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:
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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
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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!⇒
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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“
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2.5 Bau des Auges
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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.⇒
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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.
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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.⇒
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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.⇒
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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.
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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.
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BrennweiteGegenstandsweite
BrennweiteGegenstandsweite
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
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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.
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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!⇒
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Blau Grün Rot
Blau Gelb Weiß Grau Grün Rot
+ ++ + +– – –
Zapfentypen(in der Netzhaut)
Gegenfarbzellen(Auswahl)
2.11 Bau des Ohrs
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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.
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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
JakJ Biologie 9 Sinnesorgane 19/19
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
JakJ Biologie 9 Nervensystem 2/9
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.
JakJ Biologie 9 Nervensystem 4/9
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.⇒
JakJ Biologie 9 Nervensystem 5/9
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
JakJ Biologie 9 Nervensystem 6/9
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
JakJ Biologie 9 Nervensystem 7/9
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.
JakJ Biologie 9 Nervensystem 8/9
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.
JakJ Biologie 9 Nervensystem 9/9
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
JakJ Biologie 9 Hormonsystem 2/5
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“.⇒
JakJ Biologie 9 Hormonsystem 3/5
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
JakJ Biologie 9 Hormonsystem 4/5
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⇒
JakJ Biologie 9 Hormonsystem 5/5
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
JakJ Biologie 9 Immunsystem 2/12
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
JakJ Biologie 9 Immunsystem 3/12
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)
JakJ Biologie 9 Immunsystem 4/12
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⇒
JakJ Biologie 9 Immunsystem 5/12
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.
JakJ Biologie 9 Immunsystem 6/12
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.
JakJ Biologie 9 Immunsystem 7/12
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.
JakJ Biologie 9 Immunsystem 8/12
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.
JakJ Biologie 9 Immunsystem 9/12
5.7 Aktive Immunisierung
(vereinfacht am Beispiel der humoralen Immunantwort)
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B-Gedächtniszellen
jeder erneute Antigenkontakt
⇒ sehr schnelle Immunantwort aufgrund des Immungedächtnisses
B-Plasmazellen
5.8 Passive Immunisierung
Das Immungedächtnis wird nicht aktiviert!⇒
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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.
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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.
JakJ Biologie 9 Genetik 2/8
Protein
Merkmal aufPhänotyp-Ebene
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.
JakJ Biologie 9 Genetik 3/8
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)!
JakJ Biologie 9 Genetik 4/8
Aminosäuresequenz
Protein
Merkmal aufPhänotyp-Ebene
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
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genetische Information
identischegenetische Information
identischegenetische Information
Mitose
b) Keimzellenbildung und anschließende Befruchtung (bei geschlechtlicher Fortpflanzung)
Bei der ⇒ Meiose (= Keimzellenbildung) wird die genetische Information halbiert!
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genetische Information
♂
genetische Information
♀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“.
JakJ Biologie 9 Genetik 7/8
6.8 Genauer Ablauf von Mitose und Meiose
Vgl. Übungsaufgaben zum Biologie-Lernprogramm „Zellzykler“
biologie-lernprogramme.de/daten/html/zellzykler.html
JakJ Biologie 9 Genetik 8/8
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