BIOLOGIE Abitur 2021 Themen: Stoffwechsel / Zytologie 2. Ökologie 3. Genetik 4. Evolution 5. Neurobiologie - Knowunity
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BIOLOGIE Abitur 2021
Themen:
1. Stoffwechsel / Zytologie
2. Ökologie
3. Genetik
4. Evolution
5. Neurobiologie
1
STOFFWECHSEL / ZYTOLOGIE
PROKARYOTEN / EUKARYOTEN
Eucyte / Eukaryoten Procyte / Prokaryoten
haben einen Zellkern haben KEINEN Zellkern
sind Einzeller, Pilze, Pflanzen, Tiere sind Bakterien, Archaeen
DNA im Zellkern DNA freiliegend als ringförmiges Molekül + viele DNA-
Ringe
Zellwand (pflanzliche Zellen & Tiere: JA / tierische Zellwand
Zellen: NEIN)
Zellmembran Zellmembran
Cytoplasma
Zellkern
mehrere lineare Chromosomen ein zirkuläres Chromosom
Ribosomen Ribosomen
Mitochondrien
Endoplasmatisches Retikolum
Golgi-Apparat
eventuell Geißel
ZELLE
Cytoplasma
- durchscheinender, leicht körniger Inhalt in Zelle → Zellorganellen darin eingebettet
- Ort für vielfältige Stoffwechselvorgänge
- keine strukturell einheitliche Masse → zahlreiche voneinander abgegrenzte Strukturelemente
- besteht aus meist organischen Stoffen → Proteine, Lipide, Polysaccharide, RNA, kleine org. Moleküle
- 60%-90% Wassergehalt
- dient Transport von Stoffen
2
Vakuolen
- membranumschlossene Räume
- groß → im Lichtmikroskop leicht erkennbar
- bei Einzellern z.B. als Nahrungsvakuole
Pflanzenzelle
- große Zellsaftvakuole → zentrale Vakuole, Zellsaftraum → nimmt bei ausgereiften Pflanzenzellen größten
Teil des Zellinnenraums ein
- von Membran begrenzt
- enthält wässrige Lösung → Zellsaft aus Ionen, organischen Verbindungen, Säuren & Farbstoffen
- gehört zum nicht-plasmatischen Bereich der Zelle
- Vesikel: - sehr kleine Membranbläschen (nicht erkennbar)
- schließen nicht plasmatischen Raum ein
- sollen Substanzen in Zelle transportieren & speichern
Endoplasmatisches Retikulum
- inneres Membransystem der Zelle → Labyrinth aus Kanälen & flachen Räumen
- ziehen sich durch ganzes Cytoplasma
- 2 Formen: → raues ER: Membranen tragen auf Außenseite zahlreiche Ribosomen
→ glattes ER: trägt keine Ribosomen
- ändert ständig seine Form durch Abschnüren & Aufnehmen von Vesikeln
- dient als Transportsystem
- verteilt & leitet Substanzen (vor allem Proteine)
- bestimmte Substanzen werden gespeichert & umgewandelt (Sekrete von Drüsenzellen)
- großes ER → viel Proteinbiosynthese
Ribosomen
- sehr kleine, massive Körperchen aus Proteinen & RNA-Molekülen (ohne Hohlraum + ohne Membran)
- freie Ribosomen können wie Perlenschnur im Cytoplasma liegen (Polysomen)
- Funktion der Proteinbildungsmaschinen
- verketten Aminosäuren zu Polypeptiden & Proteinen
Chloroplast
- in Pflanzenzellen enthalten (nicht in Tierzellen & Prokaryoten)
- enthaltenes Chlorophyll sorgt für grüne Farbe der Pflanzen
- besitzen Doppelmembran & eigene DANN
- wichtigster Bestandteil zum Ablauf der Fotosynthese
Mitochondrien
- energieliefernde Zellorganellen in Eukaryoten
- nicht in Prokaryoten enthalten
- von Doppelmembran umschlossen
- im Inneren röhrenförmig
- „Kraftwerk der Zelle“ → Bildung von ATP
3
PFLANZENZELLE / TIERZELLE
MEMBRANTRANSPORTPROZESSE
Stofftransport durch Biomembranen - Passiver Transport
- bei Transportproteinen unterscheidet man zwischen Kanälen & Carriern
- Kanäle werden von Tunnelprotein gebildet → durchspannen Membran ganz
- tragen zum Inneren des Kanals polare Aminosäuren in Zelle → kleine polare Teilchen wie Ionen
Kanäle
- Zellmembran passiert Wasser über spezielle Wasserkanäle (Aquaporine)
- meisten Kanäle öffnen sich auf Signal
- Carrier sind auf spezielle Moleküle spezialisiert → besitzen Bindungsstelle für diese
- wenn sich Carrier kurzzeitig mit Substrat verbindet, ändert er seine Konformation → betreffendes
Carrier
Molekül durch Membran geschleust & auf anderer Seite freigesetzt
- manche besitzen Bindungsstelle für 2 verschiedene Moleküle
→ ändern Konformation erst, wenn beide Bindungsstellen besetzt sind
→ Transport erfolgt in gleicher (Symport) oder entgegengesetzter (Antiport) Richtung (Cotransport)
- findet über Tunnelproteine in Richtung des Konzentrationsgefälles statt
- Zelle muss keine Energie aufwenden → passiv
4
Stofftransport durch Biomembranen - Aktiver Transport
- viele lebensnotwendige Stoffe liegen außerhalb der Zelle nur in geringen Konzentrationen vor
→ müssen gegen Konzentrationsgefälle der Membran befördert werden
- Zelle muss Energie bereitstellen (ATP)
- erfolgt mit Hilfe von Carriern
- beim primär aktiven Transport erfordert An- & Abkoppeln des Substrats selbst Energie
- beim sekundär aktiven Transport wird dann der zu transportierende Stoff zusammen mit den
zurückströmenden Ionen von einem Carrier durch die Membran befördert
Diffusion
- passiv ablaufender Prozess (keine Energie wird aufgewendet)
- findet solange statt bis Konzentrationsgefälle ausgeglichen wurde
- solange Konzentrationsgefälle noch vorhanden ist, bewegen sich mehr Teilchen in Richtung der
geringeren Konzentration
- Diffusion wird bei Erhöhung der Temperatur beschleunigt
Osmose
- einseitig gerichteter Diffusionsvorgang durch semipermeable Membran
- Wasser kann semipermeable Membran immer durchdringen → Stoffe wie Zucker / Salz jedoch nicht
- Teilchen bestreben Konzentrationsausgleich zwischen Innen- & Außenraum der Membran
- Wasser fließt immer vom Ort des höheren Wasserpotenzials (weniger gelöste Teilchen) in Richtung des
niedrigeren Wasserpotenzials (mehr gelöste Teilchen)
- osmotischer Druck besteht solange, bis es zum Ausgleich der Konzentrationen auf beiden Membranseiten
kommt → ab da fließt in beide Richtungen die gleiche Menge Wasser
Ionenpumpen
- regulieren Transport bestimmter Ionen durch Biomembran (→ Lipiddoppelschicht der Biomembran für
Ionen undurchlässig)
Plasmolyse
- Volumen von Zellplasma nimmt in hypertonischer Umgebung ab, weil es Wasser an Umgebung verliert
- zunehmend entwässertes Zellplasma löst sich von Zellwand ab → zusammengedrückt von dem hohen
osmotischen Druck der umgebenden Lösung
- auch Vakuole verliert Volumen (ausströmendes Wasser)
- tierische Zellen verlieren an Form & schrumpfen
Deplasmolyse
- Rückgängigmachen von Plasmolyse
- Zelle in ihre osmotischen Wert entsprechende, isotonische, Umgebung bringen
- gelingt nur, wenn Zellen durch ihren Wasserverlust noch keine Schäden haben
- Fähigkeit zu Plasmolyse & Deplasmolyse ist Testkriterium für Lebensfähigkeit von Zellen
- kann in hypotonischer Umgebung oder in reinem Wasser durch Wasserstrom zum platzen kommen
hypertonisch: Außenmedium hat eine höhere Konzentration als Innenmedium
isotonisch: Außenmedium & Innenmedium haben gleiche Konzentration
hypotonisch: Außenmedium hat eine geringere Konzentration als Innenmedium
5
STOFF- UND ENERGIEWECHSEL
Assimilation Dissimilation
Aufbauender Stoffwechsel, Aufbauender Stoffwechsel
Umwandlung körperfremder zur Energiegewinnung,
Stoffe in körpereigene energiereiche Stoffe werden
Substanzen in energieärmere Stoffe
umgewandelt
Heterotrophe Autotrophe Atmung Gärung
Assimilation Assimilation Dient dem Abbau Dient dem Abbau
Aufbau körpereigener Aufbau körpereigener energiereicher Stoffe organischen Materials
organischer Stoffe aus organischer, zur Energiegewinnung zur Energiegewinnung
körperfremden, energiereicher Stoffe unter aeroben unter anaeroben
energiereichen, aus körperfremden, Bedingungen Bedingungen
organischen Stoffen energiearmen,
anorganischen
Stoffen
Fotosynthese Chemosynthese
Organismen nutzen Organismen nutzen
Lichtenergie zum chemische Energie
Aufbau zum Aufbau
körpereigener, körpereigener,
organischer, organischer,
energiereicher Stoffe energiereicher Stoffe
FOTOSYNTHESE
Ort der Fotosynthese: Blätter, Zellen, Chloroplasten
Blattquerschnitt
obere Cuticula: Transpirationsschutz
obere Epidermis: Schutz vor äußeren
Einflüssen
Palisadengewebe: Fotosynthese
Leitbündel: Stofftransport
Schwammgewebe: Fotosynthese
untere Epidermis: Stoffaustausch,
Schutz
Chloroplast: Fotosynthese
Interzellularräume: Gasaustausch
Spaltöffnung (Stoma): Kontrolle
Wasserabgabe & Stoffe
Schließzelle: überwacht Spaltöffnung
6
Chloroplast
1 - äußere Membran: grenzt von umgebendem Cytoplasma ab | Stoffaustausch
2 - Thylakoid: Aufnahme von Lichtenergie
3 - Membranen mit Chlorophyll
4 - DNA: Speicherung Erbinfo | steuert Chloroplast
5 - innere Membran: bildet Thylakoide | enthalten Chlorophyll
6 - Stroma: ermöglicht Stofftransport
7 - Ribosomen: Übersetzen Erbinfo | produzieren Proteine
8 - Fetttröpfchen: Speicherung
Thylakoide: - „Werkbank des Chloroplasten“
- Thylakoidmembran besteht aus ca. 6mm dicken Lipid-Doppelschicht → Biomembran
→ Proteinmoleküle eingelagert
→ Enzymkomplex der Fotosynthese besonders hoch
→ enthält Blattpigmente → Chlorophyll
→ an Proteinkomplex gebunden
→ für Aufnahme von Lichtenergie wichtig
Licht – Farbe – Absorption
- Licht ist Energie
- Licht ist der mit unseren Augen wahrnehmbare Teil des Spektrums elektromagnetischer Strahlung
- Ausbreitung mit Lichtgeschwindigkeit (300 000 km/s)
- setzen sich aus kleinsten Energiebeträgen (Quanten) zusammen
- als Teilchen → Photonen | als Strahlen → Wellen
- Licht, das sich aus allen Wellenlängen zusammensetzt → unbunt
- Licht eines einzelnen Wellenlängenbereichs → Farbreiz
- Licht einer einzigen Wellenlänge → monochromatisch
- Gegenstand erscheint uns farbig, wenn Licht nicht alle Wellenlängenbereiche in gleichen Anteilen umfasst
- → enthält dann Pigmente, die einzelne Wellenlängenbereiche verschlucken (absorbieren)
- Wellenlängenbereiche: 400 – 500nm: blau
500 – 550nm: grün
550 – 600nm: gelb
über 600nm: rot
7
ABLAUF DER FOTOSYNTHESE
Allgemeines:
− Bereitstellung von chemischer Energie und Reduktionsmitteln in Form von ATP & NADPH + H+
− laufen in Thylakoiden der Chloroplasten ab
− Fotosystem I: P680 | Fotosystem II: P700
− mehrere Redoxsysteme und ATP-Synthase ebenfalls beteiligt
Lichtabhängige Reaktion: 2H2O + 2NADP + 3ADP + 3P → O2 + (2NADPH + H+) + 3ATP
- FS II mit Licht bestrahlt → Chlorophyll im Reaktionszentrum angeregt → gibt Elektron an Akzeptor ab
- oxidiertem Chlorophyll wird durch wasserspaltenden Enzymkomplex wieder ein Elektron zugeführt
→ durch Licht veranlasste Wasserspaltung = Fotolyse (P680 Fotolyse: 2H2O → 4H+ + O2 + 4e-)
→ gebildeter Sauerstoff wird frei
- vom FS II gelangen Elektronen über Elektronentransportkette aus mehreren Redoxsystemen zum FS I
- parallel pumpt das Redoxsystem Plastochinon Protein ins Innere der Thylakoide
→ zusammen mit Proteinen aus der Wasserspaltung bewirken sie Ladungs- & Konzentrationsgefälle, das
von der ATP-Synthase zur ATP-Bildung genutzt wird Fotophosphorylierung
- auch FS I gibt nach Anregung durch Licht ein Elektron an zweite Elektronentransportkette weiter
→ übernimmt von FS II zugeführtes Elektron
→ Elektron von FS I gelangt wieder in Grundzustand
→ am Ende der Elektronentransportkette werden Elektronen auf H-übertragendes Coenzym NADP+
übertragen → wird dadurch zu NADPH + H+ reduziert
Lichtunabhängige Reaktion:
→ an Lichtreaktion eng gekoppelt (benötigen Endprodukte ATP & NADPH + H+)
- Einschleusung von CO2 durch den Enzymkomplex (wird auf Zucker als CO2 – Akzeptor übertragen)
- Reaktionsprodukt mit 6 C-Atomen zerfällt in 2 Moleküle mit 3 C-Atomen
→ wird durch ATP der Lichtreaktion zu Bis-Phosphoglycerinsäure gemacht (Energiezufuhr)
- die Bis-Phosphoglycerinsäure wir durch NADPH + H+ aus der Lichtreaktion zu PGA reduziert (Reduktion)
- aus PGA entstehen verschiedene Kohlenhydrate (auch Glucose) als Endprodukt der Fotosynthese
(Bildung von Glucose)
→ unter Einsatz von ATP wird Ribulose-Biphosphat regeneriert und Zyklus damit abgeschlossen
Bilanz der Fotosynthese
Nettogleichung: 6CO2 + 6H20 → C6H12O6 + 6O2
Bruttogleichung: 6CO2 + 12H20 → C6H12O6 + 6O2 + 6H20
Beeinflussung der Fotosynthese
durch: Licht, Kohlenstoffdioxid, Temperatur
Sonnenblatt Schattenblatt
- mehrschichtiges Palisadengewebe - einschichtiges Palisadengewebe
- stark ausgeprägtes - schwach ausgeprägtes
Schwammgewebe Schwammgewebe
- kleinflächige Blattspreite - großflächige Blattspreite
- dicke Cuticula - dünne Cuticula
- mehrschichtige Epidermis - einschichtige Epidermis
- enge Interzellularräume - große Interzellularräume
- tote Haare auf Oberfläche - lebende Haare auf Oberfläche
- Lichtkompensationspunkt:
→ Sauerstoffverbrauch = Sauerstoffproduktion
→ Schattenblatt erreicht Lichtkompensationspunkt früher
- am Sättigungspunkt sind alle Fotosysteme ausgelastet
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Stoffwechselweg im Überblick
9
CHEMOSYNTHESE
Definition
Organismen nutzen chemische Energie zum Aufbau körpereigener, organischer, energiereicher Stoffe
Nitrifizierende Bakterien
Oxidation von Stickstoffverbindungen
→ Energie für Aufbau organischer Verbindungen
Nitrifikation
= Chemosynthese
→ Ammoniumionen (NH4+) zu Nitrationen (NO3-)
Ablauf der Chemosynthese / Nitrifikation
- Nitratbakterien (Nitrosomonas) oxidieren Ammoniumionen zu Nitritionen (NO2-)
1) NH4+ + 2CO2 → NO2- + 2H2O
- Nitratbakterien (Nitrobacter) oxidieren Nitritionen zu Nitrationen
2) 2NO2- + O2 → 2 NO3-
- Nitrifizierer nutzen Energie aus 1) und 2) zur Reduktion von Coenzymen (NAD+ → NADH + H+)
→ Bildung von ATP
- Calvin-Zyklus → Kohlenhydratsynthese aus CO2
VERGLEICH FOTOSYNTHESE / CHEMOSYNTHESE
Fotosynthese Chemosynthese
Ort Chloroplasten Cytoplasma
Vorkommen Pflanzen Bakterien
Energiequelle Lichtenergie chemische Energie
Energieprodukt ATP
Endprodukt Glucose
Stoff- & En.wechsel autotrophe Assimilation
10ZELLATMUNG
- Verbrennung von Glucose
→ Freisetzung von Energie → Wärme ATP
- unter Verbrauch von Sauerstoff (→ aerob)
- 3 Phasen: Glykolyse, Citrat-Zyklus, Atmungskette
Reaktionsgleichung
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
1. Glykolyse
Ort: im Cytoplasma
- Phosphatgruppe von 1 ATP auf Glucose übertragen
≙ Aktivierung der Glucose
→ Produkt: Glucose-6-Phosphat → kann Zellmembran NICHT passieren
- über mehrere Zwischenschritte Abbau zu Brenztraubensäure / Pyruvat
• Verbrauch von 1 ATP
• Herstellung von 2 ATP
• Herstellung von NADH + H+
- Reaktionsgleichung: C6H12O6 + 2NAD+ + 2ADP + 2P → 2(NADH + H+) + 2ATP + 2C3H3O3- (Pyruvat)
2. Citrat-Zyklus
- aktivierte Acetylgruppe tritt in Citratcyclus ein
- bei jedem Durchgang werden 2 C-Atome zu CO2 oxidiert
→ diffundiert aus den Zellen hinaus → gelangt mit Blut in Lunge → ausgeatmet
- Hauptgewinn ist NADH + H+
→ liefert in nachfolgender Atmungskette Energie für Synthese von ATP
3. Atmungskette
Ort: Innere Mitochondrienmembran
− NADH + H+ und FADH2 werden zu NAD+ und FAD oxidiert
− Die Elektronen vom NADH + H+ gelangen über den Komplex I zum Ubichinon
− Die Elektronen vom FADH2 gelangen über den Komplex II zum Ubichinon
− Vom Ubichinon aus gelangen die Elektronen zum Komplex III, von dort zum Cytochrom c und
− von dort zum Komplex IV
− Die ist eine Elektronentransportkette, dabei wird Energie frei und diese Energie wird genutzt,
um Protonen (H+) aus der Matrix in den Intermembranraum zu pumpen (Protonenpumpen
sind die Komplexe I, III, IV)
− Durch Erhöhung der Protonenkonzentration (durch die Pumpen) im Intermembranraum
entsteht ein Konzentrationsgefälle (elektrochemischer Gradient)
− Die Protonen haben das Bestreben aus dem Intermembranraum in die Matrix zu diffundieren
und somit einen Konzentrationsausgleich zu erlangen, dies funktioniert aber nicht, da die
innere Mitochondrienmembran undurchlässig für Protonen ist
− Die Protonen können nur über die Ionenkanäle der ATP-Synthase zurückfließen
− Über die ATP-Synthase gelangen die Protonen aus dem Intermembranraum zurück in die
Matrix, wodurch Energie entsteht und aus ADP+P nun ATP wird
− Die bei der Oxidation abgegebenen Elektronen werden schlussendlich vom Komplex IV auf
den Sauerstoff übertragen
− Die Protonen, die über die ATP-Synthase zurück in die Mitochondrienmatrix diffundieren,
werden ebenfalls auf den Sauerstoff übertragen, daher entsteht H2O
Bilanz der Zellatmung:
C6H12O6 + 6O2 + 10(NADH + H+) + 2FADH2 + 32(ADP + P) → 6CO2 + 12H2O + 10NAD+ + 2FAD + 32 ATP
1112
MILCHSÄUREGÄRUNG
→ Umwandlung von Glucose in Milchsäure durch Milchsäure-Bakterien & menschliche Muskelzellen unter
sauerstofffreien Bedingungen
→ Milchsäure auch 2-Hydroxipropansäure genannt → CH3-CHOH-COOH
Definition Gärung
Gärung dient dem Abbau organischen Materials zur Energiegewinnung unter anaeroben Bedingungen.
Ablauf Milchsäuregärung
→ Glykolyse
- Glucose wird unter Mitwirkung von zahlreichen Enzymen zu 2 Molekülen Brenztraubensäure (Pyruvat)
oxidiert
→ 2NAD+-Moleküle zu NADH + H+ reduziert
exergonischer / energieliefernder Prozess
→ Teil der gewonnenen Energie wird zur Phosphorylierung von 2ADP zu ATP-Molekülen benutzt
- anschließend wird Pyruvat durch NADH + H+ direkt zu Milchsäure reduziert
Ausgangsstoffe: Glucose
Endprodukte: Milchsäure
Reaktionsgleichung: C6H12O6 → 2C3H6O3
Nutzungsmöglichkeiten in der Industrie
- Nahrungsmittelindustrie (Herstellung von Joghurt, Käse, Quark, Sahne, …)
- Haltbarmachung von Lebensmitteln z. B. Sauerkraut
Bedeutung für Muskulatur und Nahrungsmittelherstellung
- Bei starker Betätigung der Muskulatur stellen sich die Zellen von aerober Zellatmung auf und anaerobe
Gärung um. Lactat sammelt sich im Muskel an. Muskelerschöpfung und Müdigkeit sind die Folge.
- Ursprünglich war Joghurt ein Zufallsprodukt, dann wurde er durch Anreicherung und Züchtung geeigneter
Milchsäurebakterien hergestellt. Milchsäurebakterien sorgen für die Umwandlung des Milchzuckers in
Milchsäure. Die Milchsäure führt zu einer Zerstörung der äußeren Schutzhülle der Eiweißmoleküle,
welche dadurch dicklegen können (Eiweißgerinnung). In den Zwischenräumen wird das in der Milch
enthaltene Wasser (Molke Genannt) eingeschlossen.
13ALKOHOLISCHE GÄRUNG
Ablauf alkoholische Gärung
→ mehrstufiger Prozess
- GLYKOLYSE: Oxidation der Glucose zu 2 Molekülen Brenztraubensäure (Pyruvat) unter Mitwirkung von
zahlreichen Enzymen
- Oxidationsmittel: NAD+ → exergonischer Prozess (≙ energieliefernd)
- Teil der gewonnenen Energie wird zur Phosphorylierung der von 2 ADP zu ATP-Molekülen genutzt
- Etahnolproduktion dient der Regeneration des NAD+, das von Enzymen der Glykolyse verbraucht wird
- NADH + H+ → NAD+ (dazu wird zunächst CO2 aus dem Pyruvat abgespalten)
→ Entstehung von Acetaldehyd
- wird dann enzymatisch mit NADH + H+ zu Ethanol reduziert
→ Bereitstellung von NAD+ für Glykolyse
Ausgangsstoffe: Glucose
Endprodukt: Ethanol und Kohlenstoffdioxid
Reaktionsgleichung: C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2
Nutzungsmöglichkeiten in der Industrie
- Herstellung von Bier, Wein, Backwaren, …
Beispiel: Bierherstellung
- Gerstenkörner werden einer Quellung & Keimung ausgesetzt
- vorhandene Enzyme (Amylasen) wandeln Stärke in zuckerhaltiges Malz, das die Bierhefen vergären kann
- Hefepilze und Hefeenzyme werden zusätzlich hinzugefügt
→ erst durch Vorhandensein von Hefezellen kann alkoholische Gärung ablaufen
- entstehendes CO2 bewirkt Aufschäumen während der Gärung
14V E R G L E I C H: A T M U N G / G Ä R U N G
Atmung Gärung
Ausgangsstoffe Glucose, Sauerstoff Kommt auf Art an
Endprodukte Kohlenstoffdioxid, Wasser Kommt auf Art an
Bedingung aerob anaerob
Stoffwechselart Dissimilation Dissimilation
Energiegewinnung 32 ATP 2 ATP
Ort Mitochondrien, Cytoplasma Cytoplasma
Teilprozess Glykolyse Glykolyse
MUSKELN
Aufbau
Muskelkontraktion
-> erschlaffter Zustand:
- Aktin & Myosin sind nicht verbunden
- Myosinköpfchen mit ATP beladen
-> ATP wird hydrolisiert (ATP -> ADP + P)
I
Bleibt am Myosinköpfche
- Myosinköpfchen nimmt Energie auf
-> Ca2+ -Ionen bilden Querbrücken zwischen Aktin
& Myosin
-> ADP + P wird freigesetzt
- Myosinköpfchen knickt ab
- Aktin wird zur Salomermitte gezogen
- Muskel kontrahiert / wird kürzer
-> ATP bindet an Myosin
- Querbrücke wird gelöst
-> Muskrl bereit zum Auseinanderziehen
15ENZYME
-> beschleunigen chemische Reaktionen -> Biokatalysator
-> setzen Aktivierungsenergie von Stoffen hinab
Aufbau
- lassen sich anhand des Aufbaus unterscheiden
- viele bestehen nur aus einer Proteinkette (Monomere)
- andere haben mehrere Proteinketten (Oligomere) -> Untereinheiten
- einige lagern sich mit weiteren Enzymen zu Multienzymkomplexen zusammen -> kooperieren zusammen
oder regulieren sich
- gibt auch einzelne Proteinketten, welche mehrere Enzymaktivitäten enthalten (multifunktionale Enzyme)
➔ weitere Unterteilungen durch Berücksichtigung von COFAKTOREN:
- reine Protein-Enzyme bestehen ausschließlich aus Protein
-> aktives Zentrum wird nur aus Aminosäureresten und Peptid-Rückgrat gebildet
- Holoenzyme bestehen aus einem Proteinanteil (Apoenzym) und aus einem Cofaktor (Nicht-Proteinanteil)
-> beide für Funktion des Enzyms wichtig
Wirkung
- selektiv
-> Substratspezifisch
-> Bindung nur eines bestimmten Substrats
-> Reaktionsspezifisch
-> führen nur eine bestimmte chemische Reaktion durch
Ablauf einer enzymatisch katalysierten Reaktion
- an Enzym wird ein Substrat S an das aktive Zentrum angelagert
- an aktives Zentrum können Substrate andocken, wenn sie exakt in die an das aktive Zentrum passen
→ Enzym-Substrat-Komplex
→ im aktiven Zentrum spielt sich Reaktion ab
- Enzym bewirkt Veränderung der räumlich-chemischen Struktur des Substrats, das dadurch seine
Eigenschaften verändert oder in einzelne Teile zerlegt wird
- verändertes Molekül oder neue Teile spalten sich wieder ab → Produkt
- zurück bleibt Enzym in ursprünglicher Form
SCHLÜSSEL – SCHLOSS – PRINZIP
16Wirkungsweise der Coenzyme
- Substrat und Coenzym mit Molekülgruppe lagern sich an Enzym an
- Coenzym reagiert mit Substrat
→ gibt Molekülgruppe an Substrat ab → Produkte
- Coenzym löst sich und bindet an anderem Enzym
- Coenzym regeneriert sich
- Substrat vom neuen Enzym gibt Molekülgruppe an Coenzym ab
→ Produkte ohne Molekülgruppe
Einflüsse auf die Enzymwirkung
1. Enzyme sind substratspezifisch
- spezielle Aminosäuren binden mit ihren Seitenketten das Substrat und orientieren es so, dass einige
Aminosäuren mit ihren Seitenketten katalytisch wirksam werden können
- nur wenn Stoff Molekülgruppe besitzt, die von Seitenketten der bindenden Aminosäure im aktiven
Zentrum eines Enzyms angezogen werden, kann sich der Stoff an aktives Zentrum anlagern
- Schlüssel-Schloss-Prinzip
- manche Enzyme setzen auch Verbindungen mit gleichen funktionellen Gruppen um → Gruppenspezifisch
2. Enzyme sind wirkungsspezifisch
- katalytisch wirksame Aminosäuren bewirken Verschiebung von Elektronen und Ladungen im Substrat-
Molekül
→ Bindungen zwischen Atomen lösen sich
→ zwischen anderen Atomen neue Bindungen → Produkt entsteht
- jedes Enzym hat andere Wirkung, weil in jedem Enzym andere katalytisch wirksame Aminosäuren im
aktiven Zentrum vorliegen
- Enzyme werden nach Reaktionstyp, den sie beeinflussen, benannt
3. Enzyme sind milieuspezifisch
- Temperatur, pH-Wert & Salzkonzentration beeinflussen Aktivität von Enzym, weil es sich auf die
Raumstruktur auswirkt
- Reaktionsgeschwindigkeit steigt bei steigender Temperatur
→ Temperaturerhöhung um 10°C → Reaktionsgeschwindigkeit verdoppelt bis verdreifacht sich
(RGT-Regel)
Kinetik von Enzymen
Umsetzung eines Substrates durch ein Enzym
- Enzym & Substrat treffen durch Diffusion rein zufällig aufeinander
- Enzym-Substrat-Komplex gebildet
- Reaktion findet statt, Produkte werden freigesetzt, Enzym tritt unverändert aus Reaktion hervor
Mathematisches Modell (Michaelis-Meuten-Kinetik)
- beschreibt näherungsweise die Abhängigkeit der Enzymaktivität von der Substratkonzentration
→ Niedrige Substratkonzentration:
- jedes Substrat trifft sofort auf ein noch freies Enzym
- Reaktionsgeschwindigkeit steigt linear
→ Zunehmende Substratkonzentration:
- Substratmoleküle treffen auf bereits besetzte Enzyme
- Reaktionsgeschwindigkeit steigt nicht mehr linear
→ Hohe Substratkonzentration:
- jedes Enzym hat maximale Umsatzrate erreicht
- Reaktionsgeschwindigkeit steigt nicht mehr
17Kompetitive Hemmung von Enzymen
Zugabe eines kompetitiven Hemmstoffs
- Hemmstoff und Substrat konkurrieren um die Bindungsstelle im Enzym
- Substrat wird verzögert umgesetzt
Kinetik
→ Niedrige Substratkonzentration:
- deutliche Verminderung der messbaren Enzymaktivität
→ Zunehmende Substrataktivität:
- Wahrscheinlichkeit, dass Substrate von dem Enzym gebunden und umgesetzt werden, steigt
→ Hohe Substratkonzentration:
- Konkurrenz durch den Inhibitor fällt rein statisch kaum noch ins Gewicht
Allosterische Hemmung von Enzymen
Zugabe eines allosterischen Hemmstoffs
- Hemmstoff verändert die Bindungsstelle im Enzym so, dass kein Substrat mehr binden kann
- Konzentration der aktiven Enzyme sinkt
- katalytische Eigenschaften der verbliebenen Enzyme bleiben unverändert
Kinetik
- die Reaktionsgeschwindigkeit im Vergleich zur ungehemmten Reaktion bei den verschiedenen
Substratkonzentrationen ist um einen konstanten Faktor gestaucht
Irreversible Hemmung von Enzymen
Zugabe von Enzymgiften
- Schwermetallionen
→ Calcium- / Blei- / Arsen- / Quecksilberionen
- andere Stoffe
→ Amantin → Knollenblätterpil, Cyanide, E605 → Insektizid
18Enzymregulation
Feedback-Hemmung
- ist Vorgang bei Kettenreaktionen mit verschiedenen Enzymen
- zu Beginn gibt es ein Substrat A, das sich an ein Enzym 1 bindet
→ dort wird Substrat A in Substrat B umgewandelt
- jetzt wird Substrat B im Enzym 2 zu Substrat C umgewandelt
- Substrat C bindet nun an Enzym 3
→ heraus kommt Produkt
→ Enzym 1 hat allosterisches Zentrum für dieses Produkt
→ dort bindet Produkt und verändert das aktive Zentrum so, dass Substrat A nicht mehr am Enzym 1
binden kann
Vorgang ist somit gehemmt
19ÖKOLOGIE
DEFINITIONEN
Ökologie: die Lehre vom Haushalt der Natur und Wissenschaft, die sich mit den Wechselbeziehungen zwischen
Lebewesen und Umweltbedingungen in Ökosystemen beschäftigt
Biosphäre: Gesamtheit aller Ökosysteme (unsere Biosphäre z. B. ist die Erde)
Ökosystem: ein biotisches System, das alle Organismen in einem bestimmten Gebiet, sowie alle abiotischen
Faktoren, mit denen sie in Wechselbeziehung stehen, umfasst
Biotop: (=Lebensraum) der räumlich abgrenzbare Lebensbereich einer Lebensgemeinschaft, gekennzeichnet
durch charakteristische Umweltbedingungen (abiotische Faktoren)
Biozönose: (=Lebensgemeinschaft) Gesamtheit aller in einem abgrenzbaren Raum bzw. Gebiet vorkommenden
Organismen
Population: Gesamtheit aller Angehörigen einer Art, die in einem bestimmten Gebiet vorkommen
Umwelt: alle äußeren Einflüsse, die auf einen Organismus einwirken = alle biotischen & abiotischen Faktoren
eines Lebewesens
Biotische Umweltfaktoren: gehen von lebenden Organismen aus (Feinde, Artgenossen, Parasiten),
belebte Einflüsse
Abiotische Umweltfaktoren: gehen von der unbelebten Natur aus (Sonne, Wasser, Temperatur, Licht),
unbelebte Einflüsse
Anatomie: Wissenschaft von Form und Körperbau der Lebewesen
Physiologie: Wissenschaft von den Grundlagen des allgemeinen Lebensgeschehens, den normalen
Lebensvorgängen und Funktionen
Morphologie: Wissenschaft von den Gestalten und Formen
UMWELTFAKTOREN
➢ Als Umweltfaktor wird ein Element der Umwelt bezeichnet, das mit anderen Elementen (z. B. Lebewesen)
in Wechselwirkung steht
Abiotische Umweltfaktoren
Licht: - für Tiere eigentlich unwichtig, aber aktiviert bei den meisten den Lebensrhythmus
- Wechsel von Tag & Nacht
- Fotosynthese bei Pflanzen
Temperatur: - Lebensprozesse der Pflanzen (Fotosynthese, Atmung, Transpiration, Keimung, Wachstum)
- Entwicklung bei Tieren
Wasser: - für alle Organismen lebensnotwendig
- Luftfeuchtigkeit
- Wassergehalt des Bodens
20Mineralsalze: - haben Einfluss auf Wachstum von Tieren & Pflanzen
- Aufbau organischer Substanzen
Boden: - Struktur, Körnung
- Humusgehalt
- geologisches Ausgangsmaterial
CO2-Konzentration: - Beeinflussung Fotosynthese
Biotische Umweltfaktoren
Parasiten: - sind Lebewesen, die von anderen Lebewesen Nahrung beziehen
- wenn sie sie nicht sofort töten → Schmarotzer
- von ihnen geschädigtes Lebewesen → Wirt
- meisten Parasiten sind auf spezielle Wirte spezialisiert
- wenn sie sich außen am Wirt festhalten → Außenschmarotzer / Ektoparasiten
- wenn sie in den Wirt eindringen → Innenschmarotzer / Endoparasiten
Symbionten: - Lebewesen, die zu verschiedenen Arten gehören und voneinander gegenseitigen Nutzen beziehen
- Beziehung kann so eng sein, dass ein Partner weitgehend abhängig von anderen ist (Symbiose)
- Stoffwechselleistungen werden gegenseitig ergänzt und einseitige Spezialisierung ausgeglichen
Konkurrenten: - Lebewesen stehen im Wettbewerb um lebenswichtige Faktoren (2 Lebewesen benötigen beide
X & Y zum überleben → Konkurrenten)
- Faktor wird zur Ressource
Fressfeinde: - fast alle Lebewesen sind Fressfeinde für andere oder Beute für Fressfeinde
- 2 Typen: 1. Räuber und Beutegreifer töten und fressen andere Lebewesen
2. Pflanzenfresser fressen meist nur Teile von Pflanzen, ohne diese „Beute“ zu töten
- z. B. Reh frisst Knospen, Blätter, triebe → ist deren Fressfeind
→ kann aber auch zur Beute von Luchs oder Wolf werden
Toleranzkurve
ökologische Potenz: Bereich eines UF,
die die Art nutzt & sich fortpflanzt
Min./Max.: untere bzw. obere Grenze,
der Wirkungsbereich, in dem die Art
noch existieren kann, aber sich nicht
fortpflanzen kann
Optimum: der Wirkungsbereich, in dem
die Art am besten leben kann
Toleranzbereich: Bereich zwischen
Minimum und Maximum
Toleranz: ist die Fähigkeit,
Schwankungen der UF zu ertragen
21ÖKOFAKTOR TEMPERATUR
Einfluss auf Lebensvorgänge
- Temperatur entspricht Wärme- / Energiezustand eines Körpers & somit der ungerichteten Bewegung
seiner Moleküle
→ Abhängigkeit davon ist die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen
→ Temperaturanstieg um ca. 10°C steigert Reaktionsgeschwindigkeit um 2-3-faches (RGT-Regel)
- Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel (RGT-Regel) gilt auch für alle biochemischen Reaktionen in
Zellen der Lebewesen
→ dort nur in engem Temperaturbereich zwischen 0°C und 40°C
- Temperatur über 40°C-50°C schädigt Proteine (Enzyme) durch Denaturierung
→ molekulare Struktur ändert sich und sie verlieren biologische Funktion
- sinkt Temperatur in lebenden Geweben unter 0°C, wird Zellplasma ähnlich geschädigt
Untersuchung der Wirkung
- innerhalb eines Temperaturbereiches verläuft untersuchte Lebenserscheinung optimal
- bei Abweichung des Bereiches verschlechtert sich Lebenserscheinung bis sie nicht mehr messbar ist
- in Diagramm ergibt sich Optimumskurve (charakterisiert durch Minimum, Optimum, Maximum)
Temperaturabhängigkeit als Anpassung
- große Unterschiede in Lage der Kardinalpunkte
- Arten mit weiter Temperaturtoleranz → eurytherm
- Arten mit enger Temperaturtoleranz → stenotherm
- Zusammenhang zwischen Temperaturverhältnissen in ihrem angestammten Lebensraum und ihrer
ökologischen Potenz
→ ökologische Potenz ist Teil der arttypischen Anpassung an Umwelt
→ Grundlage ist Ausstattung mit passenden Enzymen
→ häufig Isoenzyme (Enzyme mit gleicher Funktion aber unterschiedlichen Aminosäuresequenzen) für
spezifische Anpassung
Allgemeines Reaktionsschema
- ökologische Potenz und Optimumskurve für andere Ökofaktoren typisch
→ wirken sich auch je nach Intensität fördernd / hemmend aus
- Arten mit weiter Toleranz → eurypotent
- Arten mit enger Toleranz → stenopotent
22GLEICH- & WECHSELWARME TIERE
Homoiotherme Tiere Poikilotherme Tiere
= gleichwarme Tiere = wechselwarme Tiere
- Körpertemperatur ist unabhängig von der - Körpertemperatur ist abhängig von der
Umgebungstemperatur Umgebungstemperatur
- endotherme Säugetiere & Vögel - Thermoregulation durch Verhalten
- nutzen „Abwärme“ des Stoffwechsels zur Erhaltung → Sonnenbäder, Flügelzittern
der Körpertemperatur (Muskeltätigkeit → Wärme)
- erzeugen gezielt Stoffwechselwärme durch - Umgebungstemperatur erreicht Minimum
„Kältezittern“ der Muskulatur → Kältestarre
- besitzen Thermoregulation → halten Körpertemp. - Umgebungstemperatur erreicht Maximum
konstant → zwischen 35°C-44°C +/- 1°C → Wärmestarre
- Merkmale Thermoregulation: - Anpassung an extreme Lebensräume
- isolierende Körperbedeckung (Haare, Federn) → Hitze- / Frostschutzstoff
- wärmehemmendes Fettgewebe in Unterhaut
- leistungsfähiger Blutkreislauf zum Wärmetransport
- Einrichtung zur Wärmeabgabe und Kühlung
- präzises Regelungssystem
- schwitzen, hecheln
Problem:
→ Wärme und Kühlung kostet Energie
→ 90% des Energieumsatzes für Körpertemperatur
5x mehr Nahrung
Vorteil:
→ immer aktiv
KLIMAREGELN
1. Bergmann’sche Regel
➢ Verhältnis zwischen Volumen und Körperoberfläche ist für große Körper günstiger
→ Bedeutung: im Verhältnis kleine Körperoberfläche gibt weniger Wärme ab
2. Allen’sche Regel
➢ Körperanhänge sind bei Tieren in kälteren Regionen kleiner
→ Reduktion der Wärmeabgabe
➢ Körperanhänge sind bei Tieren in wärmeren Regionen größer
→ Maximierung der Wärmeabgabe
23ÖKOFAKTOR LICHT
➢ entscheidender Ökofaktor, weil es zum Leben notwendige Energie liefert
➢ für viele Organismen lebenswichtiger Informationsträger
→ ermöglicht Orientierung in Raum und Zeit, steuert Wachstum und Entwicklung, beeinflusst Gestalt
Fototropismus
- Pflanzensprossen krümmen sich zum Licht
- kommt zustande, weil lichtabgewandte Sprosse stärker wächst
- Licht bewirkt, dass der von der Sprossspitze nach unten gerichtete Strom des Pflanzenhormons Auxin zur
beschatteten Seite gelenkt wird
→ durch höherer Auxin-Konzentration wachsen Zellen hier stärker in der Länge als auf der belichteten
Seite
Steuerung der Samenkeimung
- Lichtkeimer: Lichtreiz ist für den in der Erde ruhenden Samen Signal zur Keimung
- Dunkelkeimer: Lichtreiz wirkt für Samen keimungshemmend
- für Lichtsteuerung der Entwicklungsprozesse ist das Pigment Phytochrom verantwortlich
→ je nach Wellenlängenbereich des Lichts schaltet es Gene ab oder an
Etiolement
- bei anhaltendem Lichtmangel bilden Pflanzen lange, bleiche Sprosse mit rückgebildeten Blättern aus
→ Etiolement
Fotoperiodismus
- ist der tägliche Licht-Dunkel-Wechsel
- wichtigste zeitliche Orientierungsmarke, um Lebensvorgänge im Jahresrhythmus einzuordnen:
➢ Langtagpflanzen: blühen, wenn es täglich 10-14h hell ist
➢ Kurztagpflanzen: (stammen meist aus tropischen Regionen)
bilden Blüten nur unterhalb einer artspezifischen kritischen Fotoperiode
➢ Tiere orientieren sich im Hinblick auf Fortpflanzungszeiten, jahreszeitliche Wanderung und
Umstellung auf Winterschlaf an Tageslänge
➢ Lebensvorgänge, die dem Rhythmus einer inneren Uhr folgen (Schlaf- & Wachzeiten,
Aktivitätsmuster von Hormonen / Enzymen / Zellteilung / Organfunktionen)
→ meist durch Fotoperiode als Taktgeber mit dem Tages- oder Jahreszeitenverlauf synchronisiert
Sonnen- und Schattenblätter
Sonnenblatt:
- kleinere Spreite, dick
- starkes Wasserleitungs- und Festigungsgewebe
- hohes, oft zweischichtiges, Palisadengewebe
- entwickeln sich aus den gut belichteten Knospen des äußeren Kronenbereiches
Schattenblatt:
- groß, dünn
- entstehen im Innenraum und auf der geringer belichteten Nordseite der Baumkrone
Allgemein: - Fotosyntheseleistung hängt bei beiden vom Lichtangebot ab
- erreichen Lichtkompensationspunkt und Lichtsättigung bei unterschiedlicher Lichtintensität
24ÖKOFAKTOR WASSER
➢ wichtig als Löse- und Transportmittel und Reaktionspartner
➢ z. B. Muskulatur vom Menschen besteht zu 77% aus Wasser
➢ Wasser ist in Lebensräumen unterschiedlich gut verfügbar
Anpassung von Pflanzen an die Wasserversorgung
Hygrophyten Xerophyten
Spaltöffnungen
- dünne Zellwand - dicke Zellwand
- dünne Cuticula - dicke Cuticula
- großes Zellinneres - kleines Zellinneres
- herausgehobene Spaltöffnung - Wachskopf
- eingesenkte Spaltöffnung
25KONKURRENZ
intraspezifische (innerartliche) interspezifische (zwischenartliche)
Brutpartner
Nahrung
Lebensraum
Brutplätze
Konkurrenzabschwächung
- Ausbildung von Revieren
- Ausbildung vom Sexualdimorphismus
- Ausbildung von Jugend- und Altersform
PARASITISMUS
➢ ist eine +/- Interaktion
➢ Parasit wird vom Wirt ernährt
➢ Wirt hat immer Nachteil
Endoparasiten
- leben im Körperinneren des Wirtes
- z. B. Trypanosoma: - Einzeller
- lösen „Schlafkrankheit“ aus
Ektoparasiten
- leben auf der Körperoberfläche des Wirtes
- z. B. Bettwanze: - stechen, saugen Blut
- verursachen Sehstörung und Hautentzündungen
Parasitoide
- Raubparasitismus → Wirt wird getötet
- z. B. Wespeneier & Raupe: - Wespen legen Eier in Raupe
→ Metamorphose
Pflanzliche Parasiten
- Vollparasiten: - können keine Fotosynthese mehr durchführen
- 100% an Wirt gebunden
- meist Pilze oder Bakterien
- holt sich Nährstoffe und Wasser vom Wirt
- Halbparasiten: - führen Fotosynthese noch selber durch
- relativ harmlos
- haben Speicherungsfähigkeit
- holen sich Nährstoffe vom Wirt
→ z. B. Mistel → wächst mit Wurzel in das Leitgefäßsystem
26RÄUBER - BEUTE - BEZIEHUNG
➢ Regulation von Populationen
➢ wechselseitige Beziehung
➢ Räuber dezimieren die Beute
➢ Beutedichte bestimmt Anzahl der Räuber
➢ mathematisches System (Lotka & Volterra)
→ Anzahl der Räuber ist geringer als die der Beute
1. Regel (Lotka-Volterra)
Die Individuenzahl von Räuber und Beute schwanken periodisch. Dabei folgen Minima und Maxima der
Räuber phasenverzögert denen der Beute.
2. Regel (Lotka-Volterra)
Langfristig bleiben die Mittelwerte beider Populationen trotz der Schwankungen konstant.
→ werden jedoch aufgrund von Störungen (z. B. Jagd durch Menschen, Krankheiten, Klima) in der Natur
nie exakt abgebildet
27SYMBIOSE
➢ Vergesellschaftung artverschiedener Lebewesen (Symbionten) mit wechselseitigem Nutzen
➢ +/+ Interaktion
Symbiose
Flechten Mykorrhiza
- Symbiose von Pilzen und Algen - Symbiose von Pilzen und Pflanzen
- eigene Verwandtschaftsgruppe - Pilzhyphen umspinnen Pflanzenwurzeln
- Flechtenkörper ist blatt- bis mantelartig oder dringen sogar in Zellen
krustenförmig → Thallus ein → liefern Wasser und Mineralstoffe
- im Inneren sind Algenzellen von - Hyphen übernehmen Aufgabe, der in
Pilzhyphen umhüllt der Symbiose nicht mehr ausgebildeten
- Pilzhyphen liefern Algenzellen Wasser, Wurzelhaare
Mineralstoffe und schützen vor → erhalten dafür Fotosyntheseprodukte
Austrocknung und Tierfraß - einige Pilze können sich nur bei
- Alge versorgt Pilz mit Kohlenhydraten Symbiose fortpflanzen
→ betreibt Fotosynthese
→ können so Felsen, Baumrinden, Holz
und Boden besiedeln
→ auch Wüsten, arktische und alpine
Lebensräume
Ektosymbiose
- Partner bleiben bei Symbiose körperlich getrennt
Endosymbiose
- ein Partner wird in den Körper des anderen aufgenommen
Putzerlippenfische
- Symbionten: Meerestiere und Putzerlippenfische bzw. -garnelen
- Putzer entfernt Parasiten, Pilze, abgestorbenes Gewebe, Hautfetzen und reinigt Wunden
- größte Gefahr für diese Tiere ist, dass sie vom Wirt gefressen werden
→ Putzer signalisiert mit buntem Farbkleid und speziellen Bewegungen ihren „Beruf“
→ säuberungsbedürftige Fische signalisieren sich durch bestimmte Körperhaltung (stehen kopfüber,
legen sich auf die Seite und verharren regungslos)
Hülsenfrüchte und Knöllchenbakterien
- Gründüngung
→ Hülsenfrüchte versorgen Knöllchenbakterien mit Fotosyntheseprodukten
28BIOINDIKATOREN
Zeigerorganismen
- sind für bestimmten Umweltfaktor stenök
- Eigenschaft ist durch geringe ökologische oder physiologische Potenz bezüglich des Faktors bedingt
- man kann durch sie auf Umweltverhältnisse schließen
- Bsp.: Wald-Sauerklee oder Schattenblümchen → Schattenzeiger
Bioindikatoren
- sind für bestimmte Umweltbedingungen stenöke Lebewesen
- weitergefasst als Zeigerorganismen → auch Symbiosen, Bakterien, …
- Vorkommen zeigt Umweltbedingungen an
- Bsp.: Flechten → Luftverschmutzung
ÖKOLOGISCHE NISCHE
Definition
- Gesamtheit der Beziehungen zwischen einer Art und ihrer Umwelt (bezeichnet keinen Raum) (Beruf einer
Art)
- Einnischung im Zusammenhang zur Evolution
z. B. Nahrungsnische, Brutzeit, Körperregionen
Generalisten Spezialisten
- z. B. Hausmaus, Wanderratte - z. B. Biber
- höherer Toleranzbereich - geringerer Toleranzbereich
→ breitere ökologische Nische → engere ökologische Nische
- Ratte ist Allesfresser, lebt überall - Biber frisst nur Rinde von Weichhölzern, lebt an
Flussufern und in Auwäldern
29ÖKOSYSTEME
= Biotop + Biozönose
1. Ökosysteme sind offen
→ Lebewesen können zwischen Ökosystemen wechseln
= Energiefluss und Stoffaustausch zwischen Ökosystemen
2. Ökosysteme sind dynamisch
→ Ökosysteme sind durch Einflüsse von innen und außen veränderbar
= Fähigkeit zur Selbstregulation
3. Ökosysteme sind komplex
→ biotische und abiotische Umweltfaktoren stehen in permanenter Wechselwirkung miteinander
Stoffkreisläufe
Produzent Konsument
Destruent
Produzent: Organismen, die aus anorganischen Stoffen, organische Stoffe machen (autotroph)
Konsument: Organismen, die direkt oder indirekt die organischen Stoffe der Produzenten verbrauchen
(heterotroph) (Pflanzenfresser)
Destruent: Lebewesen, die organische Stoffe zu anorganischen Stoffen abbauen und so wieder dem
Stoffkreislauf zuführen
DIE STOFFKREISLÄUFE
Kohlenstoffkreislauf
- im Zentrum stehen Assimilation und Dissimilation
als gegenläufige, mit dem Stoffkreislauf
gekoppelte Prozesse
- jährlich wird dadurch Fotosynthese in der
Biosphäre ~ 1/7 des atmosphärischen
Kohlenstoffdioxids gebunden und durch
Dissimilation wieder freigesetzt
- nur wenn Biomasse unter Luftabschluss
unvollständig mineralisiert wird (z. B. Entstehung
von Torf, fossiler Brennstoffe, Kohle, Erdöl,
Erdgas), wird Kohlenstoff dem Kreislauf entzogen
30Stickstoffkreislauf
RÄUMLICHE UND ZEITLICHE GLIEDERUNG VON ÖS
➔ am Beispiel WALD
Stockwerkaufbau
1. Baumschicht
→ Pflanzen: Buche, Eiche
→ Tiere: Sperber, Eichhörnchen
2. Strauchschicht
→ Pflanzen: Weißdorn-Ahorn, Heckenrose
→ Tiere: Buchfink, Reh
3. Krautschicht
→ Pflanzen: Windröschen
→ Tiere: Fuchs, Kreuzspinne
4. Moosschicht
→ Pflanzen: Waldflechte, Birkenpilz
→ Tiere: Blindschleiche, Waldameise
5. Wurzelschicht
→ Pflanzen: Wurzeln der grünen Pflanzen
→ Tiere: Regenwurm, Tausendfüßler
31SUKZESSION
➢ Zerstörung von Bewuchs einer Fläche durch Feuer, Sturm oder anderen Ursachen
➢ Änderung der Bedingungen auf dieser Fläche
➢ Besiedlung durch Pionierarten I
➢ Gräser folgen → verdrängen Pionierarten
➢ Weide, Birke und Pappel folgen → beschatten Boden II
→ Gräser verschwinden
➢ im Baumschatten folgen Buchen und Eichen → verdrängen alle anderen Bäume III
➢ neuer Wald entsteht
Sukzessionsstadien
I. Initialstadium
II. Folgestadium
III. Klimaxstadium
Formen der Sukzession
Primärsukzession
→ Ausgangspunkt sind unbelebte Lebensräume (z. B. Dünen)
Sekundärsukzession
→ geht auf Störung bestehender Ökosysteme zurück (z. B. Brand, Überschwemmung)
→ Mensch verhindert natürliche Abfolge bestimmter Arten
→ z. B. Wiesen
→ Wiesen werden regelmäßig gemäht → Wuchs von Sträuchern und Bäumen verhindert
Sukzession am Beispiel Wald
32ENERGIEFLUSS IM ÖKOSYSTEM
➔ Energie kann nicht erzeugt und vernichtet werden
→ kann nur umgewandelt werden
- Sonnenlicht (Lichtenergie) strahlt ins Ökosystem
→ größter Teil wird in Wärme umgewandelt
→ Rest für Fotosynthese
- Teil der Fotosyntheseprodukte für Pflanzenatmung / Wachstum
- Produkte der Fotosynthese von Konsumenten aufgenommen
- tote Pflanzenteile von Destruenten zersetzt
.
.
.
usw. für jede Trophiestufe
→ 90% der Energie werden in Wärme umgewandelt
→ letzte Stufe sind Destruenten
33GENETIK
= Vererbungslehre
= Wissenschaft von der Vererbung
Bau der DNA
2 Wasserstoff-
brücken
3 Wasserstoff-
brücken
34Räumliche Struktur (Watson & Crick)
- DNA ist ein kettenförmiges,
unverzweigtes Makromolekül
- Rückgrat aus Zucker-Phosphat-
Gruppen
- einheitlicher Durchmesser
- rechtsgängig gebunden
- Stränge verlaufen in entgegengesetzte
Richtung → antiparallel
- organische Basenpaare zeigen zur
Mitte (Sprossen)
- komplementäre Basenpaarung:
Adenin – Thymin
Guanin – Cytosin
- Chromatin: DNA aller Eukaryoten
ist mit Vielzahl von Proteinen
verbunden → DNA-Protein-Komplex
= Chromatin
- Ausgangspunkt ist DNA-Doppelstrang
→ bildet die Doppelhelix
- Chromatin wickelt sich um Histon
→ Nucleosom
Nukleotid
z. B. Adenin
Phosphat-Rest Ribose (5-fach Base
Zucker
35CHARGAFF-Regel
1. Die Gesamtmenge der Purinbasen (A + G) in einer Probe entspricht der Gesamtmenge an Pyrimidonbasen
2. Die Menge an Adenin stimmt mit der Menge des Thymins überein. Genauso Cytosin und Guanin.
3. Das Verhältnis von A + T zu C + G ist in den DNA-Proben aus verschiedenen Organismen unterschiedlich.
Watson und Crick
→ DNA liegt als Doppelstrang vor
→ Einzelstränge bestehen aus Zucker-Phosphat-Bändern mit gebundenen Basen
→ DNA-Stränge über Basen durch Wasserstoffbrücken verbunden
→ schraubig um gedachte Achse gedreht → Doppelhelix
Transportform: - für Mitose
- für Meiose
Arbeitsform: - für Replikation
- für Proteinbiosynthese
MITOSE
(zum Wachstum)
Prophase: - Kernhülle löst sich auf
- Spindelapparat wandert zu
Zellpolen
- Spindelfasern entstehen
- Chromatin kondensiert zu
Chromosomen mit 2 identischen
Schwesterchromatiden
Metaphase: - Chromosomen ordnen sich an
Zellmitte
(Äquatorialebene) an
- Spindelfasern wachsen zur
Mitte hin (2 Fasern pro
Centromer)
- Spindelfasern binden an
Chromosomen
Anaphase: - Centromer wird getrennt
→ 2 Spindelfasern
- Chromatiden werden durch
Verkürzen der Spindelfasern zu
den Polen gezogen = getrennt
Telophase: - Kernhülle bildet sich 2x aus
- Chromosomen werden wieder
zu Chromatin
- Zelle beginnt sich einzuschnüren
→ diploider Chromosomensatz aus 1-
Chromatid-Chromosomen → muss verdoppelt
werden (Replikation)
36MEIOSE
(Reifeteilung zur Bildung von Geschlechtszellen)
Prophase: - Homologenpaarung
Metaphase I: - 2-Chromatid-Chromosomen werden zur Zellmitte (Äquatorialebene) bewegt
- homologe Chromosomen ordnen sich per Zufallsprinzip an Äquatorialebene an
- Austausch von Erbmaterial (Crossing-Over)
- Spindelapparat bildet sich aus & Zellkern löst sich auf
Anaphase I: - Spindelfasern heften sich an Centromere der Chromosomen → Cchromosomenpaare werden
getrennt (Trennung der Homologen)
→ 1 haploider Chromosomensatz aus 2-Chromatid-Chromosomen (Verteilung zufällig)
Telophase I: - Zelle schnürt sich ein
→ 2 Zellkerne mit 1-fachen Chromosomensatz
Metaphase II: - Chromosomen ordnen sich an Äquatorialebene an
- Spindelapparat bildet sich erneut aus
Anaphase II: - 2 Spindelfasern pro Centromer lagern sich an Centromer an
- 2-Chromatid-Chromosomen werden aufgeteilt → 1 Chromatid zu jedem Zellpol
- Trennung der Schwesterchromatiden & Keimzellen enthalten je 1 Allel
Telophase II: - Einschnürung → 4 haploide Zellen, genetisch verschieden
→ Samenzelle → 4 Zellen
→ Eizelle → 1 Zelle (3 sterben ab)
→ 4 neue Zellen mit haploidem Chromosomensatz
37VERGLEICH MITOSE / MEIOSE
Mitose Meiose
Ort in allen Körperzellen in Geschlechtszellen
Chromosomensatz diploid diploid
Mutterzelle
Chromosomensatz 1 diploider Chromosomensatz 1 haploider Chromosomensatz
Tochterzelle (identisch) (genetisch verschieden)
Anordnung & in Anaphase in Anaphase 1 & 2
Trennung von Chr.
in der Zellmitte
Endergebnis diploider Chromosomensatz aus 4 neue Zellen mit haploidem
1-Chromatid-Chromosom Chromosomensatz
(2 neue Zellen → genetisch identisch) (genetisch verschieden)
Bedeutung Vermehrung von Zellen | Wachstum | Bildung von Keimzellen | erzeugt durch
Regeneration | ungeschlechtliche Neukombination des elterlichen Erbguts die
Fortpflanzung genetische Variabilität der Nachkommen |
Reduzierung des Chromosomensatzes |
geschlechtliche Fortpflanzung
38DIE SEMIKONSERVATIVE REPLIKATION
Allgemeines
- beschreibt die Vervielfältigung der DNA
- exakte Verdopplung der DNA
- wird nur in einer bestimmten Phase des Zellzyklus angestoßen → während der Synthesephase
- beginnt an einem DNA-Abschnitt → dem Replikationsursprung (origin)
Ablauf
- Topoisomerase entwindet die DNA-Doppelhelix
→ beim Aufdrehen der Doppelhelix entstehen Spannungen
→ Topoisomerasen verhindern das, in dem die DNA-Stränge durchschneiden und wieder verbinden
- origin wird vom Proteinkomplex erkannt, dieser beeinflusst die DNA-Konformation so, dass die Helicase
wirken kann
- Helicasen spalten unter Verbrauch von ATP die Wasserstoffbrücken zwischen den Basen
→ Replikationsgabel entsteht
- Einzelstrangindende Proteine stabilisieren die Öffnung der DNA-Gabel
- die Primase bereitet die Ansatzstelle für die DNA-Polymerase vor → setzt die ersten Nucleotide an den
Einzelstrang an
- das synthetisierte Stück heißt Primer (besteht aus RNA-Nucleotiden)
→ RNA = Ribonucleinsäure
→ Unterschied zur DNA: Zucker ist Ribase | immer Einzelstrang | kein Thymin, sondern Uracil
- die DNA-Polymerase (III) knüpft an das 3‘-Ende des Primers Nucleotide an, indem sie Zucker und
Phosphat-Rest verbindet (Synthese erfolgt in 5‘ → 3‘ Richtung)
- die Basen finden ihre Partner durch komplementäre Basenpaarung
- 5‘ → 3‘ Richtung nicht möglich
- Lösung: - Primasen synthetisieren immer wieder neue Primer als Ansatzpunkte für die Okazaiki-
Fragmente
- DNA-Polymerase III verlängert den Folgestrang stückweise zu Okazaki-Fragmenten und die
DNA-Polymerase I ersetzt Primer durch Desoxyribonucleotide
- die Ligase verknüpft über Phosphodiesterbindungen, die an der Folgestrang Matrize
stückweise synthetisierten Okazaki-Fragmente, nach dem die Primer gegen DNA ausgetauscht
wurden
- Synthese so in 3‘ → 5‘ Richtung
39Beteiligte Enzyme
Enzym Funktion
Topoisomerase → entwindet die DNA-Doppelhelix
DNA-Helicase → starten die Trennung des Doppelstrangs in
2 Einzelstränge & spalten Wasserstoffbrücken
DNA-Polymerase → beginnt am 3‘-Ende des Primers mit der Synthese
komplementärer Basen → neuer DNA-Strang
Ligase → verknüpft den diskontinuierlich gebildeten Strang
durch Esterbindungen
PROTEINBIOSYNTHESE
Der genetische Code
- 30 Aminosäuren und 4 Basen
→ 1:1 Codierung nicht möglich
→ 1 Triplett (= 3 Basen) codiert für eine Aminosäure
- Eigenschaften: - Code ist nicht überlappend: Tripletts werden hintereinander abgelesen
- Code ist kommafrei: zwischen den einzelnen Tripletts entstehen keine Leerstellen
- Code ist redundant: für eine bestimmte Aminosäuregibt es mehrere verschiedene
Tripletts, diese unterscheiden sich meist in der 3. Base (möglich, weil von 64 Kombi-
nationen nur 23 benötigt werden)
- Code ist eindeutig: ein bestimmtes Triplett legt immer den Einbau einer bestimmten
Aminosäure fest
- Code ist universell: für ein bestimmtes Codon wird bei fast allen bisher untersuchten
Organismen die gleiche Aminosäure übersetzt
1. Transkription
- findet im Zellkern statt
→ mRNA verlässt den Zellkern
→ Introns werden bei der RNA-Prozessierung entfernt
→ mRNA besteht aus Introns & Exons
- beginnt am Promotor (= spezielle Nucleotidsequenz)
→ Enzym RNA-Polymerase bindet an Promotor
- Entwinden der DNA (bei ca. 20 Nucleotidpaaren werden Wasserstoffbrücken getrennt)
→ Transkriptionsblase
- Ablesen des codogenen Strangs
→ Promotor legt codogenen Strang fest
- komplementäre Basenpaarung führt zur Bildung der mRNA
→ Guanin – Cytosin & Adenin – Uracil)
- Terminatorsequenz beendet die Transkription
- RNA-Polymerase löst sich, mRNA ist frei
DNA A C C G T A…
mRNA UGGC …
RNA-Polymerase
40Sie können auch lesen
