Biologie 9. Jgst. - Basiskonzept Information · Biologie 9. Jgst. - Basiskonzept Information 1 Basiskonzept Information – Übersicht 2 Sinnesorgane 2.1 Reizbarkeit 2.2 Die Rolle

Biologie 9. Jgst. - Basiskonzept Information1 Basiskonzept Information – Übersicht2 Sinnesorgane

2.1 Reizbarkeit2.2 Die Rolle des Rezeptors2.3 Übersicht zu Reizen und Sinnesorganen2.4 Vergleich mit Sinnesleistungen im Tierreich2.5 Bau des Auges2.6 Strahlengang (vgl. NuT Physik, 7. Jgst., Optik)2.7 Fern-, Nah-Akkomodation (Entfernungsanpassung)2.8 Fehlsichtigkeiten und Korrektur2.9 Hell-Dunkel-Adaptation2.10 Farbensehen2.11 Bau des Ohrs2.12 Gehörschäden2.13 Funktionsweise von Haarsinneszellen

3 Nervensystem3.1 Vergleich verschiedener Tierstämme3.2 Anatomische und funktionelle Gliederung3.3 Gliederung des Gehirns3.4 Lernen und Gedächtnis (Mehrspeichermodell)3.5 Reflexe3.6 Das Vegetative Nervensystem3.7 Bau und Funktion einer Nervenzelle3.8 Chemische Erregungsübertragung an einer Synapse3.9 Drogenwirkung

4 Hormonsystem4.1 Vergleich mit dem Nervensystem4.2 Übersicht4.3 Regelung des Blutzuckerspiegels (vereinfacht: ohne Glukagon)4.4 Die beiden verschiedenen Hormon-Wirkungsmechanismen auf zellulärer Ebene

5 Immunsystem5.1 Bakterien5.2 Viren5.3 Gliederung des Immunsystems5.4 Unspezifische Abwehr5.5 Humorale Immunantwort5.6 Zellvermittelte Immunantwort5.7 Aktive Immunisierung5.8 Passive Immunisierung5.9 Allergien

6 Genetik6.1 Grundbegriffe6.2 Informationsfluss in der Zelle6.3 Proteine bestimmen den Phänotyp6.4 Gene bestimmen den Bau der Proteine6.5 Vom Gen zum Protein6.6 Informationsfluss in die nächste Generation6.7 Organisation der genetischen Information in der Zelle in Form von Chromosomen6.8 Genauer Ablauf von Mitose und Meiose

1 Basiskonzept Information – Übersicht

Information

Sinnesorgane Nervensystem

HormonsystemImmunsystemGenetik

Aufnahme Weiterleitung & Verarbeitung

Weitergabe zwischen Zellen(Kommunikation und

Erkennung)

Weitergabe genetischer Information

an Nachkommen(Vererbung)

2 Sinnesorgane

2.1 Reizbarkeit

„Fähigkeit, auf bestimmte Umweltbedingungen oder deren Änderung mit aktiven Reaktionen zu antworten“

a) allgemeines Schema für einen Einzeller:

JakJ Biologie 9 Sinnesorgane 1/19

Reiz Reaktion(z.B. Bewegung oder

Stoffausschüttung)

Rezeptor(Sensor-Protein /Sinnes-Organell)

Zellmembran

b) allgemeines Schema für einen (tierischen) Vielzeller:


Sinnesorgan

Strukturen zur

Reizbündelung undReizweiterleitung

Sinnes(nerven)zellenals Rezeptor zur Reizumwandlung

in Erregung

ZNS

afferente Nervenbahnen zurErregungsleitung

efferente NervenbahnenMuskelzelle

als Effektor(Erfolgsorgan)

Reiz

Drüsenzelleals Effektor

Reaktion(z.B. Bewegung oder

Stoffausschüttung)

(+ evtl. Schutz)

Nervensystem

2.2 Die Rolle des Rezeptors

• Der Rezeptor ist eine Sinnes(nerven)zelle oder ein Membranabschnitt mit einem spezialisierten Protein(komplex).

• Der physikalische oder chemische Reiz wird umgewandelt in elektrische (oder chemische) Erregung.• Ein adäquater Reiz ist für einen bestimmten Rezeptor-/Sinneszelltyp geeignet


2.3 Übersicht zu Reizen und Sinnesorganen

(äußerer) Reiz Sinn Sinnesorgan Rezeptor

Licht Sehsinn Auge Sehsinneszellen(Zapfen Farbensehen⇒Stäbchen Hell-Dunkel-Sehen)⇒in der Netzhaut

Schallwellen Gehörsinn (Innen-)Ohr Hörsinneszellen im Schneckengang

Beschleunigung Gleichgewichtssinn(= Lage+Drehsinn)

Bogengänge im Innenohr

Drehsinneszellen in den Ampullen

Mechanische Dehnung Stellungs-/Bewegungssinn Muskelspindeln Sensible Nervenfasern

Druck, Berührung, Dehnung

Tastsinn Haut Berührungs- und Dehnungssinneszellen

Temperatur(änderungen)

Temperatursinn Haut Kalt- (< 37 °C),Warm- (< 45 °C) undSchmerz- (> 45 °C)Rezeptoren

Chemische Stoffe Geruchsinn Nasenschleimhaut Riechsinneszellen in der Riechgrube

Chemische Stoffe Geschmacksinn Zunge Geschmacksinneszellen in Geschmacksknospen

bei „inneren Reizen“ Überschneidungen mit dem Hormonsystem⇒JakJ Biologie 9 Sinnesorgane 4/19

Gliederung nach der Reizart: • physikalisch (optisch, akustisch, mechanisch, thermisch)• chemisch

Gliederung nach der Entfernung (z.B. Mensch):• Fernsinne (Gehörsinn, Sehsinn, Geruchsinn)• Nahsinne (Geschmacksinn, Tastsinn)

bei Tieren wichtig für den Beutefang!⇒


2.4 Vergleich mit Sinnesleistungen im Tierreich

(äußerer) Reiz Sinn Sinnesorgan Tiergruppe(n)

Infraschall Gehörsinn (Innen)Ohr Elefanten, Wale

Ultraschall Gehörsinn (Innen-)Ohr Fledermäuse

Polarisiertes Licht,UV-Licht

Sehsinn Auge Vögel

Druckwellen im Wasser Strömungssinn Seitenlinienorgan Fische

Magnetfeld der Erde Magnetsinn Magnetrezeptor im Auge und/oder Schnabel

(Zug-)Vögel, Insekten

Elektrische Felder Elektrischer Sinn „Lorenzinische Ampullen“

Haie, Rochen

Sinnesorgane wirken als Reizfilter⇒ (Tiere nehmen die Umweltreize anders wahr als der Mensch!)

Sinnesorgane sind je nach Lebensweise unterschiedlich ausgeprägt ⇒ (z.B. vgl. Hund/Katze bzgl. Sehsinn und Geruchsinn)

Sinnesorgane können in der Stammesentwicklung mehrfach unabhängig voneinander entstehen⇒ (z.B. Riechsinneszellen in der Zunge der Schlange und in Fühlern von Schmetterlingsmännchen) vgl. „Analogie“


2.5 Bau des Auges


Bestandteil Funktion allgemein [ vgl. 2.1 b) ]

① Hornhaut (Cornea) Lichtbrechung, Lichtleitung Strukturen zurReizbündelung undReizweiterleitung

② Linse Lichtbrechung (Fern-, Nah-Akkomodation)

③ Glaskörper Lichtleitung

④ Netzhaut (Retina) Reizumwandlung Sinnes(nerven)zellenals Rezeptor

⑤ Sehnerv Erregungsleitung afferente Nervenbahnen zurErregungsleitung

⑥ Regenbogenhaut (Iris) Hell-Dunkel-Adaption (vgl. „Blende“) Schutz(z.B. vor zu großer Reizintensität)

[Versorgung und Ausrichtung]

⑦ Pupille –-

⑧ Aderhaut Versorgung der Netzhaut

⑨ Lederhaut (Sclera) Schutz

⑩ Augenmuskel Bewegung (u.a. Ausgleich des „blinden Flecks)

⑪ Augenlid Schutz vor Fremdkörpern

⑫ Augenbraue Schutz vor Schweiß

Hornhaut und Linse dienen der Lichtbrechung für die Fern-Nah-Akkomodation.⇒ In der Netzhaut findet die Umwandlung des (Licht)Reizes in Erregung statt.⇒ Über den Sehnerv wird Erregung zum Gehirn weitergeleitet.⇒


2.6 Strahlengang (vgl. NuT Physik, 7. Jgst., Optik)

Da die Entfernung zwischen Linse und Netzhaut, also die Bildweite (beim Menschen) konstant ist, ⇒ die Gegenstandsweite aber variabel ist, muss die Brechkraft der Linse variabel sein.

Beim Fotoapparat oder bei Fischen ist die Linse starr und die Entfernung zwischen Linse und ⇒ Film bzw. Netzhaut wird an die jeweilige Gegenstandsweite angepasst.


Gegenstandsweite Bildweite

Brennweite

Parallelstrahl

Brennpunkt

BrennpunktstrahlMittelpunktstrahl

optische Achse

Mittelebene der Linse

Gegenstands-ebene

Bild-ebene

Parallelstrahl

Brennpunktstrahl

Bild-punkt

Die Brechkraft ist indirekt proportional zur Brennweite:

Brechkraft=1

Brennweite„Je höher die Brechkraft, desto geringer die Brennweite und umgekehrt.“

Eine Dioptrie (dpt) bezeichnet die Brechkraft einer Linse mit einem Meter Brennweite.

Bestandteil Dioptrien

Hornhaut 43 dpt

Kammerwasser -3,7 dpt

Linse (fernakkomodiert) 19,5 dpt –-

Linse (nahakkomodiert bei einem Kleinkind)

–- 33,5 dpt

Summe: 58,8 dpt 72,8 dpt

maximale Gesamtbrechkraftänderung: ca. 14 (nimm ab bis auf 0,5 im hohen Alter)

Je stärker die Linsenwölbung, desto höher die Brechkraft.

Bei Fernakkomodation ist die Brechkraft klein, ebenso die Linsenwölbung,⇒ bei Nahakkomodation ist die Brechkraft groß, ebenso die Linsenwölbung.

Bei Altersweitsichtigkeit nimmt die Elastizität der Linse und somit die Brechkraft ab.⇒


2.7 Fern-, Nah-Akkomodation (Entfernungsanpassung)

Bei niedriger Gegenstandsweite (Nahakkomodation) kugelt sich die Linse ab, ⇒ daher nimmt die Brechkraft zu und die Brennweite ab.

Bei großer Gegenstandsweite (Fernakkomodation) dagegen flacht sich die Linse ab.⇒


Brennweite

BrennweiteGegenstandsweite

Gegenstandsweite

Vorderansicht:

Linsenbänder (gespannt)

Ringmuskel (entspannt)

Ringmuskel (kontrahiert)

Linsenbänder (entspannt)

2.8 Fehlsichtigkeiten und Korrektur

a) Kurzsichtigkeit

Der Augapfel ist zu lang, das Bild weit entfernter Gegenstände ist ⇒ vor der Netzhaut scharf. Mit einer ⇒ Zerstreuungslinse wird die Brechkraft verringert, die Brennweite erhöht.


Brennweite

Gegenstandsweite

Brennweite

Gegenstandsweite

b) Weitsichtigkeit

Der Augapfel ist zu kurz, das Bild naher Gegenstände ist ⇒ hinter der Netzhaut scharf. Mit einer ⇒ Sammellinse wird die Brechkraft erhöht, die Brennweite verringert.




2.9 Hell-Dunkel-Adaptation

a) Schnelle Regelung über die Irismuskeln

Dauer: in Sekundenbruchteilen

hell dunkel

Ringmuskeln kontrahiert entspannt

Speichenmuskeln (radiär) entspannt kontrahiert

Pupille klein groß

Lichteinfall verringert erhöht

b) Langsame Regelung über die Menge an Sehpurpur (Rhodopsin) in der Netzhaut

Dauer: mehrere Minuten bis zu einer halben Stunde

hell dunkel

Menge an Sehpurpur nimmt ab nimmt zu

Lichtempfindlichkeit gering hoch


2.10 Farbensehen

a) Bau der Netzhaut

Nervenzellen

ca. 1 Million

Schaltzellen

u.a. Gegenfarbzellen

Lichtsinneszellen- Stäbchen (Hell-Dunkel-Sehen, 120 Millionen)- Zapfen (Farbensehen, 6 Millionen)

Pigmentschicht

Das Licht durchdringt zuerst die Nervenzellen, man spricht von einem „inversen“ Auge.⇒ Alle Nervenfasern laufen gebündelt am „blinden Fleck“ zum Sehnerv.⇒ An den Rändern liegen vermehrt Stäbchen, daher werden dort Bewegungen besser wahrgenommen.⇒ Im Zentrum liegen vermehrt Zapfen, daher ist dort das Farbensehen stärker ausgeprägt.⇒ Im Zentrum werden pro ableitender Nervenzelle weniger Stäbchen (mittels Schaltzellen) ⇒

zusammengefasst. Dies erhöht die Auflösung.


Licht

b) Farbwarnehmung

In der Netzhaut liegen drei Zapfentypen für Rot, Grün und Blau („RGB“)⇒ veraltete Dreifarbentheorie mit additiver Farbmischung≙

Ebenfalls in der Netzhaut und ⇒ auch in der Sehrinde des Gehirns liegen Gegenfarbzellen, so dass sich vier Grundfarben ergeben (Gegenfarbtheorie mit subtraktiver Farbmischung):

Typ: hier z.B. „+Blau/-Gelb“ hier z.B. „-Grün/+Rot“ Es gibt keine Mischfarben aus Rot und Grün und keine aus Blau und Gelb⇒ Gelb ist also ebenfalls eine Primärfarbe!⇒


Blau Grün Rot

Blau Gelb Weiß Grau Grün Rot

+ ++ + +– – –

Zapfentypen(in der Netzhaut)

Gegenfarbzellen(Auswahl)

2.11 Bau des Ohrs


Bestandteil Funktion allgemein [ vgl. 2.1 b) ]

① Außenohr Leitung, Übertragung undVerstärkungdes Schalls

Strukturen zurReizbündelung undReizweiterleitung② Trommelfell

③ Gehörknöchelchen

④ Mittelohr

⑤ Sinneszellen im Schneckengang des Innenohrs

Reizumwandlung Sinnes(nerven)zellenals Rezeptor

⑥ Hörnerv Erregungsleitung afferente Nervenbahnen zurErregungsleitung

2.12 Gehörschäden

Die Haarsinneszellen im Innenohr werden bei zu hoher Schallintensität (Schalldruck und Lautstärke) unumkehrbar geschädigt!

Zunächst betrifft dies v.a. höhere Töne, so dass Sprache bei Hintergrundgeräuschen nicht mehr ⇒ erkannt werden kann, was zu sozialer Isolation führt.


2.13 Funktionsweise von Haarsinneszellen

Ausgangszustand Reizumwandlung Erregungsübertragung

1. ankommender Schall drückt das Härchen zur Seite2. Rezeptor-Kanäle werden geöffnet3. Ionen (geladene Teilchen) strömen in das Zellinnere ein

4. Neurotransmitter werden freigesetzt5. Diese bewirken an einer nachgeschalteten Nervenzelle eine elektrische Erregung6. Diese Erregung wird zum Gehirn geleitet


3 Nervensystem

3.1 Vergleich verschiedener Tierstämme

Hohltiere Gliederfüßer Wirbeltiere

Zentralisierung nein ja ja

Lage des zentralen Marks

- Bauchseite Rückenseite

zunehmende Zentralisierung entlang der Längsachse und am Vorderende⇒

Entstehung des Zentralen Nervensystems (ZNS) mehrfach ⇒ unabhängig voneinander im Verlauf der Evolution

JakJ Biologie 9 Nervensystem 1/9

3.2 Anatomische und funktionelle Gliederung

z.B. bewusste Bewegungssteuerung:Sinnesorgan → afferentes somatisches PNS → ZNS → efferentes somatisches PNS → Effektorz.B. unbewusste Steuerung der Verdauungstätigkeit:„innerer Reiz“ → viszerales NS → ZNS → efferentes vegetatives PNS → Sympatikus/Parasympathikus


Nervensystem

Zentrales Nervensystem (ZNS) Peripheres Nervensystem (PNS)

Gehirn Rückenmark Somatisches NS Vegetatives NS

afferent(zum Gehirn hin)

efferent(vom Gehirn weg)

efferent

Sympathikus„Leistungsnerv“

Parasympathikus„Erholungsnerv“

afferent

Viszerales NS

3.3 Gliederung des Gehirns

...nach derEmbryonal-entwicklung

...nach Anatomie und Funktion

Funktion

Vorderhirn 1. Großhirn Motorische Rindenfelder Bewegungssteuerung⇒

Sensorische Rindenfelder Sinneswahrnehmungen⇒

Assoziative Rindenfelder Verknüpfung mit Erfahrungen/Gedächtnis⇒

2. Zwischenhirn Thalamus Filter zum Großhirn⇒

Hypothalamus Gefühle, Steuerung des vegetativen NS,⇒

Schnittstelle zum Hormonsystem an der Hypophyse (Hirnanhangsdrüse)

Mittelhirn 3. Mittelhirn Reflexe, Schlafrhythmus, Eingang visueller und auditorischer Erregung

Rautenhirn (Brücke) -

4. Kleinhirn Bewegungskoordination (Laufen, Radfahren)

5. Nachhirn Steuerung von Atmung und Blutkreislauf

Beim Menschen sind besonders die assoziativen Rindenfelder besonders stark ausgeprägt!⇒ Diese sind (verteilt) der Speicherort für das LangzeitgedächtnisJakJ Biologie 9 Nervensystem 3/9

3.4 Lernen und Gedächtnis (Mehrspeichermodell)

Speicherumfang Speicherdauer Vergessen durch...

sensorischer Speicher Recht groß Millisekunden bis Sekunden

Informationsverlust durch Unterbrechung der elektrischen ErregungKurzzeitgedächtnis Sehr klein

(ca. 7 Informationseinheiten)ca. 20 bis 45 Sekunden

Langzeitgedächtnis Sehr groß, umfasst das„Wissensgedächtnis“ mit Weltwissen und biographischen Erfahrungen und das„Verhaltensgedächtnis“ mit Fähigkeiten und Verhaltensweisen

Jahre Überschreiben oder fehlende Abrufbarkeit durch chemische Veränderungen an Synapsen oder Abbau von Nervenbahnen

Damit ein Gedächtnisinhalt ins Kurzzeitgedächtnis übernommen wird, muss dieser als relevant ⇒ bewertet werden (z.B. durch positive oder negative Emotionen, oder bekannte Muster).

Damit ein Gedächtnisinhalt ins Langzeitgedächtnis übernommen wird, muss dieser mehrfach ⇒ wiederholt werden. Bei jedem späteren Aufruf wird er dann in veränderter Form wieder erneut geschrieben.

Durch Schlafmangel oder Schädigung bestimmter Gehirnbereiche (z.B. durch Alkoholmissbrauch) kann⇒ die Gedächtnisbildung gestört sein.


3.5 Reflexe

a) Reiz-Reaktions-Schema

b) Beispiele

Reizwirkung am Rezeptor Umschalter im ZNS

Reaktion am Effektor

Kniesehnenreflex Mechanische Dehnung einer Muskelspindel im Oberschenkelmuskel

Eine einzige Synapse im Rückenmark

Kontraktion des Oberschenkelmuskels bewirkt eine Beinstreckung

Lidschlussreflex Lufstrom reizt Tastsinneszellen in der Hornhaut des Auges

Mehrere Synapsen im Nachhirn

Kontraktion des Augenlidmuskels führt zum Lidschluss

Wenn nur eine einzige Synapse als Umschalter dient, spricht man von einem ⇒ „monosynaptischen“ Reflex, ansonsten von einem „polysynaptischen“.

Wenn Rezeptor und Effektor im gleichen Organ (und Gewebe) liegen, spricht man von einem ⇒ „Eigenreflex“, ansonsten von einem „Fremdreflex“.

Reflexe laufen sehr schnell und recht starr ab; sie besitzen meist Schutzfunktion.⇒


Reiz

Rezeptor Umschalter im ZNS EffektorAfferenz Efferenz

Reaktion

3.6 Das Vegetative Nervensystem

a) Übersicht

Sympathikus„Leistungsnerv“

Parasymaptikus„Erholungsnerv“

Pupille erweitert verengt

Speichelfluss verringert vemehrt

Atemwege erweitert verengt

Herzfrequenz erhöht erniedrigt

Blutdruck erhöht(Blutgefäße der Haut verengt)

erniedrigt

Verdauungstätigkeit gehemmt gefördert

Beide arbeiten als Gegenspieler („Antagonisten“).⇒ typische Anzeichen von Angst: trockener Mund, schneller Herzschlag, Erblassen⇒ „Kampf-oder-Flucht“-Antwort⇒

b) Wirkung von (Dauer-)Stress

1. Der erhöhte Blutdruck führt zu Schäden am Herz und an den Arterien2. Über das Hormonsystem (Hypophyse, Nebenniere) wird die Arbeit des Immunsystems unterdrückt, so dass es zu chronischen Entzündungen, v.a. der Blutgefäße kommt 3. Im Extremfall drohen durch Schädigungen am Gehirn auch psychische Erkankungen wie Depression und Intelligenzminderung


3.7 Bau und Funktion einer Nervenzelle

Station Aufgabe

Dendrit Erregungsaufnahme

Axon Erregungsleitung (elektrisch, schnell), an den Schnürringen

Synapse Erregungsübertragung (chemisch, langsam), entweder(1) neuro-neuronal,(2) neuro-muskulär oder(3) neuro-sekretorisch


Soma

DendritAxon Synapse

SchwannscheZellen Ranviersche

Schnürringe

3.8 Chemische Erregungsübertragung an einer Synapse

1. Vom Axon trifft eine elektrische Erregung am Axonendknoten ein.

2. Der Neurotransmitter wird in den synaptischen Spalt ausgeschüttet.

3. Der Neurotransmitter trifft auf einen Rezeptor und es wird eine elektrische Erregung

an der postsynaptischen Membran ausgelöst.4. Der Neutrotransmitter wird durch ein Enzym vom Rezeptor abgespalten und wieder in den Axonendknoten aufgenommen.


3.9 Drogenwirkung

a) Wirkungsweise

Die meisten Drogen blockieren meist die Wiederaufnahme eines oder mehrerer Neurotransmitter (meist Noradrenalin, Dopamin oder Serotonin) in bestimmten Gehirnregionen (z.B. im Belohnungszentrum), so dass dessen Menge im synaptischen Spalt erhöht wird, und kurzfristig eine euphorisierende Wirkung eintritt (z.B. Kokain oder Ecstasy/MDMA).

Seltener können Drogen auch als Neuromodulator wirken, d.h. die Wirkung eines aktivierenden Neutrotransmitters abschwächen, so dass eine dämpfende Wirkung eintritt (z.B. Heroin).

Die chemische Struktur von Drogen ähnelt meist sehr stark der des entsprechenden Neurotransmitters.

b) Grundproblem

Die Empfindlichkeit der Rezeptoren nimmt ab, so dass eine immer höhere Drogenmenge benötigt wird, um die gleiche Wirkung zu erreichen.Die „normale“ Neurotransmittermenge führt bereits zu Entzugserscheinungen. Es werden verstärkt Synapsenverbindungen komplett mit ihren Axonen abgebaut, so dass es langfristig zu Gehirnschäden kommt.

c) Nichtstoffliche Süchte

Auch andere Belohnungsreize wie Glücksspiel oder Pornokonsum können das Belohnungszentrum überreizen und so nicht stoffgebundene Süchte auslösen.


4 Hormonsystem

4.1 Vergleich mit dem Nervensystem

hormao (grch.) = „antreiben, anregen“

JakJ Biologie 9 Hormonsystem 1/5

Transport derchemischen Erregung

in der Blutbahn

elektrische Erregungs-Leitung

am Axon

chemische Erregungs-Übertragung auf einen

Rezeptor

chemische Erregungs-Übertragung auf einen

Rezeptor ⇒ schnell, gerichtet ⇒ langsam, ungerichtet

4.2 Übersicht

VegetativesNervensystem

Hormonsystem

Befehlsebene Gehirn (Hypothalamus)

Hypophyse

Neurotransmitter bzw.(Steuer)hormone

Acetylcholin Thryrotropin (TSH)

Verstärkerebene Sympathikus Nebennierenmark Langerhanssche Inseln

Schilddrüse

Neurotransmitter bzw. (End)Hormone

Acetylcholin Adrenalin Insulin oderGlukagon

Thyroxin

Ausführebene z.B. Herzmuskel Leberzellen fast alle Körperzellen

Regelung... der Herzfrequenz des Blutzuckerspiegels

der Körpertemperatur

Aufgabenbereich Stressreaktion Homöostase Bei der Stressreaktion arbeiten Nerven- und Hormonsystem eng zusammen.⇒ Bei der Regelung des Blutzuckerspiegels wirken zwei antagonistische Hormone.⇒ Bei der Regelung der Körpertemperatur bewirkt ein ⇒ Steuerhormon die Ausschüttung eines Endhormons Bei der Stressreaktion werden zusätzlich über ⇒ ACTH (aus der Hypophyse) und später Kortisol (aus der

Nebennierenrinde) Entzündungsreaktionen des Immunsystems beeinflusst


4.3 Regelung des Blutzuckerspiegels (vereinfacht: ohne Glukagon)

a) Pfeilschema

Gleichsinnige⊕ Beziehung:• Je mehr Glucose im Blut, desto mehr Insulin wird ausgeschüttet.• Je weniger Glucose im Blut, desto weniger Insulin wird ausgeschüttet.

b) Hormonwirkung

Ungleichsinnige⊖ Beziehung:• Je mehr Insulin im Blut, desto weniger Glucose bleibt im Blut,

da mehr in den Leberzellen in Form von Glykogen gespeichert wird.• Je weniger Insulin im Blut, desto mehr Glucose bleibt im Blut,

da mehr in den Leberzellen aus dem Abbau von Glykogen freigesetzt wird.

Die Regelung erfolgt über eine „negative Rückkopplung“.⇒


InsulinGlucose(„Traubenzucker“)

+

–

c) Formen der „Zuckerkrankheit“

Typ I-Diabetes Typ II-Diabetes

Symptom dauerhaft erhöhter Blutzuckerspiegel

Ursache Insulinmangel (z.B. Absterben von Langerhansschen Zellen)

Defekte Insulinrezeptoren an den Leberzellen

Behandlung Insulinzufuhr nach Mahlzeiten Diät und Gewichtsreduktion


4.4 Die beiden verschiedenen Hormon-Wirkungsmechanismen auf zellulärer Ebene

z.B. Insulin, Glucagon, Adrenalin, Thyroxin z.B. Sexualhormone wie Testosteron, Östrogene ähnlich der zellvermittelten Immunantwort⇒


2. Es wird ein Protein gebildet, das weitere Veränderungen bewirkt.

1. Das Hormon, kann die Zellmembran nicht passieren, und bindet sich an einen Rezeptor

2. Ein „second Messenger“, also ein „zweiter Botenstoff“ bewirkt dann die Stoffwechselveränderung

1. Das Hormon, passiert die Zellmembran und bindet sich im Zellkern an die Erbinformation (DNA)

5 Immunsystem

5.1 Bakterien

Bakterielle Infektionskrankheit Infektionsweg Symptome

Salmonellose Rohes Fleisch Erbrechen, Durchfall

Syphilis Geschlechtsverkehr(Kondome!)

Geschwüre mit hartem Rand, Lymphknotenschwellung, Gewebszerfall

Wundstarrkrampf, Tetanus Erde, Rost bei offenen Wunden

Benommenheit, Atemnot, Tod

Tuberkulose Tröpfchen, infizierte Milch Fieber, Husten, Gewichtsabnahme, Aushusten von Blut

Scharlach Hautschuppen Kleinfleckiger roter Ausschlag

JakJ Biologie 9 Immunsystem 1/12

Zellwand (aus Murein, Antibiotika hemmen die Synthese)

ZellmembranErbinformation (DNA-Ring = „Plasmid“, kein echter Zellkern!)

Form: Stäbchen „Bazillen“ oder Kugeln „Kokken“

Vermehrung: ungeschlechtlich durch (Zwei)Teilung

Schadwirkung: Abgabe von Giftstoffen („Toxinen“)

5.2 Viren

a) Bau

keine Zellen, kein eigener Stoffwechsel, daher helfen hier keine Antibiotika⇒ bestehen nur aus reiner ⇒ Erbinformation mit einer Hülle, sie sind daher

auf den Stoffwechsel einer Wirtszelle angewiesen


Viren, die Bakterien befallen: Viren, die tierische Zellen befallen:

Capsid (Proteinhülle)

(Wirts-)Zellmembran

Erbinformation (DNA oder RNA-Strang)

Injektionsapparat

Andockstellen

b) Vermehrungszyklus Bakterien befallender Viren


4. Zellauflösung ( „lytisch“)⇒ und Freisetzung

3. Herstellung von Virus-DNA und Capsiden

2. Einbau der Virus-DNA in die Bakterien-DNA

1. Injektion der Virus-DNA

c) Vermehrungszyklus des Humanen Immunschwäche Virus (HIV)


3. Herstellung von Virus-RNA, Capsiden und Reverser Transkriptase

1a. Andocken und Einschleusen der Virus-RNA und des Enzyms Reverse Transkriptase

4. Abschnüren mit (Wirts-)Zellmembran „⇒ Tarnung“

1b. Erzeugen der Virus-DNA durch „reverse Transkription“ „Retrovirus“⇒

2. Einbau der Virus-DNA in die menschliche-DNA im Zellkern

d) Virale Infektionskrankheiten

Virale Infektionskrankheit Infektionsweg Symptome

Grippe Atemluft Fieber, Muskelschmerzen, Halsschmerzen, Husten, Schnupfen

Kinderlähmung Polio(myelitis) Schmierinfektion Lähmungen

Röteln Berührung Leichter Hautausschlag, gefährlich bei Schwangerschaft

Windpocken Tröpfcheninfektion Rote Flecken, Wasserbläschen

Masern Fieber, Husten, Hautausschlag

Mumps Schwellung der Speicheldrüsen

sehr weit verbreitet und sehr häufig⇒ auch die sogenannten „Kinderkrankheiten“ können sehr gefährlich sein, ⇒

eine Impfung ist daher empfehlenswert! Schutzmaßnahmen: Händewaschen, ggf. Mundschutz⇒


5.3 Gliederung des Immunsystems

Unspezifische Abwehr Spezifische Abwehr

Humorale Immunantwort Zellvermittelte Immunantwort

- Haut und Schleimhäute

- Entzündungsreaktionen mit

Riesenfresszellen

(„Makrophagen“)

B-Plasmazellen bilden Antikörper

gegen extrazelluläre

Krankheitserreger

T-Killerzellen mit

T-Zellrezeptoren bekämpfen

intrazelluläre Krankheitserreger

- wird aktiviert durch T-Helferzellen

- Immungedächtnis durch B- und T-Gedächtniszellen

schnell (Minuten bis Stunden) langsam (mehrere Tage bis Wochen)

Aus Stammzellen im Knochenmark entstehen:

• B-Zellen durch Reifung im Knochenmark (engl. „Bone marrow“)• T-Zellen durch Reifung im Thymus

Therapie von Leukämie „Blutkrebs“:

• Symptom: Überproduktion von weißen Blutkörperchen (u.a. B- und T-Zellen)1. Zerstörung des Knochenmarks des Empfängers.

In dieser Zeit ist er sehr anfällig für Infektionen! 2. Übertragung von Stammzellen eines Spender-Knochenmarks,

die dann die Produktion B- und T-Zellen übernehmen.


5.4 Unspezifische Abwehr

a) Haut und Schleimhäute

• Mechanische Barrieren (z.B. zähflüssiger Schleim)• Chemische Waffen (z.B. Säureschutzmantel, Magensäure, Lysozym in Speichel)

b) Entzündungsreaktionen

Lokal:1. Bindegewebszellen setzen Histamine frei.2. Blutgefäßerweiterung führt zur Rötung und Wärmeentwicklung.3. Lymphe dringt in das Gewebe ein und führt zur Schwellung ( Dehnungsschmerz).⇒4. Makrophagen werden angelockt.

Systemisch:• Fieber,

bei übersteigerter Reaktion: Septisch-toxischer Schock

c) Antimikrobielle Proteine

Von intrazellulären Krankheitserregern befallene Zellen geben Interferone ab. Diese schützen benachbarte Zellen vor einer Infektion.


5.5 Humorale Immunantwort

Das ⇒ freie Antigen passt nach dem „Schlüssel-Schloss-Prinzip“ genau zur Antigen-Bindungsstelle bzw. zum Antikörper.

„humoral“, da die Antikörper über Lymphe oder Blut transportiert werden⇒

Ziel:Produktion von Antikörpern durch B-Plasmazellen; die freien Antigene verklumpen.

Immungedächtnis:Bei erneutem Kontakt mit dem gleichen Antigen teilen sich die B-Gedächtniszellen sehr schnell und bilden B-Plasmazellen, die dann sehr schnell Antikörper produzieren.


B-Zellen

„Klon“ der selektierten B-Zelle

B-Gedächtniszellen

B-Plasmazellen Antikörper

verschiedenartigeAntigen-

bindungsstellen

freie Antigene

infizierte Zelle

aktivierteT-Killerzelle

Antigen-Bruchstücke

T-Gedächtniszellen

Perforin

Antigen-präsentierendeinfizierte Zelle

T-Killerzelle mit T-Zellrezeptor

„Klon“ aktivierter T-Killerzellen

5.6 Zellvermittelte Immunantwort

infizierte Zellen „benachrichtigen“ die T-Killerzellen⇒ „zellvermittelt“, da der membrangebundene T-Zellrezeptor die infizierten Zellen erkennt ⇒

Ziel: Zerstörung infizierter Zellen durch aktive T-Killerzellen

Immungedächtnis:Bei erneutem Kontakt mit dem gleichen Antigen(bruchstück) teilen sich die T-Gedächtniszellen sehr schnell und bilden T-Killerzellen.


5.7 Aktive Immunisierung

(vereinfacht am Beispiel der humoralen Immunantwort)


B-Gedächtniszellen

jeder erneute Antigenkontakt

⇒ sehr schnelle Immunantwort aufgrund des Immungedächtnisses

B-Plasmazellen

5.8 Passive Immunisierung

Das Immungedächtnis wird nicht aktiviert!⇒


egal ob ersteroder zweiter

Antigenkontakt!

Blutserum

5.9 Allergien

a) Entstehung

- Erstkontakt:

- Zweitkontakt:

b) Komplikation: Anaphylaktischer Schock

Gefäßerweiterung führt zu starkem Blutddruckabfall und Kreislaufkollaps (vgl. septisch-toxischer Schock)

c) Behandlung

Hyposensibilisierung (= Desensibilisierung): Zugabe geringer Allergen-Mengen führt zu einer Umwandlung von IgE-produzierenden B-Zellen in IgG-produzierende B-Zellen. Passende IgG-Antikörper fangen das Allergen rechtzeitig ab, bevor es mit den an die Mastzellen gebundenen IgE-Antikörpern in Kontakt kommt. Bei zu hoher Dosis wirkt aber die Verstärkung über T-Helferzellen zu stark.


Allergene: Eigentlich harmlose Antigene aus der Umwelt

B-Plasmazellen IgE-Antikörper Mastzellen im Bindegewebe

Histamin

6 Genetik

6.1 Grundbegriffe

Vererbung := Weitergabe von genetischer Information

Gen := Genetische Information für die Ausbildung eines Merkmals

Allel := Variante eines Gens, die für eine bestimmte Ausprägung sorgt

Genotyp := Gesamtheit der genetischen Information eines Individuums

Phänotyp := Gesamtheit aller (sichtbaren) Merkmale eines Individuums

DNA := Desoxyribonukleinsäure, Informationsträger der genetischen Information

Protein := Baustoff oder Enzym; bestimmt den Phänotyp

6.2 Informationsfluss in der Zelle

JakJ Biologie 9 Genetik 1/8

Gen Protein

Merkmal aufPhänotyp-Ebene

6.3 Proteine bestimmen den Phänotyp

• Proteine bestehen aus langen Ketten miteinander verknüpfter Aminosäuren. • Es werden etwa 20 verschiedene Aminosäuren eingebaut.• Diese Ketten besitzen einen bestimmten räumlichen Bau, der davon abhängt, welche Aminosäure

sich an einer bestimmten Position befindet.• Dieser räumliche Bau ist entscheidend für die Funktionsfähigkeit des Proteins.


Protein


Aminosäuresequenz

Räumlicher Bau

Funktionsfähigkeit

6.4 Gene bestimmen den Bau der Proteine

• Die DNA besteht aus aus zwei langen, spiralig gewundenen Nukleinsäure-Ketten, miteinander verknüpfter Nukleotide.

• Es werden vier verschiedene Nukleotide eingebaut, die sich in ihren Basen unterscheiden.• Immer drei aufeinanderfolgende Nukleotide/Basen eines Genabschnitts bestimmen, welche

Aminosäure an einer bestimmten Position des Proteins eingebaut wird. Diese Übersetzung „Translation“ erfolgt mit Hilfe des genetischen Codes.

• Vor der Übersetzung findet im Zellkern zunächst eine Umschreibung „Transkription“ in messenger RNA (mRNA) statt, die dann außerhalb des Zellkerns übersetzt wird.


Nukleotidsequenz

2. Translation

Gen Protein

AminosäuresequenzDNA-Abschnitt mRNA

1. Transkription

6.5 Vom Gen zum Protein

Das Ablesen der Gene („⇒ Baupläne“) kann z.B. durch Hormone beeinflusst werden. Die Gene geben nur den möglichen Rahmen vor, der tatsächliche Phänotyp kann durch ⇒

Umwelteinflüsse beeinflusst werden (z.B. Krafttraining)!


Aminosäuresequenz

Protein


Räumlicher Bau

Funktionsfähigkeit

2. TranslationmRNA

1. Transkription

Nukleotidsequenz

Gen

DNA-Abschnitt

6.6 Informationsfluss in die nächste Generation

a) Identische Zellteilung (bei ungeschlechtlicher Fortpflanzung oder Wachstum)

Bei der ⇒ Mitose werden zwei identische Tochterzellen gebildet


genetische Information

identischegenetische Information

identischegenetische Information

Mitose

b) Keimzellenbildung und anschließende Befruchtung (bei geschlechtlicher Fortpflanzung)

Bei der ⇒ Meiose (= Keimzellenbildung) wird die genetische Information halbiert!



♂


♀Urkeimzellen

Meiose Meiose

Keimzellen

halbiertegenetische Information

♂

halbiertegenetische Information

♀

neu kombiniertegenetische Information

Befruchtung

Befruchtete Eizelle

6.7 Organisation der genetischen Information in der Zelle in Form von Chromosomen

Zweck: - kompakte Transporteinheiten („Koffer“) für Mitose und MeioseBau: - zwei Untereinheiten Chromatiden ( dies ermöglicht eine Halbierung) und ⇒

- ein Centromer als „Griff“Anzahl: - kommen immer paarweise vor (Ausnahme: in Keimzellen einzeln)

- beim Menschen insgesamt 23 Paare, davon 1 Paar für die Geschlechtsbestimmung (XX oder XY) und 22 Paare für alles andere

Die geordnete Abbildung aller 46 Chromosomen bezeichnet man als „Karyogramm“.


6.8 Genauer Ablauf von Mitose und Meiose

Vgl. Übungsaufgaben zum Biologie-Lernprogramm „Zellzykler“

biologie-lernprogramme.de/daten/html/zellzykler.html


http://biologie-lernprogramme.de/daten/html/zellzykler.html

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Biologie 9. Jgst. - Basiskonzept Information · Biologie 9. Jgst. - Basiskonzept Information 1 Basiskonzept Information – Übersicht 2 Sinnesorgane 2.1 Reizbarkeit 2.2 Die Rolle