Bio

Die Umwelt eines Lebewesens

Ökosystem
Biozönose Biotop
Biotische Faktoren -> Individuum <- Abiotische Faktoren
(Artgenossen, Feinde, (Klima, Temperatur, Wasser, Boden)
Beute, Nahrung) Abiotische Faktoren charakterisieren Biotop

Biosphäre: Gesamtheit aller Ökosysteme

Ökologische Potenz
Toleranzbereich: Bereich, in dem eine Art leben kann -> Wird von Minimum und Maximum beschränkt
Praeferendum: Von der Art bevorzugter Bereich im Toleranzbereich
Optimum: Der am besten geeignete Bereich innerhalb des Praeferendums

Ökologische Potenz: Die Fähigkeit eines Lebewesens, sich im Biotop trotz wechselnder und nicht immer günstiger Umstände und einwirkender Konkurrenz zu behaupten und fortzupflanzen

stenopotent: Arten mit engem Toleranzbereich (z.B. Pandas, „Nahrungsspezialisten“)
eurypotent: Arten mit weitem Toleranzbereich (z.B. Schweine, „Allesfresser“)
(eurypotente Arten können große Umweltschwankungen eher ertragen als stenopotente Arten)

Wirkungsgesetz der Umweltfaktoren: Häufigkeit einer Art wird von dem Faktor bestimmt, der am weitestem vom Optimum entfernt ist (Begrenzender Faktor)
Geht auf Liebig und das Minimumgesetz zurück („Ernteertrag vom begrenzenden Faktor abhängig“)

RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeitstemperatur-Regel): +10°C -> 2x/3x Geschwindigkeit der „Lebensprozesse“ -> je höher die Temperatur, desto höher die Reaktionsgeschwindigkeit

Bergmannsche Regel: Individuen einer Art in kälteren Regionen größer als Artgenossen in wärmeren Regionen weil: Oberfläche in Relation zum Volumen geringer ist -> weniger Wärmeverlust über die relativ kleinere Oberfläche
z.B Kaiserpinguin (Antarktis) und Galapagospinguin

Allensche Regel: Je kälter die Region, desto kleiner sind die Körperanhänge der Invididuen (z.B Ohren) -> kleinere Oberfläche = geringerer Wärmeverlust

Osmoregulation: Die Konzentration der Körperflüssigkeit konstant halten.

Salzwasserfisch: Verliert Wasser, da seine Salzkonzentration niedriger ist als das ihn umgebende Salzwasser -> Fisch verliert Wasser aufgrund des osmotischen Drucks/Konzentrationsgefälles -> muss Wasser aufnehmen

Süßwasserfisch: Nimmt Wasser auf, da seine Salzkonzentration höher ist als das ihn umgebende Süßwasser -> Fisch nimmt ständig Wasser aufgrund des osmotischen Drucks/Konzentrationsgefälles auf -> muss Wasser ausscheiden um nicht zu platzen

Trockenlufttiere (Wüstenbewohner, z.B Schlangen): Müssen sich vor Wasserverlust schützen, bilden deswegen Schleimhäute, Chitinpanzer und Wachsüberzüge aus (Verdunstungsschutz; wasserarme Ausscheidungssekrete)

Feuchtlufttiere (Nacktschnecken): Kein Verdunstungsschutz; nehmen über Körperfläche Wasser auf

Zeigerpflanzen: unterschiedlich breite Toleranzbereiche -> Vorkommen weist auf charakteristische Standortbedingungen (z.B Eisen- oder Stickstoffgehalt im Boden) hin;

autökologisches Optimum: gibt das Praeferendum einer Art ohne Konkurrenzeinwirkungen an -> experimentelle Ermittlung

synökologisches Optimum: gibt das Praeferendum einer Art unter Konkurrenzbedingungen an -> natürliches Verbreitungsgbiet

Beziehungen zwischen den Lebewesen
Pheromon: Signalstoff -> intraspezifische Kommunikation ermöglicht
innerartliche Beziehungen = intraspezifische Wechselwirkungen, Vertreter einer Art kommunizieren miteinander (über spezifische Signalstoffe, Laute etc.)
intraspezifische Konkurrenz: Artgenossen konkurrieren um Nahrung, Fortpflanzung etc.

individualisierte Verbände: kennen sich untereinander, z.B. Wölfe
anonyme Tierverbände: z.B. Schlafgemeinschaften & Wandergemeinschaften

zwischenartliche (interspezifische) Beziehungen
2 Arten mit ähnlichen/gleichen Bedürfnissen können nicht nebeneinander existieren -> interspezifische Konkurrenz
Eine Art ist der anderen überlegen -> Konkurrenzausschluss
Zwei Arten „arrangieren sich“ und jagen z.B in unterschiedlichen Höhen/Tiefen -> Konkurrenzverminderung
Räuber-Beute-Beziehung:
Existenz des Räubers hängt vom Vorkommen der Beute ab
Räuber frisst Beute -> vermehrt sich -> Beute wird ausgerottet -> Räuber verhungert
Für beide müssen optimale Bedingungen im Biotop herrschen, damit beide fortbestehen können -> beide haben mannigfaltige Möglichkeiten zum Angriff/Verteidigung

Allelopathie: Konkurrenz zwischen Pflanzen

Tarnung im Tierreich
Schutztrachten:
Tarntracht: Tiere passen sich in ihrem äußeren Erscheinungsbild ihrer natürlichen Umgebung an; z.B. Schneehase
Nachahmungstracht (Mimese): Tiere ahmen Objekte ihres Biotops nach (z.B. „Das wandelnde Blatt“)
Schrecktracht: wehrlose Tiere erscheinen gefährlich durch Körperzeichnung
Warntracht: Auffällige Musterung -> das Tier ist wehrhaft (z.B Wespe, Marienkäfer)
Scheinwarntracht (Mimikry): Wehrlose Tiere imitieren wehrhafte Tiere (z.B. Schwebfliege sieht aus wie Wespe); Bedingung: wehrhaftes Vorbild muss häufiger vorkommen um die negativen Erfahrungen zu festigen
Aggressive Mimikry: Räuber täuscht Beute und lockt sie damit an (z.B. Anglerfisch mit Wurmatrappe)

Parasitismus
Parasit: Organismus, der von einem Wirt lebt, ohne ihn zu töten; zeigt oft Wirtsspezifität (d.h nur auf einen Wirtsart fixiert)

Außenparasiten (ekto): leben temporär auf dem Wirt; z.B. Mücke
Innenparasiten (endo): leben im Wirt, gut angepasst; z.B. Bandwurm

Parasiten an sich meistens nicht ungesund, dafür aber ihre Stoffwechselprodukte

Karpose: einseitiges Nutznießertum, interspezifische Beziehung die keinem schadet aber nur einem nützt; z.B Aasgeier
Symbiose: beidseitiges Nutznießertum, beide Seiten profitieren; z.B. Nilpferd und „Hygienevogel“

Endosymbionten: leben im Wirt und können lebenswichtig sein, z.B. Abbau von Cellulose im Kuhmagen

Schädlingsbekämpfung
Chemische Schädlingsbekämpfung: gegen Wildkräuter (Herbzide), Pilze (Fungizide), Insekten (Insektizide)
Biologische Schädlingsbekämpfung: Förderung natürlicher Feinde -> Population der Schädlinge auf eine unbedenkliche Größe zu reduzieren und zu halten
Integrierter Pflanzenschutz: Kombination aus chemischer/biologischer Maßnahmen

Population
Population: Individuengemeinschaft der gleichen Art in einem bestimmten Lebensraum
Populationsdichte: Individuenzahl pro Fläche
exponentielles Wachstum: Population wächst um einen gleichbleibenden Prozentsatz; Vermehrungsrate ist konstant
Wachstumsbegrenzende Faktoren bestimmten die Kapazität eines Ökosystems (z.B Nahrung und Platz)
Logistisches Wachstum: Populationswachstum, das einen Sättigungswert erreicht hat (stationäre Phase)
Anlaufphase -> Exponentielle Phase -> Stationäre Phase

r-Strategen: viele Nachkommen, hohe Sterblichkeit der Nachkommen, Nachkommen auf sich gestellt, leben in instabilen Lebensräumen (z.B. Schildkröten)

K-Strategen: wenig Nachkommen, niedrige Sterblichkeit, von der Mutter umsorgt, stabile Lebensräume

Volterra-Gesetze
1. Individuenzahl von Räuber und Beute schwankt trotz konstanter Bedingungen periodisch; Maxima der Populationsgrößen phasenweise verschoben
2. Langfristig bleiben die Durchschnittsgrößen trotz Schwankungen konstanz -> „Sinuskurve“

Vermehrung der Beute -> Vermehrung des Räubers -> Abnahme der Beute -> Abnahme des Räubers -> Zunahme der Beute [...]

dichteabhängige Faktoren: Ihre Wirkung hängt von der Größe der Population ab (z.B. Nahrungsangebot und Platzangebot -> „Gedrängefaktor“)

dichteunabhängige Faktoren: Katastrophen, Größe der Population unwichtig, treten unregelmäßig auffällige

Gradation: Massenvermehrung einer Tierart mit anschließendem Zusammenbruch der Population aufgrund Nahrungsknappheit; zeitlich nicht vorherbestimmbar

Ökosysteme
Ökologische Nische: Die Rolle einer Art in einem Ökosystem
Ökologische Planstelle: Existenzangebot eines Ökosystems welches sich aus Kombination der biotischen und abiotischen Faktoren zusammensetzt

Planstelle = räumliches Überlebensangebot (durch spezifische Faktoren wie Nahrungsangebot etc.), die Nische beschreibt dabei alle einwirkenden Faktoren auf diese Planstelle

Nahrungsbeziehungen im Ökosystem
Produzenten (Erzeuger): Grüne Pflanzen, bauen aus unbelebtem Material via Fotosynthese körpereigene, organische Biomasse auf -> die Biomasse ernährt andere Lebewesen der Biozönose

Konsumenten (Verbraucher): ernähren sich von organischen Substanzen, Pflanzenfresser (Herbivoren), Fleischfresser (Karnivoren) oder Parasiten
Konsumenten und Produzenten über Nahrungsketten verbunden
Herbivoren = primäre Konsumenten
Karnivoren = sekundäre Konsumenten
Destruenten: Abfallfresser (Saprovore) und Zersetzer; organische Verbindungen werden zu anorganischen Verbindungen abgebaut, die wiederum zu Produktion neuer Biomasse benutzt werden können
Destruenten schließen den Stoffkreislauf im Ökosystem

Treibhauseffekt
 Kohlenstoffdioxid befindet sich in der Atmosphäre und den Gewässern
 durch Fotosynthese der Produzenten -> in Biomasse eingebaut
 durch Atmung/andere Abbauprozesse wieder freigesetzt -> Kreislauf im Gleichgewicht (es wird genau so viel produziert, wie verbraucht wird)
 Mensch erschafft durch Verbrennungen/Verbrauch fossiler Brennstoffe ein Ungleichgewicht -> „Treibhauseffekt“, Kohlenstoffdioxid lagert sich in der Atmosphäre ab -> „Globale Erwärmung“

Bruttoprimärproduktion: die innerhalb eines Zeitraumes neu gebildete Biomasse; ersetzt die Verluste durch den Verbrauch und ermöglicht das Fortbestehen des Kreislaufs; dient der Versorgung der Organismen im Ökosystem

Energiefluss: Nahrungsenergie wird in andere Energieformen umgewandelt;
Ökologische Pyramiden: es können unterschiedliche quantitative Beziehungen entstehen (Mensch -> 4,5 Rinder -> 5 Millionen Luzerne für ein Jahr)

Ökosystem Wald
erhöhter Bedarf an Holz -> Mischwälder wurden durch Monokulturen ersetzt
Monokulturen = anfälliger für Schädlinge, bieten natürlichen Regelmechanismen keine guten Lebensbedingungen (z.B. Vögel); es kommt immer wieder zu Schädlings-Gradationen

Nahrungsbeziehungen im Wald:
naturnahe Wälder sind mehr strukturiert als Monokulturen -> bieten mehr Stockwerke -> mehr ökologische Planstellen zum Einnischen -> mehr Artenvielfalt
Nahrungsnetz: Je dichter (mehr Arten), desto stabiler

Energie- und Wasserhaushalt des Waldes:
1% der einfallenden Sonnenenergie -> Fotosynthese -> in Biomasse verbaut
Der relativ große Rest der Sonnenenergie wird in Wärme umgewandelt; dient zur Wasserverdunstung

Stoffkreislauf im Wald:
Trockenmasse = Biomasse nach Wasserentzug

Bäume wachsen (Wasser, Nährstoffe aus dem Boden, Sonne) -> geben Biomasse an Boden ab (Blätter, Rinde, Äste) -> Destruenten zersetzen Biomasse zu Nährstoffen und Humus -> Mineralsalze gelangen in Boden und über Wurzeln zu wachsenden Pflanzen -> Bäume wachsen [...]

Waldschäden:
Vermutlich verursacht durch Luftverschmutzungsstoffe, Schwefeldioxid, Stickoxide und ihre Umwandlungsprozesse (Säuren, Fotooxidantien)

„Saure-Regen-Hypothese“: Der saure Niederschlag trifft auf die Blätter -> Blätter kämmen die Luftschafstoffe aus -> werden mit diesen angereichert -> dringen in Blätter ein -> verursachen Schäden

„Bodenversauerungshypothese“: Luftschafstoffe dringen in Boden ein, schädigen das Feinwurzelwerk der Bäume

Ökosystem See
Gliederung eines Sees:
Horizontal: Nährschicht -> Sprungschicht -> Zehrschicht
Nährschicht: lichtabhängig, Fotosynthese produziert mehr Biomasse als die Atmung verbraucht
Sprungschicht: Fotosynthese und Atmung im Gleichgewicht = Kompensationsebene
Zehrschicht: Organismen aus dieser Schicht ernähren sich direkt von den Überschüssen der Nährschicht

Vertikal:
Uferzone: Nährschicht des Sees, üppiges Pflanzenwachstum
Freiwasserzone: Schwimmblattpflanzenzone, Unterwasserpflanzenzone
Bodenzone/Tiefbodenzone: Zehrschicht

Licht bestimmt die Tiefe der Nährschicht (Fotosynthese durch Plankton, pflanzliches Plankton als Produzent) -> Licht ist ein Minimumfaktor (vgl. Minimumgesetz)

Gliederung ermöglicht viele ökologische Planstellen -> Artenvielfalt

Fließgleichgewicht: Zu- und Abgänge der Arten schwanken um Mittelwerte

Zirkulationsbewegungen im See:
Dichteanomalie des Wassers: Wasser besitzt bei 4°C seine höchste Dichte, darüber und darunter ist es leichter(!)
Wasser: hohe spezifische Wärmekapazität (kann viel Energie einlagern), geringe Wärmeleitfähigkeit (erwärmt sich nicht stark)
-> Wärme wird vorwiegend durch Wasserbewegungen transportiert

Sommerstagantion: Oberflächenwasser erwärmt sich durch Sonneneinstrahlung -> Entstehung einer leichteren und wärmeren Oberflächenschicht (über der kühleren, schwereren Tiefenschicht) -> an Sprungschicht folgt ein starkes Absinken der Temperatur (plötzlich) -> wegen stabile Schichtung kein Austausch von Oberflächenwasser gegen Tiefenwasser
obere Wasserschichten werden durch Temperaturunterschiede von Tag und Nacht umgewälzt (führen zu ausgeglichenen Verhältnissen von Gas, Temperatur und Nährstoffen)

Vollzirkulation: Herbst/Frühling
sinkende Temperaturen -> Oberflächenwasser kühlt ab -> sinkt nach unten; Wind durchmischt Wasser, Austausch von u.a sauerstoffreichen und sauerstoffarmen Schichten

Winterstagnation: tritt ein, wenn die Temperatur noch weiter abfällt; neue Schichtung entsteht -> Oberflächenwasser kälter als 4°C -> geringere Dichte (leichter), liegt schützend über dem Tiefenwasser -> Tiefenwasser bleibt konstant bei 4°C -> kann nicht zufrieren, gewährleistet Überleben der Organismen im Winter

Nahrungsnetze im Wald:
Produzenten: Algen/Phytoplankton, produzieren fotosynthetisch organische Stoffe, die ihnen und anderen Organismen als Nahrung dienen
Primäre Konsumenten: Zooplankton; frisst Algen
Sekundäre/Tertiäre Konsumenten: Karnivoren
Endkonsumenten: Raubfische
Destruenten: produzieren Nährsalze -> Algen [...]

Abbauvorgänge im See
Abbauprozesse von Organismen: Biomasse gelangt direkt oder indirekt zu den Destruenten
Autolyse: Enzyme setzen nicht mehr benötigte Aufbaustoffe der toten Biomasse frei -> diese diffundiert ins Wasser -> wird von Destruenten als Nährstoff verwendet
(Autolyse = „Selbstauflösung“, findet ohne Bakterien statt) -> findet bereits in der Nährschicht statt -> Produzenten erhalten auch Nährstoffe (= kurzgeschlossener Stoffkreislauf)

Nitrifikation: aerober Abbauprozess
1. Ammoniak bzw Ammonium -> Nitrit durch Oxidation
2. Nitrit -> Nitrat durch Oxidation

„Umkippen“ des Sees: Besonders in nährstoffreichen Seen können Oxidationsvorgänge so stark ablaufen, dass der Sauerstoff völlig verbraucht wird -> Erstickungstod -> Fischsterben

Denitrifikation: anaerober Abbauprozess, Reduktion
1. Nitrat-Ionen -> Nitrit
2. Nitrit -> Ammoniak/Ammonium bzw. elementarer Stickstoff
-> Nährstoffbildung unter anaeroben Bedingungen -> Sauerstoffproduktion (durch Produzenten)

Mineralisierung: Umwandlung von hochmolekularen organischen Substanzen zu niedermolekularen anorganischen Substanzen

Vollzirkulation versorgt Destruenten mit Sauerstoff für aerobe Abbauvorgänge

Nährstoffarmer Alpensee: Auf- und Abbauvorgänge sind im Gleichgewicht

Seentypen
oligotropher See: Nährsalzgehalt gering, tiefes Becken, schmale Uferbank mit geringem Bewuchs, Wasser ist arm an Pflanzennährstoffen -> Produktion der Nährschicht so gering, dass sie in der größeren Zehrschicht völlig mineralisiert wird
-> wenig organischer Schlamm -> klares Wasser mit „Durchblick“

eutropher See: flache Seen, nährsalzreich, breite Uferbank mit Verlandungszone
Produktion in der nährstoffreichen Zone so groß, dass er nicht vollständig mineralisiert werden kann -> während Stagnationsperioden kann der Sauerstoffgehalt fast völlig verbraucht werden -> organische Substanzen lagern sich am Boden ab, da sie nicht vollständig mineralisiert werden können -> organische Schlammschlicht

Litoral: Zone des Ufers
Pelagial: Freie Wasserzone

Veränderungen von Ökosystem

1. Primäre Sukzession = erstmalige Besiedelung durch Pionierorganismengesellschaften
2. [...]
3. Klimaxstadium = Endstadium

Aspekte: Verschiedene Erscheinungsformen des selben Ökosystems (temporär abhängig)

Sukzessionsstadien eines Sees
Verlandungsstadium: Durch Rückgang der Sauerstoffkonzentration -> Anaerobe Zersetzungsprozesse -> Entstehung von Faulschlammschichten -> tote Biomasse kann aufgrund von Sauerstoffmangel nicht mehr abgebaut werden -> See wächst zu bis zum „Flachmoor“ mit entstehender Torfschicht; dort wachsende Pflanzen sind an Sauerstoff- und Nährstoffmangel angepasst (z.B. Torfmoore) -> nachfolgende Pflanzengesellschaften bilden den „Bruchwald“ (mögliches Klimaxstadium), Tierverbände kommen und gehen mit den verschiedenen Stadien

Sukzessionsstadien eines Kahlschlages
Sekundäre Sukzession: z.B. Wiederbesiedlung eines Kahlschlages von untypischen Arten für dieses Ökosystem
1. Kraut- und Grasflurvegetation
2. Gebüschvegetation
3. Pionierwald
4. Klimaxwald (Biomasse nimmt nicht mehr zu); besonders stabiles Ökosystem durch dichte Nahrungsgesetze, es herrscht ein biologisches Fließgleichgewicht

Wasserverschmutzung
Selbstreinigungskraft: begrenzte Zufuhr an Verschmutzungsstoffen kann durch die Lebewesen eines Fließgewässers vollständig mineralisiert werden
-> großes Nahrungsangebot bedingt Massenvermehrung der Bakterien -> Sauerstoffzehrung wegen Abbauprozessen; gleichen dem Stoffkreislauf des Sees
Wassergüte nimmt in Fließrichtung mehr und mehr zu

Zu viel Abwasser -> Eutrophierung (überreiches Nährstoffangebot) -> Algenblüte (explosionsartige Entwicklung der Algen) -> Übermäßiger Sauerstoffverbrauch durch a) Algen durch Biomassenproduktion b) folgende bakterielle Abbauprozesse -> „Umkippen des Sees“

Bestimmung der Qualität eines Fließgewässers
Biologische Bestimmung
 Indikator: bestimmte Organismen, die aufgrund ökologischer Spezialisierung bei bestimmten Verschmutzungsgraden vorkommen
 -> Saprobiensystem
 4 Saprobienstufen bzw. Gewässergüteklasse
 jede Klasse besitzt bestimmte Indikatororganismen
 Bestimmung nach Indexzahl und Häufigkeit

Physikalisch-chemische Bestimmung
 BSB: Biochemischer Sauerstoffbedarf; Sauerstoffmenge, die von Bakterien durch Abbauprozesse für Verschmutzungsstoffe in 5 Tagen verbraucht wird (BSB5)
 CSB: Chemischer Sauerstoffbedarf; Schmutzwasser + Kaliumdichromat -> Messung des Verbrauchs lässt Rückschlüsse auf Sauerstoffverbrauch des Kaliumdichromats zu (Sehr genaue Messmethode)
 Indikatororganismen treten mit zeitlicher Verzögerung auf -> Ergebnis muss nicht den „Jetzt-Zustand“ widerspiegeln; chemische Methoden lassen den „Jetzt-Zustand“ besser bestimmen

Stehende Gewässer:
werden in Trophiegrade eingeteilt (Nährstoffgehalt)
oligo-, meso-, eu- und polytrophe Stufe)

Genetik
Grundlagen
Gene: Erbanlagen, DNA-Abschnitt, der bestimmte erblich bedingte Strukturen oder Funktionen eines Organismus codiert, sitzen auf dem Chromosom
Chromosom: Struktur, auf der die Gene linear angeordnet sind
Chromosomensatz: Gesamtchromosomenzahl einer Zelle
Genom: Gesamtheit aller Erbanlagen einer Zelle; menschliches Genom 30.000-40.000 Gene

Der Kern einer Körperzelle enthält 2x Paare an Chromosomen, die Chromosomensätze. Insgesamt gibt es also 4 Chromosomen, wobei immer ein Paar aus 2 homologen Chromosomen besteht.
Der Kern enthält also 2 Chromosomensätze, die Zelle ist diploid.

Bei jedem Chromosomensatz liegen 2 Gene auf gleichem Genort für ein Merkmal vor (= Allele)

Mitose: Zellkernteilung

1. Prophase
DNA liegt als Chromatinfäden vor -> Aufschraubung und Faltung -> Chromosomen (Zwei-Chromatiden-Chromosom); Chromatiden werden durch Centromer zusammengehalten
Faserbildung von Pol zu Pol -> bilden Spindelapparat
2. Metaphase
maximale Verkürzung
rücken in die Äquatorialebene des gebildeten Spindelapparates -> bilden Äquatorialplatte
Chromatiden sind durch Spindelapparat mit einem der beiden Pole verbunden
3. Anaphase
Chromatide werden zum Pol auseinander gezogen -> jeder Pol erhält vollständigen Chromatidensatz (gleichmäßige Verteilung der Chromosomensubstanz)
4. Telophase
1-Chromatid-Chromosomen entschrauben sich zu Chromatinfäden
Endoplasmastisches Retikulum -> bildet 2 neue Kernhüllen -> 2 Zellkerne sind entstanden
Entstehung 2 neuer Zellen
5. Interphase = Zeitraum, der zwischen zwei Mitosen liegt
G1-Stadium: Wachstum der Tochterzellen, die gerade entstanden sind
S-Stadium: Verdopplung der Erbstubstanz
G2-Stadium: „Leerlauf“ zwischen Verdopplung und erneuter Prophase

Meiose
 Meiose = weitere Form der Kernteilung; zielt auf Reduktion ab (diploider Satz -> haploider Satz), damit die Chromosomenzahl konstant bleibt

Reifeteilung I

Prophase I: Verdichtung und Verkürzung der Chromatinfäden
homologe Chromosomen legen sich parallel aneinander -> damit liegen die einander entsprechenden Chromosomabschnitte nebeneinander (mütterlicher und väterlicher) = Konjugation

Metaphase I: Bildung der Äquatorialplatte an Äquatorialebene; Bildung des Spindelapparates

Anaphase I: Homologe Chromosomen weichen auseinander, wandern mit Centromeren voran zu den Spindelpolen; jeder Pol besitzt einen haploiden Satz

Interchromosomale Rekombination: Zufallsbedingte Verteilung der mütterlichen“ und „väterlichen“ Chromosomen (in Metaphase I) -> Durchmischung des Erbmaterials

Telophase I: Chromosomen werden vorübergehend von einer Membran eingeschlossen

Reifeteilung II (mitotische Teilung)

Prophase II: An jedem Pol befindet sich ein haploider Chromosomensatz
Aufschraubung der Chromosomen, Bildung eines neuen Spindelapparates
Chromosomen zur Äquatorialebene zieht; Kernhüllen zerfallen

Metaphase II: Chromosomen ordnen sich an die Äquatorialebene an -> bilden Äquatorialplatte

Anaphase II: Schwesterchromatiden werden am Centromer getrennt, die einzelnen Chromatiden wandern zu den Zellpolen

Telophase II: An jedem Pol ein haploider Satz; Bildung von Zellmembranen

ERGEBNIS: Vier haploide Keimzellen entstanden aus einer diploiden Körperzelle

Interchromosomale Rekombination: Anordnung der Bivalente in der Metaphase I erfolgen nach dem Zufallsprinzip
werden homologe Chromosomen getrennt, dann können die einzelnen Chromosomen in den haploiden Zellen väterlicher oder mütterlicher Herkunft sein -> Durchmischung des Erbguts, Vielfalt der Evolution ist gewährleistet

Intrachromosomale Rekombination: „Crossing-Over“
während Prophase I möglicher Stückaustausch innerhalb eines Bivalents zwischen „Nicht-Schwester-Chromatiden“ (zwischen mütterlichen und väterlichen Chromatiden)
Vorgang: Auseinanderbrechen der DNA-Doppelstränge der Chromatiden -> Verknüpfung „über Kreuz“ -> Überkreuzungspunkte (Chiasmata)

Meiose: Nicht nur Chromosomensatzhalbierung sondern auch Neuverteilung der elterlichen Erbinformationen -> Artenvielfalt

Klassische Genetik
Grundlagen:
monohybrider Erbgang -> Unterschied in einem Merkmal
dihybrider Erbgang -> Unterschied in zwei Merkmalen
homozygot = reinerbig (RR, rr)
heterozygot = mischerbig (rR); Bastard
dominant = setzt sich geno- und phänotypisch durch
rezessiv = setzt sich nur bei Reinerbigkeit (z.B rr) im Phänotyp durch
intermediärer Erbgang: Merkmale werden in Zwischenformen ausgebildet (z.B. rosa bei roten und weißen Eltern)
unvollständige Dominanz: 2 dominante Allele für Ausbildung nötig (z.B. RR), ansonsten Mischform z.B. rosa -> Beispiel Wunderblume

Die mendelschen Gesetze

1. Gesetz (Uniformitätsgesetz): Kreuzt man zwei Individuen, die sich in einem Merkmal reinerbig unterscheiden, so ist die F1-Generation uniform, d.h sie weisen alle das dominante Merkmal auf.
2. Gesetz (Spaltungsgesetz): Kreuzt man die Individuen der F1-Generation untereinander, so sind ihre Nachkommen (F2) NICHT uniform, sie spalten sich in bestimmten Zahlenverhältnissen auf.
3:1 (dominant-rezessiv) und 1:2:1 (intermediär)
3. Gesetz (Neukombination): Kreuzt man Individuen, die polyhybrid sind, so gelten für jedes einzelne Merkmal Uniformitäts- und Spaltungsgesetz. Obendrein treten in der F2-Generation neue Merkmalskombinationen auf.

Drosophila melanogaster
Form der Drosophila: Wildform (+), white (w), Stummelflügel/vestigial (vg), ebony (e)
Weibchen X Männchen
Allele über dem __ sind mütterlicher Herkunft, unter dem __ väterlicher Herkunft
Rückkreuzungsmethode
Ziel: Bestimmung des unbekannten Genotyps (F2), der nicht durch den Phänotyp erschließbar ist.
Durchführung: Unbekannter Genotyp der F2-Generation wird mit rezessiv-homozygotem Großelter (P-Generation) gekreuzt.

Wenn:
a) die Nachkommen (RF1) uniform sind (1. Mendelsches Gesetz), dann ist das untersuchte Tier homozygot.

b) die Nachkommen (RF1) nicht uniform sind (1. Mendelsches Gesetz), dann ist das untersuchte Tier heterozygot.

Weiter Nutzen der Rückkreuzung: Verminderung der Anzahl der möglichen Genotypen
Durchführung: Bastard aus F1-Generation X Elter

Genkopplung

Genkopplung: Die auf einem Chromosom liegenden Gene werden gemeinsam (gekoppelt) weitergegeben und nicht frei kombiniert (wie die 3. Mendelsche Regel vorsieht!)
Diese gekoppelten Gene bilden eine Kopplungsgruppe
Begründung der Existenz von Genkopplung: Es gibt mehr Gene als Chromosomen -> mehrere Gene müssen auf einem Chromosom liegen
Anzahl der Kopplungsgruppen = Anzahl der Chromosomen in einem haploiden Satz
(23 beim Menschen)

Kopplungsbruch und Faktorenaustausch
Gekoppelte Gene können durch „Crossing Over“ entkoppelt werden (bei Drosophilia nur die Weibchen betroffen) -> 3. mendelsches Gesetz tritt wieder in Kraft

Genkartierung
Gene sind auf den Chromosomen linear angeordnet (Grundlage fürs Crossing Over)
Häufigkeit der Trennung zweier gekoppelter Gene -> Rückschluss auf ihre relative Entfernung voneinander; 2 gekoppelte Gene am Ende und am Anfang werden „immer“ getrennt, die Häufigkeit verringert sich, je mehr die Gene „zusammenrücken“

Dreipunktanalyse: Sind zwischen 3 gekoppelten Genen ABC die Austauschhäufigkeiten zwischen AB und BC bekannt, so kann der 3. Wert AC nur die Summe oder die Differenz aus AB und BC sein.

X-Chromosom-Gebundene Vererbung
Mensch besitzt 46 Chromosomen, davon sind 2 geschlechtsbestimmend (Gonosomen), die restlichen 44 (22 Autosomenpaare) sind Autosome.
Frau: X X
Mann: X Y
XX-Zygote -> Frau, XY-Zygote -> Mann

Gene auf dem X-Chromosom
Hemizygotie: Y-Chromosom trägt kein Gen für bestimmtes Merkmal (z.B. Augenfarbe)

X-Chromosom-gebundener Erbgang (Fall 1)
Die Mutter hat rote Augen (rot = dominant gegenüber weiß), Vater hat weiße Augen und sein Y-Chromosom ist hemizygot.
Ergebnis: F1-Generation uniform rot.

X-Chromosom-gebundener Erbgang (Fall 2)
Die Mutter hat weiße Augen, der Vater hat rote Augen. Y-Chromoson des Vaters ist wieder hemizygot (keine Information zur Augenfarbe enthalten)
Ergebnis: Mütter geben weiße Augenfarbe an Söhne ab (dem rezessiven Weiß wird wegen Hemizygotie kein dominantes Allel entgegengesetzt)
Väter geben rote Augenfarbe an Töchter weiter (dem rezessiven Weiß wird das dominante Rot entgegengesetzt, XX-Zygote)

Modifikationen
Organismen mit gleichem Erbgut müssen phänotypisch nicht zwingend gleich sein; sie sind von Umwelteinflüssen abhängig.
Modifikabilität: Fähigkeit, auf Umwelteinflüsse mit Veränderungen der Entwicklung zu reagieren.
Modifikation: Der Vorgang der Veränderungen
Modifikanten: Organismen, die zur Modifikation befähigt sind
Fließende Modifikation: stufenlose Anpassung des Modifikanten
Umschlagende Modifikation: schlagartige Anpassung, z.B Farbwechsel bei Temperaturen
Reaktionsnorm: Bereich, in welchem die Merkmalsausbildung erfolgen kann (z.B. Mensch X kann zwischen y und z Zentimetern groß werden, das ist seine Reaktionsnorm)

Modifikatorische Geschlechtsbestimmung: Bestimmung des Geschlechts durch öußere Faktoren

Mutationen
Mutation: Erbgutveränderungen
Mutanten: Träger von Mutationen
Ploidiemutation: Anzahl der Chromosomen im Kern ist verändert, kann als natürliche Mutation auftreten – auch einzelne Chromosomen eines Satzes können vervielfacht

Chromosomenmutation: Strukturelle Veränderung am einzelnen Chrosom
1. Deletion: Chromosomenstücke mit entsprechenden Genen gehen verloren; Verlust kann End- oder Zwischenstücke betreffen
a) Endstückverlust
b) Zwischenstückverlust
2. Duplikation: Chromosomenabschnitte werden verdoppelt
3. Inversion: Drehung von Chromosomenabschnitten um 180°, Anzahl bleibt gleich, Reihenfolge verändert sich, Einfluss auf benachbarte Gene -> Einfluss auf Phänotyp (Positionseffekt)
4. Translokation: Austausch nichthomologer Abschnitte

Genmutation: Veränderung eines einzelnen Gens, Erbsubstanz verändert sich, Chromosomenstruktur nicht

Mutationen sind ungerichtet und treten sprunghaft auf
Mutationsrate: gibt die Mutationshäufigkeit an
Viele Mutationen äußern sich nicht im Phänotyp

Mutagene: mutationsfördernde oder auslösende Stoffe/Faktoren wie z.B radioaktive Strahlung, hohe Temperaturen oder Röntgenstrahlung

Molekulare Grundlagen der Vererbung
Transformation: Übertragung von genetischen Informationen mittels isolierter DNA (vgl. tote virulente Bakterien -> befähigen lebende, nichtvirulente Bakterien Mäuse zu töten)
-> Beweis dafür, dass DNA = Träger der genetischen Information
-> Beweis dafür, dass Prokaryoten DNA besitzen

Replikation der DNA
Vor jeder Kernteilung: DNA muss identisch verdoppelt werden

Einfaches Modell: Doppelhelix wird wie ein Reißverschluss getrennt -> an jedem Strang lagern sich einzelne Nucleotide mit den jeweils komplementären Basen an (jedes Tochtermolekül besteht zu einer Hälfte aus elterlichem und einer Hälfte neu synthetisiertem Material = semikonservativ)
Beweis durch Meselson und Stahl Versuch (Stickstoff, Absenken, E-Coli Bakterien, Mittelwert -> semikonservativ)
Molekularer Mechanismus:

1. DNA-Helicase entwindet DNA-Doppelstrang
Helicase = Enzym, spaltet unter ATP-Verbrauch Wasserstoffbrückenbindungen
2. einzelstrangbindende Proteine halten die Replikationsgabel-Struktur der DNA aufrecht (verhindern erneutes Verbinden)
3. Primase (Enzym) hilft bei der Synthese des RNA-Primers (Startmolekül, kurzer Abschnitt aus Ribonucleotiden)
4. DNA-Polymerase I entfernt Ribonucleotide des RNA-Primers und ersetzt sie durch Desoxyribonucleotide
5. DNA-Polymerase III verknüpft die Desoxyriboncleotide (kann nur 3′ Enden verlängern -> Synthese verläuft nur am elterlichen Leitstrang; von der Gabel weg)
Synthese am Folgestrang
Problem: DNA-Polymerase III kann nur von 5′->3′ arbeiten, Folgestrang ist „falsch herum“

1. Primase synthetisiert kurze RNA-Primer an verschiedenen Stellen
2. RNA-Primer werden durch DNA-Polymerase III zu Okazaki-Stücken verlängert
3. RNA-Primer werden von DNA-Polymerase I entfernt und durch Desoxyribonucleotide ersetzt; Okazaki-Stücke noch nicht verbunden
4. DNA-Ligase stellt Verbindungsstück für Okazakistücke her, die Phosphordiesterbindungen

PCR (polymerase chain reaction)
Ziel: Unbegrenztes und schnelles Vermehren kleiner DNA-Mengen.

1. Isolierte, doppelsträngige DNA wird in einem Reaktionsgefäß erhitzt -> thermische Denaturierung der DNA -> Teilung der Stränge
2. Verringerung der Temperatur -> 2 synthetisierte DNA-Primer lagern sich an die Einzelstränge an, ihre Basen sind komplementär zu denen auf der zu vermehrenden DNA -> 2 kurze DNA-Doppelstränge sind entstanden
3. DNA-Doppelstränge = Starter für die hitzebeständige Taq-Polymerase (einmalige Zugabe da hitzebeständig)
4. Temperaturerhöhung auf 72° C -> Taq-Polymerase katalysiert die Synthese an den Einzelsträngen
5. Kurzfristige (2 Minuten) Temperaturerhöhung auf 94 ° C -> Abbruch der Replikation -> Doppelhelixabschnitte wieder denaturiert
6. Temperatursenkung auf 55 ° C -> erneute Anlagerung der Primer -> Temperaturerhöhung -> Taq-Polymerase wieder aktiv -> erneute Vermehrung des DNA-Zielbereichs [...]
Ergebnis: viele Duplikate eines DNA-Abschnitts in kurzer Zeit
Realisierung der genetischen Information

Enzyme = Proteine, sind für Merkmalsausbildung und biologische Prozesse verantwortlich
Enzyme = Biokatalysatoren, setzen Aktivierungsenergie herab und ermöglichen/beschleunigen Reaktionen im Körper, verbrauchen sich selbst nicht
Proteine setzen sich aus 20 verschiedenen Aminosäuren zusammen, indem die Aminosäuren zu langen Polypeptidketten zusammensetzen
Aminosäuresequenz: Reihenfolge dieser Aminosäuren, für jedes Protein charakteristisch und genetisch festgelegt

DNA enthält Informationen über die Abfolge und den Aufbau der Aminosäuren
Herstellungsort der Proteine = Ribosome (im Cytoplasma), diese benötigen die auf der DNA gespeicherten genetischen Information über die Basensequenz, die DNA verlässt jedoch nie den Zellkern -> mRNA zur Informationsübertragung zu Ribosomen

mRNA: Ribonucleinsäure (anstatt Desoxyribose ist Ribose vorhanden), einsträngig, kürzer als DNA, enthält Informationen in transkribierter (umgeschriebener) Form; Uracil anstatt Thyramin (Base)

Transkription: Genetische Information von DNA auf mRNA

1. Transkription ähnelt der DNA-Replikation, benötigt keinen Primer
2. RNA-Polymerase beginnt nach Bindung an einer geeigneten DNA-Sequenz (Promoter) mit der RNA-Synthese
3. Nach Bindung an den Promoter trennt RNA-Polymerase einen kurzen Abschnitt der Doppelhelix auf
4. Basenpaarung am codogenen Strang der DNA -> komplementäre Nucleotide werden gebunden -> schrittweise an wachsende RNA-Kette geknüpft (nur 5′->3′ Richtung)
5. Transkriptionsbereich wird bis zum Endsignal abgearbeitet

3 Polymerasen bei Eukaryoten

RNA-Polmerase I -> rRNA
RNA-Polymerase II -> Transkription
RNA-Polymerase III -> tRNA

Genetischer Code
Codon: Sequenz aus 3 Basen
Degenerierter Code/Degeneration: Aminosäuren sind durch mehrere Tripletts codiert
3 Tripletts = Stoppcodons
61 Tripletts -> Aminosäuren
AUG-Triplett: Startcodon/Methionin; wird aus dem Protein entfernt

Stoppcodons:
UAA
UAG
UGA

Allgemeingültigkeit (Universalität) des Codes: ist fürs ganze Organismenreich universell gültig (= Standardcode),

Transfer-RNA (tRNA):
Basentripletts können ihre jeweiligen Basen nicht direkt „erkennen“ und keine Polypeptidkette aufbauen -> Adaptermolekül tRNA notwendig

Adenin komplementär zu Uracil
Guanin komplementär zu Cytosin
Thymin (DNA) ersetzt durch Uracil

Transfer
Codons der mRNA werden durchs Anticodon der tRNA „erkannt“ – Anlagerung des Anticodons an das komplementäre Codon

Translation: Umsetzung der in der mRNA enthaltenen Informationen in Proteinen, erfolgt an den Ribosomen (zusammengesetzt aus ribosomaler RNA „rRNA“ und Proteinen)

1. Initiation
Anlagerung der kleineren Ribosomuntereinheit an eine spezifische Bindungsstelle am 5′-Ende der mRNA
Start-tRNA (Met-tRNA) wird mit ihrem Anticodon UAC an Startcodon AUG der mRNA angelagert
2. Elongation: Kettenverlängerung
Ribosom enthält Erkennungs- (A) und Verknüpfungungsregion (P)
Ribosomen fahren die mRNA ab; in (A) werden Codons erkannt, in (P) werden die Aminosäuren durch tRNA, welche die entsprechende Aminosäure enthält, verknüpft
tRNA trägt Anticodon zu Codon der mRNA -> Zuordnung möglich
„entladene“ tRNA sucht sich im Cytoplasma eine neue, ihr zugeordnete Aminosäure
Vorgang wird bis zum Stoppcodon durchgeführt und dann beendet
3. Termination
synthetisiertes Protein wird freigesetzt, Ribosom zerfällt in seine Untereinheiten -> mRNA freigesetzt, diese solange erneut verwendbar bis abgebaut

Polysome: mehrere Ribosome, die beim Vorgang der Translation einer mRNA beteiligt sind

Gestückelte Gene
mBeiRNA kürzer als DNA -> DNA enthält „leere“ Abschnitte (Introns) und „informative“ Abschnitte (Exons), mRNA enthält zunächst Introns UND Exons (prä-mRNA) -> Spleißen durch Spliceosomen -> Introns werden rausgeschnitten -> nur noch Exons vorhanden -> mRNA kürzer als DNA

Extranucleäre Vererbung:
Plastiden-/ Extranucleäre Gene: Außerhalb des Zellkerns liegende Gene
Plastiden und Mitochondrien verteilen ihre Information unabhängig von Zellkernteilung

Ein- Gen- ein- Enzym- Hypothese

Ein Gen codiert ein Enzym -> mutiert das Gen, ist das Enzym betroffen (es kann unter Umständen ausfallen)

Ein- Gen- ein- Polypeptid- Hypothese

Enzyme= Polypeptide, bestehen aus mehreren Polypeptidketten
Punktmutation: eine Base der DNA wird verändert, entfernt oder hinzugefügt

Bei Punktmutation einer Base der DNA -> Veränderung des Gens -> Veränderung der Polypeptidkette -> Auswirkung auf Enzym (z.B. Sichelzellenanämie)

Regulation der Genaktivität
Das Operon- Modell
Konstitutive Gene: dauerhafte Gene, die immer transkribiert werden
Regulierte Gende: Gene, die nur bei Bedarf transkribiert werden
Strukturgene: Gene, die Enzyme codieren
Operator und Promoter: DNA-Abschnitte, vor den Strukturgenen liegend, üben Kontrolle aus
Operon = Einheit von Strukturgenen, Operator und Promoter
Funktion des Operons: Genregulation mit Repressor
Repressor: Protein, das auf einer DNA-Region außerhalb des Operons codiert ist; „Regulatorgen“
a) aktiv: kann sich nach Schlüssel-Schloss-Prinzip mit Operator verbinden -> Hemmung der Transription der Strukturgene -> Enzymsynthese verhindert (weil Enzym zu dem Zeitpunkt nicht gebraucht)

b) inaktiv: Repressor reagiert mit Molekül (z.B Lactose, welches neu dazu kam) -> Strukturveränderung des Repressors -> keine Bindung an Operator mehr möglich -> vorhin blockierte Transkription des nicht benötigten Enzyms kann nun stattfinden, da das Enzym gebraucht wird

Enzyminduktion: neuer Stoff kommt hinzu und induziert Prozesse zur eigenen Verwertbarkeit

Enzymrepression: Nicht mehr benötigter Stoff reagiert mit Repressor -> Repressor aktiv, unterdrückt weitere unnötige Herstellung von bestimmten Enzymen (Bindung an Operator)

Genregulation bei Eukaryoten
Klone: Erbgleiche Individuen
Totipotenz: Eine Zelle enthält die gesamte genetische Information, die zum Aufbau des Organismus notwendig ist („Eine Fußzelle weiß, wie die Nase aussieht“)

Differentielle Genaktivität: Nicht alle Informationen aus einer Zelle werden abgelesen und umgesetzt, da dies „unökonomisch“ und verschwenderisch und obendrein blockierend wäre
-> in einer Zelle müssen bestimmte Gene aktiv, andere inaktiv sei

Bau der Bakterienzelle
 Eine einzige Zelle
 kein Zellkern -> Prokaryot
 Zelle von schützenden Außen- und einer inneren Plasmamembran umgeben; zwischen diesen Schichten eine Schicht „Murein“
 Auf Außenmembran: kurze, haarähnliche Fäden = Pili, dienen zur Kontaktaufnahme mit anderen Zellen
 Geißel, frei beweglich, um sich rotierend (zur Fortbewegung)
 nur Ribosomen als Organellen vorhanden
 ein einziges Chromosom, frei im Cytoplasma (Nucleoid)
 DNA vorhanden in Nucleoid und in Plasmiden (DNA-Ringe, im Cytoplasma)

Mutationen bei Bakterien
Antibiotika: Stoffe, die Bakterien abtöten oder in ihrem Wachstum hemmen
Resistenz: Bakterien sind von bestimmten Antibiotika nicht beeinflusst -> wird durch zufällige und ungerichtete Mutationen hervorgerufen (-> vgl. Darwin)

Replika-Plattierung-Test (Stempeltechnik)
 Ausgangskultur auf normalem Nährmedium -> auf Stempel aufgetragen -> auf 2 Nährböden gestempelt: ein normales und eins mit Antibiotikum -> beim normalen wachsen alle Kolonien, beim anderen wachsen nur resistente Kolonien
 beweist: Mutationen sind schon vorher zufällig entstanden und nicht als Konsequenz von veränderten Umwelteinflüssen

 Auxotrophie: Unfähigkeit eines Bakteriums, zu wachsen, wenn bestimmter Stoff fehlt.
 Prototrophie: Eigene Synthese von Wachstumsstoffen möglich -> Fehlen von Wachstumsstoffen hindert nicht am Wachstum.

Genetische Rekombination bei Bakterien
Bakterien: Kein Zellkern, keine Meiose und keine Befruchtung, dennoch Rekombination möglich

Konjugation: Übertragung von genetischer Information über Plasmabrücke zwischen 2 Bakterien.
Vorgang: Konjugation nur möglich, wenn ein Bakterium F-Plasmid enthält
Spender = F+ (männlich); Empfänger = F- (weiblich)
F+ gibt Kopie des Plasmids an Empfänger, Empfänger wird ebenfalls zu F+

HFR-Zellen (High frequency of recombination) sind in der Lage, das gesamte Bakterienchromosom zu übertragen -> Abschnitte der Empfänger-DNA können ausgetauscht werden
Austausch via Konjugation, auf beiden Seiten sofort wieder verdoppelt -> Austausch von DNA-Abschnitten -> genetische Rekombination auch ohne Meiose möglich

Bau der Viren
Viren: Krankheitserreger
(Bakterio)Phagen: Viren, die Bakterien befallen

Enthalten nur eine Art von Nucleinsäure: DNA oder RNA
Kein eigener Stoffwechsel -> Vermehrung in fremden Zellen nötig -> Viren = intrazelluläre Parasiten
Viren kleiner als Bakterien; zeigen Wirtsspezifität
bestehen aus Kopf und Schwanz
Schwanz: hohler Stift, am Ende mit Spikes besetzte Platte und Schwanzfäden zum Anheften an Bakterienwand

Hershey-Chase-Experiment: Bildung von Phagen in einer Wirtszelle wird allein durch DNA veranlasst -> Proteine dafür nicht von Nöten

Vermehrung der Viren
1. Adsorption
Spezifische Anheftung nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an Bakterienwand
2. Injektion
Einschleusung der virulenten DNA via „eingeschossenem Stift“
Leere Phagenhülle bleibt zurück
3. Latenzphase
Umstellung des Stoffwechsels in den Dienst des Virus
Bakterienchromosom wird abgebaut
Phagenenzyme werden produziert, Phagen-DNA vermehrt, Hüllproteine für neue Phagen produziert
Lysozym für Zellwandauflösung
4. Reifung
einzeln synthetisierte Bestandteile des Virus werden zusammengesetzt
5. Freisetzung
Bakterienwand wird angegriffen -> platzt explosionsartig -> Freisetzung von reifen Phagen -> neue Bakterien befallen
a) lytischer Zyklus: Vermehrungsvorgang endet mit Auflösung (Lyse) der Wirtszelle
b) lysogener Zyklus: Phagen integrieren sich mit ihrer DNA ins Chromosom und verweilen dort als Prophagen -> gehen später in den lytischen Zyklus über

HIV – ein Retrovirus
Retroviren: sind in Besitz einer Reversen Transkriptase -> Hiv-RNA -> einsträngige DNA -> Replikation -> doppelsträngige DNA -> Integration in Wirtszellen-DNA
-> Vermehrung von HIV in T-Helferzellen, da dort spezifische Bindungsstellen vorhanden -> T-Helferzellen werden weniger, bis Infektion in Krankheit übergeht

Bekämpfung schwierig, da: Retroviren bauen ihre genetischen Informationen ins Genom ein (Unterscheidung schwierig)
Mögliche Maßnahmen: Einsetzen von Inhibitoren, damit RT nicht aktiv werden kann
Verhinderung des Zusammenbaus von Viruspartikeln
Impfstoff: Hüllproteine des HIV genetisch hergestellt für Immunisierung

Transduktion – Genübertragung durch Viren
Transduktion: Genübertragung von einem Bakterium auf ein anderes Bakterium via Virus
Vorgang:Bakterienchromosom zerfällt bei Infektion -> Diese Teile können beim Aufbau der virulenten DNA verbaut werden -> neuer Phage mit bakterielles Gen -> erneute Infektion eines Bakteriums durch diese Phage -> zuvor „aufgenommenes“ Bakterien-Gen wird in neue Bakterien-DNA verbaut – Bakteriengen in anderes Gen übertragen

allgemein transduzierende Phagen: können beliebigen Abschnitt des Bakterienchromosoms weitergeben
spezialisiert transduzierende Phagen: können nur bestimmte Abschnitte des Wirtsbakteriums aufnehmen

Rekombination: Viren kein eigener Stoffwechsel, jedoch Informationen für Verdopplung vorhanden -> Mutationen/Rekombination möglich

Identifizerung eines Gens nach der Southern-Blot-Methode
1. Gesamte DNA einer Zelle wird isoliert
2. DNA wird mittels Restriktionsenzyme in Fragmente geschnitten
Restriktionsenzyme: erkennen Basenfolgen und trennen nach diesen präzise
3. DNA-Fragmente auf elektrisches Feld -> werden ihrer Größe nach sortiert (je kürzer, desto schneller ist ein Fragment) – Gel-Elektrophorese
4. Southern-Blot: DNA-Fragmente werden durch alkalische Pufferlösung einsträngig gemacht -> einsträngige Fragmente werden auf Nitrocellulose übertragen (geblottet); Fixierung durch milde Hitze
5. Membran -> Plastiktüte mit Sondenmolekülen -> Inkubation
Sondenmoleküle: Radioaktiviertes DNA-Stück; Komplementär zum gesuchten Gen
6. Sonde bindet sich ans gesuchte Gen, überschüssige Sondenmoleküle werden entfernt -> Auflegen eines Röntgenfilms (Autoradiografie) macht das Gesuchte sichtbar

DNA-Sequenzierung durch chemische Modifikation
Sequenzierung = Bestimmung der Basenabfolge

1. Der zu sequenzierende Abschnitt wird radioaktiv markiert
2. Denaturierung -> Einzelstränge
3. 4x die gleiche Einzelstrang-DNA wird auf 4 Ansätze verteilt, wo Basen spezifisch zerstört werden
4. Man erhält markiertes Stück, welches eine spezifische Größe aufweist (wird nach bestimmter Base gespalten-> spezifische Länge)
5. Autoradiografie -> Position der spezifischen Base wird sichtbar
DNA-Fingerprinting
 Großteil der DNA enthält keine Informationen (Introns)
 Dort sind Mutationen (= Sequenzpolymorphismen) wirkungslos, werden vererbt
-> Anhäufung solcher Sequenzveränderungen führen zu Unterschieden bei nichtverwandten Genomen
Vorgang: DNA verschiedener Individuen wird mit gleichem Restriktionsenym zerteilt
Die entstehenden Fragmente sind unterschiedlich lang -> „RestriktionsFragmentlängen-Polymorphismus“ (RFLP)
-> Southern Blot -> Autoradiografie -> sichtbar als schwarze Banden auf Film
Jeder „Fingerabdruck“ ist wegen der Polymorphismen hoch individuell

Autosomale Gendefekte
Autosomale Gendefekte: liegen auf den Autosomen vor -> sind nicht geschlechtsgebunden

Polyphänie: Gen beeinflusst mehrere Merkmale
Expressivität: Grad der phänotypischen Ausprägung
Penetranz: „Durchschlagskraft“, wenn bei 100%, dann jeder „Genträger“ von Krankheit betroffen

Mitochondriale Vererbung beim Menschen
Mitochondrien: besitzen eigene DNA, kommen in Eizellen vor, jedoch NICHT in Spermien
-> maternale Vererbung, alle Kinder einer betroffenen Mutter sind krank, alle Kinder eines betroffenen Vaters sind gesund

Züchtung und Gentechnologie
Sesshaftwerden -> Vermehrung der Menschheit, größerer Fleischbedarf -> Deckung durch Tierhaltung

Evolution
Lamarcks Theorie
Veränderte Umweltbedingungen -> veränderte Bedürfnisse
Gebrauch eines Organs -> wird größer, leistungsfähiger
Nichtgebrauch eines Organs -> wird kleiner, verkümmert, verschwindet
innerer Wunsch nach einem Organ -> lässt dieses entstehen
Erworbene Eigenschaften können vererbt werden

1. Naturgesetz
Dauernder Gebrauch eines Organs vergrößert/kräftigt es proportional zur Dauer des Gebrauchs
Dauernder Nichtgebrauch eines Organs verkleinert/schwächt es proportional zur Dauer des Nichtgebrauchs -> Verschwindet völlig
2. Naturgesetz
Erworbene Organe/Fähigkeiten werden an die Nachkommen weitergereicht, sofern beide Elternteile jene besitzen

Darwins Theorie
„Survival of the fittest“ – der Stärkere/am besten Angepasste überlebt im „Kampf ums Dasein“
1. Voraussetzung
Organismen haben mehr Nachkommen als für Arterhalt nötig; jedoch: Populationen bleiben konstant -> hohe Sterblichkeit
2. Individuen einer Art gleichen sich nicht völlig -> weisen Unterschiede auf, für Darwin waren große „Varietäten“ von Bedeutung (heute: Mutationen genannt)
Selektionsprinzip = Ursache des Artenwandels
Selektionsprinzip # Artenkonstanz

Nach Darwin -> Individuen passive Rolle, werden durch Umwelt selektiert
Nach Lamarck -> Individuen aktive Rolle, passen sich der Umwelt an

Darwin war KEIN!!!! Lamarckist, obwohl er von der Annahme überzeugt war, dass Gebrauch/Nichtgebrauch sich auf Organe auswirken. Jedoch: bei ihm werden jene Merkmale nicht direkt an Nachkommen vererbt, sie sind die Folge vom Durchsetzen des „erfolgreicheren Genotyps“ über viele Generationsfolgen hinweg (Natürliche Auslese, Selektion, Survival of the fittest)

Argumente für die Evolutionstheorie
Anatomische und morphologische Beweise
homologe Organe: besitzen gleichen Grundbauplan können jedoch aufgrund unterschiedlicher Funktionen unterschiedlich gestaltet sein -> Funktionswechsel (z.B. Extremitäten der Wirbeltiere) -> homologe Organe beruhen auf gemeinsamer Abstammung und weisen auf gemeinsame Ausgangsformen hin

Homologiekriterien

1. Kriterium der Lage
Organe sind homolog, wenn sie im Gefügesystem des Organismus die gleiche Lage haben
2. Kriterium der spezifischen Qualität
Nicht lagegleiche Organe können homolog sein, wenn sie in vielen Einzelmerkmalen übereinstimmen.
Beispiel: Ovarien bei Bandwürmern besitzen unterschiedliche Lage, gleichen sich aber sehr im spezifischen Bau.
3. Kriterium der Verknüpfung durch Zwischenformen
Einander unähnliche Organe können homolog sein, wenn sie durch Zwischenformen verbunden sind, die sich ihrerseits homologisieren lassen
Beispiel: Griffelbeine des Pferdes homolog mit dem Mittelhandknochen des Vorfahrens -> Reduktion der Zehen

Analogie
analoge Organe: Organe mit gleicher Funktion, unterschiedlicher Grundbauplan
Beispiel: Vogelflügel <-> Schmetterlingsflügel

Konvergenz: Anpassungsähnlichkeit nichthomologer Organe als Folge ihrer gleichen Funktion. (Konvergente Entwicklung)
Beispiel: Linsenauge bei Wirbeltieren und Tintentisch; sehen gleich aus, besitzen die gleiche Funktion, weisen jedoch unterschiedliche Entwicklungslaufbahn auf und sind nur wegen der gleichen Funktion im Endergebnis ähnlich und vermeintlich homolog
Klassisches Beispiel: Hände von Maulwurf und Maulwurfsgrille sind ähnlich, haben gleiche Funktion jedoch unterschiedlichen Grundbauplan (Maulwurf -> Knochen, Maulwurfsgrille -> Chitin)

Rudimentäre Organe
Rudimente = Organe, die während der Evolution ihre Funktion verloren haben und nur noch als Reste vorhanden sind
Atavismus: Wiederauftreten von eigentlich verschwundenen Merkmalen (zusätzlicher Huf)
Progressionsreihen: Anordnung homologer Organe von „einfach“ nach „komplex“ z.B. Luftsack bis zur Lunge der Wirbeltieren
Regressionsreihe: Anordnung homologer Organe von „komplex“ nach „einfach“
z.B. Zauneidechse mit Beinen -> Blindschleiche ohne Beine

Entwicklungsphysiologische Beweise
Biogenetische Grundregel: Im Laufe der Keimesentwicklung vieler Arten werden Organe angelegt
a) die nie zu einer erkennbaren Funktion beim erwachsenen Individuum ausgebildet werden
b) die aber für die Vorfahren der Art typisch waren

Paläontologische Beweise
Paläontologie liefert unmittelbare Belege für die frühere Existenz bestimmter Lebensformen -> Beweise widerspricht der Konstanz der Arten

Altersbestimmung von Fossilien
Radiocarbonmethode:
radioaktive Stoffe zerfallen in regelmäßigen Raten
14C-Isotop wird in Lebewesen eingebaut
beim Zerfall werden Elektronen (ß-Strahlen) abgegeben
Organismus tot -> kein 14C mehr aufgenommen
vorhandener, radioaktiver Kohlenstoff zerfällt trotzdem

Messung der frei werdenden Elektronen pro Minute -> Altersbestimmung
Lebendes Tier: baut pro Minute 15,3 14C- Atome ab (Zerfall)
Totes Tier: Z. B. Baut pro Minute nur noch 7,65 Atome ab -> Tier ist 5740 Jahre alt (Halbwertszeit)
MERKE: je älter ein Fossil, desto langsamer der Zerfall pro Minute

Kalim-Argon-Methode: Ermittung der Anzahl der enthaltenen Argon-Atome -> Bestimmung des Alters der Gesteinschicht und der enthaltenen Fossilien
-> Nutzung des 40K-Isotops, besitzt Halbwertszeit von 1,3 Milliarden Jahr.
-> auch bei älteren Fossilien möglich

Übergangsformen: Fossilien, die Merkmale von 2 verschiedenen Tierklassen in sich vereinen und sich deswegen keiner von beiden Seiten eindeutig zuordnen lassen -> Brückentiere, z.B. Schnabeltier (legt Eier, säugt jedoch) oder Archaeopteryx (Reptil und Vogelmerkmale)

Adaptive Radiation: Aufspaltung einer wenig spezialisierten Art unter Anpassung an unterschiedliche ökologische Nischen (Planstellen) in viele spezialisierte Arten
Beispiel: Darwinfinken

Isolation: Beschränkung einer Population auf ein bestimmtes Gebiet aufgrund von geografischen Umständen, klimatischen Faktoren u.a.
Beispiel: Beuteltiere in Australien
Endemiten = isolierte Organismen
Tier- und Pflanzengeografie zeigen Anpassungen der Organismen an ihre Lebensräume, die Isolation und die Besetzung der Planstellen -> liefern wichtige Indizien für Evolution

Verhaltensbiologie
Angeborene Verhaltensweisen lassen sich wie Gestaltsmerkmale vergleichen -> Homologien sind möglich und nachweisbar

Homologiekriterien:
Kriterium der Lage: Verhalten hat jeweils die gleiche Lage im Verhaltenszusammenhang
(„gleiche Körpersprache“, z.B Kopfangeben bei Erzeugung eines bestimmten Lauts)

Kriterium der Kontinuität: Ungleiche Verhaltensformen (Bellen vs. Heulen) lassen sich durch homologe Zwischeformen verknüpfen

Konvergenzen auch hier möglich -> Gesamtverhalten muss beachtet werden

Ritualisierung: Gebrauchshandlungen (z.B. Nahrungsaufnahme) werden zu Signalen für Artgenossen umgewandelt

Parasitologie
Entwicklungsgeschwindigkeit von Parasiten ist geringer als die ihrer Wirte -> viele Tiere weisen ähnliche/gleiche Parasiten auf
Parasiten beschleunigen die Evolutionsgeschwindigkeit
Parasit schädigt Wirt -> Wirt entwickelt Abwehr, die Parasit schädigt -> Parasit entwickelt sich -> usw usw. -> Coevolution vorhanden
Parasiten: verantwortlich für Artenvielfalt, da ständig neue Eigenschaften entwickelt werden müssen ist die Chance einer Artaufspaltung höher

Cytologie
Ausstattung der Zellen zeigt Gemeinsamkeiten und Unterschiede -> Entwicklunsablauf liegt nahe
Gemeinsamkeiten im Zellaufbau -> gemeinsame Ursprungsform, aus denen unterschiedliche Formen entstanden

Biochemie
Varietäten = Konsequenzen aus Mutationen
Mutagene: mutationsauslösende Faktoren
Mutationen: sind ungerichtet und zufällig

Die Enzymwirkung
Enzym + Substrastmolekül = chemische Reaktion
Enzym = substratspezifisch, d.h ein Enzym passt nur an ein Substratmolekül (Schlüssel-Schloss-Prinzip)

Die Konservativität der Gene
Gene, die ein Enzym innerhalb einer Reaktionskette codieren, mutieren -> führen zum Tod, da die Kette zusammenbricht -> kein Endprodukt „möglich“

-> diese Gene sind zur Konservativität verurteilt
Mutationen am Ende einer Kette können jedoch positive „Neuentwicklungen“ bewirken

Tödliche und wirkungslose Mutationen
wenn das aktive Zentrum durch eine Genmutation beeinflusst ist -> Struktur wird verändert -> Schlüssel-Schloss-Prinzip funktioniert nicht mehr -> Enzyme verlieren ihre spezifische Wirkung -> Zusammenbruch von Reaktionsketten-> Tod (tödliche Mutationen)
Mutationen außerhalb des aktiven Zentrums -> meist ohne Konsequenz (wirkungslose Mutationen)

Aminosäurensequenzanalyse
Protein -> Reinigung -> Zusatz von Säure spaltet Protein in seine Aminosäuren auf (Kettenform) -> Ketten werden durch Enzyme Aminosäure für Aminosäure abgetrennt und einzeln identifiziert -> Abfolge bestimmbar

Die Präzipitinreaktion
Blut enthält Eiweißstoffe

Menschliches Serum -> wird einem Kaninchen gespritzt -> Kaninchen bildet Antikörper gegen die menschlichen Eiweiße -> Blutentnahme beim Kaninchen -> Isolation des Serums + gebildete Antikörper -> dieses Serum und menschliches Serum in ein Reagenzglas -> gebildete Antikörper „befallen“ menschliche Eiweiße, diese verklumpen und werden ausgefällt -> „Präzipitinrektion“

Evolutionsbiologische Bedeutung: Grad der Verwandtschaft ermittelbar
Durchführung: Kaninchenserum mit Antikörpern -> mit z.B. Schimpansenblut vermischt -> 85% werden ausgefällt, d.h diese 85% sind menschenähnliche Eiweiße, die restlichen 15% der Eiweiße sind schimpansenspezifisch und werden von den Antikörpern nicht erkannt
-> Schimpanse mit Mensch „zu 85% verwandt“
-> Grad der Ausfällung lässt Rückschlüsse auf enge oder weite Verwandschaft zu
Cytochrom-c-Stammbaum
Betrachtung eines Moleküls, das bei möglichst vielen Lebewesen vorkommt -> z.B. Cytochrom-c (Teil der Atmungskette)
-> Betrachtung der Aminosäuresequenzen -> weisen Unterschiede auf -> Unterschiede beruhen auf Veränderung der DNA, sind also Mutationen -> viele Unterschiede = viele Mutationen seit der Trennung der Lebewesen -> große verwandtschaftliche Distanz

Die synthetische Theorie der Evolution
sie umfasst die Erkenntnisse aller biologischen Teilwissenschaften zusammen

Während Evolution wird der Genpool (Gesamtheit aller Gene einer Population) verändert
Genpool wird verändert durch:
 Mutationen
 Migration (Individuen wandern von einer Population in eine andere Population)
 Isolation
 Gendrift (Zufällige Veränderung einzelner Genhäufigkeiten in sehr kleinen Populationen)
 natürlicher Gentransfer (Erwerb neuer Genfolgen von anderen Lebewesen)
 Rekombination

Resistenz ist keine erworbene Eigenschaft, die vererbt wird sondern ist die Folge einer zufälligen Mutation

Mutationsrate: Chance, dass ein einzelnes Gen mutiert

Evolutionsökologie
Selektion setzt am Phänotyp an, genotypische Unterschiede werden nicht berücksichtigt

Selektionsdruck: Der Druck, den Umweltfaktoren ausüben, wodurch weniger taugliche Individuen selektiert werden

Mutationsdruck: Der von den Mutationen in einer Population, dem Selektionsdruck entgegenwirkende Druck

Selektionsfaktor = Umweltfaktor, der als Auslesefaktor wirkt (z.B. Temperatur)

Selektion bewirkt, dass „tauglichere“ Organismen mehr Nachkommen haben als die, die ihrer Umwelt nicht genügend angepasst sind -> sterben, bevor sie Nachkommen in die Welt setzen können

Wirksamer Selektionsdruck bewirkt raschen evolutiven Wandel (Anpassung)
Rolle: Funktion eines Organismus im Lebensraum, z.B. Filtrierer = Rolle der Miesmuschel
Habitat: Eigenschaften des Biotops -> z.B Salzgehalt des Meeres
Nische: Bedingungen, die die Verteilung (Einnischung) eines Organismus beschränkt

Coevolution = Wechselseitige Anpassung während der Stammesentwicklung (durch gegenseitige Selektion -> gekoppelte Evolution)

Künstliche Selektion: z.B. Züchtung (zielgerichtet, auf Nutzen aus)

Domestikation: Gewinnung und gezielte Weiterzüchtung eines Wildtyps durch den Menschen, der davon einen Nutzen hat (z.B. Haustier, Nutztier)

Domestikationsmerkmale: Domestizitierte Tiere unterscheiden sich von ihren Stammformen
auffälligste Domestikationsfolge -> Artenvielfalt

Vorgang der Züchtung: Entnahme einzelner Individuen einer Population mit erwünschten Merkmalen -> sexuelle Isolation -> natürliche Auslese wird durch künstliche Zuchtwahl ersetzt, Auslese und Weiterkreuzung führen zu neuen Rassen, die in der Natur unter „normalen Bedingungen“ nicht bestehen könnten
Züchtung beschleunigt genetische Veränderung -> Artrahmen wird erheblich erweitert

Isolation
Panmixie: Jedes Individuum einer Population kann sich mit jedem vorhandenen Partner dieser Population paaren -> Durchmischung des Erbguts (wenn auch langfristig)

Isolationsfaktoren: beeinträchtigen Panmixie

Geografische Isolation: Geografische Faktoren beeinträchtigen/verhindern Durchmischung des Erbguts z.B. Beuteltiere/Darwinfinken

Ethologische Isolation: Verhaltensunterschiede bewirken, dass mögliche Kreuzungspartner nicht kommunizieren können und deswegen ihr Erbgut nicht austauschen

Jahreszeitliche Isolation: unterschiedliche Balzphasen -> temporäre Differenzen

Ökologische Isolation: Lebewesen erschließen sich durch neue Merkmale neue Lebensräume, in denen sie sich ohne Konkurrenzdruck vermehren können

Adaptive Radiation: durch Anpassung entstehen unterschiedliche Entwicklungslinien aus einer „Stammform“ -> Aufspaltung geschieht langsam

Rasse: Individuen zweier Rassen können sich paaren, ihre Nachkommen sind fruchtbar

Art: Individuen zweier Arten können sich nicht paaren, ihre (gezüchteten) Nachkommen sind steril

Due Entwicklung des Menschen
Die Stellung des Menschen im System
Mensch -> Ordnung der Primaten
Merkmale des Menschen: Augen zum binokularen Sehen, Greifhände, aufrechter Gang (balanciert Kopf auf Wirbelsäule, mittiges Hinterhauptsloch, Wirbelsäule besitzt Doppel-S-Form), innengewinkelte Knie, Menschenschädel fällt von Stirn senkrecht ab, keine Überaugenwülste, extrem große Hirnschale, keine Diastema (Zahnlücken), Allesfressergebiss, Parabelform des Gebisses

Ähnlichkeiten können Verwandtschaft aufzeigen, Obacht bei Konvergenzen!

Gattung Australopithecus: weniger Ähnlichkeit mit heutigen Menschen
Gattung Homo : mehr Ähnlichkeit mit heutigen Menschen
Merkmale der Gattung Homo: Werkzeugherstellung, Fleischkost (Aas), Erweiterung des Gehirns und der Leistungsfähigkeit, aufrechter Gang -> Verkleinerung der Geburtsöffnung -> kleinere Jungen -> Nesthocker -> Familienzusammenschlüsse, leistungsfähige Sprache } alle Faktoren wirken coevolutiv, d.h sich unterstützend

Der Ablauf der Entwicklung zum Menschen
1. Aegyptopithecus – 33 Millionen Jahre alt
2. Australopithecus afarensis
3. Australopithecus africanus
4. Homo Habilis -> Reste von Werkzeugen „der geschickte Mensch“
5. Homo erectus
6. Homo neanderthalensis
7. Homo sapiens
8. Homo sapiens sapiens („Wir“)

kulturelle Evolution: Der Mensch lernt und lehrt im ständigen Miteinander, es muss nicht alles „von 0 aus“ erlernt werden
Kulturgut: Sprachlich gesammelter Erfahrungsschatz einer Menschenpopulation
Parallel zur biologischen Evolution verläuft kulturelle Evolution, die alles betrifft, was der Mensch seit seiner Entstehung in die Welt gebracht hat
Mem: kulturelles Gegenstück zu Gen, kleinste Einheit der kulturellen Evolution, Mem = Idee, die verworfen , modifiziert, verarbeitet oder weitergereicht wird, vgl. Selektion bei Genen

Die Nervenzelle
Neuron = Nervenzelle
Soma = Körperzelle abzüglich Fortsätze, Kern und Organellen
Axon/Neurit = Fortsatz der Nervenzelle
Dendrit = verkürzter Fortsatz des Somas
Synapsenendknöpfchen = Ende des Axons/Neurits, liegt an Oberfläche anderer Nervenzellen
Synaspse = Verbindungsstelle zwischen Nervenzellen
Markscheide: Lipid-/Eiweißhülle, die das Axon umgibt
Ranvierscher Schnürring: unterbricht die Markscheide in Milimeterabständen
Schwannsche Zelle: bildet die Markscheide; wichelt sich ums Axon
Myelin: bildet die Markscheide

Membranpotential: Kleine Spannung an einer Membran, die durch unterschiedliche Konzentrationen von Anionen und Kationen entsteht

Ruhepotential:
Innerhalb der ruhenden Zelle -> hohe Konzentration an K+ und organischen Anionen
Außerhalb der ruhenden Zelle -> NA+ und CL- in hoher Konzentration

In Zellmembran ruhender Nervenzellen: vorwiegend Kaliumkanäle geöffnet -> Kaliumkonzentrationsgefälle -> K+ strömt von innen nach außen
-> Zellinneres wird negativ -> K+ lagert sich an der Außenmembran an -> an der Innenseite der Membran lagern sich die negativen Anionen an
Ein elektrisches Feld ist entstanden -> Spannung dieses Feldes = Ruhepotential (-60 bis -90 mV)
Starke negative innere Spannung hält ab bestimmten Wert K+-Ionen zurück; Wert bleibt konstant

Aktionspotential: Kurzzeitige Umpolung der Spannung; wird durch Reiz ausgelöst
1. Reiz trifft ein -> kleiner Anstieg der Spannungskurve
Natriumporen werden geöffnet -> Natriumionen strömen ins Innere, bauen Natriummembranpotential auf (+30mV)
2. Zeitversetzte Öffnung der Membran für Kaliumionen -> strömen aus -> kompensieren teilweise Natriummembranpotential
3. Ausstrom von Kalium -> AP
Einstrom von Natrium -> AP
Positive Ladung innen überwiegt da Natriumpotential > Kaliumpotential

Refraktärphase: nach dem Natriumioneneinstrom -> Kaliumionen strömen verstärkt nach außen -> Kompensation des Natriumeinstroms -> Spannungsänderung an der Membran, schießt leicht über RP hinaus (Hyperpolarisation)
-> Phase vom Beginn der Bildung des AP bis zur Wiederherstellung des RP
AP können vom Soma ausgehend nur in eine Richtung über den Neuriten wandern

Ionenpumpe hält RP aufrecht
Ionenpumpe = aktiver Transportmechanismus
Carrier (Trägermolekül) transportiert NA+ – Ionen nach außen und K+- Ionen nach innen
3 NA nach außen : 2 K nach innen -> gekoppelte Natriumkaliumpumpe, da Ionen gegen das Konzentrationsgefälles transportiert ist Energie nötig
Ionenpumpe arbeitet dauernd, da Membranen nicht völlig undurchlässig sind und ständig Natrium nach innen diffundiert

Leitung des Aktionspotentials
Natriumporen des Membranteils, der direkt neben dem erregten liegt, werden wegen der Spannungsänderung (AP) geöffnet -> Entstehung eines neuen AP direkt neben dem alten AP
bei Überschreitung einer bestimmten Schwellenwertspannung -> volles AP wird ausgelöst

saltatorische Erregungsleitung: AP „springt“ von Schnürring zu Schnürring
Stromfluss = Spannungsausgleich
Energieersparnis weil Ionenpumpe nur an Schnürringen arbeiten muss
Nur in eine Richtung möglich, der linke Schnürring ist immer in der Refraktärphase und deswegen nicht erregbar
saltatorische Erregungsleitung nur an markhaltigen Neuriten (Wirbeltiere, höhere Insekten)

Bau der Synapse

Synapse = Komplex aus Synapsenendknöpfchen und der darunter liegenden Membran einer anderen Nervenzelle oder eines Dendriten
synaptischer Spalt: trennt Synapsenendknöpfchen und Membran voneinander, kein Berührungspunkt -> Synapsenverbindung nicht fest, kann gelöst und neu verknüpft werden
Vesikel: Speicher der Transmittersubstanzen
Transmittersubstanzen: Überträgerstoffe, sorgen für Transport der Informationen zur nächsten Nervenzelle

Funktion der Synapse
AP kommt an -> Vesikel verschmelzen mit Zellmembran -> Transmittermoleküle werden entlassen und diffundieren durch den synaptischen Spalt -> reagieren mit Rezeptor (Eiweiß, welches die Natriumpore verschließt) -> Struktur des Rezeptors verändert, Pore geöffnet -> NA+Ionen strömen in Zelle ein -> bauen neues AP auf -> Transmittermoleküle werden von Enzymen zerstört, Spaltstücke zurück in Vesikel für erneute Herstellung -> Rezeptormolekül nimmt alte Form wieder an (Pore schließt sich wieder)

erregende Synapsen: rufen auf Empfängerzelle ein AP hervor
hemmenden Synapsen: spezielle Transmitter -> Chlorid-Poren werden geöffnet -> CL- Ionen fließen ein -> negative Ladung wird größer -> RP wird vertieft -> Wirkung anderer AP wird aufgehoben

Codierung von Information
Kanalspezifität: Jede Sinnesorgan hat eigene Nervenbahnen
Je stärker ein Reiz, desto schneller folgen die AP aufeinander -> unverfälschte Informationen möglich = Frequenzmodulation

Informationsverarbeitung

Weiterleitung von AP
Potential auf dem Soma klingt langsamer ab als auf dem Neuriten (Voraussetzung)
Je schneller die AP aufeinanderfolgen, desto höher wird die Spannung auf der Empfängerzelle

Wirkung einer hemmenden Synapse
Hemmender Transmitter der Synapse setzt die Spannung auf der Empfängerzelle herunter
wenn unter RP „gedrückt“, dann findet kein AP mehr statt

Zwei erregende und eine hemmende Synapse
Angepeilt: AP-AP-AP (1. Synapse)
AP-AP (2. Synapse)
-> AP AP AP AP AP

Jedoch: Hemmende Synapse in Mitte gefeuert -> ein AP wird gelöscht

Ergebnis: Drei einlaufende Informationen wurden zu einer neuen, d.h sie wurden verarbeitet
-> AP AP – AP AP

Merke: Mehrere Informationen mehrerer Synapsen addieren und subtrahieren sich, je nach Art der Synapse -> neue Informationen können entstehen.

Motorische Endplatte
motorische Neuronen: Nervenzelle, deren Neuriten zum Muskel laufen
motorische Einheit: motorisches Neuron + versorgte Muskelfaser
Je kleiner die motorische Einheit, desto genauer lässt sich Muskel koordinieren (Auge genauer als Oberschenkel)
Je mehr Einheiten gleichzeitig aktiviert werden, desto mehr Kraft kann der Muskel aufwenden.
Motorische Endplatte: Ort der Informationsübertragung von der Nervenzelle zur Muskelfaser
besteht aus einem großen Synapsenendknöpfchen, welches an der Oberfläche der Muskelfaser liegt
Vorgang: AP kommt an Synapse an -> Abgabe des Transmitters Acetylcholin in den synaptischen Spalt -> Membran durch Acetylcholin durchlässig für NA und K-Ionen -> Bildung eines Endplattenpotentials an der Muskelfaser, sofortige Ausbreitung über ganze Faser -> Freisetzung von Calcium-Ionen im Innern der Faser -> Einleitung der chemischen Reaktion für Kontraktion des Muskels -> Cholinesterase zerstört Acetylcholin