisten Zellen teilen sich, z.B. bei Wachstumsvorgängen oder bei der Erneuerung der Zellen (Regeneration). Beim erwachsenen Menschen teilen sich ca. 100 Millionen Zellen pro Minute. Wichtig dabei ist, dass alle Zellen mit Zellkern das gleiche genetische Material enthalten.

Die DNA ist in den Chromosomen enthalten. Dieses besteht aus zwei Chromatiden, die am Zentromer verbunden sind. Jede Chromatide enthält ein DNA-Molekül. Dieses wird auch Chromatinfaden genannt. Die DNA-Moleküle in den Chromatiden sind identisch.

Tritt ein Fehler, d.h. eine Änderung des Erbguts auf, spricht man von einer Mutation. Dies kann bei der Verdoppelung der DNA passieren.

Verdoppelung der DNA

Der DNA-Doppelstrang wird zunächst wie ein Reißverschluss mit Hilfe von Enzymen geöffnet, d.h. die Bindungen zwischen den Basen müssen gespalten werden. Es entstehen 2 Einzelstränge, an die sich im Kernplasma vorhandene Nukleotide anlagern. Man nennt diesen Replikation.

Schema der Replikation
Abb. 12: Schematische Darstellung der Replikation

Am Ende der Replikation der DNA liegen zwei identische DNA-Moleküle (doppelsträngig) vor. Diese Art der identischen Verdoppelung nennt man semikonservativ.

Die Mitose

Einer Zellteilung geht eine Mitose (Kernteilung) voraus.

Ablauf der Mitose

Die Mitose teilt sich in eine Prophase, Metaphase, Anaphase und in eine Telophase. Die Zeit zwischen zwei Mitosen nennt man Interphase. In diesem Stadium werden zur Vorbereitung auf die nächste Mitose Proteine für die Teilung gebildet und die DNA repliziert.

Prophase

In der Prophase spiralisieren sich die Chromatinfäden immer stärker (verdicken oder kondensieren sich), sodass die Chromosomen im Lichtmikroskop sichtbar werden. Die Kernhülle löst sich auf und der Spindelfaserapparat entsteht.

Darstellung der Prophase
Abb. 13: Darstellung der Prophase
Metaphase

Während der Metaphase ordnen sich die Zwei-Chromatid-Chromosomen entlang der Äquatorialebene an, die Chromosome sind maximal spiralisiert. Der Spindelfaserapparat zieht in entgegengesetzte Richtungen.

Darstellung der Metaphase
Abb. 14: Darstellung der Metaphase
Anaphase

Anschließend werden die Chromatide in der Anaphase am Zentromer getrennt. Die Mikrotubuli werden kürzer und der Spindelfaserapparat zieht die Chromatiden auseinander.

Darstellung der Anaphase
Abb. 15: Darstellung der Anaphase
Telophase

Abschließend sind die Chromatiden aufgeteilt (Telophase). Es entstehen zwei neuen Kerne mit Einchromatidchromosomen. Die Zellteilung kann nun stattfinden.

Darstellung der Telophase
Abb. 16: Darstellung der Telophase

Wichtige Fachbegriffe und Fakten der Genetik

Meiose - Bildung der Keimzellen

Befruchtung

Bei der Befruchtung verschmilzt der Kern einer Spermienzelle mit dem Kern einer Eizelle. Es entsteht eine Zygote, deren Zellkern 46 Chromosomen enthält. Durch Zellteilung entsteht aus der Zygote das neue Lebewesen. Das bedeutet, dass die Gameten nur jeweils 23 Chromosomen besaßen.

Bei der Gametenbildung wurde die Chromosomenzahl reduziert, es wurde ein haploider Chromosomensatz gebildet. Dieser Vorgang heißt Meiose, die sich in zwei Abschnitte gliedert:



Quellen

  1. http://commons.wikimedia.org, Interiot?
  2. http://commons.wikimedia.org, NEUROtiker
  3. http://commons.wikimedia.org, Talos/Jakov
  4. http://commons.wikimedia.org, Magnus Manske/Dietzel65

Überschriften

Werbung

Werbung