Bio

• Das Hormon bindet an den Rezeptor, dies löst verschiedene Prozesse an der Innenseite der Zellmembran aus und führt zur Bildung von cAMP, das verschiedene andere Stoffwechselreaktionen in Gang setzt.

• Dabei stellt das Hormon den ersten Boten ("first messenger") dar, cAMP den "second messenger"

• cAMP aktiviert Proteinkinasen, die ihrerseits Enzyme durch Phosphorylierung aktivieren.

• Dies führt zur Aktivierung des Transcriptions Faktors CREB (cAMP response element binding protein), der sich an bestimmte Bereiche der DNA anlagert und Gene aktiviert.

• Neben dem "Second Messenger" cAMP gibt es noch einen anderen intrazellulären Botenstoff: IP3 = Inositol Triphosphat, das zusammen mit Ca²⁺ und Calmudolin zelluläre Enzymaktivitäten reguliert.

• Die steroiden Hormone diffundieren problemlos durch die Zellmembran und nehmen mit einem intrazellulären Rezeptorprotein im Kern Kontakt auf.

• Dieser Komplex aktiviert an der DNA Gene zur Herstellung bestimmter Enzyme

• abiotisch = nicht lebend ; die unbelebte Natur betreffend

• wirken auf Organismus ein

• können physikalischer oder chemischer Natur sein

• Bei Tieren unterscheidet man zwischen gleichwarmen (Körpertemperatur wird konstant gehalten) und wechselwarmen (Körpertemperatur passt sich Umwelttemperatur an) Tieren

• Für jedes Lebewesen gibt es Temperaturbereiche, in dem es Überleben kann und Temperaturbereiche, die ein Überleben unmöglich machen

• Bergmann'sche Regel: Individuen einer Art oder nahe verwandter Arten sind in kalten Gebieten größer als in warmen Regionen

• Allen'sche Regel: Bei verwandten Arten gleichwarmer Tiere sind Körperanhänge wie Ohren oder Schwänze in kalten Klimazonen kleiner als in warmen Gebieten

• Wichtig für Pflanzen → Photosynthese

• Sonnen-, Halbschatten- und Schattenpflanzen benötigen unterschiedlich viel Licht

• Für Tiere und Menschen wichtig für den Sehsinn

• Je nach Art wird eine unterschiedliche Menge an Wasser benötigt

• Bei Pflanzen gewaltige Unterschiede: Wasser-, Feucht- und Trockenpflanzen

• Wie viel Wasser eine Pflanze benötigt, hängt sehr stark vom Aufbau ihrer Blätter ab

• • Die Gesamtheit aller Umweltfaktoren, die ein Lebewesen für seine Existenz

  • Beziehung eines Lebewesens zu seiner Umwelt

  • System von Wechselbeziehungen zwischen einer Art & ihrer Umwelt

  • Lebensweise einer Art ist durch Körperbau, Verhalten, physiologischen Eigenschaften & bestimmten Ausprägungen verschiedener Umweltfaktoren bestimmt

  • Bei identischen Ansprüchen setzt sich immer eine Art gegenüber einer anderen durch

    • → dauerhaft können 2 verschiedene Arten mit identischen ökologischen Nischen nicht koexistieren.

• • Wettbewerb um begrenzte, lebenswichtige Ressourcen

  • Konkurrenzvermeidung

→ Zusammenleben verschiedener Arten im selben Lebensraum

• • Konkurrenz-Ausschluss-Prinzip

→ 2 Arten mit deckungsgleichen ökologischen Ansprüchen schließen sich in einem Lebensraum aus

• • Interspezifische Konkurrenz

→ Konkurrenz um begrenzte Ressourcen zwischen Individuen verschiedener Arten

• • Intraspezifische Konkurrenz

→ Herrscht zwischen Individuen einer Art

→ Wettbewerb um abiotische & biotische Faktoren wie Raum, Nahrung, Partner

→ Bei mehr Bedarf nach Ressourcen als da ist, konkurrieren sie darum

• • Räuber-Beute-Beziehung

→ Räuber ernährt sich von Beute

→ Im Labor müssten beide sterben (Räuber ist Beute und verhungert danach)

→ In der Natur ist Koexistenz möglich, Beute entwickelte Tarn- und Warnmechanismus

• • Parasitismus:

→ Parasit lebt auf Kosten des Wirts, tötet ihn aber nicht

→ Leben an anderen Lebewesen oder in anderen Organismen

• • Symbiose:

→ Beziehung zum gegenseitigen Nutzen beider Arten

• • Atmosphäre besteht zu 78% aus elementarem Stickstoff (N₂ )

  • Stickstoff kann von Lebewesen aber nur als Verbindung, hauptsächlich als Nitrat (NO₃^-) aufgenommen werden

1. Sonnenstrahlung und Blitze spalten Stickstoffbindung N₂ → N und N

2. Freie Stickstoffatome können sich mit Sauerstoff verbinden → reaktiver Stickstoff

3. Auch Bodenbakterien spalten Stickstoffbindung N₂ → NH₄ (Ammonium

4. Ammonium wird von den Nitrifizierern in Nitrat (NO_3-), dies können Pflanzen nutzen

5. Pflanzen bauen Stickstoff in Eiweißverbindungen ein(Pflanzenfresser nehmen diese auf)

6. Kot wird von Bakterien und Pilzen in Ammonium zersetzt → Wieder im Boden (Ammonifikation)

(1) CO₂ wird aus der Atmosphäre von Pflanzen aufgenommen (Assimilation). Diese produzieren Sauerstoff.

(2) Der Sauerstoff wird von den Lebewesen, die keine Photosynthese betreiben, veratmet (Respiration). Hierbei wird wieder CO₂ produziert, was in die Atmosphäre gelangt.

(3) Anthropogen werden fossile Brennstoffe (Erdöl, Erdgas, Kohle) verbrannt. Diese bestehen zum größten Teil aus Kohlenstoff (Erdöl: 85-90% Kohlenstoff; Erdgas: Hauptbestandteil gesättigte Kohlenwasserstoffe, z.B. Methan CH₄). Bei der Verbrennung dieser Brennstoffe wird Kohlenstoffdioxid frei, das wiederum in die Atmosphäre transportiert wird.

(4) Weitere C-Speicher im Boden sind Karbonate (CaCO₃, MgCO₃, Kalk); gespeicherter Kohlenstoff in Form von Knochen oder Muscheln und organische Abfallstoffe, die durch Zersetzungsvorgänge (auch durch Meeresablagerungen) in den Boden gelangen.

Im Meer (Hydrosphäre, Tiefsee) laufen folgende Teilschritte ab:

(5) Zwischen der Hydrosphäre (Meerestiefe < 75m) und der Atmosphäre laufen in beiden Richtungen CO₂-Diffusionsvorgänge ab.

(6) Phytoplankton assimiliert CO₂, das durch Diffusionsvorgänge ins Wasser gelangt. Meerestiere (Fische) nutzen das Phytoplankton als Nahrungsquelle, und geben mit ihren Exkrementen (Detritus) wiederum organisches Material (=Kohlenstoff) ab, der zersetzt wird und sich absetzt.

(7) Kohlenstoffverluste auf den Landflächen durch Auswaschung und Abtragung werden ins Meer transportiert, und durch CO₂-Freisetzung aus dem Meer und Transport über die Atmosphäre ersetzt.

• In der Luft hat sich ein stabiler Sauerstoffgehalt von ca. 21 Volumen-% eingestellt

• er Sauerstofftransport in den Ökosystemen erfolgt hauptsächlich mit Sauerstoff, der in Verbindungen wie Kohlenstoffdioxid, Wasser und Kohlenhydraten gebunden ist

• Prinzipiell spielt Sauerstoff bei allen Oxidations- und Reduktionsvorgängen in allen Stoffkreisläufen eine entscheidende Rolle

• Besteht hauptsächlich aus O₂-verbrauchenden und O₂-erzeugenden Vorgängen:

• O₂ wird molekular in der Atmosphäre (durch Grünpflanzen) und in der Hydrosphäre (durch Algen) durch die Photosynthese freigesetzt.

• O₂-Verbraucher sind Land- (Mensch, Tiere) und Wasserlebewesen (Phytoplankton)

• da bei Grünpflanzen in der Nacht die Vorgänge der Photosynthese umgekehrt ablaufen, zählen diese dann auch zu den O₂- Verbrauchern

• bei Vulkanen freiwerdendes Kohlenmonoxid (CO) reagiert mit Sauerstoff in der Luft zu Kohlenstoffdioxid (CO₂).

• in der Ozonschicht laufen ebenso sauerstoffbildende und sauerstoffverbrauchende Vorgänge ab, ein Beispiel hierfür sind die Reaktionen:

  • Ozonbildung: O₂ + Lichtenergie --> O* + O* (Radikalbildung)

  • O* + O₂ --> O₃

  • Sauerstoffbildung: O₃ + Lichtenergie --> O₂ + O*

• Erlenbruch: Erlen, Weiden, Ulmen

• Schilfrohrzone/Röhrichtgürtel: Seggen, Binsen, Schilf, Schwertlilie

• Schwimmblattzone/Gürtel: Seerose, Wasserknöterich

• Unterwasserplanzenzone/Tauchblattgürtel: Hornblatt, Armleuchteralgen, Tauendblatt

• Produzenten:

  • Die grünen Pflanzen sind die Produzenten, denn sie bauen durch Fotosynthese aus anorganischem, unbelebtem Material körpereigene, organische Substanz auf. Sie stellen die Biomasse her

• Konsumenten:

  • Organismen, die sich von lebender organischer Substanz ernähren. Sie sind entweder Pflanzen- oder Fleischfresser oder Parasiten. Produzenten und Konsumenten sind über Nahrungsketten miteinander verbunden

• Destruenten:

  • Diese „Zersetzer“ bauen das durch Tod und Ausscheidung angefallene organische Material im Ökosystem ab. Sie ernähren sich von Aas und Kot, scheiden aber selbst organische Substanz aus. Mineralisierer bauen organische Stoffen zu anorganischen Verbindungen ab, die dann wieder in die Produktion neuer Biomasse eingehen können. Durch die Destruenten wird der Stoffkreisklauf geschlossen.

• Im Frühjahr kommt es zu einer Durchmischung aller Stoffkonzentrationen im See. Die Temperatur beträgt im gesamten See ungefähr 4°C.

• Bei der Sommerstagnationen ist eine Schichtung des Wassers zu beobachten: Epilimnion (20°C), Metalimnion (schneller Temperaturabfall), Hypolimnion (4°C).

• Während der Herbstzirkulation sorgt der Wind erneut für eine Durchmischung aller Stoffkonzentrationen im See. Im See beträgt die Temperatur etwa 10°C.

• Das Epilimnion des Sees ist durch eine Eisschicht im Winter bedeckt. Auf dem Grund des Sees herrschen wegen der Dichteanomalie des Wasser permanent 4°C.

• Ungebremstes Wasserpflanzenwachstum (vor allem Algen, später auch tierisches Plankton) aufgrund eines Überangebots von Nährstoffen

• Bei einem Überangebot von Nährstoffen (Eutrophierung) kommt es im See zu einer extremen Vermehrung von Phytoplankton und Wasserpflanzen. Dabei kann es zum "Umkippen des Sees" kommen, in dessen Verlauf das Wasser vergiftet wird, und fast alle Organismen im See absterben.

• Ursächlich für eine Eutrophierung ist fast immer der Mensch durch Einleitung von Abwasser (phosphatreich) oder Düngemittel (nitratreich) in den See.

• Neuverteilung von Erbgut während der Meiose

• Unmöglich, das zwei identische Nachkommen gezeugt werden und ist somit maßgeblich für eine hohe genetische Variabilität

• Verursacht durch

  • zufällige Verteilung väterlicher und mütterlicher Chromosomen während der Meiose

(interchromosomale Rekombination)

• • Crossing-over während der Meiose (intrachromosomale Rekombination)

  • zufällige Auswahl von Ei- und Samenzelle während der Befruchtung

• Durch Rekombination wird das vorhandene genetische Material (DNA) neu gemischt

• Prüft, welches Individuum in einer gegebenen Umwelt mehr oder weniger angepasst ist

• Reproduktive Fitness = Mehr Nachkommen als andere erzeugen können

• Abiotische Selektionsfaktoren:

  • Temperatur

  • Wasser

  • Gifte

  • Wind

• Biotische Selektionsfaktoren:

  • Fressfeinde und Beute

  • Konkurrenz um Nahrung, Sexualpartner & Beutereviere

• Einfluss der Umwelt über die Selektionsfaktoren auf eine Population ausübt

→ Selektionsdruck

• Selektionsformen:

• Gerichtete Selektion:

  • Einseitiger Selektionsdruck

  • Umweltveränderungen (z.B. verändertes Nahrungsangebot oder Neubesiedlung)

  • Beispiel: Hohe Gräser werden gefressen → Population verändert sich in Richtung der kleinen Form

• Stabilisierende Selektion:

  • Extreme Varianten werden eliminiert

  • Beispiel: Extreme Umweltbedingungen selektieren besonders große und kleine Vögel

• Aufspaltende Selektion:

  • Wenn Umweltbedingungen sich zugunsten der Extremen verändert

  • Wenn Population unterschiedlichen Umweltbedingungen ausgesetzt sind

→ Zerfall in Teilpopulationen

• • Beispiel: Vögel essen nur die häufigste Variante einer Insektenart, da sie auf diese Form geprägt wurden

• Sexuelle Selektion:

  • Phänotyp mit Handicap, aber Aufmerksamkeitserregend → leichtere Partnerfindung

  • Good-Genes-Modell

  • Runaway-Selection-Modell

• Faktoren, die den Genfluss verhindern

• Geographische Isolation:

  • Durch geographische Trennung können Populationen unterschiedlich mutieren

• Reproduktive Isolation:

  • Unterschiede der Populationen sind so groß, dass keine fruchtbaren Nachkommen mehr möglich sind

• Allopatrische Artbildung = Getrennte Populationen entwickeln sich verschieden

• Sympatrische Artbildung = Mutation grenzen Individuen aus, welche nur unter sich paaren

• Veränderung der Allelfrequenz in einem Genpool durch ein Zufallsereignis

• Flaschenhalseffekt:

  • Nach Katastrophe → Reduzierung der Population

  • Verliert Großteil ihrer genetischen Variation

  • Neuer Genpool kann sich erheblich vom alten unterscheiden

• Gründereffekt:

  • Ursprungspopulation wird nicht vernichtet

  • Ein kleiner Teil einer Population gründet eine neue Population

  • Besiedeln neue Lebensräume

• Homologe Organe sind Organe die auf einen gemeinsamen Grundbauplan zurückzuführen sind (gemeinsamer Vorfahre).

• 1. Kriterium der Lage (Organe sind dann homolog, wenn sie die selbe Lage einnehmen; z.B. der Aufbau des Herzens ist bei fast allen Säugetieren identisch)
  2. Kriterium der spezifischen Qualität (Organe sind auch dann homolog, wenn sie sich in vielen komplexe Einzelmerkmalen gleichen)
  3. Kriterium der Kontinuität (Organe sind homolog, wenn sich deren Entwicklung durch die Verknüpfung von Zwischenformen erklären lässt

• Analoge Organe sind Organe die sich aufgrund von ähnlichen Umweltbedingungen entwickelt haben und sich in ihrer Funktion gleichen (kein gemeinsamer Vorfahre)

• Entstehen durch ähnliche Umweltbedingungen

• Ähnliche ökologische Nischen mit ähnlichem Selektionsdruck führen zu der Ausbildung von analogen Organen bei unterschiedlichen Arten

• Dient der Feststellung eines Verwandtschaftsgrades

1. Extrahieren und Zerschneiden von DNA

• Um DNA Abschnitte zu erhalten

1. Erhitzen der DNA zum Auftrennen in Einzelstränge

• Lösung der Wasserstoffbrücken

1. Vermischen und Abkühlen der DNA zum Hybridisieren der Stränge

• Zur Bindung neuer Wasserstoffbrücken

1. Erneutes Erhitzen zum Ermitteln des Hybridisierungsgrades

• Je Mehr Wasserstoffbrückenbindungen gebildet wurden, desto größer der Verwandschaftsgrad

Vergleichswert Delta T50 → Je höher die Schmelztemperatur, desto mehr Basenpaare sind komplementär

• Zellteilung → genetisch, identischer Tochterzellen

• DNA Öffnung wie ein Reißverschluss (Helicase)

• An beiden Enden setzen sich die neuen passenden Nucleotide an (A,G,C,T)

• Es entstehen zwei neue Doppelstränge (Semikonservative Replikation)

• Konservative Replikation → DNA Doppelstrang gilt nur als Vorlage

• 3' → 5' ist die Synthese kontinuierlich, andersrum diskontinuierlich

• Bindung der RNA Polymerase an einer spezifischen DNA-Sequenz (Promotor)

• Öffnung der DNA hinter der Promotor-Region (DNA Doppelstränge sind nun einzeln)

• Nur einer der beiden Stränge wird abgelesen (DNA Matrize)

• DNA Polymerase geht von 5' → 3'

• Nucleotide werden komplementär zur DNA Sequenz angelagert (Kein Primer nötig)

• Synthese stoppt → RNA löst sich von der DNA ab

• RNA Polymerase wandert aber weiter und es kommen weitere Nucleotide zur mRNA in Richtung 3'

• Auftreffen vom Terminator → RNA Polymerase löst sich vom codogenen Strang

• 5' Ende enthält eine CAP-Struktur (Besteht aus Guonasin)

  • Zwei wichtige Funktionen:

1. 1. Schützt die mRNA vor hydrolysierenden Enzymen

   2. Wirkt nach dem Transport ins Cytoplasma als Signal für die kleine ribosomale Untereinheit, an diese anzudocken

• 3' Ende erfährt eine Polydenylierung

  • Enzym hängt einen Poly-A-Schwanz aus 30-200 Adeninmolekülen an

  • Funktion: Schutz vor enzymatischen Abbau & regulatorische Aspekte

(Export der mRNA ins Cytoplasma)

• Mosaikgene & RNA Spleißen

  • RNA-Spleißen = Schneide- und Klebevorgänge

  • Nukleotidfolge, welche ein Protein codiert ist nicht kontinuierlich, sondern mosaikartig → Mosaikgene besitzen Introns und Extrons

    • Introns: nichtcodierende Segmente der DNA

    • Extrons: codierende Segmente der DNA

  • Introns und Extrons werden in ein großes mRNA-Molekül transkribiert

    • Prä-mRNA (verlässt niemals den Zellkern)

  • mRNA, welche in ins Cytoplasma gelangt ist ohne Introns

    • Enzyme (Spleißosome) schneiden die Introns aus dem Molekül und verbinden die Exons zu einer translatierbaren mRNA mit einer kontinuierlich codierenen Basenfolge

Bei der Translation wird die in der mRNA enthaltende Information in die Aminosäurensequenz der Proteine übersetzt

• Findet in den Ribosomen statt (Cytoplasma)

• Initiation (1.Phase)

  • Ribosomen bestehen aus einer großen und kleinen Untereinheit

  • mRNA lagert sich an die kleine Untereinheit (Ribosomen-Erkennungssequenz)

  • mRNA wandert in Richtung 3' bis zum START Codon

  • START tRNA lagert sich komplementär mit ihrem Anti-Codon an

  • Große Untereinheit kommt hinzu

• Elongation (2. Phase)

  • Codon-Erkennung:

    • Eine ankommende Aminoacryl-tRNA bindet an das an der A-Stelle befindliche Codon

  • Peptidbindung:

    • Zwischen der neuen Aminosäure und der wachsenden Polypeptidkette wird eine Peptidbindung geknüpft

  • Translokation:

    • tRNA wird an der P-Stelle entlassen

    • tRNA an der A-Stelle wird zu P-Stelle verschoben → Ribosom bewegt sich in 5'-3' Richtung um ein Codon vorwärts

• Termination (3.Phase):

  • Trifft man auf eines der drei STOP Codons, kommt es zum Abbruch der Kettenverlängerung

  • Ribosom zerfällt und gebildetes Protein wird freigesetzt

Aktivitätssteuerung von Genen bzw. die Steuerung der Expressionsstärke bestimmter Genabschnitte oder einzelner Gene

• Keine Lactose in der Zelle: Repressor bindet am Operator und verhindert die Transkription von lactoseabbauenden Enzymen (Repressor aktiv)
  Lactose in der Zelle: Lactose Moleküle binden am Repressor und verändern dadurch seine Struktur (Repressor inaktiv). Die RNA Polymerase kann ablaufen und synthetisiert die Lactose abbauenden Enzyme.

• Aussagen über den Verwandtschaftsgrad zweier Lebewesen und wann die Aufspaltung aus einem gemeinsamen Vorfahren sich vollzog

• DNA-Moleküle als molekulare Uhr

  • Durch DNA-Sequenzierung kommt es zur Verbesserung der Genauigkeit der Uhr, da viel mehr mehr Mutationen erfasst werden

Beginn

Zunächst wird der DNA-Abschnitt, dessen Sequenz bestimmt werden soll, an seinem 3’-Ende mit einem komplementären DNA-Oligonucleotid hybridisiert. Dieses Oligonucleotid dient der DNA-Polymerase als Primer, so dass diese nach Zugabe der vier Desoxynucleosidtriphosphate einen komplementären Strang produzieren.

Fortsetzung

Die Verlängerung erfolgt durch einem nucleophilen Angriff der freien Hydroxylgruppe am 3’-Ende an die Phosphorsäureanhydridbindung des Desoxynucleosidtriphosphates. Unter Abspaltung eines Pyrophosphatrestes kommt es zur Verlängerung des Stranges.

Ende

Teilt man den Sequenzierungsansatz in vier gleiche Teil und gibt 2’,3’

• Nach dem Prinzip der DNA-Replikation

• Trennung DNA Doppelhelix bei 94 Grad, die TAQ-Polymerase wird durch den Zerfall der Enzyme aktiviert

• Abkühlung auf 65 Grad verhindert erneute Doppelhelix

• Hybridiserung:

  • Zwei synthetisierte DNA Primer lagern an beiden DNA Strängen

• Polymerisation:

  • Bei 72 Grad folgt die DNA Synthese durch die erneute Erwärmung wird die Replikation beendet

  • Es bleiben Einzeltränge und der Zyklus wiederholt